水蚀流域土地覆被格局土壤保持能力空间分布式评价

刘宇

(中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室，100101，北京)

土地覆被是土壤侵蚀的主要影响因素。改变土地覆被的空间格局是调控流域土壤侵蚀的重要方式［1］。在点尺度上，地表覆被通过调节降雨侵蚀力［2］、改善土壤抗蚀性控制立地侵蚀响应［3］、地表覆被的质量(如覆盖度，尤其是贴近地表的覆盖度、根系密度等)主导着对降雨的侵蚀响应［4］。在坡面到流域尺度上，地表覆被空间格局成为控制因素之一［5］。实验研究表明，空间格局迥异、同等面积和质量的土地覆被在降低产流、产沙的能力上呈显著的差别［6］。基于土地覆被格局的土壤侵蚀防治的意义在于，通过对土地覆被格局的定量分析，可比较不同土地覆被格局的土壤保持能力，为针对土壤侵蚀防治的土地覆被格局设计提供参考。对此，不少研究引入景观生态学的格局分析方法，评价土地覆被格局的土壤保持或土壤侵蚀功能［7-8］，为格局-过程框架下的土壤侵蚀研究拓展了新的途径。景观格局指数是格局分析的主要工具。这些指数虽然在土地覆被格局与土壤侵蚀的相互作用中得到大量应用，但其局限性却并未得到深刻的认识［8］。景观生态学中大部分的景观格局指数是针对生物过程发展起来的，且以集总式为主，即从总体上利用统计指标刻画景观格局。利用集总式的指标评价土地覆被对流域土壤侵蚀的影响难以从机制上解释土地覆被格局变化的土壤侵蚀效应，对侵蚀的主要驱动因子及其贡献率判定较难。基于土壤侵蚀过程机制，发展分布式指标描述土地覆被的土壤保持效应有助于深刻、正确认识土地覆被格局与流域土壤保持功能的关系。笔者基于土地覆被对土壤侵蚀的驱动力、阻力的调节作用，提出融合土地覆被格局的指标，在流域尺度上评价土地覆被格局的土壤保持能力。

1 研究区概况

研究区为汉江上游，包括丹江口水库以上的汉江流域。该区地处秦岭南坡、大巴山北麓，位于我国地形第二阶梯和第二、第三阶梯过渡带。地质构造复杂，片麻岩、砂页岩、石灰岩为主要岩石类型。海拔介于143～2 000 m之间。汉中、安康盆地和丹江口水库呈东西横贯流域中部。集水区总面积9.54万km2，85%以上为山地。汉江上游位于我国南北气候分界线上，属北亚热带季风气候区，四季分明，雨热同期。受地形起伏控制，山地垂直地带性明显。土壤类型有黄褐土、黄棕壤、棕壤、暗棕壤、山地草甸土，以黄棕壤为主，砾石含量高，蓄水能力低，土层薄。该区是我国生物多样性较高的区域。植被以阔叶林和针阔混交林为主，壳斗科乔木为主的天然次生林和以马尾松(Pinus massoniana)、黄松(Pinus ponderosa)为主的人工林是主要的森林类型，部分地区分布有原始林。森林主要分布于南北山区。中部低山丘陵区以天然草地、人工林为主要植被类型，是主要的耕地集中区和人口分布区。2011年植被覆盖度平均为72%。研究区植被覆盖度较高的区域位于除少数高山地带外的山区(图1)。汉中盆地、安康、商洛谷地以及丹江口水库等沿江、沿湖区域植被覆盖度较低。研究区多年平均气温13.7℃，多年平均降水量873 mm。降水年内分布不均，5—10月降水量占年降水量的80%。多年平均蒸发量854 mm，≥10℃积温4 174℃，年均日照时间1 717 h。

2 研究方法

2.1 土壤保持能力评价方法

为便于讨论植被覆盖格局的土壤保持能力，提出下列假设条件:地形不变;土壤抗侵蚀能力空间上均一;降水不存在空间异质性;唯一的改变是植被覆盖，包括空间格局、质量(覆盖度)。基于上述假设，提出下列2个指标评价土地覆被格局的土壤保持能力。

1)有效汇流面积空间分布型式。降雨驱动的土壤侵蚀包括雨滴溅蚀和径流冲刷侵蚀。流域内任一点的有效汇流面积本质上指示了该点受到上游产生径流的作用强度，即径流冲刷侵蚀能力。流域内某一点的有效汇流面积取决于上坡汇水区内各位置的坡度、植被覆盖状况、土壤水文属性以及降雨等因素。坡度大的位置更容易产生径流;植被覆盖通过截留消耗掉部分降雨，可调节降雨动能，同时可作为物理阻碍调节地表径流速度，增加水分入渗，是表征植被覆盖水文功能的有效指标，与产流和侵蚀大致成负指数关系［9］;土壤是水文属性调节产汇流过程的主要因素之一，土壤蓄水、入渗能力直接影响单位面积的产流能力;降雨量越大，强度越大，越容易产流。因此，对某一地表位置，结合L.Borselli等［10］和J.A.Ludwig等［11］的研究成果，有效汇流面积可表示为

图1 汉江上游2011年各子流域平均植被覆盖度Fig.1 Average subasin vegetation coverage of the upper Han River basin in 2011

式中:Ac为流域内某一点的有效汇流面积，hm2;n为汇流区域内单元总数;Si为汇水区内单元i地面坡度，(°);C为植被覆盖因子，量纲为1;R为降雨量，mm;H为土壤水文属性;Pd为栅格边长，m。有效汇流面积可作为比较立地侵蚀发生风险的指标。为便于探讨定量土地覆被格局的土壤保持能力，假设研究区内降雨、土壤水文属性不存在空间异质性，则式(1)可改为

利用式(2)可得到流域内每个位置的有效汇流面积指标。对给定的位置，有效汇流面积越大，则意味着该位置侵蚀的强度越高。植被覆盖有利于增加入渗，降低径流速度，降低有效汇流面积。通过改变上坡的土地覆被格局，可减小有效汇流面积，从而降低侵蚀强度［12］。通常，从下游向上游，各位置的有效汇流面积逐渐递减。从土壤保持的角度，最佳的流域土地覆被格局应当满足2点:使每个位置的有效汇水面积尽可能小，以最小化点上的侵蚀;使有效汇流面积从下游到上游的递减速度最快，从而达到在流域尺度上侵蚀最小。为此，利用有效汇流面积随下坡汇流路径长度的分布曲线(图2)，以无植被覆盖时的有效汇流面积(最坏情景)为参照，刻画给定土地覆被格局下的有效汇流面积的空间分布型式，进而定量评价给定土地覆被情景的土壤保持能力。

图2 有效汇流面积沿汇流路径的分布型式Fig.2 Illustration of distribution of effective catchment area along flow path

在流域尺度上，有效汇流面积与到出口(或河道)的汇流路径长度呈负指数关系(y=ae-bx)。如图2所示，曲线Reference(虚线)、LC(实线)分别为参考土地覆被格局情景和当前土地覆被格局下的有效汇流面积沿下坡方向汇流路径长度的累积分布，参数a和b控制着曲线的形态。通过比较2条曲线的拟合函数，可量化给定土地覆被格局的土壤保持能力。设参考土地覆被格局情景下参数a、b取值分别为a0、b0，某一给定土地覆被格局下为 a1、b1，则2条曲线偏离程度，即该土地覆被格局对流域有效汇流面积的降低程度可表示为式(3)，以此式可判断土地覆被格局的土壤保持效应。

式中，0＜R≤1。高值对应较低的土壤保持能力，低值则表明土壤保持能力强。

2)驱动力—阻力空间耦合型式。对流域中某一点，上坡有效汇流面积表征了流域内任一点土壤侵蚀和泥沙输出驱动力的大小。此外，土壤侵蚀的发生还取决于该点由地形、土壤属性和土地覆被共同决定的阻力的大小。将驱动力与阻力相结合可有效表达土地覆被抑制土壤侵蚀的作用。除土壤抗蚀性、降雨特征外，土壤侵蚀阻力主要受控于坡度［13］、植被覆盖度因素;因此，从定量静态的景观格局反映土壤保持功能的角度，可将植被覆盖fc/%与坡度S/(°)作为侵蚀阻力参数构建侵蚀阻力指标r(量纲为1)。

式中k为植被覆盖度与土壤侵蚀量拟合曲线的形态控制参数，可通过实验数据推算，与区域土壤抗蚀性等属性有关［11］。

驱动力与阻力的对比决定土壤侵蚀强度E/(t/hm2)，因此，上坡有效汇流面积Ac与阻力指标r的比值I(量纲为1)可作为点上侵蚀强度的表征，即E∝I。

在流域尺度上，可通过比较给定土地覆盖情景与参照覆盖条件下(如无植被覆盖或最大植被覆盖)I与到出口汇流路径长度的关系曲线评价其土壤保持能力。I与到出口(例如河道)的汇流路径长度呈类似于有效汇流面积与汇流路径长度之间的负指数关系。某一土地覆被格局下，I与汇流路径长度的拟合曲线相对于参考曲线的偏离程度同样可利用指数R表示。

2.2 数据来源与处理

研究区植被覆盖度来自2011年国产环境减灾卫星(HJ1-A/B)30 m分辨率数据。地形数据为分辨率30 m的ASTER GDEM，源自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台(http:∥datamirror.csdb.cn)。子流域提取、汇流路径长度在ArcGIS9.0水文分析模块下提取。有效汇流面积根据式(2)利用ArcGIS9.0汇流面积计算工具求取。侵蚀阻力指标则通过ArcGIS9.0栅格代数运算获得。各子流域曲线拟合和参数提取利用Matlab7.0编程完成。泥沙数据评价指数来自研究区内武侯镇等14个汉江支流水文站。

3 结果与分析

3.1 有效汇流面积空间分布

图3为汉江上游全区有效汇流面积沿水流路径的分布。可以看出，对整个研究区，参考情景(无植被覆盖情景)(图3(a))和现实情景(当前植被覆盖情景)(图3(b))有效汇流面积与汇流路径长度都呈显著的负指数关系，即有效汇流面积随至河道汇流路径长度的增加而递减。基于参考情景和现实情景有效汇流面积沿空间分布的曲线拟合函数，由式(3)计算得出汉江上游全区的R值(记为RA)为0.147。表明当前情景具有较好的土壤保持能力。

图3 汉江上游参考情景和现实情景有效汇流面积的空间分布Fig.3 Distribution of value I of reference and actual scenario in the upper Han River basin

在划分子流域的基础上，根据式(2)计算每个子流域参考情景和现实情景有效汇流面积，进而获得与至河道汇流路径长度的拟合曲线。根据式(3)计算每个子流域的RA值(图4)，可以看出，RA值较大的子流域主要分布在汉中盆地、安康、商洛谷地和流域东部丹江口水库周边。这些区域虽然地形相对和缓，但因是流域内城镇密集区和农田的主要分布区，植被覆盖度较低，土地覆被格局土壤保持能力相对较低。

图4 汉江上游子流域RA值Fig.4 RAvalue for sub-basins in upper Han River basin

3.2 驱动-阻力耦合格局

有效汇流面积与至河道汇流路径长度的关系曲线反映了立地侵蚀驱动力空间格局。将驱动力与立地阻力相结合，可反映泥沙输出风险。根据式(4)和(5)，获得整个汉江上游的I值(图5)及各子流域相应的R值(记为RI)(图6)。由图5可知，对整个研究区，I值随至河道汇流路径长度的增加呈负指数型式递减，RI约等于0.047，表明植被覆盖从整体上大幅度降低了立地泥沙输出风险。与子流域RA值分布类似，RI高值区大多位于植被覆盖度较低的河谷盆地和东部丹江口水库周边子流域。这些子流域虽然平均坡度较小，但较低的植被覆盖度增大了上游有效汇流面积，同时形成了较低的立地侵蚀阻力，因此RI值较高。RI值的空间分布格局表明，研究区内干流沿岸河谷盆地和水库周边区域是泥沙的主要直接来源。结果表明，随着至河道汇流路径长度的缩短，立地有效汇流面积增加，增强了泥沙输出的驱动力。一般而言，对子流域内任一点，距离河道越近，通常具有较大的泥沙输出风险。F.Rey等［14］对坡面植被分布拦截泥沙效果的研究表明，分布于坡底的少量高密度植被足以拦截绝大部分上坡产生的泥沙;因此，靠近河道的坡底植被恢复和保育是减少河流泥沙输入的重要措施。

图5 汉江上游参考情景和现实情景I值与汇流路径长度的回归关系Fig.5 Regression between I and flow path length for reference and actual scenario in the upper Han River basin

3.3 指标有效性检验

土地覆被格局是流域侵蚀产沙的控制因素之一［15］。描述土地覆被格局土壤保持能力的合适指标应与流域泥沙输出存在确定性的关系。为此，利用研究区武侯镇等14个水文站泥沙数据，通过回归分析，检验RA和RI指示流域土地覆被格局土壤保持能力的有效性。如图7所示，RA、RI都与流域年输沙量呈显著的指数回归关系(P＜0.05)，表明RA、RI能有效指示流域土地覆被格局的土壤保持能力。

图6 汉江上游子流域RI值Fig.6 RIvalue of sub-basins in upper Han River basin

图7 水文站年输沙量与流域RA、RI回归关系Fig.7 Regression relationship between sediment yield and RAand RI

4 结论与讨论

1)由于较低的植被覆盖导致较大的上游有效汇流面积，同时形成了较低的立地侵蚀阻力，汉江上游流域干流沿岸河谷盆地和水库周边区域土地覆被格局土壤保持能力较低，是河流泥沙的主要直接来源。这些区域的植被恢复和保育是减少河流泥沙输入的重要措施

2)定量有效汇流面积空间分布型式和驱动-阻力空间耦合型式的指标RA、RI与河流泥沙量呈显著回归关系，适合于从定量描述空间格局的角度指示流域尺度土地覆被土壤的保持能力。

在具体的算法上，上述方法还存在着不足之处。在累积汇流面积计算中，水流方向采用了单流向算法。受限于累积汇流算法，曲线拟合函数对山区子流域的表达较好。对地势平缓的子流域尤其是水流方向发散的流域表达不足。本文研究区地形起伏大，以负指数函数对有效汇流面积沿水流路径长度的分布曲线拟合总体较好。在地势和缓、水流发散的区域应用该方法时应考虑采用多流向算法。

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