1995—2015年宁南陇东丘陵沟壑蓄水保土区土壤侵蚀时空变化分析——以宁夏彭阳县为例

王立明，石 云，刘 平

(1.宁夏回族自治区水土保持监测总站，宁夏 银川 750021； 2.宁夏大学 资源环境学院，宁夏 银川 750021；3.宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021)

宁南陇东丘陵沟壑蓄水保土区位于黄土高原西北部[1]，该区山多川少、沟壑纵横、黄土层深厚、植被稀疏、干旱少雨，独特的地形、气候和土壤条件加之人为活动影响，导致该区生态环境脆弱，成为我国土壤侵蚀最为严重的地区之一[2]。为掌握该区的土壤侵蚀时空变化情况，本研究采用美国修正通用土壤流失方程(RUSLE)，选择彭阳县为研究区，定量研究了彭阳县1995—2015年土壤侵蚀时空变化特征，分析了20年间不同地形、高程、植被覆盖度、土地利用类型条件下的土壤侵蚀模数分布特征，希望能为彭阳县的水土流失治理提供参考。

1 研究区概况

彭阳县位于宁夏东南部边缘、六盘山东麓，海拔1 292～2 486 m，地处黄土丘陵沟壑区第二副区[3]；属典型的温带半干旱大陆性季风气候区，年降水量450～550 mm，年平均气温7.4 ～8.5 ℃，年日照时数2 311.2 h，年无霜期140 ～170 d[4]；地形复杂，土地贫瘠，土壤类型以黄绵土、黑垆土为主，植被稀疏，生态环境较为脆弱。彭阳县属国家级水土流失重点治理区，有水土流失面积2 129 km2，占县域总面积的85%。严重的水土流失导致土壤瘠薄、肥力下降、农业生产条件恶化、耕地面积减少、林草植被破坏、干旱程度加剧、自然灾害频繁，严重影响了县域农业和农村经济的可持续发展，成为制约全县经济发展的重要因素。作为一个以农业经济为主的国家扶贫开发工作重点县，近年来彭阳县坚持生态立县，以小流域为单元，因地制宜实施小流域综合治理，取得了显著的效益。

2 研究数据与方法

2.1 数据来源

本研究采用彭阳县1∶50 000地形图生成彭阳县DEM，分辨率为25 m；土壤类型数据来源于宁夏第二次全国土壤普查数据，土壤理化数据通过实地采样及试验求得；彭阳县1995、2005、2015年Landsat遥感影像来源于地理空间数据云；1995—2015年日降雨量数据来自中国气象数据网。

2.2 研究方法

RUSLE模型表达式为

A=R·LS·K·C·P

式中：A为土壤侵蚀量；R为降雨侵蚀力因子；LS为坡长坡度因子；P为水土保持措施因子；K为土壤可蚀性因子；C为覆盖与管理因子。

其中：R因子采用WISCHMEIER的计算方法，通过Kriging插值方法求得；LS因子采用汪帮稳等[5]修正后的算法；K因子采用WILLIAMS建立的EPIC模型算法；P因子主要参照WISCHMEIER和覃杰香等[6]的相关研究；C因子采用蔡崇法等[7]的算法。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀状况

根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，将土壤侵蚀程度划分为微度侵蚀[0，500]、轻度侵蚀(500，2 500]、中度侵蚀(2 500，5 000]、强烈侵蚀(5 000，8 000]、极强烈侵蚀(8 000，15 000]和剧烈侵蚀(>15 000)六级[13]，得到了彭阳县1995、2005、2015年土壤侵蚀统计结果，见表1。

1995、2005、2015年彭阳县中度及其以上侵蚀面积分别为1 248.30、755.83、624.50 km2。由表1可以看出，随着治理的推进，彭阳县水土流失状况有明显好转，2015年的土壤侵蚀模数比1995年的减少了3 202.10 t/(km2·a)，土壤侵蚀量减少了800 万t，特别是中度及其以上侵蚀面积减少明显。

表1 1995、2005、2015年彭阳县土壤侵蚀模数、侵蚀量及各侵蚀强度侵蚀面积

3.2 土壤侵蚀时空变化特征

3.2.1 不同坡度范围的土壤侵蚀分布特征

将1995、2005、2015年土壤侵蚀面积和坡度等级(0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°)做叠置分析，得到1995—2015年不同坡度等级下的土壤侵蚀面积变化量统计结果，见表2。1995—2015年，0°～15°坡度区间内，中度及其以上侵蚀面积分别减少了18.54、34.74、194.16 km2，这表明在0°～15°坡度区间内存在着中度及其以上侵蚀向轻度和微度侵蚀转变的趋势；在15°～25°坡度区间内，强烈及其以上侵蚀面积减少了347.11 km2，减少趋势明显；在≥25°坡度区间，主要特点为极强烈和剧烈侵蚀面积明显减少，分别减少了94.30、82.46 km2，表现出高侵蚀强度大面积地向低侵蚀强度转变。

表2 1995—2015年不同坡度范围土壤侵蚀面积变化量统计

图1为1995、2005、2015年不同坡度范围的土壤侵蚀模数分布图。由图1知，随着治理的推进，不同坡度范围的土壤侵蚀模数均呈减少趋势，同时各年份的土壤侵蚀模数分布曲线均在25°～35°时出现最大值。相比1995年，2015年各坡度范围的侵蚀模数均明显减少，在0°～5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°坡度范围分别减少了669.01、1 488.07、2 413.74、4 082.95、4 830.16、4 019.11 t/(km2·a)。其中，在25°～35°坡度范围内土壤侵蚀得到了有效抑制，表明在该坡度范围内实施的坡耕地退耕还林能有效减少地表径流和土壤侵蚀量。

图1 不同坡度范围的土壤侵蚀模数分布

3.2.2 不同高程范围的土壤侵蚀分布特征

将1995、2005、2015年土壤侵蚀面积和高程范围(1 292～1 500、1 500～1 700、1 700～1 900、1 900～2 100、2 100～2 300、2 300～2 486 m)做叠置分析，得到1995—2015年不同高程范围的土壤侵蚀模数分布情况(图2)。随着治理的推进，1995—2015年各高程范围的土壤侵蚀模数均明显减少。1995—2015年，在1 292～1 500、1 500～1 700、1 700～1 900、1 900～2 100、2 100～2 300、2 300～2 486 m的高程区间土壤侵蚀模数分别减少了3 309.18、3 476.01、3 047.90、2 513.53、741.64、1 919.86 t/(km2·a)。其中，在1 500～1 700 m高程区间土壤侵蚀模数减少最多，而在2 100～2 300 m高程区间则减少得最少。

图2 不同高程等级下的土壤侵蚀模数分布

3.2.3 不同植被覆盖度等级下的土壤侵蚀分布特征

按照水蚀区植被覆盖度分级标准(高覆盖区75%～100%、中高覆盖区60%～75%、中覆盖区45%～60%、中低覆盖区30%～45%、低覆盖区<30%)分成5个等级，对1995、2005、2015年土壤侵蚀与植被覆盖度等级进行叠置分析，得到1995—2015年不同植被覆盖度等级下的土壤侵蚀模数分布图(图3)。与1995年相比，2015年不同植被覆盖度等级下的土壤侵蚀模数均呈减少趋势，在低覆盖区、中低覆盖区、中覆盖区、中高覆盖区和高覆盖区分别减少了3 811.74、4 121.27、2 993.29、1 974.36、134.63 t/(km2·a)。在中低覆盖区土壤侵蚀模数减少最显著，而在高覆盖区土壤侵蚀呈现轻微减缓趋势。

图3 不同植被覆盖等级下的土壤侵蚀模数分布

3.2.4 不同土地利用类型下的土壤侵蚀分布特征

基于GIS的空间分析功能，研究1995—2015年不同土地利用类型面积及其土壤侵蚀模数和侵蚀量，结果见表4。1995—2015年各土地利用类型下的土壤侵蚀状况均得到明显改善，土壤侵蚀量和侵蚀模数均呈减少趋势：耕地土壤侵蚀模数由1995年的2 878.83 t/(km2·a)减少到2015年的678.67 t/(km2·a)，侵蚀量减少了80.08%；林地土壤侵蚀模数由3 625.46 t/(km2·a)减少到1 734.92 t/(km2·a)，侵蚀量减少了26.76%；草地土壤侵蚀模数由5 356.69 t/(km2·a)减少到1 930.29 t/(km2·a)，侵蚀量减少了34.55%；未利用地土壤侵蚀模数由6 483.08 t/(km2·a)减少到1 571.77 t/(km2·a)，侵蚀量减少了99.79%；水域和建设用地土壤侵蚀轻微，可以忽略不计。结合1995—2015年各土地利用类型面积变化(表4)，可以看出，彭阳县的土地利用类型变化主要表现为耕地、未利用地面积持续减少，林草地面积大幅增加，这也说明退耕还林措施的实施带来了显著的水土保持效果。

4 结 论

采用修正通用土壤流失方程，得到了彭阳县1995—2015年土壤侵蚀的时空变化特征。主要结论如下：

表4 1995—2015年不同土地利用类型下的土壤侵蚀变化

(1)1995—2015年彭阳县土壤侵蚀明显减轻，土壤侵蚀模数减少了3 202.10 t/(km2·a)，土壤侵蚀量减少了800万t。

(2)各坡度范围的土壤侵蚀强度变化特征均表现为高侵蚀强度向低侵蚀强度转变，即从中度及其以上侵蚀向轻度和微度侵蚀转变。1995—2015年随着治理的推进，不同坡度范围的土壤侵蚀模数均呈减少趋势，同时各年份的土壤侵蚀模数分布曲线均在25°～35°时出现最大值。

(3)1995—2015年各高程范围的土壤侵蚀模数均明显减少，其中在1 500～1 700 m高程区间土壤侵蚀模数减少量最大，而在2 100 ～2 300 m高程区间土壤侵蚀模数减少量最少。

(4)在土地利用结构中，耕地占比明显下降，林草地占比大幅度上升，结合土壤侵蚀相关研究成果，说明在彭阳县实施的坡耕地退耕还林措施取得了显著的水土保持效益。