汾河上游土壤侵蝕時空變化及景觀格局的影響

鄒琴英, 師學義, 張 臻

(1.中國地質大學(北京) 土地科學技術學院, 北京 100083; 2.山西農業大學 林學院, 山西 晉中 030810)

土壤侵蝕是黃土高原主要的環境問題。人類活動、自然環境及其相互影響是土壤侵蝕的主要原因[1]。據山西省政府統計，截至2018年，仍有近10.8萬km2水土流失面積需要治理，占全省土地面積的69%[2]。長時間、大面積、高強度、低效能的煤礦資源開發，土地利用過于粗放導致生態系統功能下降，超出了生態系統自行調節能力范圍[3]。同時，土壤侵蝕是生態系統中生態環境效應相互作用下地表物質位移過程[4]，是生態環境惡化的表現[5]，嚴重的土壤侵蝕造成土壤肥力下降，誘發滑坡泥石流等自然災害，不但影響著區域生態環境的可持續發展，而且影響著中下游居民的生命財產安全和河道治理等生態保護工程的實施。

景觀格局與生態過程的相互關系是景觀生態學理論研究的重要部分[6-7]，景觀指不同生態系統組成的異質性區域，景觀格局是不同地表景觀要素在空間上排列組合，影響著生態學過程[8]。景觀格局的變化可反映相鄰土地利用類型變化程度，是土壤侵蝕產沙和輸沙空間變化的重要驅動力[9-10]。但目前景觀格局與土壤侵蝕的相關研究較少，大多數景觀格局定量評價單純止步于景觀格局指數的計算和分析上，定量描述兩者關系仍是一個難點[11-12]。因此，學者們從土壤侵蝕角度切入，將不同的土壤侵蝕強度視為景觀過程變化的一個表征指標，運用景觀指數來揭示土壤侵蝕的時空演變，探尋土壤侵蝕對環境驅動因子和景觀格局的響應關系[13-14]。王庫等[15]基于景觀類型參數分析興國縣土壤侵蝕時空演變規律和分布格局；李陽兵等[16]借助GIS和Fragstats技術定量分析了重慶市土壤侵蝕格局分析和破碎化評價，彌補了土壤侵蝕研究對土壤侵蝕景觀空間信息研究的不足；漆良華等[17]基于空間格局分析方法和景觀生態學理論，研究了區域生態恢復適宜度與景觀格局特征，為后續流域景觀優化利用和生態恢復工程實施提供依據；康磊等[18]使用USLE模型和應用景觀生態學理論，評價了岷江上游1990—2015年土壤侵蝕變化和景觀格局變化，對以生態建設和找出不利于景觀格局配置因素為目標的流域具有重要的參考價值。因此，與土壤侵蝕相結合的研究成為生態問題解決的需要[19]，將景觀生態學與土壤侵蝕理論相結合，分析不同土壤侵蝕強度景觀格局動態變化，揭示土壤侵蝕強度與生態過程間的動態關系，以期為優化流域土地利用布局和改進流域水土流失措施提供參考價值。

本文以汾河上游為研究區域，應用RUSLE模型開展2005年、2010年、2017年3年土壤侵蝕模數評估，兼顧流域不同時期地表覆被狀況，借助ArcGIS，Fragstats開展相應的景觀破碎化分析，探討土壤侵蝕與景觀破碎化指數的關聯關系，揭示土壤侵蝕強度與生態過程間的動態關系，為汾河上游的生態環境治理提供科學依據和決策參考。

1 研究區概況

汾河上游(38°7′57″—39°8′41″N,111°42′43″—112°36′55″E)位于山西省西北部，是山西省最重要的水源涵養區之一，流域面積達3 884 km2。地形以山地丘陵為主，汾河自北向南流經蘆芽山和云中山，總體呈現“兩山一川”大格局(圖1)，總長約160 km。溫度大陸性季風氣候，多年平均降雨量為427.6 mm，年內降雨分布不均，主要集中在6—9月，占全年降雨量的75.29%；植被以森林和山地草地為主；土壤主要是草甸土、棕壤、褐土。汾河上游流域地形地貌獨特，溝壑縱橫，地勢起伏大，黃土高原境內煤炭資源儲量大，煤炭開采、林木開發等生產活動破壞地表植被，使得汾河上游流域成為土壤侵蝕的易發區。

圖1 研究區范圍及高程

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源及處理

本文使用的數據包括：DEM數據、2017年使用的landsat 8影像、2005年和2010年使用的Landsat4～5 TM影像來源于地理空間數據云(http:∥www.gscloud.cn)，空間分辨率為30 m，時相為6—10月，云覆蓋率低。在ENVI 5.3中進行幾何糾正、大氣校正等影像預處理，利用遙感影像的近紅外波段和紅光波段進行NDVI計算；月/年降水數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)；2005年、2010年、2017年汾河上游土地利用現狀變更數據來源于忻州市政府普查數據；部分土壤數據來源于世界土壤數據庫中國土壤數據集(Harmonized World Soil Database version 1.1)(HWSD)，其余土壤數據來源于山西省第二次土壤普查數據集，空間分辨率為1 km。將所有數據統一重采樣為30 m分辨率，分別進行2005年、2010年、2017年土壤侵蝕模數的計算。

2.2 研究方法

(1) 土壤侵蝕量估算。本文基于GIS和RS技術，采用修正的水土流失通用方程(RULSE)方程對汾河上游土壤侵蝕進行估算。基本表達式如下：

A=R×K×L×S×C×P

式中:A為單位面積上平均的土壤流失量[t/(km2·a)];R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)][20];K為土壤可蝕性因子[21][(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)];L和S分別為坡長和坡度因子[22];C為植被覆蓋因子[23];P為水土保持措施因子[24-25],其中L,S,C,P為無量綱因子。

(2) 景觀格局分析。運用景觀格局指數分析法研究流域侵蝕景觀時空變化特征，利用Fragstats4.2軟件計算景觀格局指數，以期通過不同時期的景觀指數對比探討侵蝕景觀格局時空變化特征。參考相關文獻[26-28]，結合流域實際情況，選取5個景觀指數。斑塊水平反映單個斑塊的結構特征，是計算其他景觀級別指標的基礎，景觀水平反映的是區域整體特征結構。斑塊水平上包括：斑塊數量(NP)、邊緣密度(ED)；景觀水平上包括：分離度指數(DIVISON)、蔓延度指數(CONTAG)和香農多樣性(SHDI)，表征流域景觀的破碎化程度，各個指標的定義和生態學意義詳見Fragstats用戶手冊[29]。

3 結果與分析

3.1 流域土壤侵蝕時空變化

3.1.1 土壤侵蝕強度的時間變化 用修正通用土壤流失方程計算得到汾河上游2005—2017年土壤侵蝕模數(圖2)。2005—2017年汾河上游土壤侵蝕流失量顯著減小，平均侵蝕模數從2005年的50.26 t/(hm2·a)下降到2010年的37.47 t/(hm2·a)，在2017年跌至30.71 t/(hm2·a)。

根據土壤侵蝕分類分級標準對2005—2017年汾河上游土壤侵蝕模數進行土壤侵蝕強度分級(表1)[30]。從土壤侵蝕強度所占面積來看，總體呈現中等強度等級以上所占面積向微度和輕度強度轉移。2005—2010年，微度侵蝕、輕度侵蝕面積增加，增幅達53.93%，2.91%，占流域總面積的53.75%；中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕面積減少，降幅依次為9.07%，11.40%，30.06%，39.80%。隨后2010—2017年，微度侵蝕增幅為37.76%，輕度侵蝕至劇烈侵蝕5個等級降幅依次為11.52%，20.08%，23.19%，16.89%，12.08%，但中度侵蝕等級以上的面積僅占侵蝕總面積的23.87%，區域土壤侵蝕等級以微度侵蝕和輕度侵蝕為主。

圖2 汾河上游流域2005-2017年土壤侵蝕強度

表1 汾河上游流域不同土壤侵蝕強度面積的百分比 %

3.1.2 土壤侵蝕強度的空間變化 近12 a，土壤侵蝕格局變化顯著。從2005年東部西部高、南北兩側低、中間中等的格局逐漸轉變到2017年西部低，東部高，中部中等的格局，形態以條帶狀為主。2005年西北森林帶和部分東南山地丘陵區是高值區的集中地，中部地區以中值區為主，低值區在西南部中部地帶和北部丘陵地帶；2017年高值區集中于東南山地丘陵地帶，中值區位于中部地帶和西南部汾河兩岸平原地帶，低值區在西北森林帶和部分東南山地丘陵區。

對2000—2017年汾河上游不同侵蝕等級面積進行統計，得到汾河上游不同侵蝕等級面積的轉移矩陣(表2)。由表2可知，近12 a，汾河上游土壤侵蝕等級之間面積轉化活躍，微度和輕度侵蝕等級面積大幅增加，中度侵蝕以上等級的面積明顯減小，研究區域土壤侵蝕狀況整體變好。其中，劇烈侵蝕中有48.95%、12.13%分別轉化為微度侵蝕、極強侵蝕。極強侵蝕轉化為微度侵蝕的占比44.71%，強度侵蝕的36.20%，12.35%，15.77%分別轉化為微度侵蝕，輕度侵蝕和中度侵蝕。

表2 汾河上游2005-2017年流域土壤侵蝕面積轉移矩陣 km2

3.2 不同土地利用類型下土壤侵蝕統計分析

2005—2017年汾河上游土地利用類型主要為耕地、草地和林地(表3)。土地利用類型均發生了不同程度的變化：草地和建設用地面積分別減少12.42%，11.49%；耕地和林地面積分別增加16.90%，13.67%；水域和其他用地面積降幅明顯，分別減少40.39%，51.13%。

表3 汾河上游流域2005-2017年土地利用類型面積轉移矩陣 km2

2000—2017年土地利用類型間面積轉換變動較大。期間草地面積減少最大，凈減少206.60 km2，主要流向耕地(451.44 km2)、林地(319.12 km2)；林地面積增加大，增加了約148.55 km2，主要來自草地和耕地；建設用地、其他用地面積及比例均有較大幅度減小。主要原因在于區域生態環境(黃土丘陵地區)的特殊性，水土流失嚴重。一方面政府為穩定生態質量實施坡耕地退耕還林、農田整治、加強礦區的管理和綠化工程。另一方面，伴隨經濟的發展，人口集中于汾河兩岸，占用了大量的耕地和水域，城市建設用地增加，農村建設用地急劇減少，造成土地利用類型變化頻繁。

土壤侵蝕在土地利用類型中差異明顯，2005—2017年各地類土壤侵蝕模數均減少(圖3)，草地、耕地、林地和其他用地土壤平均侵蝕模數降幅分別達26.37%，15.91%，61.25%，29.84%。結合各土地利用類型面積可知：土壤侵蝕主要集中在草地、耕地和林地，土地利用類型與土壤侵蝕模數高度相關。不合理的土地利用會造成生態系統服務功能的退化，植被覆蓋度高的土壤侵蝕程度小，應合理優化草地、林地、耕地布局，加強土地利用的管理與監控。

圖3 汾河上游流域不同土地利用類型的平均侵蝕模數

3.3 土壤侵蝕景觀格局變化

3.3.1 土壤侵蝕景觀指數最佳分析幅度 侵蝕景觀指數的空間異質性具有尺度依賴性，空間尺度的變化對景觀格局定量分析結果會產生不同程度的影響，確定合理有效的分析尺度十分關鍵，是揭示景觀破碎化空間變異的前提[31-32]。為定量分析確定最佳分析幅度，在2005年、2010年、2017年3個時期的土地利用矢量數據中選取2017年的土地利用數據作為研究對象，將2017年土地利用矢量數據轉化為30 m分辨率的柵格數據，輸入Fragstats 4.2軟件，采用移動窗口法，方形半徑，尺度設定為200，600，1 000，1 400，1 800，2 200，2 600，3 000 m。以研究區為邊界生成隨機點100個，提取邊緣密度、分離度指數、蔓延度、和香農多樣性值，研究幅度變化對侵蝕景觀格局指數的影響。

由圖4可知，景觀指數皆隨著空間尺度的變大先急劇上升后整體趨于平穩。邊緣密度、蔓延度指數在200～800 m迅速上升，有明顯拐點，隨后隨著空間尺度的變大逐漸趨于平穩，波動起伏小；分離度指數、和香農多樣性隨著空間尺度的增大也變大，在1 800～2 200 m之后增長速度產生明顯變化，呈現平緩上升的趨勢。考慮Fragstats 4.2對空間尺度的要求。綜上，確定2 100 m為最佳分析幅度。

圖4 景觀指數隨空間幅度變化曲線

3.3.2 土壤侵蝕景觀格局指數變化 由表4可知，近12 a，斑塊數量(NP)不斷減少，說明景觀破碎化程度減小，景觀異質性程度降低；邊緣密度(ED)、香農多樣性(SHDI)先減小后增大，表明研究區景觀在邊緣形狀上由簡單向復雜發展，景觀類型組成由簡單向豐富發展，土地利用豐富，景觀類型的均勻程度提高；蔓延度(CONTAG)先增大后減小，表明不同斑塊類型的延展趨勢由弱到強再變弱，蔓延度(CONTAG)整體增大，景觀中整體斑塊間的連通性較2005年基底年提高，能量流動加快，景觀破碎化程度降低；分離度指數(DIVISON)微弱上升。綜上，2005—2017年景觀破碎化程度整體下降，生態環境改善。

表4 2005-2017年景觀格局指數

3.3.3 土壤侵蝕強度與景觀格局變化關系 2005—2017年3個年度各土壤侵蝕強度的景觀格局指數見表5，各侵蝕強度的香農多樣性、邊緣密度總體減小，蔓延度、分離度指數總體提升。各侵蝕強度的香農多樣性呈現先減后增的趨勢，與2005年對比，2010年各侵蝕強度的香農多樣性均減小，劇烈和微度侵蝕的香農多樣性降幅最大，中度侵蝕降幅最小，可知：在這5 a中，劇烈和微度侵蝕景觀的斑塊類型組成由豐富向簡單發展，分布由均衡向定向發展，與2010年相比，2017年微度侵蝕的香農多樣性繼續減少，輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕強度的香農多樣性提升，橫向相比微度侵蝕的香農多樣性最小，土壤侵蝕的斑塊破碎度低。2005—2010年各侵蝕強度的邊緣密度逐年下降，降速快，表征景觀斑塊形狀由復雜到簡單，斑塊的平均面積增大，整體景觀破碎度程度降低，土地利用變化大。2005年各侵蝕強度的邊緣密度值由低到高為：微度侵蝕<劇烈侵蝕<極強烈侵蝕<強烈侵蝕<中度侵蝕，2010年、2017年與2005年各侵蝕強度的邊緣密度排序基本一致。其中，2010—2017年邊緣密度值相差不大，變化小，景觀斑塊形狀趨于常態。2010年各侵蝕強度的分離度指數與2005年相比總體大幅度提升，與2017年相當，基本無波動。在強烈侵蝕上較大，在微度侵蝕上最小，表明在強烈等級上景觀的斑塊類型和數量比微度等級少，景觀破碎化程度低。3個年度中微度、輕度、中度侵蝕的蔓延度均持續上升，強度、極強度、劇烈侵蝕的蔓延度先快速增加后緩慢減少，但整體上升，表征侵蝕強度景觀中優勢斑塊間的連接度好。

表5 2005-2017年各侵蝕強度景觀格局指數

4 討 論

目前，水土保持措施因子p值的研究標準尚未統一[33]。文中p值的確定沒有采用定量方法，屬于經驗值，參考相關文獻[34-36]，根據汾河上游水土保持試驗站資料、縣志資料，使用空間信息手段，結合當地土地利用及農事活動情況確定的。在后續研究中，將進行小區觀測試驗，提高p值的精確度。

本文將不同的土壤侵蝕強度視為景觀的一種元素，探尋土壤侵蝕對外部環境和景觀格局的響應，表明各侵蝕景觀格局指數能夠較好地反應土壤侵蝕時空規律，是提升汾河上游生態系統服務功能的重要途經。

近12 a，研究區土壤侵蝕強度和面積都有大幅度的下降，平均侵蝕模數從2005年的50.26 t/(hm2·a)下降到2010年的37.47 t/(hm2·a)，在2017年跌至30.71 t/(hm2·a)，生態系統服務功能得到提升。原因在于：從2005年開始打響提高煤炭產業集中度和總體素質的“三大戰役”，關閉非法違法煤礦點、關閉小煤礦點、重組煤炭企業和規劃實施山西省煤炭開采生態環境恢復治理，重點推進汾河的區域生態環境恢復與治理工作來，期間汾河上游的土壤侵蝕面積和強度下降，水土治理取得明顯成效；2005—2010年，香農多樣性、邊緣密度減小速度快，蔓延度、分離度指數提升大，說明在這5 a中景觀格局得到優化，土壤侵蝕治理效果好，受到人為干預比較大，土地利用方式的改變是土壤侵蝕和景觀格局改變的主要因素，煤礦點關閉和生態環境治理措施是主要原因。2010年后，西部森林地帶和東部山地丘陵帶土壤侵蝕模數不斷減弱，各侵蝕強度的分離度指數在強烈侵蝕上較大，在微度侵蝕上最小，表明在強烈等級上景觀的斑塊類型和數量比微度等級少，景觀破碎化程度低。西部森林地帶和東部山地丘陵帶主要以自然恢復為主，實施封山育林、退耕還林等生態措施和人口政策(偏遠地區的整村搬遷)減弱整個區域的土壤侵蝕程度，提升了整個區域的生態系統服務功能，林地和草地自然恢復為主的景觀格局演變，降低了該區土壤侵蝕的強度，疊加植被的保水固土的生態服務功能。類似康磊等[37]研究：岷江上游以草地恢復為主的土壤侵蝕的強度明顯降低；周偉等[38]的研究表明，汾河上游區域內的管涔山汾河源頭、汾河上游水庫、北部露天采礦區，西部森林采礦帶需要加強生態保護修復工作，本文從土壤侵蝕方面也得到類似的結論，在今后的土壤治理工作應以管涔山汾河源頭、汾河上游水庫、北部露天采礦區，西部森林采礦帶為重點。

5 結 論

(1) 土壤侵蝕模數分布規律為：平均侵蝕模數連年下降；土壤侵蝕強度所占面積由土壤強度高級別向低級別轉移；土壤侵蝕格局從2005年東南和西北高，中間低逐漸轉變到2017年從西北向東南逐漸增強。

(2) 土地利用類型中，草地和建設用地面積顯著減少，主要流向耕地、林地；耕地和林地面積大幅增加，主要來自草地和建設用地；土壤侵蝕主要發生在耕地、有林地和草地

(3) 近12 a的侵蝕景觀格局指數變化表明：人類活動對汾河上游景觀的干擾性隨著時間變化而減弱；各侵蝕強度的景觀斑塊形狀趨于簡單化，斑塊的平均面積增大，優勢斑塊連接度好，斑塊團聚程度加強，各侵蝕強度的景觀破碎度水平低，土壤侵蝕狀況得到改善。