85年来黄土高原小流域土壤侵蚀对植被和梯田变化的响应

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      自20世纪50年代以来，黄土高原实施了一系列水土保持措施。尽管许多研究评估了土壤保护措施对黄土高原土壤侵蚀的影响，但关注特定流域内人类活动的长期影响仍然至关重要，意义重大。本研究旨在调查1938年至2022年黄土高原纸坊沟流域土壤侵蚀对土地利用变化的响应。

      研究目的如下：

    （1）探讨1938-2022年流域内长期土地利用变化对土壤侵蚀的影响；

    （2）评价土壤侵蚀的时空变化及其对植被和梯田变化的响应。

图1  研究区地理位置示意图 

      纸坊沟（ZFG）小流域位于中国陕西省安塞县。它是延河的一条二级支流，位于黄土高原丘陵区。1938年以前，纸坊沟流域拥有丰富的森林和草地，保持着自然生态平衡。1999年实施“退耕还林”工程，流域生态环境明显改善。长期的土壤侵蚀监测和研究为评价流域土壤侵蚀变化和分析流域潜在原因积累了科学数据。因此，选取纸坊沟流域为研究区域，结合遥感图像和土壤、植被和土壤保持措施的现场数据，采用中国土壤流失方程（CSLE）模型，CSLE通常用于预测许多地区的土壤侵蚀率，使用CSLE模型来计算土壤流失率并研究侵蚀强度。

（a）土地利用的时空趋势

        1938年至2022年的土地利用变化如图2所示。研究结果强调了研究期间流域内土地利用的重大变化。1938年，ZFG流域的主要土地利用类型为林地和草地，占总面积的88.43%（图3）。1958年，农田已成为主要的土地利用类别，占流域面积的55.98%。经过几十年的流域综合治理，2022年，林地和草地再次成为主要的土地覆盖类型，约占研究面积的82.40%。2022年，未使用土地从10.56%下降到0%，果园和建筑用地分别略微增到总面积的3.78%和2.30%，整个流域分布分散。

图2  1938年至2022年ZFG流域的土地利用分布

图3  1938年至2022年ZFG流域的土地利用变化

(b)土壤侵蚀的时空变化

      根据CSLE模型，1938年至2022年ZFG流域土壤流失率的空间分布和时间变化如图4、5所示。1938年，约65.45%的研究区域为土壤流失区，主要集中在陡坡农田和草地。1938年至1958年间，林地转为农田和闲置土地，导致年平均土壤流失率大幅上升，从34.86 t·ha⁻¹·yr⁻¹上升到104.11 t·ha^-1·yr^-1。然而，从20世纪70年代开始，由于各种水土保持措施的有效实施，年均水土流失率开始下降，直至2022年，土壤流失率低于5 t·ha⁻¹·yr⁻¹的地区占流域面积的58.98%，这表明ZFG流域大部分地区都采取了有效的土壤侵蚀控制措施。

图4  ZFG流域各时期土壤侵蚀强度空间分布

图5  ZFG流域各时期土壤侵蚀强度的变化

(c)人类活动对侵蚀变化的影响变化

      从1938年到2022年，植被和梯田对土壤侵蚀变化的贡献百分比如表1所示。1958年的土壤流失率比1938年增加了69.26 t·ha⁻¹·yr⁻¹，这是人类活动加速土壤流失最快的时期。林地和草地的比例从1938年的88.43%下降到1958年的32.20%，然后在2004年上升到76.75%。与1938年相比，植被的减少加剧了土壤侵蚀，尽管恶化程度随着时间的推移而下降。梯田对土壤侵蚀的影响是由有梯田和没有梯田的情景之间的估计差异决定的，导致从1991年到2022年减少了1.42–3.84 t·ha⁻¹·yr⁻¹。这些结果表明，在过去的85年里，与梯田建设相比，ZFG流域的植被变化是影响土壤流失快速增加或减少的最突出因素。

表1  ZFG流域各时期土壤侵蚀减少的归因（与1938年相比）

      本研究中，我们检验了流域尺度上土壤流失率、植被覆盖度和梯田面积之间的关系（图6）。在1938年至2022年期间，ZFG流域的土地利用发生了重大变化，不可避免地影响了土壤侵蚀。因此，我们将研究期分为四个阶段：森林砍伐和开垦（1938-1958）、农业发展（1958-1985）、综合流域管理（1985-1999）和植树造林（1999-2022）。在森林砍伐和开垦阶段，植被遭到严重破坏，大部分林地转为农田，导致森林面积比例仅为0.13%。土地利用和土壤侵蚀的空间分布表明，坡耕地对土壤侵蚀的贡献最大。这就解释了在农业发展阶段观测到的最高土壤流失率。自20世纪80年代以来，ZFG流域被选为小流域综合治理试点地区，实施了退耕还林还草、梯田、淤地坝等多种水土流失治理措施。梯田建设有效地控制了坡耕地的侵蚀。1999年，中国政府启动了退耕还林还草工程。林草覆盖率从1999年的64.75%上升到2022年的82.40%。梯田面积也从1991年的47.03hm²迅速增加到2011年的91.71hm²，然后趋于稳定。到2022年，流域平均土壤流失率已低于黄土高原允许的土壤流失阈值。

图6   ZFG流域植被和梯田的土壤流失率变化

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      1938年至2022年，由于人类干预，研究区域的土地利用发生了重大变化。森林的比例从1938年的61.46%下降到1958年的0.13%，农田的比例从11.12%上升到55.98%。土壤侵蚀日益严重，整个流域的模拟土壤流失率从1938年的34.86 t·ha⁻¹·yr⁻¹增加到1958年的104.11 t·ha^-1·yr^-1。然而，随着水土保持措施和“退耕还林”计划的实施，到2022年，森林和草原的比例达到82.40%，土壤流失率为5.87 t·ha⁻¹·y^r−1。

      植被覆盖率的增加和梯田建设有效地控制了土壤侵蚀。定量分析显示，植被覆盖率的增加对减少纸坊沟流域的土壤侵蚀有更大的影响，到2022年，占纸坊沟流域土壤侵蚀减少量的86.10%。本研究结果揭示了土壤保持措施对黄土高原土壤侵蚀的精确影响和有效性，研究结果为探索黄土高原水土保持措施规划提供了可靠的参考。

      本研究的研究区域仅限于一个典型流域，但黄土高原不同地区的地形、气候、植被等条件存在差异，选取更多不同典型性的小流域进行长期观测，以推广研究结果至整个黄土高原。同时，研究未考虑气候变化对土壤侵蚀的影响，未来可考虑气候变化对土壤侵蚀的影响，并建立耦合气候变化的土壤侵蚀模型。