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伊河流域景觀格局對土壤侵蝕的影響

2025-09-28 00:00:00季可可季可可李越梅李越梅顧治家顧治家馮德泰馮德泰曹紹敏曹紹敏黃淑萍黃淑萍
人民黃河 2025年9期

關鍵詞:景觀格局;土壤侵蝕;中國土壤流失方程;參數最優地理探測器;伊河流域中圖分類號:S157.1 文獻標志碼:Adoi:10.3969/j.issn.1000-1379.2025.09.019引用格式:,,,等.伊河流域景觀格局對土壤侵蝕的影響[J].人民黃河,2025,47(9):138-144.

Effects of Landscape Pattern on Soil Erosion in Yihe River Basin

JI Keke12,LI Yuemei12,GU Zhijia1.2,FENG Detai3,CAO Shaomin1,HUANG Shuping'

(1.SchoolofGeograpicScienes,XinyangNoralUniversityXinyang464,China;.NorthSouthTransitionalZoeypicalVegetationPhenologyObservationandResearch Stationof HenanProvince,Xinyang ormal University,Xinyang 464o,China; 3.Institute of International Rivers and Eco-Security,Yunnan University,Kunming 65O5Oo, China)

Abstract:ThisstudyiedtoexplortheinfluenceoflandscapepaterstotesoilerosionintheYieRiverBasinandprovideeferencs forforulatingnew-erasoilandwaterconservationplans.UsingtedatafromOl8toO22includingDEM,precipitation,soildibility, NDVI and land use,we calculated the multiple landscape indices at a 10m×10 m grid scale. The soil erosion modulus was determined throughtheCSLE.Theproportionofsoilerosionareaineachsub-basinwassetastedependentvariable,ithlandscapeidicesadsoci economicfactorsasindependentvarables.etialarameter-basedgeogapicaldtectoraseploydtoquantifyteexplaatorypower of ndividalvrablesndeirinteractiosFnallalydowladsapeatesifuecesolsiondamicsThulsidi catethata)altoughothteareaandintensityofoilerosioninteYeRiverBasiebitadcreasingtrend,tereeminsaiskof slightandmilderosionecalatingtoigerseveritevels.b)TefragmentatiooflndsapepatchsinteYeRverBasnasitefd, evidencedbycreasdpchmbersandensityossiatedlandforetndrassandonstrutionlanddateries fragmentationprocshaseeacompanedbducedcoectivityaongteselandusetyes.otablyhilelandscapepathsincultivatedland,gasndandcostructionlandxbitedoderlandreglarconfigratios,toseinforestandandwaterbodiesdsplaore irregularadcplexoologs.)ansapefragmetatiosigifantlyiuecstesatil-mpalterogeiyflosio theYiRiverBasin.Tiselatioshipisevdencedbyestrongexplanatorycapacityofkeylandsapemetrics,ncludingpatchdgedei, dispersionindexandpeteaeafractaldmesioiniterpretingthsedsatiapoalratiosisoilosiopatd)o cio-economicfctossntlyotettioalogeiyflsitogcodtioufc disturbancesalterlandsapeconfigurations,onseuentlyriingspatal-temporalerosiondynaics.ismechanismissubstantiatedbyte enhanced explanatory power generated through interactions betweensocio-economic drivers and landscape patern metrics.

KeyWords:landscape pattern;soil erosion;CSLE;optimal parameter geographical detector;Yihe River Basin

土壤侵蝕嚴重威脅陸地生態系統安全,是我國頭號環境問題[1-2]。土壤侵蝕定量評價是開展區域和流域水土保持工作的基礎工作[3]。用于區域或流域土壤侵蝕評估的模型可分為經驗統計模型、物理成因模型等[4-5],其中經驗統計模型因結構簡單、數據需求量小、計算簡便等而應用廣泛,如由美國學者Wischmeier和Smith提出的通用土壤流失方程(USLE)及其修正版(RUSLE)在我國不同地區的土壤侵蝕研究中被普遍應用[6-10],我國學者劉寶元及其團隊建立的中國土壤流失方程(CSLE)因更符合我國水土流失及其治理情況而得到廣泛應用[1I-13]。景觀格局與生態過程的關系是景觀生態學理論的核心,有關學者對景觀格局與土壤侵蝕的關系等開展了研究[14-18]。伊洛河是黃河小浪底水庫以下最大的一級支流,其流域治理及產流產沙對黃河下游的防洪有重要的影響[19]。伊河為伊洛河支流,近年來,氣候變化和人類活動(如城鎮化、水土保持工程建設等)使流域景觀格局和土壤侵蝕狀況發生了較大變化。本文以伊河流域為研究對象,探討景觀格局對土壤侵蝕的影響,以期為該流域新時期水土保持規劃制定、生態保護和高質量發展決策等提供參考。

1流域概況、數據來源與研究方法

1.1 流域概況

伊河發源于熊耳山南麓的省欒川縣,流經嵩縣、伊川縣、洛陽市,在偃師區匯入洛河,干流全長268km ,流域面積 5920.35km2 ,地勢西南高、東北低,地貌類型齊全。上游屬黃土丘陵區,土質疏松、遇水極易分解,溝深谷窄,地形復雜,溝底比降大,地表土石混雜,暴雨時經常形成突發性山洪和泥石流,危害十分嚴重;下游地勢平坦,土層深厚,耕地廣布,土壤侵蝕強度相對較低,主要是微度、輕度和中度侵蝕。伊河流域屬暖溫帶向北亞熱帶過渡區,年降水量 700~900mm ,降水量的 50% 左右集中在7一9月,對土壤的侵蝕強度較高[20]。流域內土壤以褐土、棕壤為主,植被以暖溫帶落葉闊葉林為主,海拔較高的山地零散分布針葉、落葉闊葉混交林。2018年,流域內總人口為241.4萬人,城鎮化率為 42.68% ,人口集中分布在中下游的丘陵和平原區。流域內主要土地利用類型為耕地和林地,同時分布有礦山、自然風景區等,地理環境既具有復雜性又具有脆弱性[21],景觀格局和土壤侵蝕狀況受生態自然修復與人類活動的共同影響。

1.2 數據來源

本文研究期為2018—2022年,所用數據主要包括DEM、降水、土壤可蝕性、歸一化植被指數(NDVI)、土地利用類型(LULC)國內生產總值(GDP)夜間燈光強度、人口等,數據來源見表1。對收集到的各類數據,重采樣至分辨率為 10m×10m 。

表1數據及其來源

Tab.1 DataandItsSources

1.3 研究方法

1.3.1 景觀格局指數

景觀格局指數是用于量化景觀空間結構特征的指標集合,本文采用與景觀破碎度相關的指標來反映伊河流域景觀格局,包括:斑塊面積類指標(斑塊數量,NP;斑塊密度,PD),斑塊邊緣形狀類指標(邊緣密度,ED;平均形狀指數,SHAPE_MN;周長面積分形維數,PAFRAC),斑塊聚散類指標(蔓延度指數,CONTAG;聚集指數,AI),斑塊多樣性指標(香農多樣性指數,SHDI;香農均勻度指數,SHEI)。各類景觀指數的具體計算方法見文獻[24]。

1.3.2 土壤侵蝕狀況評價

采用CSLE以 10m×10m 的柵格為單元計算土壤侵蝕模數,按照《土壤侵蝕強度分類分級標準》(SL190—2007)把土壤侵蝕強度分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈6個等級,把輕度及以上土壤侵蝕柵格總面積作為流域土壤侵蝕面積,進而對土壤侵蝕狀況進行分析。CSLE形式為[]

A=RKLSBET

式中:A為土壤侵蝕模數, R 為降雨侵蝕力因子, K 為土壤可蝕性因子, L 為坡長因子, s 為坡度因子, B 為水土保持生物措施因子, E 為水土保持工程措施因子, T 為水土保持耕作措施因子。

1.3.3 王壤侵蝕驅動因子探測

把伊河流域劃分為26個子流域,把各子流域的土攘侵蝕面積占比(占子流域總面積的比例)作為因變量,把各子流域景觀指數和社會經濟因子(地區生產總值,GDP;夜間燈光強度,Light;人口密度,POPdens)作為自變量(驅動因子),采用參數最優地理探測器[25]計算各自變量及其交互作用對因變量的解釋力(影響力)。

地理探測器是基于空間分區理論有效評估自變量對因變量影響程度的定量分析方法,其關鍵是合理地對探測指標(自變量)進行離散化處理。參數最優地理探測器通過對傳統地理探測器模型參數(如分層數、空間尺度等)的優化,提升對自變量解釋力的探測精度。地理探測器模型形式為

式中: q 為驅動因子對因變量的解釋力,值域為0~1,其值越大解釋力越強、對因變量的驅動力越大; L,h 分別為對研究區的分層(或分區等)數量、序號,本研究中分別為伊河流域子流域數量(26個)、子流域序號; 分別為研究區單元總數、分層 h (或分區 h )單元數量,本研究中單元數量即柵格數量; σ2h2 分別為研究區因變量的方差、分層 h (或分區 h )因變量的方差。

2結果與分析

2.1 土壤侵蝕時空變化情況

2.1.1 土壤侵蝕強度隨時間變化情況

2018年和2022年伊河流域各強度等級土壤侵蝕面積占比見表2。由表2可知,伊河流域土壤侵蝕在研究期變化情況總體上為高強度(中度及以上)土壤侵蝕面積減少、低強度(輕度與微度)土壤侵蝕面積增加,中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積占比分別下降1.68,0.89,0.71,0.20 個百分點,輕度、微度土壤侵蝕面積占比分別提高0.58、2.90個百分點,輕度及以上土壤侵蝕面積占流域總面積的比例下降2.90個百分點,即土壤侵蝕強度和面積雙下降,表明水土保持成效顯著。

表22018年和2022年各強度等級土壤侵蝕面積占比

Tab.2Proportion of Soil Erosion Area of Each

圖1為2018—2022年各級土壤侵蝕面積轉化桑基圖(圖上數據為轉化面積, km2 )。2018—2022年伊河流域各級土壤侵蝕的轉化以高強度等級侵蝕向低強度等級侵蝕轉化為主,其中劇烈、極強烈、強烈、中度、輕度侵蝕面積分別有 96.53%,91.06%,89.26% 85.12% 63.11% 向低強度等級侵蝕轉化。需要注意的是,微度侵蝕也有向輕度及以上侵蝕轉化的情況,尤其微度侵蝕與輕度侵蝕的相互轉化相對活躍,須加強管理、避免形成惡性循環。

2.1.2 土壤侵蝕強度的空間異質性

圖2為2018年、2022年伊河流域各級土壤侵蝕空間分布情況,可以看出,伊河流域中度及以下土壤侵蝕面積較大且均勻分布在流域內,高強度(強烈及以上)土壤侵蝕面積較小,主要集中分布在上游地區與河谷地帶,2022年與2018年相比高強度土壤侵蝕面積明顯減少。

圖22018年和2022年各級土壤侵蝕空間分布情況Fig.2 Spatial Distribution of Soil Erosion at AllLevelsin2018and2022

不同強度土壤侵蝕的分布受地形(坡度)、土地利用情況等的影響較大。進一步考察高強度土壤侵蝕的分布情況表明,其主要呈樹枝狀沿上游地區河谷分布,原因是上游地區土質疏松、遇水極易分解,溝深谷窄、溝底比降大,水流沖刷造成的土壤侵蝕嚴重;此外,上游地區沿河谷分布有較大面積的坡耕地和荒坡,雖然實施退耕還林還草使林草植被覆蓋度有所提高,但是河谷地帶人類活動頻繁,土壤侵蝕狀況仍然較為嚴重。

分別統計不同坡度(小于 6°,6°~15°,16°~25° 大于 25° )荒坡土壤侵蝕面積占比表明,荒坡土壤侵蝕尤其高強度土壤侵蝕主要分布在 6°~15° 和 16°~25° 坡度帶。統計流域內各地類土壤侵蝕面積占比表明,林地、耕地(含園地)建設用地(含交通用地和采礦用地)、草地、水域(河湖庫塘)、其他用地土壤侵蝕面積占比分別為 49.54%.39.98%.7.26%.2.15%.1.03% 0.04% ,即土壤侵蝕主要分布在林地和耕地(二者占比合計為 89.52% ),其中耕地土壤侵蝕尤其高強度土壤侵蝕主要分布在 15° 以上坡耕地( 15° 以上坡耕地中輕度及以上土壤侵蝕面積占比大于 50% ),因此應重視陡坡耕地的水土流失治理

2.2 景觀格局變化情況

2018年和2022年伊河流域各地類景觀指數計算結果見表3(因為單一地類不存在多樣性,所以表中無CONTAG、SHDI、SHEI)。

表32018年和2022年各地類景觀指數

Tab.3Landscape Index of Each Land Use Type in 2o18 and 2022

從斑塊面積類指標看,2018—2022年耕地、林地、草地、建設用地、水域的斑塊數量、斑塊密度增大,說明景觀被割裂破碎化,其中建設用地的破碎化最為明顯(斑塊數量由1443個增加到13193個,斑塊密度由0.47個/ ?km2 增大到2.32個 /km2 );其他地類的斑塊數量、斑塊密度減小,說明其他用地分布較分散、連通性較差,原因可能與洛陽市及有關縣域城鎮化使其他地類轉化為建設用地有關

從斑塊邊緣形狀類指標看,耕地、草地的斑塊邊緣密度增大但平均形狀指數、周長面積分形維數減小,說明耕地、草地斑塊形態趨于有序和規則化,這與農田整治和水土保持措施布設區域越來越規則有關;林地的斑塊邊緣密度、平均形狀指數、周長面積分形維數均增大,說明林地斑塊趨于復雜和無序;建設用地的斑塊邊緣密度、平均形狀指數、周長面積分形維數均減小,說明建設用地斑塊形狀趨于有序和規則化;水域的平均形狀指數減小但斑塊邊緣密度、周長面積分形維數增大,說明水域斑塊數量增加的同時形狀趨于自然狀態;其他地類的平均形狀指數增大但斑塊邊緣密度、周長面積分形維數減小,說明其他地類斑塊受人類干預程度下降、形態趨于規則化

從斑塊聚散類指標聚集指數看,耕地、草地、建設用地、水域的聚集指數減小,說明這4種地類集聚程度降低,趨于分散和破碎化;林地和其他用地的聚集指數增大,說明林地斑塊呈聚集趨勢,原因可能是退耕還林的實施區域相對集中和規則。

2.3 景觀格局對土壤侵蝕的影響

2.3.1 土壤侵蝕單因子探測結果

土壤侵蝕單因子探測結果見表4(由于斑塊密度PD未通過單因子顯著性檢驗,其與其他因子交互的解釋力沒有增強,因此為減少其對研究結果的干擾,在進一步的研究中沒有考慮這一指標)。由表4可知,各因子對土壤侵蝕面積占比的解釋力存在顯著差異。2018年,斑塊邊緣密度、周長面積分形維數、平均形狀指數的解釋力分別達0.60、0.47、0.46且均通過顯著性檢驗,表明土壤侵蝕面積占比的空間差異受各地類斑塊邊緣形狀的影響較大,社會經濟因子中的夜間燈光強度的解釋力達到0.43且也通過了顯著性檢驗,其間接反映出社會經濟活動對區域土壤侵蝕有一定影響;2022年,斑塊蔓延度指數解釋力遠大于其他因子,達0.71且通過顯著性檢驗,說明土壤侵蝕面積占比的空間差異受景觀斑塊的蔓延性、連通性影響較大,社會經濟因子中的GDP解釋力達到0.40且也通過了顯著性檢驗,表明經濟發展對土壤侵蝕面積占比的空間差異有一定影響;對研究期土壤侵蝕面積占比變化量,斑塊周長面積分形維數、蔓延度指數的解釋力分別達到0.63、0.52且均通過了顯著性檢驗,社會經濟的3個因子解釋力均較小,說明研究期土壤侵蝕面積占比變化與斑塊周長面積分形維數和蔓延度指數有較強的相關性、與社會經濟因子的相關性較弱。綜上所述,景觀破碎化對伊河流域土壤侵蝕時空異質性有較大影響,具體來說,各地類斑塊邊緣密度、蔓延度指數、周長面積分形維數等反映景觀形態復雜性、連通性、分布均勻性和密度的景觀指數對土壤侵蝕時空變化有較強的解釋力,此外,社會經濟因子對土壤侵蝕時空異質性也有較大影響。

表4單因子探測結果

Tab.4Single Factor Detection Results

注: p 為顯著性水平, p?0.1 表示通過顯著性檢驗;研究期變化量指研究期土壤侵蝕面積占比變化量。

2.3.2 雙因子交互探測結果

雙因子交互探測結果見圖3。雙因子交互的解釋力較單因子大幅提升,任意兩個因子交互的解釋力均大于各自單因子的,說明伊河流域土壤侵蝕時空變化是各因子綜合作用的結果。2018年夜間燈光強度n斑塊數量(∩表示交互)的解釋力最大(0.99),2022年斑塊數量∩蔓延度指數的解釋力最大(0.99)。夜間燈光強度邊緣密度對研究期土壤侵蝕面積占比變化的解釋力最大(0.99)。斑塊數量、夜間燈光強度、邊緣密度、蔓延度指數這4個因子與其他因子交互的解釋力均較大(大都在0.8以上);人口密度與其他因子交互的解釋力也較大(大都在0.7左右),且在研究期有增大趨勢。

從圖3的3個子圖綜合來看,反映景觀破碎化程度的各地類斑塊面積類指標和邊緣形狀類指標對伊河流域土壤侵蝕時空變化的影響占主導地位,反映人類活動強度的3個社會經濟因子與各景觀格局因子交互增強了對土壤侵蝕時空變化的驅動,即人類活動對環境的改造使土地利用類型發生變化,造成各地類斑塊數量、面積、形態、多樣性、連通性等的改變,進而影響土壤侵蝕的時空變化。

2.4 討論

伊河流域土壤侵蝕面積的時空變化受景觀破碎化影響較大,同時受社會經濟活動(人類活動)影響。社會經濟活動直接影響景觀格局的穩定性、造成景觀生態風險上升[26],人口增長、人口密度增大必然使社會經濟活動強度和景觀破碎化程度提高,因而加劇土壤侵蝕。伊河流域土壤侵蝕強度等級雖然在整體上有所降低,但是景觀破碎化程度有所提高,因而存在微度和輕度土壤侵蝕向高強度等級轉化的風險。本研究所得上述結果(斑塊邊緣密度、蔓延度指數、周長面積分形維數等反映景觀形態復雜性、連通性、分布均勻性和密度的景觀指數對土壤侵蝕時空變化的影響較大,反映景觀破碎化程度的各地類斑塊面積類指標和邊緣形狀類指標對伊河流域土壤侵蝕時空變化的影響占主導地位等),與田昌園等2對皖西大別山、高艷麗等對漢江流域的研究結果相似。土壤侵蝕的社會經濟(人類活動)因素包括農業生產活動(陡坡墾殖、順坡耕作等)、破壞植被(砍伐林木、過度放牧等)、工程建設(修路、開挖地表、棄土棄渣等)、采礦、城鎮化、工業生產(占壓水土保持設施、廢物排放改變土壤結構等)、水土保持措施(植樹造林、坡改梯、淤地壩、退耕還林、封山育林、預防監督、政策等)等,各種因素的影響機制復雜,本研究選取GDP、夜間燈光強度、人口密度作為土壤侵蝕的社會經濟類驅動因子,可能存在代表性不強的問題,因而得出社會經濟因子不是土壤侵蝕時空異質性主導因子的結果。同時,由于人類活動對地表的擾動和改造反映在景觀格局的變化上,因此景觀格局因子與社會經濟因子交互的解釋力較單因子明顯增強,其中社會經濟因子與斑塊數量、邊緣密度交互的解釋力增強最顯著。

3結論

1)2018—2022年伊河流域土壤侵蝕狀況明顯好轉,體現在土壤侵蝕面積減小、高強度向低強度轉化,但存在微度和輕度土壤侵蝕向高強度等級轉化的風險,須予以重點關注。

2)研究期伊河流域景觀斑塊破碎化加劇,體現在耕地、林地、草地、建設用地、水域的斑塊數量、斑塊密度增大等,各地類的連通性減弱,耕地、草地、建設用地景觀斑塊形狀趨于有序和規則化,林地、水域景觀斑塊形狀趨于無序和復雜化

3)景觀破碎化對伊河流域土壤侵蝕時空異質性 有較大影響,體現在各地類斑塊邊緣密度、蔓延度指 數、周長面積分形維數等景觀指數對土壤侵蝕時空變 化有較強的解釋力。

4)社會經濟因子對土壤侵蝕時空異質性也有較大影響,人類活動對地表的擾動和改造使景觀格局發生變化進而造成土壤侵蝕的時空變化,體現在社會經濟因子與景觀格局因子的交互顯著增大了對土壤侵蝕時空變化的驅動力。

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【責任編輯 張智民】

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