摘要
土地利用/覆被变化及环境效应是全球变化研究的热点和前沿问题之一。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，黄土高原是中国乃至世界上土壤侵蚀最严重的地区。为了从根本上有效控制土壤侵蚀，中国政府于1999年起在黄土高原地区实施了大规模的退耕还林工程。目前已开展了大量有关退耕还林还草土地利用变化及其对土壤侵蚀影响方面的研究，但土地利用变化的研究对未转换地区(或地块)的关注较少，已有的土地利用变化合理性判别准则体系不适用于新一轮工程，合理度的算法不能反映合理变化的生态、经济和社会综合效益重要性的差异，土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度存在不同结论，土地利用变化对土壤侵蚀影响过程的分析没有剔除降雨变化的影响，深入研究这些问题对评估退耕还林还草土地利用变化综合效益、推动退耕还林还草高质量发展具有重要意义。 本文以退耕还林工程重点实施地区山西省吉县清水河流域为研究区，依据工程实施期间主要措施的不同，将流域已进行的退耕还林实施时期(2000～2020年)分为2000～2005年、2006～2009年、2010～2014年和2015～2020年4个阶段，通过将土地利用变化形式分解为土地利用转换和土地利用改造分析了土地利用的动态变化特征，通过改进土地利用变化合理性判别准则体系及合理度算法评价了土地利用变化的合理性，通过应用模型情景模拟方法阐明了土地利用变化对土壤侵蚀的影响程度和影响过程，主要结论如下: (1)流域耕地、园地、林地、草地、建设用地和水域面积占总土地利用面积的比重由2000年的14.11％、0.79％、28.98％、55.75％、0.36％和0.01％转变为2020年的3.55％、16.95％、56.11％、21.05％、2.31％和0.03％，其土地利用结构已从以草地为主转变至以林地为主，表明退耕还林工程的实施大幅调整了土地利用结构并增加了林草植被覆盖。流域4个阶段土地利用改造的平均面积(34364.84hm2)是土地利用转换阶段平均面积(9235.16hm2)的3.72倍，土地利用改造是对流域土地利用变化影响较大的土地利用变化形式。 (2)流域4个阶段土地利用变化的平均合理度为95.37％,属于高度合理等级，表明流域退耕还林工程实施的措施符合有关法律、法规、政策和科学原理。土地利用转换的阶段平均合理度(159.92％)是改造阶段平均合理度(78.03％)的2.05倍，土地利用转换在提升转换区的合理性方面发挥了重要作用。土地利用改造的阶段平均重要性合理面积(26814.22hm2)是转换阶段平均重要性合理面积(14756.63hm2)的1.82倍，土地利用改造是对流域土地利用变化合理性影响较大的土地利用变化形式。 (3)流域土壤侵蚀中的强烈、极强烈和剧烈级别主要分布在高程1000～1150m和坡度15°～35°的地区。在侵蚀性降雨量总体增加的趋势下，2000年、2005年、2011年、2014年和2020年流域平均土壤侵蚀模数分别为36.21、41.02、24.93、23.72和8.24thm-2a-1,总体呈下降趋势，表明退耕还林工程的实施有效控制了土壤侵蚀。4个阶段土地利用变化和降雨变化对土壤侵蚀的平均影响程度分别为75.23％和24.77％，退耕还林驱动下的土地利用变化是影响土壤侵蚀的主导因素。 (4)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，而改造区侵蚀强度的变化只直接受改造过程中所实施主要相关措施的影响。应用情景模拟结果剔除降雨变化的影响后，草地侵蚀量4个阶段合计变化量(121.49万t)占流域侵蚀量阶段合计变化量(172.31万t)的70.51％,且草地合计变化量中改造区(81.90万t)占67.41％，各土地利用类型中草地对流域土壤侵蚀变化的影响最大，并主要源自其改造的影响。 (5)应用情景模拟结果剔除降雨变化的影响后:流域土地利用改造区4个阶段平均的起始侵蚀模数(33.63t hm-2a-1)较转换区(23.44t hm-2a-1)高43.47％，改造区水土流失综合治理的难度总体上大于转换区;土地利用转换区阶段平均的侵蚀模数下降量(13.18t hm-2a-1)较改造区(8.74t hm-2a1)高50.80％，土地利用转换在降低转换区的侵蚀强度方面发挥了重要作用;土地利用改造区阶段合计的侵蚀量减少量(120.06万t)占流域阶段合计减少量(168.73万t)的71.16％,土地利用改造因实施面积较大在减少流域侵蚀总量方面发挥了重要作用。
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