黃土高原生態分區及概況

楊艷芬,王 兵,*,王國梁,李宗善

1 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 楊凌 712100 2 中國科學院生態環境研究中心, 北京 100085

黃土高原地域廣闊,氣候類型多樣,自然地理條件復雜、空間組合變化明顯,水土流失與治理模式區域差異顯著[1-2]。為了有效治理水土流失,因地制宜、科學化、區域化、具體化的配置治理方案與措施,需要對黃土高原進行區域劃分并分區提出防治對策[3-6]。黃秉維依據土壤侵蝕營力、類型、發展趨勢及治理途徑的區域相似性和差異性,將黃土高原分為3個一級區(風蝕區、風蝕水蝕區、水蝕區),25個二級區,10個亞區[7],奠定了侵蝕分區研究的基礎[4]。朱顯謨基于生物氣候特征和土地利用現狀,將黃土高原劃分為風沙草原地帶、草原地帶、森林草原地帶、森林地帶,并進一步劃分為25個區[8]。國家發展和改革委員會依據專題性分區、自然條件和資源組合特征的相對一致性、綜合治理措施的相對一致性、行政區界的相對完整性、綜合治理方案實施和監督管理的差異性、趨同性和類聚性等原則,將黃土高原劃分為6個綜合治理區,即黃土高塬溝壑區、黃土丘陵溝壑區、土石山區、河谷平原區、沙地和沙漠區、農灌區[3]。考慮到黃土高原水土流失治理技術和模式的區域性差異,本文在國家發改委分區的基礎上,對上述6個分區進行合并和進一步劃分,并探討各分區的氣候、地形地貌、植被特征及水土流失現狀,以期為黃土高原水土流失治理技術和模式的改良優化提供依據。

1 數據與方法

參照國家發改委的分區方法,依據自然條件、水土流失治理技術和模式的區域性特征及差異,在ARCMAP界面中,基于國家基礎地理信息系統數據的縣級行政界,對其進行合并,進行生態分區的劃分。

高程、坡度和坡長數據來自國家地球系統科學數據中心共享服務平臺,數據分辨率均為90 m。降水和氣溫數據采用中國國家氣象信息中心發布的CN05.1格點數據。該數據基于中國2416個氣象站點,采用薄盤樣條法和角距權重法對實測逐日降水和氣溫數據進行插值。其空間分辨率為0.25°×0.25°,時間分辨率為日[9]。植被數據采用GIMMS數據,空間分辨率為8 km,數據長度為1982—2015年,本研究采用最大合成法得到年NDVI數據。輸沙量數據來自黃河流域和海河流域的水文年鑒,受序列長度所限,采用了黃土高原及其邊界附近2002—2015年247個水文站的輸沙量數據。在生態分區的基礎上,借助ARCMAP,對上述各要素進行分區統計,探討各要素的時空分布特征。

2 黃土高原生態分區及概況

2.1 黃土高原生態分區

圖1 黃土高原生態分區Fig.1 Ecological Regionalization of the Loess Plateau A：黃土高塬溝壑區,A1：黃土高塬溝壑區A1副區,A2：黃土高塬溝壑區A2副區,B：黃土丘陵溝壑區,B1：黃土丘陵溝壑區B1副區,B2：黃土丘陵溝壑區B2副區,C：沙地和農灌區,D：土石山區及河谷平原區

基于國家發改委的分區原則及方法,考慮了黃土高原水土流失治理技術和模式及生態恢復建設工程的區域性差異,通過分析和綜合,本文將黃土高原劃分為4個生態分區：(A)黃土高塬溝壑區,(B)黃土丘陵溝壑區,(C)沙地和農灌區,(D)土石山區及河谷平原區。其中黃土高塬溝壑區以六盤山為界,劃分為A1和A2兩個副區；黃土丘陵溝壑區以毛烏素沙漠南緣為界,劃分為B1和B2兩個副區,如圖1所示。

黃土高塬溝壑區面積21.8 km2,其中A1和A2副區面積分別為12.4 km2和9.4 km2,A1副區包括甘肅、青海、寧夏三省共51個縣,A2副區包括甘肅、陜西、寧夏三省共41個縣。黃土丘陵溝壑區面積12.9 km2,其中B1和B2副區面積分別為5.5 km2和7.4 km2,B1副區包括陜西、山西、內蒙三省共22個縣,B2副區包括陜西和山西兩省共35個縣。沙地和農灌區面積13.5 km2,包括內蒙、寧夏兩省共30個縣。土石山區及河谷平原區面積17.9 km2,包括內蒙、寧夏、陜西、河南四省共122個縣。

黃土高原地貌類型多樣,由丘陵、高塬、階地、平原、沙漠、干旱草原、高地草原、土石山地等組成,其中山區、丘陵區、高塬區占2/3 以上[3]。

黃土高原高程落差較大,海拔在85—5100 m之間。總的地勢是西南高,東南低。黃土高塬溝壑區A1副區地勢最高,高程在1186—5100 m之間,均值為2268 m；土石山區及河谷平原區最低,在85—3748 m之間,均值為1060 m；其他分區高程較為接近。坡度和坡長最大值分別在77.4—87.3°之間和1070—1860 m之間。坡度和坡長也存在分區差異,且規律較為一致。都表現為黃土高塬溝壑區坡度和坡長最大,丘陵溝壑區B2副區次之,坡度均值在16.5—17.6°之間,坡長在60.5—68.4 m之間。沙地及農灌區最小,坡度均值僅為7.5°,坡長均值為32.9 m。如圖2和表1所示。

圖2 生態分區高程、坡度、坡長空間分布Fig.2 Spatial pattern of elevation, slope and slope length for ecological regionalization

2.2 降水和氣溫的時空分布

黃土高原位于我國東西部之間半濕潤區向干旱區過渡地帶[10],降水地區分布很不平衡,總的趨勢是由東南向西北、由山地向平地遞減[11-13]。降水量年際變化很大,豐水年和干旱年降水量相差2—5倍,干旱發生機率高。降水年內分布很不均勻,且以暴雨形式為主[3]。

表1 生態分區高程、坡度、坡長特征值統計

圖3 生態分區不同年代降水量空間分布Fig.3 Spatial pattern of precipitation for ecological regionalization in different decades

1961—2015年,黃土高原多年平均降水量為447 mm,具有很強的空間變異性,表現為從東南向西北遞減的趨勢。東南部的土石山區及河谷平原區、黃土高塬溝壑區A2副區、黃土丘陵溝壑區B2副區的多年平均降水量高于黃土高原平均水平。沙地及農灌區降水量最小,僅有266 mm。如圖3所示。

不同年代面均降水量顯示(表2),黃土高原范圍內,降水量最大值出現于60年代,60—90年代降水量持續減少,由461 mm減少到428 mm,2000—2015年降水量有所增加,均值為454 mm。黃土高塬溝壑區、沙地及農灌區、土石山區及河谷平原區的最大降水量出現于60年代,黃土丘陵溝壑區的降水量最大值出現于2000—2015年,各分區降水量最小值出現于80或90年代。線性擬合結果顯示,丘陵溝壑區B2副區降水量呈增加趨勢,其他分區呈減小趨勢,變化均不顯著。

降水量越大的分區,年代降水量最大值和最小值差異也越大,說明年降水波動劇烈,其中黃土高塬溝壑區A2副區、土石山區及河谷平原區最大值和最小值分別相差71 mm和73 mm,黃土高塬溝壑區A1副區、沙地及農灌區的降水量小且較為穩定,最大最小值分別相差27 mm和30 mm。

表2 黃土高原生態分區降水量/mm

黃土高原屬大陸性季風氣候,全年≥10℃的積溫2300—4500℃,無霜期120—250 d,日照時數1900—3200 h[3]。

黃土高原1961—2015年多年平均氣溫為7.3℃。氣溫的空間格局也存在很大變異性,如圖4所示,東南部高塬溝壑區A2副區、土石山區和河谷平原區氣溫最高,土石山區及河谷平原區次之,均高于黃土高原平均水平,分別為8.7℃、8.7℃、8.1℃,高塬溝壑區A1副區氣溫最低,僅為4.9℃。

時間上,黃土高原和各分區的面平均氣溫都呈非顯著增加趨勢,60—80年代相對穩定,90年代以來增溫明顯,如表3所示。

圖5 生態分區不同年代NDVI空間格局Fig.5 Spatial pattern of NDVI for ecological regionalization in different decades

生態分區Ecological regionalization年代Time1961—20151961—19691970—19791980—19891990—19992000—2015黃土高塬溝壑區A1Loess sorghum gully region A14.94.44.44.45.05.6黃土高塬溝壑區A2Loess sorghum gully region A28.78.38.48.38.99.3黃土丘陵溝壑區B1Loess hilly and gully region B16.35.75.85.86.66.9黃土丘陵溝壑區B2Loess hilly and gully region B28.17.77.87.78.48.7沙地及農灌區CSandy land and agricultural irrigation region C7.06.26.36.67.47.8土石山區及河谷平原區DEarth-rocky mountainous, and river valley plain region D8.78.38.48.38.99.

2.3 植被特征

黃土高原1982—2015年多年平均NDVI為0.56,存在很大的空間差異,整體上呈現從東南向西北遞減的趨勢(圖5)。土石山區及河谷平原區、黃土高塬溝壑區A2副區的植被覆蓋度最高,多年平均NDVI分別為0.69和0.68,黃土丘陵溝壑區B2副區和黃土高塬溝壑區A1副區的植被覆蓋度次之,NDVI分別為0.56和0.55,黃土丘陵溝壑區B1副區的NDVI為0.49,沙地及農灌區植被覆蓋度最低,NDVI僅為0.36。

不同年代NDVI變化特征如表4所示。80年代以來,黃土高原和各生態分區都表現為植被覆蓋度逐漸增加。相對于80年代,90年代的NDVI增加了0.01—0.03,2000—2015年增加了0.02—0.07,2000年以后植被覆蓋增長速度高于90年代。相對于80年代,近15年黃土高原的NDVI增加了0.04,各生態分區的增加量各有不同,其中黃土高塬溝壑區、土石山區及河谷平原區的增加量較小,為0.02—0.03,黃土丘陵溝壑區的增加量最大,為0.06—0.07,說明黃土丘陵溝壑區大面積的退耕還林(草)等生態建設頗具成效,能夠有效提高植被覆蓋度。

表4 黃土高原生態分區NDVI

2.4 侵蝕產沙時空變化特征及水土流失現狀

黃土高原侵蝕產沙受自然和人為雙重因素的影響,具有明顯的時空分異特征[14-16]。為了說明其時空變化,依據水電部(1984)侵蝕強度等級標準(表5),將不同時期各侵蝕強度所對應的面積比例進行對比,如表6所示。

大規模水土保持措施實施和水利工程建設以前(1970年以前),受人類活動影響相對較少,體現了自然狀態下的侵蝕產沙狀況。在該時期,微弱侵蝕(<1000 t km-2a-1)區域的面積為26.1%,強度侵蝕以上(>5000 t km-2a-1)的面積比例為25.7%,主要分布在渭河、涇河、北洛河上游地區以及無定河中下游、窟野河、禿尾河等流域,這基本上與黃土丘陵溝壑區范圍一致。其中,侵蝕產沙劇烈(>15000 t km-2a-1)的區域面積占4%,主要分布在延安-榆林一帶和內蒙古砒砂巖地區[17]。

表5 水電部(1984)侵蝕產沙強度等級劃分標準

表6 黃土高原侵蝕產沙強度時間變化特征

70年代,微弱侵蝕的面積增加到34.4%,強度侵蝕以上的區域面積比例降低到19.2%,主要分布于西峰-延安-榆林-東勝一帶,極強度侵蝕在其范圍內呈條帶狀分布[17]。

80年代,微弱侵蝕區域范圍增加到42.1%,強度侵蝕以上的區域面積比例進一步降低,占9.6%,范圍收縮為兩個相對較小的區域,分別位于西峰-延安一帶和東勝-朔州之間[17]。

圖6 2002—2015年黃土高原輸沙模數空間分布Fig.6 Spatial pattern of sediment transport modulus during 2002—2015

2002—2015年,黃土高原侵蝕產沙的空間格局發生了重大變化,主要表現在侵蝕強度和范圍兩個方面(圖6)。侵蝕產沙的強度顯著減弱,多年平均輸沙模數在0.13—3924 t km-2a-1之間,中度侵蝕(2500—5000 t km-2a-1)的區域范圍較小,僅占1.1%,主要分布于第二高塬溝壑區的涇河流域。輕度侵蝕(1000—2500 t km-2a-1)的區域范圍稍大,面積比例為14.4%,主要分布在涇河、無定河、清澗河、北洛河、苦水河、禿尾河、窟野河流域。其他大部分區域(面積比例84.6%)的侵蝕強度都屬于微弱侵蝕(<1000 t km-2a-1)。80年代強度侵蝕以上的區域,侵蝕強度已降為中度侵蝕,且范圍發生了明顯萎縮；80年代中度侵蝕和輕度侵蝕的區域,侵蝕強度已降為輕度侵蝕或微弱侵蝕。各生態分區侵蝕模式特征值統計結果顯示(表7),高塬溝壑區A2副區的土壤侵蝕最為嚴重,侵蝕模數在155—3924 t km-2a-1之間,均值為1118 t km-2a-1。丘陵溝壑區B2副區次之,侵蝕模數在18.3—3245 t km-2a-1之間,均值為994 t km-2a-1。其他分區侵蝕模數的均值在180—560 t km-2a-1之間,其中土石山區及河谷平原區的侵蝕模數最小。

表7 生態分區2002—2015年輸沙模式特征值統計

3 結論

本文依據國家發改委的黃土高原生態分區,在考慮水土流失治理技術和模式的區域性差異的基礎上,將黃土高原劃分為黃土高塬溝壑區,黃土丘陵溝壑區,沙地和農灌區,土石山區及河谷平原區。其中黃土高塬溝壑區進一步劃分為A1和A2兩個副區；黃土丘陵溝壑區劃分為B1和B2兩個副區。

黃土高原多年平均降水量447 mm,丘陵溝壑區B2副區降水量呈增加趨勢,其他分區呈減小趨勢,變化均不顯著。黃土高原多年平均氣溫為7.3℃,各分區的面平均氣溫均呈非顯著增加趨勢,90年代以來增溫明顯。黃土高原多年平均NDVI為0.56,80年代以來,黃土高原和各生態分區的植被覆蓋度均逐漸增加,黃土高塬溝壑區、土石山區及河谷平原區的增加量較小,黃土丘陵溝壑區的增加量最大。

1970年以來,黃土高原侵蝕產沙強度減弱趨勢顯著,強度侵蝕以上等級的侵蝕強度范圍明顯萎縮。至2002—2015年,多年平均輸沙模數在0.13—3924 t km-2a-1之間,侵蝕強度最大為中度侵蝕(2500—5000 t km-2a-1),但面積較小,主要分布于第二高塬溝壑區的涇河流域。