地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響

車家驤，彭 熙，龍秀琴，李安定

(貴州科學(xué)院喀斯特資源環(huán)境與發(fā)展研究中心，貴州貴陽 550001)

我國是一個(gè)多山的國家，山地分布極不均勻［1］，山區(qū)地表起伏、溝壑縱橫，對(duì)當(dāng)?shù)亟煌ā⑺⑥r(nóng)業(yè)、林業(yè)以及地質(zhì)災(zāi)害防治、生態(tài)環(huán)境治理等都會(huì)產(chǎn)生較大影響。地表起伏度是地學(xué)研究的重要概念，目前關(guān)于地表起伏度的研究成果主要集中在3個(gè)方面，即DEM精度與計(jì)算結(jié)果差異性問題，對(duì)局部小范圍進(jìn)行的小尺度研究，以及地表起伏對(duì)地面相關(guān)事物的影響，如對(duì)土地利用、人口分布和地質(zhì)災(zāi)害的影響等。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，地表起伏對(duì)農(nóng)業(yè)的影響最為直接，研究地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此，本研究在全國1∶20萬DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算各省(市、區(qū))地表起伏度，并結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境資料，研究地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響，期望能為相關(guān)部門政策制定提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 地表起伏度的計(jì)算

采用全國1∶20萬DEM數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用ArcGIS 9.2軟件的3D分析模塊中的表面分析工具，以10 m×10 m為統(tǒng)計(jì)單元計(jì)算各省(市、區(qū))的地表起伏度(地表面積與投影面積的比值)，并以標(biāo)準(zhǔn)化處理后的地表起伏度為基礎(chǔ)研究地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響。地表起伏度標(biāo)準(zhǔn)化(理想化)計(jì)算公式為

式中:LX為地表起伏度標(biāo)準(zhǔn)值，%;DBj為第j個(gè)省(市、區(qū))地表面積與投影面積的比值，理想狀態(tài)下地表面積與投影面積比值為1;DBmax為各省(市、區(qū))地表面積與投影面積比值的最大值。

2 地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響

農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境受地表起伏影響主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積、農(nóng)業(yè)成災(zāi)面積、水土流失面積、灌溉條件及荒山造林面積等指標(biāo)上。本研究對(duì)地表起伏度與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行研究，找出二者之間的關(guān)系，從而有針對(duì)性地解決當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在的實(shí)際問題。由于受災(zāi)面積、成災(zāi)面積、水土流失面積、造林面積等指標(biāo)數(shù)值差異很大，會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大影響，因此本研究以單位面積的指標(biāo)值來研究地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)方面的影響。

2.1 地表起伏度對(duì)農(nóng)業(yè)災(zāi)害的影響

近年來全球氣候變暖加劇，極端氣候事件增加，農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生頻率也在不斷上升［2］。受地表起伏影響，各地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)抵御自然災(zāi)害的能力存在差異，涉及指標(biāo)包括農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積、成災(zāi)面積等。對(duì)地表起伏度與災(zāi)害發(fā)生頻率的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。

圖1 不同起伏度地區(qū)農(nóng)業(yè)受災(zāi)情況

從圖1可以看出，成災(zāi)面積占耕地的比重隨著地表起伏度增大而增大，說明高起伏度地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更容易受到自然災(zāi)害的影響，特別是旱災(zāi)。數(shù)據(jù)顯示，1978年以來我國旱災(zāi)導(dǎo)致的成災(zāi)面積迅速增加，農(nóng)作物絕收面積總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)［3］。同時(shí)，成災(zāi)面積占受災(zāi)面積的比例隨著地表起伏度增大也相應(yīng)增大，說明高起伏度地區(qū)環(huán)境脆弱，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境條件反應(yīng)敏感、適應(yīng)能力差，承災(zāi)體抵御自然災(zāi)害的能力弱，一旦受災(zāi)就很容易成災(zāi)，而遭受災(zāi)害的影響程度受當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)GDP、耕地面積、單位面積糧食產(chǎn)量、化肥施用量等共同影響［4］。

2.2 地表起伏度對(duì)單個(gè)水庫庫容的影響

水庫消落帶是生態(tài)脆弱的敏感帶和易污染、易破壞帶［5］，相同的儲(chǔ)水容積，水庫庫容越小，需要的水庫數(shù)量越多，消落帶面積也就越大。圖2是不同起伏度地區(qū)單個(gè)水庫庫容，其中單個(gè)水庫庫容指的是該地區(qū)水庫總庫容與水庫數(shù)量的比值，即水庫平均庫容。由圖2知，地表起伏度大的地區(qū)單個(gè)水庫庫容小，這是由于高起伏度地區(qū)地表破碎、土地分散，建設(shè)大庫容水庫需要的管道或渠道數(shù)量多，布設(shè)難度大，成本高，不適應(yīng)當(dāng)?shù)氐墓喔纫螅虼艘_(dá)到相同的儲(chǔ)水容積，水庫必須分散布置，導(dǎo)致高起伏度地區(qū)水庫數(shù)量多、單個(gè)庫容小、消落帶面積大，對(duì)環(huán)境影響較大。由圖中擬合曲線知，地表起伏度標(biāo)準(zhǔn)值每增加10%，單個(gè)水庫庫容將減少0.162億 m3。

圖2 不同起伏度地區(qū)單個(gè)水庫庫容

2.3 地表起伏度對(duì)農(nóng)村面源污染治理的影響

農(nóng)村人畜糞便隨意排放是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因之一，而生態(tài)衛(wèi)生廁所具有防止疾病發(fā)生、減少用水量及污染物、重新獲得及利用植物養(yǎng)分的特點(diǎn)［6］，因此提高衛(wèi)生廁所普及率是農(nóng)村面源污染治理和初級(jí)衛(wèi)生保健規(guī)劃目標(biāo)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)［7］。本研究以不同地表起伏度地區(qū)生態(tài)廁所普及率作為面源污染治理指標(biāo)，不同起伏度地區(qū)衛(wèi)生廁所普及率見圖3。由圖3知，隨著地表起伏度的增大，生態(tài)衛(wèi)生廁所的普及率逐漸下降，二者之間呈較為明顯的冪函數(shù)關(guān)系;在低起伏度地區(qū)，生態(tài)衛(wèi)生廁所的普及率為80% ～100%，而在高起伏度地區(qū)，普及率僅為40% ～70%，說明高起伏度地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理力度相對(duì)較弱。

圖3 不同起伏度地區(qū)衛(wèi)生廁所普及率

2.4 地表起伏度對(duì)荒山造林面積的影響

荒山造林可以增加土壤養(yǎng)分、總碳及活性碳含量，在一定程度上降低土壤pH值，使土壤質(zhì)量向良性方向發(fā)展［8］，同時(shí)還能涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、凈化空氣，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)起到積極的作用。圖4是不同地表起伏度地區(qū)荒山造林面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖4知，高起伏度地區(qū)荒山造林占耕地面積比重明顯增加，最大值接近2.0%，與低起伏度地區(qū)的最小值低于0.2%相比，相差近10倍;由擬合曲線知，地表起伏度標(biāo)準(zhǔn)值每增加10%，荒山造林面積占耕地面積的比重增加0.126%;由于地勢(shì)陡峭、地表破碎，土地利用困難，加之國家大力推廣實(shí)施退耕還林工程，對(duì)坡度25°以上的坡耕地普遍實(shí)施了退耕，因此高起伏度地區(qū)荒山造林面積占耕地面積的比重大于低起伏度地區(qū)。

圖4 不同起伏度地區(qū)荒山造林面積

2.5 地表起伏度對(duì)水土流失的影響

一般來說，水土流失量與地表坡度及地表覆被狀況關(guān)系最為密切。相比耕地，林地水土流失量較小，因此本研究主要對(duì)不同起伏度地區(qū)耕地水土流失面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖5。從圖5知，水土流失治理面積與耕地面積的比值隨地表起伏度增大呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢(shì)，這是由于高起伏度地區(qū)耕地以坡耕地為主，陡坡開荒和亂砍濫伐會(huì)導(dǎo)致水土流失面積增加，因此因地制宜地開展坡耕地水土流失綜合治理是減輕水土流失、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、確保糧食安全的有效手段［9］。值得注意的是，在高起伏度地區(qū)，還常常會(huì)出現(xiàn)水土流失面積和治理面積均比較大的情況。

圖5 不同起伏度地區(qū)水土流失現(xiàn)狀

3 結(jié)語

綜合上述分析可知，地表起伏度的大小反映了地表的平整與破碎程度，對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生較大影響，即隨著地表起伏度的增加，成災(zāi)面積占耕地面積的比重和成災(zāi)面積占受災(zāi)面積的比重都明顯增加;單個(gè)水庫平均庫容減小，水庫分布較分散;農(nóng)村面源污染治理滯后，治理力度較弱;水土流失加劇，荒山造林面積占耕地面積比重增加。

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