大溝頭小流域不同土地利用格局下土壤侵蝕情景模擬研究

楊翠林，秦富倉

（1.鄂爾多斯市準格爾旗水土保持局，內蒙古 鄂爾多斯010300 2.內蒙古農業大學，呼和浩特010019）

土地利用是自然因素和人文因素結合最為緊密的人類活動，土地利用形成的土地覆被從景觀尺度上反映了人類對自然生態系統的影響方式及程度［1－3］。土地利用格局的動態變化，其實質是人類為滿足社會經濟發展需要，不斷調整配置各類土地利用的過程。研究土地利用格局的變化與土壤侵蝕過程的響應，有助于了解土地利用格局變化對生態環境的影響，同時通過調整人類社會經濟活動，改變土地利用格局，促使土地利用更趨合理，使得人類活動與生態環境和諧發展［4－6］。以內蒙古通遼市奈曼旗大溝頭小流域為對象，通過在Arcview中利用模型模擬研究小流域土地利用格局與土壤侵蝕間的關系。

1 研究區概況

1.1 自然條件

大溝頭小流域位于通遼市奈曼旗土城子鎮北部的哈日干圖境內，位于42°28′33″－42°31′12″N、120°37′48″－120°42′31″E。該流域面積約1 853.26hm2，是大凌河支流牤牛河的一個小流域，海拔550.60m。大溝頭小流域的地貌類型為丘陵溝壑區與沙化漫崗結合區，土層厚度5－10m，其中沙壤土占60%，黃土占40%。該區處于內蒙古農牧交錯帶，屬半干旱大陸性季風氣候［7］，多年平均氣溫6.2℃，多年平均蒸發量2 053.2 mm，多年平均降雨量450mm，年日照時數2 952.2h，年平均風速3.8m／s，≥10℃積溫為3 151.2℃，無霜期160d，最大凍土深1.5m，植被蓋度83%。

1.2 社會經濟條件

奈曼旗大溝頭小流域由4個自然屯組成，以種植業為主、牧業為輔，主要糧食作物有：蕎麥、谷子、豆類等。牧業主要以養殖小尾寒羊為主，養牛主要是為了產肉，還有部分農戶自行養豬、養雞、養蜂，并形成了一定規模。據統計，2007年小流域共有農戶235戶，總人口1 280人，人口密度69人／km2，人均耕地0.49hm2，共有9處果園，人均收入2 000元。

2 研究方法

2.1 數據的獲取

根據大溝頭流域2007年的土地利用現狀進行分析，流域景觀格局的組成是由流域內各種土地利用類型反映出來。圖1為研究區多年月平均降雨量年內分布情況，流域內土地利用現狀的斑塊格局及相應坡度分級的數據，利用1∶1萬土地利用現狀圖獲取。土地利用類型斑塊按土地利用現狀調查技術規程的分類系統標準進行分類［8－9］。將土地利用現狀圖數字化，建立相關的空間信息數據和屬性信息數據庫。大溝頭流域總占地面積為1 853.26hm2，各種土地類型斑塊的面積見表1。在Arcview中將矢量型的土地利用類型空間數據轉換為柵格型數據，分別計算和提取各種土地類型斑塊的面積，用土地利用類型的柵格型數據與DEM派生的坡度圖形疊置計算，可獲得研究流域內各土地利用類型斑塊的坡度分級圖和相應土地利用類型的坡度分級數據（表2）。

圖1 研究區多年月平均降雨量年內分布情況

表1 流域內各斑塊占地面積

表2 流域內各土地利用類型坡度分析 hm2

經奈曼旗水土保持工作站從1986－2005年的長期觀測獲得了不同土地利用類型的平均侵蝕模數（見表3），利用平均侵蝕模數推算不同情景下的土壤侵蝕量。

表3 大溝頭流域內各類土地利用類型的平均侵蝕模數t／（km2·a）

為了使情景模擬結果計算出來的土壤侵蝕量能夠被分配到具體的土地利用類型和不同的地貌部位上，并且能夠相互間的直觀比較，利用大溝頭流域水土保持工作組多年的觀測結果，推算出流域土壤侵蝕狀況，然后使用Arcview空間分析模型將土地利用空間位置與地貌部位圖形進行疊置運算，統計出不同地貌部位各種土地利用狀況的土壤侵蝕結果，以利于不同情景間土壤侵蝕狀況的比較［10］。

2.2 數據的校核

通過計算流域現實治理狀況的減水減沙效益，以大溝頭流域長期觀察計算的年均徑流量，推算出在現有土地利用格局下流域年徑流量為19 311.39m3和年泥沙量為4 202.85t。然后，不同的土地利用類型，根據坡度范圍分別計算土壤侵蝕狀況。以不同土地利用類型的平均土壤侵蝕模數計算出大溝頭現實土地覆被情景下年土壤侵蝕量為23 211.76t，與前者相比相差不大。后面的各項計算都依照不同土地利用時的平均侵蝕模數為準。

2.3 建立特定情景

將土地利用現狀圖數字化，建立相關的空間信息數據和屬性信息數據庫。在Arcview中將矢量型的土地利用類型空間數據轉換為柵格型數據，分別計算和提取各種土地類型斑塊的面積，用土地利用類型的柵格型數據與DEM派生的坡度圖形疊置計算，可獲表4。

表4 流域內各土地利用類型坡度分析

為了解流域景觀格局變化對流域土壤侵蝕格局的影響，依據屬于理論研究探討范疇和屬于實際情景及預測的原則，在流域內以植物措施為主，首先從理論上假設：

（1）情景1（S1）：流域內全部為耕地，沒有林地、草地時的土壤侵蝕狀況；

（2）情景2（S2）：流域內林地覆被率為30%，其余為坡耕地時的土壤侵蝕狀況；

（3）情景3（S3）：流域內林地覆被率為50%，其余為坡耕地時的土壤侵蝕狀況；

（4）情景4（S4）：流域內林地覆被率為75%，其余為坡耕地時的土壤侵蝕狀況；

（5）情景5（S5）：流域內全部是林地、草地，沒有耕地時的土壤侵蝕狀況。

另外，從實際情況出發，流域內林地覆被率為75%時，以工程措施為主進行設定：

（6）情景6（S6）：流域內修建梯田，且梯田面積為30%時土壤侵蝕狀況；

（7）情景7（S7）：梯田面積為50%時的土壤侵蝕狀況；

（8）情景8（S8）：梯田面積為70%時的土壤侵蝕狀況。

分別對8種情景進行模擬，可計算出流域在不同情景時的土壤侵蝕情況。

3 結果與分析

3.1 植物措施情景模擬分析

將大溝頭流域內除住宅用地外各占地類型按坡度全部均勻分布，林草面積逐步增大，不考慮樹種搭配，保持林分郁閉度在60%以上。未利用地、水域用地全部消失，為了體現林草植被的總體效益，從理論上設計了情景5，其原則是能夠作為林地的土地均進行造林。依照表3中不同土地利用平均侵蝕模數來計算各類土地利用狀況下的土壤侵蝕量的大小。各情景土地利用格局類型斑塊的面積與土壤侵蝕狀況見表5。

按照這種調整方法，流域內景觀格局由單調到豐富再到單調，林草地面積比從0～100%，就整個流域的土壤侵蝕總量來看，土壤侵蝕量逐步減少，從情景1的47 262.06t減少為情景5的12 744.70t，減少量為3 4517.36t，減少率高達為73.03%。情景2比情景1的林草植被蓋度增加了30%，土壤侵蝕量減少了27.36%；情景3比情景2的林草覆被率增加了20%，土壤侵蝕量減少了3.62%；情景4比情景3的林草覆被率增加了25%，土壤侵蝕量減少了21.42%；情景5比情景4的林草蓋度增加了25%，土壤侵蝕量減少了50.98%。

3.2 工程措施情景模擬分析

為了體現植物措施與工程措施相結合的水土流失治理觀念，在林草植被蓋度不變，面積比為75%的前提下，修建梯田，如水平階、反坡梯田等，采取合理的耕作措施以減少徑流、保肥保土，減少水土流失。耕地的總面積為463.32hm2，梯田占總耕地面積的比例由30%增加到50%、70%，各種坡度條件下均有梯田分布，3種情景下梯田的面積分別為138.99 hm2、231.66hm2、324.32hm2。不考慮梯田的修建類型和農作物的種類，整個流域中，氣候條件是相同的。依然按表3中不同土地利用平均侵蝕模數來計算各類土地利用狀況下的土壤侵蝕量的大小。通過增設梯田對流域土地利用格局的調控，各情景土地利用格局類型斑塊的面積與土壤侵蝕狀況見表6。

從表6中可以看出，梯田的增設大大減少了土壤侵蝕量，其中情景6比情景4減少了5 026t，減少率為17.83%，情景7比情景6減少了2 384t，減少率為10.29%；情景8比情景7減少了3 812t，減少率為18.34%。

表5 不同情景土地利用格局下的土壤侵蝕量

表6 大溝頭流域土地利用格局下的土壤侵蝕量

3.3 小流域景觀情景對比

上面分別對8種設定的土地覆被情景進行了模擬和分析，現在將前5種情景的土壤侵蝕狀況合并在一起，將第4種情景與第6，7，8種情景的土壤侵蝕狀況合并在一起，對其結果進行進一步的評價。土地覆被情景模擬的不同坡度的土壤侵蝕狀況見圖2。

4 結論

從圖2的結果可以看出，前5種設定的土地覆被情景模擬出來的土壤侵蝕量是很有規律的，隨著流域林草植被的從無到有、由少到多，影響到流域土壤侵蝕量從多到少。隨著流域內梯田的從無到有、從少到多，土壤侵蝕量大大的減少，情景8（梯田占70%）與情景4（無梯田）相比，土壤侵蝕量減少了7 524.92t。情景6和情景7的土壤侵蝕量為22 871.68t和20 786.57t，分別是情景4的1.14和1.25倍。

情景5的土壤侵蝕量很少，說明流域內全為林草覆被時，林草能夠很好的攔蓄徑流，減少洪水流量。但是，這樣的土地利用格局無法保證當地的經濟效益。在流域治理過程中，植物措施與工程措施有機的結合，即能有效保持水土，涵養水源，也能給當地帶來經濟效益。

圖2 不同情景土壤侵蝕量分布

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