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長株潭城市群生態(tài)綠心區(qū)域土壤侵蝕研究

2018-01-25 01:44楊麗麗文仕知邢元軍
關(guān)鍵詞:坡耕地湘潭市土壤侵蝕

楊麗麗,文仕知,邢元軍

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長沙 410004;2. 國家林業(yè)局 中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,湖南 長沙 410014)

我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一,由土壤侵蝕導(dǎo)致的水土流失已成為我國主要的環(huán)境問題[1-3]。城市水土流失屬典型的人為加速侵蝕[4-5],加速了城鎮(zhèn)化進(jìn)程[6]。近年來,城市水土流失、城市水土保持成為社會關(guān)注的重點。長株潭城市群位于京廣經(jīng)濟帶、泛珠三角經(jīng)濟區(qū)和長江經(jīng)濟帶的結(jié)合部,其生態(tài)綠心地區(qū)位于長沙、株洲、湘潭三市交界地帶,是長株潭城市群的“綠肺”和重要的生態(tài)屏障[7],對該區(qū)域的生態(tài)安全發(fā)揮重要的作用。為了加快該區(qū)域水土流失預(yù)防和治理,及時、全面、準(zhǔn)確地掌握水土流失情況,為長株潭城市群綠心地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。2015年,湖南省水土保持監(jiān)測總站與中南林業(yè)科技大學(xué)共同承擔(dān)了 “湖南省長株潭生態(tài)綠心地區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測”項目,以期以調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合湖南省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)等,逐步建立切合長株潭綠心地區(qū)生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失預(yù)測預(yù)報模型和生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)測管理圖形數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),從而逐步實現(xiàn)該區(qū)域水土保持管理工作的自動化、信息化和數(shù)字化。

1 研究區(qū)概況

長株潭城市群生態(tài)綠心區(qū)范圍基本為長沙、株洲和湘潭三市的交匯地區(qū),北至長沙繞城線及瀏陽河,西至長潭高速西線,東至瀏陽柏加鎮(zhèn),南至湘潭縣梅林橋鎮(zhèn),共有16個鄉(xiāng)鎮(zhèn),1個示范區(qū),4個街道辦事處。地貌以丘陵為主,大部分地區(qū)海拔在100~300 m之間(不含湘江)。研究地氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤氣候,年平均氣溫17.6 ℃,年均降水量1 500 mm,年均相對濕度80%左右。綠心地區(qū)水資源豐富,有湘江、瀏陽河等眾多河流水庫溪塘,但降水量分布不均,夏秋易澇易旱。該區(qū)是湖南省經(jīng)濟文化的中心,人口密集,交通發(fā)達(dá),土地利用率高,原生植被破壞嚴(yán)重,人工林(馬尾松、杉木純林)占了大部分,剩下少量的天然植被,森林覆蓋率為37.6%。土壤主要是紅壤,成土母質(zhì)巖為頁巖、砂礫巖、花崗巖為主,土層較厚,肥力中等。長株潭城市群生態(tài)綠心區(qū)總面積為52 287.00 hm2。其中,長沙為30 569.10 hm2,占58.46%;株洲為8 235.91 hm2,占15.75%;湘潭為13 481.99 hm2,占25.78%。

圖1 湖南省長株潭生態(tài)綠心地區(qū)范圍Fig.1 The range of the ecological“green-core” area of Changzhutan urban cluster

2 研究方法

根據(jù)《全國土壤侵蝕遙感快速調(diào)查工作規(guī)程》(1999年試行稿),將長株潭城市綠心區(qū)土壤侵蝕等級劃分為輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈5個等級。

根據(jù)中華人民共和國水利部 2008年1月4日頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007),結(jié)合實際情況,將本研究中土壤侵蝕坡度分為0 ~ 5°、5°~ 8°、8°~ 15°、15°~ 25°、25°~35°、>35°,土壤侵蝕林草覆蓋度分為<30%、30%~45%、45%~60%、60%~70%。

2015年7月,準(zhǔn)備了以下相關(guān)資料:(1)長株潭綠心地區(qū)行政界線矢量文件、(2)長株潭綠心地區(qū)1∶10 000地形圖、(3)2013年0.5 m高分辨率航空影像、(4)2015年3月1.0 m Google遙感影像。2016年8月,利用ENVI5.2、ArcGIS10.2等相關(guān)軟件對不同地類(非耕地、坡耕地、工程建設(shè)用地)的遙感圖像進(jìn)行了詳細(xì)判讀。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)確定湖南省長株潭生態(tài)綠心地區(qū)實際界線:界線以民政部門給定的區(qū)縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道行政界線為準(zhǔn),除有法定文件依據(jù)相應(yīng)修改外,一般不予變。

(2)建立遙感解譯標(biāo)志:全面觀察調(diào)查區(qū)內(nèi)的遙感影像,在了解生態(tài)綠心地區(qū)地貌、植被等概況的基礎(chǔ)上,根據(jù)解譯任務(wù)制定統(tǒng)一的分類系統(tǒng),通過長沙縣跳馬鄉(xiāng)的實地調(diào)查和室內(nèi)分析對判讀類型的定義、現(xiàn)地實況形成統(tǒng)一的認(rèn)識,并把遙感影像、實地照片和特征描述等綜合形成直觀影像特征(包括色彩、形狀、紋理、位置、分布等),建立遙感影像解譯標(biāo)志,供各小組內(nèi)業(yè)區(qū)劃判圖參考。

(3)圖斑內(nèi)業(yè)區(qū)劃:遙感解譯標(biāo)志建立后,采用ArcGIS10.2平臺進(jìn)行判讀區(qū)劃操作,以高分辨率遙感圖、地形圖為基礎(chǔ)對鄉(xiāng)鎮(zhèn)面數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修整、分割等處理,形成外業(yè)調(diào)查使用的新圖斑圖層,新圖斑圖層的屬性字段包括圖斑號、覆蓋度、坡度、侵蝕程度、地類、高差、水平距離、備注、面積和外業(yè)圖斑號等10個字段。

2015年9月,內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后,抽取樣本進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查,外業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如下:

(1)外業(yè)調(diào)查圖表標(biāo)準(zhǔn):外業(yè)調(diào)查手圖以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基準(zhǔn),幅面A2,比例尺為1∶10000,圖斑標(biāo)注僅標(biāo)注圖斑號,若一幅圖內(nèi)無法將鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部涵蓋,可分2~3次出圖;外業(yè)調(diào)查表以內(nèi)業(yè)判讀數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),將其導(dǎo)入至樣板表中,并注明鄉(xiāng)鎮(zhèn)、調(diào)查人及調(diào)查日期。

(2)抽樣數(shù)量:按照精度要求,以勾畫圖斑數(shù)量的30%進(jìn)行外業(yè)核實,抽樣方式按照圖斑結(jié)尾數(shù)字確定,按照3、6、9尾數(shù)確定外業(yè)核實圖斑。

(3)圖斑調(diào)繪:外業(yè)圖斑圖表實地逐圖斑驗證時,對圖斑界線修正與核實。

(4)圖斑因子填寫:依托地形圖,利用ArcGIS10.2軟件量算圖斑所處地形水平距離、高差求得坡度,通過目視判讀填寫圖斑覆蓋度。外業(yè)調(diào)查需要驗證核實的圖斑因子在外業(yè)卡片的修改區(qū)域進(jìn)行修正,增加的圖斑用阿拉伯?dāng)?shù)字按調(diào)查順序編寫臨時圖斑號。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕面積分布狀況

由表1可知:湖南省長株潭綠心地區(qū)總面積(hm2)為52 287.00,表現(xiàn)為長沙市(30 569.10)>湘潭市(13 481.99)>株洲市(8 235.91);土壤侵蝕面積(hm2)為3 617.56,表現(xiàn)為長沙市(2 095.99)>湘潭市(918.74)>株洲市(602.83),綠心區(qū)土壤侵蝕占綠心區(qū)總面積的6.92%。從侵蝕比例來看,株洲市的土壤侵蝕率最高,長沙次之,湘潭最低。

表1 長株潭綠心地區(qū)土壤侵蝕面積Table 1 Soil erosion area of the ecological“green-core”area of Changzhutan urban cluster

3.2 不同管制空間分區(qū)土壤侵蝕分析

根據(jù)《湖南省長株潭綠心地區(qū)總體規(guī)劃》(2010—2030)將湖南省長株潭綠心地區(qū)劃分為禁止開發(fā)、限制開發(fā)和控制建設(shè)3個區(qū),其面積分別為 26 368.88、19 955.76 和 5 962.36 hm2。不同管制空間分區(qū)面積見表2。

根據(jù)地類分類,將土壤侵蝕分為了非耕地、坡耕地和工程建設(shè)用地三大類型。不同用地類型土壤侵蝕地類面積見表3。長株潭綠心地區(qū)禁止開發(fā)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕面積為1 895.44 hm2,占禁止開發(fā)區(qū)面積的7.19%,其土壤侵蝕面積(hm2)大小表現(xiàn)為工程建設(shè)用地(901.82)>非耕地(846.81)>坡耕地(146.81)。

表2 長株潭綠心區(qū)不同管制空間分區(qū)面積Table 2 Area of different regulatory space partition of the ecological“green-core” area of Changzhutan urban cluster

表3 長株潭綠心地不同管制空間、不同地類土壤侵蝕面積Table 3 Soil erosion area of different regulatory space partition and different land types of the ecological“green-core” area of Changzhutan urban cluster

長株潭綠心地區(qū)限制開發(fā)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕面積為875.73 hm2,占限制開發(fā)區(qū)面積的4.39%,其土壤侵蝕面積(hm2)大小表現(xiàn)為非耕地(510.57)>工程建設(shè)用地(322.03)>坡耕地(43.13)。綠心地區(qū)控制建設(shè)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕面積為846.39 hm2,占控制建設(shè)區(qū)面積的14.20 %,其土壤侵蝕面積(hm2)大小表現(xiàn)為工程建設(shè)用地(696.39)>非耕地(132.61)>坡耕地(17.39)。綠心地區(qū)不同區(qū)域土壤侵蝕面積占該區(qū)面積的比例(%)表現(xiàn)為控制建設(shè)區(qū)(14.20)>禁止開發(fā)區(qū)(7.19)>限制開發(fā)區(qū)(4.39)。

綠心區(qū)禁止開發(fā)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕占該區(qū)侵蝕面積的比例(%)表現(xiàn)為:工程建設(shè)用地(47.58)>非耕地(44.68)>坡耕地(7.75)。綠心區(qū)限制開發(fā)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕占該區(qū)侵蝕面積的比例(%)表現(xiàn)為:非耕地(58.30)>工程建設(shè)用地(36.77)>坡耕地(4.93)。綠心區(qū)控制建設(shè)區(qū)內(nèi)土壤侵蝕占該區(qū)侵蝕面積的比例(%)表現(xiàn)為:工程建設(shè)用地(82.28)>非耕地(15.67)>坡耕地(2.05)。

無論是禁止開發(fā)區(qū)、限制開發(fā)區(qū)和控制建設(shè)區(qū),長沙、株洲、湘潭均表現(xiàn)為控制建設(shè)區(qū)土壤侵蝕占該區(qū)面積比例最大。對于限制開發(fā)區(qū),長沙、株洲、湘潭均表現(xiàn)為非耕地所占的土壤侵蝕面積比例最大,工程建設(shè)用地次之,坡耕地最小。對于禁止開發(fā)區(qū)和控制建設(shè)區(qū),長沙、湘潭均表現(xiàn)為工程建設(shè)用地所占的土壤侵蝕面積比例最大,非耕地次之,坡耕地最小。對于禁止開發(fā)區(qū),原則上不允許開發(fā)建設(shè),即便如此,仍有7.19%的侵蝕量,其中47.58%由工程建設(shè)為主,其中以湘潭最為突出,禁止開發(fā)區(qū)的工程建設(shè)用地侵蝕占56.42%,湘潭的禁止開發(fā)區(qū)需從嚴(yán)加強管理。

3.3 不同土地類型土壤侵蝕分析

根據(jù)地類分類,將土壤侵蝕分為非耕地、坡耕地、工程建設(shè)用地三大類。由表4可知,長株潭生態(tài)綠心區(qū)域范圍內(nèi)非耕地類土壤侵蝕面積為1 489.99 hm2,占綠心地區(qū)總面積的2.85%,占侵蝕面積的41.19%;其侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為長沙市(744.42)>株洲市(381.09)>湘潭市(364.48),但非耕地類土壤侵蝕面積占所在城市面積的比例(%)則表現(xiàn)為株洲市(4.63)>湘潭市(2.70)>長沙市(2.44)。

表4 長株潭綠心區(qū)不同地類土壤侵蝕面積Table 4 The area of different land types of soil erosion of ecological“green-core” area of Changzhutan urban cluster hm2

坡耕地類土壤侵蝕面積為207.33 hm2,占綠心地區(qū)總面積的0.40%,占侵蝕面積的5.73%;其侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為長沙市(173.90)>湘潭市(30.04)>株洲市(3.39)。坡耕地類土壤侵蝕面積占所在城市面積的比例(%)也表現(xiàn)為:長沙市(0.57%)>湘潭市(0.22%)>株洲市(0.04%)。

工程建設(shè)用地類土壤侵蝕面積為1 920.24 hm2,占綠心地區(qū)總面積的4.24%,占侵蝕面積的53.08%,其侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為:長沙市(1 177.67)>湘潭市(524.22)>株洲市(218.35)。工程建設(shè)地類土壤侵蝕面積占所在城市面積的比例(%)表現(xiàn)為:湘潭市(3.89)>長沙市(3.85)>株洲市(2.65)。

綠心地區(qū)非耕地地類不同強度土壤侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為:中度侵蝕(698.03)>輕度侵蝕(483.22)>強烈侵蝕為(242.79)>極強烈侵蝕(54.69)>劇烈侵蝕(11.26)。

綠心地區(qū)坡耕地地類不同強度土壤侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為:中度侵蝕(61.72)>強烈侵蝕(60.75)>極強烈侵蝕(39.03)>輕度侵蝕(25.13)>劇烈侵蝕(10.70)。

綠心地區(qū)工程建設(shè)用地地類不同強度土壤侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為:強烈侵蝕(1 034.29)>中度侵蝕(576.56)>極強烈侵蝕(217.73)>劇烈侵蝕(66.73)>輕度侵蝕(24.93)。

3.4 不同侵蝕強度土壤侵蝕分析

根據(jù)水力侵蝕程度分級指標(biāo),將土壤侵蝕分為輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕5個類型。

由表5可知,長株潭綠心地區(qū)土壤侵蝕面積為3 617.56 hm2,占區(qū)域總面積的6.92%。土壤侵蝕面積(hm2)總體表現(xiàn)為:強烈侵蝕(1 338.62)>中度侵蝕(1 336.49)>輕度侵蝕(543.28)>極強烈侵蝕(310.48)>劇烈侵蝕(88.69)。

長沙市土壤侵蝕面積為2 095.99 hm2,占區(qū)域范圍內(nèi)長沙市面積的6.86%,土壤侵蝕面積(hm2)總體表現(xiàn)為:中度侵蝕(788.63)>強烈侵蝕(787.57)>輕度侵蝕(282.42)>極強烈侵蝕(176.71)>劇烈侵蝕(60.66)。

株洲市土壤侵蝕面積為602.83 hm2,占區(qū)域范圍內(nèi)株洲市面積的7.32%,土壤侵蝕面積(hm2)總體表現(xiàn)為:中度侵蝕(230.47)>強烈侵蝕(153.24)>輕度侵蝕(143.10)>極強烈侵蝕(61.51)>劇烈侵蝕(14.51)。

湘潭市土壤侵蝕面積為918.74 hm2,占區(qū)域范圍內(nèi)湘潭市面積的6.81%,土壤侵蝕面積(hm2)總體表現(xiàn)為:強烈侵蝕(397.81)>中度侵蝕(317.21)>輕度侵蝕(117.76)>極強烈侵蝕(72.44)>劇烈侵蝕(13.52)。

從表5可知,湘潭市的工程建設(shè)用地侵蝕面積為524.22 hm2;占湘潭市土壤侵蝕面積的58.76%,其中強烈侵蝕306.19 hm2,占工程用地侵蝕面積的58.41%,導(dǎo)致湘潭市的強烈侵蝕所占比例達(dá)到了43.3%。

表5 長株潭綠心區(qū)土壤侵蝕強度分級面積Table 5 The area of different soil erosion intensity of the ecological“green-core” area of Changzhutan urban cluster

3.5 不同坡度與覆蓋度土壤侵蝕分析

根據(jù)地面坡度,將土壤侵蝕地區(qū)的坡度分為0 ~ 5°、5°~ 8°、8°~ 15°、15°~ 25°、25°~35°、>35°。由表6可知,不同坡度的土壤侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為 0~ 5°(1 127.15)> 8°~15°(1 055.79) > 15°~ 25°(778.98) > 5°~8°(385.11)> 25°~ 35°(254.53)>大于 35°(16.00);占綠心地區(qū)土地總面積的比例(%)為 0 ~ 5°(4.02)> 5°~ 8°(1.27)> 8°~ 15°(0.72)> 25°~ 35°(0.49)> 15°~ 25°(0.46)>大于35°(0.03);占侵蝕總面積的比例(%)為 0~ 5°(62.20)> 5°~ 8°(19.60)> 8°~15°(11.16) > 15°~ 25°(7.05) > 25°~35°(7.04)>大于 35°(0.44)。

根據(jù)非耕地、工程建設(shè)用地林草蓋度,將土壤侵蝕地區(qū)非耕地林草蓋度分為<30%、30%~45%、45%~60%、60%~75%。由表7可知,不同覆蓋度的土壤侵蝕面積(hm2)表現(xiàn)為<30%(2 101.00)> 30%~45%(661.91)>45%~60%(376.78)>60%~75%(237.98);占綠心地區(qū)土地總面積的比例(%)為<30%(4.02)>30% ~ 45%(1.27) > 45% ~ 60%(0.72) >60%~75%(0.46);占侵蝕總面積的比例(%)為 < 30%(62.20) > 30% ~ 45%(19.60) >45%~60%(11.16)>60%~75%(7.05)。

表6 長株潭綠心區(qū)土壤侵蝕坡度分級面積Table 6 The area of different slope soil erosion of the ecological “green-core” area of Changzhutan urban cluster

表7 長株潭綠心區(qū)土壤侵蝕林草覆蓋度分級面積Table 7 The area of different forest grass coverage of the ecological “green-core” area of Changzhutan urban cluster

4 結(jié) 論

湖南省長株潭綠心地區(qū)總面積為52 287 hm2,土壤侵蝕面積為3 617.56 hm2,占區(qū)域總面積的6.92%。株洲市的侵蝕率最高,長沙次之,湘潭最低。長株潭綠心區(qū)禁止開發(fā)區(qū)土壤侵蝕面積為1 895.44 hm2,其中非耕地土壤侵蝕所占的比例僅為3.21%,可見,禁止開發(fā)區(qū)的土壤流失輕微,保護措施相對較好。長株潭綠心地區(qū)控制建設(shè)區(qū)的土壤侵蝕總面積為846.39 hm2,占控制建設(shè)區(qū)面積的14.20%;其中由于工程建設(shè)造成的土壤侵蝕面積為696.39 hm2,占控制建設(shè)區(qū)土壤侵蝕面積的82.28%;而坡耕地和非耕地共占17.72%??梢?,在長株潭綠心地區(qū)控制建設(shè)區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕主要是由工程建設(shè)項目的原因造成的,最終導(dǎo)致水土流失面積大,土壤侵蝕嚴(yán)重。

長株潭生態(tài)綠心區(qū)域范圍內(nèi)非耕地類土壤侵蝕面積為1 489.99 hm2,占綠心區(qū)土壤侵蝕面積的41.19%;坡耕地類土壤侵蝕面積為207.33 hm2,占綠心地區(qū)土壤侵蝕面積的5.73%;工程建設(shè)用地類土壤侵蝕面積為1 920.24 hm2,占綠心地區(qū)土壤侵蝕面積的53.08%。長株潭綠心地區(qū)土壤侵蝕面積總體表現(xiàn)為:中度侵蝕≈強烈侵蝕>輕度侵蝕>極強烈侵蝕>劇烈侵蝕。長沙、株洲均以中度侵蝕、強烈侵蝕為主,輕度侵蝕次之,極強烈侵蝕和劇烈侵蝕面積最??;而湘潭則表現(xiàn)為強烈侵蝕所占比例最大,這是工程用地所占面積比例較大,強烈侵蝕較為嚴(yán)重導(dǎo)致的。不同坡度的土壤侵蝕面積所占侵蝕總面積的比例表現(xiàn)為隨著坡度的增大而降低,覆蓋度增加,土壤侵蝕面積減小。

研究結(jié)果表明,長株潭綠心地區(qū)土壤侵蝕主要表現(xiàn)在工程建設(shè)用地為主的土壤侵蝕土地利用類型、人為活動導(dǎo)致地表植被及地形破壞嚴(yán)重、城鄉(xiāng)結(jié)合部土壤侵蝕嚴(yán)重等方面。目前53%的水土流失為工程建設(shè)造成,流失程度以中度、強度為主,未來工作重心建議加強工程建設(shè)區(qū)域植物恢復(fù)和監(jiān)控,建立長效監(jiān)控機制,在工程建設(shè)多的區(qū)域,重點加強水土流失的監(jiān)測。同時需要防治人為侵蝕,科學(xué)規(guī)劃土地利用,加強生態(tài)文明宣傳教育。

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