典型农牧交错区土地利用变化对土壤风蚀的影响—以内蒙古四子王旗为例

郑 洋，郝润梅*，吴晓光，王 考*

(1.内蒙古师范大学地理科学学院,内蒙古 呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区土地整治中心,内蒙古 呼和浩特 010020)

【研究意义】土壤风蚀作为土地生态效应中的一个方面，是衡量土地退化的重要标志之一[1]。据第三次全国水土流失普查结果显示，我国土壤受风蚀作用面积达195.70万km2，占我国土地总面积的20.6 %[2]，严重威胁着我国生态系统的安全。受气候和地形地貌条件影响，中国北方农牧交错带生态系统脆弱、风蚀严重，内蒙古生态系统脆弱、风蚀严重，典型农牧交错区内蒙古中部地区土壤风蚀危害表现尤为明显，四子王旗是该区域典型区。同时，不合理的土地利用结构和利用方式，在一定程度上又会加剧土壤风蚀作用，因此利用模型模拟和实地验证方法探究长时间序列内土壤风蚀和土地利用方式及土地利用结构的关系，有助于通过人为方法减少土壤风蚀的不利影响，维护土地生态平衡和地区生态环境安全。【前人研究进展】土壤风蚀模数的测定是预测和评估风蚀的重要手段[3-5]。采用模型测定土壤风蚀是研究土壤风蚀是研究的主要方法，其中RWEQ模型是应用较为成熟、应用最为广泛地模型之一[6]。巩国丽、迟文峰、王洋洋、吴晓光等学者[6-9]均利用RWEQ模型测算不同区域不同时间序列下的土壤风蚀模数并对模拟结果的精度进行了验证。已有研究结果显示，RWEQ模型能够较为精确的模拟土壤风蚀模数，具有较高的可操作性。【本研究切入点】本文采用RWEQ模型模拟得出四子王旗地区1990-2015年土壤风蚀模数，探究土壤风蚀强弱与土地利用结构和空间分布之间的关系。【拟解决的关键问题】此结果以期为四子王旗地区土地利用结构的优化以及土壤风蚀的减弱提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

由图1所示，四子王旗地处内蒙古高原中部，总面积为25 516 km2，介于41°10′N～43°22′N，110°20′E～113°E，平均海拔1400 m，整体地势呈现东南高西北低格局，空间分布上由丘陵、平原相间分布。属典型的温带干旱半干旱气候，寒暑变化剧烈，昼夜温差大。年平均气温2.9 ℃，全旗热量由南向北递增，中、北部热量资源多，南部较少。年均降水量为313.8 mm，降水量月际、年际变化大，且分布不均，蒸发量远大于降水量，对作物、牧草的干旱有极大影响。年均风速较大，且持续时间较长、风力较大。为典型草原向荒漠草原过渡地带，地表覆盖度由东南向西北降低，主要土壤类型有典型栗钙土、淡栗钙土、棕钙土和淡棕钙土[15-17]。

内蒙古四子王旗地区气候呈干暖化趋势，自然环境脆弱，加之不合理的土地利用方式，致使该旗生态系统遭到严重破坏，尤以土壤风蚀造成的土壤性质的恶化、土地荒漠化等作为突出表现[8,10-12]。土壤风蚀是人类活动和自然因素相互作用而形成的综合产物，对于土壤风蚀研究已经成果颇多[13-14]，本文利用1990-2015年RWEQ风蚀模拟与区域土地利用变化进行研究，将宏观层面的土地利用对微观层面的土壤风蚀影响和进行深入研究分析，从时间维度上揭示不同土地利用对土壤风蚀效应的影响，以期在国土空间规划及其他专项规划编制的过程中，对土地利用结构调整优化，减少土壤风蚀危害提供理论依据。

1.2 数据来源

本研究数据主要包含有气象、土壤、植被覆盖、土地利用以及遥感影像数据等，其中土地利用数据来源于人机交互解译获取。数据主要来源于研究区年度土地利用现状变更调查成果、中国西部环境与生态科学数据中心(http://westdc.westgis.ac.cn)、中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)、中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)、地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)等。

1.3 数据处理

土壤风蚀是多因素综合作用结果而形成，是气流与土壤表层之间长期相互作用产生的动力学过程[18]。本文对不同土地利用方式下风蚀量的计算采用美国农业部提出的RWEQ(Revised Wind Erosion Equation)模型，该模型主要应用于农田土壤风蚀的计算，可以较好地反映气候要素、植被覆盖程度、土壤自身理化性质等对壤风蚀的影响程度[6,19-20]。

式中：Q为土壤风蚀模数(t/hm2a)；x为实际地块长度(m)；s为达到最大土壤转移量0.6321倍的地块长度(m)；WF为气候因子(kg/m)；EF为土壤可蚀性因子(无量纲)；SCF为土壤结皮因子(无量纲)；K为地表粗糙度因子(无量纲)；COG为植被因子(包含生长植被、枯萎植被、农作物及其他植被残茬)，无量纲。

(1)气候因子。气候因子是由多个要素作用于土壤所形成的综合效应，包含有风要素、土壤湿度要素以及雪覆盖要素[21]。

式中：WF表示气候因子(kg/m)；WS2表示2 m处的风速(m/s)；WSt表示2 m处临界风速(m/s)；N表示风速的观测次数(次)；Nd表示实验的天数(d)；ρ表示空气密度(kg/m3)；g表示重力加速度(m/s2)；SW表示土壤湿度因子(无量纲)；SD表示雪覆盖因子。

(2)土壤可蚀性因子。土壤蚀性因子是由土壤自身理化性质以及其机械组成所决定[6]，可蚀性是一个敏感性指标，反映了土壤抵抗侵蚀能力的大小，可蚀性因子越大，土壤越易受到侵蚀，反之，土壤抑制风蚀能力越强。

式中：EF为土壤可蚀性因子(无量纲)；Sa为土壤沙粒含量(%)；Si为土壤粉砂含量(%)；Sa/Cl为土壤沙粒和黏土的含量比值(%)；OM为有机质含量(%)；CaCO3为碳酸钙含量(%)。

(3)土壤结皮因子。土壤结皮是指土壤表面的特殊表层，由多种土壤颗粒胶结而成，能够起到抵抗风蚀的作用[8]。

式中：SCF为土壤结皮因子(无量纲)；CL为黏土含量(%)；OM为有机质含量(%)。

(4)地表粗糙度因子。不同植被覆盖类型对土壤所造成的综合作用不同，直观表现为地表粗糙度的差异，能够反映不同植被覆盖下的土壤风蚀情况[22,24-25]。

式中：K' 为土壤糙度因子(无量纲)；Kr为土垄糙度因子(cm)；Crr为自由糙度(cm)。

(5)植被因子。不同的植被覆盖下的土壤风蚀程度不同，在一定的植被覆盖下能够对土壤起到保护作用[23]，计算公式如下:

COG=e-0.0483SC

式中，SC为植被覆盖度(%)。

利用上述模型计算可获得研究区25年(1990-2015年)间的土壤风蚀模数模拟结果。

2 结果与分析

2.1 土壤风蚀效应的时间变化

如图2所示，基于RWEQ模型模拟，1990-2015年间，四子王旗土壤风蚀模数变化显著。从整体变化趋势来看，25年间总体呈现下降趋势，但下降速度较为缓慢，平均每年下降0.47 t/hm2·a。

从年际变化来看，平均土壤风蚀模数年际波动幅度较大，最高值可达59.63 t/hm2·a，最低值仅为15.42 t/hm2·a，两者之间相差44.21 t/hm2·a。以土壤风蚀分级标准划分[28]，有8个年份的土壤风蚀模数介于0～25 t/hm2·a之间，占研究时段的30.77 %，有16个年份介于25～50 t/hm2·a，占61.54 %，有2个年份介于50～75 t/hm2·a，占7.69 %，表明25年间四子王旗土壤处于中度侵蚀的情况较多。依照土壤风蚀变化情况将长时间序列划分为两个阶段，不同阶段的土壤风蚀变化情况表现出相反的趋势。

以2000年作为时间节点，将时间序列划分为两个阶段。第一阶段为1990-2000年，该时段内四子王旗地区土壤风蚀情况呈现上涨趋势，年平均土壤风蚀模数高，为39.35 t/hm2·a，平均每年增长1.34 t/hm2·a，增加速率较为平缓，表明这一时期内土壤风蚀情况并未得到有效的治理。第二阶段为2001-2015年，四子王旗地区土壤风蚀情况有所好转，虽年际间有小幅波动，但总体上呈现下降态势，平均每年下降2.59 t/hm2·a，下降速度较上阶段增长速度快。该时期内年平均土壤风蚀量为27.13 t/hm2·a，较上阶段下降12.22 t/hm2·a，表明该时期内土壤风蚀发生频次得到了有效的抑制。

2.2 土壤风蚀效应的空间变化特征

如图3所示，基于RWEQ模拟风蚀模数，利用ArcGIS中栅格计算器得出1 km×1 km逐像元的风蚀空间分布，1990-2015年间，四子王旗地区土壤风蚀情况在空间分布上总体呈现“北强-南弱”。

从土壤风蚀模数空间分布来看，随着时间的推移，四子王旗地区土壤风蚀模数大的地区范围逐渐减少，土壤风蚀模数较小地区由南向北逐步蔓延，范围不断扩大。对比1990与2015年土壤风蚀量空间布局情况可得知，土壤风蚀模数较大地区具有同一性，表明该地区在研究时段内，侵蚀剧烈地区的土壤风蚀模数虽由32.94 t/hm2·a下降到20.77 t/hm2·a，净减少12.17 t/hm2·a，但风蚀现象严重地区仍旧集中在北部地区，探索有效抑制土壤风蚀发生的解决方案对于维护四子王旗北部地区的生态安全稳定性具有重要作用。

如图4所示，参照《土壤侵蚀分类分级标准(SL 190-2007)》[28],，依据模型模拟的土壤风蚀模数，将土壤风蚀强度划分为5个等级，即轻度侵蚀(0～25 t/hm2·a)、中度侵蚀(25～50 t/hm2·a)、强烈侵蚀(50～80 t/hm2·a)、极强烈侵蚀(80～150 t/hm2·a)以及剧烈侵蚀(>150 t/hm2·a)。在各等级的土壤侵蚀变化趋势中，轻度侵蚀与中度侵蚀变化情况表现为相反趋势，其中，轻度侵蚀面积呈现波浪式上升，1990-2012年间波动幅度较大，2012年之后趋于平稳状态，中度侵蚀面积整体呈下降态势，下降速率较为平缓。强烈侵蚀、极强烈侵蚀以及剧烈侵蚀均表现为两段式且均为“先升后降”，均在2001年达到峰值。2001年之前，土壤侵蚀强烈地区面积稳步缓慢上涨，极强烈侵蚀地区与剧烈侵蚀地区在数量上虽较其他等级相比较小但变化较快。2001-2015年间，强烈侵蚀地区在经历一个快速下降之后放缓下降速度，渐趋平稳，极强烈侵蚀地区与剧烈侵蚀地区呈“断崖式”下降，于2003年后转为细微变化，逐步趋于稳定。

2.3 土壤风蚀精度验证

基于迟文峰[8,21]、刘纪远[29]、龚国丽[7]等的研究表明，同位素137CS示踪技术是测算土壤风蚀模数的重要方法之一。在人类活动干扰较小或未经人类活动干扰的土壤中，137CS的在垂直土壤剖面中的分布符合扩散定律，随着土壤深度的加深137CS的浓度呈指数衰减[30]。本研究以地势平坦、类型相对均一的实测点作为验证点，选取X1,X2两点，通过示踪技术测定风蚀模数并与模拟的数据进行比较，如表1～2显示，模拟数据与实测数据相差无几。由于137CS的测定步骤的的、繁杂，仅以某地类的测定值表示区域平均土壤风蚀模数，且存在水蚀等因素的影响，导致对比结果表明实测数据较模拟数据相对偏低。

表1 实测风蚀模数与模型结果对比Table 1 Comparison of measured wind erosion modulus and model results

表2 实测风蚀模数与模型对比Table 2 Comparison of measured wind erosion modulus and model results

为进一步探究模拟的精确程度，弥补由于验证点不足而造成的影响，本研究在实地采集数据的基础上，结合相关文献资料的记载补充验证点。将验证点数据与模拟值进行相关性分析，由图5显示，R值为0.9335，呈显著相关，反映出研究所得出的模拟值精度较好。

3 讨 论

3.1 土地利用结构变化的土壤风蚀效应

为进一步探究土壤风蚀模数变化与25年间土地利用结构的相关关系。本文选取1990、1995、2000、2005、2010年以及2015年作为时间节点研究土地利用结构变化情况。1990-2015年期间，各类型用地变化幅度相对偏小，其中，草地、林地、建设用地以及水域用地均有小幅上涨，草地共计增加402.54 km2，占比上涨1.67个百分点；林地增加31.21 km2，占比上涨0.13个百分点；建设用地增加39.74 km2，占比上涨0.17个百分点；水域增加2.71 km2，占比上涨0.01个百分点。耕地和其他用地有所下降，其中，耕地减少110.42 km2，占比下降0.46个百分点；其他用地减少365.78 km2，占比下降1.52个百分点。由此可看出，近二十五年来，草地、耕地以及未利用地的变化相对偏大，其余用地结构较为稳定。整体而言，四子王旗地区生态型用地逐步增多，土地利用结构日趋稳定，生态环境系统稳定性日渐稳固(表3)。

表3 1990-2015年土地利用类型结构比例表Table 3 Ratio of land use type structure from 1990 to 2015

土地利用类型变化是各地类之间相互关联、彼此作用的复杂过程。以1990-2015年土地利用类型为基础，构建三期土地利用转移矩阵。如表4所示，1990-2000年由耕地和其他地类转为林地、草地共计144.43 km2；由草地、林地和其他地类转为耕地共计67.56 km2，耕地开垦情况较为显著；建设用地扩张规模较小仅为0.66 km2。表明该时段内，虽耕地开垦规模大，林、草地增长幅度大于开垦规模，但草地退化比例大，并不利于四子王旗生态系统稳定性的维护。2000-2010年期间，林、草地保持持续上涨，各地类转变为林、草地的共计511.56km2，较上期增加367.13 km2；耕地开垦情况较上期明显下降，共计开垦面积为17.40 km2；该时段内建设用地大规模扩张，新增建设用地面积达10.32 km2。反映出本时段内四子王旗生态性用地稳定持续上涨，对抑制土壤风蚀起到重要作用。2010-2015年，林、草地增加幅度较小，仅为6.30 km2；耕地增加比例相对较大，为10.85 km2；建设用地呈进一步扩张趋势，较2000-2010年均新增建设用地规模增加0.52 km2。这一时期，耕地开垦力度、建设用地扩规模均较大，但林、草地的增加规模较为客观，使得四子王旗地区生态系统维持在较为平稳的状态。 根据土地利用结构变化幅度强烈程度将研究时段分为两阶段，1990-2000年期间，土地利用结构变化波动大，其中，草地、林地和建设用地表现为“先升后降”，耕地、水域以及其他用地表现为“先降后升”。2000-2015年期间，各用地类型波动小，用地结构逐步趋于稳定，如图6所示。对比图1的土壤风蚀模数变化特征可出，2000年之前土地利用结构变化较大时，土壤风蚀模数呈增加状态，2000年之后土地利用结构较为稳定时，土壤风蚀情况有所好转。由此表明土地利用结构的稳定性对土壤风蚀有一定影响作用，维持土地利用结构的相对稳定，可缓解土壤风蚀状况。

表4 1990-2015年主要土地利用类型动态变化Table 4 Dynamic changes of major land use types from 1990 to 2015

3.2 土地利用方式变化的土壤风蚀差异

不同的土地利用方式下土壤风蚀强度不同[26-27]。研究对象选取研究区分布广泛的草地、耕地以及对生态涵养有重要作用的林地。通过各土地类型对逐像元的土壤风蚀栅格数据进行切割，得出不同年份中的不同土地利用方式下土壤风蚀模数。如图7所示，低覆盖草地利用方式下土壤风蚀模数整体偏高，最大值达70.91 t/hm2·a，高覆盖草地整体偏小，最小值仅为12.40 t/hm2·a。其中，耕地、林地利用方式下的风蚀模数变化呈相似的趋势且表现为变化快、不稳定，但整体而言有所减缓。1990-2015年间，耕地、林地下的风蚀模数均在2000年达到峰值，分别为29.91和24.65 t/hm2·a，2010年又达小高峰，但仍旧低于峰值。不同覆盖程度的草地利用方式下风蚀模数均表现为“先增后减”且减少的幅度大，低覆盖草地下土壤风蚀模数净变化量最大为18.91 t/hm2·a，其次为中覆盖草地为13.83 t/hm2·a，最后为高覆盖草地为4.68 t/hm2·a。从整体角度而言，四子王旗地区不同土地利用方式下的土壤风蚀模数不同，表现为低覆盖草地>中覆盖草地>耕地>林地>高覆盖草地。

从空间视角分析，土壤风蚀强弱程度与土地类型空间分布一致。四子王旗地区南部是耕地集中区，土壤受风蚀影响小；林地零散分布于全旗中、轻度风蚀区；高覆盖草地在中部偏东侧集中，土壤风蚀模数较低；中覆盖草地分布范围广且多数处于中度风蚀区；低覆盖草地主要分布在中北侧，整体风蚀强度大于其他地类，且风蚀程度自北向南逐渐减弱(图8)。

4 结 论

(1)1990-2015年间，四子王旗地区土壤风蚀情况总体呈现下降趋势，年际变化幅度大。1990-2000年，土壤风蚀模数呈上涨趋势，随后，2001-2015年，风蚀模数呈波浪式下降，且在2001年，土壤风蚀模数达到峰值。在空间分布上，整体以“北重南轻”为特征，北侧为四子王旗地区风蚀情况最为严重地区且保持多年不变。

(2)1990-2015年四子王旗地区耕地、未利用地面积小幅下降，草地、林地、建设用地以及水域用地面积有所上升，其中草地面积变化幅度较大。从长时间序列看，1990-2000年，四子王旗土地利用结构稳定性较差，土壤风蚀模数逐年上涨；2000-2015年，土地利用结构逐步趋于稳定，生态型用地面积逐步上涨，土壤风蚀模数呈减少趋势，表明土地结构的稳定性与土壤风蚀强度有关，土地利用结构长期保持稳定，有利于土壤风蚀强度的减弱。

(3)不同的土地利用方式下土壤风蚀程度不同，研究表明低覆盖草地>中覆盖草地>耕地>林地>高覆盖草地，高覆盖草地对于土壤风蚀的抑制作用最高。在空间分布上，土壤风蚀强弱区域与不同土地利用方式空间分布呈现一致性，北部低覆盖草地集中地区对应着风蚀效应较强地区，中部偏东侧高覆盖草地集中地区对于着较低的土壤风蚀模数。