杨艳芬,王 兵,*,王国梁,李宗善

1 西北农林科技大学水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 杨凌 712100 2 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085

黄土高原地域广阔,气候类型多样,自然地理条件复杂、空间组合变化明显,水土流失与治理模式区域差异显著[1-2]。为了有效治理水土流失,因地制宜、科学化、区域化、具体化的配置治理方案与措施,需要对黄土高原进行区域划分并分区提出防治对策[3-6]。黄秉维依据土壤侵蚀营力、类型、发展趋势及治理途径的区域相似性和差异性,将黄土高原分为3个一级区(风蚀区、风蚀水蚀区、水蚀区),25个二级区,10个亚区[7],奠定了侵蚀分区研究的基础[4]。朱显谟基于生物气候特征和土地利用现状,将黄土高原划分为风沙草原地带、草原地带、森林草原地带、森林地带,并进一步划分为25个区[8]。国家发展和改革委员会依据专题性分区、自然条件和资源组合特征的相对一致性、综合治理措施的相对一致性、行政区界的相对完整性、综合治理方案实施和监督管理的差异性、趋同性和类聚性等原则,将黄土高原划分为6个综合治理区,即黄土高塬沟壑区、黄土丘陵沟壑区、土石山区、河谷平原区、沙地和沙漠区、农灌区[3]。考虑到黄土高原水土流失治理技术和模式的区域性差异,本文在国家发改委分区的基础上,对上述6个分区进行合并和进一步划分,并探讨各分区的气候、地形地貌、植被特征及水土流失现状,以期为黄土高原水土流失治理技术和模式的改良优化提供依据。

1 数据与方法

参照国家发改委的分区方法,依据自然条件、水土流失治理技术和模式的区域性特征及差异,在ARCMAP界面中,基于国家基础地理信息系统数据的县级行政界,对其进行合并,进行生态分区的划分。

高程、坡度和坡长数据来自国家地球系统科学数据中心共享服务平台,数据分辨率均为90 m。降水和气温数据采用中国国家气象信息中心发布的CN05.1格点数据。该数据基于中国2416个气象站点,采用薄盘样条法和角距权重法对实测逐日降水和气温数据进行插值。其空间分辨率为0.25°×0.25°,时间分辨率为日[9]。植被数据采用GIMMS数据,空间分辨率为8 km,数据长度为1982—2015年,本研究采用最大合成法得到年NDVI数据。输沙量数据来自黄河流域和海河流域的水文年鉴,受序列长度所限,采用了黄土高原及其边界附近2002—2015年247个水文站的输沙量数据。在生态分区的基础上,借助ARCMAP,对上述各要素进行分区统计,探讨各要素的时空分布特征。

2 黄土高原生态分区及概况

2.1 黄土高原生态分区

图1 黄土高原生态分区Fig.1 Ecological Regionalization of the Loess Plateau A：黄土高塬沟壑区,A1：黄土高塬沟壑区A1副区,A2：黄土高塬沟壑区A2副区,B：黄土丘陵沟壑区,B1：黄土丘陵沟壑区B1副区,B2：黄土丘陵沟壑区B2副区,C：沙地和农灌区,D：土石山区及河谷平原区

基于国家发改委的分区原则及方法,考虑了黄土高原水土流失治理技术和模式及生态恢复建设工程的区域性差异,通过分析和综合,本文将黄土高原划分为4个生态分区：(A)黄土高塬沟壑区,(B)黄土丘陵沟壑区,(C)沙地和农灌区,(D)土石山区及河谷平原区。其中黄土高塬沟壑区以六盘山为界,划分为A1和A2两个副区；黄土丘陵沟壑区以毛乌素沙漠南缘为界,划分为B1和B2两个副区,如图1所示。

黄土高塬沟壑区面积21.8 km2,其中A1和A2副区面积分别为12.4 km2和9.4 km2,A1副区包括甘肃、青海、宁夏三省共51个县,A2副区包括甘肃、陕西、宁夏三省共41个县。黄土丘陵沟壑区面积12.9 km2,其中B1和B2副区面积分别为5.5 km2和7.4 km2,B1副区包括陕西、山西、内蒙三省共22个县,B2副区包括陕西和山西两省共35个县。沙地和农灌区面积13.5 km2,包括内蒙、宁夏两省共30个县。土石山区及河谷平原区面积17.9 km2,包括内蒙、宁夏、陕西、河南四省共122个县。

黄土高原地貌类型多样,由丘陵、高塬、阶地、平原、沙漠、干旱草原、高地草原、土石山地等组成,其中山区、丘陵区、高塬区占2/3 以上[3]。

黄土高原高程落差较大,海拔在85—5100 m之间。总的地势是西南高,东南低。黄土高塬沟壑区A1副区地势最高,高程在1186—5100 m之间,均值为2268 m；土石山区及河谷平原区最低,在85—3748 m之间,均值为1060 m；其他分区高程较为接近。坡度和坡长最大值分别在77.4—87.3°之间和1070—1860 m之间。坡度和坡长也存在分区差异,且规律较为一致。都表现为黄土高塬沟壑区坡度和坡长最大,丘陵沟壑区B2副区次之,坡度均值在16.5—17.6°之间,坡长在60.5—68.4 m之间。沙地及农灌区最小,坡度均值仅为7.5°,坡长均值为32.9 m。如图2和表1所示。

图2 生态分区高程、坡度、坡长空间分布Fig.2 Spatial pattern of elevation, slope and slope length for ecological regionalization

2.2 降水和气温的时空分布

黄土高原位于我国东西部之间半湿润区向干旱区过渡地带[10],降水地区分布很不平衡,总的趋势是由东南向西北、由山地向平地递减[11-13]。降水量年际变化很大,丰水年和干旱年降水量相差2—5倍,干旱发生机率高。降水年内分布很不均匀,且以暴雨形式为主[3]。

表1 生态分区高程、坡度、坡长特征值统计

图3 生态分区不同年代降水量空间分布Fig.3 Spatial pattern of precipitation for ecological regionalization in different decades

1961—2015年,黄土高原多年平均降水量为447 mm,具有很强的空间变异性,表现为从东南向西北递减的趋势。东南部的土石山区及河谷平原区、黄土高塬沟壑区A2副区、黄土丘陵沟壑区B2副区的多年平均降水量高于黄土高原平均水平。沙地及农灌区降水量最小,仅有266 mm。如图3所示。

不同年代面均降水量显示(表2),黄土高原范围内,降水量最大值出现于60年代,60—90年代降水量持续减少,由461 mm减少到428 mm,2000—2015年降水量有所增加,均值为454 mm。黄土高塬沟壑区、沙地及农灌区、土石山区及河谷平原区的最大降水量出现于60年代,黄土丘陵沟壑区的降水量最大值出现于2000—2015年,各分区降水量最小值出现于80或90年代。线性拟合结果显示,丘陵沟壑区B2副区降水量呈增加趋势,其他分区呈减小趋势,变化均不显著。

降水量越大的分区,年代降水量最大值和最小值差异也越大,说明年降水波动剧烈,其中黄土高塬沟壑区A2副区、土石山区及河谷平原区最大值和最小值分别相差71 mm和73 mm,黄土高塬沟壑区A1副区、沙地及农灌区的降水量小且较为稳定,最大最小值分别相差27 mm和30 mm。

表2 黄土高原生态分区降水量/mm

黄土高原属大陆性季风气候,全年≥10℃的积温2300—4500℃,无霜期120—250 d,日照时数1900—3200 h[3]。

黄土高原1961—2015年多年平均气温为7.3℃。气温的空间格局也存在很大变异性,如图4所示,东南部高塬沟壑区A2副区、土石山区和河谷平原区气温最高,土石山区及河谷平原区次之,均高于黄土高原平均水平,分别为8.7℃、8.7℃、8.1℃,高塬沟壑区A1副区气温最低,仅为4.9℃。

时间上,黄土高原和各分区的面平均气温都呈非显著增加趋势,60—80年代相对稳定,90年代以来增温明显,如表3所示。

图5 生态分区不同年代NDVI空间格局Fig.5 Spatial pattern of NDVI for ecological regionalization in different decades

生态分区Ecological regionalization年代Time1961—20151961—19691970—19791980—19891990—19992000—2015黄土高塬沟壑区A1Loess sorghum gully region A14.94.44.44.45.05.6黄土高塬沟壑区A2Loess sorghum gully region A28.78.38.48.38.99.3黄土丘陵沟壑区B1Loess hilly and gully region B16.35.75.85.86.66.9黄土丘陵沟壑区B2Loess hilly and gully region B28.17.77.87.78.48.7沙地及农灌区CSandy land and agricultural irrigation region C7.06.26.36.67.47.8土石山区及河谷平原区DEarth-rocky mountainous, and river valley plain region D8.78.38.48.38.99.

2.3 植被特征

黄土高原1982—2015年多年平均NDVI为0.56,存在很大的空间差异,整体上呈现从东南向西北递减的趋势(图5)。土石山区及河谷平原区、黄土高塬沟壑区A2副区的植被覆盖度最高,多年平均NDVI分别为0.69和0.68,黄土丘陵沟壑区B2副区和黄土高塬沟壑区A1副区的植被覆盖度次之,NDVI分别为0.56和0.55,黄土丘陵沟壑区B1副区的NDVI为0.49,沙地及农灌区植被覆盖度最低,NDVI仅为0.36。

不同年代NDVI变化特征如表4所示。80年代以来,黄土高原和各生态分区都表现为植被覆盖度逐渐增加。相对于80年代,90年代的NDVI增加了0.01—0.03,2000—2015年增加了0.02—0.07,2000年以后植被覆盖增长速度高于90年代。相对于80年代,近15年黄土高原的NDVI增加了0.04,各生态分区的增加量各有不同,其中黄土高塬沟壑区、土石山区及河谷平原区的增加量较小,为0.02—0.03,黄土丘陵沟壑区的增加量最大,为0.06—0.07,说明黄土丘陵沟壑区大面积的退耕还林(草)等生态建设颇具成效,能够有效提高植被覆盖度。

表4 黄土高原生态分区NDVI

2.4 侵蚀产沙时空变化特征及水土流失现状

黄土高原侵蚀产沙受自然和人为双重因素的影响,具有明显的时空分异特征[14-16]。为了说明其时空变化,依据水电部(1984)侵蚀强度等级标准(表5),将不同时期各侵蚀强度所对应的面积比例进行对比,如表6所示。

大规模水土保持措施实施和水利工程建设以前(1970年以前),受人类活动影响相对较少,体现了自然状态下的侵蚀产沙状况。在该时期,微弱侵蚀(<1000 t km-2a-1)区域的面积为26.1%,强度侵蚀以上(>5000 t km-2a-1)的面积比例为25.7%,主要分布在渭河、泾河、北洛河上游地区以及无定河中下游、窟野河、秃尾河等流域,这基本上与黄土丘陵沟壑区范围一致。其中,侵蚀产沙剧烈(>15000 t km-2a-1)的区域面积占4%,主要分布在延安-榆林一带和内蒙古砒砂岩地区[17]。

表5 水电部(1984)侵蚀产沙强度等级划分标准

表6 黄土高原侵蚀产沙强度时间变化特征

70年代,微弱侵蚀的面积增加到34.4%,强度侵蚀以上的区域面积比例降低到19.2%,主要分布于西峰-延安-榆林-东胜一带,极强度侵蚀在其范围内呈条带状分布[17]。

80年代,微弱侵蚀区域范围增加到42.1%,强度侵蚀以上的区域面积比例进一步降低,占9.6%,范围收缩为两个相对较小的区域,分别位于西峰-延安一带和东胜-朔州之间[17]。

图6 2002—2015年黄土高原输沙模数空间分布Fig.6 Spatial pattern of sediment transport modulus during 2002—2015

2002—2015年,黄土高原侵蚀产沙的空间格局发生了重大变化,主要表现在侵蚀强度和范围两个方面(图6)。侵蚀产沙的强度显著减弱,多年平均输沙模数在0.13—3924 t km-2a-1之间,中度侵蚀(2500—5000 t km-2a-1)的区域范围较小,仅占1.1%,主要分布于第二高塬沟壑区的泾河流域。轻度侵蚀(1000—2500 t km-2a-1)的区域范围稍大,面积比例为14.4%,主要分布在泾河、无定河、清涧河、北洛河、苦水河、秃尾河、窟野河流域。其他大部分区域(面积比例84.6%)的侵蚀强度都属于微弱侵蚀(<1000 t km-2a-1)。80年代强度侵蚀以上的区域,侵蚀强度已降为中度侵蚀,且范围发生了明显萎缩；80年代中度侵蚀和轻度侵蚀的区域,侵蚀强度已降为轻度侵蚀或微弱侵蚀。各生态分区侵蚀模式特征值统计结果显示(表7),高塬沟壑区A2副区的土壤侵蚀最为严重,侵蚀模数在155—3924 t km-2a-1之间,均值为1118 t km-2a-1。丘陵沟壑区B2副区次之,侵蚀模数在18.3—3245 t km-2a-1之间,均值为994 t km-2a-1。其他分区侵蚀模数的均值在180—560 t km-2a-1之间,其中土石山区及河谷平原区的侵蚀模数最小。

表7 生态分区2002—2015年输沙模式特征值统计

3 结论

本文依据国家发改委的黄土高原生态分区,在考虑水土流失治理技术和模式的区域性差异的基础上,将黄土高原划分为黄土高塬沟壑区,黄土丘陵沟壑区,沙地和农灌区,土石山区及河谷平原区。其中黄土高塬沟壑区进一步划分为A1和A2两个副区；黄土丘陵沟壑区划分为B1和B2两个副区。

黄土高原多年平均降水量447 mm,丘陵沟壑区B2副区降水量呈增加趋势,其他分区呈减小趋势,变化均不显著。黄土高原多年平均气温为7.3℃,各分区的面平均气温均呈非显著增加趋势,90年代以来增温明显。黄土高原多年平均NDVI为0.56,80年代以来,黄土高原和各生态分区的植被覆盖度均逐渐增加,黄土高塬沟壑区、土石山区及河谷平原区的增加量较小,黄土丘陵沟壑区的增加量最大。

1970年以来,黄土高原侵蚀产沙强度减弱趋势显著,强度侵蚀以上等级的侵蚀强度范围明显萎缩。至2002—2015年,多年平均输沙模数在0.13—3924 t km-2a-1之间,侵蚀强度最大为中度侵蚀(2500—5000 t km-2a-1),但面积较小,主要分布于第二高塬沟壑区的泾河流域。