黄河中游主要产沙区下垫面变化减沙作用评估

王玲玲 左仲国 肖培青

摘 要：2000年以来，黄河上中游干支流来沙量明显减少。为了揭示黄河中游主要产沙区土壤侵蚀特征和水土保持措施使下垫面变化的减蚀和减沙作用，基于GIS与RS技术，利用CSLE模型，定量分析了主要产沙区2000—2013年土壤侵蚀时空变异特征，并在多年平均降雨条件下，以1980年的下垫面为基准，评估了2000年、2005年、2010年、2013年下垫面变化的减沙效果。结果表明：2000年以来，在降雨侵蚀力变化不大的情况下，研究区土壤侵蚀强度呈下降趋势，但遇到强降雨年份，仍然可能产生较为剧烈的土壤侵蚀;土壤侵蚀强度与坡度坡长、降雨有较好的对应关系，研究区强烈及以上等级的土壤侵蚀主要分布在黄土丘陵沟壑区，风沙区和土石山区土壤侵蚀强度相对较低;在多年平均降雨条件下，与1980年相比，2000年、2005年、2010年、2013年水土保持措施使下垫面变化造成的减蚀量分别为1.22亿、1.95亿、3.29亿、3.45亿t，减蚀效果明显。

关键词：土壤侵蚀;下垫面变化;水土保持措施;减沙作用;主要产沙区;黄河中游

中图分类号：S157.1;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.027

Abstract：Since 2000， the coming sediment from the tributaries and the main Yellow River has been decreased sharply. In order to reveal the characteristics of soil erosion in the main sediment yield areas in the middle reaches of the Yellow River， which is prone to serious soil erosion in the Loess Plateau and to assess the sediment reduction effect of underlying surface， the spatial-temporal dynamic features of the soil erosion of the study area from 2000 to 2013 were quantitatively studied by applying soil erosion model based on the remote sensing and geographic information system technology. In addition， under the condition of multi-year average rainfall， the sediment reduction benefits of underlying surface changes in 2000， 2005， 2010 and 2013 were evaluated compared to the underlying surface in 1980. The results show that since 2000， the intensity of soil erosion in the study area has shown a downward trend. However， in case of heavy rainfall， severe soil erosion may still occur in the study area. The soil erosion intensity is affected by topography， rainstorm center and underlying surface. The erosion intensity of more than 5000 t/km2 is mainly distributed in the loess hilly and gully region. Under the condition of annual average rainfall， compared with 1980， the relative sediment reduction amounts in 2000， 2005， 2010 and 2013 are 122， 195， 329 and 345 million tons respectively. So， the erosion reduction effect is obvious under the change of underlying surface.

Key words： soil erosion; underlying surfaces variation; soil and water conservation measures; sediment reduction assessment; main sediment yield area; the middle reaches of Yellow River

近几十年黄土高原地区实施了一系列水土流失综合治理措施。据统计，截至2019年11月，黄土高原地区共有淤地坝58 776座，其中大型坝5 905座、中型坝12 169座、小型壩40 702座[1];水平梯田面积占水土流失面积的比例为25%～40%，其中甘肃省黄河流域及其相邻地区坡耕地的梯田化程度为70%～90% [2]。2000年以来，黄河上中游干支流来沙量明显减少，潼关水文站多年平均输沙量由1919—1969年的16亿t减少至2000—2019年的2.55亿t，减幅达84% [3-4]。在此背景下，如何定量评价各项水土保持措施遏制水土流失的作用，成为目前广为关注的热点问题。

传统的水土保持措施减沙计算方法有水文法和水保法[5]，这两种方法所建立模型的参数计算都是基于试验小区的观测数据，难以充分反映全坡面的水土流失复杂过程。近年来，随着RS和GIS技术的发展，基于卫星遥感影像解译成果和实测水沙资料的模型法逐步建立并开始应用于区域土壤侵蚀评价[6]。本研究基于RS、GIS技术和中国土壤侵蚀模型（CSLE），分析黄河中游主要产沙区土壤侵蚀特征，评估了下垫面变化的减沙作用。

1 研究区概况

黄河中游河口镇至龙门区间（简称河龙区间）以及泾河、北洛河和渭河是黄河中游主要产沙区。该区有30条黄河一级支流，其中流域面积大于1 000 km2的支流有28条、总面积286 061 km2;该区地处温带大陆性季风气候区，从南到北跨越半湿润、半干旱和干旱3个气候带，降水量空间分布差异大，多年（1981—2014年）平均降水量北部约为135 mm、南部约为800 mm，降水年内主要集中在汛期（6—9月），汛期降水量占全年的80%;该区是黄土高原水土流失最为严重的地区和黄河粗泥沙的集中来源区，其中多沙粗沙区面积仅占黄土高原总面积的12.3%，而多年平均输沙量却占黄河同期输沙总量的62.8%，粒径大于0.05 mm的粗泥沙输沙量占黄河粗泥沙总量的72.5%[7]。研究区位置见图1。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究使用的数据包括气象数据、土地利用数据、DEM高程数据、植被覆盖数据（NDVI ）和土壤属性数据等。气象数据主要为研究区及周边222个气象站（其分布见图1）1970—2014年的日降雨观测数据，来源于国家气象信息中心（http：//data.cma.cn）;四期（2000年、2005年、2010年和2013年）土地利用数据来源于地理空间数据云（http：//data.gscloud.cn），空间分辨率为1 km;DEM 数据为美国国家航空航天局 （NASA） 的 SRTM 90 m 产品，源自http：//srtm.csi.cgiar.org;NDVI 数据采用 NASA 发布的每 16 d合成的分辨率为250 m 的MOD13Q1产品，源于地理空间数据云（http：//data.gscloud.cn）;土壤属性数据来源于世界土壤数据库（HWSD）中的中国土壤数据集，比尺为1∶100万。

2.2 CSLE模型

我国学者综合考虑降雨、地形、土壤、植被和水土保持措施等要素，构建了中国土壤侵蚀模型（CSLE）[8]：

3 结果与讨论

3.1 土壤侵蚀因子的时空变化

（1）降雨侵蚀力因子R。研究区不同时期降雨侵蚀力空间分布情况见图2，1970—2014年逐年降雨侵蚀力变化情况见图3。

由圖2可以看出，研究区降雨侵蚀力的空间差异十分明显，从东南向西北方向逐渐递减，与年降雨量空间分布相似。由图3可以看出，降雨侵蚀力年际变化较大，变化范围为243～1 327 MJ·mm/（hm2·h·a），最小值为2014年的243 MJ·mm/（hm2·h·a），最大值为2013年的1 327 MJ·mm/（hm2·h·a），从降雨侵蚀力5 a滑动平均值来看，近30 a降雨侵蚀力呈增大的趋势。

（2）生物措施因子B。不同时期生物措施因子B空间分布情况见图4，其与土地利用情况和降雨量空间分布情况等有关。2000年、2005年、2010年、2013年生物措施因子B平均值分别为0.766 5、0.762 8、0.681 9、0.625 2，随着退耕还林还草的持续实施和植被自然修复，研究区林草植被措施的减蚀作用不断增大。

（3）其他因子（K、SL、E、T）计算结果。研究区土壤类型有黄绵土、风沙土、栗钙土、褐土等，其中黄绵土分布最广，土壤可蚀性因子K变化范围为0.010～0.026，空间分布情况见图5（a）。研究区坡度坡长因子SL空间分布情况见图5（b），其与坡度的空间分布情况类似，根据黄秉维1955年发表的《黄河中游流域土壤侵蚀区划图》修改编制的黄河流域黄土高原水土保持分区图[14] ，黄土丘陵沟壑区和土石山区的坡度坡长因子SL值明显大于风沙区和冲积平原区的。计算的2000年、2005年、2010年和2013年工程措施因子E平均值分别为0.886 8、0.871 4、0.843 5和0.819 6，随着淤地坝（坝地）和梯田面积的增加，坡面和沟道侵蚀不断减轻，受资料的局限，水土保持工程措施数据为

统计数据，暂不能给出其空间分布情况。对于因子T，根据研究区坡度分级与分布情况和表1进行赋值，结果见图5（c）。一个区域的土壤特性、地形地貌和耕作条件在短时期内不会有明显改变，因此K、SL、T这几个因子在4个时期采用的是相同的数值。

3.2 研究区土壤侵蚀强度时空变化

基于各因子计算结果，叠加得到2000年、2005年、2010年和2013年研究区土壤侵蚀模数，依据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL 190—2007），绘制研究区不同年份土壤侵蚀强度分级空间分布图，见图6。从土壤侵蚀强度分级空间分布情况看，黄土丘陵沟壑区土壤侵蚀强度最高，其次为高塬沟壑区，而风沙区和土石山区的土壤侵蚀强度相对较低，强烈及以上等级的土壤侵蚀主要分布在黄土丘陵沟壑区。计算结果显示，2000年、2005年、2010年、2013年研究区平均土壤侵蚀模数分别为4 413、4 383、4 084、4 805 t/（km2·a）。随着各项水土保持措施数量（面积）的不断增加和植被的恢复，在降雨侵蚀力R变化不大（2000年、2005年和2010年R值分别为510、751、883 MJ·mm/（hm2·h·a））的情况下，土壤侵蚀强度呈下降趋势。2013年降雨侵蚀力是近30 a来的最大值，导致2013年土壤侵蚀强度提高。由于土壤侵蚀是降雨和下垫面共同作用的结果，因此在现状下垫面条件下，一旦遇到强降雨，研究区仍然可能产生较为剧烈的土壤侵蚀。

3.3 下垫面变化的减沙效果分析

为客观评价下垫面变化对土壤侵蚀过程的影响，需要剥离降雨对土壤侵蚀过程的影响。参考《区域水土流失动态监测技术规定》（试行）[15]，采用近30 a的平均降雨侵蚀力（）反映降雨的影响。受卫星遥感影像资料的限制，获得整个研究区最早的下垫面数据为1980年，因此以1980年为基准年，将基准年和分析年的、K、SL、B等因子图层叠加，得到基准年和各分析年的土壤侵蚀模数。研究区各分析年相对于基准年的减蚀量计算公式为式中：ΔW为减蚀总量，万t;A基准年、A分析年分别为基准年和分析年在多年平均降雨侵蚀力下的土壤侵蚀模数，t/（km2·a）;S区域为研究区总面积，km2。

计算结果表明，在多年平均降雨侵蚀力作用下，基准年、2000年、2005年、2010年、2013年的平均土壤侵蚀模数分别为5 012、4 585、4 332、3 860、3 805 t/（km2·a），与基准年1980年相比，2000年、2005年、2010年、2013年下垫面变化的减蚀量分别为1.22亿、1.95亿、3.29亿、3.45亿t。

4 结 论

（1）2000年以来，在降雨侵蚀力变化不大的情况下，研究区土壤侵蚀强度呈下降趋势，说明随着各项水土保持措施面积的增加和植被的恢复，土壤侵蚀得到了一定程度的控制，但遇到强降雨年份，仍然可能产生较为剧烈的土壤侵蚀。

（2）土壤侵蚀强度与坡度坡长、降雨有较好的对应关系，研究区强烈及以上等级的土壤侵蚀主要分布在黄土丘陵沟壑区，风沙区和土石山区土壤侵蚀强度相对较低。

（3）在多年平均降雨条件下，与1980年相比，2000年、2005年、2010年、2013年水土保持措施使下垫面变化造成的减蚀量分别为1.22亿、1.95亿、3.29亿、3.45亿t，下垫面变化的减蚀效果明显。

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【责任编辑 张智民】