梁嬋芬，曹龍熹，張科利

(北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100875)

道路網(wǎng)系作為一種特殊的土地利用方式，既是產(chǎn)流產(chǎn)沙源地，又會(huì)對(duì)地表徑流過(guò)程產(chǎn)生深刻影響。研究道路侵蝕、評(píng)價(jià)道路網(wǎng)系對(duì)流域匯流產(chǎn)沙的作用，對(duì)小流域侵蝕模型建立至關(guān)重要。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)外學(xué)者就開(kāi)始關(guān)注道路侵蝕問(wèn)題。相繼開(kāi)展了道路侵蝕特征及影響因子、道路建設(shè)所引起的水文和泥沙過(guò)程變化、道路侵蝕預(yù)報(bào)和公路水土流失防治措施評(píng)價(jià)等方面的研究[1-4]。國(guó)內(nèi)對(duì)道路侵蝕研究相對(duì)較少，鄭世清等通過(guò)在黃土高原的溝坡道路侵蝕觀(guān)測(cè)，對(duì)道路侵蝕分類(lèi)、影響道路侵蝕的因素以及防止措施進(jìn)行了綜合分析[5-7]。邱榮祖等用標(biāo)樁法和野外調(diào)查法對(duì)福建山地林道的土壤侵蝕進(jìn)行了研究[8-9]。還有一些學(xué)者針對(duì)公路與鐵路工程中土壤侵蝕特點(diǎn)、影響因素以及侵蝕預(yù)報(bào)模型做了研究[10]。但相對(duì)于農(nóng)地而言，目前關(guān)于道路侵蝕研究還存在很多問(wèn)題。特別是在道路侵蝕量估算模型方面，很少在流域尺度上考慮路網(wǎng)對(duì)流域水沙過(guò)程的影響。流域內(nèi)道路分布主要受地形和人類(lèi)活動(dòng)影響，地形對(duì)道路網(wǎng)分布的影響已有研究者做了研究[11]，但對(duì)人類(lèi)活動(dòng)與道路網(wǎng)分布的關(guān)系還未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)紙坊溝流域兩期航空和衛(wèi)星影像解譯，從不同層面分析小流域道路分布與土地利用類(lèi)型的關(guān)系，以期為小流域道路道路網(wǎng)系計(jì)算和生成提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及方法

1.1 研究區(qū)概況

紙坊溝流域位于陜西省安塞縣，東經(jīng)109°13′46″—109°16′03″，北緯 36°42′42″—36°46′28″，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，是延河支流杏子河下游的一級(jí)支溝。流域呈南北向狹長(zhǎng)形，面積8.27 km2。年均氣溫8.8℃，年均降水量549.1 mm，降水年際變化大，且年內(nèi)分配不均，主要集中在7—9月間。年蒸發(fā)量大于1 463 mm。流域地形破碎，溝壑密度8.06 km/km2，水土流失嚴(yán)重，多年平均侵蝕模數(shù)達(dá)14 000 t/km2。流域先后經(jīng)歷了植被嚴(yán)重破壞期(1938—1958年)、繼續(xù)破壞期(1959—1973年)、不穩(wěn)定期(1974—1983年)、穩(wěn)定恢復(fù)改善期(1984—1990年)和良性生態(tài)初步形成期(1991年至今)，土地利用格局發(fā)生了較大的變化[12]。

1.2 研究方法

本研究獲取了紙坊溝流域1987年航空影像和2002年IKONOS衛(wèi)片(3波段融合影像，分辨率為1 m);1987年和1999年的土地利用圖及2006年使用GPS接收機(jī)Trimble 4600 DGPS測(cè)量的道路網(wǎng)系。不同時(shí)期的道路網(wǎng)系分別從1987年的航空影像和2002年的IKONOS衛(wèi)片中人工提取，提取時(shí)以2006年實(shí)測(cè)紙坊溝道路作為參考并校正影像[13]。對(duì)照1987年和1999年的土地利用圖，參考2002年IKONOS衛(wèi)片，在1999年土地利用圖的基礎(chǔ)上，解譯得到2002年的土地利用圖。將不同時(shí)期的道路與相應(yīng)的土地利用斑塊圖疊加，通過(guò)GIS的空間量算功能，分別計(jì)算不同土地利用類(lèi)型上道路的長(zhǎng)度、密度。通過(guò)GIS的空間查詢(xún)與疊加計(jì)算功能，做出兩時(shí)期的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，然后分別分析土地利用變化處的道路變化情況。本文中使用的道路分級(jí)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)延用我們前期成果，將黃土高原小流域道路分為4級(jí)。1級(jí)路指通行所有機(jī)動(dòng)車(chē)輛的油路，這是流域內(nèi)最高級(jí)別的道路，路面較寬，對(duì)流域地形改變較大，且由于路面物質(zhì)的特殊性，對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程有著獨(dú)特的影響，但該級(jí)別道路一般沿著較高級(jí)別的水系分布，在小流域內(nèi)并不多;2級(jí)路指能通行汽車(chē)等較大型機(jī)動(dòng)車(chē)輛的土石路，這類(lèi)道路是大多數(shù)小流域內(nèi)的主要道路，寬度小于1級(jí)路，路面侵蝕比較嚴(yán)重;3級(jí)路是指僅能通行拖拉機(jī)等小型機(jī)動(dòng)車(chē)輛的道路，這種道路一般是人們?cè)谔囟ㄉa(chǎn)需求(如耕種、采石)驅(qū)動(dòng)下形成的;4級(jí)路指只能供行人或農(nóng)具(架子車(chē)、犁耙等)通過(guò)的道路，路面較窄[11]。

2 小流域道路分布與土地利用

2.1 不同時(shí)期土地利用變化

紙坊溝流域1987年和2002年的土地利用類(lèi)型統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，2002年土地利用類(lèi)型與1987年相比，減少了掛坡旱坡地、荒草地、裸巖3種土地利用類(lèi)型;增加了草田間作、人工草地、巖石坡草地3種土地利用類(lèi)型。

表1 紙坊溝流域1987年與2002年土地利用類(lèi)型二級(jí)分類(lèi)

兩時(shí)期二級(jí)分類(lèi)土地利用類(lèi)型面積在流域的分布百分比見(jiàn)表2。由表2可以看出，流域的主要土地利用類(lèi)型從1987年的以耕地為主，變?yōu)橐圆莸貫橹鳎值睾凸麍@的面積都有增加，居民地則沒(méi)有變化。

2.2 道路總長(zhǎng)度變化

由影像提取的1987年和2002年的道路數(shù)據(jù)，通過(guò)ArcGIS的統(tǒng)計(jì)功能，與2006年實(shí)測(cè)的道路數(shù)據(jù)相比較，得到紙坊溝流域3個(gè)時(shí)期不同級(jí)別道路總長(zhǎng)度的變化情況(見(jiàn)表3)。從表3可以看出，2級(jí)路的長(zhǎng)度1987年最短，2002—2006年幾乎沒(méi)有變化(因?yàn)楸?中的2級(jí)路數(shù)據(jù)沒(méi)有差別，所以論述要與表中保持一致);3級(jí)路的長(zhǎng)度從1987—2006年逐漸增加;4級(jí)路的長(zhǎng)度則從1987—2006年逐漸減少。結(jié)合3種等級(jí)道路的特點(diǎn)[11]，2級(jí)路的增加能說(shuō)明流域整體生產(chǎn)生活水平提高，對(duì)能通行汽車(chē)等較大型機(jī)動(dòng)車(chē)輛的土石路的需求量加大;由于耕地面積減少，3級(jí)路的增加說(shuō)明流域內(nèi)采石活動(dòng)增強(qiáng);而4級(jí)路的減少可能是由于退耕還林，使得原有的4級(jí)路逐步廢棄。

表2 1987年與2002年各土地利用類(lèi)型面積百分比 %

2.3 道路變化與土地利用變化關(guān)系分析

為了進(jìn)一步明確土地利用類(lèi)型對(duì)道路分布長(zhǎng)度和位置的影響，將兩時(shí)期道路變化與土地利用變化結(jié)合起來(lái)分析，從變化中找出土地利用與道路分布之間穩(wěn)定的規(guī)律。首先通過(guò)1987和2002年的土地利用類(lèi)型，在A(yíng)rcGIS統(tǒng)計(jì)分析功能支持下，得到了兩時(shí)期存在道路變化的土地利用斑塊的變化轉(zhuǎn)移矩陣(表4)。進(jìn)一步計(jì)算，得到存在道路變化的土地利用斑塊占該類(lèi)型變化斑塊的面積比重(表5)，可以看出，絕大部分土地利用斑塊的變化都伴隨著道路的變化，其中果園等5種土地利用類(lèi)型有超過(guò)90%的變化斑塊上存在著道路長(zhǎng)度的改變，說(shuō)明土地利用變化對(duì)道路的變化影響較大。

表3 流域3個(gè)時(shí)期不同級(jí)別道路長(zhǎng)度

表4 1987—2002年存在道路變化的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 hm2

表5 存在道路變化的土地變化斑塊面積占總土地利用變化斑塊面積的比重 %

本研究統(tǒng)計(jì)上述存在道路變化的土地利用變化斑塊上不同等級(jí)道路長(zhǎng)度的變化情況(見(jiàn)表6)。在坡耕地轉(zhuǎn)換為其它類(lèi)型土地處，4級(jí)路減少最多，為5.52 km，2級(jí)路增加最多，為0.97 km;在天然草地轉(zhuǎn)換為其它類(lèi)型土地處，3級(jí)路增加最多，為 0.34 km。由于流域道路變化并非完全因?yàn)橥恋乩妙?lèi)型變化而引起，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)了由于土地利用類(lèi)型變化而引起的道路變化占總道路長(zhǎng)度變化的百分比見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，土地利用變化對(duì)4級(jí)路的變化影響最為顯著，對(duì)2級(jí)路變化影響最小。

2.4 不同類(lèi)型土地利用上道路通達(dá)度

為了分析不同類(lèi)型土地利用對(duì)道路分布的吸引程度，本文構(gòu)建了一個(gè)道路通達(dá)度指標(biāo)，用來(lái)描述各土地利用類(lèi)型斑塊上道路的分布情況。各土地利用類(lèi)型上的道路通達(dá)度=有道路到達(dá)的斑塊數(shù)目/總斑塊數(shù)目。由ArcGIS的空間分析功能得到1987年和2002年各土地利用類(lèi)型上的道路通達(dá)度(表7)?？梢钥闯觯瑑蓵r(shí)期耕地的道路通達(dá)度都在60%左右;果園在80%左右;林地在40%左右;由于裸巖在2002年大都變成了巖石坡草地，使得2002年草地的通達(dá)度相比1987年有較大變化。

圖1 由土地利用變化而引起的道路長(zhǎng)度變化占總道路長(zhǎng)度變化的比重

表6 土地利用類(lèi)型變化斑塊上的道路長(zhǎng)度變化情況

表7 1987年與2002年各類(lèi)型土地利用的道路通達(dá)度 %

2.5 不同類(lèi)型土地利用類(lèi)型道路長(zhǎng)度分布

由于2級(jí)路的變化受土地利用變化影響較小，本研究只統(tǒng)計(jì)分析3級(jí)路和4級(jí)路在不同類(lèi)型土地利用上的長(zhǎng)度分布(表8)。1987年居民地處3級(jí)路的長(zhǎng)度為0.17 m，可以看作沒(méi)有3級(jí)路分布，3級(jí)路主要為采石路，故在1987年裸巖處分布最長(zhǎng)，而到2002年，裸巖處大都變?yōu)閹r石坡草地，故此時(shí)在草地處3級(jí)路最長(zhǎng)。在退耕還林前，4級(jí)路的長(zhǎng)度分布是耕地＞草地＞林地＞裸巖＞果園＞居民地，退耕還林以后，大部分耕地都變成了林草地，而原來(lái)位于耕地上的道路有部分并沒(méi)有消失。因此林草地處4級(jí)路的長(zhǎng)度增加，耕地處的長(zhǎng)度減少。

表8 1987年與2002年各類(lèi)型土地利用上3，4級(jí)路長(zhǎng)度

2.6 4級(jí)路長(zhǎng)度與土地利用類(lèi)型關(guān)系分析

由于流域4級(jí)路受土地利用影響較大，為了達(dá)到定量描述土地利用對(duì)4級(jí)路的影響，需要構(gòu)建一個(gè)指標(biāo)來(lái)描述各種土地利用類(lèi)型對(duì)4級(jí)路的吸引程度。結(jié)合前述對(duì)各類(lèi)型土地利用上4級(jí)路長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)1987年和2002年流域共有的10種土地利用類(lèi)型對(duì)4級(jí)路的吸引程度分為10級(jí)，分別賦予0.1～1之間10個(gè)數(shù)值(表9)。若不考慮土地利用類(lèi)型，統(tǒng)計(jì)1987年和2002年各類(lèi)型土地利用的面積及其對(duì)應(yīng)的4級(jí)路的長(zhǎng)度，得到的回歸結(jié)果見(jiàn)圖2。若將不同土地利用類(lèi)型對(duì)4級(jí)路的吸引程度考慮進(jìn)去，得到的回歸結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，將吸引程度因素考慮進(jìn)去之后，R2由0.753 5變?yōu)?.897 2，回歸效果顯著增加。這樣，根據(jù)圖 3中的回歸方程 y=0.075 66x+0.1118，在道路分布未知的小流域，在了解土地利用類(lèi)型及其對(duì)應(yīng)的面積的前提下，結(jié)合表6給出的各土地利用類(lèi)型對(duì)4級(jí)路的吸引程度指數(shù)，就可以推算該種土地利用類(lèi)型上4級(jí)路的分布長(zhǎng)度。

圖2 4級(jí)路的長(zhǎng)度與土地利用面積關(guān)系

圖3 4級(jí)路長(zhǎng)度與土地利用面積×吸引程度關(guān)系

表9 各類(lèi)型土地利用對(duì)4級(jí)路的吸引程度

3 結(jié)論

小流域農(nóng)田道路分布主要受地形、土地利用和居民點(diǎn)控制，在地形和居民點(diǎn)保持不變、只有土地利用方式變化時(shí)，道路變化隨土地利用變化而變化。只要建立道路變化與土地利用變化間的定量關(guān)系，就可以根據(jù)土地利用分布生成和統(tǒng)計(jì)道路分布。通過(guò)對(duì)研究流域兩期道路分布特征與土地利用關(guān)系的分析，得到以下結(jié)論:

(1)黃土高原實(shí)施退耕還林導(dǎo)致土地利用發(fā)生重大變化后，小流域道路發(fā)生了顯著變化。1987年，2002年和2006年三期不同級(jí)別道路長(zhǎng)度變化表明，3級(jí)路有所增加，4級(jí)路則減少，特別是分布于坡面上的4級(jí)路變化最為顯著。

(2)不同土地利用類(lèi)型對(duì)道路的吸引程度不同。在退耕還林前，4級(jí)路的長(zhǎng)度分布為耕地＞草地＞林地＞裸巖＞果園＞居民地;實(shí)施退耕還林以后，大部分耕地都變成了林草地，而原來(lái)位于耕地上的道路有部分并沒(méi)有消失。林草地上4級(jí)路長(zhǎng)度增加，耕地上長(zhǎng)度減少。

(3)道路長(zhǎng)度與土地利用類(lèi)型對(duì)道路的吸引程度和土地利用面積之間存在回歸關(guān)系。以對(duì)土地利用最為敏感的4級(jí)路為例，道路長(zhǎng)度和土地利用類(lèi)型面積間存在回歸關(guān)系式:y=0.075 66x+0.111 8，相關(guān)系數(shù) R2達(dá)0.897 2。

[1] 張科利，徐憲利，羅麗芳.國(guó)內(nèi)外道路侵蝕研究回顧與展望[J].地理科學(xué) ，2008 ，2(1):119-123.

[2] Megahan W F，Wilson M，Monsen S B.Sediment production from granitic cutslopes on forest roads in Idaho，USA[J].Earth SurfaceProcesses and Landforms，2001，26:153-156.

[3] Jones J A，Grant G E.Peak flow responses to clear-cutting and roads in small and large basins，western cascades，Oregon[J].Water Resources Research，1996，32:959-974.

[4] Patrick N J L，Sheridan G J.Impact of an unsealed forest road stream crossing:water quality and sediment sources[J].Hydrological Processes，2002，16:2599-2612.

[5] 鄭世清，周寶林，趙克信.長(zhǎng)武王東溝試驗(yàn)區(qū)溝坡道路侵蝕及其防治措施[J].水土保持學(xué)報(bào)，1994，8(30):29-35.

[6] 鄭世清.黃土高原溝壑區(qū)溝坡道路修筑技術(shù)及其防蝕體系[J].水土保持通報(bào)，1997，17(1):33-42.

[7] 鄭世清，霍建林，李英.黃土高原山坡道路侵蝕與防治[J].水土保持通報(bào)，2004，24(1):46-48.

[8] 邱榮祖，方金武.山地林道土壤侵蝕及其防止措施的研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1997，3(4):50-54.

[9] 邱榮祖.山地林道網(wǎng)對(duì)林地環(huán)境的影響[J].山地學(xué)報(bào)，2001，19(1):38-43.

[10] 李鳳英，何小武，金偉，等.公路工程土壤侵蝕預(yù)測(cè)方法評(píng)述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(36):1165-1167.

[11] 曹龍熹，張科利，張卓棟，等.黃土高原小流域道路特征及影響因素[J].地理研究，2008，27(6):1271-1280.

[12] 溫仲明，焦峰，張曉萍，等.紙坊溝流域近60年來(lái)土地利用景觀(guān)變化的環(huán)境效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(9):1903-1909.

[13] 史文中，朱長(zhǎng)青，王昱.從遙感影像中提取道路特征的方法綜述與展望[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2001，30(3):257-262.