黄土高原典型流域土壤侵蚀对退耕还林土地利用变化的响应.pdf

黄土高原典型流域土壤侵蚀对退耕还林土地利用变化的响应汪滨，张志强（1.北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083；2.山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站，临汾042200）摘要：黄土高原土壤侵蚀严重，为此中国从 1999 年起实施了大规模的退耕还林工程。为了分析退耕还林土地利用变化对土壤侵蚀的影响，该研究以黄土高原清水河流域为研究区域，将 20002020 年流域退耕还林工程的实施依据主要措施的不同划分为 4 个阶段，应用 RUSLE（reviseduniversalsoillossequation）模型分析土壤侵蚀强度的变化特征，采用情景模拟方法提出一个区分土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀影响程度的算法，判别土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度，将土地利用变化分解为土地利用转换和改造 2 种形式，在剔除降雨变化影响的基础上分析土地利用变化对土壤侵蚀的影响过程。结果表明：1）2000、2005、2011、2014 和 2020 年流域平均侵蚀模数分别为 36.21、41.02、24.93、23.72 和 8.24t/(hm2a)，土壤侵蚀强度明显下降；土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀的阶段平均影响程度分别为75.23%和 24.77%，土地利用变化在流域土壤侵蚀的变化中起了主导作用。2）流域土地利用转换区侵蚀强度的变化直接受转换过程中地类类别变更及所实施主要相关措施差异的影响，改造区侵蚀强度的变化直接受改造过程中所实施主要相关措施的影响。剔除降雨变化的影响后：改造区的阶段平均起始侵蚀模数较转换区高 43.47%，其水土流失综合治理的难度总体上大于转换区；转换区侵蚀模数的阶段平均下降量较改造区高 50.80%，改造区侵蚀量的阶段合计减少量占流域阶段合计减少量的 71.16%，土地利用转换在降低其实施地区土壤侵蚀强度方面发挥了重要作用，而土地利用改造因实施面积较大在减少流域土壤侵蚀总量方面发挥了重要作用。3）剔除降雨变化的影响后，草地侵蚀量的阶段合计变化量占流域阶段合计变化量的 70.51%，且草地阶段合计变化量中改造区占 67.41%，其变化特别是其改造对流域土壤侵蚀的影响最大。该研究在分析土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度和过程方面作了一些尝试，研究结果可为黄土高原退耕还林成果巩固及高质量发展有效措施的制定提供科学依据。关键词：土壤；侵蚀；土地利用；土地利用改造；土地利用转换；影响程度；退耕还林工程；RUSLE 模型doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202302075中图分类号：S157文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-12-0060-11汪滨，张志强.黄土高原典型流域土壤侵蚀对退耕还林土地利用变化的响应J.农业工程学报，2023，39（12）：60-70.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202302075http:/www.tcsae.orgWANGBin,ZHANGZhiqiang.ResponseofsoilerosiontolandusechangedrivenbyGrainforGreenProjectinatypicalwatershedoftheLoessPlateauJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(12):60-70.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202302075http:/www.tcsae.org0引言由于土壤抗蚀能力较弱以及人类长期的不合理土地开发利用，黄土高原属于世界上土壤侵蚀最严重的地区1-2，为了从根本上有效控制土壤侵蚀，中国于 1999年起在黄土高原实施了大规模的退耕还林工程。该工程以改变不合理的土地利用、遏制土壤侵蚀、减少入黄泥沙并兼顾生态、经济和社会效益为主要目的，以坡耕地退耕还林还草、荒山造林、封山育林和梯田建设等为主要措施3-4，实施后土地利用结构明显优化，取得了显著的综合效益尤其是水土保持效益4-6。退耕还林工程历时较长，不同阶段实施了不同的主要措施，直接驱动土地利用持续发生变化，深入研究这一变化对土壤侵蚀的影响，对于促进退耕还林成果巩固和推动退耕还林高质量发展具有重要意义。土壤侵蚀的发生是降雨、土地利用、地形、土壤等各种因素相互影响与制约的综合结果7，其中降雨和土地利用是 2 个主要影响因素8-9。黄土高原有关试验与观测研究表明，降雨量、降雨强度和土地利用都对土壤侵蚀产生了明显影响10-12。运用模型情景模拟（如 RUSLE（reviseduniversalsoillossequation）13、SWAT（soilandwaterassessmenttool）14、MMF（Morgan,MorganandFinney）15）和数理统计（如双累积曲线16、线性回归17、弹性系数18）等方法，黄土高原已开展了降雨和土地利用对退耕还林期间土壤侵蚀变化影响程度方面的研究，得出的共同结论是土地利用变化在一定程度上减轻了土壤侵蚀，但在影响程度方面存在着 2 种完全不同的结论，一些研究观点认为土地利用变化的影响程度相对较大16,18-20，另一些研究的结论则相反13,17,21。退耕还林工程的具体实施对象是相关的土地利用类型（以下简称地类），实施的结果是这些地类中部分地区（或地块）发生了地类的转换（即类别变更），如坡耕地通过退耕还林转至林地、草地通过工程整地转至耕地14,22，与此同时这些地类内未发生转换的地区（或地块）也在发生变收稿日期：2023-02-14修订日期：2023-04-13基金项目：国家科技支撑计划项目（2015BAD07B030303）作者简介：汪滨，博士生，研究方向为流域治理。Email：通信作者：张志强，教授，博士生导师，研究方向为森林水文、土壤侵蚀与流域管理。Email：Z第39卷第12期农 业 工 程 学 报Vol.39No.12602023年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJune2023化，如坡耕地实施了梯改、林草地实施了封禁，且从已有的研究来看未发生转换的面积较大14,22-23。土地利用是人类对土地自然属性的利用方式和状况24，地类转换地区所发生的变化和未转换地区所发生的变化通过改变侵蚀环境，如耕地转草地后植物由作物转变为草丛、林草地的封禁提高了植被覆盖度，都会对土壤侵蚀产生直接影响，故同时研究这 2 种变化对土壤侵蚀的影响尤其是剔除降雨变化后的影响，可完整地揭示土地利用变化对土壤侵蚀的影响过程。目前黄土高原已开展了大量有关这方面的研究，其中以对地类或区域土壤侵蚀整体变化影响的研究为主25-27，也有一些研究侧重转换对侵蚀的影响28-30，但前者没有区分这 2 种变化，后者没有关注未转换地区的变化，且均叠加了降雨变化的影响，不能直接反映土地利用变化对土壤侵蚀的影响，关于剔除降雨变化后这 2 种变化影响方面的研究少有报道。实施退耕还林工程后，一些地类对土壤侵蚀的影响最大，黄土高原已有的研究表明影响最大的地类主要有旱地和中低覆盖草地31、林地和草地32等，有的地区建设用地也发挥了重要作用33，这些研究主要依据降雨变化下地类整体或其转换地区侵蚀变化的重要性，关于剔除降雨变化后地类转换地区和未转换地区侵蚀变化重要性方面的研究也少有报道。本研究以山西省吉县清水河流域为对象，应用 RUSLE模型分析流域 20002020 年土壤侵蚀强度的变化特征，通过情景模拟判别土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀的影响程度，将土地利用变化分解为土地利用转换和土地利用改造 2 种形式，并在剔除降雨变化影响的基础上，分析退耕还林工程实施过程中这 2 种变化形式对土壤侵蚀的影响及其在影响中的相互关系和各自作用，识别影响流域土壤侵蚀变化的主要地类，以完整地反映土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度和过程，为黄土高原退耕还林成果巩固及高质量发展有效措施的制定提供科学依据。1研究流域及其退耕还林工程实施概况清水河发源于山西省吉县高天山西麓，经州川河向西南汇入黄河，是黄河中游河口镇至龙门区间左岸的一级支流。吉县水文站控制的清水河流域地理位置为1103647E110560E，36218N361623N（图1）。#!11055E11050E11045E11040E11035E11055E11050E11045E11040E11035E3615N3615N3610N3610N365N365N人祖山高天山吉县郭家垛前杨家峪段家堡山头麦原贾家塬柏坡底川庄雨院沟清水河024 km1图例Legend水文站Hydrologic station雨量站Rainfall station!山峰Mountain peak#河流RiverWatershed boundary流域边界115E110E105E100E115E110E105E40N35N黄土高原黄河N图 1清水河流域区位及水文站和雨量站分布图Fig.1LocationoftheQingshuihewatershedanddistributionsofhydrologicandrainfallstations跨吉县、乡宁两县，总土地面积 436km2，其中吉县境内占 94.67%。为黄土残塬沟壑区典型流域，土壤类型以褐土为主。属暖温带半湿润大陆性季风气候，多年平均气温 10.2，多年平均降水量 541.5mm，年内降水不均，根据吉县水文站 20002020 年的观测结果，汛期510 月降雨量占全年降水量的 86.58%。清水河流域从 2000 年起属于黄土高原退耕还林工程的重点实施地区，经历了不同的发展时期：2000 年下半年开始实施，2005 年完成退耕和造林任务；从 2008 年起进入退耕还林成果巩固期，流域所在的吉县在继续实施荒山造林和封山育林的同时，大力开展坡改梯与基本农田建设；2010 年起吉县发挥地方优势，将发展苹果产业作为成果巩固的重要举措；2014 年下半年起开始实施新一轮工程。为了完整地反映流域退耕还林工程的实施过程，本研究以 2000、2005、2010、2014和 2020年 5个标志年份为节点，将流域已进行的退耕还林实施时期（20002020 年）分为20002005、20052010、20102014 和 20142020 年 4 个时段，并依据工程实施期间主要措施的不同，将其对应的实施阶段分别分为第 1 阶段（20002005 年）、第 2 阶段（20062009 年）、第 3阶段（20102014 年）和第 4 阶段（20152020 年）。2数据与方法2.1数据来源与处理2.1.1遥感影像与土地利用分类本研究选取 2000 年 5 月 21 日 Landsat7、2005 年 6月 12 日 Landsat5、2011 年 6 月 29 日 Landsat5、2014 年5 月 20 日 Landsat8 和 2020 年 6 月 5 日 Landsat8 影像分别作为 5 个标志年份的代表影像（因 2009 年 G22 临吉高速公路的开工建设对 2010 年沿线地区土地利用的影响较大，故用 2011 年影像替代，相应的时段分别调整为20052011 和 20112014 年，对应的实施阶段分别调整为第 2 阶段（20062010 年）和第 3 阶段（20112014 年），这些影像均源自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云（http:/ 8 类。在 ERDAS9.2 中经监督分类并借助 GoogleEarth 和 91卫图的高空间分辨率影像，进行人工目视判读与修正34后得到 5 期土地利用空间分布图。利用野外实地采点数据、地块利用历史实地访问调查资料等对 5 期分类结果进行精度检验，总体解译精度均达到 90%以上。2.1.2降雨数据与侵蚀性降雨标准流域土壤侵蚀主要发生在汛期，流域内及周边共 10个站点的汛期逐日降雨数据来源于中华人民共和国水文年鉴黄河流域水文资料。依据谢云等35基于黄土高原试验小区实测数据的研究结果，将 12mm/d 作为侵蚀性降雨标准。第12期汪滨等：黄土高原典型流域土壤侵蚀对退耕还林土地利用变化的响应612.1.3土壤类型的分布和属性数据流域土壤类型的分布数据来源于山西省土壤图集，属性数据来源于山西土种志。2.1.4DEM 和 NDVI 数据DEM 数据为空间分辨率 30m 的 ASTERGDEM 影像，源自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云（http:/ 数据中 2000、2005、2011 和 2014 年数据为 510 月共 24 期分辨率 500m 的MODISNDVI 月合成影像，同样源自地理空间数据云（http:/ 2020 年分辨率 500m 的月合成影像，2020 年数据选取美国航空航天局（NASA）地球观测数据与信息系统（EOSDIS）（https:/search.earthdata.nasa.gov/）4 月 22 日至 10 月 30日共 12 期分辨率 500m 的 MODISNDVI16 日合成影像。2.2研究方法2.2.1RUSLE 模型的应用黄土高原沟蚀问题突出36，其中浅沟侵蚀分布较广37，模拟试验结果表明浅沟侵蚀量占坡面侵蚀总量的26.6%59.7%38。流域属于残塬沟壑区，沟蚀严重，参考黄土高原地区的有关研究39-41，其侵蚀强度的估算采用增加了浅沟侵蚀影响因子 G 的改进 RUSLE 模型42：A=RKLS GCP（1）式中 A 为年平均土壤侵蚀模数，t/(hm2a)；R 为降雨侵蚀力因子，MJmm/(hm2ha）；K 为土壤可蚀性因子，thm2h/(hm2MJmm）；L 和 S 分别为坡长和坡度因子，无量纲；G 为浅沟侵蚀影响因子，无量纲；C 为覆盖管理因子，无量纲；P 为水土保持措施因子，无量纲。本研究根据数据的可获取情况，选用了各因子的适当算法。1）降雨侵蚀力因子 R。降雨侵蚀力反映了降雨引起土壤侵蚀的潜在能力43，采用章文波等44基于日降雨资料提出的算法：Ri=kj=1(Pj)（2）=21.5867.1891（3）=0.8363+18.177/Pd+24.455/Py（4）式中 Ri为第 i 个半月的降雨侵蚀力值，MJmm/(hm2h）；Pj为该半月内第 j 日的侵蚀性降雨量，mm；k 为该半月内的侵蚀性降雨日数，d；和 为参数；Pd和 Py分别为研究时段内侵蚀性日降雨量和侵蚀性年降雨量的多年平均值，mm。采用泰森多边形法为各雨量站所控制的区域赋值。2）土壤可蚀性因子 K。土壤可蚀性反映了土壤性质对侵蚀的敏感程度45，采用 EPIC 模型46中的算法以及张科利等47基于中国土壤属性提出的因子值修正算法：KEPIC=0.13170.2+0.3exp0.0256Sa(1Si100)(SiCl+Si)0.310.25CoCo+exp(3.722.95Co)10.7SnSn+exp(5.51+22.9Sn)（5）K=0.01383+0.51575KEPIC（6）式中 Sa为砂粒质量分数，%；Si为粉粒质量分数，%；Cl为黏粒质量分数，%；Co为有机碳质量分数，%；Sn=1Sa/100；K 为基于中国土壤属性对 KEPIC的修正值。3）坡长因子 L 和坡度因子 S。坡长和坡度是诱发土壤侵蚀的重要地形因素，L 因子和 10以下坡度的 S 因子直接应用 RUSLE 用户手册48中的算法，10以上的 S 因子采用 LIU 等49基于实测数据提出的算法：L=(/22.13)m（7）m=/(1+)（8）=(sin/0.0896)/3(sin)0.8+0.56（9）S=10.8sin+0.03 516.8sin0.55 15115（11）5）覆盖管理因子 C。植被是土壤侵蚀的重要抑制因素，采用蔡崇法等50基于实测数据提出的算法：C=1f=00.65080.3436lg f0 78.3%（12）式中 f 为植被覆盖度，%。通过采用像元二分模型51对NDVI 数据进行反演获取。6）水土保持措施因子 P。水土保持措施也是土壤侵蚀的重要抑制因素。采用谢怡凡等52关于耕地、建设用地和水域的赋值方法，耕地（不包括梯田）按坡度分级赋值，坡度5、510、1015、1520、2025和25分别赋值 0.100、0.221、0.305、0.575、0.705 和 0.800，建设用地和水域按不发生侵蚀赋值 0。采用秦伟等53关于梯田、园地、林地和草地的赋值方法，梯田赋值 0.084，园地参照鱼鳞坑造林地一并赋值 0.187，未实施水土保持措施的林地和草地赋值 1。2.2.2土地利用变化形式的分解及数据提取在人类活动驱动下土地利用与土地覆被变化关系的分析中，TURNER等54分解并定义了不同土地利用下土地覆被的 2 种变化形式：一是土地覆被的转换，即一种覆被类型完全转至另一种覆被类型，如森林皆伐改种牧草后转至草地，二是土地覆被的改造，即土地覆被属性的改变，如草地过牧后成为退化草地，并且无论是转换还是改造，均需对土地覆被进行维护，如梯田维修、森林抚育等。本研究应用这一土地覆被变化形式分解原理，将土地利用变化分解为土地利用转换和土地利用改造，两者分别指同一空间位置上土地利用类别发生变更和未发生变更的变化。转换区和改造区的面积数据提取62农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年基于土地利用转移矩阵。2.2.3土地利用和降雨变化对土壤侵蚀影响程度的判别为了判别土地利用变化和降雨变化各自对土壤侵蚀的影响程度，本研究采用 RUSLE 模型情景模拟方法，提出了依据侵蚀模数升降变化量差值的算法：首先以土地利用与降雨共同变化实际情景下研究时段初的侵蚀模数为参照，分别计算研究时段末较时段初土地利用与降雨共同变化实际情景下侵蚀模数的升降变化量（A）、仅土地利用变化模拟情景下侵蚀模数的升降变化量（Al）和仅降雨变化模拟情景下侵蚀模数的升降变化量（Ar），然后计算 Al和 Ar分别与 A 的差值（D），最后将这一差值在总差值（均取绝对值）中的比重作为影响程度（E，%）的判别依据。仅土地利用变化和仅降雨变化对土壤侵蚀影响程度（分别为 El和 Er）的计算方法如下：El=1Dl/(Dl+Dr)（13）Er=1El（14）Dl=|AlA|（15）Dr=|ArA|（16）A=AeAb（17）Al=AlAb（18）Ar=ArAb（19）式中 Dl和Dr分别为仅土地利用变化模拟情景和仅降雨变化模拟情景下侵蚀模数升降变化量的差值（t/(hm2a)），Ab和 Ae分别为研究时段初和时段末土地利用与降雨共同变化实际情景下的侵蚀模数，Al和 Ar分别为研究时段末仅土地利用变化模拟情景和仅降雨变化模拟情景下的侵蚀模数，t/(hm2a)。在 RUSLE 模型因子中，K、L、S 和 G 因子短时期内相对稳定，R 和 C 因子逐年发生变化17，因水土保持措施贯穿于整个退耕还林工程实施过程之中，P 因子也会在短时期内发生变化，参考黄土高原地区的有关研究，将 C 和 P 作为反映土地利用变化的因子19-20。Ab、Ae、Al和 Ar的计算如下：Ab=RbKLS GCbPb（20）Ae=ReKLS GCePe（21）Al=RbKLS GCePe（22）Ar=ReKLS GCbPb（23）以上各因子的计算方法与式（1）相同。仅土地利用变化模拟情景下各地类及流域转换区和改造区时段初、末的平均侵蚀模数均分别依据式（20）和式（22）计算。2.2.4影响土壤侵蚀变化的主要土地利用类型识别为了兼顾地类侵蚀的强度和面积，避免地类侵蚀强度变化大而面积变化小或侵蚀强度变化小而面积变化大2 种极端情况并剔除降雨变化的影响，本研究依据仅土地利用变化情景的模拟结果，将侵蚀量变化的大小作为主要影响地类的识别指标。由于各地类转换区与改造区侵蚀量的变化可能有增有减，且这样的增和减均是地类变化影响土壤侵蚀的结果，本研究提出了依据侵蚀量增减变化绝对值来识别主要影响地类的算法，计算式如下：Wi=Mi/ni=1Mi（24）Mi=|Mci|+|Mmi|（25）式中 Wi为地类 i 侵蚀量合计变化量的贡献率，%；Mi为地类 i 侵蚀量的合计变化量，万 t；Mci和 Mmi分别为地类 i 转换区和改造区侵蚀量的增减变化量，万 t。3结果与分析3.1土壤侵蚀变化基本特征根据水力侵蚀强度分级国家行业标准55，将流域土壤侵蚀强度划分为微度、轻度、中度、强烈、极强烈和剧烈 6 个级别。在 ArcGIS9.3 中计算 RUSLE 模型，得到流域 2000、2005、2011、2014 和 2020 年的土壤侵蚀强度图，对侵蚀强度进行分级，得到土壤侵蚀强度分级空间分布图（图 2），叠加分析土壤侵蚀强度图与土地利用图，得到流域各地类的平均土壤侵蚀模数（表 1）。a.2000年b.2005年c.2011年e.2020年d.2014年N03612 km微度Tolerant轻度Slight中度Moderate强烈Intensive极强烈Extremely intensive剧烈Severe级别Grade图 2清水河流域20002020年土壤侵蚀强度分级空间分布Fig.2SpatialdistributionofsoilerosionintensitygradesintheQingshuihewatershedfrom2000to2020由图 2 可知，微度侵蚀主要分布在高天山和人祖山山区、东部和中部大部残塬地区以及清水河河谷地带，与2000 年相比较，2005、2011、2014 和 2020 年其分布范围依次明显扩大；轻度、中度和强烈侵蚀主要分布在山地周边、部分残塬和河谷两侧地区，2005、2011 和 2014 年其分布范围稳定缩小，2020 年明显缩小；极强烈和剧烈侵蚀主要分布在沟壑地区，2005、2011、2014 和 2020 年其分布范围总体上呈依次缩小趋势。由表 1 可知，2000 年流域平均侵蚀模数 36.21t/(hm2a)，侵蚀强度属于中度级别，第12期汪滨等：黄土高原典型流域土壤侵蚀对退耕还林土地利用变化的响应632005 年升至 41.02t/(hm2a)，接近强烈级别，2011 年大幅降至 24.93t/(hm2a)，进入轻度级别，2014 年继续降至23.72t/(hm2a)，仍保持轻度级别，2020 年大幅降至8.24t/(hm2a)，进入微度级别。由表 1 还可以看出：2000 年草地平均侵蚀模数高达53.04t/(hm2a)，属于强烈级别，而园地只有5.43t/(hm2a)，属于微度级别，表明除建设用地和水域外，退耕还林初各地类之间的平均侵蚀模数差异较大；与前一年份相比较，2005 年除草地上升外，其他地类均为下降，而2014 年除有林地下降外，其他地类均为上升，2011 和2020 年各地类则均为下降，2005、2011 和 2014 年各地类平均侵蚀模数自高至低的排序依次为草地、疏林地、灌木林地、耕地、有林地和园地，2020 年的排序则依次为草地、疏林地、耕地、灌木林地、园地和有林地，表明通过不同阶段退耕还林措施的实施，各地类的平均侵蚀模数总体处于下降趋势，但地类之间仍存在明显差异。表1清水河流域 20002020 年土地利用类型的平均土壤侵蚀模数Table1AveragesoilerosionmodulioflandusetypesintheQingshuihewatershedfrom2000to2020土地利用类型Landusetype2000 年2005 年2011 年2014 年2020 年面积Area/hm2侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)面积Area/hm2侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)面积Area/hm2侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)面积Area/hm2侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)面积Area/hm2侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)耕地Farmland6152.0813.564004.9812.843323.4910.911967.8712.281549.687.32园地Orchard346.405.43792.665.162741.344.646331.285.097389.793.21有林地 Woodland 2158.519.873064.518.554493.527.126787.806.318650.572.16疏林地Sparsewoodland434.3636.951016.7333.021280.8729.262247.2832.174566.489.48灌木林地Shrubland10039.8516.6211460.1814.2712400.1912.0914634.6513.6311247.974.03草地Grassland24307.5153.0423003.9665.6318829.3843.4710852.0761.119176.3623.65建设用地Constructionland158.320.00252.770.00529.410.00768.540.001007.630.00水域Waterbody2.970.004.210.001.800.0010.510.0011.520.00流域Watershed43600.0036.2143600.0041.0243600.0024.9343600.0023.7243600.008.243.2土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度在土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀影响程度的情景模拟过程中，将侵蚀性降雨量作为降雨变化的计算依据。流域 19952020 年侵蚀性降雨量的变化见图 3，其中退耕还林实施前（19951999 年）与 4 个阶段（分别为20002005、20062010、20112014 和20152020 年）的年均侵蚀性降雨量分别为 269.0、333.6、317.9、434.6 和 331.3mm。TFPWMK 趋势性检验结果为：显著性检验统计量Z=1.761.64，表明在显著性水平 0.10 下 19952020 年的侵蚀性降雨量呈显著增加趋势（P=0.0780.10，年均变化率 3.7mm）。0100200300400500600侵蚀性降雨量Erosive rainfall/mm年份Year19951996199719981999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020图 3清水河流域 19952020 年侵蚀性降雨量的变化Fig.3ChangeofannualerosiverainfallintheQingshuihewatershedfrom1995to2020依据式（13）（23）模拟了流域土地利用和降雨变化各自对土壤侵蚀的影响程度，结果见表 2。表2清水河流域土地利用和降雨变化对土壤侵蚀影响程度的模拟结果Table2SimulationsofeffectdegreesoflanduseandrainfallchangeonsoilerosionintheQingshuihewatershed模拟时间Simulationtime情景Scenario20002005 年20052011 年20112014 年20142020 年4 个时段平均Averageover4periods侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)影响程度Effectdegree/%侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)影响程度Effectdegree/%侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)影响程度Effectdegree/%侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)影响程度Effectdegree/%侵蚀模数Erosionmodulus/(thm2a1)影响程度Effectdegree/%时段初期BeginningofperiodS136.2141.0224.9323.7231.47时段末期EndofperiodS141.0224.9323.728.2424.48S230.6749.4629.1270.5817.5961.719.8061.8621.8075.23S351.1550.5434.9829.4233.6038.2910.7738.1432.6224.77注：S1、S2 和 S3 分别表示土地利用与降雨共同变化情景、仅土地利用变化情景和仅降雨变化情景。Note:S1,S2andS3representscenarioofsimultaneouschangeoflanduseandrainfall,scenarioofonlylandusechangeandscenarioofonlyrainfallchange,respectively.由表 2 可知第 1 阶段、第 3 阶段末较阶段初仅土地利用变化情景下的流域平均侵蚀模数分别下降 5.54 和7.34t/(hm2a)，仅降雨变化情景下的流域平均侵蚀模数分别上升 14.94 和 8.67t/(hm2a)，第 1 阶段仅土地利用变化和仅降雨变化对土壤侵蚀的影响程度分别为 49.46%和50.54%，差距较小，表明土地利用变化和降雨变化在流64农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年域土壤侵蚀的变化中起了同等重要的作用，第 3 阶段的影响程度分别为 61.71%和 38.29%，差距明显，表明土地利用变化起了主导作用。第 2 阶段、第 4 阶段末较阶段初仅土地利用变化情景和仅降雨变化情景下的流域平均侵蚀模数均为下降，第 2 阶段分别下降 11.90 和 6.04t/(hm2a)，第 4 阶段分别下降 13.92 和 12.95t/(hm2a)，这 2 个阶段仅土地利用变化的影响程度分别为 70.58%和 61.86%，明显大于仅降雨变化的影响程度（分别为 29.42%和 38.14%），表明土地利用变化在流域土壤侵蚀的变化中都起了主导作用。综上可知，仅土地利用变化情景下的流域侵蚀模数阶段平均下降 9.67t/(hm2a)，仅降雨变化情景下侵蚀模数阶段平均上升 1.15t/(hm2a)，两者对土壤侵蚀的影响程度分别为 75.23%和 24.77%，前者明显大于后者，表明土地利用变化在流域土壤侵蚀的变化中总体上起了主导作用。3.3土地利用变化对土壤侵蚀的影响过程3.3.1土地利用转换和改造过程对土壤侵蚀的影响为了分析流域退耕还林不同阶段土地利用转换和改造过程对土壤侵蚀的影响，依据了土地利用转移矩阵和仅土地利用变化情景下阶段初和阶段末各地类转换区与改造区平均侵蚀模数的模拟结果。第 1 阶段退耕还林工程实施的主要措施为坡耕地退耕、荒山造林（包括补植，配套了鱼鳞坑整地等）和封山育林，未退耕地和园地加强了相关水土保持措施，如坡耕地梯改和水保耕作、园地整治等，并且这些措施实施后草地、灌木林地、疏林地和有林地内部及之间植被的恢复与更新演替开始见效，由此驱动的土地利用转换和改造过程影响了各地类转换区和改造区土壤侵蚀强度的变化。耕地转草地、草地转 3 类林地是此阶段的主要转换过程，地类类别的变更（改变了转换区的土壤侵蚀环境）及所实施主要相关措施的差异直接影响流域土地利用转换区侵蚀强度的变化。以坡耕地退耕为例，地类类别从耕地主要转至草地，所实施的主要相关措施由水保耕作转为草地植被封禁，由于地类的侵蚀强度本身已经蕴涵了地类类别和实施措施的影响，因而这一过程主要属于侵蚀强度较低地类向侵蚀强度较高地类转换的过程，耕地转换区的平均侵蚀模数由 17.03t/(hm2a)升至 21.48t/(hm2a)（图 4a）。耕地、灌木林地和草地的改造是此阶段的主要改造过程，所实施的主要相关措施直接影响流域土地利用改造区侵蚀强度的变化。以灌木林地为例，补植和封禁实施后改造区植被的恢复与更新演替开始见效，平均侵蚀模数由16.58t/(hm2a)降至 6.90t/(hm2a)（图 4b）。第 2 阶段为退耕还林成果巩固期，在继续实施第 1阶段造林和封禁措施的同时，地方政府开展了新果园建设和荒坡垦殖，以提高退耕后农民的生活水平并解决粮食问题，期间草地和 3 类林地内部及之间植被的恢复与更新演替效果明显。耕地转园地、疏林地和灌木林地转有林地、草地转耕地和 3 类林地是此阶段的主要转换过程，以疏林地为例，在主要转至有林地的过程中，主要实施措施均为补植和封禁，但地类类别发生变更，转换过程主要属于侵蚀强度较高地类向侵蚀强度较低地类的转换，转换区的平均侵蚀模数由阶段初的 27.11t/(hm2a)降至阶段末的 20.41t/(hm2a)（图 4c）。有林地、灌木林地和草地的改造是此阶段的主要改造过程，以有林地为例，补植和封禁后植被的恢复与更新演替明显见效，改造区的平均侵蚀模数由 8.51t/(hm2a)降至 6.61t/(hm2a)（图 4d）。010203040耕地Farmland园地Orchard有林地Woodland疏林地Sparse woodland灌木林地Shrubland草地Grassland建设用地Constructionland水域Water body侵蚀模数Erosion modulus/(thm2a1)土地利用类型Land use typea.转换区(20002005年)a.Conversion regions(from 2000 to 2005)60耕地Farmland园地Orchard有林地Woodland疏林地Sparse woodland灌木林地Shrubland草地Grassland建设用地Constructionland水域Water body侵蚀模数Erosion modulus/(thm2a1)土地利用类型Land use type0153045b.改造区(20002005年)b.Modification regions(from 2000 to 2005)010203040侵蚀模数Erosion modulus/(thm2a1)耕地Farmland园地Orchard有林地Woodland疏林地Sparse woodland灌木林地Shrubland草地Grassland建设用地Constructionland水域Water body土地利用类型Land use typec.转换区(20052011年)c.Conversion regions(from 2005 to 2011)020406080侵蚀模数Erosion modulus/(thm2a1)耕地Farmland园地Orchard有林地Woodland疏林地Sparse woodland灌木林地Shrubland草地Grassland建设用地Constructionland水域Water body土地利用类型Land use typed.改造区(20052011年)d.Modification regions(from 2005 to 2011)400102030侵蚀模数Erosion modulus/(thm2a1)耕地Farmland园地Orchard有林地Woodland疏林地Sparse woodland灌木林地Shrubland草地Grassland建设用地Constructionland水域Water body土地利用类型Land use typee.转换区(20112014年)e.Conversion regions(from 2011 to 2014)015304560侵蚀模数Erosion modulus/(thm2a1)耕地Farmland园地Orchard有林地Woodland疏林地Sparse woodland灌木林地Sh