鄒琴英, 師學(xué)義, 張 臻

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 北京 100083; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 山西 晉中 030810)

土壤侵蝕是黃土高原主要的環(huán)境問題。人類活動、自然環(huán)境及其相互影響是土壤侵蝕的主要原因[1]。據(jù)山西省政府統(tǒng)計，截至2018年，仍有近10.8萬km2水土流失面積需要治理，占全省土地面積的69%[2]。長時間、大面積、高強度、低效能的煤礦資源開發(fā)，土地利用過于粗放導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能下降，超出了生態(tài)系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)能力范圍[3]。同時，土壤侵蝕是生態(tài)系統(tǒng)中生態(tài)環(huán)境效應(yīng)相互作用下地表物質(zhì)位移過程[4]，是生態(tài)環(huán)境惡化的表現(xiàn)[5]，嚴重的土壤侵蝕造成土壤肥力下降，誘發(fā)滑坡泥石流等自然災(zāi)害，不但影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，而且影響著中下游居民的生命財產(chǎn)安全和河道治理等生態(tài)保護工程的實施。

景觀格局與生態(tài)過程的相互關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)理論研究的重要部分[6-7]，景觀指不同生態(tài)系統(tǒng)組成的異質(zhì)性區(qū)域，景觀格局是不同地表景觀要素在空間上排列組合，影響著生態(tài)學(xué)過程[8]。景觀格局的變化可反映相鄰?fù)恋乩妙愋妥兓潭?，是土壤侵蝕產(chǎn)沙和輸沙空間變化的重要驅(qū)動力[9-10]。但目前景觀格局與土壤侵蝕的相關(guān)研究較少，大多數(shù)景觀格局定量評價單純止步于景觀格局指數(shù)的計算和分析上，定量描述兩者關(guān)系仍是一個難點[11-12]。因此，學(xué)者們從土壤侵蝕角度切入，將不同的土壤侵蝕強度視為景觀過程變化的一個表征指標，運用景觀指數(shù)來揭示土壤侵蝕的時空演變，探尋土壤侵蝕對環(huán)境驅(qū)動因子和景觀格局的響應(yīng)關(guān)系[13-14]。王庫等[15]基于景觀類型參數(shù)分析興國縣土壤侵蝕時空演變規(guī)律和分布格局；李陽兵等[16]借助GIS和Fragstats技術(shù)定量分析了重慶市土壤侵蝕格局分析和破碎化評價，彌補了土壤侵蝕研究對土壤侵蝕景觀空間信息研究的不足；漆良華等[17]基于空間格局分析方法和景觀生態(tài)學(xué)理論，研究了區(qū)域生態(tài)恢復(fù)適宜度與景觀格局特征，為后續(xù)流域景觀優(yōu)化利用和生態(tài)恢復(fù)工程實施提供依據(jù)；康磊等[18]使用USLE模型和應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)理論，評價了岷江上游1990—2015年土壤侵蝕變化和景觀格局變化，對以生態(tài)建設(shè)和找出不利于景觀格局配置因素為目標的流域具有重要的參考價值。因此，與土壤侵蝕相結(jié)合的研究成為生態(tài)問題解決的需要[19]，將景觀生態(tài)學(xué)與土壤侵蝕理論相結(jié)合，分析不同土壤侵蝕強度景觀格局動態(tài)變化，揭示土壤侵蝕強度與生態(tài)過程間的動態(tài)關(guān)系，以期為優(yōu)化流域土地利用布局和改進流域水土流失措施提供參考價值。

本文以汾河上游為研究區(qū)域，應(yīng)用RUSLE模型開展2005年、2010年、2017年3年土壤侵蝕模數(shù)評估，兼顧流域不同時期地表覆被狀況，借助ArcGIS，F(xiàn)ragstats開展相應(yīng)的景觀破碎化分析，探討土壤侵蝕與景觀破碎化指數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，揭示土壤侵蝕強度與生態(tài)過程間的動態(tài)關(guān)系，為汾河上游的生態(tài)環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)和決策參考。

1 研究區(qū)概況

汾河上游(38°7′57″—39°8′41″N,111°42′43″—112°36′55″E)位于山西省西北部，是山西省最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)之一，流域面積達3 884 km2。地形以山地丘陵為主，汾河自北向南流經(jīng)蘆芽山和云中山，總體呈現(xiàn)“兩山一川”大格局(圖1)，總長約160 km。溫度大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為427.6 mm，年內(nèi)降雨分布不均，主要集中在6—9月，占全年降雨量的75.29%；植被以森林和山地草地為主；土壤主要是草甸土、棕壤、褐土。汾河上游流域地形地貌獨特，溝壑縱橫，地勢起伏大，黃土高原境內(nèi)煤炭資源儲量大，煤炭開采、林木開發(fā)等生產(chǎn)活動破壞地表植被，使得汾河上游流域成為土壤侵蝕的易發(fā)區(qū)。

圖1 研究區(qū)范圍及高程

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

本文使用的數(shù)據(jù)包括：DEM數(shù)據(jù)、2017年使用的landsat 8影像、2005年和2010年使用的Landsat4～5 TM影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m，時相為6—10月，云覆蓋率低。在ENVI 5.3中進行幾何糾正、大氣校正等影像預(yù)處理，利用遙感影像的近紅外波段和紅光波段進行NDVI計算；月/年降水數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)；2005年、2010年、2017年汾河上游土地利用現(xiàn)狀變更數(shù)據(jù)來源于忻州市政府普查數(shù)據(jù)；部分土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫中國土壤數(shù)據(jù)集(Harmonized World Soil Database version 1.1)(HWSD)，其余土壤數(shù)據(jù)來源于山西省第二次土壤普查數(shù)據(jù)集，空間分辨率為1 km。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣為30 m分辨率，分別進行2005年、2010年、2017年土壤侵蝕模數(shù)的計算。

2.2 研究方法

(1) 土壤侵蝕量估算。本文基于GIS和RS技術(shù)，采用修正的水土流失通用方程(RULSE)方程對汾河上游土壤侵蝕進行估算?；颈磉_式如下：

A=R×K×L×S×C×P

式中:A為單位面積上平均的土壤流失量[t/(km2·a)];R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)][20];K為土壤可蝕性因子[21][(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)];L和S分別為坡長和坡度因子[22];C為植被覆蓋因子[23];P為水土保持措施因子[24-25],其中L,S,C,P為無量綱因子。

(2) 景觀格局分析。運用景觀格局指數(shù)分析法研究流域侵蝕景觀時空變化特征，利用Fragstats4.2軟件計算景觀格局指數(shù)，以期通過不同時期的景觀指數(shù)對比探討侵蝕景觀格局時空變化特征。參考相關(guān)文獻[26-28]，結(jié)合流域?qū)嶋H情況，選取5個景觀指數(shù)。斑塊水平反映單個斑塊的結(jié)構(gòu)特征，是計算其他景觀級別指標的基礎(chǔ)，景觀水平反映的是區(qū)域整體特征結(jié)構(gòu)。斑塊水平上包括：斑塊數(shù)量(NP)、邊緣密度(ED)；景觀水平上包括：分離度指數(shù)(DIVISON)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)和香農(nóng)多樣性(SHDI)，表征流域景觀的破碎化程度，各個指標的定義和生態(tài)學(xué)意義詳見Fragstats用戶手冊[29]。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域土壤侵蝕時空變化

3.1.1 土壤侵蝕強度的時間變化 用修正通用土壤流失方程計算得到汾河上游2005—2017年土壤侵蝕模數(shù)(圖2)。2005—2017年汾河上游土壤侵蝕流失量顯著減小，平均侵蝕模數(shù)從2005年的50.26 t/(hm2·a)下降到2010年的37.47 t/(hm2·a)，在2017年跌至30.71 t/(hm2·a)。

根據(jù)土壤侵蝕分類分級標準對2005—2017年汾河上游土壤侵蝕模數(shù)進行土壤侵蝕強度分級(表1)[30]。從土壤侵蝕強度所占面積來看，總體呈現(xiàn)中等強度等級以上所占面積向微度和輕度強度轉(zhuǎn)移。2005—2010年，微度侵蝕、輕度侵蝕面積增加，增幅達53.93%，2.91%，占流域總面積的53.75%；中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積減少，降幅依次為9.07%，11.40%，30.06%，39.80%。隨后2010—2017年，微度侵蝕增幅為37.76%，輕度侵蝕至劇烈侵蝕5個等級降幅依次為11.52%，20.08%，23.19%，16.89%，12.08%，但中度侵蝕等級以上的面積僅占侵蝕總面積的23.87%，區(qū)域土壤侵蝕等級以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。

圖2 汾河上游流域2005-2017年土壤侵蝕強度

表1 汾河上游流域不同土壤侵蝕強度面積的百分比 %

3.1.2 土壤侵蝕強度的空間變化 近12 a，土壤侵蝕格局變化顯著。從2005年東部西部高、南北兩側(cè)低、中間中等的格局逐漸轉(zhuǎn)變到2017年西部低，東部高，中部中等的格局，形態(tài)以條帶狀為主。2005年西北森林帶和部分東南山地丘陵區(qū)是高值區(qū)的集中地，中部地區(qū)以中值區(qū)為主，低值區(qū)在西南部中部地帶和北部丘陵地帶；2017年高值區(qū)集中于東南山地丘陵地帶，中值區(qū)位于中部地帶和西南部汾河兩岸平原地帶，低值區(qū)在西北森林帶和部分東南山地丘陵區(qū)。

對2000—2017年汾河上游不同侵蝕等級面積進行統(tǒng)計，得到汾河上游不同侵蝕等級面積的轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。由表2可知，近12 a，汾河上游土壤侵蝕等級之間面積轉(zhuǎn)化活躍，微度和輕度侵蝕等級面積大幅增加，中度侵蝕以上等級的面積明顯減小，研究區(qū)域土壤侵蝕狀況整體變好。其中，劇烈侵蝕中有48.95%、12.13%分別轉(zhuǎn)化為微度侵蝕、極強侵蝕。極強侵蝕轉(zhuǎn)化為微度侵蝕的占比44.71%，強度侵蝕的36.20%，12.35%，15.77%分別轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，輕度侵蝕和中度侵蝕。

表2 汾河上游2005-2017年流域土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

3.2 不同土地利用類型下土壤侵蝕統(tǒng)計分析

2005—2017年汾河上游土地利用類型主要為耕地、草地和林地(表3)。土地利用類型均發(fā)生了不同程度的變化：草地和建設(shè)用地面積分別減少12.42%，11.49%；耕地和林地面積分別增加16.90%，13.67%；水域和其他用地面積降幅明顯，分別減少40.39%，51.13%。

表3 汾河上游流域2005-2017年土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2000—2017年土地利用類型間面積轉(zhuǎn)換變動較大。期間草地面積減少最大，凈減少206.60 km2，主要流向耕地(451.44 km2)、林地(319.12 km2)；林地面積增加大，增加了約148.55 km2，主要來自草地和耕地；建設(shè)用地、其他用地面積及比例均有較大幅度減小。主要原因在于區(qū)域生態(tài)環(huán)境(黃土丘陵地區(qū))的特殊性，水土流失嚴重。一方面政府為穩(wěn)定生態(tài)質(zhì)量實施坡耕地退耕還林、農(nóng)田整治、加強礦區(qū)的管理和綠化工程。另一方面，伴隨經(jīng)濟的發(fā)展，人口集中于汾河兩岸，占用了大量的耕地和水域，城市建設(shè)用地增加，農(nóng)村建設(shè)用地急劇減少，造成土地利用類型變化頻繁。

土壤侵蝕在土地利用類型中差異明顯，2005—2017年各地類土壤侵蝕模數(shù)均減少(圖3)，草地、耕地、林地和其他用地土壤平均侵蝕模數(shù)降幅分別達26.37%，15.91%，61.25%，29.84%。結(jié)合各土地利用類型面積可知：土壤侵蝕主要集中在草地、耕地和林地，土地利用類型與土壤侵蝕模數(shù)高度相關(guān)。不合理的土地利用會造成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的退化，植被覆蓋度高的土壤侵蝕程度小，應(yīng)合理優(yōu)化草地、林地、耕地布局，加強土地利用的管理與監(jiān)控。

圖3 汾河上游流域不同土地利用類型的平均侵蝕模數(shù)

3.3 土壤侵蝕景觀格局變化

3.3.1 土壤侵蝕景觀指數(shù)最佳分析幅度 侵蝕景觀指數(shù)的空間異質(zhì)性具有尺度依賴性，空間尺度的變化對景觀格局定量分析結(jié)果會產(chǎn)生不同程度的影響，確定合理有效的分析尺度十分關(guān)鍵，是揭示景觀破碎化空間變異的前提[31-32]。為定量分析確定最佳分析幅度，在2005年、2010年、2017年3個時期的土地利用矢量數(shù)據(jù)中選取2017年的土地利用數(shù)據(jù)作為研究對象，將2017年土地利用矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，輸入Fragstats 4.2軟件，采用移動窗口法，方形半徑，尺度設(shè)定為200，600，1 000，1 400，1 800，2 200，2 600，3 000 m。以研究區(qū)為邊界生成隨機點100個，提取邊緣密度、分離度指數(shù)、蔓延度、和香農(nóng)多樣性值，研究幅度變化對侵蝕景觀格局指數(shù)的影響。

由圖4可知，景觀指數(shù)皆隨著空間尺度的變大先急劇上升后整體趨于平穩(wěn)。邊緣密度、蔓延度指數(shù)在200～800 m迅速上升，有明顯拐點，隨后隨著空間尺度的變大逐漸趨于平穩(wěn)，波動起伏小；分離度指數(shù)、和香農(nóng)多樣性隨著空間尺度的增大也變大，在1 800～2 200 m之后增長速度產(chǎn)生明顯變化，呈現(xiàn)平緩上升的趨勢?？紤]Fragstats 4.2對空間尺度的要求。綜上，確定2 100 m為最佳分析幅度。

圖4 景觀指數(shù)隨空間幅度變化曲線

3.3.2 土壤侵蝕景觀格局指數(shù)變化 由表4可知，近12 a，斑塊數(shù)量(NP)不斷減少，說明景觀破碎化程度減小，景觀異質(zhì)性程度降低；邊緣密度(ED)、香農(nóng)多樣性(SHDI)先減小后增大，表明研究區(qū)景觀在邊緣形狀上由簡單向復(fù)雜發(fā)展，景觀類型組成由簡單向豐富發(fā)展，土地利用豐富，景觀類型的均勻程度提高；蔓延度(CONTAG)先增大后減小，表明不同斑塊類型的延展趨勢由弱到強再變?nèi)?，蔓延?CONTAG)整體增大，景觀中整體斑塊間的連通性較2005年基底年提高，能量流動加快，景觀破碎化程度降低；分離度指數(shù)(DIVISON)微弱上升。綜上，2005—2017年景觀破碎化程度整體下降，生態(tài)環(huán)境改善。

表4 2005-2017年景觀格局指數(shù)

3.3.3 土壤侵蝕強度與景觀格局變化關(guān)系 2005—2017年3個年度各土壤侵蝕強度的景觀格局指數(shù)見表5，各侵蝕強度的香農(nóng)多樣性、邊緣密度總體減小，蔓延度、分離度指數(shù)總體提升。各侵蝕強度的香農(nóng)多樣性呈現(xiàn)先減后增的趨勢，與2005年對比，2010年各侵蝕強度的香農(nóng)多樣性均減小，劇烈和微度侵蝕的香農(nóng)多樣性降幅最大，中度侵蝕降幅最小，可知：在這5 a中，劇烈和微度侵蝕景觀的斑塊類型組成由豐富向簡單發(fā)展，分布由均衡向定向發(fā)展，與2010年相比，2017年微度侵蝕的香農(nóng)多樣性繼續(xù)減少，輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕強度的香農(nóng)多樣性提升，橫向相比微度侵蝕的香農(nóng)多樣性最小，土壤侵蝕的斑塊破碎度低。2005—2010年各侵蝕強度的邊緣密度逐年下降，降速快，表征景觀斑塊形狀由復(fù)雜到簡單，斑塊的平均面積增大，整體景觀破碎度程度降低，土地利用變化大。2005年各侵蝕強度的邊緣密度值由低到高為：微度侵蝕<劇烈侵蝕<極強烈侵蝕<強烈侵蝕<中度侵蝕，2010年、2017年與2005年各侵蝕強度的邊緣密度排序基本一致。其中，2010—2017年邊緣密度值相差不大，變化小，景觀斑塊形狀趨于常態(tài)。2010年各侵蝕強度的分離度指數(shù)與2005年相比總體大幅度提升，與2017年相當，基本無波動。在強烈侵蝕上較大，在微度侵蝕上最小，表明在強烈等級上景觀的斑塊類型和數(shù)量比微度等級少，景觀破碎化程度低。3個年度中微度、輕度、中度侵蝕的蔓延度均持續(xù)上升，強度、極強度、劇烈侵蝕的蔓延度先快速增加后緩慢減少，但整體上升，表征侵蝕強度景觀中優(yōu)勢斑塊間的連接度好。

表5 2005-2017年各侵蝕強度景觀格局指數(shù)

4 討 論

目前，水土保持措施因子p值的研究標準尚未統(tǒng)一[33]。文中p值的確定沒有采用定量方法，屬于經(jīng)驗值，參考相關(guān)文獻[34-36]，根據(jù)汾河上游水土保持試驗站資料、縣志資料，使用空間信息手段，結(jié)合當?shù)赝恋乩眉稗r(nóng)事活動情況確定的。在后續(xù)研究中，將進行小區(qū)觀測試驗，提高p值的精確度。

本文將不同的土壤侵蝕強度視為景觀的一種元素，探尋土壤侵蝕對外部環(huán)境和景觀格局的響應(yīng)，表明各侵蝕景觀格局指數(shù)能夠較好地反應(yīng)土壤侵蝕時空規(guī)律，是提升汾河上游生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要途經(jīng)。

近12 a，研究區(qū)土壤侵蝕強度和面積都有大幅度的下降，平均侵蝕模數(shù)從2005年的50.26 t/(hm2·a)下降到2010年的37.47 t/(hm2·a)，在2017年跌至30.71 t/(hm2·a)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能得到提升。原因在于：從2005年開始打響提高煤炭產(chǎn)業(yè)集中度和總體素質(zhì)的“三大戰(zhàn)役”，關(guān)閉非法違法煤礦點、關(guān)閉小煤礦點、重組煤炭企業(yè)和規(guī)劃實施山西省煤炭開采生態(tài)環(huán)境恢復(fù)治理，重點推進汾河的區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與治理工作來，期間汾河上游的土壤侵蝕面積和強度下降，水土治理取得明顯成效；2005—2010年，香農(nóng)多樣性、邊緣密度減小速度快，蔓延度、分離度指數(shù)提升大，說明在這5 a中景觀格局得到優(yōu)化，土壤侵蝕治理效果好，受到人為干預(yù)比較大，土地利用方式的改變是土壤侵蝕和景觀格局改變的主要因素，煤礦點關(guān)閉和生態(tài)環(huán)境治理措施是主要原因。2010年后，西部森林地帶和東部山地丘陵帶土壤侵蝕模數(shù)不斷減弱，各侵蝕強度的分離度指數(shù)在強烈侵蝕上較大，在微度侵蝕上最小，表明在強烈等級上景觀的斑塊類型和數(shù)量比微度等級少，景觀破碎化程度低。西部森林地帶和東部山地丘陵帶主要以自然恢復(fù)為主，實施封山育林、退耕還林等生態(tài)措施和人口政策(偏遠地區(qū)的整村搬遷)減弱整個區(qū)域的土壤侵蝕程度，提升了整個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，林地和草地自然恢復(fù)為主的景觀格局演變，降低了該區(qū)土壤侵蝕的強度，疊加植被的保水固土的生態(tài)服務(wù)功能。類似康磊等[37]研究：岷江上游以草地恢復(fù)為主的土壤侵蝕的強度明顯降低；周偉等[38]的研究表明，汾河上游區(qū)域內(nèi)的管涔山汾河源頭、汾河上游水庫、北部露天采礦區(qū)，西部森林采礦帶需要加強生態(tài)保護修復(fù)工作，本文從土壤侵蝕方面也得到類似的結(jié)論，在今后的土壤治理工作應(yīng)以管涔山汾河源頭、汾河上游水庫、北部露天采礦區(qū)，西部森林采礦帶為重點。

5 結(jié) 論

(1) 土壤侵蝕模數(shù)分布規(guī)律為：平均侵蝕模數(shù)連年下降；土壤侵蝕強度所占面積由土壤強度高級別向低級別轉(zhuǎn)移；土壤侵蝕格局從2005年東南和西北高，中間低逐漸轉(zhuǎn)變到2017年從西北向東南逐漸增強。

(2) 土地利用類型中，草地和建設(shè)用地面積顯著減少，主要流向耕地、林地；耕地和林地面積大幅增加，主要來自草地和建設(shè)用地；土壤侵蝕主要發(fā)生在耕地、有林地和草地

(3) 近12 a的侵蝕景觀格局指數(shù)變化表明：人類活動對汾河上游景觀的干擾性隨著時間變化而減弱；各侵蝕強度的景觀斑塊形狀趨于簡單化，斑塊的平均面積增大，優(yōu)勢斑塊連接度好，斑塊團聚程度加強，各侵蝕強度的景觀破碎度水平低，土壤侵蝕狀況得到改善。