1988—2015年三峽庫區(qū)典型流域土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)空變化
——以大寧河流域和梅溪河流域?yàn)槔?/h1>
2018-10-18 02:10:00李睿康李陽兵周亞琳梁鑫源劉雁慧
生態(tài)學(xué)報(bào) 2018年17期
李睿康,李陽兵, 2,*,文 雯,周亞琳,梁鑫源,劉雁慧
1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 2 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331
土壤侵蝕演變與區(qū)域地理環(huán)境密不可分[1]。如高峰等通過對地形位指數(shù)和分布指數(shù)的研究,發(fā)現(xiàn)欽江流域土壤侵蝕強(qiáng)度隨著高程、坡度的增加先增后減,在350—500 m、>35°出現(xiàn)最大值[2]；趙明松等發(fā)現(xiàn)1980—2010年間安徽省土壤侵蝕加劇和減弱的面積以200—500 m及15°—25°區(qū)域最大[3]；姚志宏等認(rèn)為1975—2006年間,孤山川流域中度以上的土壤侵蝕主要發(fā)生在高程1070—1300 m處,在坡度上對應(yīng)于15°—25°的陡坡地[4]；同時(shí)也發(fā)現(xiàn),廣東省土壤侵蝕主要分布于花崗巖,紫紅色砂巖、泥頁巖及碎屑巖類母巖上[5]。三峽庫區(qū)作為中國水土流失最嚴(yán)重地區(qū)之一[6],其生態(tài)安全將直接影響到長江上游乃至整個(gè)長江流域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[7]。趙巖潔等分析草堂溪流域高程、坡度、土地利用與土壤侵蝕關(guān)系[8]；俱戰(zhàn)省等從坡度和土地利用類型兩方面分析菱角塘流域土壤侵蝕的空間分布特征[9]；吳昌廣等認(rèn)為,500—1000 m高程帶對三峽庫區(qū)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)最大,且15°—25°、25°—35°、>35°坡度帶上的平均侵蝕模數(shù)均高于庫區(qū)平均水平[10]；但Chen等認(rèn)為三峽庫區(qū)香溪河流域的土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔2000 m和坡度25°以下[11]。
一般而言,土壤侵蝕程度隨著高程、坡度的變化先增后減,在某一范圍內(nèi)達(dá)到最大值,母巖不同,土壤侵蝕的分布也存在空間差異性。由此可見,高程、坡度及巖性耦合下的土地類型不同,土壤侵蝕演變空間分布必然不同。然而目前研究多考慮單一地理環(huán)境要素影響下的土壤侵蝕演變,側(cè)重于分析不同高程(或坡度)條件下土壤侵蝕的空間分布及演變,有關(guān)高程-坡度-巖性耦合下土地類型的土壤侵蝕時(shí)空格局演變較少,而這對于自然因素耦合條件下土壤侵蝕演變研究具有極其重要的意義。因此,本文以探析不同土地類型下土壤侵蝕強(qiáng)度演變及其空間差異性為目標(biāo),重點(diǎn)在于揭示高程、坡度及巖性不同組合類型的土壤侵蝕時(shí)空演變規(guī)律,探究高程、坡度、巖性三者共同作用下的典型流域土壤侵蝕演變差異性,并探索其對土壤侵蝕演變的啟示作用,以期對土壤侵蝕治理提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。
1 研究區(qū)概況
《三峽庫區(qū)近、中期農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體規(guī)劃》將庫區(qū)分為庫首、庫腹和庫尾,其中庫腹區(qū)包括重慶市萬州區(qū)、涪陵區(qū)、豐都區(qū)、開州區(qū)、忠縣、云陽縣、奉節(jié)縣、巫山縣、巫溪縣、武隆縣和石柱縣[12]。大寧河流域和梅溪河流域(圖1)均位于三峽庫區(qū)腹地奉節(jié)、巫山和巫溪等區(qū)縣,自然地理環(huán)境具有一定的相似性,即位于大巴山弧形褶皺帶,且以中低山為主,山高坡陡,地形條件復(fù)雜,巖石發(fā)育廣泛,亞熱帶濕潤氣候區(qū),夏季多暴雨且降雨較為集中。加之兩流域均為傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū),坡耕地分布范圍較廣。在復(fù)雜地理環(huán)境的影響下,伴隨著強(qiáng)降雨的沖刷,成為土壤侵蝕集中分布區(qū)。與此同時(shí),大寧河流域以喀斯特地貌為主,梅溪河流域以喀斯特-非喀斯特地貌為主,因此選擇具有不同地理背景的兩流域進(jìn)行土壤侵蝕演變比較研究具有一定的典型性和代表性。大寧河流域位于31°03′54″N—31°44′01″N,109°01′22″E—110°09′05″E之間,全長142.7 km,流域面積4200 km2。地勢北高南低,地形山高谷深,落差懸殊,其中海拔>800 m的面積占流域總面積的73.06%,坡度>25°面積占流域總面積的69.7%；喀斯特地貌廣泛發(fā)育,石灰?guī)r廣布。梅溪河流域位于31°02′39″N—31°32′43″N,108°56′22″E—109°33′38″E之間,全長112.8 km,流域面積1928 km2。地勢東中西高,南部低,大于800 m高程面積占流域總面積的74.28%,坡度>25°坡度面積占流域總面積的51.01%,地層古老,砂巖和石灰?guī)r分布廣泛。
圖1 研究區(qū)地形與巖性Fig.1 Topography and lithology of the study area
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究區(qū)基礎(chǔ)遙感影像來源于1988年(時(shí)相為5月18日)、2010年(時(shí)相為5月5日)和2015年(時(shí)相為5月9日)的TM遙感影像和2000年(時(shí)相為4月28日)的CBRS影像,其中TM影像空間分辨率為30 m,CBRS影像為17.5 m。借助ENVI 軟件對影像進(jìn)行幾何校正,并選擇4,3,2波段進(jìn)行波段融合。在非監(jiān)督分類的基礎(chǔ)上通過人機(jī)交互解譯,并依據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級標(biāo)準(zhǔn)[13]及現(xiàn)有研究成果[14- 17],結(jié)合流域土地利用、坡度和植被覆蓋度等數(shù)據(jù),將流域土壤侵蝕分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈六大類(表1)。為保證數(shù)據(jù)的精確性,本文借助高分辨率遙感影像(2.5 m分辨率)對研究區(qū)土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。于2016年3月及8月份深入研究區(qū)對結(jié)果選點(diǎn)驗(yàn)證,使解譯精度達(dá)到85%以上。流域各時(shí)段土壤侵蝕類型如圖2所示。
2.2 高程、坡度重分類
在30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用ArcGIS中的Spatial Analyst Tools,通過柵格計(jì)算和Slope[18- 20]分析工具,結(jié)合1∶50000地形圖等高線和局部實(shí)地對比,提取兩流域修正后的坡度數(shù)據(jù),結(jié)合流域地形實(shí)際情況,將兩流域坡度進(jìn)行重分類為0°—8°、8°—15°和>15°等3個(gè)坡度帶,并將其轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。流域坡度因子修正公式為：
與此同時(shí),借助ArcGIS中的3D Analyst Tools工具對兩流域DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,分為<500 m、500—1000 m和>1000 m的3個(gè)高程帶,并通過Conversion Tools將其轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。
表1 研究區(qū)土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)
圖2 1988—2015年流域土壤侵蝕類型圖Fig.2 Map of soil erosion type in watershed from 1988 to 2015
分級Class高程帶/mElevation zone地貌分級Geomorphologic classification坡度帶/(°)Slope zone坡度分級Slope classification1<500谷地0—8微坡2500—1000低山8—15緩坡3>1000中山>15陡坡
2.3 流域土地類型劃分
所謂土地類型,是指地球表面某一區(qū)域包括地形、地貌、水文、土壤等全部自然要素在內(nèi)相互作用而形成的統(tǒng)一體,多用于反映中小尺度地域分異規(guī)律[21]。一般而言,因流域高程、坡度和巖性等自身差異條件的存在,導(dǎo)致土壤侵蝕分布演變不盡相同。因此,為反映流域高程-坡度-巖性耦合下的土壤侵蝕分布與演變差異性,本文在參考前人研究[17,21- 22]的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,以“地貌+坡度+巖性”的命名方式對流域土地類型進(jìn)行劃分(圖3)。在表2和圖3的基礎(chǔ)上,借助ArcGIS中的Intersect工具,對兩流域的高程、坡度和巖性疊加的基礎(chǔ)上,按照其面積占比大小進(jìn)行降序排列,并將其面積占比累積大于83%的土地類型單獨(dú)提取出來作為兩流域主要土地類型,結(jié)果如表3所示。由于兩流域背景條件的差異性,土地類型并不完全相同,其中同類型所代表的含義是相同的。對兩流域主要土地類型土壤侵蝕進(jìn)行研究,一方面可反映兩流域內(nèi)部主要土地類型的土壤侵蝕分布與演變的差異性,同時(shí)突出了兩流域間土壤侵蝕空間分布演變的比較性差異,為流域土壤侵蝕治理提供切合實(shí)際的參考。
圖3 研究區(qū)土地類型Fig.3 Land type of study area
序號(hào)Number大寧河流域 Daning River Watershed梅溪河流域 Meixi River Watershed土地類型Land type面積/km2Area面積占比/%Area percent土地類型Land type面積/km2Area面積占比/%Area percent1中山陡坡石灰?guī)r1670.9539.94中山陡坡石灰?guī)r411.9021.372低山陡坡石灰?guī)r759.0118.14低山陡坡砂巖400.5920.783中山陡坡砂巖403.769.65中山陡坡砂巖324.9816.864不純灰?guī)r324.357.75低山陡坡石灰?guī)r148.567.715低山陡坡砂巖129.633.10低山陡坡泥頁巖108.895.656低山陡坡泥頁巖99.772.38中山陡坡泥頁巖72.063.747中山緩坡石灰?guī)r83.692.00低山緩坡砂巖58.143.028低山緩坡石灰?guī)r62.181.49低山緩坡石灰?guī)r38.672.019中山陡坡泥頁巖41.981.00中山緩坡石灰?guī)r37.741.96以上累計(jì)Total accumulative3575.3385.46以上累計(jì)1601.5383.1
2.4 土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)
引入土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)來分析研究流域土壤侵蝕的綜合程度[23],具體公式為：
式中,Wij為i土地類型第j級土壤侵蝕強(qiáng)度分級值,Aij為兩流域i土地類型第j級土壤侵蝕強(qiáng)度面積占比,為便于研究,將土壤侵蝕分級值按土壤侵蝕強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次設(shè)置為1,2,3,4,5,6,為方便結(jié)果的統(tǒng)計(jì),將其擴(kuò)大100倍。
2.5 基于蜂巢網(wǎng)格的冷熱點(diǎn)分析
為反映兩流域的各土地類型的土壤侵蝕空間分布集聚狀況,本文首先建立面積為3 km2的蜂巢網(wǎng)格(圖4)。在此基礎(chǔ)上通過Getis
為便于解釋與比較,對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：
圖4 兩流域3 km2蜂巢網(wǎng)格Fig.4 Honeycomb grids of 3 km2 in two watersheds
3 結(jié)果分析
3.1 流域土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化
圖5 兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度變化Fig.5 Change of soil erosion rate in two basins
首先通過土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)來反映兩流域土壤侵蝕總體變化狀況。從圖5中可以看出：1988—2015年,兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢,這說明兩流域土壤侵蝕整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。通過比較發(fā)現(xiàn)梅溪河流域土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)略高于大寧河流域,說明大寧河流域總體土壤侵蝕狀況略好于梅溪河流域,這與梅溪河流域人口眾多,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)達(dá)有關(guān)。1988—2000年,兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)略有增加,主要是由于三峽庫區(qū)移民后靠使得區(qū)域大量林、草地被迫開墾為耕地,人類活動(dòng)使得土壤侵蝕有所加強(qiáng)。2000—2015年,尤其是2010年之后,兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)下降趨勢較為明顯,這說明庫區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)已經(jīng)開始注重生態(tài)環(huán)境保護(hù),土壤侵蝕狀況總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。
兩流域土壤侵蝕土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的差異性與各侵蝕強(qiáng)度面積占比有關(guān),計(jì)算各侵蝕強(qiáng)度面積占比的變化可解釋大寧河流域土壤侵蝕狀況為何好于梅溪河流域。為此,本文在圖2各時(shí)段土壤侵蝕類型圖的基礎(chǔ)上利用土壤侵蝕面積占比變化來分析兩流域不同侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)演變特征。在對兩流域各強(qiáng)度侵蝕面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算兩流域各時(shí)段不同強(qiáng)度土壤侵蝕面積與各時(shí)段土壤侵蝕總面積的比值便可得到土壤侵蝕面積占比(圖6)。由圖6可知,1988—2015年兩流域土壤侵蝕面積占比隨侵蝕強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢,且梅溪河流域輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕面積占比大于大寧河流域。且隨著時(shí)間的變化,兩流域除中度侵蝕面積占比不一致外,其余侵蝕具有一致性,即為微度侵蝕占總面積的比值呈現(xiàn)“先減后增”、輕度占總面積比值呈現(xiàn)“先增后減”、強(qiáng)烈及其以上占總面積比值呈現(xiàn)“持續(xù)減少”。就中度侵蝕而言,其面積比值在大寧河流域呈現(xiàn)“先增后減”趨勢,在梅溪河流域則呈現(xiàn)“持續(xù)減少”趨勢。
圖6 流域土壤侵蝕面積占比Fig.6 The soil erosion area percent of basins
為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和結(jié)論的可靠性,本研究還與2005—2012年的重慶市土壤侵蝕公報(bào)結(jié)果進(jìn)行了比對。由于流域邊界與行政邊界不一致,本研究通過巫溪縣和奉節(jié)縣的土壤侵蝕數(shù)據(jù)來反映兩流域土壤侵蝕規(guī)律的準(zhǔn)確性。研究時(shí)段內(nèi)巫溪和奉節(jié)縣土壤侵蝕面積占比以中度及其以下為主。2005—2012年,巫溪縣各侵蝕面積占比表現(xiàn)為：輕度以下、極強(qiáng)烈以上有所增加,中度和強(qiáng)烈有所減少,這說明,土壤侵蝕主要由中度向其他類型轉(zhuǎn)移,且好轉(zhuǎn)趨勢明顯。奉節(jié)縣則表現(xiàn)為：除輕度、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕有所增加外,其余侵蝕類型均有所減少,這說明土壤侵蝕總體由微度、中度和強(qiáng)烈向其他類型轉(zhuǎn)移,且主要呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。通過對比發(fā)現(xiàn),巫溪縣土壤侵蝕狀況好于奉節(jié)縣。這與奉節(jié)縣人口多、農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá)有關(guān)。這與兩流域的研究結(jié)論一致,即梅溪河流域土壤侵蝕程度大于大寧河流域。究其原因大寧河流域大部分位于巫溪縣境內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度較小,農(nóng)業(yè)活動(dòng)相對落后,梅溪河流域海拔相對較低,農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá),人類活動(dòng)強(qiáng)度較大。
圖7 2005—2012年巫溪和奉節(jié)土壤侵蝕面積占比Fig.7 The soil erosion area percent of Wuxi and Fengjie County from 2005 to 2012
3.2 流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布變化
圖8 兩流域1988—2015年土壤侵蝕集聚分布狀況Fig.8 Distribution of soil erosion from 1988 to 2015 in the two watersheds
3.3 流域土壤侵蝕演變對土地類型的響應(yīng)
前文雖綜合比較了兩流域土壤侵蝕的數(shù)量和空間分布狀況,并未從時(shí)間序列上反映兩流域各時(shí)段土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。故有必要深入探析不同土地類型下的土壤侵蝕演變和同一土壤侵蝕強(qiáng)度下不同土地類型的土壤侵蝕演變狀況。
3.3.1 不同土地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)變化
將兩流域土地類型數(shù)據(jù)與1988—2015年各時(shí)段土壤侵蝕數(shù)據(jù)疊加,分類統(tǒng)計(jì)各土地類型土壤侵蝕面積占比變化,并結(jié)合土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算公式便可得到兩流域1988—2015年不同土地類型土壤侵蝕強(qiáng)度變化(圖9)。由于地形和巖性等自然條件的差異性,土地類型不同,土壤侵蝕程度也不同。1988—2015年,大寧河流域以中山陡坡石灰?guī)r和低山陡坡石灰?guī)r地區(qū)土壤侵蝕程度嚴(yán)重,梅溪河流域以低山陡坡砂巖和中山陡坡石灰?guī)r地區(qū)侵蝕強(qiáng)度指數(shù)較大。具體來看,大寧河流域土壤侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)為：陡坡區(qū)強(qiáng)于緩坡區(qū),中山區(qū)強(qiáng)于低山區(qū),石灰?guī)r區(qū)強(qiáng)于砂巖區(qū)和泥頁巖區(qū)；梅溪河流域不同土地類型土壤侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)為：低山區(qū)強(qiáng)于中山區(qū)；陡坡區(qū)強(qiáng)于緩坡區(qū)；砂巖區(qū)強(qiáng)于石灰?guī)r區(qū)和泥頁巖區(qū)。該分布規(guī)律的形成一方面與大寧河流域?yàn)榭λ固亓饔?梅溪河流域?yàn)榭λ固?非喀斯特組合流域這一自然背景條件有關(guān),另一方面也說明了梅溪河流域人口較多,農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá),大寧河流域人類活動(dòng)較少。
就同一土地類型來看,1988—2015年,兩流域各土壤侵蝕面積占比總體隨著時(shí)間的變化而逐漸減少,土壤侵蝕呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢,且土壤侵蝕發(fā)生由強(qiáng)向弱轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)。大寧河流域土壤侵蝕面積占比隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出“減-增-減”、“持續(xù)減少”和“增-減-增-減”3種類型,梅溪河流域呈現(xiàn)“增-減”、“持續(xù)減少”、“減-增-減”3種類型。到2015年,兩流域土壤侵蝕面積占比隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加均呈現(xiàn)“持續(xù)減少”的特點(diǎn),各土地類型土壤侵蝕向好的方向轉(zhuǎn)變。
圖9 1988—2015年兩流域不同類型區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度變化Fig.9 Changes of soil erosion intensity in different areas of two watersheds in 1988—2015
3.3.2 不同土地類型的土壤侵蝕等級演變
為反映兩流域不同土地類型的土壤侵蝕等級演變狀況,首先對研究時(shí)段內(nèi)微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈等各強(qiáng)度圖斑進(jìn)行提取并統(tǒng)計(jì)面積大小。在此基礎(chǔ)上,對各侵蝕強(qiáng)度下的不同土地類型圖斑進(jìn)行提取并統(tǒng)計(jì)面積大小。最后通過計(jì)算各時(shí)段各強(qiáng)度下不同土地類型的面積占該時(shí)段對應(yīng)土壤侵蝕強(qiáng)度總面積的比值便可得到1988—2015年兩流域不同土地類型土壤侵蝕面積占比變化狀況(圖10)。由圖10可知：
就微度侵蝕而言,兩流域各土地類型土壤侵蝕演變包括“先減后增”和“持續(xù)增長”兩種類型。其中大寧河流域除低山緩坡石灰?guī)r土壤侵蝕面積占比持續(xù)增加外,其余土地類型均為“先減后增”型；梅溪河流域低山地區(qū)表現(xiàn)為先減后增,中山以上地區(qū)土壤侵蝕面積占比持續(xù)增加。
兩流域輕度侵蝕演變主要有3種類型：先減后增型、先增后減再增型及先增后減型。“先增后減型”分布于大寧河流域的低山緩坡石灰?guī)r、低山陡坡石灰?guī)r、低山陡坡泥頁巖和梅溪河流域的低山緩坡砂巖、低山陡坡石灰?guī)r、低山陡坡泥頁巖等土地類型；“先增后減再增”的土地類型有大寧河流域的低山陡坡砂巖、中山緩坡石灰?guī)r、中山緩坡砂巖地區(qū)。“先增后減型”分布于大寧河流域的中山陡坡石灰?guī)r、中山陡坡砂巖、不純灰?guī)r和梅溪河流域的中山地區(qū)。
兩流域中度及其以上的土壤侵蝕演變包括持續(xù)減少和先增后減兩種類型。兩流域低山地區(qū)以持續(xù)減少為主,兩流域中山地區(qū)及大寧河流域的不純灰?guī)r地區(qū)土壤侵蝕演變表現(xiàn)為先增后減型。
圖10 1988—2015年兩流域不同土地類型土壤侵蝕面積占比變化Fig.10 Variation of soil erosion area in different land types in two watersheds in 1988—2015
4 討論
土地類型是基于自然因子的土地整合類型,當(dāng)人類活動(dòng)作用于土地類型時(shí),便會(huì)產(chǎn)生不同的土地利用方式。為更好地揭示土壤侵蝕演變機(jī)理,論文在探討土地類型與土壤侵蝕關(guān)系的基礎(chǔ)上,結(jié)合流域的土地利用類型解釋各土地類型土壤侵蝕強(qiáng)度差異的原因。
為反映土地利用變化及其政策驅(qū)動(dòng)對兩流域土壤侵蝕演變的作用機(jī)制狀況,本研究以時(shí)間軸序列為主線,分析總結(jié)了兩流域1988、2000和2010年等重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后土地利用變化狀況,并結(jié)合現(xiàn)有的研究成果,歸納了庫區(qū)腹地1988年以來重要國家重大方針、政策[27],以便反映政策驅(qū)動(dòng)下的土地利用變化對土壤侵蝕演變的作用機(jī)制,如圖11所示。結(jié)合現(xiàn)有的研究成果[28]及野外調(diào)研的實(shí)際狀況來看,大寧河、梅溪河兩流域土地利用類型主要表現(xiàn)為：1988年,低山地區(qū)土地利用方式以耕地為主,林地面積次之；陡坡地區(qū)主要以草灌為主,耕地次之；石灰?guī)r區(qū)和砂巖區(qū)均以草灌為主,耕地次之。1988—2000年,低山地區(qū)旱地和建設(shè)用地增加,林業(yè)用地少,且林地面積低于旱地,高于建設(shè)用地；陡坡地區(qū)土地利用方式以草地為主,但灌木面積有所減少,耕地和林地面積有所增加；石灰?guī)r地區(qū)草灌面積減少,耕地面積增加,并超過草灌面積；砂巖地區(qū)耕地和林地面積變化不大,主要表現(xiàn)為灌木林向有林地的轉(zhuǎn)變。該時(shí)段耕地的增加一方面與庫區(qū)凍結(jié)占用耕地,追求耕地總量動(dòng)態(tài)平衡有關(guān),同時(shí)一二期移民及其安置政策等的實(shí)施對土地利用及其影響下的土壤侵蝕演變具有一定的影響。2000年之后,低山地區(qū)耕地和林地面積較前一階段有所減少,建設(shè)用地進(jìn)一步增加,但仍以耕地為主；陡坡地區(qū)耕地有所減少,林地面積有所增加,建設(shè)用地變化呈現(xiàn)出波動(dòng)性增加的特征。建設(shè)用地與林地的增加,與庫區(qū)水位抬升,部分城鎮(zhèn)整體搬遷、三期移民的開展有關(guān)。與此同時(shí),移民后期的生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)也使得耕地減少,林地相對增加。
范麗麗等[29]通過土壤侵蝕綜合指數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn),大寧河流域各土地利用類型下土壤侵蝕強(qiáng)度由強(qiáng)到弱表現(xiàn)為：陡坡旱地>山地旱地>中度覆蓋草地>高覆蓋度草地>低覆蓋度草地>平原水田>丘陵旱地>山地水田>平原水田>疏林地；馮永麗[30]通過土壤侵蝕面積占比變化的計(jì)算發(fā)現(xiàn),梅溪河流域1988—2010年,中度及其以下的土壤侵蝕類型主要分布于疏(灌)林地、灌叢草地、園地、有林地和建設(shè)用地,中度以下土壤侵蝕以耕地為主,疏(灌)林地次之。由此可見,兩流域土壤侵蝕表現(xiàn)為旱地>水田>灌木>草地>林地>建設(shè)用地,流域土壤侵蝕以坡耕地和灌木分布最為集中,且隨著耕地面積的減少,土壤侵蝕總體好轉(zhuǎn)[27]。一般而言,耕地布設(shè)的坡度較高,且缺乏較好的水土保持措施,土壤易被侵蝕；耕地退化而來的灌叢,因表土植被覆蓋度低,其侵蝕程度相對嚴(yán)重。從巖性狀況來看,石灰?guī)r坡地土-石間缺乏過渡層土壤易侵蝕,砂巖和泥頁巖區(qū)易被開墾為耕地,土壤侵蝕嚴(yán)重。
5 結(jié)論
本研究選取三峽庫區(qū)典型流域大寧河流域和梅溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū),將地形地貌和巖性因子結(jié)合起來,研究組合下各土地類型土壤侵蝕時(shí)空演變差異性。研究發(fā)現(xiàn)：(1)盡管兩流域土壤侵蝕分布具有差異性,但土壤侵蝕程度總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢；(2)就兩流域土壤侵蝕空間數(shù)量變化而言,大寧河流域土壤侵蝕狀況優(yōu)于梅溪河流域,且中山陡坡石灰?guī)r區(qū)為兩流域土壤侵蝕變化熱點(diǎn)區(qū)；(3)兩流域不同土地類型土壤侵蝕演變在坡度和巖性上具有相似性,在海拔上具有差異性,總體而言主要分布于中山陡坡石灰?guī)r和砂巖區(qū)；在同一土壤侵蝕強(qiáng)度下,兩流域不同土地類型土壤侵蝕演變具有一定的相似性；(4)本研究僅從土地類型與土壤侵蝕角度探討了流域土壤侵蝕的演變規(guī)律,關(guān)于土壤侵蝕與土地利用轉(zhuǎn)型、鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型的耦合關(guān)系將是未來需要加強(qiáng)的地方。
李睿康,李陽兵, 2,*,文 雯,周亞琳,梁鑫源,劉雁慧
1 重慶師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院, 重慶 401331 2 三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 401331
土壤侵蝕演變與區(qū)域地理環(huán)境密不可分[1]。如高峰等通過對地形位指數(shù)和分布指數(shù)的研究,發(fā)現(xiàn)欽江流域土壤侵蝕強(qiáng)度隨著高程、坡度的增加先增后減,在350—500 m、>35°出現(xiàn)最大值[2]；趙明松等發(fā)現(xiàn)1980—2010年間安徽省土壤侵蝕加劇和減弱的面積以200—500 m及15°—25°區(qū)域最大[3]；姚志宏等認(rèn)為1975—2006年間,孤山川流域中度以上的土壤侵蝕主要發(fā)生在高程1070—1300 m處,在坡度上對應(yīng)于15°—25°的陡坡地[4]；同時(shí)也發(fā)現(xiàn),廣東省土壤侵蝕主要分布于花崗巖,紫紅色砂巖、泥頁巖及碎屑巖類母巖上[5]。三峽庫區(qū)作為中國水土流失最嚴(yán)重地區(qū)之一[6],其生態(tài)安全將直接影響到長江上游乃至整個(gè)長江流域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展[7]。趙巖潔等分析草堂溪流域高程、坡度、土地利用與土壤侵蝕關(guān)系[8]；俱戰(zhàn)省等從坡度和土地利用類型兩方面分析菱角塘流域土壤侵蝕的空間分布特征[9]；吳昌廣等認(rèn)為,500—1000 m高程帶對三峽庫區(qū)土壤侵蝕的貢獻(xiàn)最大,且15°—25°、25°—35°、>35°坡度帶上的平均侵蝕模數(shù)均高于庫區(qū)平均水平[10]；但Chen等認(rèn)為三峽庫區(qū)香溪河流域的土壤侵蝕主要發(fā)生在海拔2000 m和坡度25°以下[11]。
一般而言,土壤侵蝕程度隨著高程、坡度的變化先增后減,在某一范圍內(nèi)達(dá)到最大值,母巖不同,土壤侵蝕的分布也存在空間差異性。由此可見,高程、坡度及巖性耦合下的土地類型不同,土壤侵蝕演變空間分布必然不同。然而目前研究多考慮單一地理環(huán)境要素影響下的土壤侵蝕演變,側(cè)重于分析不同高程(或坡度)條件下土壤侵蝕的空間分布及演變,有關(guān)高程-坡度-巖性耦合下土地類型的土壤侵蝕時(shí)空格局演變較少,而這對于自然因素耦合條件下土壤侵蝕演變研究具有極其重要的意義。因此,本文以探析不同土地類型下土壤侵蝕強(qiáng)度演變及其空間差異性為目標(biāo),重點(diǎn)在于揭示高程、坡度及巖性不同組合類型的土壤侵蝕時(shí)空演變規(guī)律,探究高程、坡度、巖性三者共同作用下的典型流域土壤侵蝕演變差異性,并探索其對土壤侵蝕演變的啟示作用,以期對土壤侵蝕治理提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)。
1 研究區(qū)概況
《三峽庫區(qū)近、中期農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體規(guī)劃》將庫區(qū)分為庫首、庫腹和庫尾,其中庫腹區(qū)包括重慶市萬州區(qū)、涪陵區(qū)、豐都區(qū)、開州區(qū)、忠縣、云陽縣、奉節(jié)縣、巫山縣、巫溪縣、武隆縣和石柱縣[12]。大寧河流域和梅溪河流域(圖1)均位于三峽庫區(qū)腹地奉節(jié)、巫山和巫溪等區(qū)縣,自然地理環(huán)境具有一定的相似性,即位于大巴山弧形褶皺帶,且以中低山為主,山高坡陡,地形條件復(fù)雜,巖石發(fā)育廣泛,亞熱帶濕潤氣候區(qū),夏季多暴雨且降雨較為集中。加之兩流域均為傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū),坡耕地分布范圍較廣。在復(fù)雜地理環(huán)境的影響下,伴隨著強(qiáng)降雨的沖刷,成為土壤侵蝕集中分布區(qū)。與此同時(shí),大寧河流域以喀斯特地貌為主,梅溪河流域以喀斯特-非喀斯特地貌為主,因此選擇具有不同地理背景的兩流域進(jìn)行土壤侵蝕演變比較研究具有一定的典型性和代表性。大寧河流域位于31°03′54″N—31°44′01″N,109°01′22″E—110°09′05″E之間,全長142.7 km,流域面積4200 km2。地勢北高南低,地形山高谷深,落差懸殊,其中海拔>800 m的面積占流域總面積的73.06%,坡度>25°面積占流域總面積的69.7%；喀斯特地貌廣泛發(fā)育,石灰?guī)r廣布。梅溪河流域位于31°02′39″N—31°32′43″N,108°56′22″E—109°33′38″E之間,全長112.8 km,流域面積1928 km2。地勢東中西高,南部低,大于800 m高程面積占流域總面積的74.28%,坡度>25°坡度面積占流域總面積的51.01%,地層古老,砂巖和石灰?guī)r分布廣泛。
圖1 研究區(qū)地形與巖性Fig.1 Topography and lithology of the study area
2 數(shù)據(jù)來源與研究方法
2.1 數(shù)據(jù)來源
研究區(qū)基礎(chǔ)遙感影像來源于1988年(時(shí)相為5月18日)、2010年(時(shí)相為5月5日)和2015年(時(shí)相為5月9日)的TM遙感影像和2000年(時(shí)相為4月28日)的CBRS影像,其中TM影像空間分辨率為30 m,CBRS影像為17.5 m。借助ENVI 軟件對影像進(jìn)行幾何校正,并選擇4,3,2波段進(jìn)行波段融合。在非監(jiān)督分類的基礎(chǔ)上通過人機(jī)交互解譯,并依據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級標(biāo)準(zhǔn)[13]及現(xiàn)有研究成果[14- 17],結(jié)合流域土地利用、坡度和植被覆蓋度等數(shù)據(jù),將流域土壤侵蝕分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈六大類(表1)。為保證數(shù)據(jù)的精確性,本文借助高分辨率遙感影像(2.5 m分辨率)對研究區(qū)土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。于2016年3月及8月份深入研究區(qū)對結(jié)果選點(diǎn)驗(yàn)證,使解譯精度達(dá)到85%以上。流域各時(shí)段土壤侵蝕類型如圖2所示。
2.2 高程、坡度重分類
在30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,利用ArcGIS中的Spatial Analyst Tools,通過柵格計(jì)算和Slope[18- 20]分析工具,結(jié)合1∶50000地形圖等高線和局部實(shí)地對比,提取兩流域修正后的坡度數(shù)據(jù),結(jié)合流域地形實(shí)際情況,將兩流域坡度進(jìn)行重分類為0°—8°、8°—15°和>15°等3個(gè)坡度帶,并將其轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。流域坡度因子修正公式為：
與此同時(shí),借助ArcGIS中的3D Analyst Tools工具對兩流域DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,分為<500 m、500—1000 m和>1000 m的3個(gè)高程帶,并通過Conversion Tools將其轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)。
表1 研究區(qū)土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)
圖2 1988—2015年流域土壤侵蝕類型圖Fig.2 Map of soil erosion type in watershed from 1988 to 2015
分級Class高程帶/mElevation zone地貌分級Geomorphologic classification坡度帶/(°)Slope zone坡度分級Slope classification1<500谷地0—8微坡2500—1000低山8—15緩坡3>1000中山>15陡坡
2.3 流域土地類型劃分
所謂土地類型,是指地球表面某一區(qū)域包括地形、地貌、水文、土壤等全部自然要素在內(nèi)相互作用而形成的統(tǒng)一體,多用于反映中小尺度地域分異規(guī)律[21]。一般而言,因流域高程、坡度和巖性等自身差異條件的存在,導(dǎo)致土壤侵蝕分布演變不盡相同。因此,為反映流域高程-坡度-巖性耦合下的土壤侵蝕分布與演變差異性,本文在參考前人研究[17,21- 22]的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,以“地貌+坡度+巖性”的命名方式對流域土地類型進(jìn)行劃分(圖3)。在表2和圖3的基礎(chǔ)上,借助ArcGIS中的Intersect工具,對兩流域的高程、坡度和巖性疊加的基礎(chǔ)上,按照其面積占比大小進(jìn)行降序排列,并將其面積占比累積大于83%的土地類型單獨(dú)提取出來作為兩流域主要土地類型,結(jié)果如表3所示。由于兩流域背景條件的差異性,土地類型并不完全相同,其中同類型所代表的含義是相同的。對兩流域主要土地類型土壤侵蝕進(jìn)行研究,一方面可反映兩流域內(nèi)部主要土地類型的土壤侵蝕分布與演變的差異性,同時(shí)突出了兩流域間土壤侵蝕空間分布演變的比較性差異,為流域土壤侵蝕治理提供切合實(shí)際的參考。
圖3 研究區(qū)土地類型Fig.3 Land type of study area
序號(hào)Number大寧河流域 Daning River Watershed梅溪河流域 Meixi River Watershed土地類型Land type面積/km2Area面積占比/%Area percent土地類型Land type面積/km2Area面積占比/%Area percent1中山陡坡石灰?guī)r1670.9539.94中山陡坡石灰?guī)r411.9021.372低山陡坡石灰?guī)r759.0118.14低山陡坡砂巖400.5920.783中山陡坡砂巖403.769.65中山陡坡砂巖324.9816.864不純灰?guī)r324.357.75低山陡坡石灰?guī)r148.567.715低山陡坡砂巖129.633.10低山陡坡泥頁巖108.895.656低山陡坡泥頁巖99.772.38中山陡坡泥頁巖72.063.747中山緩坡石灰?guī)r83.692.00低山緩坡砂巖58.143.028低山緩坡石灰?guī)r62.181.49低山緩坡石灰?guī)r38.672.019中山陡坡泥頁巖41.981.00中山緩坡石灰?guī)r37.741.96以上累計(jì)Total accumulative3575.3385.46以上累計(jì)1601.5383.1
2.4 土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)
引入土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)來分析研究流域土壤侵蝕的綜合程度[23],具體公式為：
式中,Wij為i土地類型第j級土壤侵蝕強(qiáng)度分級值,Aij為兩流域i土地類型第j級土壤侵蝕強(qiáng)度面積占比,為便于研究,將土壤侵蝕分級值按土壤侵蝕強(qiáng)度由弱到強(qiáng)依次設(shè)置為1,2,3,4,5,6,為方便結(jié)果的統(tǒng)計(jì),將其擴(kuò)大100倍。
2.5 基于蜂巢網(wǎng)格的冷熱點(diǎn)分析
為反映兩流域的各土地類型的土壤侵蝕空間分布集聚狀況,本文首先建立面積為3 km2的蜂巢網(wǎng)格(圖4)。在此基礎(chǔ)上通過Getis
為便于解釋與比較,對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：
圖4 兩流域3 km2蜂巢網(wǎng)格Fig.4 Honeycomb grids of 3 km2 in two watersheds
3 結(jié)果分析
3.1 流域土壤侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化
圖5 兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度變化Fig.5 Change of soil erosion rate in two basins
首先通過土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)來反映兩流域土壤侵蝕總體變化狀況。從圖5中可以看出：1988—2015年,兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢,這說明兩流域土壤侵蝕整體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。通過比較發(fā)現(xiàn)梅溪河流域土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)略高于大寧河流域,說明大寧河流域總體土壤侵蝕狀況略好于梅溪河流域,這與梅溪河流域人口眾多,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)發(fā)達(dá)有關(guān)。1988—2000年,兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)略有增加,主要是由于三峽庫區(qū)移民后靠使得區(qū)域大量林、草地被迫開墾為耕地,人類活動(dòng)使得土壤侵蝕有所加強(qiáng)。2000—2015年,尤其是2010年之后,兩流域土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)下降趨勢較為明顯,這說明庫區(qū)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)已經(jīng)開始注重生態(tài)環(huán)境保護(hù),土壤侵蝕狀況總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。
兩流域土壤侵蝕土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的差異性與各侵蝕強(qiáng)度面積占比有關(guān),計(jì)算各侵蝕強(qiáng)度面積占比的變化可解釋大寧河流域土壤侵蝕狀況為何好于梅溪河流域。為此,本文在圖2各時(shí)段土壤侵蝕類型圖的基礎(chǔ)上利用土壤侵蝕面積占比變化來分析兩流域不同侵蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)演變特征。在對兩流域各強(qiáng)度侵蝕面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過計(jì)算兩流域各時(shí)段不同強(qiáng)度土壤侵蝕面積與各時(shí)段土壤侵蝕總面積的比值便可得到土壤侵蝕面積占比(圖6)。由圖6可知,1988—2015年兩流域土壤侵蝕面積占比隨侵蝕強(qiáng)度的增加而呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢,且梅溪河流域輕度、中度和強(qiáng)烈侵蝕面積占比大于大寧河流域。且隨著時(shí)間的變化,兩流域除中度侵蝕面積占比不一致外,其余侵蝕具有一致性,即為微度侵蝕占總面積的比值呈現(xiàn)“先減后增”、輕度占總面積比值呈現(xiàn)“先增后減”、強(qiáng)烈及其以上占總面積比值呈現(xiàn)“持續(xù)減少”。就中度侵蝕而言,其面積比值在大寧河流域呈現(xiàn)“先增后減”趨勢,在梅溪河流域則呈現(xiàn)“持續(xù)減少”趨勢。
圖6 流域土壤侵蝕面積占比Fig.6 The soil erosion area percent of basins
為了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和結(jié)論的可靠性,本研究還與2005—2012年的重慶市土壤侵蝕公報(bào)結(jié)果進(jìn)行了比對。由于流域邊界與行政邊界不一致,本研究通過巫溪縣和奉節(jié)縣的土壤侵蝕數(shù)據(jù)來反映兩流域土壤侵蝕規(guī)律的準(zhǔn)確性。研究時(shí)段內(nèi)巫溪和奉節(jié)縣土壤侵蝕面積占比以中度及其以下為主。2005—2012年,巫溪縣各侵蝕面積占比表現(xiàn)為：輕度以下、極強(qiáng)烈以上有所增加,中度和強(qiáng)烈有所減少,這說明,土壤侵蝕主要由中度向其他類型轉(zhuǎn)移,且好轉(zhuǎn)趨勢明顯。奉節(jié)縣則表現(xiàn)為：除輕度、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕有所增加外,其余侵蝕類型均有所減少,這說明土壤侵蝕總體由微度、中度和強(qiáng)烈向其他類型轉(zhuǎn)移,且主要呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢。通過對比發(fā)現(xiàn),巫溪縣土壤侵蝕狀況好于奉節(jié)縣。這與奉節(jié)縣人口多、農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá)有關(guān)。這與兩流域的研究結(jié)論一致,即梅溪河流域土壤侵蝕程度大于大寧河流域。究其原因大寧河流域大部分位于巫溪縣境內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度較小,農(nóng)業(yè)活動(dòng)相對落后,梅溪河流域海拔相對較低,農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá),人類活動(dòng)強(qiáng)度較大。
圖7 2005—2012年巫溪和奉節(jié)土壤侵蝕面積占比Fig.7 The soil erosion area percent of Wuxi and Fengjie County from 2005 to 2012
3.2 流域土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布變化
圖8 兩流域1988—2015年土壤侵蝕集聚分布狀況Fig.8 Distribution of soil erosion from 1988 to 2015 in the two watersheds
3.3 流域土壤侵蝕演變對土地類型的響應(yīng)
前文雖綜合比較了兩流域土壤侵蝕的數(shù)量和空間分布狀況,并未從時(shí)間序列上反映兩流域各時(shí)段土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。故有必要深入探析不同土地類型下的土壤侵蝕演變和同一土壤侵蝕強(qiáng)度下不同土地類型的土壤侵蝕演變狀況。
3.3.1 不同土地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)變化
將兩流域土地類型數(shù)據(jù)與1988—2015年各時(shí)段土壤侵蝕數(shù)據(jù)疊加,分類統(tǒng)計(jì)各土地類型土壤侵蝕面積占比變化,并結(jié)合土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的計(jì)算公式便可得到兩流域1988—2015年不同土地類型土壤侵蝕強(qiáng)度變化(圖9)。由于地形和巖性等自然條件的差異性,土地類型不同,土壤侵蝕程度也不同。1988—2015年,大寧河流域以中山陡坡石灰?guī)r和低山陡坡石灰?guī)r地區(qū)土壤侵蝕程度嚴(yán)重,梅溪河流域以低山陡坡砂巖和中山陡坡石灰?guī)r地區(qū)侵蝕強(qiáng)度指數(shù)較大。具體來看,大寧河流域土壤侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)為：陡坡區(qū)強(qiáng)于緩坡區(qū),中山區(qū)強(qiáng)于低山區(qū),石灰?guī)r區(qū)強(qiáng)于砂巖區(qū)和泥頁巖區(qū)；梅溪河流域不同土地類型土壤侵蝕強(qiáng)度表現(xiàn)為：低山區(qū)強(qiáng)于中山區(qū)；陡坡區(qū)強(qiáng)于緩坡區(qū)；砂巖區(qū)強(qiáng)于石灰?guī)r區(qū)和泥頁巖區(qū)。該分布規(guī)律的形成一方面與大寧河流域?yàn)榭λ固亓饔?梅溪河流域?yàn)榭λ固?非喀斯特組合流域這一自然背景條件有關(guān),另一方面也說明了梅溪河流域人口較多,農(nóng)業(yè)活動(dòng)發(fā)達(dá),大寧河流域人類活動(dòng)較少。
就同一土地類型來看,1988—2015年,兩流域各土壤侵蝕面積占比總體隨著時(shí)間的變化而逐漸減少,土壤侵蝕呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢,且土壤侵蝕發(fā)生由強(qiáng)向弱轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)。大寧河流域土壤侵蝕面積占比隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出“減-增-減”、“持續(xù)減少”和“增-減-增-減”3種類型,梅溪河流域呈現(xiàn)“增-減”、“持續(xù)減少”、“減-增-減”3種類型。到2015年,兩流域土壤侵蝕面積占比隨著土壤侵蝕強(qiáng)度的增加均呈現(xiàn)“持續(xù)減少”的特點(diǎn),各土地類型土壤侵蝕向好的方向轉(zhuǎn)變。
圖9 1988—2015年兩流域不同類型區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度變化Fig.9 Changes of soil erosion intensity in different areas of two watersheds in 1988—2015
3.3.2 不同土地類型的土壤侵蝕等級演變
為反映兩流域不同土地類型的土壤侵蝕等級演變狀況,首先對研究時(shí)段內(nèi)微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈等各強(qiáng)度圖斑進(jìn)行提取并統(tǒng)計(jì)面積大小。在此基礎(chǔ)上,對各侵蝕強(qiáng)度下的不同土地類型圖斑進(jìn)行提取并統(tǒng)計(jì)面積大小。最后通過計(jì)算各時(shí)段各強(qiáng)度下不同土地類型的面積占該時(shí)段對應(yīng)土壤侵蝕強(qiáng)度總面積的比值便可得到1988—2015年兩流域不同土地類型土壤侵蝕面積占比變化狀況(圖10)。由圖10可知：
就微度侵蝕而言,兩流域各土地類型土壤侵蝕演變包括“先減后增”和“持續(xù)增長”兩種類型。其中大寧河流域除低山緩坡石灰?guī)r土壤侵蝕面積占比持續(xù)增加外,其余土地類型均為“先減后增”型；梅溪河流域低山地區(qū)表現(xiàn)為先減后增,中山以上地區(qū)土壤侵蝕面積占比持續(xù)增加。
兩流域輕度侵蝕演變主要有3種類型：先減后增型、先增后減再增型及先增后減型。“先增后減型”分布于大寧河流域的低山緩坡石灰?guī)r、低山陡坡石灰?guī)r、低山陡坡泥頁巖和梅溪河流域的低山緩坡砂巖、低山陡坡石灰?guī)r、低山陡坡泥頁巖等土地類型；“先增后減再增”的土地類型有大寧河流域的低山陡坡砂巖、中山緩坡石灰?guī)r、中山緩坡砂巖地區(qū)。“先增后減型”分布于大寧河流域的中山陡坡石灰?guī)r、中山陡坡砂巖、不純灰?guī)r和梅溪河流域的中山地區(qū)。
兩流域中度及其以上的土壤侵蝕演變包括持續(xù)減少和先增后減兩種類型。兩流域低山地區(qū)以持續(xù)減少為主,兩流域中山地區(qū)及大寧河流域的不純灰?guī)r地區(qū)土壤侵蝕演變表現(xiàn)為先增后減型。
圖10 1988—2015年兩流域不同土地類型土壤侵蝕面積占比變化Fig.10 Variation of soil erosion area in different land types in two watersheds in 1988—2015
4 討論
土地類型是基于自然因子的土地整合類型,當(dāng)人類活動(dòng)作用于土地類型時(shí),便會(huì)產(chǎn)生不同的土地利用方式。為更好地揭示土壤侵蝕演變機(jī)理,論文在探討土地類型與土壤侵蝕關(guān)系的基礎(chǔ)上,結(jié)合流域的土地利用類型解釋各土地類型土壤侵蝕強(qiáng)度差異的原因。
為反映土地利用變化及其政策驅(qū)動(dòng)對兩流域土壤侵蝕演變的作用機(jī)制狀況,本研究以時(shí)間軸序列為主線,分析總結(jié)了兩流域1988、2000和2010年等重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)前后土地利用變化狀況,并結(jié)合現(xiàn)有的研究成果,歸納了庫區(qū)腹地1988年以來重要國家重大方針、政策[27],以便反映政策驅(qū)動(dòng)下的土地利用變化對土壤侵蝕演變的作用機(jī)制,如圖11所示。結(jié)合現(xiàn)有的研究成果[28]及野外調(diào)研的實(shí)際狀況來看,大寧河、梅溪河兩流域土地利用類型主要表現(xiàn)為：1988年,低山地區(qū)土地利用方式以耕地為主,林地面積次之；陡坡地區(qū)主要以草灌為主,耕地次之；石灰?guī)r區(qū)和砂巖區(qū)均以草灌為主,耕地次之。1988—2000年,低山地區(qū)旱地和建設(shè)用地增加,林業(yè)用地少,且林地面積低于旱地,高于建設(shè)用地；陡坡地區(qū)土地利用方式以草地為主,但灌木面積有所減少,耕地和林地面積有所增加；石灰?guī)r地區(qū)草灌面積減少,耕地面積增加,并超過草灌面積；砂巖地區(qū)耕地和林地面積變化不大,主要表現(xiàn)為灌木林向有林地的轉(zhuǎn)變。該時(shí)段耕地的增加一方面與庫區(qū)凍結(jié)占用耕地,追求耕地總量動(dòng)態(tài)平衡有關(guān),同時(shí)一二期移民及其安置政策等的實(shí)施對土地利用及其影響下的土壤侵蝕演變具有一定的影響。2000年之后,低山地區(qū)耕地和林地面積較前一階段有所減少,建設(shè)用地進(jìn)一步增加,但仍以耕地為主；陡坡地區(qū)耕地有所減少,林地面積有所增加,建設(shè)用地變化呈現(xiàn)出波動(dòng)性增加的特征。建設(shè)用地與林地的增加,與庫區(qū)水位抬升,部分城鎮(zhèn)整體搬遷、三期移民的開展有關(guān)。與此同時(shí),移民后期的生態(tài)經(jīng)濟(jì)建設(shè)也使得耕地減少,林地相對增加。
范麗麗等[29]通過土壤侵蝕綜合指數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn),大寧河流域各土地利用類型下土壤侵蝕強(qiáng)度由強(qiáng)到弱表現(xiàn)為：陡坡旱地>山地旱地>中度覆蓋草地>高覆蓋度草地>低覆蓋度草地>平原水田>丘陵旱地>山地水田>平原水田>疏林地；馮永麗[30]通過土壤侵蝕面積占比變化的計(jì)算發(fā)現(xiàn),梅溪河流域1988—2010年,中度及其以下的土壤侵蝕類型主要分布于疏(灌)林地、灌叢草地、園地、有林地和建設(shè)用地,中度以下土壤侵蝕以耕地為主,疏(灌)林地次之。由此可見,兩流域土壤侵蝕表現(xiàn)為旱地>水田>灌木>草地>林地>建設(shè)用地,流域土壤侵蝕以坡耕地和灌木分布最為集中,且隨著耕地面積的減少,土壤侵蝕總體好轉(zhuǎn)[27]。一般而言,耕地布設(shè)的坡度較高,且缺乏較好的水土保持措施,土壤易被侵蝕；耕地退化而來的灌叢,因表土植被覆蓋度低,其侵蝕程度相對嚴(yán)重。從巖性狀況來看,石灰?guī)r坡地土-石間缺乏過渡層土壤易侵蝕,砂巖和泥頁巖區(qū)易被開墾為耕地,土壤侵蝕嚴(yán)重。
5 結(jié)論
本研究選取三峽庫區(qū)典型流域大寧河流域和梅溪河流域?yàn)檠芯繀^(qū),將地形地貌和巖性因子結(jié)合起來,研究組合下各土地類型土壤侵蝕時(shí)空演變差異性。研究發(fā)現(xiàn)：(1)盡管兩流域土壤侵蝕分布具有差異性,但土壤侵蝕程度總體呈現(xiàn)好轉(zhuǎn)趨勢；(2)就兩流域土壤侵蝕空間數(shù)量變化而言,大寧河流域土壤侵蝕狀況優(yōu)于梅溪河流域,且中山陡坡石灰?guī)r區(qū)為兩流域土壤侵蝕變化熱點(diǎn)區(qū)；(3)兩流域不同土地類型土壤侵蝕演變在坡度和巖性上具有相似性,在海拔上具有差異性,總體而言主要分布于中山陡坡石灰?guī)r和砂巖區(qū)；在同一土壤侵蝕強(qiáng)度下,兩流域不同土地類型土壤侵蝕演變具有一定的相似性；(4)本研究僅從土地類型與土壤侵蝕角度探討了流域土壤侵蝕的演變規(guī)律,關(guān)于土壤侵蝕與土地利用轉(zhuǎn)型、鄉(xiāng)村轉(zhuǎn)型的耦合關(guān)系將是未來需要加強(qiáng)的地方。
