岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位與土壤侵蝕的空間分布關(guān)系研究

劉延國，廖彥淞，王 青，鄒 強

(1.西南科技大學 環(huán)境與資源學院，四川 綿陽 621010；2.四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610045)

我國山區(qū)面積廣袤但耕地資源相對匱乏，山區(qū)土地總面積約占國土面積的67.7%(包括高原和丘陵)，但山區(qū)耕地面積僅占全國耕地總面積的45%[1-3]左右。山區(qū)聚落作為山區(qū)群眾生存與生活的基本空間組織單元，是人類與周圍地質(zhì)、地貌、大氣、水體、土壤、植被等環(huán)境要素之間交流的平臺。山區(qū)聚落生態(tài)位反映了聚落在山區(qū)垂直方向上所處的空間位置及人類生活所能利用的資源空間，是長期以來山區(qū)群眾利用自然資源和適應自然環(huán)境的智慧結(jié)晶與外在表現(xiàn)形式[1,4-6]。長期以來，山區(qū)群眾為了生存需要，采取毀林開荒、陡坡墾殖等方式，造就了山區(qū)坡耕地和旱地塊多、面積小、分布零散的特點[3,7-9]。不合理的粗放耕作方式，造成表土流失加劇，因此土壤侵蝕已成為限制山區(qū)農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展的重要因素之一。關(guān)于土地利用方式與土壤侵蝕的相互關(guān)系問題，許多學者做了大量有益的探索，尤其是在GIS技術(shù)與修正的通用土壤流失方程RUSLE綜合應用方面成果豐富[10-16]，但以山區(qū)聚落生態(tài)位為研究切入點，探討其與土壤侵蝕的相關(guān)關(guān)系的研究尚未見報道。山區(qū)聚落是山區(qū)貧困的主要載體及農(nóng)牧民脫貧的立足點，而聚落生態(tài)位能反映山區(qū)聚落土地利用方式及經(jīng)濟結(jié)構(gòu)特征，與山區(qū)土壤侵蝕程度及其發(fā)生狀況存在有機聯(lián)系。本研究利用RS和GIS技術(shù)，提取岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位空間信息，結(jié)合岷江上游土壤侵蝕研究的相關(guān)成果[17-24]，探討山區(qū)聚落生態(tài)位與土壤侵蝕的相關(guān)關(guān)系，以期為山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與減貧脫貧提供參考。

1 區(qū)域概況

岷江上游地處四川盆地丘陵山地向川西北高原的過渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造復雜，斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運動隆升強烈，是青藏高原東麓自然地理環(huán)境的典型代表，地理位置介于北緯31°26′～33°16′、東經(jīng)102°59′～104°14′之間，范圍大致與四川省阿壩藏族羌族自治州汶川、理縣、茂縣、黑水、松潘5縣的行政界線一致，總面積2.24萬km2，總?cè)丝?9.2萬人，其中農(nóng)業(yè)人口占75%以上，少數(shù)民族人口占89%以上，是我國主要的羌族聚居區(qū)，集藏、羌、彝等文化特色于一體，是我國西南地區(qū)一條重要的民族廊道及自然景觀帶。在多源文化背景下，長期以來人類生計活動對山區(qū)生態(tài)環(huán)境的持續(xù)干擾，加上活躍地震帶的疊加影響，使岷江上游地區(qū)成為長江上游典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)、川西農(nóng)牧民貧困連片集中區(qū)(4個省級貧困縣、1個國家級貧困縣)，一直是生態(tài)建設及扶貧開發(fā)的重點區(qū)域[25-28]。

2 材料及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

采用田野調(diào)查與“3S”技術(shù)相結(jié)合的方法，對岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位的定量信息進行提取。本研究采用的遙感數(shù)據(jù)包括3個方面：①SPOT-5(2009—2010年，5 m全色影像和10 m多光譜波段影像)數(shù)據(jù)，成像所用傳感器為HRG2傳感器，數(shù)據(jù)格式為GEOTIFF，產(chǎn)品級別為1 A；②數(shù)字高程模型(DEM)；③Google Earth三維立體影像及在線免費數(shù)據(jù)。土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于《阿壩州年鑒(2014)》《四川省阿壩藏族羌族自治州生態(tài)保護與建設示范區(qū)建設方案(2015—2020年)》，以及相關(guān)文獻[22-30]。

2.2 遙感影像預處理

采用ERDAS IMAGINE 9.2對SPOT遙感影像進行幾何校正及分辨率融合。以實地采取的控制點為地理參考，通過Google Earth三維立體影像對多光譜和全色波段數(shù)據(jù)進行校正，實現(xiàn)多光譜和全色波段數(shù)據(jù)的融合(圖1)。

2.3 聚落生態(tài)位信息提取

聚落生態(tài)位是以聚落為中心，占有一定地理空間的實體范圍，包含房屋建筑、農(nóng)田、經(jīng)濟林地、部分斜坡草地及道路等要素的人工-自然綜合體，故以融合影像為數(shù)據(jù)源，輔助區(qū)域Google Earth影像，在ArcGIS 10.2中采用目視解譯法提取岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位空間信息，提取過程見圖1。

圖1 聚落生態(tài)位提取過程示例

2.4 基于DEM的海拔、坡度分級

基于DEM 數(shù)據(jù)，采用ArcGIS中Spatial Analyst模塊下的表面分析功能分別提取海拔、坡度信息。海拔是影響土地利用方式的重要環(huán)境因子，隨著海拔升高，大氣濕度、溫度等會發(fā)生明顯變化，導致土地利用方式發(fā)生一定的變化。坡度對土地利用方式有著重要的影響：≤6°的坡地可以作為農(nóng)用旱地或牧草地；6°～25°的坡地因耕作活動易導致水土流失，需修筑梯田或采用水保耕作法等；25°是退耕還林還牧界限；溝坡地的坡度大部分在35°以上，應以種草造林為主，提高邊坡的穩(wěn)定性，防止崩塌等重力侵蝕發(fā)生；45°是植樹造林的上限，以自然恢復為主[29]。為了分析聚落生態(tài)位在不同地形因子上的分布特征，結(jié)合相關(guān)研究成果及研究區(qū)實際[5-6,29-30]，對聚落生態(tài)位分布的海拔、坡度進行了分級，結(jié)果見表1、2。

表1 岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位海拔分級 m

表2 岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位坡度分級

3 結(jié)果與分析

3.1 總體特征

(1)聚落生態(tài)位特征。利用ArcGIS對岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位的空間信息進行提取，結(jié)果(表3、圖2)顯示：區(qū)域內(nèi)聚落生態(tài)位總共有1 667個，各縣域聚落生態(tài)位面積占縣域總面積比例較小，其中占比最小的理縣僅為2.09%，這一定程度上反映了山區(qū)適宜的聚落生態(tài)位面積較?。?縣中汶川縣平均海拔最低，而松潘縣位于塬面上，平均海拔最高，隨著區(qū)域平均海拔升高，聚落生態(tài)位平均面積有增大趨勢，松潘縣聚落生態(tài)位平均面積最大，為1.14 km2，說明高海拔區(qū)域聚落生態(tài)位需要更大的資源空間以維持其生計。

(2)土壤侵蝕特征。土壤侵蝕過程是岷江上游地區(qū)一個重要的生態(tài)變化過程。當?shù)靥厥獾牡刭|(zhì)構(gòu)造，以及以高山峽谷為主的地貌形態(tài)，使整個區(qū)域的土壤保水保肥能力相對較弱，加上放牧、坡地墾殖等不合理的土地利用方式，在一定程度上加劇了土壤侵蝕程度[25]?？傮w而言，整個區(qū)域都存在不同程度的土壤侵蝕情況，其中輕度和中度侵蝕面積占區(qū)域總面積的比例超過50%。對各縣域而言，松潘縣微度侵蝕面積最大，強烈及以上侵蝕面積較?。汇氪h輕度與中度侵蝕面積占縣域總面積的比例超過30%，強烈及以上侵蝕面積占縣域總面積的比例超過10%，為5縣中比例最大的；理縣輕度與中度侵蝕面積占縣域總面積的比例在65%以上，為5縣中最大的，黑水縣次之，超過55%。

表3 聚落生態(tài)位總體特征

圖2 聚落生態(tài)位分布

通過聚落生態(tài)位面積與區(qū)域侵蝕狀況對比可以看出，岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位面積遠小于土壤侵蝕面積，結(jié)合聚落生態(tài)位維持聚落生計的內(nèi)涵及區(qū)域現(xiàn)狀，可以判斷：強烈及以上侵蝕區(qū)域不是適宜的聚落生態(tài)位區(qū)域，聚落生態(tài)位大多集中于微度到中度侵蝕區(qū)域；土壤侵蝕是該區(qū)域的一種正常的生態(tài)過程，而人類活動在一定程度上加速了這個過程，導致部分區(qū)域侵蝕程度加重，這與姜琳等[23-24]近期對岷江上游地區(qū)土壤侵蝕的研究結(jié)論一致。

3.2 不同海拔梯度上的分布特征

(1)聚落生態(tài)位海拔分布特征。表4為聚落生態(tài)位在不同海拔上的分布。由表4可知，隨著海拔的升高，聚落生態(tài)位平均面積有增大趨勢。理縣、茂縣聚落生態(tài)位大部分分布在海拔1 300～2 800 m之間，處于河谷暖溫帶、溫帶半干旱氣候帶(海拔2 500 m以下)及山地寒溫帶氣候帶(海拔2 500～3 000 m)；松潘縣聚落生態(tài)位主要分布在海拔2 800～3 200 m之間，大部分處于山地亞寒帶氣候帶(海拔3 000～4 000 m)，海拔3 200 m以上聚落生態(tài)位面積占比約為26%，屬典型的高山聚落；汶川縣聚落生態(tài)位在海拔1 300～2 200 m分布最為集中，數(shù)量約占聚落生態(tài)位總數(shù)量的59%，面積占比約為58%，海拔2 200 m以下的聚落生態(tài)位面積占比幾乎達到90%；理縣聚落生態(tài)位在海拔2 200～2 800 m分布最為集中，數(shù)量占比超過52%，面積占比超過57%；茂縣聚落生態(tài)位集中分布于海拔1 300～2 800 m之間，其數(shù)量及面積都占到總量的95%以上；黑水縣聚落生態(tài)位主要集中分布于海拔2 200～3 200 m之間，其面積占比在95%以上；松潘縣聚落生態(tài)位主要集中分布于海拔2 800～3 200 m之間，其數(shù)量及面積占比均超過60%。

表4 聚落生態(tài)位垂直分布

(2)土壤侵蝕特征。根據(jù)陳國階等[25-30]的研究成果，2010年岷江上游地區(qū)土壤侵蝕狀況見表5。由表5可看出，海拔2 000 m以下，以微度與輕度侵蝕為主，但強烈及以上侵蝕面積仍占該區(qū)域面積的25%以上，該區(qū)域人類耕作活動頻繁(以蔬菜類種植為主)，需要高度重視水土流失防治工作；海拔2 000～3 000 m，以微度和輕度侵蝕為主，該區(qū)域以經(jīng)濟林木種植為主，應采取合理的栽植方式，加快坡耕地改造的速度；強烈及以上侵蝕面積多集中在海拔3 000 m以上，尤其是海拔4 000 m以上，該區(qū)域強烈及以上侵蝕面積占比為36%，高海拔地區(qū)多分布裸地及稀疏草地，加之地勢陡峻、坡度大，特別是汶川地震造成山體松動，在高強度集中降雨沖刷下極易造成滑坡、泥石流等地質(zhì)災害。

表5 岷江上游5縣2010年不同海拔土壤侵蝕狀況

通過分析不同海拔梯度上的分布特征，結(jié)合圖3可知，該區(qū)域多為典型的山區(qū)聚落生態(tài)位，且多處于2 800 m以下的高海拔山區(qū)，主要種植旱田作物，如小麥、玉米、蔬菜，以及以蘋果、花椒、核桃為主的經(jīng)濟林木，受年均溫、積溫及水分條件的限制，區(qū)域糧食及作物產(chǎn)量較低，為獲取足夠的生計支撐，大面積坡地墾殖較為普遍，這也是加速區(qū)域土壤侵蝕程度的一個重要原因。

3.3 不同坡度梯度上的分布特征

(1)聚落生態(tài)位坡度分布特征。將坡度圖和聚落生態(tài)位分布圖疊加，得到聚落生態(tài)位在坡度上的分布，見表6。岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位集中分布于15°～35°的緩斜坡及斜坡山地上，分布數(shù)量最多，面積占比最大；聚落生態(tài)位平均面積隨坡度的升高有逐漸減小的趨勢，說明坡度高的山地很難找到合適的聚落生態(tài)位，平均周長隨著坡度升高也有減少趨勢，且形狀趨于簡單；松潘縣處在塬面上，15°以下緩坡地聚落生態(tài)位面積占比在40%以上，汶川縣、理縣、茂縣15°以下緩地聚落生態(tài)位面積占比均在16%左右；≤6°的平緩地上，各縣聚落生態(tài)位面積占比都較小，最高的松潘縣還不到17%，最低的黑水縣在2%以下；6°～15°的緩地上，松潘縣聚落生態(tài)位面積占據(jù)明顯優(yōu)勢，面積占比也超過25%，其次為汶川縣，最低的是茂縣、黑水縣，都在9%左右；15°～25°的緩斜坡地上，汶川縣、茂縣、黑水縣聚落生態(tài)位面積占比均超過30%；25°～35°的斜坡地上，汶川縣、理縣、茂縣、黑水縣聚落生態(tài)位分布面積均出現(xiàn)最大值，其中黑水縣面積占比超過40%，數(shù)量占比超過37%；>35°以上的斜坡地上，各縣聚落生態(tài)位平均面積均較小，理縣面積占比最高，為27.15%。

圖3 岷江上游山區(qū)不同海拔聚落生態(tài)位分布、種植結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟來源示意

坡度(°)指標汶川理縣茂縣黑水松潘≤6數(shù)量(個)15820835平均周長(km)3．194．645．393．367．77平均面積(km2)0．380．510．800．441．49總面積(km2)5．764．0816．013．5252．15占聚落總面積比(%)4．344．537．311．5516．646～15數(shù)量(個)5028343767平均周長(km)2．763．314．264．376．41平均面積(km2)0．330．330．580．561．17總面積(km2)16．339．3119．7420．7278．44占聚落總面積比(%)12．3210．339．009．1325．0415～25數(shù)量(個)1114912210775平均周長(km)2．953．274．564．385．81平均面積(km2)0．390．470．610．651．07總面積(km2)42．8223．2674．5770．0480．25占聚落總面積比(%)32．3025．8234．0330．8625．6125～35數(shù)量(個)1196312614865平均周長(km)2．933．354．524．25．81平均面積(km2)0．370．460．610．621．09總面積(km2)43．4828．9876．8691．8270．85占聚落總面積比(%)32．7932．1735．0740．4522．61>35數(shù)量(個)11078689034平均周長(km)2．413．064．173．946．62平均面積(km2)0．220．310．470．450．93總面積(km2)24．2024．4631．9640．8931．62占聚落總面積比(%)18．2527．1514．5818．0110．09

(2)土壤侵蝕特征。根據(jù)陳思旭等[16，23]對岷江上游地區(qū)土壤侵蝕特征的研究成果，隨著坡度增大，山區(qū)土壤侵蝕模數(shù)有增大的趨勢。岷江上游山區(qū)在坡度15°以下主要為輕度侵蝕區(qū)，侵蝕面積占區(qū)域總面積的比例接近15%；坡度15°～45°主要為中度侵蝕區(qū)，侵蝕面積最大，占比超過80%，而聚落生態(tài)位分布集中區(qū)是在坡度15°～35°之間，分布面積為755.64 km2，占整個聚落生態(tài)位總面積的70%以上，遠遠小于中度侵蝕區(qū)的面積；坡度45°以上區(qū)域侵蝕程度最高。上述研究成果與張建平等[17-19]的研究結(jié)論一致。結(jié)合文獻[17-24]的研究成果，區(qū)域內(nèi)高山裸地、稀疏林地、草地土壤侵蝕最為嚴重，其次是15°～25°的旱地、新退耕還林還草地，說明岷江上游山區(qū)的高陡地形是導致土壤侵蝕的主要原因，而人類活動在一定程度上加劇了土壤侵蝕。

4 結(jié)果與討論

運用“3S”技術(shù)提取岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位空間信息，結(jié)合土壤侵蝕研究的相關(guān)文獻成果，對兩者的空間分布關(guān)系進行了分析，主要結(jié)論如下：①岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位總數(shù)為1 667個，總面積982.12 km2，占研究區(qū)總面積的4.38%，說明該區(qū)域適宜的聚落生態(tài)位面積較??；土壤侵蝕過程是該區(qū)一個重要的生態(tài)變化過程，整個區(qū)域都存在不同程度的土壤侵蝕，以中度及以下侵蝕為主，輕度和中度侵蝕面積占土地總面積的比例超過50%。②區(qū)域聚落生態(tài)位主要集中在海拔1 300～2 800 m，數(shù)量占比超過65%，面積占比超過57%，3 200 m以下聚落生態(tài)位面積占比在90%以上，數(shù)量占比超過95%，隨海拔升高，聚落生態(tài)位平均面積有增大趨勢，說明受氣候條件及作物生長條件的限制，高海拔聚落生態(tài)位需要更大的資源空間；海拔3 000 m以下以微度和輕度侵蝕為主，強烈及以上侵蝕多集中在海拔3 000 m以上，4 000 m以上強烈及以上侵蝕面積占比在36%以上，聚落生態(tài)位分布區(qū)域與強烈侵蝕區(qū)不重疊。③聚落生態(tài)位集中分布于坡度15°～35°的緩斜坡及斜坡山地上，數(shù)量占比接近60%，面積占比超過60%。

岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位都集中分布在中度及以下侵蝕區(qū)域，其面積遠遠小于中度侵蝕區(qū)域面積，雖然部分旱作耕地侵蝕程度較高，但與強烈侵蝕區(qū)域不重疊，說明區(qū)域自然本底的脆弱性是土壤侵蝕的重要原因，而人類活動特別是不合理的耕作活動在一定程度上加劇了區(qū)域的侵蝕程度，使土壤侵蝕成為限制區(qū)域農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)的重要因素之一。鑒于區(qū)域自然本底的脆弱性特征，為避免誘發(fā)社會與經(jīng)濟的脆弱性，做到社會、經(jīng)濟與生態(tài)的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，首先要在繼續(xù)鞏固退耕還林還草成果的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有耕地加大農(nóng)田基本建設力度，以改土、保土治水為重點，實施山、林、草、水、路綜合治理，同時改革耕作制度，既要實施作物的復種輪作，又要重視作物熟制組合，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)潛力及抵御自然災害的能力；其次要適當發(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)，區(qū)域草地組成以高山草甸、亞高山草甸及沼澤草甸為主，地勢高寒，面積大而集中，牧草種類多而富含營養(yǎng)、耐牧性強，但其生長具有明顯的季節(jié)性，因此應合理調(diào)整畜群種類，實施劃區(qū)輪牧，避免過度放牧造成草地退化和土壤侵蝕、沙化，對稀疏草地和土壤侵蝕的敏感區(qū)、易發(fā)區(qū)應特別加以保護，并適時建立人工飼草料基地，發(fā)展現(xiàn)代化草地畜牧業(yè)；再次要大力發(fā)展林下經(jīng)濟，作為四川中藥材的重要產(chǎn)區(qū)，應大力發(fā)展中藥材種植產(chǎn)業(yè)，拓寬農(nóng)牧民增收渠道；最后要大力發(fā)展非農(nóng)產(chǎn)業(yè)，特別是生態(tài)旅游業(yè)，走綠色發(fā)展之路，岷江上游地區(qū)作為少數(shù)民族聚居區(qū)，其特殊的歷史價值、社會價值、文化價值、倫理道德價值、審美價值、生態(tài)價值和潛在的經(jīng)濟價值，為生態(tài)旅游開發(fā)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，鑒于區(qū)域長期貧困的現(xiàn)狀，建議構(gòu)建新的減貧政策體系，既包括大的戰(zhàn)略性山區(qū)減貧政策，又包括具體的差異化的減貧政策，如產(chǎn)業(yè)政策、教育培訓政策、社會保障與社會管理政策等，以實現(xiàn)區(qū)域自主發(fā)展，擺脫貧困面貌。

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