水蚀风蚀交错区典型小流域土壤侵蚀特征时空变化及对景观格局响应

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分析黄土高原水蚀风蚀交错区水风两相土壤侵蚀特征时空变化及对景观格局响应机理是研究土壤侵蚀原理及其人为影响因素作用机制的关键内容,对科学防治该区水土流失,综合治理该区生态环境具有重要理论意义。近20年来,水蚀风蚀交错区土壤侵蚀的自然和人为环境都发生了很大变化,探索防治土壤侵蚀的有效时间和合理区域的变化规律,对防治水蚀风蚀交错区强烈的水土流失,减少本区入黄泥沙,促进区域可持续发展具有重要实践意义。本文选择黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟流域的土壤侵蚀时空演变及其对景观格局的响应为研究内容,收集该流域历史研究成果,遥感影像,DEM,降雨、风速监测数据,侵蚀产沙地层出露分布等基础资料及相关文献,利用GIS、RS技术结合土壤侵蚀模型的研究方法,对比张平仓在1993到1996年的研究成果,分析近20年来该流域土地利用/覆被变化和土壤侵蚀特征变化规律,基于“源”、“汇”景观理论将土地利用/覆被格局转化为“源”、“汇”景观格局,通过景观空间负荷对比指数探索土壤侵蚀过程与景观格局演变的响应机理。为叙述方便将张平仓研究时间(1993~1996年)定为前期,将本次研究时间(2009~2011年)定为后期。主要结论如下:(1)1990到2010年间,六道沟流域耕地面积持续减少,尤其2002年后锐减,占流域面积比例由1990年的33.87%减到2010年的7.61%,其中坡耕地面积迅速减少,其占耕地面积比例由1990年的70.35%减至2010年的3.06%。林草地面积大幅度增加,占流域面积比例由1990年的63.51%增至2010年的87.48%。煤矿开采用地面积呈波动中大幅度增加趋势,其面积由1990年的0.28hm~2,增至2010年的14.89hm~2。耕地分布主要区域由沟缘线以上坡面转变为沟缘线以下的沟谷地和坝地,沟缘线以下耕地占总耕地面积比例由1990年的13.82%升高到2010年的74.04%。流域植被恢复进展良好,林草覆盖面积增加了165.21hm~2,覆盖范围逐渐扩展到整个流域。工矿用地由下游逐渐向中游扩展,煤矿开采趋于活跃。流域内退耕还林(草)效果明显,近20年内耕地向林草地共转移了190.03hm~2,占流域总面积的27.58%,大部分发生在流域东部的沟缘线以上。(2)六道沟流域后期多年平均水蚀模数为3545t/km~2.a,流域侵蚀总量为24425t。前期多年平均水蚀模数为15002t/km~2.a,侵蚀总量为103363t。可见,六道沟流域水蚀模数和水蚀总量都明显减少,分别减少了11457t/km~2.a和78938t,减少幅度高达76.4%。后期多年平均风蚀模数为985t/km~2.a,多年平均风蚀总量为6787t。前期多年平均风蚀模数为3199t/km~2.a,多年平均风蚀总量为22041t。可见,近20年来,六道沟流域风蚀也明显减弱,多年平均风蚀模数和多年平均风蚀总量分别减少了2214t/km~2.a和15254t,减少幅度高达69.2%。前期和后期实测水蚀多年平均侵蚀总量分别为103626t和21428t,实测平均侵蚀模数分别为15040t/km~2.a和3101t/km~2·a。水蚀前期和后期的多年平均水蚀模数的模拟值与其监测数据的实测值相对误差分别为0.3%和12.5%。(3)与前期相比,六道沟流域水蚀明显减弱,高强度水蚀和中强度水蚀面积明显减少,各强度等级的平均侵蚀模数略有降低,高中强度水蚀量明显减少。六道沟流域风蚀也明显减弱,虽然高强度风蚀面积减少不明显,但是中强度风蚀面积减少幅度很大,各强度等级的平均风蚀模数都有所降低,高中强度风蚀量明显减少。前期高强度水蚀主要发生于有坡耕地分布的坡面,流域中下游深切沟谷和各支沟沟头,后期高强度水蚀主要发生在各支沟沟头、主沟道U型沟谷的两壁和坡脚,坡面的侵蚀强度明显降低,少有较高强度水蚀发生。风蚀、重力侵蚀与水蚀在空间上叠加的复合侵蚀作用导致了六道沟流域沟道坡脚的土壤侵蚀如此强烈。流域内侵蚀量较高的地块逐渐向流域下游和各支沟沟头转移,流域沟道继续发育,并趋于稳定,但沟道溯源侵蚀依然较强烈。主沟道内受耕地开垦,煤炭开采等人为影响,水蚀作用有所加剧。六道沟流域前期和后期风蚀主要发生在主沟道东侧沟壁和流域东岸的陡峭坡面上。后期坡面上的风蚀有所减弱,这与坡面植被改善的变化趋势一致。流域风蚀东西岸不对称,流域西岸整体为风积,多片沙覆盖,东岸整体为风蚀。风蚀侵蚀量分布空间差异性也十分明显,但其集中程度比水蚀量空间分布要高。与前期相比,各产沙地层的侵蚀模数均显著减少,各地层的侵蚀产沙模数排序由马兰黄土(L1)>风成沙(S)>离石黄土上部(L2)>离石黄土下部(L3)变为马兰黄土(L1)>风成沙(S)>离石黄土下部(L3)>离石黄土上部(L2)。地层由下至上的产沙模数比值由1:1.5:5.1:4.0变为1.0:0.6:1.9:1.6。(4)由1995年到2010年,六道沟流域各集水区的相对高度、坡度、投影距离、运移距离负荷对比指数均呈减小趋势,景观格局分布更加合理,“汇”景观对土壤侵蚀过程的阻滞作用由弱于变为强于“源”景观的促进作用,水土流失危险性降低,与同期土壤侵蚀模数变化趋势相同。各集水区耕地数量由高达61.3%明显减少到不超过9.3%,草地面积比重由不超过21.9%增加到58.5%,且耕地分布的相对高度和坡度更加合理,是流域景观格局改善的主要原因。坡度负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量相关性较弱,相对高度、投影距离、运移距离负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量呈显著正相关,运移距离负荷对比指数反映土壤侵蚀过程对景观格局变化响应的效果更好。景观格局负荷对比指数与土壤侵蚀实测值之间存在较大差异,应进一步改进模拟方法以达到准确量化的目标。
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