费县土地利用和土壤侵蚀时空变化分析

2011-09-19王友胜姚孝友张光灿张振国

水土保持研究 2011年5期

王友胜，刘霞，姚孝友，张光灿，张振国，李欢

（1．山东农业大学林学院／山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室／泰山森林生态定位站，山东泰安271018；2．水利部淮河水利委员会水土保持处，安徽蚌埠233001）

土地利用／土地覆盖（LUCC）是全球环境研究的热点和前沿问题，同时又是可持续发展的核心问题，与人类的生存和发展息息相关［1］。土地利用类型的变化本质上表现为人类与自然界的作用过程，是区域人地关系演进的最本质的体现。作为人类利用土地进行各种活动的综合反映，土地利用类型是影响土壤侵蚀的众多因素中最重要和最活跃的因素。各研究领域专家普遍认为人类及其活动是造成土壤侵蚀的主要原因，土地利用分布与土壤侵蚀分布是相互关联的，不合理的土地利用方式对土壤侵蚀具有放大效应［2－4］。许多学者已经对人类活动对土壤侵蚀的影响进行了较为深入的研究［5－9］，但研究尺度主要集中在全国尺度或小流域尺度上，针对县域尺度土地利用和土壤侵蚀关系的研究较少。地处沂蒙山区的费县，生态环境脆弱，经济发展落后，目前随着农业产业结构的调整、能源矿产资源的大规模开发建设及水土保持政策的实施，当地土壤侵蚀状况发生了较大的变化，土地利用变化与土壤侵蚀变化之间相互作用关系也十分复杂。为此，本文基于ERDAS软件和Arc GIS地理信息系统软件，利用T M影像、数字高程模型调查分析费县1987年、2007年土地利用类型，土壤侵蚀的时空变化以及两者之间的联系，以期为整个研究区土壤侵蚀防治，合理规划和利用土地资源及生态建设提供科学依据。

1 研究区概况

费县地处山东省东南部，位于蒙山之阳，北纬35°01′－35°33′，东经 117°36′－118°18′，总面积1 902．5 k m2，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，光照充足，年平均日照时数2 538 h，无霜期平均196 d，年均降水量860 mm，年均气温13．4℃［10］。地貌属低山丘陵区，境内山势陡峭，沟深谷切，沟壑纵横，最高海拔1 026 m。地处火成岩与沉积岩交错地带，大部分属于溶性岩体，地表破碎，土层浅薄，质地粗劣，抗冲力较弱，易发生水土流失。地表岩性以石灰岩、钙质岩、页岩为主，土壤类型主要为褐土，少部分为棕壤。地带性植被为暖温带落叶阔叶林。长期以来，以资源消耗为主的经济增长方式及不合理的土地开发利用，导致境内许多区域植被破坏，土壤侵蚀严重，经过近些年的综合治理，土地利用结构趋于合理，土壤侵蚀状况得到较大改善。

2 研究方法

2．1 数据源

本研究以费县1987年、2007年两个典型时期4－5月的T M影像为基础数据源，空间分辨率为30 m；费县1∶10万地形图作为影像匹配基准；原有的土地利用现状图、土壤侵蚀图等图件资料以及野外土地利用调查所获得的GPS点数据作为解译和检验精度使用。

2．2 数据处理

（1）图像处理与解译。利用1∶10万地形图，采用北京1954坐标系，高斯克吕格6°分带投影，对影像进行校正，误差控制在0．5个像元以内，并借助ERDAS 9．0软件进行配准、镶嵌、匀色及增强处理。基于Arc GIS 9．2软件，综合运用地学相关分析方法［11－12］，结合影像的色调、亮度、饱和度、形状纹理和结构等特征，以《土地利用现状分类》国家标准（GB／T 21010－2007）为原则，参考我国土地资源遥感调查与监测技术规程中刘纪元先生提出的“基于遥感T M影像的土地利用分类系统设计原则和土地利用分类系统”［13］，结合研究目的和区域特点，将费县土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用土地6种土地利用类型，对研究区T M图像采用人机交互解译的方法进行解译，之后构建拓扑关系并建立数据库，生成研究区1987年和2007年土地利用现状图，对分类结果经Kappa指数计算，统计精度达83．66%，可以保证工作精度的要求。

（2）坡度生成。Arc GIS软件将地形图矢量化，再利用ArcINFO软件将其转为COVERAGE格式，并建立拓扑，然后通过Arc TIN、TINLATTICE、LATTICEPOLY等相关命令，参照水利部《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190－2007），将坡度分为6级，按≤5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，＞35°分级，生成研究区坡度图。

（3）盖度生成。利用ERDAS软件，对两期影像进行NDVI提取，通过Modeler模块生成植被盖度栅格数据，参照SL190－2007，将植被盖度分为5级，按≤30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%，＞75%分级，生成研究区的1987年、2007年植被盖度图。

2．3 土壤侵蚀强度等级确定及变化信息分析

本研究参照SL190－2007规定的水力侵蚀强度分级判别模型，确定土壤侵蚀强度分级指标，将土壤侵蚀强度分为6级：微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈。在Arc GIS地理信息技术平台上，通过将土地利用图、植被覆盖度图、坡度图进行空间叠加和查询、合并功能，获得研究区1987年、2007年土壤侵蚀强度等级分布图（附图3），并利用Arc View软件中的空间分析扩展模块（Spatial Analysis），分析两期不同侵蚀强度类型与面积之间动态变化的来源与去向。

3 结果与分析

3．1 1987－2007年土地利用变化

1987－2007 年费县土地利用变化的主要趋势是耕地、未利用土地面积减少，林地、建设用地面积增加，土地利用类型表现为耕地向林地、建设用地转化，水域向耕地、林地转化，未利用土地向耕地转化。如表1所示，耕地面积减少了55．06 k m2，比重由64．19%下降到61．29%，其中有132．49 k m2转化为林地，55．71 k m2转化为建设用地；林地面积增加39．07 k m2，增幅9．95%，其增加主要来源于耕地的退耕，有106．99 k m2耕地转变为林地，这与近年来实施的退耕还林和大面积种植经济林有关；人为干扰对草地的影响越来越强烈，使其面积减少10．52 k m2，减幅达38．35%，减少的草地主要转向了耕地和林地，其中转变为耕地13．51 k m2，林地8．05 k m2；建设用地面积增加了44．92 k m2，增幅23．37%；水域和未利用土地也都有一定程度的减少。

结合土壤侵蚀调查成果，1987－2007年期间，由于退耕还林、林草封禁、荒地造林以及坡改梯等水土保持措施的实施，使得费县土壤侵蚀形势好转；另一方面，由于林地开垦和草地退化，导致费县局部地区土壤侵蚀强度增加。

表1 1987—2007年费县土地利用转移变化

3．2 1987－2007年土壤侵蚀变化

由表2可知，1987年费县土壤侵蚀面积为700．78 k m2，占土地总面积的36．84%，2007年土壤侵蚀面积为653．04 k m2，占土地总面积的34．33%，20 a间侵蚀面积共减少了47．74 k m2，年均减少2．39 k m2。其中，轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀面积分别减少了28．66，8．07，8．02，2．83 k m2，微度侵蚀面积增加了51．38 k m2，该数据显示，费县1987－2007年，土壤侵蚀面积有所减少，侵蚀强度整体降低。

表2 土壤侵蚀面积变化

从表3可以看出，土壤侵蚀强度有所减轻，其中轻度向微度侵蚀转化面积为92．98 k m2；中度向微度侵蚀转化66．45 k m2，向轻度侵蚀转化60．44 k m2；强烈侵蚀向中度侵蚀转化40．01 k m2，极强烈侵蚀向强烈侵蚀转化4．21 k m2，向中度侵蚀转化3．01 k m2。另一方面，侵蚀强度在局部地区也有恶化升级的趋势，其中微度向中度侵蚀转化面积为73．96 k m2，向强烈侵蚀转化面积为1．34 k m2，向极强烈侵蚀转化1．96 k m2；轻度侵蚀向中度侵蚀转化45．84 k m2，中度侵蚀向强烈侵蚀转化41．24 k m2，强烈侵蚀向极强烈侵蚀转化0．32 k m2。总体来看，在1987－2007年20 a间，费县的土壤侵蚀状况得到了一定程度的改善，土壤侵蚀面积明显减少，侵蚀强度等级有所下降，生态环境和生产条件有了好转，期间开展的水土保持工作取得了良好的治理成效。

3．3 土地利用和土壤侵蚀变化分析

1987年耕地造成的各等级侵蚀面积占总侵蚀面积的60．33%，2007年这一比例下降至34．93%；林地所造成的侵蚀由38．98%上升至65．06%。

表3 不同土壤侵蚀强度下面积变化 k m2

从表4可以看出，不同土地利用类型产生的侵蚀在不同时期有不同的情况，在1987年，耕地的侵蚀面积为422．75 k m2，占总侵蚀面积的59．48%，但在2007年，耕地的侵蚀面积却下降到226．85 k m2，比重也下降到35．48%，在这20 a中，耕地在较高的侵蚀级别（中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀）上，侵蚀比重由56．11%减少为14．93%，这主要缘于这20 a间坡耕地的逐步治理，陈奇伯等［14］在元谋干热河谷的研究就发现未经治理的坡耕地相比平地产生的土壤侵蚀更强烈，更易造成表层耕作土壤的物理性能下降，养分流失和水分入渗能力降低。林地在1987年、2007年的侵蚀面积分别为283．16，412．51 k m2，比重分别为39．84%，64．51%，在轻度侵蚀和极强烈侵蚀中，侵蚀面积减少较多，分别由57．08 k m2下降为8．91 k m2和9．90 k m2下降为6．74 k m2，这与近年来大力实施的退耕还林是密不可分的，与罗海波等［15］在贵州山区及侯军岐等［16］在黄土高原的试验结果是一致的；但林地在中度侵蚀和强烈侵蚀中，侵蚀面积分别增加了122．97 k m2和57．71 k m2，这可能与近年来经济林面积的大量增加有关，王延平等［17］在沂蒙山区的研究表明，经济林地由于长期处于人为经营状态下，加之地形坡度较大，水土流失现象极其严重。费县土壤普查报告也表明，该地区的土地以三、四、五等级土地为主，地表比较破碎，坡度较陡，不适合机械化农业生产，因此近年来主要是大规模发展经济林，由于经济林为粗放化生产，分布零落，管理技术落后，而且在经济林的生长过程中，为了减少其他物种对肥水的竞争，翻耕等人为干扰强烈且频繁，林下没有草本植物的覆盖，不能有效削弱雨滴对土壤表面的直接打击，使得经济林地土壤侵蚀较为严重。草地的侵蚀面积和侵蚀强度都有所减少，这可能与费县近年来人口压力的增大，越来越多的草地被开垦有关。

表4 土地利用和土壤侵蚀叠加分析

4 结论

（1）1987－2007年20 a间，耕地、草地、水域和未利用土地的面积萎缩，林地和建设用地面积扩张。

（2）土壤侵蚀总面积在20 a间有效减少，而且极强烈侵蚀、强烈侵蚀、中度侵蚀这3个等级相对较高的侵蚀级别已经向轻度侵蚀和微度侵蚀转化，土壤侵蚀等级有所降低。

（3）1987－2007年20 a间，耕地面积在减少的同时，侵蚀强度也明显减低；林地面积在增加的同时，侵蚀强度也在增加，这可能与经济林面积的增加有关，翻耕等人为干扰强烈且频繁，使得经济林地土壤侵蚀较为严重。建议今后在继续进行退耕还林的同时，加大经济林土壤侵蚀治理的力度，推行合理的农业耕作制度，有效减少土壤侵蚀。

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