普安縣不同巖組類型對區域土壤侵蝕景觀格局的影響

黃朝海, 高華端, 付 婧, 徐永服

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

土壤侵蝕是導致土壤退化、土地生產力下降、土地資源損失，影響農業生產，是全球性的主要環境問題之一[1]，由土壤侵蝕產生的一系列問題對人類的生存和發展產生了相當嚴重的威脅。近年來，國內外學者對景觀生態學在土壤侵蝕學中的應用進行了積極的探索，景觀生態學的研究方法也更加廣泛地應用在了土壤侵蝕的相關分析和研究上，使土壤侵蝕分析時更加具體化。

如蔣學緯等從景觀生態學原理入手，揭示了土地利用、土壤侵蝕和土地荒漠化等景觀生態學本質問題[2]。孟慶華等采用SCS范式，評價了黃土高原地區景觀格局與土壤養分流動的關系[3]。傅伯杰等從土地利用結構與土壤水分、養分、水土流失等生態過程之間的關系研究了景觀格局與生態過程的關系[4]。劉立文等從景觀生態學的角度對研究區10 a間土壤侵蝕時空變化特征進行了分析[5]。朱惇等以湖北省為研究區域，從景觀生態學角度對研究區五年間土壤侵蝕的時空演變特征進行了分析[6]。楊翠林等以內蒙古奈曼旗大溝頭流域為研究對象，對流域的土壤侵蝕特征及其與林草植被的關系進行模擬，分析流域不同景觀格局狀況下的土壤侵蝕變化，探討了農牧交錯帶地區土地利用結構與土壤侵蝕的耦合關系[7]。楊澤等通過FRAGSTATS軟件對土壤侵蝕分級圖進行景觀分析，分析不同侵蝕強度下斑塊在空間上的聚散程度以及斑塊形狀變化等[8]。張乃夫等以安徽新安江流域為研究區域，基于遙感和地理信息技術平臺，通過對研究區景觀格局現狀、土壤侵蝕敏感性分布和土壤侵蝕特征研究分析，探討了研究區土壤侵蝕特征及分異規律[9]。傅伯杰等從“尺度格局過程”原理出發，考慮了土壤侵蝕過程的影響因素，綜合了坡面、小流域以及流域尺度上的土壤侵蝕評價方法，同時運用尺度轉換的方法，構建了多尺度土壤侵蝕評價指數的概念性公式[10]。向萬麗等以清鎮市1∶10 000土壤侵蝕實地調查圖件為數據基礎，從景觀指數角度進行了土壤侵蝕強度景觀空間格局分析[11]。譚秋等分別選擇了貴州連續石灰巖及白云巖小流域，分析了連續白云巖及連續石灰巖下石漠化的景觀格局，從而探索石漠化規律，分析石漠化的驅動力因素[12-14]。

綜合以上對于土壤侵蝕與景觀格局的國內外研究現狀和分析研究可知，目前景觀生態學引用在土壤侵蝕研究中主要集中于坡面尺度土壤侵蝕影響、時間序列下土壤侵蝕變化狀況以及景觀格局驅動力分析等方面，在宏觀尺度上對于土壤侵蝕的空間分析還沒有具體研究。通過小尺度上的土壤侵蝕研究可以摸清土壤侵蝕形成的機制，但是只有通過大尺度分析我們才能找出治理侵蝕的對策。所以為了找出土壤侵蝕的治理對策，本研究應用景觀生態學原理，從宏觀角度分析土壤侵蝕，從而揭示土壤侵蝕景觀格局與侵蝕環境因子之間存在的潛在關系，以期為喀斯特山區土壤侵蝕現狀研究做鋪墊，為土壤侵蝕的治理提供有力的依據，也為山區治理開發及經濟可持續發展提供科學的指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

普安縣位于貴州西南部(東經104°51′10″—105°09′24″，北緯25°18′31″—26°10′35″)，隸屬于貴州省黔西南布依族苗族自治州；東與晴隆縣接壤，南與興仁縣和興義市相連，西靠盤縣特區，北水城特區、六枝特區相鄰。普安縣屬于亞熱帶季風濕潤氣候，多年平均氣溫13.7℃，年平均降雨量1 395.3 mm，全縣總面積1 454 km2，最高海拔2 084.6 m，最低海拔633 m，地勢特點是中部較高，四面較低，烏蒙山脈橫穿中部將全縣分為南北兩個部分。普安縣境內地形地貌較為復雜，巖層組合類型又多樣。研究區境內出露地層以泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系等為主，尤其以二疊系和三疊系兩種地層分布最為廣泛，而古近系和第四系都是零星分布。普安縣境內以碳酸鹽巖石分布面積最大，約占全縣總面積的60%，所以巖溶發育較為強烈，是一個典型的喀斯特縣。

1.2 研究方法

1.2.1 數據收集 基礎資料收集主要包括普安縣研究區2016年遙感圖、DEM圖、地質圖、水文圖、植被圖等資料，衛星影像數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據服務平臺(http:∥landsat.datamirror.csdb.cn)的Landsat ETM+影像，其比例尺為1∶1 017，分辨率為0.27 m，并進行外業典型調查。

1.2.2 數據處理 由地質圖得到巖組類型圖；以DEM為信息源，通過ArcGIS中Spatial Analysis模塊中的Slope工具直接生成研究區坡度分布圖；以研究區的TM遙感數據為基礎數據源，經過波段選擇與組合幾何精糾正，再通過GIS中運用監督分類和非監督分類方法，按照土地利用類型劃分標準，進行土地利用類型信息的計算機半自動解譯，提取研究區土地利用現狀圖；以TM影像中提取的植被指數為數據源，提取研究區植被覆蓋度；依據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)，普安縣屬水力侵蝕區，見表1，對普安縣的土壤侵蝕狀況進行土壤侵蝕強度分級，獲取土壤侵蝕強度圖。用巖組類型圖層與土壤侵蝕圖圖層疊加，再用分類統計的方法得出不同巖組類型土壤侵蝕數據。

1.2.3 景觀指數選取 景觀指數是用簡單的數字來描述復雜的景觀格局，可以對景觀格局的信息進行高度的概括，從而反映出景觀格局的結構、組成等指標[15]。每一個景觀指數具有其特定的生態意義，能夠從不同的的角度對景觀格局進行分析，但是眾多指數當中，單一的指數并不能獨立的對景觀格局進行統計分析，所以通常是選取一組指數來描述所需要提取的信息[16]。本文選用NA(斑塊個數)、CA(斑塊面積)、LAND%(斑塊占景觀面積比)、ED(邊緣密度)、MNN(平均最近距離)、MPFD(平均斑塊分維數)、CAD(核心斑塊密度)等斑塊類型上的指數對各巖組類型區分別進行特征性分析；選用PSSD(斑塊面積標準差)、SHDI(Shannon多樣性指數)、SHEI(Shannon均勻度指數)、IJI(散布與并列指數)等景觀類型指數對4種巖組類型進行景觀層面的差異性分析。

1.2.4 分析方法 對研究區的基礎資料進行收集與整理，然后進行基礎處理；利用現有的數據資料對普安縣的土壤侵蝕環境因子進行整體分析，再對土壤侵蝕景觀格局進行宏觀的分析，運用ArcGIS軟件中的patch analysis模塊作為主要的分析工具，選取一系列的景觀指數，指數類型包括斑塊類型水平和景觀類型水平；利用景觀斑塊類型水平的指數分別對白云巖、石灰巖、砂頁巖、玄武巖等不同巖組類型下的土壤侵蝕景觀格局進行分析，對各類型景觀基本狀況進行大致分析，通過分析對區域土壤侵蝕景觀格局間的差異進行大致了解；再通過景觀類型水平指數單獨對每一類巖組進行景觀分析，體現出不同景觀類型侵蝕上的差異。選取的指數要能表達小侵蝕斑塊之間存在的聯系，從而通過景觀指數數據分析反映土壤侵蝕景觀格局的空間分布特征。

表1土壤侵蝕強度等級分級標準

2 結果與分析

2.1 普安縣不同巖組區域土壤侵蝕現狀分析

由表2可知，普安縣各巖組類型的分布情況以及面積大小，其中石灰巖面積占總面積40%，是普安縣面積中分布最廣的，其次為砂頁巖，其面積比例為39%，白云巖面積比例為15%，玄武巖為6%。由表2可知，普安縣的土壤侵蝕現狀以微度侵蝕為主，其中各巖組類型中微度侵蝕占較大比例，微度以上侵蝕面積較小，說明普安縣水土流失面積不大。微度以上侵蝕以石灰巖區和砂頁巖區占地比例最大，面積最廣，區域土壤侵蝕以石灰巖和砂頁巖地區最為明顯。各巖組類型微度以上(不含微度)土壤侵蝕面積所占比例大小為：石灰巖區>砂頁巖區>白云巖區>玄武巖區，也就說明石灰巖區發生侵蝕的概率較大，但總體侵蝕程度不深，局部侵蝕較為嚴重。

表2 普安縣各巖組類型侵蝕面積比例

2.2 不同巖組下土壤侵蝕景觀格局分析

2.2.1 景觀斑塊特征 通過使用普安縣巖組分布的矢量圖切普安縣土壤侵蝕現狀柵格圖，得到普安縣不同巖組區域土壤侵蝕現狀小斑塊，再使用ArcGIS中Spatial Analysis拓展版塊對不同巖組區域土壤侵蝕現狀小斑塊進行景觀指數提取，得到的景觀指數用于描述普安縣景觀格局，得到的指數見表3。

從一定程度上說，一個景觀類型占整個景觀的面積比例即是這個景觀類型對整個景觀的貢獻率[11]，分析表3可知，白云巖區微度侵蝕景觀斑塊面積占白云巖區面積的74.53%，石灰巖區微度侵蝕景觀斑塊面積占石灰巖區面積的66.19%，砂頁巖區微度侵蝕景觀斑塊面積占砂頁巖區面積的71.17%，玄武巖區微度侵蝕景觀斑塊面積占玄武巖區面積的77.20%，根據景觀基質的判斷標準[17]，即基質是面積最大的景觀類型，可以看出微度侵蝕景觀面積在各地層巖組區域中都是最大，所占面積比例也是最大，由此可知，微度侵蝕景觀是各地層巖組區域的土壤侵蝕景觀格局中的景觀基質。

表3 各巖組區域土壤侵蝕景觀斑塊特征指數

面積是景觀斑塊最容易識別的特征，面積的大小會直接影響到干擾斑塊的土壤流失難易程度，斑塊面積越小，土壤越容易與周圍景觀發生元素交換，土壤越容易流失，從而推動土壤流失程度的加深。從表3中知，4種巖組類型中微度侵蝕面積最大，其余幾種侵蝕類型面積較小，從而也說明斑塊內土壤流動較易發生，且受周圍其他土壤侵蝕景觀的影響加大。

2.2.2 景觀斑塊形狀指數 斑塊形狀主要受斑塊邊界線的影響，邊界線的曲折程度直接決定了斑塊形狀的復雜程度，而斑塊形狀復雜程度會影響斑塊的內部物質與外界能量交換的活躍程度。斑塊內部與外界物質交換活動越頻繁，土壤流失越容易。邊緣密度(ED)是景觀中用斑塊邊界除以斑塊總面積，邊緣密度值越大，表明斑塊形狀越復雜。由表4各地層巖組區域土壤侵蝕景觀斑塊形狀特征可知，4種地層巖組區域邊緣密度值最大都為微度侵蝕的，最小的都為劇烈侵蝕，而且從表中看出邊緣密度都是隨著土壤侵蝕等級的增加而減少，說明斑塊形狀表現得越簡單，土壤流失越嚴重，斑塊形狀表現得越復雜，土壤流失程度越輕。

平均斑塊分維數(MPFD)是一個用來衡量斑塊形狀的景觀指數，其值的大小描述了景觀斑塊形狀的規則程度；其值在取值范圍內(1≤MPFD≤2)越接近1，說明斑塊形狀越簡單，反之，越接近2，就越復雜。形狀越復雜說明斑塊受外界影響越小，斑塊是天然形成的，反之，形狀越簡單則受外界影響越大，就越容易發生土壤流失。由表4可以看出，微度侵蝕景觀平均斑塊分維數(MPFD)是各地層巖組中最大的，即說明微度侵蝕斑塊形狀最為復雜，斑塊是天然形成的，受到外界影響最?。环粗?，劇烈侵蝕景觀數值最小，形狀較為規整，說明斑塊受到外界影響最大。同種侵蝕等級間的平均斑塊分維數數值相差不大，說明各相同等級在其演化形成過程中具有相似性，受到外界干擾越大的斑塊土壤流失程度越高，斑塊形狀越規則。

表4 各巖組區域土壤侵蝕景觀斑塊形狀特征

2.2.3 景觀斑塊異質性 景觀斑塊的內部空間狀況可以通過景觀異質性指數分析得出，從而從整體上面反映景觀空間分布的結構特征。根據表5分析相關異質性指數，得到不同地層巖組區域土壤侵蝕景觀格局。平均最近距離(MNN)可以反映同類斑塊的離散程度或團聚的分布狀況，其取值范圍為MNN>0，其值越大，表示同類型斑塊之間的距離越遠。由表5分析可知，隨著侵蝕等級的增加，平均最近距離是呈增加趨勢；各地層巖組區域中，微度侵蝕平均最近距離值最小，說明微度侵蝕斑塊間距離較近，分布較為集中；劇烈侵蝕斑塊平均最近距離值最大，說明劇烈侵蝕斑塊間距離較遠，分布不集中。

表5 不同巖組區域土壤侵蝕景觀斑塊異質性指數

景觀類型的斑塊面積標準差(PSSD)可以衡量各斑塊異質性，當斑塊大小一致或是只有一種斑塊時，PSSD=0。斑塊面積標準差值越大，景觀斑塊就越破碎，異質性程度越高。由表5中斑塊面積標準差值可知，白云巖區、石灰巖區、砂頁巖區和玄武巖區斑塊面積標準差值最大都是出現在劇烈侵蝕斑塊，最出現在微度侵蝕斑塊，說明劇烈侵蝕景觀具有較高的異質性，破碎化程度也較高。較高的破碎度反映出人類對劇烈侵蝕斑塊的干擾程度相對于微度侵蝕斑塊高，所以劇烈侵蝕斑塊受到較多影響，導致斑塊土壤流失較嚴重。

2.3 不同巖組下土壤侵蝕景觀格局的差異

景觀類型特征指數可以反映各景觀斑塊內部的空間分布狀況，從而在整體上反映景觀的空間結構特征。由表6可知，白云巖區侵蝕斑塊的面積標準差遠大于其他3種巖組類型侵蝕斑塊，表明白云巖區的各侵蝕斑塊之間的差異是最大的，斑塊大小也最不均勻，異質性特征也最為明顯，其次為砂頁巖區和玄武巖區，石灰巖區斑塊面積標準差最小，在幾種巖組類型中具有最低的異質性。

由表6可見，四組巖組類型的組間平均斑塊分維數一致，其值都較接近1，沒有明顯大的波動，但是在組內都明顯是微度侵蝕景觀斑塊值最大，劇烈侵蝕斑塊值最小，具有一致性，說明各類型組間形狀復雜程度基本一致，但是組內由于侵蝕等級的不同而產生較大差異。散布與并列指數(IJI)。在景觀級別上用來計算各個斑塊類型間的散布與并列狀況，其取值范圍0～100，當其取值較小時，表示斑塊類型只與較少數幾種類型的斑塊相連，斑塊之間因為某種限制性因素導致斑塊分布較為破碎；當取值為100時表示各斑塊間比鄰邊長均等，即各斑塊比鄰概率均等，斑塊間鄰近程度比較高。由表6可見，各巖組類型散布并列指數都大于50，其中石灰巖>砂頁巖>玄武巖>白云巖，說明石灰巖區域斑塊較其他3種景觀類型分布集中，白云巖區域景觀最為破碎，即白云巖區具有較高的景觀異質性。

表6 各景觀類型特征指數

景觀多樣性指數(Shannon)是指由不同景觀要素組成的，在景觀空間結構上具有多樣性或者是變異性，一般采用Shannon均勻度指數和Shannon多樣性指數來反映。Shannon均勻度指數和多樣性指數可以直觀表達景觀的復雜程度。當Shannon多樣性指數值為0時，表示當前景觀只有一種景觀要素組成或是景觀類型是均質的，但當多樣性指數越高時，景觀要素類型就越豐富，斑塊間的信息交流也會越頻繁；而Shannon均勻度指數取值為1時，表示各類型斑塊均勻分布，那么景觀就有最大的多樣性和最小的優勢度。通過對表6數據進行分析可知，石灰巖區Shannon均勻度指數為0.53，是幾種景觀類型中最接近1的，其次是白云巖區、砂頁巖區和玄武巖區；說明石灰巖區景觀斑塊較其他幾種景觀類型在面積上分布較為均勻；玄武巖區Shannon均勻度指數最低，則相應的具有最高的多樣性，即玄武巖區景觀要素多樣化，斑塊之間進行信息流通更多。

3 結 論

選擇普安縣的四組不同巖組類型進行分析，結果表明4種景觀類型在不同種景觀類型間在土壤侵蝕景觀格局上有類似性，但是同種類型間侵蝕斑塊具有較大的差異性，通過對上文中數據分析得出以下結論：

普安縣總體土壤侵蝕特征：白云巖分布面積最廣，其次是石灰巖，砂頁巖和玄武巖面積較少，土壤侵蝕流失最為嚴重的是玄武巖區域；石灰巖區域和白云巖區微度侵蝕所占比例分別為74.53%和66.19%，是4種巖組中所占比例最大的，但石灰巖區劇烈侵蝕比例最高為0.52%，白云巖區域劇烈侵蝕比例最低為0.23%，說明石灰巖區域雖然總體侵蝕程度不高，但是局部侵蝕較為嚴重。

普安縣土壤侵蝕景觀格局特征來說，4種巖組區域土壤侵蝕景觀基質都是微度侵蝕。微度侵蝕具有斑塊分布較為集中，斑塊形狀較為復雜，斑塊間的差異性較大，異質性程度不高，說明微度侵蝕受到外界干擾不嚴重；相比劇烈侵蝕，斑塊分布較遠，且形狀較為規整，斑塊破碎度、異質性程度較高，受到外界影響程度較嚴重。

普安縣不同地層巖組土壤侵蝕景觀格局存在差異，由研究分析可知，白云巖區景觀最為破碎，具有較高的異質性，石灰巖區侵蝕斑塊分布較為集中；通過Shannon均勻度指數分析可知，玄武巖區具有最高的多樣性，斑塊間的信息交流最為頻繁。