榆林地区水土流失敏感性时空特征

李团胜，史小惠，康欢欢，石玉琼，闫　颖

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安　710054;2.山西农业大学 林学院， 山西 太谷　030801)



·环境科学·

榆林地区水土流失敏感性时空特征

李团胜1，史小惠1，康欢欢1，石玉琼2，闫颖1

(1.长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安710054;2.山西农业大学 林学院， 山西 太谷030801)

用10km×10km的网格,把榆林地区划分为527个单元样地,采用加权和法,计算每个单元的水土流失敏感性指数,并在Arcgis中进行Kriging空间插值,分析水土流失敏感性时空特征。结果表明：全区无不敏感级别。2000年中度敏感区面积占全榆林面积的31.33%。高度敏感区面积占51.808%。极度敏感区占16.862%。2005年中度敏感区面积占35.876%。高度敏感区面积占48.153%。极度敏感区占15.971%。2010年轻度敏感区占0.229%。中度敏感区面积占28.047%。高度敏感区面积占44.176%。极度敏感区面积占27.548%。总体来说,东部水土流失敏感性较高，西部敏感性较低。从2000年到2010年,中度敏感性和高度敏感性面积减少了,而极度敏感性面积增加了。

水土流失;敏感性;土地覆盖;地形起伏;土壤质地;榆林

生态敏感性是在现有自然环境背景下, 人类活动干扰和自然环境变化导致发生区域生态或环境问题的难易程度及其可能性大小[1],早在1980年,Suffling就提出了从生态敏感到生态扰动的指标[2],之后,Horne研究了澳大利亚雨林对选择性伐木的生态敏感性[3],Rodriguez研究了大陆架生态敏感性[4],近年来,Renetzeder研究了奥地利农业景观生境对气候变化的敏感性[5],Thomas以热带地区为例研究了景观对快速的环境变化的敏感性[6]。国内的研究也逐步增多,取得了一系列成果。目前对生态敏感性的研究主要集中在对单一环境要素的研究,如酸沉降、盐渍化、沙漠化、土壤侵蚀等,并呈现出从单一生态敏感性因子研究向综合敏感性研究发展的趋势[7]。多数单要素研究是研究水土流失或土壤侵蚀敏感性的,而且研究集中在黄土高原[8-10]、东北地区[11-13]以及西南石质山区[14-18],另外还有针对整个国家[19]、 西藏[20]、鄂尔多斯[21]、桐柏山——大别山区[22]、海南[23]的研究。水土流失是受多种因素影响的,有的因素和人类活动密切相关,如土地利用结构、水土保持措施等,还有一些因素,如气候、地形等属于自然因素,虽然也受人为活动影响,但主要受制于自然因素。从目前的研究来看,大多数研究是按照国家环境保护部的《生态功能区划技术暂行规程》中的生态系统敏感性评价方法进行的,也有按照水土流失通用方程进行评价的,研究方法很不统一。榆林地区位于黄土高原和毛乌素沙漠的交接地带,生态环境脆弱,水土流失严重,大体以长城为界,西北部是属于毛乌素沙漠的风沙滩地区,东南部是属于黄土高原的黄土丘陵沟壑区,本文基于GIS,利用加权和法,分析了榆林地区水土流失敏感性的时空特征。

1　研究区域概况

榆林地区位于陕西省最北部,东经107°15′到111°15′, 北纬36°57′到39°35′之间, 总面积43 578 km2。地貌上可分为两大单元,即位于毛乌素沙漠南缘的风沙滩地区和黄土丘陵沟壑区,二者大体以长城为界,毛乌素沙漠南缘的风沙滩地区属鄂尔多斯高原的一部分,黄土丘陵沟壑区属黄土高原的一部分。榆林气候属温带半干旱大陆性季风气候,四季分明,年平均气温10℃,年平均降水量400 mm左右,年内降水量多集中于6-9月份。榆林地区是陕西省唯一包括外流河和内陆河流域的地市级区域。外流河全部属于黄河水系,内陆河分布在神木、定边县北部的沙漠闭流区。榆林主要土类有风沙土、黄绵土、新积土、灰钙土、栗钙土、黑垆土、盐土等。地带性植被为干草原和森林草原。主要植被有森林、干草原、灌丛、草甸、沙生植被、盐生植被等。榆林矿产资源极其丰富,有煤、天然气、石油、盐等,目前为陕北能源化工基地的核心区域,榆林辖1区11县。

2　研究方法

在2000年、2005年和2010年遥感影像解译得到的3期土地覆盖图的基础上,把研究区域用10km×10km的网格进行划分,共分为527块单元样地,计算每块样地的水土流失敏感性指数,然后在ArcGIS中用Kriging插值法进行空间插值,得到榆林地区水土流失敏感性指数图,在进行水土流失敏感性评价时,考虑土壤质地、地形起伏以及土地覆盖3个因子,由于缺乏降水量资料,同时土地覆盖本身间接地反映了降水量的大小,因而没有考虑降水因素。首先把土壤质地、地形起伏以及土地覆盖3个因子进行敏感性分级,各分为不敏感(1)、轻度敏感(2)、中度敏感(3)、高度敏感(4)和极度敏感(5)共5级(表1),然后计算每一样地内每一因子的敏感性指数,其计算公式如下：

(1)

式中,sij为第j块样地水土流失某一因子i的敏感性指数,sij值大表明敏感性高;cijk为j块样地内第k级所占面积的比例,wik为因子i第k级的权重,不敏感的权重为0.05,轻度敏感的权重为0.1,中度敏感的权重为0.2,高度敏感的权重为0.25,极敏感的权重为0.4。按照上述公式分别计算出土壤质地、植被、地形起伏度等3个单因子敏感性指数。其中地形起伏敏感性指数的计算是根据榆林地区DEM数据,以5 km×5 km移动窗口为标准,获取得到地形起伏度,并参考文献[12]中的划分指标划分为5个等级,按照等级权重指数计算得出527块样地的地形起伏度敏感性指数。

表1　榆林地区土壤质地、地形起伏和土地覆盖敏感性分级标准

再计算每一样地内水土流失敏感性指数,其公式如下:

(2)

式中:xj为第j块样地水土流失敏感性指数,xj值大表明敏感性高;sij为j块样地i因子敏感性指数,wi为i因子的权重,其中地形起伏度因子的权重为0.4,土壤质地因子的权重为0.2,土地覆盖因子的权重为0.4。

在作水土流失敏感性指数插值图时先采用自然断点法,把敏感性指数分为10级作图,以显示敏感性指数的空间分布,然后根据计算结果,结合该研究区实际,把敏感性分为5级，以反映敏感性相对大小。敏感性指数小于0.1为不敏感,[0.1～0.2)为轻度敏感,[0.2～0.24)为中度敏感,[0.24～0.28)为高度敏感,敏感性指数等于大于0.28为极度敏感。

3　结果与分析

2000年,榆林地区水土流失敏感性指数在0.186 3～0.323之间(图1a),东南部及东北部地区敏感性指数较高,西部及中部地区敏感性指数较低。子洲县、清涧县、绥德县、米脂县和吴堡县,其敏感性指数在0.220 7～0.312 8之间;神木县的高家堡镇、栏杆堡镇、大柳塔镇等,其敏感性指数在0.238 3～0.319 6之间;府谷县的大昌汗、老高川等,其敏感性指数在0.262～0.295之间。其余地区敏感性指数较低。

2005年,榆林地区水土流失敏感性指数在0.171 5～0.319 4之间(图1b),东南部、中部榆阳区及东北部敏感性指数较高;西部及中东部地区指数较低。子洲县、清涧县、绥德县、米脂县和吴堡县其敏感性指数在0.215～0.319 4之间;神木县的高家堡镇、栏杆堡镇、锦界镇、尔林兔镇、孙家岔乡、大柳塔镇等,其敏感性指数在0.239 5～0.309 7之间;府谷县的大昌汗、麻镇、黄甫、墙头等,其敏感性指数在0.255 2～0.305 8之间;榆阳区的榆阳乡、青云乡、刘千河乡、牛家梁镇等,其敏感性指数在0.237 2～0.298 8之间,这些地区水土流失敏感性指数较高,其余地区敏感性指数较低。

2010年,榆林地区水土流失敏感性指数在0.147 2～0.335 2之间(图1c),东南部及东北部地区敏感性指数较高,西部及中部地区敏感性指数较低。子洲县、清涧县、绥德县、米脂县和吴堡县敏感性指数在0.228 3～0.335 2之间;神木县的栏杆堡镇、王家墩、武家庄、大柳塔镇、孙家岔乡等,其敏感性指数在0.266 9～0.305 4之间;府谷县的大昌汗、老高川、庙沟门等,其敏感性指数在0.267 1～0.303 7之间;榆阳区的榆阳乡、青云乡等,其敏感性指数在0.250 7～0.302 7之间。

从敏感性分级图(图2)可看出,榆林地区主要是中度敏感、高度敏感和极度敏感3个级别,无不敏感级别。2000年,中度敏感区的面积占全区域面积的31.33%,主要分布在西部的定边和靖边,以及东部的佳县大部分地区。高度敏感区的面积占51.808%,主要分布在东北部的神木和府谷、中部的榆阳和横山、东南部的米脂、吴堡。极度敏感区面积占16.862%,主要分布在东南部的清涧、绥德、子洲,东北部神木的大柳塔、栏杆堡,府谷的大昌汗、麻镇、墙头等地。2005年中度敏感区的面积占全区域面积的35.876%, 主要分布在西部的定边和靖边及东部的佳县,中部的横山。高度敏感区的面积占48.153%,分布同2000年,只是中部的横山县2000年主要是高度敏感区,而2005年有相当一部分转化为中度敏感区。极度敏感区占15.971%,主要分布在东南部的清涧、绥德、子洲,东北部神木的大柳塔、尔林兔、府谷的大昌汗、麻镇、墙头等地。2010年,轻度敏感区占全区域面积的0.229%,主要分布在定边县的西北部。中度敏感区的面积占全区域面积的28.047%,主要分布在定边和靖边。高度敏感区面积占44.176%,主要分布在佳县、横山、榆阳以及神木。极度敏感区面积占27.548%,主要分布在东南部的清涧、绥德、子洲、米脂、吴堡,东北部神木的大柳塔、孙家岔、永兴、栏杆堡、瓦罗等地,府谷的大部分地区。

图1　榆林地区2000年(a)、2005年(b)和2010年(c)水土流失敏感性指数的空间分布Fig.1　Spatial distribution of soil and water loss sensitivity index of Yulin in 2000(a), 2005(b) and 2010(c)

可见,从2000年到2005年,中度敏感区面积略有上升,而高度敏感区面积和极度敏感区面积略有下降。从2005年到2010年,中度敏感区面积和高度敏感区面积有所下降,而极度敏感区增加较多。从2000年到2010年总体情况来看,中度敏感区和高度敏感区面积有所减少,而极度敏感区面积有所增加,尤其是府谷和神木的极度敏感区面积增加较多,东南部的极度敏感区面积也有所增加。且极度敏感区主要在黄土丘陵沟壑区,总体来看,黄土丘陵沟壑区的敏感性增强了,变化最明显的就是佳县、横山县和府谷县,佳县大部分区域在2000年和2005年时是中度敏感范围,而到2010年,全县范围处于高度敏感区范围。横山县2000年中度敏感区范围比较小,2005年中度敏感区范围扩大,高度敏感区范围缩小,而到2010年,全县绝大部分处于高度敏感区范围,中度敏感区范围缩小。府谷县在2000及2005年大部分地区处于高度敏感区,而到了2005年,大部分地区处于极度敏感区。

图2　榆林地区2000年(a)、2005年(b)和2010年(c)水土流失敏感性分布Fig.2　Spatial distribution of soil and water loss sensitivity of Yulin in 2000(a), 2005(b) and 2010(c)

榆林地区气候干旱,降水稀少,生态环境脆弱,除了自然原因外,就是人为因素,作为人为因素,对榆林地区影响最大的主要是两个方面,一是退耕还林还草政策的实施,另一个是陕北能源化工基地的建设。原国家计委于2003年3月正式批准陕北能源化工基地在榆林启动建设以来,榆林就大规模招商引资,目前已形成榆林经济开发区、神府经济开发区,榆神煤化工业园区、榆横煤化工业园区、府谷煤电化工业园区、绥米佳盐化工业园区、靖边煤油气综合利用产业园及吴堡煤焦化工业园区的“两区六园”格局。2010年以前的10年内,累计建成各类重点项目70个,完成投资1 260亿元,投资在100亿元以上的在建、前期大型产业项目达12个,仅2009年一年就组织实施了90个重点建设项目,50个重大前期项目,有6个项目建成投产。根据榆林工业发展空间布局示意图,榆林工业园区多达26个,其中2个位于定边和靖边县境内,其余24个都集中在其他县区。可见自2003年以来,榆林的能源化工基地建设如火如荼。退耕还林还草,有利于生态环境的改善,而大规模建设与矿产资源的开发,特别是近10年来,随着神木锦界、店塔、大柳塔、府谷新民、庙沟门、榆阳鱼河、镇川、牛家梁和曹家滩等26个大型工业园区、开发区建设突飞猛进,290个能源重化工企业的重大项目及基础设施建设纷纷上马,几乎遍布整个区域,由于盲目资源开发及园区建设,使本来就非常脆弱的生态环境雪上加霜,据研究,该地区仅煤田开发一项就造成1.73×104hm2的植被被毁,新增沙漠化土地近2.0×104hm2。另据典型调查,榆阳区小壕兔乡因矿区大量抽取地下水,居民原有2～3m深的饮用水井如今挖至10m多深才能见到水,一些梁峁区的防护林因地下水位下降出现枯死的现象严重。尽管陕北能源化工基地建设是本着把资源开发好,把生态保护好的原则,但矿产资源开发尤其是地下矿产资源的开发不可避免的会破坏地下水体系,也因而必然殃及到地表水系统,同时大量的开发建设者蜂拥而至,无疑增加了该区域的负担,使原本承载力比较小的自然环境更是不堪重负,势必增加水土流失的风险,增强水土流失的敏感性。因此,如何协调脆弱的生态与开发建设之间的矛盾,如何走可持续发展的道路,是各级部门应该深思的问题。

4　结　论

1)2000年,榆林地区水土流失敏感性指数在0.186 3～0.323之间,2005年,水土流失敏感性指数在0.171 5～0.319 4之间,2010年,水土流失敏感性指数在0.147 2～0.335 2之间。

2)从2000年到2010年,榆林地区无不敏感区,主要属于中度、高度和极度敏感区,中度敏感性和高度敏感性面积减少了,极度敏感区面积增加了。总体说来,东北部和东部敏感性高于西部。矿产资源的开发以及能源化工基地的建设会进一步增强水土流失的敏感性。

3)退耕还林还草政策的实施增大了林草覆盖率,有利于水土保持,使水土流失敏感性降低,而矿产资源的开发和能源化工基地建设等人为活动的增强又增大了水土流失的敏感性。

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(编辑徐象平)

Spatial-temporal characteristics of sensitivity to soil and water loss in Yulin, China

LI Tuan-sheng1, SHI Xiao-hui1, KANG Huan-huan1, SHI Yu-qiong2,YAN Ying1

(1.College of Earth Science and Resources, Chang′an University, Xi′an 710054, China;2.College of Forestry, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

Yulin was divided into 527 units by 10km×10km grids. The index of sensitivity to soil and water loss for each unit was calculated by weighted sum method, and then interpolated by Kriging in Arcgis in order to analyze the spatial-temporal characteristics of sensitivity to soil and water loss in Yulin. The results showed that there is no insensitive level in Yulin. In 2000, 31.33% of the total area was moderate level, 51.808% of the total area being high level, 16.862% of the total area being extreme level. In 2005, 35 876% of the total area was moderate level, and 48.153% of the total area being high level, 15.971% of the total area being extreme level. In 2010, 0.229% of the total area was mild level, 28.047% of the total area being moderate level, 44.176% of the total area being high level, 27.548% of the total area, extreme level. All in all, sensitivity to soil and water loss is high in the east and low in the west part. The area of moderate and high sensitivity to soil and water loss decreased, and that of extreme sensitivity increased from 2000 to 2010.

soil and water loss; sensitivity; land cover; relief; soil texture; Yulin

2015-03-09

国家自然科学基金资助项目(31140042)；陕西省自然科学基础研究计划基金资助项目(2009JM5004)；陕西省软科学计划基金资助项目(2007RK21); 长安大学中央高校基金资助项目(2013G1271102)

李团胜，男，陕西武功人，博士，教授，从事生态环境与土地利用研究。

P941.73；Q149

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-02-020