全 文 ：第 26 卷第 6期
2006 年 6月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 26, No. 6
Jun. , 2006
皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价
喻 锋1, 2 ,李晓兵1, * ,陈云浩1 ,王 宏1 ,杨明川1
(11 北京师范大学资源学院,北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京 100875; 21 国土资源部信息中心,北京 100812)
基金项目:国家重点基础研究发展规划资助项目(G2000018600) ; 国家教育部/ 新世纪优秀人才支持计划0资助项目( NCET_04_0149)
收稿日期: 2005-04-02;修订日期: 2005-10-17
作者简介:喻锋( 1981~ ) , 男, 湖南武冈市人, 硕士, 主要从事土地利用及应用遥感研究. E-mail : fyu@ infomail.mlr. gov. cn
* 通讯作者 Corresponding author. E-mail: xbli@ ires . cn
Foundation item: The project was supported by National Key Projects for Basic Research in China(No. G2000018600) ; Supported by Program for New Century
Excellent Talents in University of China(No.NCET_04_0149)
Received date: 2005-04-02; Accepted date: 2005-10-17
Biography: YU Feng, Master, mainly engaged in land use and applied remote sensing. E-mail: fyu@ infomail. mlr. gov. cn
摘要:基于/ 3S0技术, 揭示了皇甫川流域近十多年来的土地利用变化情况, 并采用通用土壤侵蚀方程( Universal Soil Loss Equation,
USLE)定量研究了不同土地利用背景下的土壤侵蚀分布规律。结果表明,近十几年来流域土地利用变化剧烈, 其总体趋势是城
镇用地、林地、耕地和灌丛的面积逐渐增加(速率依次减小) ,水体、草地、沙地和裸砒砂岩面积逐渐减小(其中水体缩减的幅度最
大) , 土地利用格局持续承受着来自当地快速城市化进程及社会经济发展和生态环境保护及建设两方面相互矛盾的巨大压力;
与此同时,流域土壤侵蚀模数由 1987年的 161601 72tPkm2 减少到 2000年的 139431 32tPkm2 , 其中 6种不同土地利用类型在同一年
份内土壤侵蚀模数的大小顺序为裸砒砂岩> 沙地> 耕地> 草地> 林地> 灌丛, 表明林、灌措施是流域植被恢复和减少土壤侵蚀
的首选,草地限制土壤侵蚀的效果也较为明显 ,而沙地尤其是分布面积较广的裸砒砂岩则是土壤侵蚀综合治理的难题和关键;
虽然十几年来水土流式综合治理效果显著,但由于裸砒砂岩和沙地的面积仍在整个流域占有相当的比例以及耕地剧增等因素,
土壤侵蚀模数仍明显高于流域土壤允许侵蚀的临界值, 流域生态环境仍然处于不安全状态,有必要对未来土地利用格局进行优
化以确保生态安全。最后,在讨论中阐明了流域土地利用格局调整和优化的方向。
关键词:皇甫川流域; 土地利用变化;土壤侵蚀评价
文章编号: 1000-0933(2006) 06-1947-10 中图分类号: Q143, Q149, S159. 2 文献标识码: A
Land use change and soil erosion evaluation in Huangfuchuan Watershed
YU Feng
1, 2
, LI Xiao-Bing
1, *
, CHEN Yun-Hao
1
, WANG Hong
1
, YANG Ming-Chuan
1
( 11College of Resource Sciences and
Technology of Beijing Normal Universi ty , Key Laboratory of Environmental Change andNatural Disaster, Mini stry of Education of China , Beijing 100875, China ;
21 Information Center of Ministry of L and and Resources, Beijing 100812, China ) . Acta Ecologica Sinica , 2006, 26( 6) : 1947~ 1956.
Abstract: Supported by / 3S0 technology, this paper brought forth the land use change in HuangfuchuanWatershed from 1987 to
2000, then studied the distribution rules of soil erosion under different land use patterns quantificationally by Universal Soil
Erosion Equation (USLE) during that period, and emphasized the impact of changes of land use pattern on soil erosion in the
watershed.
The results showed: ( 1) In the recent ten years, the general tendency of land use change in the study area was that the
proportion of urban land, woodland, cropland and shrub increased gradually with the speed descending, and that the proportion of
water, grassland, sandy land and bare rock shrunk with the highest extent of water. During this course, the watershed pattern of
land use was under the tremendous pressure from the standing conflict, which burst out between the rapid urbanization, economic
development and the conservation and rebuilding of ecological environment. This status would survive for a long time in the future,
and moreover, the distinct decline of water area would be the bottleneck of above contradiction; ( 2) With the change of land use
pattern, the annual modulus of soil erosion decreased rapidly from 16160172tPkm2 in 1987 to 13943132tPkm2 in 2000. According
to the annual modulus of soil erosion in the same year, different land use types inHuangfuchuanWatershed arrayed with the order:
bare rock > sandy land > cropland > grassland > woodland > shrub, indicating that woodland and shrub were the preferred
measures for vegetation restoration and the reduction of soil erosion. Furthermore, the alteration of sandy land and bare rock would
be the key problem of comprehensive harnessment of soil erosion, which could not be overlooked; ( 3) The effect of soil and water
conservation was significant in the recent ten years, however, due to the high proportion of sandy land and bare rock and the
proliferating cropland in the watershed, the annual modulus of soil erosion were still higher than permissible soil erosion amount
between 3700tPkm2 and 6900tPkm2 . The ecological environment of watershed would be in the status of insecurity, thus, the
watershed pattern of land use must be optimized to meet the requirement of ecological security.
Generally, this paper emphasized the impacts of different land use types and patterns on soil erosion of watershed,
illuminated the adjustment or optimization of land use pattern, and improved the technical system of soil erosion assessment for the
simulation and forecasting of land use change, which has wide application in the future.
Key words: HuangfuchuanWatershed; land use change; soil erosion evaluation
地球表层系统最突出的景观标志就是土地利用与土地覆盖, 土地利用P覆盖变化与生态环境安全水平密
切相关 [ 1, 2]。作为区域生态安全的重要影响因子,土壤侵蚀是导致土地资源退化、生态系统受损的主要原因,
这种影响在世界范围内由于土地利用P覆盖变化强度的加剧而日益凸现。由此可见,土地利用P覆盖变化与土
壤侵蚀密切相关:土地利用P覆盖变化改变原有地表植被类型及其覆盖度和微地形,从而影响土壤侵蚀的动力
和抗侵蚀阻力系统, 成为土壤侵蚀的诱发和强化因素, 在区域土壤侵蚀的发展中起重要作用[ 3] ;土壤侵蚀的加
剧反过来又限制土地利用的方式和结构,导致土地生产力退化, 进一步激化人地矛盾。因此, 有必要深入研究
土地利用变化与土壤侵蚀时空动态分异规律。
在土壤侵蚀与土地利用变化的交叉研究上,传统的径流小区法最早被用于研究不同土地利用类型的水土
流失特征(如地表径流系数、土壤侵蚀模数、有机质流失量等) ,并以此来决定土壤侵蚀模型各侵蚀因子在不同
土地利用类型下的赋值。如阮伏水在福建花岗岩坡地的土壤侵蚀试验结果表明,香根草带间作和牧草覆盖等
土地利用方式相比于松耕具有良好的水土保持效益,而在利用USLE 进行土壤侵蚀预测时未扰动自然裸露坡
地的地表覆盖因子取值应在 011~ 013之间[ 4]。王本贤等通过野外径流观测和有机质流失测定研究了苏南丘
陵区不同土地利用状况的蓄水保土功能 [5] ; 傅伯杰等则采用在流域出口建坝观测和样地实测的方法, 在校正
LISEM( Limburg Soil Erosion Model)模型的基础上模拟了不同土地利用方案的水土流失效应[ 6]。相比之下,土壤
侵蚀元素示踪法可以弥补径流小区法不能得到区域土壤侵蚀空间分异规律的不足,能获得不同时间跨度、不
同土地利用类型的侵蚀和沉积结果。在此基础上,杨武德等探讨了红壤坡地不同土地利用方式下土壤侵蚀的
时空分布规律, 并相应提出了合理的耕作制度和有效的水土保持措施[ 7]。此后,随着 RS和 GIS技术的兴起,
对传统的土地利用P覆盖变化与土壤侵蚀研究方法产生了巨大的变革。目视解译作为传统的遥感信息获取和
解读方式,能最直接地获取土壤侵蚀和土地利用P覆盖的空间数据。据此王思远等在对 TM 影响目视判读的
基础上对我国不同土壤侵蚀下的土地利用类型、不同地貌特征下的土壤侵蚀状况、不同土地利用结构下的土
壤侵蚀进行了分析, 基于 GIS 定量总结了我国不同土地利用背景下的土壤侵蚀空间分布规律[ 8]。类似的方法
在其它区域土地利用和土壤侵蚀的关系研究中得到了广泛地应用 [ 3, 9]。然而,该方法与元素示踪法一样, 其缺
陷在于无法和侵蚀因子结合,因而不能用于侵蚀动态监测以及预报模型的建立。因此, 基于/ 3S0的土壤侵蚀
经验模型、土壤侵蚀遥感信息模型等逐渐受到广泛地关注, 模型的应用越来越趋向于信息的遥感获取、非遥感
数据的数字处理和 GIS的时空综合模拟,再加上土地利用P覆盖分类及变化监测的技术体系日趋成熟,使得土
壤侵蚀与土地利用P覆盖变化的交叉研究得到了从定性到定量、从静态到动态、从单一描述到综合评价、从单
尺度到多尺度的迅速发展。
本文在/ 3S0技术的支持下采用通用USLE模拟皇甫川流域近十几年来土壤侵蚀的动态变化, 在此基础上
分析流域内不同土地利用条件下土壤侵蚀规律, 着重讨论土地利用格局变化对区域土壤侵蚀可能产生的影
1948 生 态 学 报 26卷
响,从而为科学地组织人类有序活动、减轻流域土壤侵蚀提供科学决策依据。
1 流域概况
皇甫川流域位于 E11013b~ 11112b、N3912b~ 3919b之间, 地跨鄂尔多斯高原与黄土高原, 总面积约为
3240km
2。皇甫川流域属温带半干旱大陆性气候,年平均气温 612~ 712 e ; 年平均降雨量在 379~ 420mm之间,
主要集中在夏季, 6~ 8月份的降雨量占总降水量的 61%。流域内砒砂岩大面积裸露, 原生植被破坏殆尽,再
加上较大的地势高差和较强的暴雨冲刷导致水土流失十分严重,年平均向黄河输送约 015 @ 108 t泥沙,深刻影
响着当地的生态环境和农牧业生产条件。土壤母质类型为砒砂岩土类、黄土类、风沙土类、冲积土类, 分别占
流域面积的3918%、4113%、1710%、119%,土壤类型相应为栗钙土、黄绵土、风沙土、草甸土和潮土,其中大部
分属于易侵蚀类型, 这也决定了该区的土壤侵蚀比较强烈。
皇甫川流域属于农牧交错带,主要的土地利用类型为耕地、草地和林地, 形成了以草地利用为主、耕地镶
嵌、小片林地星散分布、侵蚀沟网嵌套的土地利用格局。其中,流域中西部和北部的人口较为稀少又有大面积
连片分布的天然草地,适合于开展草地畜牧业;而东南部人口相对稠密, 具备了开展农业生产的劳动力资源,
加之地形破碎、土地开垦程度高,经济发展以农业为主。耕地主要集中在沙圪堵、纳林与府谷三乡,其中坡耕
地占到耕地总面积的 46% ,但大多数坡耕地土壤含水量差、淋溶作用强、土壤肥力低、平均单产低。
2 数据和方法
211 数据源
本研究采用的基础数据包括:流域 1B5万的数字高程模型( DEM) ; 1960~ 2000年流域各气象站点观测资
料;流域 1B10万土壤类型图;流域 1B10万土壤质地图和遥感影像等。其中遥感数据是1987年和 2000年每年
3 月25日、7月4日和11月20日的TM 影像,空间分辨率为30m。各基础图件经过几何配准和数据重采样后,
统一校正到能与 TM影像配合套准( RMS [ 015像元) , 即栅格单元大小为 30m @ 30m。
212 土地利用变化转移矩阵
转移矩阵可以全面而又具体地刻画区域土地利用变化的结构特征与各类用地类型变化的方向,其数学形式为:
A ij =
A 11 A 12 , A 1 n
A 21 A 22 , A 2 n
, , , ,
A n1 A n2 , A nn
式中, A ij是指k 时期的i 种土地利用类型转变为 k+ 1时期 j 种土地利用类型的面积。转移矩阵的意义在于它
不仅可以反映研究期初、研究期末的土地利用类型结构,同时还可以反映研究时段内各土地利用类型的转移
变化情况,便于了解研究期初各类型土地的流失去向以及研究期末各土地利用类型的来源与构成[ 10]。
213 土壤侵蚀动态模拟方法
21311 土壤侵蚀模型 黄土高原地表破碎且降雨集中,水蚀起着关键的作用, 尤其是短时强降雨对地表的片
蚀、沟蚀非常严重。另外由于地表破碎,由陡坡崩塌等造成的重力侵蚀也起着极为重要的作用,与水蚀相互复
合,也是造成本区强烈沟蚀的重要动力。前人的研究成果表明:水蚀和重力侵蚀约占皇甫川流域土壤侵蚀总
量的 83% [ 11] 。相对而言,皇甫川流域的风蚀等其它侵蚀的作用较弱, 所以本文对风蚀等侵蚀部分不做考虑。
土壤水蚀计算采用美国的 USLE方程。对皇甫川流域五分地沟的实地观测结果表明:当地形坡度小于 35b时,
相对于水蚀,重力侵蚀可以忽略不计;只有当地形坡度大于 35b时,重力侵蚀才显著增大, 此时重力侵蚀值约为
水蚀值的 30% [ 12] 。因此,皇甫川流域土壤侵蚀模型的表达式为:
E =
R #K # L # S # C # PP0183 H [ 35b
113# R #K # L # S # C # PP0183 H> 35b
式中, E 为年均土壤侵蚀量( t#hm- 2a- 1 ) ; R 为降雨侵蚀力因子(MJ#mm#hm- 2#h- 1#a- 1 ) ; K 为土壤可蚀性因子
( t#hm2#h#hm- 2#MJ- 1#mm- 1 ) ; LS 为地形因子, 其中 L 为坡长因子, S 为坡度因子; C 为地表覆盖因子; P 为水
19496期 喻锋 等:皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价
土保持措施因子。
21312 模型参数计算 模型参数的计算和赋值详见表 1。其中, R 因子是通过建立流域降雨量与降雨侵蚀力
的回归模型并结合Kriging内插法来获得的 ¹ ;在 C 因子的计算过程中,考虑到流域的农业生产活动基本上是
与自然降水同步的,植被覆盖状况与自然降水有密切相关, 所以选择各时段的平均 Fournier指数作为加权平
均因子,在利用针对TM遥感影像的亚像元模型 [ 15]计算 3、7、11月份植被盖度的基础上求算年平均植被盖度。
在 V 的计算式中 [13] , V1、V2、V 3 分别表示 3、7、11月份的植被盖度; Pi 和P 分别是月降水量和年降水量; O、
M、A、J n、Jl、S、J 和D 分别代表 10月、3月、4月、6月、7月、1月和 12月。
表 1 皇甫川流域土壤侵蚀模型参数计算表[ 11~ 14]
Table 1 Parameters calculation of soil erosion model in Huangfuchuan Watershed[ 11~ 14]
参数 Parameters 计算方法 Methods for calculation 说明 Illumination
降雨侵蚀力因子
Rainfall wash factor
R = 2118P - 51145 P ) 降雨量 Precipitation
土壤可蚀性因子
Soil erodibility factor
K = 012+ 013exp - 010256Sd ( 1 - SiP100) @
S iP( Cl + S i )
- 013 @ 110- 0125CP
[ C + exp( 3172- 2195C) ] @
[ 110- 017( 1- SdP100) ]P 1- SdP100+ exp
[- 5151+ 2219( 1- SdP100) ]
S d ) 砂粒含量 Sand content; Si ) 粉粒含量 Silt content ;
Cl ) 粘粒含量 Clay content ; C ) 有机碳含量 Soil organic
carbon content
坡长因子
Slope length factor
L =
K
20
013
= 0141K013
K) 任意坡长小区的水平投影长度
Horizontal projected length of random slope length sect ion
坡度因子
Slope factor
S 1 = 010974H1130 ; S 2 = 01774H1145
S 3 = 65141sin
2H+ 4156sinH+ 01065
H) 坡度 Slope; S 1 ) 黄土坡地的坡度因子 S of loess
slope f ield; S 2 ) 砒砂岩坡地的坡度因子 S of soft rock
slope field; S3 ) 其他类型坡地的坡度因子 S of other
slope fields
地表覆盖因子
Steepness factor
C1 = e
- 010418( V- 5) ; C2 = 01992e- 01034V
V = E
M
i= O
P 2iPP @ V1 + E
J
n
i= A
P 2iPP @ V2
+ E
S
i= J
l
P 2iPP @ V3 E
D
i= J
P2iPP
V ) 年平均植被盖度 Annual mean vegetation coverage;
C1 ) 耕地的地表覆盖因子 C of cropland; C2 ) 林地、灌
丛和草地的地表覆盖因子 C of woodland, shrub and
grassland
水土保持措施因子
Soil and water conservat ion
practice factor
草地 Grassland 013 坡面水平沟、鱼鳞坑等水保措施 Soil and water
conservation practice, such as leve-l ditch and fish-scale pit灌丛 Shrub 013
林地 Woodland 012
水体 Water 0
城镇用地 Urbanland 0 无水保措施No soil and water conservat ion pract ice裸砒砂岩 Soft rock 1
沙地 Sand 1
0175 非等高耕作 Non-contour plowing
耕地 Cropland 016 等高耕地 Contour plow ing
> 10b
015 5~ 10b
013 < 5b
21313 模型运算 利用流域降雨、土壤质地、土壤类型及地形图等专题图件,输入计算机中建立或生成研究
所需的专题图层,然后充分利用RS、GIS软件( ERDAS IMAGINE 815和ArcInfo 813)强大的图层叠加和模型运算
等功能,最终完成模型参数值和土壤侵蚀量的计算。具体的计算流程见图 1。
3 结果与分析
311 土地利用变化
图2给出了皇甫川流域 1987年和 2000年土地利用的空间格局。由于对 1987年和 2000年流域土地利用
分类的过程完全一样,根据数据的获取情况, 仅对 2000年的分类结果利用野外 GPS数据进行精度评价, 以代
1950 生 态 学 报 26卷
¹ 高清竹,北京师范大学博士学位论文, 2003
表整个土地利用变化监测过程的精度。结果表明,其总精度达到 75139% , Kappa系数为 0168, 能够满足研究
要求。从图中可以看出, 草地的格局变化最为显著, 其在 1987年的土地利用中占有绝对优势, 主要分布在流
域的北部和中东部; 到 2000年, 由于长期的人类活动(包括草地的开垦、过牧、灌丛化等)以及自然环境恶化的
综合影响, 西北部的草地部分被灌丛和耕地所取代,东北部的草地大部分转变为灌丛、林地和沙地,而中西部
的草地则基本上损失殆尽,主要为灌丛所占据。裸砒砂岩在 1987年集中分布在流域南部皇甫川两岸,并散布
于各级沟道的沟坡; 通过十多年流域一、二期重点治理(如大面积发展沙棘等) ,到 2000年裸砒砂岩面积大幅
度缩减,主要为灌丛、林地和耕地替代, 其中陕西境内皇甫川两岸的裸砒砂岩治理效果显著, 只有零星分布。
耕地面积也快速增长,其空间位置的变化主要是以河道和水域为依托向四周扩张, 其中以流域北部的灌丛和
草地、南部的裸砒砂岩和灌丛、东南部的灌丛的转化最为明显。林地变化幅度不大, 流域中西部的整片林地的
面积略有减小, 而在东北部地区将有小片林地出现。1987年在流域北部、沙圪堵附近和东南部有 3片沙地成
片分布,到 2000年北部和沙圪堵附近的沙地面积骤减, 东南部的沙地则大部被治理成草地。灌丛在 1987年
主要分布在流域东南部, 在 2000年已经向中西部和西北部得到了大面积的扩展。另外,城镇用地和水体的面
积在原有格局的基础上也稍有增减。
图 1 皇甫川流域土壤侵蚀计算流程图
Fig. 1 Flow chart of soil erosion computation inHuangfuchuan Watershed
从1987年到 2000年,流域土地利用数量发生了显著的变化(表 2和表 3)。灌丛、耕地、林地和城镇用地
比例均有不同程度的增长, 分别由 1987 年的 25188%、5196%、3154%和 0103%增加到 2000 年的 34123%、
11109%、6180%和 0109%。其中,城镇用地面积扩大幅度最为剧烈,相比 1987年增长了2倍多;而灌丛的增加
幅度虽然只为32127%, 但其绝对增加的面积却是最大的, 达到了270157km2。在此期间, 由于流域人口增长了
1613%, 直接导致了耕地的猛增, 耕地面积增加了166133km2 ,到 2000年占据了流域总面积的 11109% ;与此同
时,城市化进程和经济发展也推动了城镇用地的剧烈扩张。草地由 1987年的 35160% 减少到 2000 年的
27108%,缩减幅度虽然只为 23195% ,但由于其面积占绝对优势, 因而极大地影响到了流域的生态环境, 究其
原因则是强烈的人类不合理的土地利用方式大面积地破坏草地, 进而使之转化为沙地或者使得砒砂岩裸露。
水体由1987年的 8107%减至 2000年的 2187%,缩减幅度为 64146%,共减少了 168163km2 ,这种现象对流域的
植被恢复以及农业生产等都极为不利, 可以预计愈发严重的人-水、畜-水矛盾将成为阻碍当地经济发展、社会
安定和生态恢复的瓶颈性因素。
19516期 喻锋 等:皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价
表 2 1987~ 2000年皇甫川流域土地利用变化情况表
Table 2 Land use changes during 1987~ 2000 in Huangfuchuan Watershed
土地利用类型
Land use type
1987 2000
面积(km2 )
Area
比例( % )
Proportion
面积( km2)
Area
比例( % )
Proport ion
$1987~ 2000
( km2)
$1987~ 2000
( % )
林地 Woodland 114167 3154 220117 6180 105150 92100
灌丛 Shrub 838145 25188 1109102 34123 270157 32127
草地 Grassland 1153146 35160 877126 27108 - 276120 - 23195
耕地 Cropland 192195 5196 359128 11109 166133 86120
沙地 Sand 193197 5199 135102 4117 - 58195 - 30139
裸砒砂岩 Soft rock 483197 14194 443146 13169 - 40151 - 8137
城镇用地 Urbanland 0193 0103 2182 0109 1189 203123
水体 Water 261160 8107 92197 2187 - 168163 - 64146
表 3 1987~ 2000年皇甫川流域土地利用变化的转移矩阵
Table 3 Matrix of land use changes during 1987~ 2000 in Huangfuchuan Watershed( km2)
1987
2000
林地
Woodland
灌丛
Shrub
草地
Grassland
耕地
Cropland
沙地
Sand
裸砒砂岩
Soft rock
城镇用地
Urbanland
水体
Water
林地 Woodland 5011541 3011773 1510048 715930 111582 915742 010018 110050
灌丛 Shrub 6217938 41711865 10611237 15112924 4111793 4915538 110339 912858
草地 Grassland 4410880 36711758 51115268 5610697 4816398 10019220 011298 2419062
耕地 Cropland 1411846 8115158 1616561 6115418 314711 1214702 011010 310078
沙地 Sand 512315 4110459 10014145 617295 3611524 317740 012740 013497
裸砒砂岩 Soft rock 3219634 9413367 7911849 4719692 115332 21912302 011271 816233
城镇用地 Urbanland 010000 010072 010126 010009 010000 010081 019050 010000
水体 Water 1017568 7715778 4813351 2810817 218861 4719241 012470 4517924
从土地利用各类型相互转化来看,城镇用地主要是由水体、灌丛和沙地转变而来, 其中灌丛被占用最多,
而对耕地的占用相对较少,说明当地重视耕地保护的同时却把城镇用地的需求转移到灌丛和水体等上面;林
地面积增加 105150km2 , 灌丛对其贡献最大, 其次是草地和裸砒砂岩, 反映了 20世纪 80年代以来小流域综合
治理大力发展林果业的成果, 其中草地和灌丛上主要栽种经济林,裸砒砂岩则以生态林为主; 沙地的治理效果
也非常明显,其中有近100142km2的沙地被治理成了草地, 而对裸砒砂岩的治理基本上灌、草措施为主, 同时
加强耕作措施的维护。
312 土壤侵蚀评价
表 4 1987年和 2000年皇甫川流域土壤侵蚀等级面积统计表
Table 4 Proportions of soil erosion classes in 1987 and 2000 in Huangfu-
chuan Watershed
侵蚀等级
Erosion class
1987 2000
面积( km2)
Area
比例( % )
Proport ion
面积( km2 )
Area
比例( %)
Proport ion
微度侵蚀
Weak erosion
1066128 32191 1546113 47172
轻度侵蚀
Slight erosion
558190 17125 704170 21175
中度侵蚀
Moderate erosion
520102 16105 348195 10177
强度侵蚀
Intensive erosion
301100 9129 98117 3103
极强度侵蚀
Very intensive erosion
246156 7161 71160 2121
剧烈侵蚀
Severe erosion
547124 16189 469180 14150
31211 不同土地利用格局下土壤侵蚀变化 图 3给
出了 2000年流域USLE中各侵蚀因子的空间分布,将
各因子代入 USLE 方程连乘, 继而得到基于栅格的流
域土壤侵蚀模数图( 1987年土壤侵蚀模拟过程同上)。
结果显示, 流域 1987年和 2000年的土壤侵蚀模数分
别为 16160172tPkm2 和 13943132tPkm2。在此基础上,
根据水利部颁布的5( SLl90-96)土壤侵蚀分类分级标
准6[ 16] 进行土壤侵蚀强度的划分, 得到流域的土壤侵
蚀强度图(图4) ,并统计了不同时期流域各土壤侵蚀
等级的面积(表 4)。
从图 4和表 6可以看出, 从 1987年到 2000年,微
度侵蚀和轻度侵蚀的面积分别由 1066128km2 和
558190km2 增加到了1546113km2 和 704170km2 ,其中微度侵蚀的增长幅度达到 14181%; 中度侵蚀一直到剧烈
侵蚀的面积都呈减少趋势,其中除剧烈侵蚀外其余侵蚀等级的缩减比例都在 5%以上; 从空间上看,流域南部
地区极强度侵蚀和剧烈侵蚀的面积显著减少,显示了当地水土流失综合治理的良好成效。究其原因, 则是由
1952 生 态 学 报 26卷
19536期 喻锋 等:皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价
于随着皇甫川流域一期及二期一阶段水土流失重点治理的开展, 以林地、灌丛措施为主的植被恢复取得了良
好的效果, 土地利用格局变化剧烈, 其中林地、灌丛所占比例大幅度上升而裸砒砂岩和沙地面积减少, 同时耕
地的开垦和耕作也注重了水土保持措施的加强,使得自上而下系统完善的综合措施防护体系水土保持功能显
著,从而使整个流域的年土壤侵蚀模数相比 1987年减少了近 2220tPkm2。但是也应看到, 2000年土壤侵蚀模
数仍远高于流域的土壤允许侵蚀临界值(即 3700~ 6300tPkm2 ) [ 11,12] , 在今后较长的时间内, 流域的土壤侵蚀仍
将维持在较高的水平上, 其对生态安全的威胁不可小视。
31212 不同土地利用类型的土壤侵蚀变化 从流域不同土地利用类型的年平均土壤侵蚀模数来看(表 5) ,
2000年沙地的侵蚀模数比 1987年增加了近 3892tPkm2 , 其余类型则呈现下降趋似, 其中裸砒砂岩减少了近
3500tPkm2 , 其次为灌丛和林地, 分别比 1987年减少了 640199tPkm2 和 444199tPkm2 , 草地则减少了 397196tPkm2。
此外,在 6种不同土地利用类型之间,同一年份内土壤侵蚀模数的大小顺序基本保持为裸砒砂岩> 沙地> 耕
地> 草地> 林地> 灌丛, 表明林地、灌丛措施是流域植被恢复和减少土壤侵蚀的首选,草地减小土壤侵蚀的效
果也比较明显, 而沙地尤其是分布面积较广的裸砒砂岩则是土壤侵蚀综合治理的难题和关键。
表 5 1987年和 2000年皇甫川流域不同土地利用类型的土壤侵蚀模数
Table 5 Modulus of soil erosion of different land use types in 1987 and 2000 in Huangfuchuan Watershed( tPkm2 )
年份 Year 林地 Woodland 灌丛 Shrub 草地 Grassland 耕地Cropland 沙地 Sand 裸砒砂岩 Soft rock
1987 2441140 2217143 3092154 3125136 29178160 81677153
2000 1996141 1576144 2694158 2874186 33070108 78179174
表6给出了 1987年和 2000年流域各土地利用类型中各侵蚀等级面积分布的统计情况。从中可以看出,
对于林地、灌丛、草地和耕地 4种类型,从面积分配上看主要处于微度侵蚀到中度侵蚀的水平; 而沙地和裸砒
砂岩则相反,其大部分均处于极强度侵蚀和剧烈侵蚀的状况, 是控制流域整体土壤侵蚀状况的关键类型。从
变化趋势上看, 林地、灌丛、草地和耕地在此 3a间对应的微度侵蚀面积均呈明显的增长趋势,灌丛增加最大,
其次为草地和耕地, 林地最小, 其中灌丛 2000年的微度侵蚀面积比 1987年增加了 272173km2 , 占据了流域总
面积的近三分之一; 林地、灌丛和草地的轻度侵蚀面积的变化趋势是先增大、后减小,而耕地与此相反;对于中
度侵蚀到剧烈侵蚀面积的变化,除林地的剧烈侵蚀面积在 2000年稍有反弹外,林地、灌丛、草地和耕地都基本
上保持逐年减少的态势, 由于这4种土地利用类型在上述 4种侵蚀等级上所占的面积比例不大,因而对土壤
侵蚀的影响并不明显。此外,沙地和裸砒砂岩在中度侵蚀一直到剧烈侵蚀上的面积都保持递减趋势, 其中剧
烈侵蚀面积分别从 1987年的92160km2 和 414168km2减少到 2000年的 69162km2 和382138km2。上述分析结果
表明,随着侵蚀强度的增加,林地、灌丛、草地和耕地的侵蚀面积在逐渐减少,而沙地和裸砒砂岩的侵蚀面积在
逐渐增加,说明长期以来皇甫川流域按当地土壤侵蚀特点进行分类型区的综合水保防治取得了良好的成效。
表 6 1987年和 2000年皇甫川流域不同土地利用类型下各侵蚀等级的面积分布表
Table 6 Areal distribution of soil erosion classes of different land use types in 1987 and 2000 in Huangfuchuan Watershed ( km2 )
侵蚀等级
Erosion classes
林地 Woodland 灌丛 Shrub 草地 Grassland 耕地 Cropland 沙地 Sand 裸砒砂岩 Soft rock
1987 2000 1987 2000 1987 2000 1987 2000 1987 2000 1987 2000
微度侵蚀 Weak erosion 34140 133183 380134 653107 275149 378178 90105 268130 14161 9101 8172 7138
轻度侵蚀 Slight erosion 35161 60150 211195 310139 251190 252183 33171 61180 17156 11178 8112 7156
中度侵蚀 Moderate erosion 31124 19105 148130 113116 278147 172123 29118 20167 21150 13190 11148 10111
强度侵蚀 Intensive erosion 9197 3131 61158 18195 183180 51101 17143 4129 18101 11144 10128 9125
极强度侵蚀 Very intensive erosion 2174 2108 30178 6156 137146 15163 15125 1142 29170 19128 30170 26178
剧烈侵蚀 Severe erosion 0170 1140 5150 6189 26134 6178 7133 2179 92160 69162 414168 382138
31213 土壤侵蚀/ 3S0模拟的精度评价 由于研究区水文数据的限制, 选取皇甫川流域的子流域 ) ) ) 长川流
域(流域面积为 523177 km2 )来检验基于/ 3S0技术的土壤侵蚀模拟的精度。在长滩水文站(位于流域出口)
1987年汛期逐日平均悬移质输沙率数据(表7)的基础上,统计得到长川流域当年的年输沙量为 2181 @ 106t,又
1954 生 态 学 报 26卷
根据黄土高原地区土壤侵蚀的特点(即坡面土壤侵蚀产沙的输移比约为1) ,可计算出长川流域 1987年土壤侵
蚀模数的实测值为 5364195tPkm2 ;而长川流域 1987年土壤侵蚀模数的模拟值则通过利用该流域边界对皇甫川
流域土壤侵蚀模数图进行切割来获取,其值为 6923101tPkm2。比较 1987年长川流域土壤侵蚀的实测值和模拟
值可以看出,本文采用的土壤侵蚀/ 3S0模拟方法的精度达到了 70196%。
表 7 长川流域长滩水文站 1987年汛期逐日平均悬移质输沙率( kgPs)
Table 7 Daily average suspended sediment transport rate during the flood season in 1987 in Changtan Hydrological Station of Changchuan Watershed
( kgPs)
日
Day
月 Month
6 7 8 9
日
Day
月 Month
6 7 8 9
日
Day
月 Month
6 7 8 9
1 0 1950 0 0 12 0 1156 628 0 22 2137 01018 0 0
2 0 9610 188 0 13 0 0114 6360 0 23 2112 0 379 0
3 0 2211 3616 5215 14 2510 1220 4012 0 24 0116 0 866 0
4 139 2415 0150 1011 15 7580 166 169 0 25 0127 0 4186 0
5 1170 2140 0113 0146 16 4610 1193 2313 0 26 0130 0 1910 0
6 2105 01072 0126 0139 17 3470 0 1111 0 27 01042 0 2191 0
7 0140 01014 0114 01082 18 8818 0 2161 0 28 01013 0 0112 0
8 0111 0 01021 01017 19 1161 511 1181 0 29 0 0 0104 0
9 0112 2611 0 0 20 0115 102 0124 0 30 0 0 01003 0
10 0 2270 0 0 21 0110 0198 0 0 31 0 0 0 0
11 0 244 0 0
4 结论
( 1)土地利用变化是导致流域土壤侵蚀变化、乃至影响区域生态安全的重要因素, 通过对模拟和预测的土
地利用变化进行定量的土壤侵蚀评价, 可以为土地资源利用和管理、水土保持综合治理提供决策依据。本文
在/ 3S0技术的支持下, 揭示了皇甫川流域近十多年来土地利用格局的变化,同时又采用通用土壤侵蚀模型对
不同土地利用格局下的土壤侵蚀变化进行了定量评价( 1987年流域土壤侵蚀模拟精度达到 70196%) ,完善了
土地利用变化的土壤侵蚀评价技术体系,具有广阔的应用前景。
( 2)从 1987年到 2000年,皇甫川流域土地利用变化的总体态势是:城镇用地、林地、耕地和灌丛的面积逐
渐增加,其增加速率依次减小;水体、草地、沙地和裸砒砂岩面积逐渐减小, 其中水体缩减的幅度最大。表明近
十几年来,流域土地利用格局持续承受着来自当地快速城市化进程及社会经济发展和生态环境保护及建设两
方面、相互矛盾的巨大压力,水体的大幅度缩减则是制约两者的瓶颈性因素。
( 3)在皇甫川流域 6种不同土地利用类型之间,同一年份内土壤侵蚀模数的大小顺序基本保持为裸砒砂
岩> 沙地> 耕地> 草地> 林地> 灌丛, 表明林地、灌丛措施是皇甫川流域植被恢复和减少土壤侵蚀的首选措
施,草地限制土壤侵蚀的效果也比较明显,而沙地尤其是分布面积较广的裸砒砂岩则是土壤侵蚀综合治理的
难题和关键。
( 4)流域土壤侵蚀与土地利用格局有密切的联系:从 1987年到 2000年, 随着土地利用格局中林地和灌丛
面积的增加、裸砒砂岩和沙地面积的逐步减少, 流域年土壤侵蚀模数从 16160172tPkm2 减少到 13943132tPkm2 ,
水土流式综合治理效果显著。但由于裸砒砂岩和沙地的面积仍在整个流域占有相当的比例以及耕地剧增等
因素, 此模数仍明显高于流域土壤允许侵蚀的临界值,生态环境仍然处于不安全状态。因此, 为确保生态安
全,必须对未来土地利用格局进行优化。
5 讨论
( 1)在土壤侵蚀的模拟过程中,由于缺乏相关数据和野外实验的支持,某些参数的选取采用了前人在黄土
高原其它地区的研究成果,虽然其对最终的模拟结果不会产生大的偏差,但精度仍有待提高。
( 2)皇甫川流域年土壤侵蚀模数虽然逐渐下降,但仍明显高于流域土壤允许侵蚀的临界值, 因而有必要继
续进行土地利用优化格局研究或生态安全条件下的土地利用格局研究, 以实现流域社会、经济和生态的可持
续发展。从减少土壤侵蚀的角度考虑, 流域土地利用格局调整方向的应为大力增加灌丛和林地比例并减少裸
砒砂岩和沙地的面积,保持和扩大水体面积, 并针对不同土地利用类型的土壤侵蚀状况在空间上对林、灌、草
19556期 喻锋 等:皇甫川流域土地利用变化与土壤侵蚀评价
进行合理配置。此外,应积极推行和落实国家的/退耕还林、退耕还草0政策,大力增加林、灌比例, 适当增加草
地面积并对其进行人工改良, 同时在大力发展基本农田的前提下缩减耕地、加强耕地的水保措施及提高单产,
以确保流域的生态安全。
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