基于樣帶的陜西省水土流失規律研究

周曉晴, 馬芊紅, 張科利

(北京師范大學 地理科學學部, 北京 100875)

土壤侵蝕是人類面臨的限制全球經濟社會可持續發展的嚴峻環境問題，嚴重的土壤侵蝕會破壞土地生產力，降低生物多樣性，威脅區域生態環境安全，加劇山區貧困[1]。受自然因素和人為因素共同作用，陜西省水土流失極其嚴重，其土壤侵蝕面積和侵蝕強度均高于全國大部分省份[2]。第二次全國遙感調查資料顯示，陜西省水土流失面積超過全省土地總面積的60%，且仍有擴大趨勢，全省70%的人口和80%的耕地正遭受水土流失危害[3]。陜西省強烈的水土流失是黃河和長江河道泥沙的重要來源，另外水土流失問題不僅是制約陜西省建設成為西部強省的瓶頸，同時也是我國西部大開發戰略中亟待解決的問題之一[3]。

地處陜西省北部的黃土高原生態環境脆弱，土壤侵蝕非常強烈，因而成為我國乃至世界土壤侵蝕研究的重點區域[4-5]。目前陜西全省尺度的土壤侵蝕綜合研究相對較少，劉康等[6]利用GIS空間疊加技術分析了陜西省水土流失的潛在敏感性和現實敏感性，其中微度到中度敏感性分布面積較大，而改變土地利用方式、破壞植被等人類活動增大了高度現實敏感性區域的面積；李雄飛[7]利用陜西省62個水文站河流泥沙觀測資料，推求流域土壤侵蝕模數，結果表明，陜西省土壤侵蝕空間分異特征明顯，陜北地區土壤侵蝕十分劇烈，關中和陜南地區侵蝕強度較弱；程琳等[8]通過遙感技術、調查統計、前期積累資料得到陜西省土壤侵蝕各因子值，利用中國土壤流失方程(CSLE)估算土壤侵蝕模數，并結合GIS技術分析土壤侵蝕空間特征，表明陜西省土壤侵蝕整體上呈北高南低的變化趨勢。然而，陜西省水土流失規律的已有研究對水土流失影響因子空間分布規律的對比分析尚有不足且均未采用水土流失實地調查資料，而基于地塊的野外資料在反映區域水土流失中最直接、最準確、最有效。本研究以第一次水利普查中水土保持專項調查數據為依據，在陜西省抽取9條典型樣帶(橫向7條、縱向2條)，系統分析地形因子和土地利用類型對土壤侵蝕影響的區域差異，探究水力侵蝕空間分異特征，從而為明確陜西省水土流失綜合特征，制定合理的水土保持規劃提供重要依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

陜西省地處我國中部腹地(31°42′—39°35′N，105°29′—111°15′E)，南北長達880 km，東西相距160～490 km，面積約20.56萬km2。陜西省北部和南部分別為黃土高原和秦巴山地，地勢較高，中部為地勢低平的關中平原。受地形與季風影響，陜西省降水時空分異明顯，陜北、關中、陜南3區年均降雨量分別為279，563，840 mm，自北向南分屬中溫帶半干旱區、暖溫帶半濕潤區和亞熱帶濕潤區[9]，植被類型依次為溫帶草原、暖溫帶落葉闊葉林、亞熱帶常綠闊葉林。陜西省開發歷史悠久，土地利用類型以農地、林地、草地為主，退耕還林還草工程使陜北地區林草面積增大，關中平原適宜耕作，陜南地區林地居多[10]。復雜的自然地理條件以及對水土資源的無序利用，使陜西省水土流失面積大、侵蝕強度高、危害嚴重且難以治理，嚴重制約著該區生態環境建設與經濟社會可持續發展。根據自然環境與水土流失特征的區域差異，本文選取2條縱向樣帶，7條橫向樣帶，陜北、關中、陜南各3條、1條、3條(圖1，表1)。

圖1調查樣帶分布

1.2 數據來源

本研究在陜西省選取的9條樣帶共包含314個調查單元，1 812個地塊，基于2010—2012年開展的水土保持專項調查數據，采用CSLE計算調查區域土壤侵蝕模數[11]。首先將全國劃分為4級網格，按照4%的抽樣密度，將控制區(5 km×5 km)中心1 km2的基本抽樣單元(平原區)或與中心網格相連面積為0.2～3.0 km2的小流域(山地丘陵區)作為實際野外調查單元，土壤侵蝕微弱地區，可降低抽樣密度。調查土地利用類型時，先制作野外調查底圖和調查表，然后實地到野外調查單元勾繪調查圖，填寫水蝕野外調查表，依據野外調查單元土地利用現狀分類中的二級分類劃分土地利用類型。野外調查時，將土地利用類型、水土保持措施和蓋度(郁閉度)均相同的連續區域劃為同一地塊，記錄地塊基本屬性信息，回到室內清繪調查成果草圖，根據植被蓋度、土地利用、水土保持措施等信息，分別計算水土保持措施因子B，E，T。根據各縣1981—2010年30 a逐日降雨資料，計算降雨侵蝕力R；以中國土壤發生分類中的土屬信息為依據，確定土壤可蝕性K；利用調查區地形信息提取并計算坡度因子S和坡長因子L[12]。坡度坡長因子計算基于1∶10 000地形圖插值生成的DEM，坡度為采用D8算法計算所得最大坡降方向的坡度值，坡長用累積徑流算法獲取。將各土壤侵蝕因子連乘，即得到各地塊和調查單元的多年平均土壤水蝕模數[11]。

表1 調查樣帶基本信息統計

1.3 數據處理

調查單元和地塊基本信息的存儲與整理以及各因子值、土壤侵蝕模數的計算在Excel 2010中完成。在SPSS 18.0中對數據進行描述性統計分析，得出各指標平均值、最大值、最小值、標準差等并計算變異系數，對各樣帶侵蝕模數與坡度及坡長的關系進行相關分析，對不同坡度、坡長、土地利用類型、橫向樣帶上的侵蝕模數均值進行方差分析等。在ArcMap 10.2和Origin 8.5中繪制調查樣帶分布圖、土壤侵蝕模數隨坡度坡長變化圖、不同土地利用類型土壤侵蝕模數區域差異圖等。

2 結果與分析

2.1 坡度與土壤侵蝕

將各樣帶所有地塊坡度平均值作為該樣帶坡度均值，統計特征表明(表2)，橫向樣帶坡度均值自北向南呈先減小后增大的變化趨勢；位于陜南秦巴山地區的H6坡度均值最大，高達48.04°；地處關中平原的H4坡度均值最小，僅為4.03°，其中低于10°的地塊面積占該樣帶總面積的76.22%；縱向樣帶對比來看，Z2(東側)坡度均值略高于Z1(西側)。陜南秦巴山地區坡度變異系數最小，坡度分布集中，其次是陜北黃土高原地區，關中平原為地塹式構造平原，臺塬面向河谷平原呈階梯狀傾斜，個別地塊坡度遠高于均值，提高了該地坡度的變異性。橫向樣帶大部分呈負偏態分布，說明坡度大于均值的地塊較多，關中平原樣帶H4則為正偏態分布，表明大部分地塊坡度低于均值4.03°。H4的峰度系數遠高于其他樣帶，坡度分布曲線呈尖峰狀。

表2 各樣帶不同坡度下侵蝕模數均值對比 t/(km2·a)

坡度通過影響土壤質地、累積入滲量、坡面徑流水深及流速、坡面流切應力等因素決定土壤侵蝕的強弱，制約土地利用方向及水土保持措施布設。除H4和H5外，其余樣帶內地塊土壤侵蝕模數先隨坡度增大而增大，而后隨坡度增大后減小，這與眾多研究認為土壤侵蝕存在臨界坡度的觀點一致[13]。可能受主要侵蝕方式影響，不同樣帶達到最大土壤侵蝕模數的坡度范圍有所不同[13]，H4，H5和Z2在坡度15°～20°內土壤侵蝕模數最大，H1，H7土壤侵蝕模數在20°～25°達到最大值，H6與Z1則在25°～30°范圍內土壤侵蝕模數最大。H4土壤侵蝕模數隨坡度增加整體上呈波動增加趨勢，該樣帶土壤侵蝕模數與坡度呈極顯著正相關關系(p<0.01)，相關系數為0.59，高于其他樣帶；坡度小于30°時，H5土壤侵蝕模數隨坡度增大先增后減，在20°～25°范圍內侵蝕模數達最大值，坡度大于30°后，土壤侵蝕模數有所增大。整體而言，陜西省土壤侵蝕模數隨坡度增加呈先增加后減小的變化特征，在15°～30°土壤侵蝕模數最大(圖2)，表明陜西省土壤侵蝕的臨界坡度在此范圍之內。

圖2土壤侵蝕模數隨坡度變化特征

從空間分布特征來看，各坡度范圍內橫向樣帶土壤侵蝕模數均在黃土高原或秦巴山區南段最高，在關中平原或秦巴山區北段最小。自北向南0°～10°坡度范圍內土壤侵蝕模數先增后減，在H2或H3處達最大值；10°～20°坡度范圍內土壤侵蝕模數呈增—減—增的變化趨勢，H3處達最大值，H5處達最小值；20°～35°坡度范圍內整體上土壤侵蝕模數呈先減小后增加的變化特征；>35°后，土壤侵蝕模數總體上由北向南遞減。

東西對比來看，0°～20°和>35°坡度范圍內，東側樣帶Z2土壤侵蝕模數大于西側Z1；20°～35°范圍內，Z1土壤侵蝕模數大于Z2。根據容許土壤流失量和水力侵蝕強度分級[14]可知，黃土高原地區坡度>10°的地塊基本上均存在輕度或中度侵蝕，其中樣帶H1在30°～35°為強烈侵蝕，坡度<20°和>30°時，土壤侵蝕模數均在黃土高原地區達到最大值，充分表明黃土高原地區是我國乃至世界土壤侵蝕極嚴重的地區之一。關中平原是陜西省的農業基地、經濟中心，樣帶H4在地勢起伏地區仍存在輕度侵蝕，需加以關注。陜南地區H7樣帶山體陡峭，在20°～30°侵蝕強烈，高于其他樣帶，這與當地人為破壞植被，陡坡開荒有關。

2.2 坡長與土壤侵蝕

坡長是影響坡面徑流與侵蝕產沙過程的重要地形因子之一，USLE中規定坡長為地表徑流源點到達有沉積出現的地方或明顯渠道的水平距離[15]。將各樣帶所有地塊坡長平均值作為該樣帶坡長均值，統計特征表明(表3)，關中平原地區樣帶H4坡長均值最小，為18.08 m；陜北黃土高原和陜南秦巴山地的坡長均值相近，約為30 m；東西兩條樣帶坡長均值相似，約28 m。可能是由于人類活動對地表特征的改變較大，關中平原地區坡長變異系數高于黃土高原地區和秦巴山地區。與坡度相比，坡長的變異系數較小，說明陜西省坡長對區域特征、土地利用方式等因素的變化不如坡度敏感；另外坡長與土壤侵蝕模數的相關系數略小于坡度，表明坡長因子對土壤侵蝕模數的影響程度低于坡度。

表3 各樣帶不同坡長下侵蝕模數均值對比 t/(km2·a)

坡面徑流水動力條件、降雨侵蝕力等因素隨坡長的變化影響土壤侵蝕過程和強度[15]。各樣帶土壤侵蝕模數隨坡長的變化規律不盡相同，H1，H2，H6土壤侵蝕模數整體上隨坡長增大而增大；H3土壤侵蝕模數隨坡長增加先增加后減小；H4和H5樣帶土壤侵蝕模數隨坡長呈波動增長，均屬微度侵蝕。縱向兩條樣帶，坡長<50 m時，土壤侵蝕模數與坡長呈正相關，坡長>50 m后，土壤侵蝕模數反而有所降低，主要是由于隨坡長增加，水體能量多用于搬運坡上侵蝕泥沙，因而侵蝕有所減弱[15]。相關研究表明坡長對土壤侵蝕強度的影響存在3種方式，分別為增長型(土壤侵蝕強度隨坡長增加而增大)、增減型(土壤侵蝕強度隨坡長增大先增強后減弱)、波動型(坡長增加過程中，土壤侵蝕強度出現兩次增加、兩次減小)，增長型關系常用于坡面土壤侵蝕模型中[15]。方差分析表明，各坡長范圍內土壤侵蝕模數存在顯著差異(p<0.01)，40～50 m坡長范圍內土壤侵蝕模數最高。總體來看，本研究中坡長與土壤侵蝕模數的關系可歸為波動型(圖3)，0～30 m和40～50 m土壤侵蝕模數隨坡長增加，30～40 m和>50 m土壤侵蝕模數略有下降，在該坡長范圍內土壤侵蝕模數降低的原因仍需進一步探究。

圖3土壤侵蝕模數隨坡長變化特征

各坡長范圍段內的土壤侵蝕模數在區域間變化趨勢明顯，基本上均在黃土高原地區或秦巴山地區達到最大值，而在關中盆地區達最小值。黃土高原地區坡長超過10 m后，土壤侵蝕強度在輕度到強烈間變化，且坡長10～20 m、>30 m后土壤侵蝕模數為所有樣帶中的最大值，再次表明黃土高原土壤侵蝕問題極其嚴重。秦巴山地區H6坡長超過30 m后，土壤侵蝕模數高于允許土壤流失量；秦巴山地南部的H7樣帶所在地區多中深度切割且具巖溶地貌特征的中低山，山高谷深，地勢起伏大，基巖疏松破碎，侵蝕較強烈[16]，0～10 m和20～30 m坡長范圍內土壤侵蝕模數均高于其他樣帶。

2.3 土地利用與土壤侵蝕

土地利用方式是人類影響土壤侵蝕的最直接的途徑，不合理的人類活動會破壞植被，惡化土壤結構，增加地表徑流，從而加劇土壤侵蝕的發生和發展[17]。統計分析調查單元各土地利用類型地塊可知(表4)，樣帶共包括地塊1 711個，總面積為23 290 hm2，其中林地面積占比最大，為65.80%，其次為耕地，所占比例為17.34%，草地面積也較大，占調查總面積的9.15%。各土地利用類型侵蝕模數均值從大到小依次為其他土地>耕地>園地>草地>居民點及工礦用地>林地>交通運輸用地>水域及水利設施用地。耕地土壤侵蝕模數整體較大，為2 168.88 t/(km2·a)，分別為林地和草地侵蝕模數均值的4.18倍和3.10倍，這主要是由于與林草地相比，耕地受枯落物、地表結皮、根系的保護作用較小，同時人類耕作活動對耕地土壤擾動強烈，土壤結構松散，易被侵蝕。園地中果樹冠層在一定程度上削弱了降雨動能，因而侵蝕強度低于耕地；但園地地表常處于裸露狀態，缺少植被保護，故土壤侵蝕模數高于林地和草地。

表4 不同土地利用類型土壤侵蝕強度面積占比 %

土地利用類型侵蝕強度分級對比結果表明(表4)，林地和草地幾乎全部地區土壤侵蝕強度屬輕度侵蝕以下，由此可見，退耕還林還草是保護水土資源，抑制土壤侵蝕，改善區域生態環境的有效生物措施；15.61%的耕地和12.05%的園地受到中度以上土壤侵蝕，5.56%的耕地和4.50%的園地土壤侵蝕強度達強烈以上，加之耕地和園地面積較大，因此耕地、園地兩類土地利用類型對陜西省土壤侵蝕的貢獻最大。超過98%的居民點及工礦用地和全部的交通運輸用地、水域及水利設施用地屬微度侵蝕。其他土地利用類型地塊偏少，面積較小，土壤侵蝕模數存在較大變異性和不確定性。

耕地、園地、林地、草地4種土地利用類型占地面積最大，且與糧食安全，區域生態環境關系密切。對比區域間土壤侵蝕程度可知(圖4)，該4類土地利用方式的土壤侵蝕模數在樣帶間均存在顯著差異(p<0.01)。自北向南耕地土壤侵蝕模數呈增—減—增的變化特征，在H3處達到最大值[8 493.58 t/(km2·a)]，屬極強烈侵蝕，其次為秦巴山地區的H7，關中平原H4處達到最小值[356.82 t/(km2·a)]。由北向南園地土壤侵蝕模數也呈增—減—增變化，H2處園地侵蝕模數最大，關中平原地區最低，黃土高原地區高于秦巴山地區；為了便于管理，園地的梯田化率高于耕地，因而整體土壤侵蝕程度低于耕地。林地和草地整體侵蝕程度較低，林草地土壤侵蝕模數均在黃土高原地區的H1處達到最大值，其次為H2，兩者對比來看，H1，H2，H6處林地土壤侵蝕模數高于草地，而H4處草地侵蝕模數高于林地，表明黃土高原區與秦巴山地區草地抑制土壤侵蝕的作用更大，關中平原區林地的水土保持效益更佳。縱向兩條樣帶對比來看，西側Z1耕地侵蝕模數大于東側Z2，園地、林地、草地侵蝕模數則是Z2大于Z1。

圖44種典型土地利用類型侵蝕模數區域差異

2.4 土壤侵蝕區域差異

陜西省黃土高原區、關中平原和秦巴山地區三大自然地理單元的自然環境、人類活動及水土流失特征均存在巨大差異，認識水土流失區域差異可以為因地制宜地布設水土保持措施提供重要依據。整體來看，縱向樣帶土壤侵蝕模數均值無顯著差異，均在1 000 t/(km2·a)左右，這主要是由于兩條樣帶距離較近，自然環境特征、人類活動相似；Z2略高于Z1，主要是由于Z2平均坡度略大于Z1。方差分析結果表明，各樣帶土壤侵蝕均值存在顯著差異(p<0.05)(圖5)，隨調查樣帶自北向南變化，土壤侵蝕模數先減小后增加，侵蝕強度從大到小依次為陜北黃土高原區、陜南秦巴山地區、關中平原區。本研究所得土壤侵蝕空間分異特征與李雄飛[7]、程琳等[8]的研究結果一致。

陜北黃土高原土壤侵蝕模數高于其他地區，三條樣帶侵蝕模數均在2 000 t/(km2·a)左右，接近中度侵蝕。H1到H3土壤侵蝕模數有所降低，這主要是由于樣帶H1，H2所經地區梁峁起伏，地面支離破碎，H3樣帶塬面相對平坦[16]，另外由H1到H3植被覆蓋度逐漸提高，從而在一定程度上抑制了土壤侵蝕。退耕還林還草工程的實施使黃土高原區土壤侵蝕問題得到有效改善，侵蝕強度有所下降，但土壤侵蝕面積仍占區域面積的60%以上，仍是我國治理水土流失的重中之重[5]。該地應進一步研究退耕后近地表特性變化對土壤侵蝕的潛在影響，從而為退耕還林還草工程的可持續發展和區域水土保持規劃提供依據。關中平原地區主要由黃土臺塬和河谷平原組成，地形較平緩，適宜農耕，H4是橫向樣帶中侵蝕模數最低的，為187.37 t/(km2·a)。作為陜西省經濟、政治、文化中心所在地，關中平原應合理規劃利用土地資源，注重防治潛在水土流失。秦巴山地區是陜西省降水量最多的地區，年降雨量達1 000 mm左右，且降雨集中于夏秋兩季；另外該地區地勢起伏大，山谷相間分布，土層淺薄，多陡坡開荒，人為毀壞植被情況較為嚴重，因而該區土壤侵蝕強度僅略低于黃土高原地區。該地三條樣帶侵蝕模數由北向南逐漸增大，樣帶H7侵蝕模數為橫向樣帶中的最大值。秦巴山地區迫切需要加強坡地治理，對于25°以上的陡坡耕地堅決退耕，將小流域治理與開發承包到戶，工礦交通建設中注重保護環境，結合多種途徑促進山區農民脫貧致富。

圖5橫向樣帶侵蝕模數均值對比

3 結 論

(1) 橫向樣帶坡度均值自北向南呈先減小后增大，在黃土高原地區地塊坡度<20°和>30°的土壤侵蝕模數最大，陜南地區H7在坡度20°～30°侵蝕高于其他樣帶。整體來看，陜西省土壤侵蝕模數隨著坡度增大呈先增后減的趨勢，土壤侵蝕的臨界坡度為15°～30°。

(2) 各樣帶土壤侵蝕模數隨坡長的變化特征復雜，綜合來看，土壤侵蝕模數隨著坡長的增加呈波動增長趨勢。10～20 m和>30 m坡長范圍內，黃土高原土壤侵蝕模數最大；<10 m和20～30 m坡長范圍內秦巴山地區土壤侵蝕模數最大。

(3) 耕地、園地兩種地類對陜西省土壤侵蝕的貢獻相對較大，林地和草地整體侵蝕程度較低。耕地與園地土壤侵蝕模數自北向南呈增—減—增變化，最大值分別位于樣帶H2和H3處。

(4) 縱向樣帶土壤侵蝕模數均在1 000 t/(km2·a)左右，自北向南橫向樣帶土壤侵蝕模數先減小后增大，侵蝕強度從大到小依次為陜北黃土高原區、陜南秦巴山地區、關中平原區，各地應因地制宜布設水土保持措施，防治水土流失。

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