退耕還林和降雨對中陽縣土壤侵蝕的影響

邱一丹，李錦榮，孫保平，張雪彪，鐘曉娟，王引乾，周湘山，馮 磊

（北京林業大學水土保持學院，北京 100083）

1 研究區概況

中陽縣位于晉西呂梁山中段西側。地勢由東南向西北傾斜，平均海拔1 473.4 m。東南部為土石森林區，西部為黃土丘陵區，沿川為河谷區。全縣總面積1 423 km2，其中山區、丘陵面積占87.3%，是山西省水土流失重點縣。境內溝壑縱橫，梁峁起伏，地形支離破碎，水土流失嚴重，氣候干旱少雨。2000年成為退耕還林（草）試點示范縣、國家林業局退耕還林（草）科技試驗縣，全縣完成退耕還林317km2，其中退耕地造林97 km2，荒山造林210 km2，封山育林10 km2。土壤主要以灰褐色、黃綿土為主[2]。

2 研究方法

以通用水土流失預報模型（USLE）為原型，借鑒國內外有關研究成果，與GIS 結合后，實現了土壤侵蝕模型的建立。具體研究方法及各因子確定如圖1 所示。

圖1 通用土壤流失方程運算流程

ULSE 的方程形式如公式（1 所示）；

式（1）中各因子的定義和表達式為：A——某地塊多年平均降雨徑流年土壤流失量（t/hm2·a）；R——年降雨侵蝕力因子（MJ·mm/hm2·h·a），系年平均R 值；K——土壤可蝕性因子；L——坡長因子，無量綱；S——坡度因子，無量綱；C——植被因子，無量綱；P——土壤保持措施因子，無量綱。

2.1 R 值的確定

研究采用在我國最廣泛使用的降雨侵蝕力指標EI30[3]。據資料分析，該地區水土流失季節為5～10月份，當降雨量≥9.4 mm，最大30 min 雨強≥4 mm時將會引起土壤流失。侵蝕降雨多集中在7～9月，占年降水總量73%。為了簡化實際工作中月值的計算過程，建立了7～9月降雨量（h）與年侵蝕力回歸方程：（相關系數r=0．85）[5]。中陽縣1999年R=3 463.61，2005年R=6 461.99。

2.2 K 值的確定

K 的計算公式[6-7]：

式中：Sa是砂粒（0.1～2 mm）含量（%），Si是粉粒（0.002～0.1 mm）含量（%），Ci黏粒（<0.002 mm）含量%，C 有機碳含量（%），Sn=（1-Sa/100）。

由于提取出砂粒（0.062 5～2 mm），黏粒（＜0.002 mm）和粉粒（0.002～0.062 5 mm）的分類標準不一致，利用三次樣條插值方法實現粒徑之間的轉換[8]。

2.3 LS 值的確定

2.3.1 坡度因子S 坡度提取直接利用ArcGIS 提取坡度[9]。緩坡上選用McCool 等研究的坡度公式，見（2）和式（3）；在陡坡上采用劉寶元的坡度公式，見式（4）。

式中：S 為坡度因子；θ為坡度。

式中λ——坡長（m）（在本研究中利用ArcGis提取）；m——坡長效應指數，當坡度5%，m=0.5。

2.4 C 值的確定

2.4.1 植被蓋度c 的提取 研究采用歸一化差值植被指數計算植被覆蓋度（c）[10-11]。將歸一化植被指數（NDVI）公式簡化可以得到：

其中：NDVI 為所求像元的歸一化植被指數。NDVImin和NDVImax分別為研究區NDVI 的最小值和最大值。此模型是在對光譜信號進行分析的基礎上，建立植被指數與植被覆蓋度的關系，不依賴于實測數據，適用于本研究。

2.4.2 C 值的計算

利用c 與C 值的關系式：

2.5 因子P 的確定

研究中P 的賦值方法是參照劉得俊等的研究成果[13]（表1）。

表1 退耕還林前后P 值變化

3 結果與分析

3.1 結 果

計算出A 后根據《土壤侵蝕分類分級標準（SL190-2007）》分級，按30 m×30 m 的柵格大小輸出土壤侵蝕等級分布圖（圖2）。

3.2 土壤侵蝕狀況分析

從圖2 可知，自1999年退耕還林以來，東部地區土壤侵蝕狀況減輕，而西部地區土壤侵蝕加重，特別是在村鎮聚集的地方。中部是中陽縣河谷區，占總面積的2.5%，位于南川河兩岸，地形平坦，是全縣主要的農業區。西部黃土丘陵區占總面積的43%，多呈梁峁狀黃土丘陵，地表破碎，梁峁交錯，自然植被稀疏，坡耕地隨處可見，水土流失嚴重，農業生產水平甚低，是中陽縣水土流失的主要發生地。從1999年到2005年具體侵蝕情況看表2。

圖2 1999年2005年中陽縣土壤侵蝕圖

表2 中陽縣土壤侵蝕矩陣轉移分析表

通過計算，得出中陽縣1999年平均土壤侵蝕模數為1 525.03 t/（km2·a），屬于輕度侵蝕，年度侵蝕量為484.81 萬t，2005年為1 878.03t/（km2·a），屬于輕度侵蝕，年侵蝕量為597.03 萬t。2005年平均侵蝕模數比1999年增加了17.8%。

圖3 中陽縣1999年與2005年各等級侵蝕量對比。由圖3 可以看出，除微度、輕度和重度侵蝕量有減少外，其他3 個等級的侵蝕量都有所增加。其中，微度侵蝕量下降了15.24%，重度侵蝕量下降了13.70%。極強度侵蝕量增加最明顯，達到87.5 t。可見，從1999年到2005年中陽縣土壤侵蝕有所加強。

圖3 中陽縣1999年與2005年各等級侵蝕量對比

3.3 原因分析

土壤侵蝕的變化是受自然和人類活動綜合作用的結果。對于自然因素，由于本研究區中陽縣全縣泥沙主要來源是黃土丘陵溝壑區，區內土質疏松，大部分耕地是坡地。雖然地形因子是通用土壤流失方程中對水土流失強度作用貢獻最大的因子[14]，但地形隨時間的變化較小，在中陽縣以面蝕、溝蝕為主，鱗狀面蝕和滑坡等重力侵蝕為輔的侵蝕形式，受坡面徑流的水里沖刷而產沙劇增，受降雨的影響很大。

對于人類活動因素，主要考慮了工程耕作措施的變化。但為了區分二者對于土壤侵蝕的具體影響，分別模擬了僅考慮降雨因素和僅考慮退耕還來（草）兩種情況下2005年的土壤侵蝕情況[1]。其過程和結果如下：（1）僅考慮降雨因素：用2005年的降雨侵蝕力因子與1999年其它因子計算出只有降雨作用下的A 值，計算得出侵蝕模數為3 110.16 t/（km2·a）；（2）僅考慮退耕還林：用2005年的植被覆蓋因子與1999年的其它因子計算出只有退耕還林情況下的A 值，計算得出侵蝕模數為2 150.20 t/（km2·a）；（3）降雨和退耕還林都考慮：用2005年的降雨侵蝕力因子和植被覆蓋因子與1999年的其它因子計算在降雨和退耕同時影響下的A 值，計算出侵蝕模數為2 308.06 t/（km2·a）。與二者的共同作用結果相比可知，降雨變化加劇了土壤侵蝕，使得侵蝕模數增加34.75%，而退耕還林（草）減少了土壤侵蝕，侵蝕量降低6.84%。

4 結 論

自1999年實施退耕還林到2005年，中陽縣土壤侵蝕狀況依然加強。主要有以下兩個原因：（1）2005年的降雨侵蝕力遠遠大于1999年，超過了86%，導致土壤侵蝕的加劇，使得侵蝕量增加了34.75%，這種變化主要是降水時空分布不均引起的；（2）退耕還林（草）減少了土壤侵蝕，侵蝕量降低6.84%。結果表明，退耕還林（草）政策的實施對中陽縣土壤侵蝕有減少作用，利于該縣的生態環境發展。但自然因素例如降雨的作用也不可忽視，甚至在一定情況下會成為土壤侵蝕的主導因子。

5 討 論

據查相關資料得知，中陽縣處于晉西黃土丘陵溝壑區，是國家級貧困縣，是山西省57 個水土流失最嚴重的縣之一。中陽縣多年平均侵蝕量為1 013.25 萬t，侵蝕模數為7 065 t/（km2·a）。由此可見，筆者所計算的土壤侵蝕模數與前人研究存在差異。但是在上世紀90年代以前，計算土壤侵蝕量的主要方法是由水文站根據河水含沙量推算出的輸沙模數代替侵蝕模數，缺乏一定科學性[29]。文中的土壤侵蝕模數由于在GIS 提取中是柵格單元的平均值，數值偏小，具體準確數值有待進一步考證。

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