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(zhǔn)格爾旗水土保持局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010300 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特010019）

土地利用是自然因素和人文因素結(jié)合最為緊密的人類活動(dòng)，土地利用形成的土地覆被從景觀尺度上反映了人類對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的影響方式及程度［1－3］。土地利用格局的動(dòng)態(tài)變化，其實(shí)質(zhì)是人類為滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，不斷調(diào)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(yīng)，有助于了解土地利用格局變化對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，同時(shí)通過調(diào)整人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，改變土地利用格局，促使土地利用更趨合理，使得人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展［4－6］。以內(nèi)蒙古通遼市奈曼旗大溝頭小流域?yàn)閷?duì)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(guān)系。

1 研究區(qū)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(zhèn)北部的哈日干圖境內(nèi)，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(gè)小流域，海拔550.60m。大溝頭小流域的地貌類型為丘陵溝壑區(qū)與沙化漫崗結(jié)合區(qū)，土層厚度5－10m，其中沙壤土占60%，黃土占40%。該區(qū)處于內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候［7］，多年平均氣溫6.2℃，多年平均蒸發(fā)量2 053.2 mm，多年平均降雨量450mm，年日照時(shí)數(shù)2 952.2h，年平均風(fēng)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(huì)經(jīng)濟(jì)條件

奈曼旗大溝頭小流域由4個(gè)自然屯組成，以種植業(yè)為主、牧業(yè)為輔，主要糧食作物有：蕎麥、谷子、豆類等。牧業(yè)主要以養(yǎng)殖小尾寒羊?yàn)橹鳎B(yǎng)牛主要是為了產(chǎn)肉，還有部分農(nóng)戶自行養(yǎng)豬、養(yǎng)雞、養(yǎng)蜂，并形成了一定規(guī)模。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年小流域共有農(nóng)戶235戶，總?cè)丝? 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(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)大溝頭流域2007年的土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，流域景觀格局的組成是由流域內(nèi)各種土地利用類型反映出來。圖1為研究區(qū)多年月平均降雨量年內(nèi)分布情況，流域內(nèi)土地利用現(xiàn)狀的斑塊格局及相應(yīng)坡度分級(jí)的數(shù)據(jù)，利用1∶1萬土地利用現(xiàn)狀圖獲取。土地利用類型斑塊按土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程的分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類［8－9］。將土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)字化，建立相關(guān)的空間信息數(shù)據(jù)和屬性信息數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格型數(shù)據(jù)，分別計(jì)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(shù)據(jù)與DEM派生的坡度圖形疊置計(jì)算，可獲得研究流域內(nèi)各土地利用類型斑塊的坡度分級(jí)圖和相應(yīng)土地利用類型的坡度分級(jí)數(shù)據(jù)（表2）。

圖1 研究區(qū)多年月平均降雨量年內(nèi)分布情況

表1 流域內(nèi)各斑塊占地面積

表2 流域內(nèi)各土地利用類型坡度分析 hm2

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

表3 大溝頭流域內(nèi)各類土地利用類型的平均侵蝕模數(shù)t／（km2·a）

為了使情景模擬結(jié)果計(jì)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(cè)結(jié)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(jìn)行疊置運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)出不同地貌部位各種土地利用狀況的土壤侵蝕結(jié)果，以利于不同情景間土壤侵蝕狀況的比較［10］。

2.2 數(shù)據(jù)的校核

通過計(jì)算流域現(xiàn)實(shí)治理狀況的減水減沙效益，以大溝頭流域長(zhǎng)期觀察計(jì)算的年均徑流量，推算出在現(xiàn)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(jù)坡度范圍分別計(jì)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(shù)計(jì)算出大溝頭現(xiàn)實(shí)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(xiàng)計(jì)算都依照不同土地利用時(shí)的平均侵蝕模數(shù)為準(zhǔn)。

2.3 建立特定情景

將土地利用現(xiàn)狀圖數(shù)字化，建立相關(guān)的空間信息數(shù)據(jù)和屬性信息數(shù)據(jù)庫。在Arcview中將矢量型的土地利用類型空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格型數(shù)據(jù)，分別計(jì)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(shù)據(jù)與DEM派生的坡度圖形疊置計(jì)算，可獲表4。

表4 流域內(nèi)各土地利用類型坡度分析

為了解流域景觀格局變化對(duì)流域土壤侵蝕格局的影響，依據(jù)屬于理論研究探討范疇和屬于實(shí)際情景及預(yù)測(cè)的原則，在流域內(nèi)以植物措施為主，首先從理論上假設(shè)：

（1）情景1（S1）：流域內(nèi)全部為耕地，沒有林地、草地時(shí)的土壤侵蝕狀況；

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

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

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

（5）情景5（S5）：流域內(nèi)全部是林地、草地，沒有耕地時(shí)的土壤侵蝕狀況。

另外，從實(shí)際情況出發(fā)，流域內(nèi)林地覆被率為75%時(shí)，以工程措施為主進(jìn)行設(shè)定：

（6）情景6（S6）：流域內(nèi)修建梯田，且梯田面積為30%時(shí)土壤侵蝕狀況；

（7）情景7（S7）：梯田面積為50%時(shí)的土壤侵蝕狀況；

（8）情景8（S8）：梯田面積為70%時(shí)的土壤侵蝕狀況。

分別對(duì)8種情景進(jìn)行模擬，可計(jì)算出流域在不同情景時(shí)的土壤侵蝕情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物措施情景模擬分析

將大溝頭流域內(nèi)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(xiàn)林草植被的總體效益，從理論上設(shè)計(jì)了情景5，其原則是能夠作為林地的土地均進(jìn)行造林。依照表3中不同土地利用平均侵蝕模數(shù)來計(jì)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(diào)整方法，流域內(nèi)景觀格局由單調(diào)到豐富再到單調(diào)，林草地面積比從0～100%，就整個(gè)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(dá)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(xiàn)植物措施與工程措施相結(jié)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?gòu)搅鳌⒈７时Ｍ粒瑴p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(nóng)作物的種類，整個(gè)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(shù)來計(jì)算各類土地利用狀況下的土壤侵蝕量的大小。通過增設(shè)梯田對(duì)流域土地利用格局的調(diào)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(shè)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(duì)比

上面分別對(duì)8種設(shè)定的土地覆被情景進(jìn)行了模擬和分析，現(xiàn)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(duì)其結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)價(jià)。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(jié)論

從圖2的結(jié)果可以看出，前5種設(shè)定的土地覆被情景模擬出來的土壤侵蝕量是很有規(guī)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(nèi)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(nèi)全為林草覆被時(shí)，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(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)效益。在流域治理過程中，植物措施與工程措施有機(jī)的結(jié)合，即能有效保持水土，涵養(yǎng)水源，也能給當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟(jì)效益。

圖2 不同情景土壤侵蝕量分布

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