基于RS与GIS的福建长汀县土壤侵蚀时空变化研究

武国胜，林惠花，朱鹤健

（福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）

基于RS与GIS的福建长汀县土壤侵蚀时空变化研究

武国胜，林惠花，朱鹤健

（福建师范大学 地理科学学院，福建 福州 350007）

在遥感影像解译福建长汀1988、2000、2007年土壤侵蚀数据及相关研究数据的支持下，基于RS与GIS技术，分析了研究区近20年中土壤侵蚀的时空变化及与不同地理因子间的相关分异规律.结果表明：1）研究区土壤侵蚀总体好转，特别是2000—2007年间，强度以上的侵蚀面积大幅下降.2）研究区土壤侵蚀与坡度相关性不明显，缓坡是研究区土壤侵蚀严重区域，这与该地带多为坡耕地，人类活动影响剧烈有关，土壤侵蚀主要发生在侵蚀性红壤、粗骨性红壤、粗骨性黄壤等分布区，由于利用方式改变造成水稻土分布区也出现高侵蚀率.3）植被覆盖度的不断增加与土壤侵蚀强度及侵蚀面积呈显著的负相关关系.

土壤侵蚀；时空变化；长汀；RS和GIS

土壤侵蚀是当今世界最严重的生态环境问题之一，严重制约着社会经济的可持续发展.长汀县是福建省至今土壤侵蚀最严重的地区之一[1]，其治理历史始于20世纪40年代，与甘肃天水、陕西长安一起成为当时全国仅有的三个成立水土保持试验站的县份之一.由于水土流失的严重性、典型性、治理工作的长期性和相对连续性，学术界已经把长汀县水土流失治理的研究工作作为研究福建省乃至中国南方亚热带红壤丘陵水土流失治理的一个典型区，并积累了大量的相关研究[1-6]，在空间尺度上主要以坡面、径流小区为载体，在内容上多以微观为主，如不同土壤侵蚀治理模式下的土壤理化性质特征、植物群落演替规律，不同治理措施成效对比等.在加深认识研究区土壤侵蚀机理的同时，仍存在不同程度的不足，如对区域土壤侵蚀的时空分异仍未重视，以致无法进一步开展研究区土壤侵蚀的时空预测等更深入的研究.本文旨在通过研究区较长时间尺度土壤侵蚀时空变化规律及其与地理因子的相关性，为进一步探讨研究区土壤侵蚀的驱动机制和生态环境整治提供有针对性的治理方案.

1 研究区概况

长汀县是福建省西部的内陆山区县份，地处武夷山脉南段，为闽赣两省的边陲要冲.土地面积为3 086.92 km2.气候暖热湿润，多年平均的降水量为1 737.1 mm，其中3—6月雨量占全年雨量的60%以上，且多暴雨.低山、丘陵占全县总面积71%.地形破碎，岭谷相间.花岗岩发育的红壤抗蚀能力弱，原始植被多遭破坏.现有植被主要是马尾松、灌丛以及荒草坡等次生植被和人工植被.

2007年，该县总人口为49.74万人，平均人口密度达162人/km2.其中农业人口35.17万人，占总人口比重70.70%，是以农业为主的县份.全县地区生产总值为431 904万元，人均GDP为8 683元，为同期福建省全省平均水平（144 269元）的33.51%，是福建省的贫困县之一.

2 研究数据及方法

2.1 数据源和数据处理

本文主要数据源有两种类型：纸质图件和遥感影像.纸质图件包括研究区土壤图、地质图、1988年土地利用现状图和行政区图等.遥感数据包括1988、2000、2007年三个年份.首先对其进行预处理，解译提取土地利用类型，按水田、旱地、园地、林地、灌草地、建设用地、水域、裸地等分类，结果通过Kappa检验，然后归并为水域、耕地、其他地类三大类型，重新编码，进而利用像元二分模型计算获得植被覆盖度[7].将数字地形图进行等高线插值，转换成TIN，生成10 m×10 m的DEM栅格图，在GRID模块下基于SLOPE函数提取生成研究区坡度图.以上数据最终统一转换成30 m×30 m的栅格图.最后以植被覆盖图、土地利用类型图、坡度图为基础，根据研究区实际情况和相关研究，确立研究区土壤水蚀解译标准，在ArcGIS软件的GRID模块中进行叠加，利用属性字段按照分级标准进行归并，初步生成三个年份的土壤侵蚀强度图.在ArcGIS软件的Conversion模块中将上述生成的三期土壤侵蚀栅格图转换成矢量格式，导入ArcMap中与同期遥感影像分别叠合，进行土壤侵蚀强度的人机交互判读.对土壤侵蚀强度矢量数据中与实际有出入的地方，通过人工目视解译的方法进行校正，保障图斑定性的判对率≥90%.然后将判读校正完成后的数据导入到ArcInfo WorkSation中，建立拓扑关系，进行图形编辑.初步生成带拓扑关系的矢量格式的土壤侵蚀强度现状图.最后进行野外校正修改，结果通过Kappa检验，均达到《土壤侵蚀分类分级标准》的精度要求.三个年份土壤侵蚀不同强度的面积见表1.

表1 长汀县不同年份不同土壤侵蚀强度面积分布Tab.1 The erosion intensity of different soil in different year in Changting county

2.2 研究方法

2.2.1 时空变化特征分析

在地理信息系统软件ArcView3.3下，将三个年份的土壤侵蚀强度图按30 m×30 m栅格大小，应用代数法进行空间叠加运算.方法按“前一时期的侵蚀强度图在此，A表示前一时刻如1988年（或2000年）土壤侵蚀强度类型，则A表示后一时刻2000年（或2007年）土壤侵蚀强度类型，这样以时间序列为轴，对每一个侵蚀单元的value值进行计算，生成由两个时期侵蚀强度数据合成的value值复合数据，最后求出该时段各个土壤侵蚀强度级别的转移矩 阵 Si×j，即 S.整理后可形成1988—2000年、2000—2007年两个时段的不同土壤侵蚀强度的转移结果（见表2和表3）.将叠加后的空间数据根据复合后的value值重新计算，将土壤侵蚀强度变化划分为三大类：即稳定型、好转型和恶化型，凡是时段内侵蚀强度未发生变化的均归入稳定型，时段内侵蚀强度减轻的归入好转型，时段内侵蚀强度加重的归入恶化型，以便进一步分析两个时段土壤侵蚀强度的空间流转特征.分析结果见表4、表5.

表21988—2000年长汀县不同土壤侵蚀强度转移面积 hm2Tab.2 The erosion intensity transition area of different soil in Changting county from 1988 to 2000 hm2

表32000—2007年长汀县不同土壤侵蚀强度转移面积 hm2Tab.3 The erosion intensity transition area of different soil in Changting county from 2000 to 2007 hm2

表4 不同时段土壤侵蚀强度转移对比Tab.4 Contrast of the transition area of soil erosion in different time

表5 不同强度土壤侵蚀转移比例分布 %Tab.5 Erosion transition proportion of different soil %

2.2.2 不同地理环境因子影响下土壤侵蚀变化的特征分析

土壤侵蚀的发生发展与所在区域的自地理环境因子关系紧密，在具有复杂结构的区域环境系统中，各个地理环境因子的时空特征直接影响着土壤侵蚀的时空分异.本文在此着重讨论坡度、土壤类型、土地利用类型和植被覆盖度对研究区土壤侵蚀的影响.

利用遥感（RS）与地理信息系统（GIS）的空间分析功能，首先对坡度、土地利用类型和植被覆盖度进行分级：把地面坡度分为：≤5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、≥35°六级；土地利用类型分为林地、草地、坡耕地、裸地、建设用地、园地、水田、水体等8类；植被覆盖度按≤10%、10%～30%、30%～50%、50%～70%、70%～90%、≥90%划分为6级.分析土壤类型对土壤侵蚀影响是在将研究区比例尺为1∶50000的第二次土壤普查成果图《长汀土壤图》在Arcview3.3下数字化后，按30 m×30 m转化为栅格图进行空间叠加分析.研究区土壤类型主要为红壤、黄壤、紫色土、水稻土、石灰土和草甸土6类.其中在长期土壤侵蚀作用下，红壤亚类中形成有侵蚀性红壤土属.该土属直观反映了研究区早期土壤侵蚀的空间格局，结合三个时期土壤侵蚀强度图，能清晰反映研究区土壤侵蚀的时空变化.故对该土属从亚类中单列出来统计.把土壤侵蚀空间分布图与4个地理环境因子进行叠加分析，结果见表6～表9.

3 结果分析

3.1 研究区土壤侵蚀的时空分异特征

研究区土壤侵蚀的时空格局总体表现为：

1）在时间上，长汀县从1988—2000年及2007年土壤侵蚀面积不断下降.具体表现为微度侵蚀（这里微度侵蚀指基本不发生侵蚀）面积的不断增加和轻度以上侵蚀面积的下降，特别是2000—2007年的7年间，微度侵蚀占土地总面积增加了8.67%，1988年土壤侵蚀总面积为72 198.09 hm2，占土地总面积的23.39%，轻度到剧烈侵蚀面积分别占总侵蚀面积的53.96%、19.49%、15.23%、10.09%和1.23%，呈逐渐下降的特点.中度及以上的各强度侵蚀面积之和比轻度侵蚀面积略小.2000年研究区土壤侵蚀比1988年减少了2 011.05 hm2.轻度侵蚀面积占2000年总侵蚀面积的64.1%.中度及以上的各强度侵蚀面积下降明显，说明研究区土壤侵蚀程度部分向良性转化.此外极强度侵蚀面积却增加了1 086.39 hm2，这部分增加的面积既有部分来自剧烈侵蚀，也有来自侵蚀程度较轻的轻、中、强度区.可见土壤侵蚀在部分好转的同时，局部有恶化的趋势.2007年侵蚀总面积相当于2000年的61.90%，从侵蚀强度看，除了中度侵蚀面积增大外，其他的轻度、强度、极强度和剧烈侵蚀的面积都呈现为明显减少的趋势，土壤侵蚀在这一时段中得到有效的遏制.

2）空间上：从表4和表5中可知，所有土壤侵蚀程度从1988—2000年都有一定量的转入和转出，以稳定为主，好转型数量大于恶化型，说明整体有好转趋势.在空间分布上，从1988—2000年，好转型表现为集中连片分布在土壤侵蚀严重的河田、三洲、策武、濯田、涂坊、南山等乡镇.这与20世纪80年初以河田侵蚀重灾区为中心展开集中整治分不开.恶化型在研究区各个乡镇面上呈分散方式出现，特别是北部的馆前、童坊、庵杰等乡镇，局部如策武还有连片恶化的现象.土壤侵蚀在研究区总趋势表现为有所好转的同时，还具有反复发生和加重的现象.

表6 长汀县不同土壤类型下土壤侵蚀面积Tab.6 The erosion area of different types of soil in changting county

表7 长汀县不同土壤侵蚀强度在各坡度的侵蚀率Tab.7 Erosion ratio of erosion intensity of different soil varing with slope degree

表8 长汀县不同土地利用类型的侵蚀率和占侵蚀总面积比重Tab.8 The erosion ratio of different landuse types and its proportion of total erosion area

表9 不同年份不同植被覆盖度下的土地面积与侵蚀面积分布情况Tab.9 The area of land and erosion in different vegetation coverage in different years

从2000—2007年间，土壤侵蚀转移的结果较之1988—2000年间的转移结果是稳定型和好转型比重上升，对应的恶化型则明显下降.从各个侵蚀强度看，微度侵蚀的比重明显提高，其稳定型占93.06%，恶化型仅为6.40%.从轻度到剧烈侵蚀的各个强度中，好转型均占主导地位，且比重递增，轻度以上的侵蚀强度面积除了中度变大之外，其余的都大幅度下降.中度侵蚀面积的加大主要是来自原来的轻度侵蚀，整体上该时段呈现出在大幅度好转的同时，局部仍有恶化.在空间分布图上，2000—2007年的时段内土壤侵蚀强度好转型明显比恶化型面积大，且仍然是分布在河田、三洲、濯田等乡镇.但恶化型的在面上区别于前个时段，表现为相对的集中连片，如古城的西北部、策武中部、河田西南部、宣城和濯田的北部等.这些集中连片的恶化型分布区，图斑边界较为平直，表现为与人为活动关系密切.

综上可见，研究区两个时段的土壤侵蚀趋势都是好转的，但前后两个时段转化的速度有明显的不同.特别是2000—2007年间土壤治理成效显著，这与福建省委、省政府将长汀县土壤侵蚀治理纳入“为民办实事”项目，进行高投入的土壤侵蚀治理，保证了快速治理所需的大量资金密不可分.

3.2 不同地理环境因子影响下土壤侵蚀变化特征

3.2.1 不同土壤类型下土壤侵蚀变化特征

通过空间叠加分析，从表6可知：1）土壤侵蚀面积由大到小按土类依次是红壤、水稻土、石灰土、紫色土、黄壤、草甸土.土类的侵蚀率由大到小依次为水稻土、红壤、石灰土、紫色土、黄壤，红壤，侵蚀面积大与土类本身面积大关系紧密.石灰土和紫色土比地带性土类之一的黄壤侵蚀率更高，说明黄壤尽管分布在海拔800 m以上，但侵蚀率却较之石灰土、紫色土低，说明研究区海拔高度与土壤侵蚀相关性差.2）从土类侵蚀构成看，红壤中的侵蚀性红壤侵蚀率为最高，作为与人类生产活动关系最紧密的人工熟化土——水稻土，由于土地利用方式的变化，很多已经不再是水田，而是转化为园地、草地、林地或者建设用地，在使用过程中由于利用方式不当，成为侵蚀的发生地.利用土地利用类型与土壤类型的叠加，在2007年，有76.81%的水稻土利用方式不是耕地，而成为其他的地类，其中成为林地的最多，其次是草地、建设用地、园地、水体及未利用地.这种转变在某种意义上说明研究区从20世纪80年代至今，土地利用方式的变化巨大，而且这部分水稻土上发生土壤侵蚀的比重达到78.72%，可见土壤类型对土壤侵蚀的影响很受土地利用方式的约束.

3.2.2 不同坡度下土壤侵蚀变化特征

地形是影响土壤侵蚀的重要自然因素之一.从表7中可见，研究区1988年和2000年的土壤侵蚀率表现为随坡度的增加而递降的特点.2007年侵蚀率最大值则是在5°～8°区域，其次为8°～15°和≤5°的区域，从15°开始随着坡度的上升侵蚀率逐渐下降.通常随着坡度的增加，重力作用增强，侵蚀发生的可能性是越大.《水土保持法》为此还明确规定，禁止在25°以上坡地开垦种植农作物，因为土层薄，受水肥限制明显，是土壤侵蚀易发地带.但对于研究区而言，侵蚀率最高的却是出现在15°以下的地带，说明该地带由于最适于人类开发利用，人为扰动频繁，开发利用的不合理，使土壤侵蚀率比坡度大的区域高出许多，使研究区土壤侵蚀主要发生在人类易开发利用的斜坡和平缓坡地带.

3.2.3 不同土地利用类型下土壤侵蚀变化特征

土壤侵蚀作为土地利用/土地覆被变化（LUCC）引起的主要环境效应之一，是自然因素和人为因素叠加的结果，各研究领域专家普遍认为不合理的土地利用方式和地表植被覆盖的减少对土壤侵蚀具有放大效应[8-10].利用GIS技术，叠加研究时段的土地利用类型与土壤侵蚀程度图，获取二者的空间数量关系，整理得表8.从表中可见，除水田、水体不发生侵蚀外，按侵蚀面积从大到小，1988年依次是林地、草地、坡耕地、裸地、建设用地、园地.2000年为草地、林地、坡耕地、建设用地、园地、裸地.2007年为林地、草地、坡耕地、建设用地、园地、裸地.按地类的侵蚀率从大到小1988年依次为坡耕地、裸地、草地、园地、建设用地、林地.2000年为坡耕地、园地、草地、建设用地、林地和裸地.2007年为园地、坡耕地、草地、建设用地、裸地和林地.林地总面积因占全县土地利用类型的绝对数大，其侵蚀面积最大，其侵蚀率除2000年外，均为最小.草地因多为退化迹地和荒草地，侵蚀面积第二大，侵蚀率第二高，且发生极强度侵蚀与剧烈侵蚀的面积为最大.坡耕地侵蚀率除2007年外都是最高的.利用坡度图与土地利用类型图及土壤侵蚀程度图叠加，计算各个坡度上耕地的侵蚀率得知，研究区的坡耕地在坡度为8°～15°处侵蚀率最大.

采矿或者建设期间地表植被破坏和后续生态重建不到位的工矿用地和交通用地外缘是建设用地侵蚀的多发区.研究区的园地面积增加迅速同时土壤侵蚀非常严重，与研究区园地主要是果园，多分布在原土壤侵蚀较严重的缓坡上有关.早期植被覆盖差，园地开发初期的扰动，果树冠幅不足庇护到地表，又没有水土保持措施，极易引起和加剧土壤侵蚀.总之研究区低地表覆被的土地类型在人类扰动下更易于发生土壤侵蚀，如坡耕地.

3.2.4 不同植被覆盖度下土壤侵蚀变化特征

根据植被覆盖度与土壤侵蚀强度图空间叠加和计算得出的表9可知：1）研究区大部分区域的植被覆盖度在50%～70%，从1988～2007年，比例从61.02%、69.84%到75.56%，且植被覆盖度70%以上的面积比重也呈增大的特点，总体表现为不断提高的趋势.2）从占侵蚀总面积比例看，植被覆盖度为30%～70%间的侵蚀面积最大.其中1988年与2000年主要集中在植被覆盖度为30%～50%之间.2007年，则主要集中在50%～70%之间，这与从2000—2007年经过治理，高强度的侵蚀面积减小，而以低强度侵蚀为主有较大的关系.2007年侵蚀比重最大值出现在植被覆盖度为50%～70%的区域，这部分区域所对应的侵蚀强度多为轻度侵蚀，说明在研究区随着土壤侵蚀的治理，有很大部分区域植被覆盖度提高，土壤侵蚀的强度也减轻了，但仍然存在“远看绿油油，近看水土流”的现象.植被覆盖度90%以上的区域不发生侵蚀.3）从侵蚀率看，植被覆盖度为10%～30%是侵蚀率最高的地区，其次为30%～50%的范围内，这与通常认为随着植被覆盖度的降低发生侵蚀的概率增大的认识是一致的.低植被覆盖度区域如小于10%的侵蚀率低则与其多为建设用地有关.总之研究区植被覆盖度与土壤侵蚀强度及侵蚀面积呈明显的负相关关系.

4 结果与讨论

1）从时间上看，研究区的土壤侵蚀总面积呈现逐年下降的趋势，2000—2007年间的下降幅度尤为明显.从土壤侵蚀强度的比例变化看，各侵蚀强度也呈逐渐减轻态势，而2000—2007年，强度及其以上的侵蚀削减更为显著.研究区土壤侵蚀在空间分布上，表现为面上减轻的同时，局部有恶化，边治理边破坏的现象仍存在.

2）通过与各地理因子的关联性分析可知：①研究区各土壤类型中，水稻土侵蚀率最高与其分布区土地利用方式的改变紧密相关.红壤中的侵蚀性红壤土属侵蚀率最高.②研究区土壤侵蚀与坡度相关性不明显，坡度15°以下的区域因人类活动频繁，设施和开发不当是侵蚀的主要原因.③坡耕地和园地是研究区侵蚀率最高的土地利用类型，林地的侵蚀率最低，说明当地土壤侵蚀与人类开发利用土地的不合理关系密切.④研究区的植被覆盖度具有不断增加的趋势，与土壤侵蚀强度及侵蚀面积形成显著的负相关关系.说明提高植被覆盖度是控制土壤侵蚀的最有效的办法之一.

综上可知，研究区人类不合理的生产活动，是诱发水稻土分布区、缓坡特别是坡耕地土壤侵蚀的主要原因.因此，研究区应加强相关开发区域的水保设施，保持较高的植被覆盖度，有效防止水土流失.推行合理的开发利用是防止边治理边破坏继续发生的重要手段.

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Spatiotemporal Change of Soil Erosion in Changting County of Fujian Province Based on RIS and GIS

WU Guosheng LIN Huihua ZHU Hejian
（College of Geographical Sciences，Fujian Normal Univerisity，Fuzhou350007，China）

Based on RS and GIS,the paper analyzes the spatiotemporal changes of soil erosion in Changting county of⁃Fujian province from 1988 to 2007.The results are shown in the following aspects.(1)The soil erosion area at Changting county presents a decreasing trend from 1988 to 2007,especially from 2000 to 2007,and the intensity of acute and ex⁃tremely intense soil erosion reduces evidently.(2)The soil erosion are mainly distributed in erosed red soil，skeletal red soil and skeletal yellow soil.With the change of the land utilization,the paddy soil areas are hit by high erosion rate.(3)There is no obvious correlation between the soil erosion with slope.The serious erosion area is on the Gentle-slope ploughing land,where the people intensely work on.(4)There is negative correlation between vegetation coverage degree and soil erosion intensity.In a word,the soil erosion in Changting county is influenced intensively by the human activi⁃ties.

soil erosion；spatiotemperal change；Changting county；RS and GIS

S 157；TP 79

A

1674-4942（2010）04-0437-07

2010-10-13

国家自然科学基金项目(40871141)；福建省自然科学基金项目(2060203)

黄 澜