1985-2020年黃河中游多沙粗沙區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)變化

殷寶庫， 蘇鵬飛， 張建國(guó)， 曹夏雨

(黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021)

黃河中游多沙粗沙區(qū)是黃河流域主要的產(chǎn)沙區(qū)，也是黃土高原地區(qū)水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致土壤退化、生產(chǎn)力降低，惡化了當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活環(huán)境，造成了河道淤積，加重了旱澇災(zāi)害，影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。很多學(xué)者從土地利用、植被覆蓋、水土流失等不同角度對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了研究。張含玉[2]利用NDVI，水文等數(shù)據(jù)分析了研究區(qū)侵蝕產(chǎn)沙變化特征及主控因子，王光謙等[4]根據(jù)80，90年代遙感影像及水文數(shù)據(jù)分析了研究區(qū)植被覆蓋變化與其減水減沙效益之間的規(guī)律，陳劭鋒等[5]探索了研究區(qū)自然和人文要素對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的作用，楊勝天等[6]利用中分辨率衛(wèi)星影像研究了研究區(qū)土地利用的轉(zhuǎn)型和漸變與促進(jìn)植被蓋度恢復(fù)的關(guān)系。這些研究一般利用研究區(qū)的一部分作為研究對(duì)象，且間隔一般較短，而根據(jù)長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)研究其變化趨勢(shì)與規(guī)律具有重要指導(dǎo)意義，可為預(yù)防保護(hù)和水土流失綜合治理等提供依據(jù)。本研究選取整個(gè)黃河中游多沙粗沙區(qū)為研究對(duì)象，利用覆蓋整個(gè)研究區(qū)1985—2020年的長(zhǎng)序列水土流失數(shù)據(jù)對(duì)其水土流失時(shí)空變化特征及變化原因進(jìn)行分析，以期為防治黃土高原地區(qū)水土流失，推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供有益參考。

1 研究區(qū)概況

黃河中游多沙粗沙區(qū)位于黃河河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間及涇河、洛河上游，面積約7.86×104km2，介于東經(jīng)106°57′—111°58′和北緯35°54′—40°15′之間[4],主要為黃土丘陵溝壑和黃土高塬溝壑地貌，溝壑密度大且坡陡溝深,區(qū)內(nèi)地表土壤以易蝕性的沙黃土主。屬干旱半干旱區(qū),降雨較少而又非常集中,多年平均降水量450 mm左右,由東南至西北遞減，全年60%以上降水發(fā)生在7—9月且以常以暴雨形式出現(xiàn)[1，4]。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本研究基于2020年水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和1985，1999年土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)，3期成果均采用遙感技術(shù)利用衛(wèi)星遙感影像等資料獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且各年份土壤侵蝕的定義沒有實(shí)質(zhì)性變化，其水力和風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)前后一致[7]。2020年土壤侵蝕采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE模型)[8]計(jì)算水力侵蝕模數(shù)，采用風(fēng)力侵蝕模型[9]計(jì)算風(fēng)力侵蝕模數(shù)，基于土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[10]分析土壤侵蝕強(qiáng)度。利用Arcgis的裁切功能獲取研究區(qū)土壤侵蝕空間數(shù)據(jù)，利用其珊格計(jì)算功能對(duì)1985,1999,2020年土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)1999,2020年的土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)移分析，獲取研究區(qū)水土流失時(shí)間和空間變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年份水土流失狀況

1985年，研究區(qū)內(nèi)水土流失面積為7.52×104km2，占總面積的95.67%；水土流失強(qiáng)度以極強(qiáng)烈和劇烈為主，極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積達(dá)5.76×104km2，占水土流失面積比例達(dá)76.60%(表1，圖1)。

表1 1985-2020年黃河中游多沙粗沙區(qū)水土流失面積 104 km2

圖1 1985-2020年黃河中游多沙粗沙區(qū)土壤侵蝕特征

1999年，研究區(qū)內(nèi)水土流失面積為7.32×104km2，占總面積的93.13%；水土流失強(qiáng)度以強(qiáng)烈及以上侵蝕為主，強(qiáng)烈及以上侵蝕面積達(dá)5.57×104km2，占水土流失總面積的76.10%(表1，圖1)。

2020年，研究區(qū)內(nèi)水土流失面積為4.27×104km2，占總面積的54.33%；水土流失強(qiáng)度以輕度和中度侵蝕為主，面積達(dá)3.05×104km2，占水土流失總面積的71.43%；強(qiáng)烈及以上侵蝕面積為1.22×104km2，占水土流失總面積的28.58%(表1，圖1)。

3.2 不同時(shí)段水土流失動(dòng)態(tài)變化特征

3.2.1 面積動(dòng)態(tài)變化特征 研究期內(nèi)研究區(qū)水土流失狀況明顯改善，水土流失面積減少3.25×104km2，降幅達(dá)43.22%，年均減少1 000 km2。其中，劇烈和極強(qiáng)烈侵蝕面積減少最多，減少面積達(dá)5.23×104km2，減少幅度達(dá)90.80%；強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)為比其等級(jí)低的侵蝕強(qiáng)度面積和由極強(qiáng)烈及劇烈轉(zhuǎn)來的面積基本持平，研究期內(nèi)面積基本未變；輕度和中度侵蝕面積均明顯增加，特別是輕度侵蝕面積增加1.39×104km2，增幅近700%(表2)。

表2 不同時(shí)段水土流失面積動(dòng)態(tài)變化情況 104 km2

研究區(qū)1985—1999年和1999-2020年兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，水土流失面積先緩慢減少后加速減少。1985—1999年14 a間研究區(qū)水土流失總面積處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，僅減少2 000 km2，降幅2.66%，年均減少水土流失面積僅100 km2，水土流失嚴(yán)重的狀況沒有根本改變。1999—2020年21 a間研究區(qū)水土流失面積快速減少，水土流失嚴(yán)重的狀況得到明顯改善，減少水土流失面積達(dá)3.05×104km2，降幅達(dá)41.67%，年均減少1 500 km2(表2)。

研究區(qū)兩個(gè)時(shí)段內(nèi)水土流失強(qiáng)度總體上均明顯變輕。前一時(shí)段內(nèi)水土流失強(qiáng)度變輕以劇烈侵蝕面積減少為主，降幅達(dá)66.67%，強(qiáng)烈及輕度水土流失面積增幅較多；后一時(shí)段內(nèi)強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積協(xié)同下降且下降顯著，降幅均超過70%，其中劇烈侵蝕面積降幅達(dá)93.60%，年均減少面積分別為800，700，600 km2，輕度和中度水土流失面積有所增加(表2)。

3.2.2 空間變化特征分析 對(duì)研究區(qū)1999年和2020年土壤侵蝕空間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和轉(zhuǎn)移分析(表3)，20 a多來研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移最多的是輕度以上土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)為微度，也就是研究區(qū)水土流失面積減少的部位，面積達(dá)3.26×104km2，占總面積的41.48%；其次是發(fā)生中度以上土壤侵蝕強(qiáng)度降級(jí)但未降到微度的部位，面積為3.01×104km2，占總面積的38.31%。土壤侵蝕未減輕的區(qū)域面積為1.59×104km2，其中侵蝕強(qiáng)度未變化的面積為9 500 km2，比例為12.09%；土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)加劇的面積為6 400 km2，占比為8.14%。在土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)加劇的區(qū)域中，非水土流失面積變?yōu)樗亮魇娣e1 900 km2，比例2.42%；水土流失加劇的面積為4 500 km2，比例5.72%。

表3 1999-2020年黃河中游多沙粗沙區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間動(dòng)態(tài)變化統(tǒng)計(jì) 104 km2

1999—2020年研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布變化具有明顯的整體向好和少數(shù)部位強(qiáng)度變強(qiáng)特征，強(qiáng)度變輕、廣泛分布的“綠色調(diào)”為研究區(qū)主基調(diào)，強(qiáng)度變強(qiáng)的“棕色調(diào)”呈零星片狀或零散分布(圖2)。由水土流失面積轉(zhuǎn)為非水土流失面積的部位在研究區(qū)北部的呼和浩特、鄂爾多斯、忻州和榆林(北部)表現(xiàn)突出，成片區(qū)域降為非水土流失面積，榆林中部、延安中部及慶陽市、吳忠市表現(xiàn)較差。由微度變?yōu)檩p度及以上水土流失面積的部位集中分布在吳忠市、延安市東北部、呂梁市臨縣與興縣交界處的中部和方山縣外邊緣附近，榆林市東北角也有較連片的分布(圖2)。

3.3 水土流失變化原因分析

(1) 從人類活動(dòng)影響來看，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)民素質(zhì)的提高，在退耕還林還草等宏觀政策引導(dǎo)、水土流失預(yù)防保護(hù)和綜合治理等防治方略指引下，隨著大規(guī)模的人口從農(nóng)村轉(zhuǎn)移到城鎮(zhèn)，大量的水土保持治理工程被實(shí)施，各地實(shí)施嚴(yán)格的水土保持監(jiān)督制度，毀林毀草開荒、濫挖亂堆亂棄等現(xiàn)象急劇減少，植被得以修復(fù)，水土流失減輕，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善。

(2) 結(jié)合研究區(qū)地形、坡耕地和人為水土流失地塊分布情況分析，研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度1999—2020年未減輕的區(qū)域主要位于研究區(qū)溝道、新增坡耕地和人為水土流失地塊上。該區(qū)溝壑縱橫、水土流失嚴(yán)重、耕地資源稀缺，在1999年開始退耕還林還草政策之后一段時(shí)間還存在開墾坡耕地的現(xiàn)象；同時(shí)該區(qū)主要位于煤、石油、天然氣等能源的富集區(qū)，是中國(guó)重要的能源產(chǎn)業(yè)基地集中區(qū)，大規(guī)模的資源集中開發(fā)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)區(qū)域水土流失也造成了一定的影響。

圖2 1999-2020年黃河中游多沙粗沙區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移特征

(3) 從自然條件來看，研究區(qū)植被覆蓋范圍的擴(kuò)大和覆蓋等級(jí)的提高是研究區(qū)后一時(shí)段水土流失面積和高強(qiáng)度侵蝕面積雙降的重要影響因素。研究區(qū)降水、地形等條件并未發(fā)生根本性變化，植被覆蓋面積2020年比1999年增加了近1.00×104km2，覆蓋比例提高了18.52%。且高覆蓋和中高覆蓋面積大幅提升，由1999年的900 km2提高為2020年的1.67×104km2，中和中低覆蓋占比由超過90%降為僅占一半。植被覆蓋范圍的擴(kuò)大和植被覆蓋等級(jí)的提高可有效降低水土流失強(qiáng)度等級(jí)和面積。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)35 a來水土流失狀況明顯改善，水土流失惡化態(tài)勢(shì)得到有效遏制，水土流失面積由1985年的95.67%降至2020年的54.33%，區(qū)域水土流失面積減少43.22%；極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕占總面積比例由73.28%降至約6.74%，減幅達(dá)90.80%。在1985—1999年和1999—2020年兩個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，1985—1999年水土流失面積相對(duì)穩(wěn)定，年均減少水土流失面積僅100 km2；1999—2020年水土流失面積和極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積快速減少，水土流失面積減少達(dá)3.05×104km2，年均減少面積達(dá)1 500 km2，水土流失嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)得到遏制。

(2) 研究區(qū)兩個(gè)時(shí)段內(nèi)水土流失強(qiáng)度總體上均變輕，但1999—2020年明顯好于1985—1999年且極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積均大幅下降。1985—1999年內(nèi)水土流失強(qiáng)度變輕以劇烈侵蝕面積減少為主，減少面積達(dá)2.5×104km2；1999—2020年內(nèi)強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈等侵蝕面積均大幅減少，減少面積達(dá)4.35×104km2，減幅達(dá)78.10%。

(3) 研究區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況改善的主要原因是： ①區(qū)域水土保持監(jiān)督管理工作的加強(qiáng)有效遏制了生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)產(chǎn)生的水土流失； ②預(yù)防保護(hù)與水土保持綜合治理的協(xié)同推進(jìn)使得自然恢復(fù)與水土保持措施共同改善了區(qū)域植被覆蓋和水土流失狀況； ③經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展使得第一產(chǎn)業(yè)地位下降，對(duì)耕地的需求減少； ④一系列保護(hù)環(huán)境和生態(tài)的政策的引導(dǎo)使得人們更加重視保護(hù)生態(tài)環(huán)境，如1999年開始實(shí)施的大規(guī)模退耕還林草政策，研究區(qū)植被覆蓋度明顯提高。

(4) 經(jīng)過多年的預(yù)防保護(hù)與治理，雖然研究區(qū)水土流失面積與強(qiáng)度大幅降低，水土流失日趨嚴(yán)重的態(tài)勢(shì)得到了遏制，水土流失狀況大幅改善，但是其水土流失仍然廣泛分布，且占總面積一半以上，遠(yuǎn)高于全國(guó)平均值；另外，研究區(qū)千溝萬壑，受技術(shù)條件限制未考慮溝道侵蝕，水土流失強(qiáng)度尚存在一定程度的低估。因此，研究區(qū)依然是黃土高原乃至全國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，其生態(tài)環(huán)境脆弱的局面并未得到根本改變，仍需持續(xù)采取適宜措施保護(hù)好研究區(qū)生態(tài)環(huán)境，維護(hù)好研究區(qū)乃至黃土高原地區(qū)來之不易的大好局面。