黄河中游土壤侵蚀时空变化及驱动因素.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 3 修回日期:2 0 2 2-0 7-1 7 资助项目:国家自然科学基金面上项目(4 1 9 7 1 0 3 3);中央高校基本科研业务费专项资金资助(3 0 0 1 0 2 2 9 1 5 0 7)第一作者:张艳(1 9 7 8),女,河北沧州人,博士,副教授,主要研究方向为土地信息系统与土地利用规划。E-m a i l:z y z h a n g y a n c h d.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 0 3.张艳,史飞航,张悦,等.黄河中游土壤侵蚀时空变化及驱动因素J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):1-1 2.Z HAN GY a n,S H IF e i h a n g,Z HAN GY u e,e t a l.T e m p o r a l a n dS p a t i a lC h a n g e s a n dD r i v i n gF a c t o r so fS o i lE r o s i o n i nt h eM i d d l eR e a c h e so f t h eY e l l o wR i v e rJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):1-1 2.黄河中游土壤侵蚀时空变化及驱动因素张 艳1,2,史飞航1,张 悦1,李 敏1,崔国屹1,刘正则1(1.长安大学 土地工程学院,西安7 1 0 0 5 4;2.陕西省土地整治重点实验室,西安7 1 0 0 5 4)摘 要:目的 揭示流域生态工程措施和自然因素对土壤侵蚀演变的影响效应,量化工程因子和水文因子对水土流失的抑制程度,为黄土高原区流域土壤侵蚀综合防治和生态环境质量改善研究提供参考。方法 基于黄河中游地区7 7个气象站点降雨数据以及流域内四期土地利用类型、植被覆盖度、数字高程模型、土壤质地等资料,通过提取流域降水、地形、气候、土壤和土地利用等因子,采用RU S E L模型和地理探测器方法,开展了土壤侵蚀时空变化及驱动因素研究。结果 黄河中游地区2 0 0 02 0 1 0年侵蚀减幅最显著,在生态工程影响下,海拔10 0 015 0 0m,8 1 5,半阳坡和半阴坡的土壤流失量减少最剧烈;水土流失治理成效表现为林地草地耕地,且植被覆盖度3 0%5 0%区间内侵蚀面积变化最剧烈,为退耕还林工程重点恢复重建区。黄河中游多年间降雨呈西北向东南逐渐增加,在地形影响下空间垂直差异会发生变化,年际间呈不显著波动上升趋势,具有加剧土壤侵蚀的潜在条件。植被覆盖度呈线性波动上升的趋势,增量从西北到东南呈递增趋势,植被覆盖度是影响土壤侵蚀的主控因素;黄河中游植被覆盖度与坡度的交互作用影响力最强,且植被覆盖度、坡度与其他因子协同作用可以显著性增强对土壤侵蚀格局演变的作用力。结论 黄河中游以微度侵蚀为主,多出现在植被发育良好的低海拔地带,中度以上侵蚀出现在黄土高原腹地的粗沙多沙区;黄河中游长期呈农牧为主体的土地利用格局,多年间坡度较陡的耕地不断流向对地形适应性和弹性较高的林草地,反映了国家退耕工程核心一部分是将坡耕地变为林、草地;黄河中游以植被覆盖变化为主要特征的生态工程主导了土壤侵蚀量下降的过程和程度,且任意两种因子交互作用的驱动力均大于单个因子。关键词:土壤侵蚀;RU S E L模型;地理探测器;时空变化;黄河中游中图分类号:S 1 5 7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 0 1-1 2T e m p o r a l a n dS p a t i a lC h a n g e sa n dD r i v i n gF a c t o r so fS o i lE r o s i o n i nt h eM i d d l eR e a c h e so f t h eY e l l o wR i v e rZ HANGY a n1,2,S H IF e i h a n g1,Z HANGY u e1,L IM i n1,C U IG u o y i1,L I UZ h e n g z e1(1.S c h o o l o fL a n dE n g i n e e r i n g,C h a n g a nU n i v e r s i t y,X i a n7 1 0 0 5 4,C h i n a;2.S h a a n x iK e yL a b o r a t o r yo fL a n dR e c l a m a t i o nE n g i n e e r i n g,X i a n7 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eI no r d e r t op r o v i d ear e f e r e n c ef o r t h et h o r o u g hc o n t r o lo fw a t e r s h e ds o i l e r o s i o na n dt h e i m p r o v e m e n to fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t yi nt h eL o e s sP l a t e a ur e g i o n,t h ee f f e c t so fe c o l o g i c a le n g i n e e r i n gm e a s u r e sa n dn a t u r a l f a c t o r so ns o i l e r o s i o ne v o l u t i o nw e r er e v e a l e d,a n dt h e i n h i b i t i o nd e g r e e so fe n g i n e e r i n gf a c t o r sa n dh y d r o l o g i c a lf a c t o r so ns o i le r o s i o n w e r eq u a n t i f i e d.M e t h o d sB a s e do nt h er a i n f a l l d a t ao f7 7m e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n s i nt h em i d d l er e a c h e so f t h eY e l l o wR i v e r,l a n du s et y p e s,v e g e t a t i o nc o v e r a g e,d i g i t a l e l e v a t i o nm o d e l,s o i l t e x t u r ea n do t h e rd a t ao f f o u rp e r i o d s i nt h eb a s i n,t h eRU S E Lm o d e la n dg e o g r a p h i cd e t e c t o rm e t h o dw e r eu s e dt os t u d yt h es p a t i o t e m p o r a lc h a n g e sa n dd r i v i n gf a c t o r so fs o i le r o s i o nb ye x t r a c t i n gp r e c i p i t a t i o n,t o p o g r a p h y,c l i m a t e,s o i la n dl a n du s ei nt h eb a s i n.R e s u l t sT h el a r g e s t r e d u c t i o ni ns e d i m e n te r o s i o ni nt h eY e l l o w R i v e r sm i d d l es e c t i o n sb e t w e e n2 0 0 0a n d2 0 1 0 w a so b s e r v e d.S o i l l o s s s i g n i f i c a n t l y r e d u c e dd u e t oe c o l o g i c a l e n g i n e e r i n ga t a l t i t u d e sb e t w e e n10 0 0a n d15 0 0m,a t s l o p eg r a d i e n t sb e t w e e n8 a n d1 5,a n do nh i l l s i d e st h a tw e r eb o t hs e m i-s h a d e da n ds e m i-s u n n y.T h ec a p a c i t yo f s o i l a n dw a t e r l o s s c o n t r o l d e c r e a s e d i n t h eo r d e r:f o r e s t l a n d g r a s s l a n d c u l t i v a t e d l a n d,a n d t h ee r o s i o na r e ac h a n g e dm o s td r a m a t i c a l l y i nt h er a n g eo f3 0%5 0%v e g e t a t i o nc o v e r a g e,w h i c hw a st h ek e yr e s t o r a t i o na n dr e c o n s t r u c t i o na r e ao f t h ep r o j e c to fc o n v e r t i n gf a r m l a n dt of o r e s t.I nt h em i d d l er e a c h e so ft h eY e l l o wR i v e r,r a i n f a l l i n c r e a s e dg r a d u a l l yf r o mn o r t h w e s tt os o u t h e a s to v e rt h ey e a r s,a n dt h es p a t i a lv e r t i c a ld i f f e r e n c ec h a n g e su n d e rt h ei n f l u e n c eo ft o p o g r a p h y,a n dt h ei n t e r a n n u a lf l u c t u a t i o ni n c r e a s e di n s i g n i f i c a n t l y,w h i c hh a d t h ep o t e n t i a l t oa g g r a v a t e s o i l e r o s i o n.V e g e t a t i o nc o v e r a g e i n c r e a s e d l i n e a r l y,a n di t s i n c r e m e n t i n c r e a s e df r o m n o r t h w e s tt os o u t h e a s t.V e g e t a t i o nc o v e r a g ew a st h em a i nc o n t r o l l i n gf a c t o ra f f e c t i n gs o i l e r o s i o n.I nt h em i d d l eY e l l o wR i v e r,t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nv e g e t a t i o nc o v e r a g ea n dt h es l o p ew a st h es t r o n g e s t,a n dt h es y n e r g i s t i ce f f e c t so fv e g e t a t i o n c o v e r a g e,s l o p ea n d o t h e rf a c t o r sc o u l ds i g n i f i c a n t l ye n h a n c e t h ef o r c eo ns o i le r o s i o np a t t e r ne v o l u t i o n.C o n c l u s i o nI nt h em i d d l er e a c h e so ft h eY e l l o wR i v e r,t h e l a n du s ep a t t e r nw a sd o m i n a t e db ya g r i c u l t u r ea n da n i m a l h u s b a n d r y f o r a l o n gt i m e,a n dt h ec u l t i v a t e d l a n dw i t hs t e e ps l o p e sf l o w e dc o n t i n u o u s l yt ot h ef o r e s ta n dg r a s s l a n dw i t hh i g ht o p o g r a p h i ca d a p t a b i l i t ya n de l a s t i c i t yo v e rt h ey e a r s,r e f l e c t i n gt h a tt h ec o r ep a r to ft h en a t i o n a l f a r m l a n dc o n v e r s i o np r o j e c t i s t o c o n v e r t s l o p i n g l a n d i n t o f o r e s t a n dg r a s s l a n d.T h e e c o l o g i c a l e n g i n e e r i n gm a i n l yc h a r a c t e r i z e db yv e g e t a t i o nc o v e rc h a n g ed o m i n a t e dt h ep r o c e s sa n dd e g r e eo fs o i le r o s i o nr e d u c t i o ni nt h em i d d l eY e l l o wR i v e r,a n dt h ed r i v i n gf o r c eo f t h e i n t e r a c t i o no f a n yt w of a c t o r sw a sg r e a t e r t h a nt h a to f as i n g l e f a c t o r.K e y w o r d s:s o i l e r o s i o n;RU S E Lm o d e l;g e o g r a p h i cd e t e c t o r;t e m p o r a l a n ds p a t i a lv a r i a t i o n;m i d d l er e a c h e so f t h eY e l l o wR i v e r 2 0世纪以来水土流失问题一直都是全球学者研究土地变化的重要课题之一。土壤侵蚀是人类活动和自然因素两者共同作用下的一种土地退化现象,严重的水土流失不仅造成土地生产力降低,时刻威胁着流域农业生产,且流失所汇聚的泥沙和污染物对生态系统和社会经济发展也带来严重影响,同时会导致中下游湖库阻塞、旱涝灾害加剧等问题1-2。在此背景下,防治土壤侵蚀、修复河道沙土淤积,改善林草退化、构建优质生态环境,实现人与自然和谐相处等,早已成为全球各国政府亟需解决的艰巨任务。黄河流经黄土高原,特殊的土质和气候水文等使其流域成为我国土壤侵蚀最为严重和密集的地区,尤其是黄河中游近乎都属于黄土高原区,其自然因素影响和人为活动的不合理干扰,使流域范围内土壤侵蚀状况异常剧烈3-4。我国在黄河中游已开展了一系列生态保护工程,使其经历了气候水文变化和土地利用/覆盖格局变化等为主要特征的自然因素和人为因素的协同效应,从而引起地区水土流失产沙过程和程度发生改变,土壤侵蚀不断下降,生态系统服务显著提升,中下游泥沙淤积情况稳定改善等5。修正通用土壤流失方程(R e v i s e dU n i v e r s a lS o i lL o s sE q u a t i o n)可以高精度模拟黄土高原水土流失情况6。众多学者将RU S E L模型实际应用到黄河流域境内的众多小区域、次降雨尺度模型土壤侵蚀研究7-1 0,但较少学者将模型用到大尺度、长序列的水土流失模拟预测。基于此以黄河中游为研究区,利用降雨、D EM、土壤和土地利用/覆被等数据集,采用G I S、水文统计、RU S L E模型、地理探测器等方法,综合探究黄河中游退耕前后降雨、土地利用等时空变化,阐明不同年份土壤侵蚀时空变化及驱动因素,量化生态退耕工程和降雨变化等因子对水土流失的抑制程度,为黄土高原水土流失防治研究和生态环境质量改善提供参考。1 研究区概况黄河中游地区为内蒙古自治区河口镇至河南省三门峡流域片,属于大陆性季风气候区,冬季寒冷,夏季炎热,西部以西北风为主,南部秦岭北侧为南风,年均温介于81 4,年最高温可达4 2.8,年最低温可达-2 8.1,年均降水量约为5 2 0.4 5mm。境内众多地区被黄土厚厚覆盖,其土壤相对疏松且多孔,具有良好的渗透性,极易发生水土流失1 1。境内主要河流有渭河、北洛河、汾河及支流。地貌类型复杂,以黄土塬、梁、峁为主沟壑纵横,地形多变1 2。2 数据与方法2.1 数据来源与数据预处理(1)土地利用数据。1 9 9 0年、2 0 0 0年、2 0 1 0年、2 水 土 保 持 研 究 第3 0卷2 0 2 0年四期空间分辨率为3 0m的土地利用数据下载于中国科学院资源环境科学数据中心。(2)数字高程模型为地理空间数据云平台下载的分辨率3 0m的A S T E RG D EM数据,用于获取黄河中游地形(坡度、坡向、高程)特征数据。(3)气象水文数据下载于中国气象科学数据共享服务网的“中国地面气候资料日值数据集”。黄河中游及周边地区1 9 8 12 0 2 0年共7 7个气象观测站点及日值降雨量数据,空间分布特征如图1所示。(4)土壤质地数据利用寒区旱区科学数据中心的中国11 0 0万土壤数据库。(5)遥感数据下载于美国国家航天航空局E O S/MO D I S卫星的MO D 1 3 Q 1v 0 0 6数据产品(h t t p s:l p d a a c.u s g s.g o v/)。图1 黄河中游地区示意图2.2 研究方法2.2.1 RU S L E模型 为确保数据准确性,需全部转换为相同坐标系进行空间运算。采用RU S L E模型6,1 0对黄河中游土壤侵蚀模拟分析,表达式为:A=RKL SCP式中:A为单位面积土壤侵蚀模数t/(h m2a);R为降雨侵蚀力因子M Jmm/(h m2ha);K为土壤可蚀性因子th m2h/(h m2M Jmm);L S为坡长坡度因子;C为地表植被覆盖与管理因子;P为水土保持措施因子。(1)降雨侵蚀力因子(R)。关于计算降雨的侵蚀性,众多学者提出了不同背景下的降雨侵蚀力算法模型1 3。本文选取谢云降雨侵蚀力模型1 4研究黄河中游降雨侵蚀力情况,公式如下:Ri=ki=1(Pd)1.7 2 6 5式中:Ri为一年中第i个半月的降雨侵蚀力;i=1,2,k是半个月内侵蚀降雨的天数;Pd为1 0 0mm的日降雨量。在谢云模型中考虑到两天内发生的单个降雨事件可能记录为两个日降雨量,我们将降雨的阈值定义为1 0mm1 3-1 4,避免了对降雨侵蚀力的低估。同时对于该模型各气象站的参数经过不断实际验证,分别在温暖季节(5月至9月)设置为0.3 9 37,在寒冷季节(1 0月至4月)设置为0.3 1 01。(2)土壤可蚀性因子(K)。土壤可蚀性为标准小区内单位降雨侵蚀力引起土壤流失率。以土壤质地数据为基础采用E P I C模型进行计算土壤可蚀性1 5。公式如下:K=0.1 3 1 7 0.2+0.3 e x p-0.0 2 5 6 S A N1-S I L1 0 0S I LC L A+S L A0.3 1-0.2 5CC+e x p3.7 2-2.9 5C()1-0.7 S NS N+e x p2 2.9 5N-5.5 1()式中:S AN,S I L,C L A和C为砂粒、粉粒、黏粒和有机碳含量,其中S N=1-S AN/1 0 0。(3)地形因子(L S)。在土壤流失方程中,地形是诱导土壤侵蚀发 生的重要因 素,采 用 刘 宝 元 在C S L E模型中提出的地形因子算法,带入符素华教授团队开发的土壤侵蚀模型地形因子计算工具(2.0版本)进行地形因子的计算1 6:L S=LS L=2 2.1 3m m=BB+1 B=s i n3 s i n0.8+0.5 63第5期 张艳等:黄河中游土壤侵蚀时空变化及驱动因素S=1 0.8 s i n+0.0 3 6 6 1 6.8 s i n-0.5 6 1 5 2 1.9 s i n-0.9 6 1 5 式中:为坡长(m);m,B为变换常量;为坡度百分比值(%)。(4)植被覆盖因子(C)。植被覆盖与管理因子可以反映植被情况对水土流失的具体效应,介于01,当C=0时,表示没发生土壤侵蚀,当C=1时,对侵蚀没有起到抑制作用,参考蔡崇法等提出的C因子计算1 7:C=1 F V C=00.6 5 0 8-0.3 4 3 6 l g(F V C)0F V C2 5 0.8 0 02.2.2 土壤侵蚀演变影响因素研究方法(1)降雨因素研究。基于黄河中游各站点降雨等数据集,利用地统计分析结合相关参数分别对反距离加权,径向基函数和克里金模型进行优化,并对每个模型的最佳预测结果进行交叉比较,根据地统计精度分析结果,前两者模拟预测结果的均方误差均大于克里金插值结果,同时克里金模型预测结果的绝对误差更小,且误差和的平均值更接近于零,整体比较克里金模型模拟效果以及各项误差指标均优于反距离加权和径向基函数,因此本文选择克里金模型插值作为降雨空间插值的主要方法。M a n n-K e n d a l l秩相关检验方法被广泛应用于水文和气象学的研究2 2。通过使用数据序列的顺序而不是实际值来判断两个变量之间的相关程度,可以避免最大或最小值的干扰,同时还可以客观地实现长期数据序列的变化趋势,计算如下:S=n-1k=1nj=k+1s g n(xj-xi k)s g n(xj-xi k)=1 xj-xi k00 xj-xi k=01 xj-xi k00 S=0S+1v a r(S)S0 如果Z为正,则时间序列呈单调上升趋势,为负值,则时间序列呈单调下降趋势。显著性水平为0.0 1,0.0 5,0.1 0的Z的绝对临界值分别为2.5 7 6,1.9 6 0,1.6 4 5,表示置信度9 0%,9 5%和9 9%的显著性检验。(2)土地利用/覆被因素研究。土地利用转移矩阵描述不同土地利用的结构和数量在不同时相下空间位置的改变2 3。计算如下:Mi j=M1 1M1 2M1nM2 1M2 2M2nMn1Mn2Mn n式中:M代表类型面积;n为转移前、后的类型的总数;i,j为转移前、后的类型情况。土地利用地形位优势度分析。地形位指数用来衡量研究区的地形梯度,能更加精细地分析土地利用空间格局与地形梯度的变化关系2 4。T=l g(HH+1)(SS+1)式中:T代表地形位指数;H,H为流域范围内空间上任一位置的海拔值和该位置所在区域内的平均高4 水 土 保 持 研 究 第3 0卷程值;S,S为流域范围内空间上任一位置的坡度值和该位置所在区域内的平均坡度值。海拔越低、坡度越小的位置,相应T越小;反之越大。(3)主导因子贡献率研究方法。依据RU S L E模型,将退耕还林工程变化和降雨变化作为土壤侵蚀的影响项分析两者的贡献率2 5。U1=R1G1K L S U2=R2G2K L S UT=U2-U1式中:U1,U2为退耕还林工程前、后年均土壤侵蚀量;UT为工程前、后土壤侵蚀变化量;R1,R2为工程前、后降雨侵蚀力因子影响项;G1,G2为工程前、后植被管理因子和水土保持措施因子影响项;K L S表征为其他因素影响项。U 2=R2G1K L S UG=U2-U 2 CG=(UG/UT)1 0 0%CR=1-CG式中:U 2为假设工程后植被管理因子和水土保持措施因子影响程度和工程实施前相同情况下的土壤侵蚀量;UG为工程实施引起的土壤侵蚀变化量;CG,CR为工程的实施和降雨变化对土壤侵蚀的贡献率。(4)地理探测器模型原理与应用。地理探测器用于检验土壤侵蚀空间分异性及揭示土壤侵蚀动态变化的驱动因素贡献情况,其由风险因子探测、交互作用探测、生态探测、风险区探测4个部分组成。风险因子探测用来探测因变量的空间分异性以及自变量对特定因变量的解释力,一般用q衡量其大小;交互作用可以探测两变量间的交互作用,通过对比单变量及双变量的解释力大小可判断双因子间交互作用的方向及方式;生态探测可比较影响因子对土壤侵蚀空间分布的影响是否有显著差异;风险探测器可判断影响因子的层间土壤侵蚀量是否有显著差别,并识别土壤侵蚀高风险区域2 6。q=1-Lh=1N 2N 2=1-S SWS S T式中:h=1,2,L,L为因变量或自变量的分区;Nh和N分别为层h和全区的数据单元数;h2和2分别是层h和全区因变量的方差;S SW为层内方差之和;S S T为全区总方差。探测器驱动因子的解释力q值越大,则因变量的空间分异性越显著。采用地理探测器探索土壤侵蚀空间分异性的驱动因素。鉴于 因变量土壤 侵蚀(Y)和 自变量因 素(X)在空间统计 尺度上存 在 显 著 差 异,基 于 王 劲峰2 5提出的数据离散化方法,将土地利用(X1)、植被覆盖度(X2)、坡度(X3)、降雨量(X4)、海拔(X5)、土壤类型(X6)和土壤侵蚀强度(Y)分别离散化,其中土地利用和土壤类型基于其数据类别离散化分级、植被覆 盖 度 依 据F V C3 0%,3 0%4 0%,4 0%5 0%,5 0%6 0%,6 0%7 0%,7 0%8 0%,8 0%9 0%,9 0%1 0 0%离散化为8级,坡度依据5,5 1 0,1 0 1 5,1 5 2 0,2 0 2 5,2 5 3 0,3 0 3 5,3 5 离散化为8级,降雨量和海拔采用G I S中自然断点离散化为9级。3 结果与分析3.1 土壤侵蚀时空变化鉴于降雨因素具有较大偶然性,将研究期年降雨侵蚀力每1 0a间隔计算平均降雨侵蚀力,带入R U-S E L模型模拟预测土壤侵蚀情况,并依据土壤侵蚀强度分类标准对模拟的土壤侵蚀模数分级。依据国家水利部门土壤侵蚀分类分级标准S L 1 9 0-2 0 0 7(表2),对研究区模拟的土壤侵蚀模数进行强度等级划分。表2 土壤侵蚀强度分级强度等级土壤侵蚀模数/(tk m-2a-1)微度1 5 0 0 03.1.1 土壤侵蚀强度时空演变特征 1 9 9 0年、2 0 0 0年、2 0 1 0年、2 0 2 0年黄河中游平均土壤侵蚀模数为47 6 0.2 7,67 3 5.5 2,30 0 6.6 5,13 9 0.7 1t/(k m2a),呈先升高后急剧下降,整体土壤侵蚀强度为中度、强烈、中度和轻度侵蚀。1 9 9 0年、2 0 1 0年、2 0 2 0年微度侵蚀占比均大于5 0%。2 0 0 0年为研究期内侵蚀较严重的年份,剧烈和极强烈侵蚀占比为1 6.1 9%和1 1.0 8%,经过2 0a退耕还林等生态工程建设,剧烈和极强烈侵蚀占比降低到1.4 2%和3.5 6%。黄河中游以微度侵蚀为主,分布在植被发育良好的低海拔地带,中度以上的侵蚀情况主要发生在黄土高原腹地的粗沙多沙区(表3)。基于多年间土壤侵蚀变化情况,黄河中游侵蚀强度不变、减轻和加剧面积占比为5 7.0 2%,4 2.0 0%和0.9 8%。侵蚀状况减轻主要由轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈转为微度、中度转为轻度、极强烈转为中度和剧烈转为极强烈等转移类型引起的。侵蚀强度不变大部分源于微度侵蚀的稳定保持,侵蚀加剧出现5第5期 张艳等:黄河中游土壤侵蚀时空变化及驱动因素在轻度转为中度。侵蚀减轻主要集中在延安、榆林北、庆阳、固原、天水、定西、忻州等中游西部黄河干流沿线等地区,侵蚀不变集中在中游东南部植被覆盖度较高的地区,而侵蚀加剧体现在榆林东南部的黄河干线地区,这与榆林为陕西第二大粮仓,需更多耕地资源密切相关。侵蚀强度演变情况显著验证了黄土高原多年来大规模实施一系列生态工程取得的巨大成效(图2)。表3 1 9 9 0-2 0 2 0年土壤侵蚀强度分级统计侵蚀级别1 9 9 0面积/k m2比例/%2 0 0 0面积/k m2比例/%2 0 1 0面积/k m2比例/%2 0 2 0面积/k m2比例/%1 0年动态度/%1 9 9 02 0 0 0 2 0 0 02 0 1 0 2 0 1 02 0 2 0 1 9 9 02 0 2 0微度1 5 6 9 5 5.8 15 1.9 71 3 5 7 4 3.2 64 4.9 51 8 1 2 1 8.5 86 0.0 12 3 1 9 4 4.1 37 6.8 0-1 3.5 13 3.5 02 7.9 94 7.7 8轻度3 3 3 4 5.5 81 1.0 43 4 5 2 0.8 61 1.4 33 3 0 5 6.3 91 0.9 52 4 9 4 0.8 38.2 63.5 2-4.2 4-2 4.5 5-2 5.2 1中度2 6 8 1 1.0 88.8 82 8 4 7 3.2 79.4 32 7 4 4 4.4 09.0 91 8 5 2 4.4 06.1 36.2 0-3.6 1-3 2.5 0-3 0.9 1强烈2 1 1 4 9.2 07.0 02 0 9 1 0.3 36.9 22 0 8 9 7.5 16.9 11 1 5 5 5.5 43.8 3-1.1 3-0.0 6-4 4.7 0-4 5.3 6极强烈3 1 6 9 2.1 71 0.4 93 3 4 5 5.7 71 1.0 82 4 9 5 3.4 08.2 61 0 7 5 7.8 93.5 65.5 6-2 5.4 1-5 6.8 9-6 6.0 6剧烈3 2 0 4 6.1 61 0.6 14 8 8 9 6.5 11 6.1 91 4 4 2 9.7 24.7 84 2 7 7.2 11.4 25 2.5 8-7 0.4 9-7 0.3 6-8 6.6 5图2 黄河中游土壤侵蚀强度空间分布及转移3.1.2 不同地形下土壤侵蚀分布格局变化规律 黄河中游不同地貌下微度侵蚀面积占比均最高,10 0 015 0 0m阶段是微度侵蚀面积占比增加了1 4.1 6%,其是水土流失防治中的重点区域;黄河中游多年间半阳坡和半阴坡土壤侵蚀变化情况最剧烈;不同坡度下黄河中游土壤侵蚀情况各异,8 1 5 土壤侵蚀以微、轻和中度侵蚀为主,1 5 2 5 剧烈和极强烈侵蚀为主,2 5 以上剧烈侵蚀占比最大。2 0 0 02 0 1 0年随着国家生态工程实施,在土壤侵蚀大规模锐减的趋势下,微度侵蚀在8 1 5 坡度带内增加最为显著;2 0 1 02 0 2 0年不同坡度下的土壤侵蚀变化整体态势良好,8 2 5 坡度带内侵蚀锐减最明显,相较于工程实施前,极强烈和剧烈侵蚀治理情况成效最大,反映了该区实施的生态修复工程的精准防治,也为黄土高原生态进一步建设奠定良好基础。3.1.3 不同土地利用下土壤侵蚀分布特征 基于黄河中游主要地类影响下的土壤侵蚀模拟情况,耕、林和草地平均土壤侵蚀模数差异较大,土壤侵蚀模数表现为草地耕地林地,草地略大于耕地,主要与草地分布基数广,低覆盖度草地面积占比高,草地分布坡度高,缺少人工措施保护密切相关。黄河中游1 9 9 02 0 2 0年耕地土壤侵蚀模数减小率高达7 2.1 0%,侵蚀强度由中度转为轻度;林地侵蚀强度由轻度转为微度,土壤侵蚀模数减小率为7 0.5 2%,封山育林政策是防治水土流失中关键措施;草地侵蚀强度由强烈转为轻度,平均土壤侵蚀模数减小率为7 0.5 2%,其作为面积分布最广的地类,是最可能受人为影响的水土流失加剧因素,侵蚀变化对水土流失治理至关重要,分析发现草地整体上土壤侵蚀模数减少最多,因此继续退耕还草工程的实施对土壤侵蚀的治理最为关键的。黄河中游植被覆盖度3 0%5 0%范围内土壤侵6 水 土 保 持 研 究 第3 0卷蚀变化最剧烈,其是生态工程重点恢复重建的植被覆盖带。在国家推行植被育林造草等生态工程后,植被处于高速生长期,侵蚀强度降低集中在极强烈和剧烈侵蚀级别上,7 0%1 0 0%的植被覆盖度区间的面积实现了翻倍增加,在高植被覆盖度下,林草地结构良好,且群落层次丰富,其多层结构保持水土的效益得到显著体现,工程实施后优良植被显著增加。综上黄河中游耕、林和草地等主要地类的水土流失治理成效表现为林地草地耕地,充分证明了国家在近几十年来在黄土高原大力推行的退耕还林还草、封山育林及山水林田湖草等生态建设工程取得了显著成效。3.2 土壤侵蚀时空变化影响因素研究在影响土壤侵蚀变化的众多因素中,地形和土壤相对稳定,而降雨、土地利用和植被覆盖度是控制侵蚀变化的主导因素。3.2.1 降雨因素影响土壤侵蚀演变分析 降雨到达一定程度将会造成水土流失,我们一般将侵蚀性降雨特征即降雨侵蚀力作为量化计算降雨对土壤侵蚀作用力的重要函数2 6,因此分析降雨变化对于研究土壤侵蚀演变具有重要意义。黄河中游年均降雨量为5 2 0.4 5mm,最大年降雨量为6 9 9.9 0mm(2 0 0 3年),最小年降雨量为3 4 9.9 0mm(1 9 9 7年),多年间降雨量呈多峰状波动上升的变化特征,年际间波动较大,基于M-K检验多年间降雨没有明显的降雨突变现象,且总体趋势性特征不显著。空间上年降雨量空间差异显著,呈自南到北递减趋势,以佛坪、留坝、商南和太白等为代表的秦岭北部盆地山区的降雨量最大,表明这些地区存在降雨侵蚀威胁的解释力较强;中游北部黄土高原丘陵区的降雨量较少,降雨侵蚀的威胁较小,而中游南部盆地东西两侧的降雨侵蚀威胁也存在显著差异(图3)。多年间降雨量的增加代表着降雨侵蚀力的增加,这也就意味着潜在的土壤侵蚀风险增加,在黄河中游降雨侵蚀性增加的地区,应采取适当措施,减少土壤侵蚀的潜在风险,对维护流域内生态安全具有重要意义。图3 黄河中游年均降水量空间分布格局3.2.2 土地利用/植被覆盖因素影响土壤侵蚀演变分析 黄河中游1 9 9 0