仓子小流域土地利用与土壤侵蚀时空变化分析

翟国爽

（朝阳市建平县白山乡水利服务站，辽宁 建平 122406）

1 研究区概况

仓子小流域位于辽宁省建平县境内，地处E119°32′10″～119°35′33″、N41°52′25″～41°56′57″，总面积2253.9hm2，属辽河流域，低山丘陵地貌，海拔高程646～886m。流域内多褐土，土层厚度20～110cm 之间，土壤通透性差，腐殖质较薄，土壤侵蚀严重极易发生水土流失。从1990 年，水土保持部门就开始对仓子小流域开展水土流失治理，并且规模较小、方式单一，以修建谷坊、水浇地等零星工程为主，直至2005 年全面实施退耕还林草工程，小流域水土保持状况和土地利用类型发生显著变化。

2 研究方法

2.1 土地利用变化

收集整理1993、1998、2005、2013和2020年土地利用调查资料，其中1993年数据由航片判读资料转绘和野外实地考察资料获取，1998年、2005年数据结合实地调查资料和1:5万彩红外航片获得，2013年、2020年数据利用World View-1卫星遥感影像和Google Earth影像，经实地调查获取。

通过计算各土地利用单一和综合动态度定量反映小流域土地利用动态变化[1]，其中单一动态度Ki代表用地类型i于特定时期△t内的面积变化率(%)，其计算公式为：

式中：△Ui、Ui，t0、Ui，tf，为△t内用地类型i的变化面积和开始时t0、结束时tf的面积，hm2；综合动态度Kc为用地类型i于特定时期△t内的总体变化率(%)，其计算公式为：

式中：△Uij为△t内用地类型i转变成j的面积，hm2；ST为流域面积，仓子小流域面积2253.90hm2；n为流域内用地类型总数。

2.2 土壤侵蚀量计算

文章利用CSLE 方程计算各时期仓子小流域土壤侵蚀量，计算公式为：

式中：A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子(MJ·mm)/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]；L、S为坡长、坡度因子，量纲1；B、E、T为生物、工程和耕作措施因子，量纲1。

1）结合建平县降水季节变化特征和1993～2020年日降雨量数据，拟利用简易计算法确定降雨侵蚀力因子值，其计算公式为[2]：

式中：x、y为模型参数；Pd10、Py10为侵蚀性降雨日降雨量和年降雨量，为半月、年和多年平均降雨侵蚀力，(MJ·mm)/(hm2·h·a)；Pk、k为半月内第k天的日降雨量，mm 和侵蚀性降雨日数，d，以降雨量10mm 作为侵蚀性雨量标准。

2）根据土壤质地越粗或越细腻则越难发生侵蚀，质地越居中则越易发生侵蚀的特征，拟利用Williams 提出的公式计算土壤可蚀性因子值，即：

式 中：SAN、SIL为0.050～2.000mm 的砂粒和0.002～0.050mm 的黏粒含量，%；C、CLA为土壤有机碳和＜0.002mm 粉粒含量，%。采用建平县1:50万土壤图和Arc Map 软件获取流域内砂粒、黏粒、有机碳和粉粒含量，经矢量转换生成土壤可蚀性格栅数据。

3）采用张宏鸣编写的AML 程序提取仓子小流域坡长坡度因子值，数据计算时必须填充DEM中的No Data 值。因此，文章借鉴McCool 等、刘宝元等[5]研究成果利用下式计算β≤5°和β＞5°的坡度因子值，采用经验公式计算坡长因子值，具体如下：

式中：S、θ为坡度因子值和DEM 中提取的坡度值；L、λ为坡长因子值和DEM 中提取的坡长值；22.13 为标准小区坡长；α、β为坡长因子指数以及细沟侵蚀与面蚀之比。

4）通过实地调查，仓子小流域生物措施以人工造林和林草生态恢复为主，以分辨率30m 的Landsat数据为基础数据来源，在半月尺度上计算园地、草地和林地的B因子值。鉴于云层覆盖等实际情况，对Landsat 影像无法提供有效信息的时段考虑利用分辨率200m 的MODIS 植被指数产品来插补，从而获取每年24 个半月盖度图像。然后结合土地利用数据计算相应的土壤流失比率，以半月降雨侵蚀力占全年比重为基础加权计算获取B因子值。其中，水域及水利设施用地、独立工矿用地、农村居民点、旱地、其它土地直接赋值0、1、0.025、1、0。

参照Guo等对作物覆盖与管理因子研究成果和全国水利普查水力侵蚀成果确定E、T因子值，仓子小流域工程措施以鱼鳞坑、坡式梯田、土坎水平梯田为主，依次赋予E因子值0.182、0.415、0.085，耕作措施体现了轮作对作物覆盖的影响，结合用地类型图和植被覆盖度图赋予T因子值0.492[3]。

3 结果与分析

3.1 土地利用时空变化特征

3.1.1 土地利用变化速率

退耕还林草工程的实施显著改变了仓子小流域的土地利用格局，1993 年、2008 年、2005 年流域内以草地为主，其次是旱地和灌木林地，草地、旱地和灌木林地平均占比依次为44.1%、27.5%和22.8%。2013 年旱地占比减少到7.5%，草地比例提高到61.0%。然而2020 年草地占比仅有35.1%，土地利用类型以沙柳和柠条为优势种的灌木林地为主，所占比例达到40.6%，并广泛分布于山坡上。

不同时段仓子小流域土地利用单一动态度，见表1。由表1 可知，1993-2020 年仓子小流域独立工矿用地、农村居民点和灌木林地持续增加，旱地逐渐减少，旱地减幅最大时段为2005-2013 年，年均减少率达到8.2%，灌木林地除2005-2013 年略有减少外其它时段均呈增大趋势。2005-2013 年、2013-2020 年是独立工矿用地和农村居民点的集中扩张期，由于周边住宅用地的扩张以及下游土地资源的大规模开采，独立工矿用地年均增长率达到22.0%、12.5%，农村居民点用地年均增长率达到11.5%、8.0%。2013-2020 年有林地面积增幅最高，年均增长率达到36.0%。

表1 不同时段仓子小流域土地利用单一动态度

土地利用年均变化速率从1993-2005 年间的1.6%提高到2005-2020 年间的4.0%，该变化趋势与建平县2005 年大规模建设退耕还林草工程相吻合。退耕还林草工程的实施使得土地利用变化速率加快，林草地面积不断增加，旱地面积明显减少，并且土地资源开采也在一定程度上增加了农村居民点面积及独立工矿用地。

3.1.2 土地利用转移

考虑到流域面积较小的实际情况，将独立工矿用地和农村居民点纳入工矿用地及居民点，灌木林地、有林地和其它林地纳入林地，果园划入园地，旱地划入耕地，保持水域及水利设施用地、草地、其它用地不变。以2005 年为时间节点，计算确定1993-2005 年、2005-2020 年仓子小流域一级土地利用转移矩阵，1993-2005 仓子小流域土地利用转移矩阵，见表2，2005-2020 仓子小流域土地利用转移矩阵，见表3。

表2 1993-2005 仓子小流域土地利用转移矩阵hm2

表3 2005-2020 仓子小流域土地利用转移矩阵hm2

由表2 可知，1993-2005 年仓子小流域共有463.9hm2发生土地利用转移，占流域总面积20.58%，土地流转集中发生在草地、林地和耕地上。其中，耕地净转出到草地的面积为137.7hm2，占1993 年耕地面积的18.21%，并且有58.6hm2的草地和99.4hm2的耕地净转出为林地。

由表3 可知，2005-2020 年的土地利用转移更加强烈，仓子小流域共有1320.1hm2发生土地利用转移，占流域总面积的58.56%。其中，耕地净减少399.6hm2，耕地流转集中发生在林地和草地，该变化趋势与退耕还林草工程的实施密切相关，向林地的流转是草地面积减少的主要原因。2005-2020 年，草地净流转到林地的面积为436.5hm2，占2005 年草地面积的42.34%，并且当地建设发展使得大量草地、林地、耕地转变成工矿用地及居民点。

3.2 土壤侵蚀时空变化特征

3.2.1 土壤侵蚀变化

采 用CSLE 方程计算1993、1998、2005、2013 和2020 年仓子小流域土壤侵蚀模数，依次为28.1、26.0、15.5、12.4、7.0t/(hm2·a)，整体呈持续减小趋势，该结论与仓子小流域监测数据变化保持一致。因此，CSLE 方程能够准确反映辽西低山丘陵区小流域土壤侵蚀变化趋势及强度。仓子小流域不同用地类型土壤侵蚀强度分级占比，见图1。

3.2.2 各用地类型的土壤侵蚀强度

不同用地类型的侵蚀强度分级及侵蚀模数如图1，从图1 可以看出，土壤侵蚀最严重的是工矿用地，其次是旱地，草地和灌木林地最弱，土壤侵蚀模数依次为44.5～65.0t/(hm2·a)、20.6～34.8t/(hm2·a)、3.5～24.1t/(hm2·a)、4.0～25.2t/(hm2·a)。具体而言，1993 年流域内尚未形成独立工矿用地，所以侵蚀面积为0，而1998 和2005 年独立工矿用地各侵蚀强度面积比较接近，极强烈、强烈和中度侵蚀面积占比均为65.9%，2013 和2020 年强烈及以上侵蚀面积占比不断减小到38.2%、37.5%。

图1 仓子小流域不同用地类型土壤侵蚀强度分级占比

1993-2020 年流域内旱地土壤侵蚀以微度为主，1993、1998 和2005 年旱地土壤侵蚀模数平均值为32t/(hm2·a)，集中分布在主沟道东侧陡坡及流域上游。随着退耕还林草工程的实施，2013 年旱地主要分布于水热条件建好的支沟和主沟沟底区域，土壤侵蚀模数减小到20.4t/(hm2·a)。2020 年，小流域上游西南侧无任何水保措施且灌木林地和草地重新被开垦，旱地土壤侵蚀模数又提高到30.5t/(hm2·a)。

灌木林地和草地土壤侵蚀程度较弱，土壤扰动较小，1993-2020 年两者以微度侵蚀为主，但所占比例呈明显上升趋势，从1993 年的40%左右不断提高到2020 年的90%左右，1993 年灌木林地和草地盖度均在35%以内，土壤侵蚀模数达到20t/(hm2·a)。随着退耕还林草工程的实施2005 年、2013 年灌木林地和草地盖度不断提高，B因子值明显减小，在很大程度上降低了土壤侵蚀模数。2020年，植被覆盖度最高达到65%以上，B因子值最低使得草地、灌木林地土壤侵蚀模数减小到最低的3.7t/(hm2·a)和4.0t/(hm2·a)。

4 结论

1）1993-2020 年，建平县仓子小流域独立工矿用地、农村居民点和灌木林地持续增加，旱地不断减少，土地利用格局出现明显改变，各土地利用变化率以2005 年为节点表现出先缓慢后急剧的变化特征。

2）1993、1998、2005、2013 和2020 年仓子小流域土壤侵蚀模数依次为28.1、26.0、15.5、12.4、7.0t/(hm2·a)，整体呈持续减小趋势，剧烈、极强烈和强烈侵蚀面积持续减少，微度侵蚀逐渐增加。

3）对于不同用地类型，土壤侵蚀最严重的是独立工矿用地，随时间推移地形因子LS 值的减小是土壤侵蚀模数下降的主要原因；其次是旱地，随退耕还林草工程的实施旱地侵蚀强度呈递减趋势，但重新开垦的部分坡度增强了其侵蚀强度；灌木林地和草地侵蚀最弱，随着植被覆盖度的增加这两种用地的侵蚀强度进一步减弱。