基于土地利用结构变化的深圳市水土流失动态研究

徐 翼，李天宏

（1.北京大学 深圳研究生院 城市人居环境科学与技术重点实验室，深圳 518055；2.北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室，北京 100871）

基于土地利用结构变化的深圳市水土流失动态研究

徐 翼1，2，李天宏1，2

（1.北京大学 深圳研究生院 城市人居环境科学与技术重点实验室，深圳 518055；2.北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室，北京 100871）

采用区域水土流失快速评估方法，通过参照点选择、参照组构建、参照组匹配、O／E计算等步骤，利用深圳市1996年、2000年、2002年、2004年和2006年的土地利用类型数据，以深圳市区为基本单元，进行多时段的水土流失动态评估。结果表明：1996年，福田区土壤侵蚀程度明显严重于其它5个区；2000年，宝安区、福田区和罗湖区的土壤侵蚀较严重；2002年、2004年和2006年，宝安区和福田区土壤侵蚀迅速加剧，南山区土壤侵蚀继续增加，龙岗区稍有减缓的趋势，罗湖区和盐田区土壤侵蚀有所改善。评估得到的土壤侵蚀动态变化特征与研究区域的开发过程也较为吻合。

土壤侵蚀；土地利用结构；快速评估方法；深圳市

水土流失是全球性的环境问题［1］，也是全球变化研究（如IGBP，IHDP）的核心内容［2］。水土流失的评估可以在3个空间尺度（坡面、小流域、区域）上进行［3］。区域水土流失研究是在坡面和小流域研究的基础上，重点探讨水土流失的宏观发生机制和影响因素等，强调人为因素对水土流失的正反作用，其研究结果可直接服务于区域环境规划和治理。目前对区域水土流失进行评估的方法仍沿用USLE或者 RUSLE［4～6］、水文法和水保法［7］。由于这些模型需要的基本资料除了个别研究区域以外，往往不能得到满足，同时人类活动已经深刻地影响到水土流失过程，成为评估水土流失不可忽视的因素，所以都给区域性的水土流失评估带来困难；另一方面，区域性的土地利用是人类利用土地的结果，其数据也相对容易获得。鉴于此，有研究者在分析土地利用和水土流失影响因素的基础上，提出了区域土壤侵蚀快速评估方法，即通过土地利用结构的变化来进行水土流失动态评估［8，9］。深圳市是我国最早设立的经济特区，30多年来经济的快速发展，加速了水土流失等环境问题的恶化。同黄土高原等水土流失严重的地区相比，深圳市水土流失的一个显著特点就是人类活动的影响尤其突出，通过土地利用结构变化来监测水土流失的动态变化是一个合适而快捷的方法。本文将利用深圳市1996年、2000年、2002年、2004年和2006年的土地利用数据，采用区域土壤侵蚀快速评估方法进行深圳市土壤侵蚀的动态评估，考察土壤侵蚀的变化趋势。

1 研究区域

深圳市地处广东省南部，毗邻香港。位于北回归线以南，东经113°46′至114°37′，北纬22°27′至22°52′。地处南亚热带气候带，多年平均降雨量1883mm，土地总面积为1 960 km2，其中，深圳经济特区面积为395.81 km2。全市的植被覆盖率为57.68%，主要集中在大鹏半岛和梧桐山一带，原生植被类型为亚热带常绿阔叶林，人工植被主要有大叶相思树、台湾相思树、桉树等，结构简单，林相单一，盖度低，生态稳定性较差。全市共有大小河流160多条，其中流域面积大于100 km2的有深圳河、茅洲河、观澜河、龙岗河和坪山河。由于深圳成立经济特区，又有毗邻香港的区位优势，成立特区以来，经济发展迅速，市郊的农村城市化进程很快，而在快速发展的城市化过程中，开发活动的外力冲击远远超过了土体的自我保持能力，再加上高强度暴雨作用和大规模的人为扰动作用，大大加速了土壤侵蚀的过程，造成了严重的土壤侵蚀，对深圳市的经济社会可持续发展也构成严重威胁。开发建设过程中土壤侵蚀的变化及如何采取相应的水土保持措施，已成为深圳市持续关注的焦点。

2 研究方法

本文采用的区域土壤侵蚀快速评估方法［8，9］基于这样一个假设，即降雨、地形和土壤等环境变量与土地利用结构变量能够共同决定区域土壤侵蚀变化的趋势。这种方法不侧重于获得土壤侵蚀量的精确结果，而是致力于获取相对于某一参考状态的土壤侵蚀动态变化趋势。

2.1 土地利用结构特征指标

土地利用结构变化是影响区域土壤侵蚀的活跃因素，是合理评估区域土壤侵蚀尤其是动态评估和变化趋势预测的关键。根据区域内各土地利用类型来分析其对区域土壤侵蚀的综合影响，需要协调不同的土地利用类型对于区域土壤侵蚀的贡献。这可以通过引入一个反映土地利用结构对区域土壤侵蚀影响的综合指标——土地利用结构特征指标来实现，不同土地利用类型对土壤侵蚀影响的相对重要性可通过用层次分析法确定的权重来反映。区域土地利用结构特征指标定义为

式中：SI为区域土地利用结构特征指标；wi为不同土地利用类型对区域水土保持的重要性权重；Ai为对应土地利用类型的面积百分比。

2.2 评估步骤

2.2.1 参照组构建

选取有实测资料、受人类影响活动较少的若干区域作为参照点，根据各区域对应的土地利用结构（针对水土流失目标的）特点按其均匀性分组，形成不同的参照组，组中的各区域并不一定包含在同一地区或邻近地区，这部分工作可通过聚类分析方法实现。然后计算确定不同参照组土地利用结构的平均状况。

针对影响区域水土流失的各种因素，利用多变量判别分析和相关分析等统计方法，选择一组受人类活动影响较小的环境变量子集（如海拔高度、高差、平均坡度、地表物质组成等，对应于不同空间尺度的环境变量可能有所不同），使其能够在一定程度上解释参照组间的大部分差异。

2.2.3 待评估区域的参照组匹配

确定待评估区域对应的环境变量，根据其环境变量信息，利用判别分析等方法判别该区域所属的参照组，同时计算该区域属于每一参照组的概率。

2.2.4 待评估区域的土地利用结构预测

根据待评估区域属于每一参照组的概率以及不同参照组的土地利用结构信息，可以计算得到该评估区域预期的土地利用结构，其表达式为

式中：¯ri为待评估区域的预期土地利用结构；i和j分别为表现因子和参照组下标；rij为对应参照组类中心的土地利用结构；k为参照组总数；wij为待评估区域属于对应参照组的概率。

2.2.5 预测结果与实际观测结果的比较分析

评估区域土地利用结构特征的实际观测结果与预期之比值用O／E定义。O／E越接近于1，说明实际观测的与预期的土地利用结构特征越符合。

据了解，按照《2018年河南省家政服务领域市场秩序专项整治方案》《家庭服务管理暂行办法》等相关规定，焦作市将重点对家政服务机构是否按要求公开服务项目、收费标准和设立投诉监督电话；是否建立工作档案、跟踪管理制度，对消费者和家政服务员之间的投诉是否妥善处理；是否制定家政服务合同；是否及时报送经营情况信息等方面进行整治。

3 深圳市土壤侵蚀动态评估

3.1 单元划分

本文采用的是基本数据包括深圳市行政边界图，深圳市1996，2000，2002，2004和2006年土地利用矢量数据，土地利用类型主要分为未开发用地、园地、建成区、耕地、林地和水域等6类。数据的格式是ARCINFO的coverage数据，所有操作在ARCGIS 9.0中进行。

通过将行政边界图和几期的土地利用类型图分别进行叠加操作，获得计算单元，包括深圳市的4个城区和2个近郊区，其基本情况如表1。

表1 研究区域单元划分一览表Table 1 The partition of researched region

3.2 土地利用结构特征指标确定

利用深圳市6个时相土地利用图，在GIS中可以计算出各个行政区域的6种土地利用类型的面积比例。利用层次分析法，根据深圳市特区建设的特点，由专家打分可以获得每种土地利用类型对水土流失的影响权重，本文采用文献［10］在深圳市宝安区进行类似研究的权重值（表2）。

根据式（1），可以计算深圳市各个行政单元在不同年限的综合土地利用结构特征指标SI。

表2 土地利用／覆盖类型水土保持效应判断矩阵Table 2 Pair-wise comparison matrix and weights for land use c／over sort subjected to soil erosion

3.3 环境因子确定

影响土壤侵蚀的环境因子主要包括地形、地表物质组成、降雨等因子。研究区域的地表物质组成比较单一，在各个区分布也比较均匀，由于研究的区域范围较小，整个深圳市的降雨分布基本是均匀分布，所以均不能反映不同区域间的差异；植被状况由于主要反映在土地利用类型中，为了保证表现因子与环境因子的相对独立性，也不作为环境因子考虑。经过综合考虑，最终选择区域的平均坡度、平均高度、高差和起伏度4个指标作为影响深圳市土壤侵蚀的环境因子。

3.4 动态评估

选择深圳市1996年的6个行政区域的土地利用结构作为参照点，依次评估2000年、2002年、2004年和2006年土壤侵蚀相对于1996年的变化情况。然后运用SPSS，对土地利用结构特征指标进行聚类分析（如图1），创建参照组。

图1 深圳市各参照点土地利用结构特征指标聚类分析Fig.1 The result of hierarchical feature cluster analysis of land-use structure for every district of Shenzhen City

从聚类分析图1可以看出，研究区域可以分为4个参照组，第一参照组Gp1包括2个参照点即罗湖区和龙岗区，第二参照组Gp2包括1个参照点即宝安区，第三参照组Gp3包括1个参照点即盐田区，第四参照组Gp4包括2个参照点即福田区和南山区。确定参照组后，根据不同的参照组中参照点的土地利用结构，采用算数平均的方法计算各个参照组类中心的土地利用结构平均特征，参照组的匹配过程可以通过SPSS中的判别分析功能实现。通过待评估区域的环境变量与不同参照组的环境变量特征进行匹配，可以确定待评估区域分别属于各参照组的概率，深圳市利用环境变量判别得到的参照组归属准确率为100%，说明本研究区域利用环境变量可以较好地解释不同参照组间土地利用结构特征指标的大部分差异，符合快速评估方法对环境变量和参照组的要求。同时根据各参照组的土地利用结构平均特征和归属概率，可以预测不同子流域的土地利用结构，从而得到对应的预期土地利用结构特征指标。

表3 深圳市各区土地利用结构的预测值及土地利用结构特征指标Table 3 The estimated values and indexes of land-use structure to different districts in Shenzhen City

计算不同的行政单元在不同的时段的土地利用结构特征指标的实测值与预期值的比值，得到土地利用结构特征指标O／E比，如表4所示。

表4 土地利用结构特征指标比（O／E）Table 4 The ratio of land-use structure index

4 结果和讨论

研究表明（如图2），深圳市各区从1996年到2006年间土壤侵蚀程度有着不同的变化。主要分为几个阶段：①1996年到2000年，福田区、龙岗区和盐田区土壤侵蚀变化相对缓慢并有改善的趋势，而宝安区、罗湖区和南山区土壤侵蚀有所加剧（O／E相对降低），主要与此阶段这3个区的开发力度加大是分不开的；②2000年到2002年，福田区和龙岗区因其建成区规模的不断加大，土壤侵蚀也迅速加剧（O／E迅速降低），而南山区、罗湖区和宝安区土壤侵蚀受到相对的关注，所以有所改善（O／E增加）主要与区内林地面积的增加有关，但跟1996年相比其土壤侵蚀依然很严重，盐田区由于林地所占的比重较其它各区都大，其土壤侵蚀的程度就会相对的低一些；③2002年到2004年，随着特区对土壤侵蚀治理力度的加强，福田、龙岗和南山的土壤侵蚀并没有剧烈加剧，罗湖区和盐田区更是有了相应的改善，但是宝安区由于对林地的不保护以及开发建设导致土壤侵蚀有所加剧，这是不容忽视的；④2004年到2006年，宝安区注意到了土壤侵蚀的危害及严重性，并没有继续使其加剧，但其他各区土壤侵蚀相应的都有所加剧（O／E降低）。从总体趋势看，深圳市2006年土壤侵蚀相对于1996年呈加剧趋势，应该引起相当的关注。

从另一个角度看，同一年份各区的土壤侵蚀程度也有所不同：①1996年，福田区土壤侵蚀程度明显严重于另5个区；②2000年，土壤侵蚀程度依次为宝安区＞福田区＞罗湖区＞南山区＞龙岗区＞盐田区；③2002年，则是福田区＞宝安区＞龙岗区＞罗湖区＞盐田区＞南山区；④2004年，宝安区＞福田区＞龙岗区＞南山区＞罗湖区＞盐田区；⑤2006年，宝安区＞福田区＞南山区＞龙岗区＞罗湖区＞盐田区。可以看出，宝安区和福田区也一直是深圳市土壤侵蚀最严重的区，其土壤侵蚀加剧速度明显快于其他4个区。

图2 O／E综合变化趋势Fig.2 The total variational trend of O／E

从深圳市各年份土壤侵蚀空间变化趋势分析也可以看出以上的变化趋势（如图3）。对于宝安区和龙岗区各镇：1996年，土壤侵蚀程度平湖镇＞公明镇＞坑梓镇＞新安街道＞龙华镇＞观澜镇＞布吉镇＞龙岗镇＞坪地镇＞光明街道＞石岩镇＞横岗镇＞坪山镇＞西乡镇＞松岗镇＞福永镇＞大鹏镇＞南澳镇＞葵涌镇＞沙井镇；2000年，平湖镇＞布吉镇＞观澜镇＞公明镇＞龙华镇＞坑梓镇＞龙岗镇＞西乡镇＞光明街道＞坪地镇＞松岗镇＞横岗镇＞新安街道＞石岩镇＞福永镇＞坪山镇＞沙井镇＞大鹏镇＞葵涌镇＞南澳镇；2002年，平湖镇＞光明街道＞坑梓镇＞观澜镇＞布吉镇＞松岗镇＞龙华镇＞公明镇＞石岩镇＞龙岗镇＞坪地镇＞西乡镇＞新安街道＞横岗镇＞沙井镇＞坪山镇＞福永镇＞大鹏镇＞南澳镇＞葵涌镇；2004年，平湖镇＞松岗镇＞龙华镇＞布吉镇＞光明街道＞观澜镇＞沙井镇＞坑梓镇＞公明镇＞龙岗镇＞石岩镇＞横岗镇＞坪地镇＞新安街道＞西乡镇＞福永镇＞坪山镇＞大鹏镇＞南澳镇＞葵涌镇；2006年，新安街道＞平湖镇＞公明镇＞沙井镇＞观澜镇＞松岗镇＞布吉镇＞坑梓镇＞龙华镇＞石岩镇＞龙岗镇＞坪地镇＞横岗镇＞光明街道＞福永镇＞西乡镇＞坪山镇＞大鹏镇＞葵涌镇＞南澳镇。因此，总体来说，宝安区土壤侵蚀比龙岗区严重；大棚镇、葵涌镇和南澳镇的水土保持是最好的，土壤侵蚀程度明显低于其他各镇。

图3 深圳市各年份土壤侵蚀变化趋势Fig.3 The change of soil erosion in Shenzhen City

5 结论

快速评估的方法可以有效地评估区域的土壤侵蚀动态变化趋势，在其它数据缺少的情况下，利用土地利用结构变化数据可以快速方便地获得水土流失的动态变化。利用快速评估方法对深圳市水土流失的动态变化分析，表明：从时间序列上来看，从1996年到2006年，福田区、南山区和宝安区的土壤侵蚀较为严重，处于不断的加剧中，且宝安区的变化最为剧烈，这也与该区的开发建设分不开的；罗湖区和龙岗区的土壤侵蚀较轻且变化较缓；盐田区在2002年之后土壤侵蚀更是有了改善的趋势。从空间分布角度来看，同一年份土壤侵蚀程度基本是宝安区和福田区最强，龙岗区、南山区和罗湖区次之，盐田区最弱；宝安区又以观澜镇、松岗镇等的土壤侵蚀最强，龙岗区则是平湖镇最强。当然在开发过程中，某些镇生态环境遭到了严重的破坏，如沙井镇和福永镇，土壤侵蚀变化相当剧烈，而另一些镇，如南澳镇、大鹏镇和葵涌镇的水土保持工作很好，土壤侵蚀也有所改善。总体来说，罗湖区和盐田区土壤侵蚀较其它各区要小，应予以保持；而对于土壤侵蚀相对比较严重的福田区和宝安区各镇，应予以更多的关注，在开发建设和经济发展的同时，要关注其生态环境的变化。

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Dynamic Evaluation of Soil Erosion in Shenzhen Based on Land-Use Structural Variation

XU Yi1，2，LI Tian-hong1，2

（1.Shenzhen Graduate School of Peking University，Shenzhen 518055，China；2.College of Environmental Sciences，The Key Laboratory for Water and Sediment Sciences，Peking University Beijing 100871，China）

Using the rapid assessment method for soil loss and some kinds of data of land-use types in Shenzhen City in 1996，2000，2002，2004 and 2006，the changes of soil erosion in these periods were evaluated with a district as evaluation unit.The results showed as follows：In 1996，the soil erosion degree in Futian District was more serious than that in the other five Districts.In 2000，the soil erosion degree in Baoan District，Futian District and Luohu District was more serious.In 2002，2004 and 2006，the soil erosion in Baoan District and Futian District was aggravated more quickly than that in Nanshan District，but the soil erosion in Longgang District was lower than that before，and the status of soil erosion in Luohu District and Yantian District was even improved.These results are in good agreement with the development process in the study area.

soil erosion；land-use structure；rapid assessment method；Shenzhen City

S157

A

1001-5485（2009）07-0006-05

2008-08-28

973国家重点基础研究发展计划项目（2007CB40720）

徐 翼（1985-），女，贵州金沙人，理学硕士，主要从事工程环境模拟与信息系统研究，（电话）010-62753351，13601324905（电子信箱）litianhong pku＠vip.sina.com。

（编辑：易兴华）