桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性评价及空间分布

张荣华,刘霞†,姚孝友,张光灿,张荣,常成

(1.山东农业大学林学院水土保持系,山东农业大学农业生态与环境重点实验室,271018,山东泰安;2.水利部淮河水利委员会水土保持处,233001,安徽蚌埠)

桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性评价及空间分布

张荣华1,刘霞1†,姚孝友2,张光灿1,张荣1,常成1

(1.山东农业大学林学院水土保持系,山东农业大学农业生态与环境重点实验室,271018,山东泰安;2.水利部淮河水利委员会水土保持处,233001,安徽蚌埠)

基于 RS、GIS技术平台,以修正通用土壤侵蚀方程(RUSLE)为基础,探讨降雨、土壤、地形、植被等因子对土壤侵蚀敏感性的影响,建立桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性评价指标和分级标准,分析评价土壤侵蚀敏感性,为桐柏大别山区土壤侵蚀防治和生态工程建设提供科学依据。结果表明:桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性较高,中度及中度以上敏感面积占总面积的 46.34%,轻度敏感和不敏感区分别占总面积的 44.30%和 9.36%;在空间分布上,土壤侵蚀敏感性呈由南向北减弱特征,敏感性较高的区域主要分布在金寨县、霍山县、岳西县、舒城县、商城县等中南部山区县,而北部平原区敏感性较低;土壤侵蚀敏感性分布与土壤侵蚀强度具有较高的一致性,即土壤侵蚀敏感性高的区域也是目前土壤侵蚀严重的区域,表明区域土壤侵蚀受自然因素影响很大,但在局部地区由于人类活动干扰不同则存在一定的差异。

敏感性评价;土壤侵蚀;桐柏大别山区

土壤侵蚀受多种因素影响和制约,一部分因素与人类活动密切相关,如土地利用结构和水土保持措施,另一部分则与人类活动的关系不大,主要是自然力所控制的,反应了自然的作用过程,如气候、水文、地形、地貌、土壤。植被的分布则是自然因素和人类活动共同作用的产物,但一个区域的原生植被和植被的恢复能力则是由自然因素决定的。把只考虑自然因素状况下,发生土壤侵蚀可能性的大小,并识别容易形成土壤侵蚀的区域,称之为土壤侵蚀敏感性评价[1-3]。目前国内外一些学者[3-13]对生态环境敏感性、土壤侵蚀敏感性进行了研究,取得了一些显著的成果,研究方法也从定性描述转向了定量分析;但研究多集中在西北黄土高原区、东北黑土区和西南石质山区,而北方土石山区研究比较薄弱,有关桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性及其空间分布问题还缺乏必要的研究。

桐柏大别山区地处我国中部,是我国重要的粮、油生产基地,在保障我国粮食安全和生态安全,促进国民经济建设及可持续发展中具有极为重要的地位;但由于长期以来对自然资源的过度开发利用,导致很多区域植被破坏、土壤侵蚀严重、土地退化、生态稳定性降低、自然环境恶化,已成为中国生态环境脆弱的地区之一。笔者以通用土壤侵蚀方程为理论基础,从影响土壤侵蚀敏感性的因素出发,研究降水、地形地貌、土壤和植被等主要因素对桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性的影响及不同敏感度的空间分异规律,为桐柏大别山区水土流失综合治理、生态功能分区以及经济与环境协调发展提供决策依据。

1 研究区概况

桐柏大别山区地处皖、豫、鄂交界处,位于 E 113°16′～ 116°45′,N 30°57′～32°43′,总面积约2.72万 km2。属北亚热带过渡气候,多年平均气温13.2～15.7℃,无霜期 180～220 d,日照时间1 990～2 650h,多年平均降水量 800～1 400mm,年内、年际、区间分布差异较大,6—8月占全年 60%以上,年际相差 1～3倍,降雨时空分布不均,导致地表径流量具有明显的季节性,易形成交替出现的洪涝和干旱灾害。地形复杂,地貌类型以山地、丘陵为主,海拔 200～1 000m,母质大部分以花岗片麻岩为主,易风化,抗蚀性差,土壤以黄棕壤和水稻土为主,地带性植被为落叶阔叶混交林。人口密度为 367人/km2,人均耕地面积 0.06 hm2。长期以来,以资源消耗为主的经济增长方式及不合理开发利用,导致许多地区植被破坏,土壤侵蚀严重,据 2002年遥感普查资料,桐柏大别山区土壤侵蚀面积 6 505 km2,其中轻度 3 120 km2,中度 2 320 km2,强度及以上1 065 km2。

2 研究方法

2.1 评价指标选取

由于对土壤侵蚀敏感性研究侧重的是对其结果的模拟研究,因此,可选用土壤侵蚀预测的经验模型。由美国政府和土壤侵蚀学家提出的修正通用土壤侵蚀方程(RUSLE)是目前应用最广泛的土壤侵蚀模型。该方程全面考虑了影响土壤侵蚀的因素,并通过降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡度坡长、植被覆盖和水土保持措施 5个因子进行定量计算;因此,以该方程为理论基础,选用影响土壤侵蚀的降雨、土壤、地形、植被等自然因子作为土壤侵蚀敏感性评价指标,而水土保持措施因子与人类活动密切相关,与自然的敏感性关系不大,不作为评价指标。

2.2 数据处理

将收集到的研究区雨量站多年降雨资料、土壤类型图、1∶10万地形图等基础数据和相关图件,通过数字化方式输入计算机,在 ArcGIS支持下,进行数据编辑,并将其统一转化为高斯投影坐标系统,以保证不同图层间运算时具有良好的空间重合性。利用研究区多年平均月降雨资料,计算赋值得到降雨侵蚀力分布图;以土壤类型图为基础,结合野外采样调查与综合分析,获得土壤类型分布图;利用 1∶10万地形图等资料建立数字高程模型(DEM),并通过ArcGIS的 Spatial Analyst模块中的 Neighborhood邻域统计,经比较最终选择计算最佳统计窗口 3×3窗口下的地形起伏度分布图;利用遥感影像处理软件EDRAS IMAGINE,结合实地调查对 TM遥感数据(2007年)进行解译分析,得到研究区植被盖度分布图。

2.3 评价因子权重确定

由于各地区降雨、土壤、地形和植被对土壤侵蚀的作用不同,因此,在土壤侵蚀敏感性评价时需要通过权重反映各评价因子对土壤侵蚀贡献率的大小。确定评价因子权重的方法主要有专家打分法、层次分析法(AHP)、主成分分析法等。考虑到各个方法的优缺点,采用专家打分与层次分析相结合的方法确定评价因子权重。

2.4 土壤侵蚀敏感性综合评价

在参照国内专家对土壤侵蚀敏感性评价研究成果[3-13]的基础上,结合桐柏大别山区降雨、地形、土壤、植被等特点以及实际调查结果,确定了主要影响因子评价指标敏感性等级以及分级赋值标准(表 1)。

表 1 各因子对土壤侵蚀敏感性影响及分级赋值标准Tab.1 Influence of various factors on soil erosion sensitivity and grading standard

根据表 1中各因子评价指标的敏感性分级标准及评价因子权重,基于 ArcGIS空间分析模块将所有单因子土壤侵蚀敏感性分布图离散为 30 m×30 m的栅格,运用下式所示的加权叠加法进行计算。

式中:Sj为栅格 j的土壤侵蚀敏感性指数;C(i,j)为栅格 j在第 i个评价因子的敏感性等级值;Wi为第i个评价因子影响土壤侵蚀敏感性的权重。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀敏感性影响因子分析与评价

3.1.1 降雨因子 降雨是引起土壤侵蚀的最重要因子,与降雨量、降雨历时、降雨强度和降雨动能相关,实际工作中采用降雨侵蚀力(R值)反映降雨特性对土壤侵蚀的影响[14-15]。桐柏大别山区地处我国南北气候过渡带,受台风等天气系统的影响,雨量充沛且集中,侵蚀性降雨主要发生在 4—10月,根据研究区 201个雨量站 1952—2007年月平均降雨资料,采用吴素业[16-17]提出的大别山降雨侵蚀力简便计算公式,基于 ArcGIS软件空间插值和表 1分级标准,生成降雨侵蚀力对土壤侵蚀敏感性影响分布图(图 1(a))。

式中:R年为年降雨侵蚀力,J/m2;Pi为 i月降雨量,mm。

由计算结果可知,桐柏大别山区降雨侵蚀力 R值在 172.5～523.5 J/m2之间,最低值出现在北部平原地带,介于 172.5～240.0 J/m2,如六安市辖区、固始、潢川、光山、罗山、信阳市辖区北部等;最高值出现在南部山丘地带,介于 380.0～523.5 J/m2,如岳西、霍山西南部、金寨南部等;绝大部分地区为240.0～380.0 J/m2,从北部平原向南部山丘,降雨侵蚀力 R值分布呈现递增规律。

3.1.2 土壤因子 土壤是被侵蚀的对象,土壤侵蚀与土壤类型、机械组成和有机质含量有关,而土壤类型分布与一定的地理条件和地貌特征密切相关,且由于土壤形成的母岩母质、成土作用程度和方式及开发利用程度不同,其理化特性也不同。以桐柏大别山区土壤类型分布图为底图,根据表 1分级标准绘制土壤类型对土壤侵蚀敏感性影响分布图(图 1(b))。可以看出:桐柏大别山区粗骨土、石质土主要分布在金寨、霍山、桐柏东北部、信阳市辖区南部,这2类土壤土层瘠薄、抗蚀能力差、涵养水源能力低、细粒物质极易被淋失,易形成地表径流,加之风力作用,土壤侵蚀敏感性较高。黄棕壤、黄褐土主要分布在商城、信阳市辖区北部、桐柏县中北部,土层较厚,质地黏重,易旱易涝,易发生土壤侵蚀。潮土、砂姜黑土、红色土主要分布于河流两侧及地势低平、低洼地带,土层深厚、抗冲抗蚀能力强,土壤侵蚀不敏感。

3.1.3 地形因子 地形起伏是导致土壤侵蚀的最直接因素,在小尺度研究中,坡度、坡长是最主要的指标,但是在大尺度的区域性研究中,坡度将只有数学意义,而不具备土壤侵蚀和地貌学意义;因此,采用地形起伏度,即地面一定距离范围内的最大高差,作为区域土壤侵蚀敏感性评价的地形指标[18]。基于 ArcGIS软件平台和表 1分级标准,绘制地形起伏度对土壤侵蚀敏感性分布图(图 1(c)),并统计不同地形起伏度下土壤侵蚀敏感性分布状况(表 2)。可以看出:地形起伏较小,土壤侵蚀敏感性较低,随着地形起伏度的增大,土壤侵蚀敏感性增强,其中地形起伏度超过 300m的地区中度以上敏感所占比例高达 98.81%。金寨、霍山、商城、新县、罗山南部、信阳市辖区南部、桐柏南部及湖北省各县市属于山丘区,高低起伏的地形条件是发生土壤侵蚀的重要因素,同时随着人口的增长及大中型水库的修建,为解决人地矛盾,大量陡坡开荒、乱砍滥伐等导致土壤、植被破坏加剧了土壤侵蚀;因此,桐柏大别山区土壤侵蚀的控制必须加强坡地尤其是坡耕地的生态修复。

图 1 桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性单因子分布图Fig.1 Distribution of single factor for soil erosion sensitivity in Tongbai-Dabie Mountainous area

表 2 不同地形起伏度的土壤侵蚀敏感性分布Tab.2 Distribution of relief factors for soil erosion sensitivity %

3.1.4 植被因子 植被是影响土壤侵蚀的重要因素,与植被类型和覆盖度密切相关。植被类型是在野外实地调查建立解译标志基础上,通过人机交互解译影像数据获得,植被盖度则利用归一化差值植被指数和陈云浩等[19]确定的植被盖度转换模型计算。基于 ArcGIS软件平台和表 1分级标准,绘制植被盖度对土壤侵蚀敏感性分布图(图 1(d)),并统计不同植被盖度下土壤侵蚀敏感性分布状况(表3)。结果表明:非林地和低盖度林地的土壤侵蚀敏感性较高,其中中度以上敏感区分别达 60.7%和45.09%;中、高盖度林地土壤侵蚀敏感性较低,其中中度以上敏感区仅占 36%～38%。桐柏大别山区多为植被覆盖,但是几经破坏—恢复—再破坏—再恢复的过程,区域内林种、林龄结构不合理,林种组成中以用材林和经济林为主,而具有保持水土、涵养水源、发挥生态效应的防护林地比例较少,中幼龄林面积过大,近熟林和成熟林较少,区域生态系统结构脆弱,生态功能正在日益衰减。此外,现有的坡地经济林中,由于常年中耕垦复,以及缺乏必要的水土保持工程措施,形成“表层绿油油,下层光秃秃”的特殊景观,土壤侵蚀极为严重。因此,土壤侵蚀的控制不仅要加强坡耕地退耕还林,而且要加强经济林地的管理,辅助坡改梯措施。

3.2 土壤侵蚀敏感性综合评价与空间格局分析

根据式(1)计算得到每个栅格土壤侵蚀敏感性指数,按照敏感性分级标准(表 1)进行聚类处理,得到桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性分级评价结果(图2),并统计各级面积(表 4)。结果表明,极敏感区仅

零星分布在霍山、金寨、岳西等县,面积 9.90 km2,占桐柏大别山区总面积的 0.04%。高度敏感区主要分布在霍山西南部、金寨南部、岳西、舒城、商城南部等山丘县,面积 4 003.05 km2,占总面积的 14.71%。中度敏感区主要分布在霍山东北部、金寨北部、六安西南部、商城中南部、固始南部、新县、信阳市辖区南部、桐柏西南部及湖北省各市(县)区等地区,面积8 596.61 km2,占总面积的 31.59%。轻度敏感和不敏感区主要分布在北部地形起伏小于 50m的平原地区,面积分别为 1万 2 056.01和 2 548.59 km2,分别占总面积的 44.30%和 9.36%。中度及中度以上敏感级别占总面积的 46.34%,表明桐柏大别山区近 1/2的区域属于较高的土壤侵蚀敏感区。

表 3 不同植被盖度的土壤侵蚀敏感性分布Tab.3 Distribution of vegetation coverage factors for soil erosion sensitivity %

图 2 桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性分布图Fig.2 Distribution of soilerosion sensitivity in Tongbai-Dabie Mountainous area

表 4 桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性等级统计表Tab.4 Statistic of soil erosion sensitivity grades in Tongbai-Dabie Mountainous area

从空间分布(图 2)看,白马尖—九峰尖—鸡公山—太白顶一线以南的南部山区属于高度敏感和极度敏感区,这个区域植被盖度较高,但降雨充沛,地形起伏度大,土壤多为粗骨土和粗骨性黄棕壤,土壤侵蚀极为敏感,植被一旦遭到破坏就不易恢复,而且局部地区坡耕地和坡式经济林较为严重;以大中型水库周边和下游丘陵地区为主的中部区域,由于人口密集,土地垦殖率较高,坡耕地和坡式经济林分布广泛,加之降雨丰富,低山丘陵地形起伏大,土壤多为黄棕壤、黄褐土、石质土、粗骨土,导致土壤侵蚀较为敏感,属中度敏感区。而北部平原多为淮河主要支流的中下游洪冲积台地,一般开垦为水田或旱地,地形起伏小,降雨相对较少,土壤侵蚀敏感性较低,属于轻度敏感区。

3.3 土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀强度比较

桐柏大别山区 2007年土壤侵蚀面积为6 378.15 km2,占总面积的 23.44%,主要分布在金寨、霍山、信阳市辖区、商城、桐柏、新县及湖北省各市(县);土壤侵蚀强度以轻度侵蚀为主,局部地区为中度、强烈侵蚀。轻、中、强侵蚀比例为 4.7∶2∶1。与土壤侵蚀强度进行比较,将轻度敏感对应轻度侵蚀,中度敏感对应中度侵蚀,高度敏感对应强烈侵蚀。轻、中、高敏感比例为 3.1∶2∶1。由此可见,土壤侵蚀强度高的比例低于土壤侵蚀敏感性比例。说明由于人类活动的积极因素,现实土壤侵蚀强度低于潜在发生土壤侵蚀的概率大小。

表 5可以看出,土壤侵蚀敏感性与土壤侵蚀强度具有较高的一致性,土壤侵蚀敏感性高的地区,土壤侵蚀面积率大,强度也高,土壤侵蚀敏感性低的地区,土壤侵蚀面积率小,强度也低。以不同敏感等级发生土壤侵蚀面积率为例,土壤侵蚀敏感性等级为极敏感、高度敏感、中度敏感、轻度敏感、不敏感的地区发生土壤侵蚀面积率依次为 67.27%、55.89%、22.58%、16.34%、8.77%。此外,从敏感性分布格局和目前土壤侵蚀分布格局看,总体上基本一致,这表明区域土壤侵蚀受自然因素影响很大。但在局部还存在一定差异,主要原因可以归结于 2方面:一是在土壤侵蚀敏感性高(高敏感、极敏感)的南部山区,通达性和利用难度大,人们没有对其进行太多的开发利用,区域植被保护较好,人为干扰强度低,目前土壤侵蚀以轻、中度侵蚀为主;二是在中度、轻度敏感性为主的中部地区,人口密度大,人类活动强度大,区域地形起伏小且自然条件较好,容易开发利用,人为干扰强度较高,坡地经济林开发及城镇、交通设施建设等,使得局部地区植被破坏严重,导致土壤侵蚀强度高于土壤侵蚀敏感性。

表 5 不同土壤侵蚀敏感性等级的土壤侵蚀面积率Tab.5 Proportion of area in differenterosion sensitivity grades %

4 结论与讨论

降雨、土壤、地形、植被等自然因子对土壤侵蚀敏感性分布有着重要的影响,其他地区的研究结果[5-13]也证明了这一点,其中降雨因子是影响桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性分布的主导因子。桐柏大别山区特殊的地理位置,加上台风等天气系统影响,导致降雨充沛且集中,在强降雨条件下,脆弱的环境本底极易快速形成汇流,造成地表土层流失,耕作层变薄,土地沙化和石漠化加剧,土地生产力降低。

通过土壤侵蚀敏感性综合评价,桐柏大别山区土壤侵蚀敏感性较高,中度及其以上敏感级别面积占总面积的 46.34%,而轻度敏感和不敏感分别占44.30%和 9.36%。在空间分布格局上,呈由南向北减弱的特征,敏感性较高的区域主要分布在金寨县、霍山县、岳西县、舒城县、商城县等中南部山区县,而北部平原区敏感性较低。

土壤侵蚀敏感性分布与土壤侵蚀强度具有较高的一致性,土壤侵蚀敏感性高的区域也是目前土壤侵蚀严重的区域,这表明降雨、地形、土壤、植被等自然因素对土壤侵蚀的分布有重要影响;但在局部地区土壤侵蚀强度与土壤侵蚀敏感性并不完全一致,这是由于人类活动的作用程度和利用方式不同所造成的。土壤侵蚀敏感性研究主要是针对自然因素进行分析,揭示其对人类活动的响应程度,反映一个区域土壤侵蚀发生概率的大小,表示的是土壤侵蚀发生的潜在可能性。而土壤侵蚀强度是人类活动对地表作用的综合表现,是自然因子和人为因子综合作用的结果,反映土壤侵蚀的现状,是该地区土壤侵蚀敏感性因子和人为的不利影响超过生态坏境的承载力所表现出来的结果。自然因素是土壤侵蚀发生、发展的潜在条件,而人类活动是主导因素,通过改变自然因子特性,导致土壤侵蚀发生、发展或使土壤侵蚀减弱。自然因子中,植被受人类活动的影响最大。因此,转变不合理的土地利用方式,加强坡耕地退耕还林和坡地经济林整治,加强植被的保护和重建是防治土壤侵蚀的关键环节。

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Assessm ent and spatial distribution of soil erosion sensitivity in Tongbai-Dabie M ountainous area

Zhang Ronghua1,Liu Xia1,Yao Xiaoyou2,Zhang Guangcan1,Zhang Rong1,Chang Cheng1

(1.Soil and Water Conservation Department of Forestry College,Key Laboratory of Agricultural Ecology and Environment,
Shandong Agricultural University,271018,Tai'an,Shandong;2.Soil and Water Conservation Division of Huaihe River Comm ission ofWater Resources Ministry,233001,Bengbu,Anhui:China)

Based on RS and GIS technology,guided by RUSLE,the influence of rainfall,soil,relief and vegetation on soilerosion sensitivity are studied,and the index system and classification standard of soil erosion sensitivity assessment in Tongbai-Dabie Mountainous area is established and soil erosion sensitivity is evaluated and analyzed in order to provide scientific basis to control soil erosion and construct ecological engineering.The results show that the erosion sensitivity of Tongbai-Dabie Mountainous area is relatively high,and the area overmoderate level is 46.34 percent of the total area,and the mild level and the insensitive level is 44.30%and 9.36%respectively.In the spatial distribution,the sensitivity reduces from south to north,and high sensitivity ismainly in the south,such as Jinzhai County,Huoshan County,Yuexi County,Shucheng County,Shangcheng County and so on,and sensitivity in the north plain is low.The distribution of soil erosion sensitivity has high consistency with soil erosion intensity.The region of high sensitivity is also serious in soil erosion,indicating that regional soilerosion ishighly influenced by natural factors,but in some areas there isa certain difference because of different human activities.

sensitivity assessment;soilerosion;Tongbai-Dabie Mountainous area

2009-03-30

2009-11-03

项目名称:水利部淮河水利委员会“淮河流域植被演替规律与生态修复对策研究”“淮河流域生态修复机理和评价指标研究”;山东省优秀中青年科学家基金“水库集水区水源保护林对水环境调控机制研究”

张荣华(1984—),女,硕士研究生。主要研究方向:水土保持生态修复和水土保持信息技术。E-mail:shuibaos@sdau.edu.cn

†责任作者简介:刘霞(1971—),女,副教授,博士。主要研究方向:水土保持生态修复和水土保持信息技术。E-mail:liuxia@sdau.edu.cn

(责任编辑:程 云)