區域水土流失面積與平均土壤侵蝕模數關系探究

李晶晶，張建國，賈利紅，張亞琳，焦 念

(1.黃河流域水土保持生態環境監測中心，陜西 西安710021；2.晉陜蒙接壤地區水土保持監督局，陜西 榆林 719000；3.黃河流域水土保持生態環境監測臨潼分中心，陜西 西安 710600；4.黃河水土保持西峰治理監督局，甘肅 慶陽 745000)

水沙關系調節是保障黃河長久安瀾的“牛鼻子”，是治黃工作的基礎。實踐證明，水土保持是近年來黃河泥沙量銳減的主要原因之一。水土保持措施的保土效益普遍通過“水保法”換算得到，即通過掌握的各項水土保持措施面積及各項措施產生的減水減沙效益定額換算出水土保持措施的保土效益[1-2]。獲取的保土效益結果的準確性受制于水土保持措施的統計結果和不同區域不同水土保持措施的蓄水保土效益定額的準確性，給計算水土保持措施對減少入黃泥沙的貢獻帶來了一定的不確定性。

依據《全國水土保持規劃(2015—2030年)》和《全國水土流失動態監測規劃(2018—2022年)》，自2018年開始，水利部組織開展了全國(未含香港、澳門特別行政區和臺灣省)水土流失動態監測，實現了全國水土流失動態監測工作“全覆蓋”[3]。黃河流域(片)國家級防治區水土流失動態監測工作是全國水土流失動態監測工作的重要組成部分，自2018年開始已連續開展3年的動態監測工作，掌握了大量的監測成果數據，特別是掌握了以縣級行政區為單元的土壤侵蝕模數和對應的水土流失面積。

本研究利用2020年度黃河流域(片)國家級防治區部分縣級行政區的縣域面積、各侵蝕強度等級面積建立臨界土壤侵蝕模數，擬合了臨界土壤侵蝕模數與平均土壤侵蝕模數之間的關系，通過建立的回歸關系，推算出不同區域的平均土壤侵蝕模數，進而計算該區域的土壤流失量，為水土保持措施保土效益的計算提供技術支撐，以期為進一步探索水土保持措施對黃河水沙的調控機制提供數據支持。

1 研究區域及數據來源

1.1 區域介紹

(1)回歸分析區域。本研究選取伏牛山中條山國家級水土流失治理區6個縣級行政區、黃河多沙粗沙國家級水土流失治理區15個縣級行政區、甘青寧黃土丘陵國家級水土流失治理區5個縣級行政區的2020年度監測成果，涉及甘肅、寧夏、山西等3省區共26個縣級行政區。以上區域土壤侵蝕分級標準均按照西北黃土高原區分級標準執行。縣級行政區名錄見表1。

表1 縣級行政區名錄

(2)黃土高原多沙區。黃土高原多沙區為侵蝕模數≥5 000 t/(km2·a)的地區，主要分布在黃河河口鎮至龍門區間和涇河、洛河中上游，以及青海、內蒙古、河南沿黃部分地區，總面積為21.2萬km2。該區域多年平均輸入黃河的泥沙量為14億t，占黃河總輸沙量的87.5%[4]，是黃河泥沙的主要來源。根據水利部1992年11月上報國家計委的《黃河中游重點水土流失區治理工程可行性研究報告》《黃河多沙、粗沙嚴重流失區水土保持規劃》，以及第一次全國水土流失遙感普查數據(20世紀80年代水利部基于MSS遙感影像，利用遙感技術，結合地面監測數據，開展了第一次全國水土流失遙感普查)，結合行政區劃圖實際量算界定，在與地方水保部門多次溝通交流后確定。

1.2 數據來源

(1)回歸分析區域。數據來源于黃河流域(片)全國水土流失動態監測項目，依據《2020年度水土流失動態監測技術指南》的要求，基于2020年2 m分辨率衛星影像進行專題信息提取和野外調查，在水力侵蝕區利用中國土壤流失方程(CSLE模型)，在風力侵蝕區利用風力侵蝕模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)風力侵蝕模型]計算土壤侵蝕模數，按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)[5]判定土壤侵蝕強度等級，獲取水土流失狀況。

(2)黃土高原多沙區。該區年度監測成果涉及1990、1999、2019年。其中：2019年土壤侵蝕數據來源于全國水土流失動態監測項目，主要是基于2 m分辨率衛星影像進行專題信息提取和野外調查，在水力侵蝕區利用中國土壤流失方程(CSLE模型)[七因子，《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)]，在風力侵蝕區利用風力侵蝕模型[耕地、草(灌)地、沙地(漠)風力侵蝕模型]計算土壤侵蝕模數。1999年土壤侵蝕數據來源于黃河流域水土保持遙感普查，以分辨率30 m的TM衛星影像為主要信息源，以1∶10萬地形圖和1∶25萬數字化地圖為基本工作底圖，結合野外調查、典型樣方調查，采用三因子[《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—96)]方法計算水土流失狀況。1990年土壤侵蝕數據來源于第一次全國水土流失遙感普查數據，在土壤侵蝕矢量圖上，通過空間分析確定土壤侵蝕數據。

2 結果與分析

2.1 水土流失面積、縣域面積與平均土壤侵蝕模數

基于各縣級行政區縣域面積、各侵蝕強度等級面積，定義臨界土壤侵蝕模數(A)，計算公式為

(1)

式中：A為臨界土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；Si為各侵蝕強度等級的面積，km2，i=1，2，3，4，5，分別對應輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕；Qi為各侵蝕強度等級對應的侵蝕模數值，t/(km2·a)，分別對應1 616.36、3 702.16、6 310.03、9 915.59、20 626.23 t/(km2·a)，取值依據為西北黃土高原區中41個縣級行政區各侵蝕強度等級對應的平均侵蝕模數的均值；C為縣域面積，km2，采用2018年3月民政部公布數據。

根據各縣級行政區2020年度水土流失動態監測成果及2018年縣域面積數據，計算獲得了各縣級行政區的臨界土壤侵蝕模數，建立各縣級行政區平均土壤侵蝕模數和臨界土壤侵蝕模數的關系，如圖1所示。可以看出，平均土壤侵蝕模數與臨界土壤侵蝕模數(A)之間存在很好的線性關系，擬合公式為y=1.097 1A+138.42(R2=0.960 9)。

圖1 各縣級行政區平均土壤侵蝕模數與臨界土壤侵蝕模數的關系

總體來看，回歸分析區域各縣級行政區平均土壤侵蝕模數與臨界土壤侵蝕模數之間線性關系較好，主要是在定義臨界土壤侵蝕模數的計算方法時考慮了以下兩個方面：一是考慮了各侵蝕強度等級對土壤侵蝕模數的貢獻率不一，取41個縣級行政區各侵蝕強度等級對應的平均侵蝕模數的均值；另一個是考慮了不同縣級行政區的縣域面積，因為平均土壤侵蝕模數是根據每個柵格土壤侵蝕模數值累加后除以縣域圖幅面積得來的。綜上，本研究建立的平均土壤侵蝕模數與臨界土壤侵蝕模數的線性關系是合理可信的。值得注意的是，微度侵蝕對應的土壤侵蝕模數存在有土壤侵蝕模數和無土壤侵蝕模數兩種情況，而公式(1)中沒有考慮微度侵蝕對土壤侵蝕模數的貢獻。

2.2 黃土高原多沙區土壤流失量

黃土高原多沙區不同時期水土流失面積如表2所示。可以看出水土流失面積和極強烈、劇烈侵蝕面積均呈現逐年下降趨勢，水土流失面積由1990年的19.31萬km2，降至2019年的9.23萬km2，減幅52.20%，年均減少水土流失面積0.35萬km2，其中劇烈侵蝕面積減少4.15萬km2，減幅達96.74%。

表2 黃土高原多沙區不同時期水土流失面積統計

根據黃土高原多沙區區域總面積及各侵蝕強度等級面積計算臨界土壤侵蝕模數，結合平均土壤侵蝕模數與臨界土壤侵蝕模數的擬合關系，推算出黃土高原多沙區1990、1999、2019年的平均土壤侵蝕模數分別為8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)，土壤流失量分別為18.87億、13.93億、4.15億t。經測算，1990—2019年黃土高原多沙區累積保土量為213.44億t。

3 結 論

(1)根據各縣級行政區縣域面積、水土流失面積及各侵蝕強度等級面積計算得到的臨界土壤侵蝕模數與平均土壤侵蝕模數之間存在較好的線性關系，即y=1.097 1A+138.42。

(2)黃土高原多沙區1990、1999、2019年的平均土壤侵蝕模數分別為8 900.97、6 572.14、1 957.89 t/(km2·a)。1990—2019年黃土高原多沙區累積保土量為213.44億t。