安徽省岳西縣土壤侵蝕時空演變特征及趨勢預測

郝李霞，程先富，張廣勝

（1.皖西學院 資源環境與旅游管理學院，安徽 六安 237012；2.安徽師范大學 國土資源與旅游學院，安徽 蕪湖 241000）

土壤侵蝕不僅嚴重地破壞以土地資源為主的自然資源，而且還會造成嚴重的生態環境問題，對可持續發展構成極大的威脅［1－4］。岳西縣位于皖西南邊陲，大別山腹地，跨江淮分水嶺。由于自然因素與人為因素的雙重作用，岳西縣水土流失極為嚴重，成為長江流域13個重點水土流失縣之一。岳西縣要實現生態、經濟與社會協調可持續發展，必須要加大力度治理水土流失。研究岳西縣土壤侵蝕時空演變規律可以為該縣水土保持部門進行水土保持規劃提供科學依據和決策支持［5－13］，對該縣環境及經濟可持續發展起到積極作用。

1 研究區概況

岳西縣位于北緯30°29′－31°11′，東經115°50′－116°33′。全縣境內地質構造復雜、斷層較多。巖石以花崗片麻巖為主，顆粒粗、多斷層、易風化，成為水土流失中的主要砂礫質來源。縣內地貌呈中低山景觀，地形的主要特點是垂直高差大。岳西縣屬北亞熱帶季風氣候區，總體氣候特征:氣候溫涼，光照較足，雨量充沛，濕度較大，四季分明，雨熱同期。由于降水在時空上分布不均，降水主要集中在汛期，并且暴雨多、雨強大。地形上山高坡陡，河道多為源頭段，匯流時間短，大雨水滿河，無雨水斷流。所以這是形成岳西縣水旱災害頻發的重要原因。岳西土壤因受母質巖性影響，顆粒較粗，質地偏砂，黏粒含量少。岳西縣為亞熱帶常綠闊葉林向暖溫帶常綠闊葉混交林過渡地帶，具有兩個植被系的特點。

2 研究方法及數據資料

2.1 研究方法

本研究以岳西縣1958年、1983年、1992年及2004年4個時期的土壤侵蝕圖為基礎，建立空間和屬性數據庫，生成用于分析的矢量圖像。其中2004年的土壤侵蝕圖是由遙感影像解譯而來。利用ARCGIS軟件的空間分析功能，統計分析功能，對不同時期的土壤侵蝕圖層進行疊加分析反映不同時期土壤侵蝕類型之間的相互轉化狀況，不同侵蝕類型等級的變化及其面積變化狀況；利用馬爾柯夫模型預測岳西縣土壤侵蝕的演變趨勢。根據1992年與2004年土壤侵蝕圖疊加獲取不同侵蝕類型之間的面積相互轉化狀況，確定相應的侵蝕類型之間相互轉化的初始轉移概率矩陣，利用馬爾柯夫過程模擬某一時間各土壤侵蝕等級面積所占比例的動態變化，并據此計算出各等級侵蝕類型的面積預測值。

2.2 數據資料

本論文采集的數據資料有:岳西縣2004年遙感影像圖；岳西縣1∶50000 土壤侵蝕強度圖（1958年，1983年，1992年）；岳西縣1∶50000 土壤圖；岳西縣行政區劃圖等。此外還利用了《岳西土壤》、《岳西縣志》、《岳西縣水利志》中的部分文字資料。

本研究中利用1∶50000 的地形圖在ERDAS IMAGINE 8.5環境中對岳西縣2004年遙感圖像進行幾何校正。幾何校正模型選擇3次多項式變換模型，并設置投影為高斯－克呂格投影。為了使投影產生的變形限制在最小范圍內，投影選取的雙標準緯線:φS＝30°30′N，φN ＝31°10′N；中央經線:λ＝116°E；原點坐標:30°50′N。

2.3 土壤侵蝕等級劃分

土壤侵蝕強度是確定土地利用方向、治理措施規劃設計和進行土壤侵蝕動態監測的主要依據。根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》（SL190－2007）土壤侵蝕強度分級，必須以年均侵蝕模數為判別指標。岳西縣的土壤侵蝕類型主要屬于水力侵蝕，水力侵蝕劃分標準見表1。

表1 土壤水力侵蝕的強度分級標準

岳西縣河流眾多，河網密集，河流兩岸分布有大面積的堆積地貌，不能具體劃分為某種侵蝕類型，而且這種地貌類型與各種侵蝕類型也是處于相互轉化中，因此將其單獨列出作為一種類型，但不屬于某種侵蝕類型。

3 岳西縣土壤侵蝕時空演變特征分析及趨勢預測

3.1 岳西縣土壤侵蝕面積變化分析

據表2分析，岳西縣土壤侵蝕面積變化1958－2004年經歷了3個主要過程:

（1）1958－1983年土壤侵蝕不斷加劇。侵蝕土壤面積逐漸增多，微度侵蝕向侵蝕土壤轉化明顯，面積由1958年的46288 hm2減為1983年的15963 hm2；輕度侵蝕面積減少，由1958年的86564 hm2減少為1983年的50092 hm2；中度、強烈、極強烈侵蝕土壤面積增加顯著，由1958年的48310 hm2、20944 hm2、513 hm2分別增加到1983年的72456 hm2、33985 hm2、2851 hm2；另外還出現了劇烈侵蝕土壤。岳西縣水系發達，流水堆積地貌面積較大。1958－1983年堆積面積明顯增多，水域縮小。這也說明25a間該地區水土流失加劇，河流泥沙含量大，河道淤塞。

（2）1983－1992年土壤侵蝕逐漸恢復。微度侵蝕和輕度侵蝕土壤面積顯著增加，分別由1983年的15963 hm2、50092 hm2增加到1992年的22625 hm2和109202 hm2；尤其表現在中度、強烈、極強烈侵蝕土壤面積大幅度下降，分別由1983年的72456 hm2、33985 hm2、2851 hm2減少為1992年的52488 hm2、1246 hm2、111hm2；劇烈侵蝕土壤消失。堆積面積由1983年的60791 hm2下降到1992年的50604 hm2，水域面積基本維持不變。9a的時間里岳西縣通過實施林業規劃、調整土地利用結構、小流域綜合治理等合理有效的治理措施，使嚴重的水土流失狀況基本得到控制。

（3）1992－2004年土壤侵蝕全面恢復。微度侵蝕土壤面積由22625 hm2增加為50335 hm2；中度侵蝕土壤面積明顯下降，由52488 hm2減為43714 hm2；強烈侵蝕與極強烈侵蝕土壤面積有所增加但其面積變化不是很明顯，分別由1246 hm2、111hm2增加為1997 hm2、310hm2，不影響總體趨勢的變化。堆積類型面積由50604 hm2下降到35562 hm2，水域面積擴大，說明小流域綜合治理成果顯著。從1984年開始，岳西縣開展了以小流域為單元的水土保持綜合治理，為改善岳西縣生態與環境、發展農村經濟、促進經濟社會可持續發展做出了突出的貢獻。

3.2 土壤侵蝕動態演變特征

3.2.1 1958－1983年土壤侵蝕的變化 岳西縣1958－1983年土壤侵蝕圖的疊加結果（表3）顯示:微度侵蝕土壤主要轉化為輕度、中度、強烈侵蝕的土壤，只有17%的面積無變化。輕度侵蝕土壤主要轉化為侵蝕程度較強的類型，只有少量轉化為輕度侵蝕。中度侵蝕變成侵蝕程度較弱類型和侵蝕程度較強類型的比例都為17%。強烈侵蝕有20%面積沒有變化，27%轉化成中度侵蝕。極強烈侵蝕土壤有70%變成強度以下侵蝕類型，有4%轉化成劇烈侵蝕。堆積中有70%的面積沒有變化，發生變化的主要是變成中度侵蝕，占其總面積比為14%。水域面積縮小，其中49%轉變成堆積，12%成為強度侵蝕土壤。說明大量泥沙進入河流，淤塞河道，河床抬高，成為陸地。

表2 岳西縣土壤侵蝕面積變化 hm2

表3 岳西縣1958－1983年土壤侵蝕變化狀況hm2

25a間岳西縣土壤侵蝕經歷了劇烈的變化，侵蝕程度弱的向更高侵蝕類型轉化的比例大，中度侵蝕向兩極轉化的比例均等。強烈與極強烈侵蝕主要向較輕的侵蝕類型轉化，但總體上向惡化的趨勢發展。因為這一時期人為破壞植被嚴重及其不合理的土地利用方式、不合理的工程建設導致水土流失日趨嚴重，形成惡性循環。

3.2.2 1983－1992年土壤侵蝕的變化 從表4看出:岳西縣1983－1992年土壤侵蝕狀況逐漸好轉。微度侵蝕類型有45%面積轉化為輕度侵蝕，3%的面積成為中度侵蝕，沒有出現強烈與極強烈侵蝕土壤。輕度侵蝕土壤中只有16%變成微度侵蝕類型，14%成為中度侵蝕土壤，只有極少量成為強烈侵蝕的類型。在中度侵蝕土壤中，有55%轉化為輕度侵蝕土壤，7%成為微度侵蝕土壤。強烈侵蝕類型中轉化為微度侵蝕、輕度和中度侵蝕的面積比分別為4%，44%，37%。極強烈侵蝕土壤只有2%無變化，88%轉化為低級別的侵蝕類型。而劇烈侵蝕的土壤類型完全消失。堆積類型中有24%轉變成輕度侵蝕，19%向中度侵蝕類型轉變，只有少量成為微度侵蝕類型和水域。水域中有40%成為堆積類型，向輕度和中度侵蝕類型轉變的各占6%。

表4 岳西縣1983－1992年土壤侵蝕變化狀況 hm2

這一時期岳西縣土壤侵蝕變化呈現以下特點:微度侵蝕和輕度侵蝕類型土壤有接近一半和超過一半的面積無變化；中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕類型的土壤主要向侵蝕程度較弱的類型轉化。總體趨勢土壤侵蝕狀況明顯改觀，主要原因是國家采取了相關的水土保持政策，岳西縣政府重視水土保持工作，采取了相應的水土保持措施如植樹造林、小流域綜合治理等，并落實到位。

3.2.3 1992－2004年土壤侵蝕變化 分析表5得出結論:岳西縣1992－2004年土壤侵蝕程度逐漸減輕，生態環境進入全面恢復期。12a間土壤侵蝕變化的總特點:呈現兩極分化的局面。具體表現在輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕類型主要向低級別的侵蝕類型轉變；輕度侵蝕向微度侵蝕轉化的面積比例加大；和1992年相比，2004年強烈侵蝕和極強烈侵蝕土壤面積有少量增加，但占全縣總面積比例極小。

表5 岳西縣1992－2004年土壤侵蝕變化狀況 hm2

岳西縣自1991年實施林業發展規劃后，消滅了荒山，森林覆蓋率有明顯提高。2000年后，岳西縣又進行二次創業，分類管理，保護生態林，近山則規劃為經濟林。在整地方法上基本杜絕全墾造林，改為帶狀整地。同時結合工程措施如整修加固和恢復各類堤岸。這些具體措施對減輕水土流失都起到很大作用。3.2.4 岳西縣土壤侵蝕程度變化分析 據圖1分析，1958－2004年岳西縣土壤侵蝕程度無變化的面積經歷了先下降后上升的過程，土壤侵蝕程度等級增加的面積先顯著擴大再逐步下降，而土壤侵蝕程度等級下降的面積先減少后增加，陸地與水域也是相互轉化，反映了研究區土壤侵蝕復雜的變化過程。

圖1 岳西縣土壤侵蝕程度變化

3.3 岳西縣土壤侵蝕的動態變化預測

土壤侵蝕的動態演變具有馬氏過程的性質，因此利用馬爾柯夫過程模型［14］研究土壤侵蝕的動態演變比較適宜。運用馬爾柯夫過程模型的關鍵在于確定各侵蝕等級之間相互轉化的初始轉移概率矩陣P。計算初始轉移概率矩陣P，就是求出從每個狀態轉移到其他任何狀態的狀態轉移概率Pij（i，j＝1，2，…，n）。為了求出每個Pij，一般采用頻率近似概率的思想進行計算。

3.3.1 初始轉移概率矩陣的確定 根據岳西縣1992－2004年土壤侵蝕類型面積轉化，計算出了各土壤侵蝕等級的轉移概率矩陣（表6）。

表6 岳西縣1992－2004年土壤侵蝕轉移概率矩陣 %

3.3.2 岳西縣土壤侵蝕變化趨勢預測分析 根據表6，應用馬爾柯夫模型進行預測，得出岳西縣2016年土壤侵蝕各等級出現的概率（表7），并計算出該縣2016年各等級土壤侵蝕的面積狀況（表8）。

表7 岳西縣土壤侵蝕各等級面積比例變化的馬爾柯夫預測值 %

表8 岳西縣土壤侵蝕各等級面積變化的馬爾柯夫預測值 hm2

結果表明，如果現在的土壤侵蝕狀況繼續維持下去，到2016年微度侵蝕土壤面積增加到64221 hm2，占全縣總面積的27.051%；輕度侵蝕與中度侵蝕土壤面積減少，尤其中度侵蝕類型面積明顯下降，占總面積的15.609%，比2004年減少6658 hm2；強烈侵蝕與極強烈侵蝕面積在局部地區有所增加，但這種變化不是很明顯。堆積類型面積呈顯著下降趨勢，面積減少到27455 hm2，占總面積的11.566%；與此同時，水域面積有所減少。從總體趨勢看岳西縣土壤侵蝕狀況向好的方向發展，說明目前的水土保持工作措施得當，效果顯著。但局部地區土壤侵蝕有加劇的潛在危險，需要引起水土保持部門的重視。

4 結論

（1）近50a來，岳西縣土壤侵蝕經歷了急劇惡化到逐漸恢復的過程。1958－1983年土壤侵蝕不斷加劇；1983－1992年土壤侵蝕逐漸恢復；1992－2004年土壤侵蝕進入全面恢復期。

（2）相鄰時段的土壤侵蝕圖疊加結果分析表明，不同時期土壤侵蝕各等級相互轉化的變化特征如下:

①1958－1983年的25a間，岳西縣土壤侵蝕經歷了劇烈的變化，侵蝕程度弱的向更高侵蝕類型轉化的比例大，中度侵蝕向兩極轉化的比例均等。強烈與極強烈侵蝕主要向較輕的侵蝕類型轉化。但總體上向惡化的趨勢發展。

②1983－1992年的9a間，岳西縣微度侵蝕和輕度侵蝕類型土壤約有一半的面積無變化；中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕類型的土壤主要向侵蝕程度較弱的類型轉化，土壤侵蝕狀況有了明顯改觀。

③1992－2004的12a間，土壤侵蝕程度逐漸減輕，生態環境進入全面恢復期。這一時期土壤侵蝕變化呈現兩極分化的局面，具體表現在輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕類型主要向低級別的侵蝕類型轉變；輕度侵蝕向無明顯侵蝕轉化的面積比例加大；強度侵蝕和極強度侵蝕土壤面積有少量增加，但占全縣總面積比例極小。

（3）1958－2004年岳西縣土壤侵蝕程度無變化的面積經歷了先下降后上升的過程，土壤侵蝕程度等級增加的面積先顯著擴大再逐步下降，而土壤侵蝕程度等級下降的面積先減少后增加，陸地與水域也是相互轉化，反映了研究區土壤侵蝕復雜的變化過程及土壤侵蝕狀況的演變趨勢。

（4）馬爾柯夫模型預測結果表明，如果現在的土壤侵蝕狀況繼續維持，到2016年微度侵蝕土壤面積增加，占全縣總面積的27.051%，中度侵蝕類型面積明顯下降；強烈侵蝕與極強烈侵蝕土壤在局部地區有所增加，但這種變化不明顯。堆積類型面積呈顯著下降趨勢，水域面積有所減少。從總體趨勢看土壤侵蝕狀況向良性循環方向發展。但這種狀況的維持及改觀需要有關部門繼續高度重視土壤侵蝕的防治工作，切不可掉以輕心。

［1］謝永生.長江中游洞庭湖、鄱陽湖流域水土流失與防治對策［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1999，5（1）:8－12.

［2］南秋菊，華珞.國內外土壤侵蝕研究進展［J］.首都師范大學學報:自然科學版，2003，24（2）:86－95.

［3］彭珂珊.中國土壤侵蝕影響因素及其危害分析［J］.水利水電科技進展，2000，20（4）:15－18.

［4］趙曉麗，張增祥，周全斌，等.中國土壤侵蝕與其地理環境背景的空間關系［J］.山地學報，2002，20（3）:277－283.

［5］姚華榮，楊志峰，崔保山.GIS支持下的瀾滄江流域云南段土壤侵蝕空間分析［J］.地理研究，2006，25（3）:421－429.

［6］潘劍君，張桃林，趙其國.應用遙感技術研究余江縣土壤侵蝕時空演變［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1999，5（4）:81－84.

［7］高彥華，汪宏清，周旭.興國縣土壤侵蝕變化的遙感監測與分析［J］.地球信息科學，2005，7（3）:21－24.

［8］李德成，徐彬彬，石曉曰.利用馬氏過程模擬和預測土壤侵蝕的動態演變:以安徽省岳西縣為例［J］.環境遙感，1995，10（2）:89－96.

［9］楊子生，劉彥隨，Liang Luohui，等.金沙江下游近40年來土壤侵蝕變化:以云南彝良為例［J］.山地學報，2005，23（2）:144－152.

［10］王庫，史學正，于東升，等.江西省興國縣土壤侵蝕動態演變趨勢分析［J］.土壤通報，2005，63（1）:113－117.

［11］史德明，石曉日，李德成，等.應用遙感技術監測土壤侵蝕動態的研究［J］.土壤學報，1996，33（1）:48－58.

［12］潘劍君，趙其國，張桃林.江西省興國縣、余江縣土壤侵蝕時空變化研究［J］.土壤學報，2002，39（1）:58－64.

［13］周為峰，吳炳方，李強子.官廳水庫上游近20年土壤侵蝕強度時空變化分析［J］.水土保持研究，2005，12（6）:183－186，267.

［14］徐建華.現代地理學中的數學方法［M］.北京:高等教育出版社，2002.