十大孔兌降雨侵蝕產沙時空分布特征及預測

王文君　陳新闖　李小倩　郭建英　李錦榮　張鐵鋼　薛強

摘要：采用CIS與CA- Markov模型，對十大孔兌土地利用格局及土壤侵蝕產沙的時空分布特征進行了分析，并對2030年土地利用格局及降雨侵蝕分布特征進行了模擬。結果表明：十大孔兌土地利用類型以草地和荒草地（砒砂巖）為主，以自然生態系統為主，但人工生態系統分布相對集中，對局部干擾程度較大。2000-2015年人工生態系統不斷擴張，耕地和城鎮建設用地面積顯著增大，沙地及荒草地面積顯著減小，期間約有37%的土地利用類型發生轉化，城市化及當地生態綠化措施顯著影響著區域土地利用格局;2015-2030年土地利用變化比2000-2015年劇烈，土地類型轉化集中于沙地轉變為草地及灌木林地，城市化開始影響北部區域，部分砒砂巖轉變為草地及灌木林地;影響十大孔兌地區土地利用格局的主要驅動力是政策驅動下的生態修復，城市化對區域的影響在逐步增強。十大孔兌降雨侵蝕較嚴重，屬于極強烈侵蝕，砒砂巖裸露是造成降雨侵蝕強度增大的主要因素。2000-2015年雖然平均土壤侵蝕模數減小，但是劇烈侵蝕面積顯著增大。到2030年土壤侵蝕強度繼續減小，減小約10. 39%，侵蝕量大的砒砂巖區得到修復，但是隨著城市化進程加快，北部土壤侵蝕呈加劇趨勢;十大孔兌未來的治理重點是既要針對砒砂巖地區開展生態修復工程建設，又要加強對北部城市化地區的生態管控，限制城鎮無序發展侵占自然生態系統。

關鍵詞：CA-Markov模型;土地利用格局;時空分布;侵蝕產沙;十大孔兌

中圖分類號：P333

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019. 04.001

黃河內蒙古段的十大孔兌（孔兌為蒙語，即山洪溝）為季節性河流，均發源于植被稀少的砒砂巖區，且流經庫布齊沙漠，區域水土流失嚴重，河流含沙量極高，易使孔兌泥沙在人黃口形成沙壩淤堵黃河[1].使十大孔兌來沙成為內蒙古河段持續淤積的重要原因[2-4]。近年來，對十大孔兌進行研究治理來緩解河道淤積，已成為黃河上游流域治理戰略中的重要組成部分[5-6].研究內容多集中在十大孔兌來沙特點及其成因[2.7-8]、輸沙量及其對黃河主河道的影響[9-10]、水土流失危害及治理措施[11-12]，或者對于典型小流域分析其土壤侵蝕產沙及生態工程措施對水土流失的影響[13-14]等方面。不同土地利用狀況其土壤侵蝕差異較大，十大孔兌土壤侵蝕主要發生于裸露的砒砂巖與植被覆蓋較差的沙地。土地利用格局顯著影響區域降雨侵蝕，良好的生態空間格局可有效預防侵蝕，且西北地區正處于城市化發展階段，區域土地利用格局和下墊面類型及特性的轉變，勢必造成降雨侵蝕特征的時空變化，影響區域生態系統服務功能，但土地利用格局變化趨勢及其對降雨侵蝕分布特征的影響仍不明確，區域尺度土地利用格局及降雨侵蝕的時空變化研究目前仍不夠系統深入，給下一步的水土流失治理和泥沙災害治理帶來一定的問題。因此，定量分析土地利用格局及降雨侵蝕時空分布特征，對于區域生態安全格局構建及生態規劃、生態建設具有一定的指導意義?；诖?，本文運用GIS技術，運用通用土壤流失方程進行土壤侵蝕模擬，定量評價十大孔兌2000-2015年土地利用格局及降雨侵蝕產沙的時空變化特征，并基于CA-Markov（Cellular Automaton -Markov.元胞自動機一馬爾科夫）模型預測2030年十大孔兌土地利用格局及降雨侵蝕分布特征，以期為十大孑L兌地區水土流失治理及生態規劃提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

十大孔兌是流人黃河干流的10條一級支流，位于鄂爾多斯高原北部，從西向東依次為毛不拉、卜爾色太溝、黑賴溝、西柳溝、罕臺川、壕慶河、哈什拉川、木哈爾河、東柳溝、呼斯太河[6]。氣候上屬于溫帶大陸性季風氣候，干旱少雨，年降水量為240 - 360 mm，多集中于7-8月，降雨主要以暴雨形式出現，降雨侵蝕嚴重。十大孔兌地形由南到北分為黃土丘陵溝壑區、庫布齊沙漠區和黃河南岸沖積平原區三大自然單元，流域內廣泛分布有砒砂巖、黃土、風沙土。

1.2研究方法

1.2.1 土地覆被數據獲取

2000年和2015年十大孔兌土地覆被數據集以30 m分辨率的國產環境災害衛星（HJ-IA/B）和美國陸地衛星（ Landsat OLI）數據為信息源，在大量地面調查樣點構建的分類樣本庫支持下，采用面向對象的多尺度分割、建立決策樹進行分類的方法得到土地覆被數據，按照區域土地利用特點，分為耕地、灌木林地、建設用地、水域、沙地、草地、荒草地（植被覆蓋度小于10%的砒砂巖地區）。

1.2.2 土壤侵蝕模型選擇

鑒于十大孔兌流域土壤侵蝕主要為降雨侵蝕，故本文選擇通用土壤流失方程進行土壤侵蝕模擬[13，15-16]：

A =RKLSCP式中：A為侵蝕模數，t/（ km·a）;R為降雨侵蝕力措施因子，MJ.mm/（ km.h.a）;K為土壤可蝕性因子，t.h/（ MJ.mm）;L、S分別為坡長、坡度因子，無量綱;C為植被與經營管理因子，無量綱;P為水土保持因子，無量綱。

根據實地觀測參數，模擬值與實測值相對誤差的絕對值小于15%，模擬精度滿足要求。根據《土壤侵蝕分類分級標準》（ SL 190-2007）確定土壤侵蝕強度，將研究區土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈6級。

1.2.3 模型數據來源

（1）降雨侵蝕力因子R來源于地球系統科學數據共享平臺黃土高原數據共享運行服務中心提供的《全國降雨侵蝕力分圖幅柵格數據集》。該數據集基于全國氣象站逐日降水量數據，運用降雨侵蝕力日模型計算年降雨侵蝕力，并利用克里金插值法進行插值，從而得到全國范圍內的年降雨侵蝕力分布圖，其空間分辨率為30 m。第i年的降雨侵蝕力為

砂粒、粉粒、黏粒、有機碳含量數據來源于基于第二次全國土地調查1：100萬土壤數據庫的中國土壤數據集（來自寒區旱區科學數據中心），該數據庫中包含土壤砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、土壤容重、土壤有機質含量、土壤深度等屬性數據，其空間分辨率為1 km。采用克里金插值法即可得到K的分布情況。

（3）坡度坡長因子的計算。數據來源于1：10萬地形圖的等高線數字化的DEM柵格數據。利用ArcGIS提取水平坡長A.進而計算坡長長[17]：

（5）水土保持措施因子P的確定。水土保持措施因子是指采用特殊侵蝕控制措施后的土壤侵蝕量與采用順坡種植時土壤侵蝕量的比值，取值范圍為[0，1]。參照已有研究成果[21-22]，奉文結合坡角確定P值，不同坡角坡耕地的P值：0° - 5°，0.100;5° - 10°，0. 221;10° - 15°，0.305; 15° - 20°，0.575; 20° - 25°，0. 705;>25°，0.80°。

1.2.4 CA-Markov模型預測土地利用

土地利用格局中，每一種土地利用類型斑塊相當于一個元胞，利用轉移矩陣和條件概率圖像進行運算，可確定元胞狀態的轉移情況，從而模擬土地利用格局的空間變化[23]。CA - Markov模型綜合了CA模型和Markov模型各自的優勢，既提高了土地類型轉化的預測精度，又能有效地模擬土地格局的空間分布24]。首先，利用Markov鏈計算轉移概率矩陣，在IDRISI軟件中的Markov模塊中分別輸入2000年、2008年、2015年的土地利用圖，通過交叉表分析得到2000-2008年和2008-2015年的土地利用類型轉移概率矩陣。然后，創建土地利用轉移可能性圖集，可通過IDRISI軟件中的MCE模塊來實現。本研究采用布爾標準進行約束處理，不考慮轉換的區域賦值為0，考慮轉換的區域賦值為1。適宜性由區域的地形因子如坡度、高程等決定：易接近性和鄰域效應主要考慮城市的行政中心、道路。本研究設置兩個限制因子：水體和建成區。水體和建成區在短時間內不會發展為其他用地，因而設定為其他用地類型的約束條件。另外設置4個因子：坡度、與道路的距離、與水體的距離以及與城鎮中心的距離。利用IDRISI軟件中的CA-Markov模塊模擬2030年土地利用變化的空間分布時，需要3部分數據：2015年土地利用圖、2008-2015年土地利用轉移矩陣、2015年土地利用轉移可能性圖集。設置CA模型的迭代次數為11，選擇SX5摩爾鄰域作為CA -Markov模型的濾波參數。CA - Markov模型通過多目標土地配置（ multi - objective land allocation，MOLA）程序得出最后的預測圖。

為確保模擬結果的可靠性，需要對模型進行驗證。本文采用Kappa指數K’對模型模擬土地利用變化的精度進行檢驗：

K’=（P-P）/（P-P）式中：P為模擬正確的比例;P為模型隨機情況下模擬正確的比例;P為理想分類情況下正確模擬的比例。

運用IDRISI軟件中的CROSSTAB模塊，輸入2015年實際土地利用類型圖與預測土地利用類型圖對模型精度進行檢驗，運行后得出2015年的K值為0.92，表明模型模擬效果較好，可使用通過驗證的CA-Markov模型對2030年的土地利用類型進行預測。

2 結果與分析

2.1 十大孔兌2000-2015年土地利用格局轉變

十大孔兌主要以自然生態系統為主，人工生態系統（耕地、建設用地）面積2000年占比為10.78%，2015年雖有一定發展，但占比僅為14. 78%（見表1）。區域人為活動干擾程度整體較小，但人工生態系統分布相對集中，靠近黃河的北部平原區人工生態系統面積約占96%，以農田生態系統為主，對局部干擾程度較大，系統較脆弱（見圖1、圖2）。流域內土地利用以草地和荒草地（砒砂巖）面積最大，占流域面積的65.52%～68.37%.建設用地、水域、灌木林面積較小，城市化程度較低。2000-2015年土地利用格局總體不變，但人工生態系統不斷擴張（見圖1、圖2），其中：區域耕地和城鎮建設用地面積顯著增大，沙地及荒草地面積顯著減小;建設用地面積增幅最大，擴大了1倍，但占比仍較小.2015年占比僅為2.04%.沙地面積減小了635.62 km2，降幅最大，達37.23%。此外，草地、耕地面積增大，灌木林地、荒草地面積減小。2000-2015年共有約4 190 km2土地的利用類型發生了轉變，約占區域面積的37%，占主導地位的轉變類型是荒草地轉變為草地（7.59%）、沙地轉變為草地（ 5.O9%）。為了更加清楚地反映區域土地利用轉變情況，引入土地利用轉換率進行表征[25]（見圖3）.15 a來區域土地利用斑塊破碎化程度總體呈加大趨勢，不同斑塊類型的團聚程度越來越高，土地利用多樣性提高，但景觀形狀趨于簡單，反映人文干擾程度變大。劇烈的土地利用類型轉變集中發生于達拉特旗、東勝區等城鎮聚集區和沙地、荒草地周圍區域以及靠近城鎮的耕地，城市化及當地生態措施顯著影響著區域土地利用格局。

2.2 2000-2015年土壤侵蝕變化分析

2000-2015年十大孔兌土壤平均侵蝕強度為11 290.65～ 11 462.01 t/（ km.a），部分區域侵蝕模數可達34 740.6 - 49 396.9/（km.a）。由于缺乏野外坡面監測資料，因此將計算結果與前人的研究進行了對比，田鵬等[13]得出的十大孔兌臨近的皇甫川流域平均土壤侵蝕模數為10 119/（ km.a），與本文計算結果接近。十大孔兌土壤侵蝕以微度侵蝕為主，微度侵蝕面積占比為48.81%-51.97%，微度侵蝕區域主要分布在北部靠近黃河的河灘地或植被蓋度較好的草地，造成區域平均侵蝕強度較大的主要原因是分布在南部的裸露砒砂巖區域及植被稀少的沙漠邊緣區域，該區域侵蝕強度較大，尤其砒砂巖區域（見圖4、圖5），砒砂巖裸露是造成區域侵蝕強度增大的主要因素。隨著土地利用格局的改變及生態工程的建設，2015年區域平均土壤侵蝕模數較2000年略微減小，輕度、中度、強烈侵蝕面積大幅減小，微度侵蝕和劇烈侵蝕面積顯著增大（見表2）。通過對不同土地利用類型土壤侵蝕模數進行分析，可知同一年份土壤侵蝕模數的大小順序基本為荒草地（砒砂巖）>草地>耕地>灌木林地>居住地，其中荒草地（砒砂巖）侵蝕模數為13 111. 95t/（ km.a）。土壤侵蝕模數僅次于荒草地的是草地，草地植被覆蓋度較低，且多分布于沙地周圍，土壤抗蝕能力較弱，易發生水土流失。砒砂巖區域是該地區水土流失治理的重點和難點，應提高植被覆蓋度，改良土壤結構，優化林、草、灌木配置。

2.3 十大孔兌地區2030年土壤侵蝕預測

影響十大孔兌土壤侵蝕的最大驅動力是土地利用格局的改變，本文利用CA-Markov模型預測了十大孔兌2030年土地利用情況（見圖6），并基于土地利用類型預測了2030年土壤侵蝕強度（見圖7）。由圖6可知.2015-2030年土地利用變化比2000-2015年劇烈得多，不僅變化量大，而且范圍更廣、類型更多樣化、城市化作用更強。土地類型轉變主要是沙地、荒草地轉變為草地以及耕地轉變為建設用地，其中沙地減幅最大，約36.42%的沙地發生轉變，集中轉變為草地及部分灌木林地。建設用地增幅最大，占比從2. 04%增大到2.50%，增幅達21.76%（見表3）。北部區以耕地及建設用地為主，發展起步早且發展速度快，城市化進程逐漸加快，擠占了農業用地，農業用地消耗得快但存量不足。南部區域由于砒砂巖水土流失較嚴重，因此當地勢必開展綠化修復工程，荒草地轉變為草地及灌木林地，使區域生態問題得到一定緩解。綜合來看，影響十大孔兌區域土地利用格局的主要驅動力是政策驅動下的生態修復，城市化對該區域的影響逐步增強。

十大孔兌2015-2030年土壤侵蝕強度總體減?。ㄒ姳?），從土地利用轉換分析，砒砂巖區和沙地得到一定程度的修復且轉化為一定植被覆蓋度的草地，是十大孔兌地區侵蝕強度減小的主要原因，可見植被恢復是減少坡面土壤侵蝕的有效途徑，高覆蓋度的林、草、灌木優化配置將是防治地表土壤侵蝕的有效途徑，而分布較廣的沙地與砒砂巖是該地區水土流失治理的重點和難點。極強烈、劇烈侵蝕面積顯著減小，分別比2015年減小了9.56%、22.11%，使得極強烈、劇烈侵蝕面積減小了398.32 km2，由22. lg%下降到18.65%，土壤流失得到一定程度緩解：微度侵蝕面積減小340.54km.面積降低最大，主要發生在北部區域，原因主要是該區域易于開發，頻繁的人類活動及城鎮擴張對土壤的抗蝕能力造成了嚴重破壞，使得土壤侵蝕強度加重。2015-2030年，砒砂巖土壤侵蝕得到有效控制，但隨著城市化進程加快及部分耕地缺少科學管護，北部土壤流失現象呈加劇趨勢。因此，十大孔兌地區未來的治理重點是既要繼續針對砒砂巖地區開展針對性生態修復綠化工程，又要對北部農田及城鎮區域加強生態管控，限制城鎮的無序發展擠占農田及草地，加強農田、草地的生態保護。

3 結語

分析表明，十大孔兌地區土地利用格局總體不變，以自然生態系統為主，但城市化進程明顯加快，人工生態系統不斷擴張，建設用地擠占耕地面積現象嚴重。砒砂巖地區草地、灌木林地面積增加，原因主要是退耕還林（草）等生態綠化措施使得荒草地轉化為草地及灌木林地，這與管亞兵等26]的研究結果一致，十大孔兌流域生態環境修復工作取得明顯成效，城市化及當地生態綠化政策顯著影響區域土地利用格局。2015-2030年土地利用變化量大且范圍更廣，土地時空變遷主要是沙地、荒草地轉變為草地，耕地轉變為建設用地，城市化及生態綠化工程驅動著區域土地利用格局改變，但影響十大孔兌區域土地利用格局的主要驅動力是政策驅動下的生態修復，城市化對該區域的影響相對較弱，但在逐步加強。

十大孔兌地區土壤侵蝕較嚴重，總體屬于極強烈侵蝕區域，砒砂巖裸露是造成侵蝕強度加重的主要因素。這與前人研究結論基本一致[2.12-13]，裸露的砒砂巖和植被覆蓋度較小的沙地是造成該區域土壤侵蝕的主要原因。2000-2015年，隨著土地利用格局的改變及生態工程的應用，土壤侵蝕模數略微減小，但劇烈侵蝕面積顯著增大，砒砂巖區域土壤侵蝕量加大，砒砂巖區域是該地區水土流失治理的重點和難點。

本文僅模擬了現有土地利用格局演變趨勢下的土壤侵蝕演變特征，到2030年土壤侵蝕強度減小，隨著生態修復工程建設及水土保持技術的發展，侵蝕量大的砒砂巖區和沙地得到一定程度修復。但是，隨著城市化進程加快及部分耕地缺少科學管護，北部土壤流失現象呈加劇趨勢?；诒狙芯康膶嵉乜疾彀l現，砒砂巖分布區的立地條件十分惡劣，實施植被恢復措施存在較大困難，只能采取工程措施進行防治。因此，十大孔兌地區未來生態恢復與綠化治理的重點應是加強對城鎮及其周邊耕地的生態管控，限制城鎮無序發展侵占自然生態系統，防止侵蝕進一步擴大。

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【責任編輯翟戌亮】