安塞縣紙坊溝小流域道路網系分布與土地利用的關系

梁嬋芬，曹龍熹，張科利

(北京師范大學地理學與遙感科學學院，地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京100875)

道路網系作為一種特殊的土地利用方式，既是產流產沙源地，又會對地表徑流過程產生深刻影響。研究道路侵蝕、評價道路網系對流域匯流產沙的作用，對小流域侵蝕模型建立至關重要。自20世紀70年代以來，國外學者就開始關注道路侵蝕問題。相繼開展了道路侵蝕特征及影響因子、道路建設所引起的水文和泥沙過程變化、道路侵蝕預報和公路水土流失防治措施評價等方面的研究[1-4]。國內對道路侵蝕研究相對較少，鄭世清等通過在黃土高原的溝坡道路侵蝕觀測，對道路侵蝕分類、影響道路侵蝕的因素以及防止措施進行了綜合分析[5-7]。邱榮祖等用標樁法和野外調查法對福建山地林道的土壤侵蝕進行了研究[8-9]。還有一些學者針對公路與鐵路工程中土壤侵蝕特點、影響因素以及侵蝕預報模型做了研究[10]。但相對于農地而言，目前關于道路侵蝕研究還存在很多問題。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對流域水沙過程的影響。流域內道路分布主要受地形和人類活動影響，地形對道路網分布的影響已有研究者做了研究[11]，但對人類活動與道路網分布的關系還未見報道。本文通過對紙坊溝流域兩期航空和衛星影像解譯，從不同層面分析小流域道路分布與土地利用類型的關系，以期為小流域道路道路網系計算和生成提供依據。

1 研究區概況及方法

1.1 研究區概況

紙坊溝流域位于陜西省安塞縣，東經109°13′46″—109°16′03″，北緯 36°42′42″—36°46′28″，屬黃土丘陵溝壑區，是延河支流杏子河下游的一級支溝。流域呈南北向狹長形，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，且年內分配不均，主要集中在7—9月間。年蒸發量大于1 463 mm。流域地形破碎，溝壑密度8.06 km/km2，水土流失嚴重，多年平均侵蝕模數達14 000 t/km2。流域先后經歷了植被嚴重破壞期(1938—1958年)、繼續破壞期(1959—1973年)、不穩定期(1974—1983年)、穩定恢復改善期(1984—1990年)和良性生態初步形成期(1991年至今)，土地利用格局發生了較大的變化[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Trimble 4600 DGPS測量的道路網系。不同時期的道路網系分別從1987年的航空影像和2002年的IKONOS衛片中人工提取，提取時以2006年實測紙坊溝道路作為參考并校正影像[13]。對照1987年和1999年的土地利用圖，參考2002年IKONOS衛片，在1999年土地利用圖的基礎上，解譯得到2002年的土地利用圖。將不同時期的道路與相應的土地利用斑塊圖疊加，通過GIS的空間量算功能，分別計算不同土地利用類型上道路的長度、密度。通過GIS的空間查詢與疊加計算功能，做出兩時期的土地利用轉移矩陣，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及依據標準延用我們前期成果，將黃土高原小流域道路分為4級。1級路指通行所有機動車輛的油路，這是流域內最高級別的道路，路面較寬，對流域地形改變較大，且由于路面物質的特殊性，對侵蝕產沙過程有著獨特的影響，但該級別道路一般沿著較高級別的水系分布，在小流域內并不多;2級路指能通行汽車等較大型機動車輛的土石路，這類道路是大多數小流域內的主要道路，寬度小于1級路，路面侵蝕比較嚴重;3級路是指僅能通行拖拉機等小型機動車輛的道路，這種道路一般是人們在特定生產需求(如耕種、采石)驅動下形成的;4級路指只能供行人或農具(架子車、犁耙等)通過的道路，路面較窄[11]。

2 小流域道路分布與土地利用

2.1 不同時期土地利用變化

紙坊溝流域1987年和2002年的土地利用類型統計結果見表1。可以看出，2002年土地利用類型與1987年相比，減少了掛坡旱坡地、荒草地、裸巖3種土地利用類型;增加了草田間作、人工草地、巖石坡草地3種土地利用類型。

表1 紙坊溝流域1987年與2002年土地利用類型二級分類

兩時期二級分類土地利用類型面積在流域的分布百分比見表2。由表2可以看出，流域的主要土地利用類型從1987年的以耕地為主，變為以草地為主，林地和果園的面積都有增加，居民地則沒有變化。

2.2 道路總長度變化

由影像提取的1987年和2002年的道路數據，通過ArcGIS的統計功能，與2006年實測的道路數據相比較，得到紙坊溝流域3個時期不同級別道路總長度的變化情況(見表3)。從表3可以看出，2級路的長度1987年最短，2002—2006年幾乎沒有變化(因為表3中的2級路數據沒有差別，所以論述要與表中保持一致);3級路的長度從1987—2006年逐漸增加;4級路的長度則從1987—2006年逐漸減少。結合3種等級道路的特點[11]，2級路的增加能說明流域整體生產生活水平提高，對能通行汽車等較大型機動車輛的土石路的需求量加大;由于耕地面積減少，3級路的增加說明流域內采石活動增強;而4級路的減少可能是由于退耕還林，使得原有的4級路逐步廢棄。

表2 1987年與2002年各土地利用類型面積百分比 %

2.3 道路變化與土地利用變化關系分析

為了進一步明確土地利用類型對道路分布長度和位置的影響，將兩時期道路變化與土地利用變化結合起來分析，從變化中找出土地利用與道路分布之間穩定的規律。首先通過1987和2002年的土地利用類型，在ArcGIS統計分析功能支持下，得到了兩時期存在道路變化的土地利用斑塊的變化轉移矩陣(表4)。進一步計算，得到存在道路變化的土地利用斑塊占該類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種土地利用類型有超過90%的變化斑塊上存在著道路長度的改變，說明土地利用變化對道路的變化影響較大。

表3 流域3個時期不同級別道路長度

表4 1987—2002年存在道路變化的土地利用轉移矩陣 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 %

本研究統計上述存在道路變化的土地利用變化斑塊上不同等級道路長度的變化情況(見表6)。在坡耕地轉換為其它類型土地處，4級路減少最多，為5.52 km，2級路增加最多，為0.97 km;在天然草地轉換為其它類型土地處，3級路增加最多，為 0.34 km。由于流域道路變化并非完全因為土地利用類型變化而引起，進一步統計了由于土地利用類型變化而引起的道路變化占總道路長度變化的百分比見圖1。由圖1可以看出，土地利用變化對4級路的變化影響最為顯著，對2級路變化影響最小。

2.4 不同類型土地利用上道路通達度

為了分析不同類型土地利用對道路分布的吸引程度，本文構建了一個道路通達度指標，用來描述各土地利用類型斑塊上道路的分布情況。各土地利用類型上的道路通達度=有道路到達的斑塊數目/總斑塊數目。由ArcGIS的空間分析功能得到1987年和2002年各土地利用類型上的道路通達度(表7)。可以看出，兩時期耕地的道路通達度都在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度變化占總道路長度變化的比重

表6 土地利用類型變化斑塊上的道路長度變化情況

表7 1987年與2002年各類型土地利用的道路通達度 %

2.5 不同類型土地利用類型道路長度分布

由于2級路的變化受土地利用變化影響較小，本研究只統計分析3級路和4級路在不同類型土地利用上的長度分布(表8)。1987年居民地處3級路的長度為0.17 m，可以看作沒有3級路分布，3級路主要為采石路，故在1987年裸巖處分布最長，而到2002年，裸巖處大都變為巖石坡草地，故此時在草地處3級路最長。在退耕還林前，4級路的長度分布是耕地＞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，而原來位于耕地上的道路有部分并沒有消失。因此林草地處4級路的長度增加，耕地處的長度減少。

表8 1987年與2002年各類型土地利用上3，4級路長度

2.6 4級路長度與土地利用類型關系分析

由于流域4級路受土地利用影響較大，為了達到定量描述土地利用對4級路的影響，需要構建一個指標來描述各種土地利用類型對4級路的吸引程度。結合前述對各類型土地利用上4級路長度的統計分析，對1987年和2002年流域共有的10種土地利用類型對4級路的吸引程度分為10級，分別賦予0.1～1之間10個數值(表9)。若不考慮土地利用類型，統計1987年和2002年各類型土地利用的面積及其對應的4級路的長度，得到的回歸結果見圖2。若將不同土地利用類型對4級路的吸引程度考慮進去，得到的回歸結果見圖3。由圖3可以看出，將吸引程度因素考慮進去之后，R2由0.753 5變為0.897 2，回歸效果顯著增加。這樣，根據圖 3中的回歸方程 y=0.075 66x+0.1118，在道路分布未知的小流域，在了解土地利用類型及其對應的面積的前提下，結合表6給出的各土地利用類型對4級路的吸引程度指數，就可以推算該種土地利用類型上4級路的分布長度。

圖2 4級路的長度與土地利用面積關系

圖3 4級路長度與土地利用面積×吸引程度關系

表9 各類型土地利用對4級路的吸引程度

3 結論

小流域農田道路分布主要受地形、土地利用和居民點控制，在地形和居民點保持不變、只有土地利用方式變化時，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系，就可以根據土地利用分布生成和統計道路分布。通過對研究流域兩期道路分布特征與土地利用關系的分析，得到以下結論:

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

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

(3)道路長度與土地利用類型對道路的吸引程度和土地利用面積之間存在回歸關系。以對土地利用最為敏感的4級路為例，道路長度和土地利用類型面積間存在回歸關系式:y=0.075 66x+0.111 8，相關系數 R2達0.897 2。

[1] 張科利，徐憲利，羅麗芳.國內外道路侵蝕研究回顧與展望[J].地理科學 ，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.長武王東溝試驗區溝坡道路侵蝕及其防治措施[J].水土保持學報，1994，8(30):29-35.

[6] 鄭世清.黃土高原溝壑區溝坡道路修筑技術及其防蝕體系[J].水土保持通報，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，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報，1997，3(4):50-54.

[9] 邱榮祖.山地林道網對林地環境的影響[J].山地學報，2001，19(1):38-43.

[10] 李鳳英，何小武，金偉，等.公路工程土壤侵蝕預測方法評述[J].安徽農業科學，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年來土地利用景觀變化的環境效應[J].生態學報，2004，24(9):1903-1909.

[13] 史文中，朱長青，王昱.從遙感影像中提取道路特征的方法綜述與展望[J].測繪學報，2001，30(3):257-262.