气候、地表覆被变化对砒砂岩区风蚀时空变化的影响.pdf

第3 0卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持研究R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 0,N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 8 修回日期:2 0 2 2-1 1-0 1 资助项目:国家重点研发计划项目课题(2 0 2 2 Y F F 1 3 0 0 8 0 5);国家自然科学基金项目(U 2 2 4 3 2 1 0,4 1 8 0 7 0 7 0)第一作者:杜睿哲(1 9 9 6),男,内蒙古乌兰察布人,硕士研究生,主要从事生态水文与土壤侵蚀研究。E-m a i l:d u r u i z h e 0 8 0 81 6 3.c o m 通信作者:付金霞(1 9 7 8),女,甘肃靖远人,副教授,博士,主要从事气候变化、土地利用覆被变化与土壤侵蚀研究。E-m a i l:f u j i n x i a 4 0 5n w s u a f.e d u.c nh t t p:s t b c y j.p a p e r o n c e.o r gD O I:1 0.1 3 8 6 9/j.c n k i.r s w c.2 0 2 3.0 5.0 5 0.杜睿哲,李文栋,高文浩,等.气候、地表覆被变化对砒砂岩区风蚀时空变化的影响J.水土保持研究,2 0 2 3,3 0(5):3 1-4 0.D UR u i z h e,L IW e n d o n g,GAO W e n h a o,e t a l.I n f l u e n c eo fC l i m a t ea n dS u r f a c eC o v e rC h a n g e so nS p a t i o t e m p o r a lC h a n g e so fW i n dE r o s i o ni nP i s h aS a n d s t o n eA r e aJ.R e s e a r c ho fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,2 0 2 3,3 0(5):3 1-4 0.气候、地表覆被变化对砒砂岩区风蚀时空变化的影响杜睿哲,李文栋,高文浩,付金霞,齐雁冰,李 志(西北农林科技大学 资源环境学院,杨凌7 1 2 1 0 0)摘 要:目的 揭示气候、地表覆被变化对黄土高原北部砒砂岩区风蚀时空变化的影响,阐明砒砂岩区风蚀减弱的主控因素,进而为研究区风蚀综合治理提供科技支撑。方法 基于修正WE Q(W i n dE r o s i o nE q u a t i o n)风蚀模型和研究区1 9 8 02 0 1 7年日气象数据,1 9 9 0年、1 9 9 5年、2 0 0 5年、2 0 1 5年4期L a n d s a t遥感影像和土地利用图,3 0m分辨率D EM数据及土壤数据,利用G I S和R S技术分析了砒砂岩区1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 s,2 0 1 02 0 1 7年风蚀强度的时空变化特征,基于像元尺度剖析风蚀气象因子(W)、植被覆盖度(V C)和土地利用变化对风蚀时空变化的影响。结果 随着年代推移,风蚀气象因子先降低后升高并超过初始值、植被覆盖度持续升高并趋于平稳,土地利用中草地和耕地变化明显。4个时期的平均风蚀模数分别为41 8 7t/(k m2a),5 9 9t/(k m2a),7 2 4t/(k m2a)和8 7 0t/(k m2a),风蚀呈先明显减弱后局部地区略有增强的趋势,其中,1 9 9 0 s风蚀在全境急剧减弱,2 0 0 0 s2 0 1 0 s在西北、东南及北部局部地区侵蚀加重;强烈以上侵蚀区集中于西北、东南边缘及南部河沟地区。4个时期,风蚀模数与W呈显著正相关(相关系数0.2 4 80.6 7 8),W值增大会加剧风蚀波动增强;风蚀与V C呈显著负相关(相关系数-0.5 5 6-0.4 9 0),低植被覆盖区易出现风蚀波动增强;草地、耕地是风蚀主要发生区,2 0 0 0 s2 0 1 0 s草地区风蚀增幅较大,1 9 9 0 s后林地风蚀强度最小。覆土砒砂岩区风蚀对V C最为敏感,而覆沙砒砂岩区和裸露砒砂岩区则对W较敏感。V C和W对风蚀减弱贡献率之和在覆土区、覆沙区和裸露砒砂岩区分别为5 4%,7 2%,8 3%,其他因素对这3个区减蚀的贡献率分别为4 6%,2 8%和1 7%。结论V C和W对砒砂岩区风蚀减弱贡献率较大,植被覆盖度的提升对减蚀影响深远,未来应继续加强植被与工程措施的建设。关键词:砒砂岩区;风蚀;修正WE Q模型;时空变化;影响贡献;弹性系数中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 5-3 4 0 9(2 0 2 3)0 5-0 0 3 1-1 0I n f l u e n c eo fC l i m a t ea n dS u r f a c eC o v e rC h a n g e so nS p a t i o t e m p o r a lC h a n g e so fW i n dE r o s i o n i nP i s h aS a n d s t o n eA r e aDUR u i z h e,L IW e n d o n g,GAO W e n h a o,F UJ i n x i a,Q IY a n b i n g,L IZ h i(C o l l e g eo fN a t u r a lR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,N o r t h w e s tA&FU n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i7 1 2 1 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e a i mo f t h i s s t u d y i s t oe x p l o r e t h e i n f l u e n c eo f c l i m a t e a n ds u r f a c e c o v e r c h a n g e so ns p a t i o t e m p o r a l c h a n g e so fw i n de r o s i o n i nP i s h aS a n d s t o n eA r e a i nt h en o r t h e r nL o e s sP l a t e a ua sw e l l a s i t sm a i nc o n t r o lf a c t o r s,a n dt h e nt op r o v i d es c i e n t i f i cs u p p o r t.M e t h o d sB a s e do n M o d i f i e d W i n dE r o s i o nM o d e l(WE Q)a n dd a i l ym e t e o r o l o g i c a l d a t a f r o m1 9 8 0 t o2 0 1 7,L a n d s a t r e m o t e s e n s i n g i m a g e s a n d l a n du s em a p so f f o u rp e r i o d s(1 9 9 0,1 9 9 5,2 0 0 5,2 0 1 5),3 0mr e s o l u t i o nD EMd a t aa n ds o i ld a t ao f t h es t u d ya r e a,w ea n a l y z e dt h es p a t i o t e m p o r a lc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so fw i n de r o s i o ni n t e n s i t yi nP i s h aS a n d s t o n eA r e ai n1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 sa n d2 0 1 02 0 1 7u s i n gG I Sa n dR St e c h n o l o g i e s,a n dt h e i m p a c t so fw i n de r o s i o nm e t e-o r o l o g i c a l f a c t o r s(W),v e g e t a t i o nc o v e r a g e(V C)a n d l a n du s e c h a n g eo n t h e s p a t i o t e m p o r a l c h a n g e so fw i n de r o s i o nb a s e do nt h ep i x e l s c a l e.R e s u l t sW i t ht h ep a s s a g eo f t i m e,t h em e t e o r o l o g i c a l f a c t o r so fw i n de r o-s i o nf i r s t d e c r e a s e da n d t h e n i n c r e a s e da n de x c e e d e d t h e i n i t i a l v a l u e,t h ev e g e t a t i o nc o v e r a g e c o n t i n u e d t o i n-c r e a s ea n ds t a b i l i z e d,a n d t h e c h a n g e so f g r a s s l a n da n dc u l t i v a t e d l a n d i n l a n du s ew e r eo b v i o u s.T h ea v e r a g ew i n de r o s i o nm o d u l u s i n t h e f o u rp e r i o d sw e r e 41 8 7t/(k m2a),5 9 9t/(k m2a),7 2 4t/(k m2a)a n d8 7 0t/(k m2a),r e s p e c t i v e l y,a n dt h ew i n de r o s i o ns h o w e dat r e n do fo b v i o u sw e a k e n i n ga n dt h e ns l i g h t l ys t r e n g t h e n i n g i nl o c a l a r e a s.I n t h e f o u rp e r i o d s,t h ew i n de r o s i o nm o d u l u sw a s s i g n i f i c a n t l yp o s i t i v e l yc o r r e-l a t e dw i t hW(c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t 0.2 4 80.6 7 8),a n d t h e i n c r e a s eo fWv a l u ew o u l da g g r a v a t e t h e i n c r e a s ei nw i n de r o s i o nf l u c t u a t i o n;w i n de r o s i o na n dV Cs h o w e d t h e s i g n i f i c a n tn e g a t i v e c o r r e l a t i o n(c o r r e l a t i o nc o-e f f i c i e n t-0.5 5 6-0.4 9 0),a n d t h e l o wv e g e t a t i o nc o v e r a r e aw a sp r o n e t ow i n de r o s i o n f l u c t u a t i o ne n h a n c e-m e n t;g r a s s l a n da n dc u l t i v a t e d l a n dw e r e t h em a i na r e a so fw i n de r o s i o n,a n d t h e i n c r e a s eo fw i n de r o s i o n i ng r a s s l a n da r e a i n2 0 0 0 s2 0 1 0 sw a s l a r g e,a n d t h ew i n de r o s i o n i n t e n s i t yo f f o r e s t l a n dw a s t h e s m a l l e s t a f t e r1 9 9 0s.W i n de r o s i o nw a sm o s t s e n s i t i v e t oV Ci ns o i l-c o v e r e dr e g i o no fP i s h aS a n d s t o n eA r e a,w h i l e i tw a sm o r es e n s i t i v e t oWi ns a n d-c o v e r e dr e g i o na n db a r er e g i o no fP i s h aS a n d s t o n eA r e a.T h et o t a l c o n t r i b u t i o nr a t e so fV Ca n dWt ot h er e d u c t i o no fw i n de r o s i o nw e r e5 4%,7 2%a n d8 3%i ns o i l-c o v e r e dr e g i o n,s a n d-c o v e r e dr e g i o na n db a r e r e g i o no fP i s h aS a n d s t o n eA r e a,r e s p e c t i v e l y,a n d t h e c o n t r i b u t i o nr a t e so f o t h e r f a c-t o r s t oe r o s i o nr e d u c t i o n i nt h e s e t h r e e r e g i o n sw e r e4 6%,2 8%a n d1 7%,r e s p e c t i v e l y.T h e i m p r o v e m e n t o fv e g e t a t i o nc o v e r a g eh a da f a r-r e a c h i n g i m p a c to nt h er e d u c t i o no fw i n de r o s i o n.C o n c l u s i o nV Ca n dWa r et h em a i nc o n t r o l f a c t o r so fw i n de r o s i o nr e d u c t i o n i nP i s h aS a n d s t o n eA r e a,a n dt h e i m p r o v e m e n to f v e g e t a-t i o nc o v e rh a sap r o f o u n d i m p a c to ne r o s i o nr e d u c t i o n.T h ec o n s t r u c t i o no f v e g e t a t i o na n de n g i n e e r i n gm e a s-u r e ss h o u l db ec o n t i n u a l l ys t r e n g t h e n e d i nt h e f u t u r e.K e y w o r d s:P i s h aS a n d s t o n eA r e a;w i n de r o s i o n;M o d i f i e d WE Q M o d e;s p a t i o t e m p o r a l c h a n g e;i m p a c tc o n-t r i b u t i o n;e l a s t i cc o e f f i c i e n t 风蚀是我国干旱与半干旱地区严重环境问题之一,可导致生态环境脆弱区土壤退化和土地沙漠化,削弱土壤保持服务功能,极大影响区域经济发展与粮食安全1。目前相关研究多聚焦于区域风蚀时空格局的变化2-5,风蚀时空变化受到气候、植被盖度以及土地利用等多因素的综合影响2-3,5。已有研究表明,风蚀的发生受气温、降水、风速、太阳辐射等多种气象条件的促进或抑制,其中风速是影响土壤风蚀强度的重要驱动因子1,3,5;植被可以有效地降低风速进而减少风蚀量,植被盖度的质量极大地影响着风蚀的严重程度2,5;不同土地利用方式通过植被类型和覆盖度也会影响土壤风蚀强度,改变土地利用结构就会引起风蚀状况的恶化或改善4。目前,相关研究多聚焦于区域复合侵蚀时空格局以及各因素影响的定性分析6-9,而单动力侵蚀的深入研究可为复合侵蚀研究奠定基础。因此,研究生态环境脆弱区风蚀时空格局及其驱动因素的影响贡献,对生态环境监测、生态风险和脆弱性评估及其风蚀调控治理具有重要意义5。砒砂岩区生态环境极度脆弱,气候干燥,植被稀疏,春秋季多 风 沙,尤 其 是35月 是 风 蚀 的 高 峰期6。砒砂岩区是风水两相侵蚀为主的典型复合侵蚀区,目前研究多聚焦复合侵蚀的机理分析,忽视了单动力侵蚀研究的重要性6-7,9-1 0。要了解复合侵蚀机理,须先剖析单动力侵蚀变化及影响因素,作为复合侵蚀深入研究的基础。付金霞等1 0基于准格尔旗暖水乡砒砂岩区2 0 1 8年1月2 0 1 9年4月的气象数据研究发现,3月、4月、5月的月平均风速介于4.1 4.9m/s,其他月份平均风速小于4m/s。35月期间,5m/s的风速、1 0m/s的风速每月可分别出现2 83 0,71 1d,1 5 m/s的风速每月各出现1d。5m/s的风速已超出起沙风速4.8m/s1 1,可见砒砂岩区春季风蚀动力强劲。又因砒砂岩岩性脆弱加之风化作用、植被稀疏、人类活动干扰,致使区域土壤表层疏松破碎,从而加剧了风蚀强度8。目前,气候、地表覆被变化对砒砂岩区风蚀时空变化的影响研究尚缺乏,本研究试图揭示1 9 8 0 s2 0 1 0 s砒砂岩区风蚀时空变化特征以及风蚀气象因子、植被覆盖度和土地利用对风蚀时空变化的影响,以期为研究区风蚀防控与生态环境保护提供科学参考。1 资料与方法1.1 研究区概况黄土高原砒砂岩集中分布在晋陕蒙接壤地区,范23 水 土 保 持 研 究 第3 0卷围为1 0 8 4 5 1 1 1 3 1 E,3 8 1 0 4 0 1 0 N,总面积约1.6 7万k m21 2(图1)。地势西北高、东南低,由西北向东南倾斜,海拔7 7 416 4 8m。水系主要有窟野河、皇甫川、孤山川、清水川等黄河一级支流和北部穿越沙漠流入黄河的多条支流。按地表覆盖物不同可大致分为东部覆土砒砂岩区、西部覆沙砒砂岩区、西北裸露砒砂岩区,面积分别占5 1%,2 2%,2 7%1 3。气候属干旱、半干旱大陆性季风气候,年均气温69,年均降水量2 8 04 0 0mm,年均蒸发量22 0 027 5 0mm,年均风速为2 4m/s,最大风速2 8m/s1 4。区内植被稀疏,自然植被以禾本科、菊科、豆科、藜科等低矮植物为主,人工植被主要有沙棘、柠条、油松、沙打旺等1 5。土地利用类型主要为草地和耕地。土壤类型主要有黄绵土、栗钙土、风沙土、粗骨土、新积土等1 6。图1 砒砂岩区地理位置及高程分布1.2 数据来源与预处理本研究数据包括气象数据、土壤数据、D EM数据、遥感数据和土地利用数据。气象数据为研究区及其周边1 3个气象站点(包头市、准格尔旗、鄂托克旗、兴县、右玉县、达拉特旗、杭锦旗、伊金霍洛旗、府谷县、神木县、东胜区、河曲县、榆林市)1 9 8 02 0 1 7年日降水量、平均风速、平均气温、蒸发量及平均相对湿度数据,下载于中国气象数据网(h t t p:d a t a.c m a.c n/)并经过严格的质量控制。11 0 0万比例尺的土壤数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(h t t p:www.r e s d c.c n/)和中国地理监测国情云平台(h t t p:www.d s a c.c n/)。研究区3 0 m分辨率A S T E RD EM数据来源于地理空间数据云(h t t p:www.g s c l o u d.c n/)。遥感影像数据为1 9 9 0年、1 9 9 5年、2 0 0 5年、2 0 1 5年4期L a n d s a t遥感影像,来源于地理空间数据云(h t t p:www.g s c l o u d.c n/),要求所有影像的拍摄日期为当年69月,云量控制在1%以下。土地利用数据为1 9 9 0年、1 9 9 5年、2 0 0 5年、2 0 1 5年4期11 0 0万比例尺的土地利用数据,来源于中国科学院资源环境科学数据中心(h t t p:www.r e s d c.c n/)。所 有 数 据 均 统 一 设 置 坐 标 为G a u s sK r u g e r西安1 9 8 0投影坐标系统,栅格数据空间分辨率均设置为3 0m3 0m。1.3 研究方法WE Q(W i n d E r o s i o n E q u a t i o n)1 7和RWE Q(R e v i s e dW i n dE r o s i o nE q u a t i o n)1 8是应用最为广泛的 风 蚀 模 型。由 于 砒 砂 岩 区 风 蚀 气 象 站 较 少,RWE Q模型中部分参数如风向最大风蚀出现距离数据难以获取,故本研究风蚀模数采用修正WE Q模型计算。已有研究2,1 9利用修正WE Q模型分别评估蒙古国全境、新疆准噶尔盆地东部北部风沙区的研究也表明:区域尺度上运用修正WE Q模型具有一定的可行性。由于砒 砂 岩 区 特 殊 的 下 垫 面 环 境 构 成,经 典WE Q模型的区域地表粗糙度计算方法已不适应于本研究区。在区域地面粗糙度离散化计算方面,G I S中常基于地面坡度进行计算,本研究选用基于坡度的坡度因子来表达地面的粗糙度,这一计算方法也被吴芳芳 等2所 应 用。在 获 得 研 究 区1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 s,2 0 1 02 0 1 7年4期风蚀模数的基础上,根据S L 1 9 0-2 0 0 7中 土壤侵蚀分类分级标准 进行风蚀强度的分级2-3,2 0:微度1 50 0 0t/(k m2a)。基于G I S技术分析砒砂岩区风蚀时空变化特征以及风蚀气象因子、植被覆盖度和土地利用变化对风蚀强度空间变化的影响。基于图层像元归一化数据并利用弹性系数法,量化覆土、覆沙和裸露砒砂岩区风蚀气象因子、植被覆盖度变化对风蚀动态变化的影响贡献。1.3.1 土壤风蚀量估算方法 修正WE Q模型2具体形式为:E=WKL SB(1)式中:E为风力侵蚀模数t/(h m2a);W为风蚀气象因子,无量纲;K为土壤可蚀性因子th m2h/(M Jmmh m2);L S为坡长坡度因子,无量纲;B为植被因子(k g/h m2)。(1)风蚀气象因子指数W。风蚀气象因子综合反映了各气象因子(风速、降水、相对湿度、温度、蒸发)对风蚀的影响。目前,联合国粮农组织推荐的风蚀气象因子计算公式应用较为普遍2 1-2 3,本研究采用此方法计算风蚀气象因子,计算公式如下:W=11 0 01 2i=1u3(E T Pi-PiE T Pi)d(2)33第5期 杜睿哲等:气候、地表覆被变化对砒砂岩区风蚀时空变化的影响式中:d为该月日数;Pi为该月降水量(mm);E T Pi为该月的潜在蒸发量(mm);u为2m高处月平均风速(m/s)。其中,E T Pi的计算公式为:E T Pi=0.1 9(2 0+Ti)2(1-ri)(3)式中:ri为该月平均相对湿度;E T Pi为该月平均气温()。(2)土壤可蚀性因子K。经典WE Q模型采用筛分法确定土壤可蚀性的方法,并不适用于大范围的土壤可蚀性测定2 4,而土壤可蚀性值的计算方法与土壤的机械组成、有机质含量有关,此类因素与土壤风蚀密切相关。本文采用E P I C模型中应用的土壤可蚀性计算方法2,2 5-2 6:K=0.2+0.3 e x p-0.0 2 5 6Sa(1-si1 0 0)(sicl+Si)0.31-0.2 5CC+e x p(3.7 2-2.9 5C)1-0.7SnSn+e x p(-5.5 1+2 2.9Sn)(4)式中:Sn=1-Sa/1 0 0;Cl为黏粒含量%(0.0 0 2mm);Si为粉砂含量%(0.0 0 20.0 5mm);Sa为砂粒含量%(0.0 52mm);C为有机碳含量(%);K值单位(th m2h)/(M Jmmh m2)。(3)坡长坡度因子L S。研究区中,覆土砒砂岩区地貌类型多为丘陵沟壑,裸露砒砂岩区地形起伏也巨大,因而原有模型中坡长因子的计算方法不适用于坡度较陡地区。刘宝元等2 7基于黄土高原沟壑纵横、坡度变化大的地形地貌特征,改进了原模型中坡长、坡度因子,此算法被 第一次全国水利普查水土流失普查技术规则 和众多学者2 5所采用。本研究基于砒砂岩区3 0 m分辨率D EM数据,选用刘宝元等2 7提出的坡长坡度因子公式计算L S:L=(2 2.1 3)mm=0.2 1m=0.3 13m=0.4 35 S=1 0.8 s i n+0.0 3 5S=1 6.8 s i n-0.5 58 0%(高覆盖度)。1.3.2 土壤风蚀变化归因分析 弹性系数法多用于量化影响因子对径流变化的贡献2 9,也有学者用其对水蚀动态变化进行归因2 5。本研究利用弹性系数法对砒砂岩区风蚀动态变化进行归因。1 9 8 02 0 1 7年研究区土壤和地形没有发生根本性变化,风蚀动态变化主要取决于气候、植被因子和其他因素的变化。本研究基于图层逐个像元归一化处理后的风力侵蚀模数值(E)、风蚀气象因子值(W)、植被覆盖度值(V C),利用MAT L A B软件建立E,W和V C的多元回归方程,并利用弹性系数法定量分析W,V C对E动态变化的影响贡献。土壤风 蚀 动 态 变 化(E)主 要 是 由 气 候 变 化(EW)、植被覆盖度变化(EV C)和其他因素变化(Ep)引起,其原理如下:E=EW+EV C+Ep(8)根据弹性系数法原理,风蚀气象因子、植被覆盖度和其他因素的贡献率(EW,EV C,Ep)可表达为2 5,3 0:EW=WWW(9)EV C=V C V CV C(1 0)E p=1-(EW+EV C)(1 1)式中:W,V C为数据归一化处理后风蚀气象因子和植被覆盖度1 9 8 0 s2 0 1 0 s的变化量。各弹性系数可由如下表达式计算2 5,3 1,W与V C分别为归一化处理后栅格单元年均气象因子值和年均植被覆盖度值对年均风蚀模数值的弹性系数:W=E/EW/W=EWWE(1 2)43 水 土 保 持 研 究 第3 0卷 V C=E/EV C/V C=EV CV CE(1 3)2 结果与分析2.1 风蚀气象因子、植被盖度、土地利用时空变化2.1.1 风蚀气象因子时空变化 1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 s和2 0 1 0 s砒砂岩区风蚀气象因子(W)值分别为6.3 21 1 9.1 5,7.3 4 1 0 0.8 4,1 2.6 2 6 9.8 8,1 7.7 6 1 0 6.5 9,平均值分别为4 2.5 3,3 3.4 7,3 5.1 9,4 3.2 0。1 9 8 0 s和1 9 9 0 s的W值主要集中在4 5以下、6 5以上2个区段,面积分别占6 3%,2 1%和7 1%,1 1%。2 0 0 0 s和2 0 1 0 s的W值则主要集中在2 05 5,6 5以上2个区段,面积分别占8 1%,8%和7 7%,1 3%。综合而言,W值在1 9 8 0 s-1 9 9 0 s下降显著,而2 0 0 0 s-2 0 1 0 s又持续升高;空间上,其值在研究区西北部最高,往东部和南部逐渐减小,至东南部偶有增大(图2)。图2 风蚀气象因子指数分级图2.1.2 植被盖度时空变化 在1 9 9 0年、1 9 9 5年、2 0 0 5年、2 0 1 5年,砒砂岩区中覆盖度以下植被面积占总面积7 0%以上,且植被覆盖度越高其面积比例越小。低覆盖度面积占3 1%4 4%,中低覆盖度面积占1 9%2 2%,中覆盖度面积占1 4%2 1%,中高覆盖度面积占1 2%1 6%,高覆盖度面积占1 2%1 4%。与1 9 9 0年相比,1 9 9 5年植被盖度有明显提高,低覆盖度面积减少2 9%,而中低、中、中高和高覆盖度面积分别增加1 7%,5 3%,1 8%和1%。2 0 0 5年植被盖度继续提高,除西北部低覆盖度面积略有增加外,其他区域中低、中覆盖度面积分别减少1 0%,1 4%,而中高、高覆盖度面积分别增加1 5%和1 6%。与2 0 0 5年相比,2 0 1 5年各级植被盖度面积变化不大,中、高覆盖度面积分别增加、减少5%左右,其他盖度面积变化均在2%以下。总体而言,1 9 9 0年以来,西部覆沙砒砂岩区和西北裸露砒砂岩区植被覆盖度先大幅上升,后有减小趋势;东部覆土砒砂岩区植被覆盖度总体不断提高,但也存在个别地区波动现象;空间上,东部覆土砒砂岩区植被盖度高于西部覆沙砒砂岩区和西北裸露砒砂岩区(图3)。图3 1 9 9 0年、1 9 9 5年、2 0 0 5年、2 0 1 5年砒砂岩区植被覆盖度空间变化2.1.3 土地利用时空变化 在1 9 9 0年、1 9 9 5年、2 0 0 5年、2 0 1 5年,砒砂岩区主要土地利用类型为草地和耕地,二者占研究区总面积7 0%8 6%。草地面积最大,占4 4%6 5%,集中分布在北部以及南部局部地区;耕地面积次之,面积占2 1%2 7%,主要分布在城市周边、研究区南部以及河流附近;林地面积占4%1 3%,主要分布在东北部以及河流附近;其他地类面积比例均在1 0%以下。与1 9 9 0年相比,1 9 9 5年草地增加4 8%,而耕地、林地、城乡用地和未利用地分别减少2 3%,6 8%,7 3%和3 9%,减少的面积主要转化为草地。较1 9 9 5年、2 0 0 5年林地、城乡用地和未利用地分别增加2 0%,2 2%和1 3%,耕地和草地略有减少但面积变化不大。与2 0 0 5年相比,2 0 1 5年草地减少3 0%,而其他用地面积均增加,其中林地增 加1 6 7%、城 乡 用 地 增 加3 0 5%、耕 地 增 加2 1%、未利用地增加3 9%。基于土地利用动态变化特征发现,1 9 9 0年后研究区生态环境治理强度增大、2 0 0 5年后经济建设速度加快(图4)。2.2 风力侵蚀时空变化2.2.1 风力侵蚀的时间变化 1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 s和2 0 1 0 s砒砂岩区微度和轻度风力侵蚀占4 7%9 6%,中度侵蚀占3%2 4%,强烈以上侵蚀占1%2 9%,且强烈以上风蚀强度面积总体呈减少趋势(图5)。1 9 8 0 s轻度以下侵蚀占4 8%,中度侵蚀占2 4%,强烈以上侵蚀占2 8%。1 9 9 0 s风力侵蚀显著减弱,中度以上侵蚀减少且向微度侵蚀转移,其轻度以下侵蚀占9 5%;1 9 9 0 s与53第5期 杜睿哲等:气候、地表覆被变化对砒砂岩区风蚀时空变化的影响1 9 8 0 s相比,微度侵蚀面积增加23 1 0%,轻度侵蚀面积变化不大,中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀面积分别减少8 5%,9 3%,9 7%和9 9%。2 0 0 0 s较1 9 9 0 s侵蚀有增强趋势,微度侵蚀面积减少8%,轻度至极强烈侵蚀面积分别增加3%,4 7%,4 8%和1 0%,剧烈侵蚀面积减少5 9%。2 0 1 0 s较2 0 0 0 s侵蚀仍在持续增强,微度侵蚀面积减少8%,轻度至剧烈侵蚀面积分别增加3%,1 9%,4 9%,1 1 1%和4 7 3%;虽然强烈以上各侵蚀强度的绝 对面积仍然 较小,但 其 面 积 增 幅 较大。1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 s和2 0 1 0 s,研究区平均风蚀模数分别为41 8 7t/(k m2a),5 9 9t/(k m2a),7 2 4t/(k m2a)和8 7 0t/(k m2a)(图6)。可见,1 9 9 0 s风蚀在全境急剧减弱,2 0 0 0 s-2 0 1 0 s局部地区略有增强。综合而言,4个年代风蚀状况呈先减弱后略有增强趋势,但整个研究期风蚀减弱。图4 砒砂岩区不同年份土地利用面积比例2.2.2 风力侵蚀的空间分异 微度和轻度风力侵蚀主要分布在覆土砒砂岩区和覆沙砒砂岩南部,中度侵蚀主要分布在西北裸露砒砂岩区,强烈以上侵蚀主要分布在西北裸露砒砂岩区和覆土砒砂岩东南部(图7)。覆土、覆沙、裸露砒砂岩区轻度以下侵蚀分别占7 0%9 7%,4 3%9 9%,1 0%9 2%,中度侵蚀分别占3%2 3%,2%2 8%,6%2 2%,强烈以上侵蚀分别占07%,02 9%,2%6 8%(图8)。1 9 8 0 s,覆土砒砂岩区以轻度和中度风蚀为主(占9 0%),覆沙砒砂岩区以中度以上侵蚀为主(占5 7%),裸露砒砂岩区以强烈以上侵蚀为主(占6 8%);自1 9 9 0 s开始,三大区风蚀强度都以轻度以下侵蚀为主(占8 1%以上)。整个研究期三大区的风蚀强度减弱,但存在年代波动:覆土砒砂岩区在1 9 9 0 s大幅减弱,2 0 0 0 s和2 0 1 0 s缓慢增强;覆沙砒砂岩区在1 9 9 0 s大幅减弱,2 0 0 0 s持续减弱,2 0 1 0 s有所增强;裸露砒砂岩区在1 9 9 0 s大幅减弱,2 0 0 0 s2 0 1 0 s增强较为剧烈。总体而言,风力侵蚀在1 9 9 0 s全境均急剧减弱,2 0 0 0 s2 0 1 0 s在西北、东南及北方局部地区出现侵蚀加重现象,强烈以上侵蚀区主要集中在西北、东南边缘以及南部河沟地区。图5 1 9 8 0-2 0 1 7年砒砂岩区风蚀强度面积比例图6 1 9 8 0-2 0 1 7年不同时期平均风蚀模数变化趋势图7 1 9 8 0-2 0 1 7年砒砂岩区风力侵蚀强度空间分布2.3 各因素对风蚀空间变异的影响2.3.1 风蚀气象因子W对风蚀空间变异的影响 1 9 8 0 s,1 9 9 0 s,2 0 0 0 s和2 0 1 0 s共4个时期,微度、轻度侵蚀分别有7 6%9 4%,6 5%8 5%的面积分布于W值 3 0区,极强烈、剧烈侵蚀分别有5 7%8 6%,5 5%9 9%的面积分布于W值 4 5区。在W2 0,2 0W3 0,3 0W4 5,4 5W5 5,5 56 5 6类风蚀气象因子区中,中度以下侵蚀面积占比逐渐降63 水 土 保 持 研 究 第3 0卷低,强烈以上侵蚀面积占比逐渐升高。可见W低值区侵蚀较弱,而W高值区侵蚀严重。图8 砒砂岩三大区风蚀强