江淮丘陵區(qū)土壤侵蝕分布與環(huán)境因子的關(guān)系

劉曉華, 劉潘偉, 胡續(xù)禮, 張榮華, 張光燦, 楊 銳, 吳 畏

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018; 2.水利部 淮河水利委員會(huì), 安徽 蚌埠 233001)

淮河流域存在“三山、二丘、一區(qū)、一帶”[1]綜合防護(hù)體系的水土保持格局，目前學(xué)者已經(jīng)針對(duì)桐柏大別山區(qū)、伏牛山區(qū)、沂蒙山區(qū)等三大山區(qū)的土壤侵蝕以及治理技術(shù)等開(kāi)展了重點(diǎn)研究[2-4]，但對(duì)“兩丘”區(qū)中的江淮丘陵區(qū)缺乏相應(yīng)的系統(tǒng)研究。由于江淮丘陵區(qū)地處淮河流域與長(zhǎng)江流域交界處，擁有特殊的地理與氣候等條件，在全國(guó)水土保持工作新形勢(shì)下，研究江淮丘陵區(qū)土壤侵蝕的影響因子對(duì)全面了解該區(qū)域土壤侵蝕狀況以及對(duì)區(qū)域生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。對(duì)于影響因子的研究[5-8]，大部分只停留在簡(jiǎn)單的觀測(cè)資料的定性分析，而關(guān)于各環(huán)境因子對(duì)土壤侵蝕空間分布影響的深入研究較少。

為了解江淮丘陵區(qū)土壤侵蝕空間分布，探討土壤侵蝕與土地利用類型[6-10]、坡度[5-7,9-11]、植被[8,12]、土壤類型[2,7]等環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)土壤侵蝕的影響因子進(jìn)行定量研究。本文擬以2015年15 m分辨率的Landsat 8影像為基礎(chǔ)信息源，基于“3S”技術(shù)平臺(tái)[12]，采用綜合評(píng)判法和實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證[12]相結(jié)合方法，對(duì)土壤侵蝕空間分布與各環(huán)境因子進(jìn)行空間疊加分析。以期其結(jié)果可對(duì)確定水土保持重點(diǎn)區(qū)域，為開(kāi)展水土保持規(guī)劃以及制定有針對(duì)性的水土流失防治措施提供參考和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

淮河流域江淮丘陵區(qū)位于淮河流域與長(zhǎng)江流域交界處，116°49′—119°33′E與31°54′—33°24′N，西臨桐柏大別山山前平原區(qū)，北接淮北平原區(qū)，東臨江淮下游河網(wǎng)平原區(qū)，土地總面積1.38×104km2，其中丘陵地面積占總面積的30.70%。屬北亞熱帶氣候，多年平均降水量800～1 000 mm，年內(nèi)、年際、區(qū)間分布差異較大，降雨時(shí)空分布不均，導(dǎo)致地表徑流量具有明顯的季節(jié)性，易形成交替出現(xiàn)的洪澇和干旱災(zāi)害；地表巖性有紅色砂頁(yè)巖、片麻巖、玄武巖等，海拔40～300 m，相對(duì)高差小；土壤主要為黃棕壤、潮土和暗色土，較為粘重；地帶性植被為落葉闊葉混交林型，林草地面積占總面積的17.49%，人口密度為507.55人/km2，人均耕地面積0.13 hm2。

2 研究方法

土壤侵蝕主要受氣候、土壤、地質(zhì)、地形、植被和人為6大因素的綜合影響[5-11]，這6大因素又可再分為諸多次級(jí)影響因子，其中在氣候條件一定的情況下，土地利用類型、地面坡度和植被蓋度的作用尤為顯著，不同的組合方式導(dǎo)致不同的土壤侵蝕強(qiáng)度[10]。本文以江淮丘陵區(qū)的遙感影像為基本信息源，結(jié)合其他圖件資料，基于“3S”技術(shù)平臺(tái)[12]，采用綜合評(píng)判法與實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證[12]相結(jié)合的研究方法，探討江淮丘陵區(qū)的土壤侵蝕的影響因子。

2.1 遙感解譯

2.1.1 數(shù)據(jù)源 以江淮丘陵區(qū)2015年15 m分辨率的Landsat8影像為基礎(chǔ)信息源，同時(shí)收集該區(qū)域自然(如氣候、地形地貌、土壤、巖性、植被等)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)(人口數(shù)量、土地利用類型等)以及水土流失與水土保持治理措施等方面的資料。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理 在ENVI 5.1[13]支持下，利用地形圖對(duì)影像進(jìn)行幾何精校正、輻射定標(biāo)和大氣校正。校正中采用WGS-1984坐標(biāo)系，UTM投影。依據(jù)遙感影像的色、形、位等特點(diǎn)和區(qū)域?qū)嶋H特點(diǎn)，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14-15]，結(jié)合研究目的和區(qū)域概況，建立土地利用分類系統(tǒng)及解譯標(biāo)志，確定土地利用分為耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他未利用土地8類。采用人機(jī)交互解譯方法，提取土地利用數(shù)據(jù)[13]。根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查，驗(yàn)證與完善土地利用數(shù)據(jù)，獲得各土地利用類型面積及空間分布。

在ArcGIS支持下，將研究區(qū)1∶5萬(wàn)地形圖通過(guò)地理配準(zhǔn)、幾何校正和投影變化完成矢量化，利用ArcGIS 10.2軟件中3D analyst模塊，進(jìn)行等高線插值，創(chuàng)建TIN，然后生成研究區(qū)分辨率為30 m的數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)。在提取的DEM基礎(chǔ)上，利用ArcGIS 10.2軟件中的spatial analyst 模塊，提取研究區(qū)的坡度信息，生成坡度分布圖。據(jù)水利部頒布的臨界坡度分級(jí)方案，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，將坡度分為平緩坡、中等坡、斜坡、陡坡、急坡和急陡坡6級(jí)[16]。

在ArcGIS 10.2軟件中將收集到的研究區(qū)土壤類型分布進(jìn)行矢量化，得到該區(qū)域土壤類型分布圖。植被覆蓋度(fractional vegetation cover， FVC)[17]采用歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index， NDVI)計(jì)算。借助遙感影像處理軟件ENVI 5.1，提取NDVI，計(jì)算FVC。利用GPS確定野外調(diào)查樣區(qū)，采集該樣區(qū)的植被覆蓋度，建立樣區(qū)的植被覆蓋度與遙感計(jì)算植被蓋度之間的關(guān)系，獲得研究區(qū)植被蓋度因子。根據(jù)植被蓋度分級(jí)編碼標(biāo)準(zhǔn)[16]進(jìn)行分級(jí)。

FVC=〔(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)〕k

式中：FVC——植被覆蓋度(%)； NDVI——所求像元的歸一化植被指數(shù)； NDVImin,NDVImax——研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值、最大值；K——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

運(yùn)用ArcGIS空間疊加分析功能，可以得到該區(qū)域的土壤侵蝕空間分布。然后將土壤侵蝕空間分布分別與各環(huán)境影響因子疊加分析，得到相關(guān)關(guān)系。

2.2 野外調(diào)查驗(yàn)證

野外調(diào)查驗(yàn)證[12]是決定土地利用和植被覆蓋分類是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵，直接影響到土壤侵蝕判讀結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和精度。本次野外實(shí)地調(diào)查時(shí)間為2016年8月，選取有代表性的典型地段、特殊地物及在解譯中圖像不清晰之處共423個(gè)野外調(diào)查與實(shí)地驗(yàn)證點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算Kappa系數(shù)，用戶精度、生產(chǎn)精度均在60.00%以上，總體解譯精度為78.49%，符合土地利用解譯精度要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕狀況

江淮丘陵區(qū)2015年水土流失面積為1 409.60 km2，約占該區(qū)總面積的10.20%，侵蝕強(qiáng)度以輕度侵蝕為主，面積為1 162.27 km2，占水土流失總面積的82.45%；局部以中度侵蝕為主，占水土流失總面積的17.04%；強(qiáng)烈侵蝕與劇烈侵蝕所占比例很小，該區(qū)無(wú)劇烈侵蝕。

3.2 土壤侵蝕分布與影響因子的關(guān)系

3.2.1 土壤侵蝕分布與土地利用類型的關(guān)系 不同數(shù)量、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、方式的土地利用能夠引起坡度、植被覆蓋度的變化，進(jìn)而影響水土流失[2,7-11]。江淮丘陵區(qū)耕地面積為6 788.77 km2，約占總面積的49.21%，其中：絕大部分是坡耕地；園地、林地、草地分別占8.21%，13.30%，4.19%。從表1可以看出，在不同土地利用類型中，土壤侵蝕主要來(lái)源于耕地、園地、林地和草地，各類型侵蝕面積分別占水土流失總面積的41.17%，4.19%，28.31%，26.34%。其中耕地侵蝕面積最大，林地、草地侵蝕面積次之；從侵蝕發(fā)生的空間位置來(lái)看，耕地的侵蝕主要受坡度影響，因此主要發(fā)生在下墊面起伏度較大，條件較為惡劣的坡耕地，主要以輕度侵蝕、中度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕為主。林地及園地侵蝕不僅受坡度侵蝕的影響，還受到植被蓋度的影響，主要發(fā)生在坡度相對(duì)較大，植被蓋度較差的疏林地和坡式經(jīng)濟(jì)林中，侵蝕類型主要以輕度侵蝕和中度侵蝕為主。研究區(qū)的草地多分布在荒坡和坡腳地帶，草類多以馬尾草、狗尾草、硬尾草等，這些雜草地表覆蓋程度較低，在荒坡上又容易受到強(qiáng)降雨的影響，侵蝕類型主要以輕度侵蝕和中度侵蝕為主。

表1 不同土地利用類型與土壤侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系

3.2.2 土壤侵蝕分布與坡度的關(guān)系 地形地貌決定著地面物質(zhì)與能量的形成和再分配，是影響水力侵蝕的重要因素之一。地面的坡度、坡長(zhǎng)等對(duì)土壤侵蝕有很大的影響[5-7,9-11]。一般情況下，坡度越大，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)，徑流速度就越大。地面坡度越陡，地表徑流的流速越快，對(duì)土壤的沖刷侵蝕力就會(huì)越強(qiáng)。坡面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，匯集地表徑流量越多，沖刷力也會(huì)增大。從圖1中得出，研究區(qū)坡度主要集中在0～15°之間，坡度>8°的區(qū)域主要是分布在鳳陽(yáng)縣、定遠(yuǎn)縣、明光市和盱眙縣，而這4個(gè)縣恰是該區(qū)域水土流失發(fā)生較為嚴(yán)重的地方。表2中顯示，無(wú)論區(qū)域內(nèi)土地利用和植被覆蓋是何種類型，<5°的區(qū)域基本上不產(chǎn)生土壤侵蝕；隨著坡度的增加，土壤侵蝕也隨之增加，等達(dá)到一定坡度值后，土壤侵蝕開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。該區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在5°～15°之間的山區(qū)與平原交界帶，此處人類活動(dòng)頻繁，存在大面積的坡耕地，而林地、園地和草地等人為破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤侵蝕分布集中，約占水土流失總面積的95.46%；15°～25°之間產(chǎn)生的土壤侵蝕是由坡度，徑流速度和溝道共同影響的。因此，在低丘緩坡地帶，注意進(jìn)行坡耕地、“四荒”地等的改造，如完善田間水利設(shè)施配套、坡改梯工程等，穩(wěn)定基本農(nóng)田；對(duì)于>25°的區(qū)域，退耕還林還草、進(jìn)行封禁保護(hù)，注重發(fā)揮大自然的自我調(diào)節(jié)和自我修復(fù)能力。

圖1 江淮丘陵區(qū)坡度分布

表2 不同坡度與土壤侵蝕強(qiáng)度條件下的土地面積 km2

3.2.3 土壤侵蝕分布與植被覆蓋度的關(guān)系 植被在水土流失的諸多影響因素中是十分重要的因子。一切形式的植被覆蓋，均可不同程度地抑制水土流失的發(fā)生[8,11]。林冠層、枯枝落葉層及林下灌草植被能夠減弱降雨動(dòng)能，防止地面擊濺侵蝕；截留降雨，增加水分入滲及滯留貯存等。減少了地表徑流，降低徑流的沖蝕力，同時(shí)增加了地表粗糙度、改變局部坡度，降低了徑流速度；改良土壤，提高土壤的抗蝕性和抗沖性。同時(shí)，植被覆蓋度高的地方，土壤有良好的水分滲透性能，根系有強(qiáng)大的固土功能，可有效地控制土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展[11]。由圖2，表3可以得出，該區(qū)域植被覆蓋度為15%～30%時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度以中度侵蝕為主；植被覆蓋度為30%～75%時(shí)，土壤侵蝕以輕度侵蝕為主；當(dāng)植被蓋度<15%，侵蝕面積很小，主要原因是該植被覆蓋度下的土地利用類型以城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地為主。區(qū)域植被多為“小老樹(shù)”，林草地占總面積的17.50%，其中疏幼林占林草地總面積34.42%。因此該區(qū)要保護(hù)現(xiàn)有植被，適宜地區(qū)適當(dāng)改造“小老樹(shù)”，建立喬灌草相結(jié)合的林草防護(hù)體系，堅(jiān)持封育保護(hù)與營(yíng)造水保林、農(nóng)田防護(hù)林、人工種草相結(jié)合，擴(kuò)大植被覆蓋率。

圖2 江淮丘陵區(qū)植被覆蓋度分布

表3 不同植被覆蓋度與土壤侵蝕強(qiáng)度條件下的土地面積 km2

3.2.4 土壤侵蝕分布與土壤類型的關(guān)系 不同土壤類型的土層厚度、腐殖質(zhì)層厚度及含量，土壤水分含量及肥力、質(zhì)地、結(jié)構(gòu)及石礫含量、酸堿度、鹽堿含量，基巖和成土母質(zhì)的種類與性質(zhì)等都不相同，這些都會(huì)促進(jìn)或抑制土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展[2,7]。

由表4可得，該區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在黃棕壤、水稻土中的漂白水稻土亞類以及暗色土等，各土壤類型的侵蝕面積分別占侵蝕總面積的41.59%，12.03%和30.63%；從侵蝕強(qiáng)度來(lái)看，輕度及中度侵蝕在各個(gè)土壤類型都有分布，以發(fā)生在黃棕壤、水稻土、紫色土以及暗色土中為主，而強(qiáng)烈與極強(qiáng)烈侵蝕主要發(fā)生在白漿黃棕壤和不飽和紫色土中。這些土壤類型多土層淺薄黏重[6,9]，有機(jī)質(zhì)含量少，抗蝕性低，且所處地勢(shì)較高、坡度及起伏度較大，水流和風(fēng)力作用強(qiáng)烈，再加之人為活動(dòng)強(qiáng)烈[2]，導(dǎo)致土壤侵蝕較為嚴(yán)重。

表4 不同土壤類型與土壤侵蝕強(qiáng)度條件下各土類面積 km2

4 討論與結(jié)論

(1) 江淮丘陵區(qū)水土流失面積為1 409.60 km2，約占總面積的10.20%，侵蝕強(qiáng)度以輕度侵蝕為主，局部以中度侵蝕為主。

(2) 土地利用類型、植被、坡度、土壤類型等環(huán)境因子共同影響土壤侵蝕的分布。暗色土、水稻土以及黃棕壤等土層淺薄粘重，有機(jī)質(zhì)含量少，抗蝕性低，且所處地勢(shì)較高、坡度及起伏度較大，水流和風(fēng)力作用強(qiáng)烈，植被覆蓋較低的地區(qū)，土壤侵蝕容易發(fā)生發(fā)展。坡度<5°的區(qū)域基本上不產(chǎn)生土壤侵蝕，以微度侵蝕為主，該區(qū)土壤侵蝕主要發(fā)生在5°～25°，其中5°～15°是山區(qū)與平原的交界帶，人類活動(dòng)頻繁。耕地的侵蝕主要受坡度影響，因此主要發(fā)生在下墊面起伏度較大，條件較為惡劣的坡耕地；林地、園地、草地侵蝕不僅受坡度侵蝕的影響，還受到植被蓋度的影響，主要發(fā)生在坡度相對(duì)較大，植被蓋度較差的林地和荒草坡中。以上研究結(jié)果對(duì)確定水土保持重點(diǎn)區(qū)域，開(kāi)展水土保持規(guī)劃以及制定有針對(duì)性的水土流失防治措施提供參考和理論依據(jù)。

除了自然環(huán)境因子影響土壤侵蝕的格局，人類活動(dòng)也是重要的影響因子。坡耕地的開(kāi)發(fā)以及各類生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)對(duì)江淮丘陵區(qū)的土壤侵蝕產(chǎn)生了重要的影響。由于以往對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目或活動(dòng)監(jiān)督管理薄弱等原因，在丘陵地分布區(qū)形成了較多的礦山廢棄地，區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和水土保持功能受到嚴(yán)重破壞[1,8,18]。近年來(lái)，隨著生態(tài)環(huán)境維護(hù)觀念和建設(shè)力度的增強(qiáng)，雖然礦產(chǎn)資源的無(wú)序開(kāi)采活動(dòng)已被禁止，多數(shù)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)區(qū)已經(jīng)封禁保護(hù)，但受損生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和水土保持功能依然尚未得到有效恢復(fù)。目前各流域機(jī)構(gòu)對(duì)于水土保持越來(lái)越重視，各項(xiàng)水土保持措施逐漸投入使用，應(yīng)當(dāng)注意其建后管護(hù)，緊握效益發(fā)揮的方法，并且進(jìn)行定期巡查工作，及時(shí)制止和查處破壞水土保持設(shè)施的行為。

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