小流域林地空间分布对土壤侵蚀的影响——以陕北吴起县为例

姚文俊,张岩,朱清科

(北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

小流域林地空间分布对土壤侵蚀的影响
——以陕北吴起县为例

姚文俊,张岩†,朱清科

(北京林业大学水土保持学院,水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

为分析陕北黄土区小流域林地空间格局特征对土壤侵蚀的影响,以陕北吴起县为例,按照1%的均匀抽样比例,选取39个小流域,根据林地面积比例、林地斑块密度指数、林地斑块形状指数、林地植被覆盖度、林地坡位指数等表征林地空间分布特征的指标,运用系统聚类分析法对流域进行分类,分析林地的空间分布特征和土壤侵蚀模数的关系。结果表明:1)39个小流域可以分为4类,第1类林地面积比例较大,分布在中下坡位,第2类林地面积比例较小,分布在中中坡位,第3类林地面积比例很小,分布在中上坡位,第4类林地面积比例很大,分布在中中坡位;2)第1和4类,土壤侵蚀模数和林地植被覆盖度在0.05显著水平上表现出负相关关系,土壤侵蚀模数和林地空间分布特征指数多元线性回归方程的复相关系数为0.577(P＜0.05),表明林地植被覆盖度增加是土壤侵蚀的主要抑制因素,同时,林地面积比例、林地斑块密度、林地形状指数的增加也会抑制土壤侵蚀,在一定范围内,林地靠近坡顶不利于防治土壤侵蚀。

小流域;林地空间分布;系统聚类分析;土壤侵蚀;黄土高原

影响土壤侵蚀的因素包括降雨、地貌、植被、土壤及人为因素等[1]。土地利用/覆被变化不仅影响土壤侵蚀,还因为泥沙传输能力也不同[2],会影响流域产沙[2-4]。退耕还林工程实施以来,陕北黄土区土地利用方式发生了明显变化,林地面积显著增加[5-7],而土地利用方式与坡度、坡向、坡位3大地形因子都有很大的关系,特定的土地利用方式表现出一定的空间分布规律[8]。研究[9-11]表明,植被在斑块、坡面、流域3个尺度上都具有防止水土流失的作用。汪亚峰等[12]认为,黄土丘陵区林草地面积增加是土壤侵蚀强度降低的主要原因。林草地面积增加的同时,林地的空间格局如何变化,林地的空间格局是否能够影响土壤侵蚀和流域产沙,对此已有研究[13-15]主要是借助景观生态学中的一些参数和指标研究土地利用空间格局的时空变化。现在越来越多的研究开始转向分析土地利用空间分布格局所产生的影响。东北黑土区景观格局差异对沟蚀有影响[16]。在一个流域内,土地利用的空间分布在影响河流生态系统方面所起的作用与该土地利用的数量所起的作用一样重要[17]。人工降雨试验结果表明,在坡面尺度上,沙棘在径流小区中位于下坡位时水土保持效果最好[18]。A.Cerda[19]在西班牙东南部山区通过人工降雨试验证明了极端降雨条件下坡位对侵蚀速率没有影响。但是,国内对于植被空间分布格局对土壤侵蚀方面的研究还鲜有报道;因此,笔者以陕西省吴起县为研究对象,采用聚类分析法,研究径流形成、汇集和侵蚀产沙、输沙的基本单元——小流域的林地空间分布特征对土壤侵蚀的影响,以期为水土保持林地配置以及进一步研究流域产流产沙机制提供参考。

1 研究区概况

陕西省吴起县(E 107°38′57″～108°32′49″,N 36°33′33″～37°24′27″)地处黄土丘陵沟壑区,海拔1 233～1 809 m,总面积3 791.5 km2,县内有黄河支流无定河和北洛河2条水系。吴起县气候属半干旱温带大陆性季风气候,多年平均降水量483.4 mm左右,土壤以黄土性黄绵土为主。吴起县作为“全国水土保持生态环境建设示范县”,1999年开始实施退耕还林。2000—2009年,全县植被总面积中,林地面积比例从6.17%上升至35.19%,林草面积比例达到86.80%[5]。吴起县林地包括有林地、疏林地、灌木林地,主要类型为落叶阔叶林、针阔混交林,乔木以山杏(Prunus armeniaca L.)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)榆树(Ulmus pumila)等为主,灌木以柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等为主。

2 数据获取和研究方法

2.1 数据的获取和处理

在吴起县内按照1%均匀抽样的39个小流域位置如图1所示,流域面积0.81～1.88 km2。调查数据(包括土地利用类型、植被类型和覆盖度等)来源是2011年全国土壤侵蚀普查抽样数据,土壤侵蚀模数是根据中国土壤侵蚀模型(CSLE)计算的,抽样调查方法依据和土壤侵蚀计算方法见文献[20]。

2.2 小流域分类方法

选取林地面积比例、林地斑块密度指数,林地斑块形状指数、林地植被覆盖度和林地坡位指数等作为林地空间分布特征的指标,用系统聚类的方法在SPSS18.0中对39个小流域进行聚类分析,分析各类流域的林地分布特征及土壤侵蚀特征。小流域分类采用的5个林地空间分布特征指数计算方法如下。

1)林地面积比例:流域内林地面积占流域总面积的比例。

2)林地斑块密度指数:林地斑块密度指数即林地斑块个数与面积的比值,由此可以得出研究区林地斑块总个数与其面积之比,即

图1 39个抽样小流域位置图Fig.1 Locations of 39 sampled small watersheds

式中:C为斑块密度指数,C值越大,破碎化程度越高;n为小流域林地斑块总数;S为研究区林地总面积,hm2。

3)林地斑块形状指数:林地斑块形状指数是通过计算林地的斑块周长与同面积圆形的周长之比来测定该景观类型复杂程度的,计算公式为

式中:L为景观形状指数,L越接近于1,斑块圆度越好,其形状越简单,反之,L越大,其形状越复杂;Pi为景观i类型斑块周长,m;A为斑块面积,m。

4)林地植被覆盖度:取流域各林地斑块内林灌草植被盖度的平均值,用来反映林地及林下植被的生长情况。

5)林地坡位指数:坡位指数表示土地利用斑块的分布位置。基于1∶1万矢量化的吴起地形图,利用ArcGIS9.3软件生成分辨率为10 m×10 m的数字高程模型(DEM),统计林地斑块高程的平均值。用流域内的高程最大值代表坡顶,高程最小值代表坡脚,坡位指数是指林地斑块平均高程与坡脚高程差和坡顶高程与坡脚高程差的比值。林地坡位指数0～0.1为平地,0.1～0.4为下坡位,0.4～0.7为中坡位,0.7～1为上坡位。每个坡位继续划分3个子坡位:0.11～0.20为下下坡位,0.21～2.30为下中坡位,0.31～0.4为下上坡位;0.41～0.50为中下坡位,0.51～0.60为中中坡位,0.61～0.70为中上坡位;0.71～0.80为上下坡位,0.81～0.90为上中坡位,0.91～1.00为上上坡位。

3 结果与分析

3.1 基于林地空间分布特征的小流域聚类

系统聚类分析结果见图2。结果表明,39个小流域可以分成4类。对各类流域林地空间分布指数做单因素方差分析,4类小流域的林地空间分布特征指数都在0.05的水平上存在显著差异。

5个林地空间分布特征指数的统计特征见表1和图3。4类小流域的空间分布特征如下。

第1类小流域:林地面积比例较大;林地斑块密度指数较小,林地的破碎程度较小;林地斑块形状指数较大,林地的形状较为复杂;林地植被覆盖度居中;林地平均分布在中下坡位。

第2类小流域:林地面积比例较小;林地斑块密度指数偏小,林地的破碎化程度居中偏小;林地斑块形状指数较小,林地的形状较为简单;林地植被覆盖度居中;林地平均分布在中中坡位。

第3类小流域:林地面积比例很小,均值小于其他3类流域;林地斑块密度指数很小,均值也小于另外3类流域,林地的破碎化程度很小;林地的斑块形状较为复杂;林地植被覆盖度很大,均值大于另外3类流域;坡位指数均值也比其他3类流域都大,林地平均分布在中上坡位。

图2 用系统聚类法对39个小流域的聚类结果Fig.2 Clustering result of 39 watersheds with the method of system clustering

表1 林地格局特征指标的均值Tab.1 Mean values of woodland pattern characteristic indexes

图3 各类流域林地空间分布特征指数统计图Fig.3 Statistical boxdiagram groups of woodland spatial distribution index in the watersheds

第4类小流域:林地面积比例较大;林地斑块密度很大,均值大于其他3类流域;林地的斑块形状较为简单;林地植被覆盖度较小;林地平均分布在中中坡位。

3.2 林地空间分布与土壤侵蚀的关系

利用系统聚类方法在39个小流域中选出25个林地植被盖度与坡位指数相当的流域样本,对土壤侵蚀模数与林地面积比例、林地斑块密度和林地斑块形状指数做单因子相关性分析。结果表明,土壤侵蚀模数分别与林地面积比例和林地斑块形状指数在0.05水平上显著负相关;因此,在林地面积比例和林地坡位指数一定时,土壤侵蚀模数随林地面积比例和林地斑块形状指数的增加而减小。

3.2.1 不同类型小流域土壤侵蚀普查结果比较从图4中可以看出,根据2011年土壤侵蚀普查方法计算的土壤侵蚀模数在4类小流域之间有一定差异。第1类小流域的土壤侵蚀模数较小,均值为2 170.65 t/(km2·a);第2类小流域的土壤侵蚀模数较大,均值为2 952.09 t/(km2·a);第3类小流域土壤侵蚀模数居中,均值为2 498.89 t/(km2·a),略小于全流域的均值;第4类小流域的土壤侵蚀模数略小于第3类小流域的,均值为2 306.61 t/(km2·a)。可见,林地面积比例小、分布集中的流域土壤侵蚀模数较大;但是,单因素方差分析结果表明,4类小流域之间土壤侵蚀模数差异并不显著(显著性水平0.05)。说明小流域林地空间分布格局对土壤侵蚀的影响在土壤侵蚀普查中无法完全反映出来。

图4 各类小流域土壤侵蚀模数统计图Fig.4 Statistical boxdiagram and groups of watershed soil erosion modulus

3.2.2 林地空间分布特征指数和土壤侵蚀模数的相关性分析 采用SPSS软件按分类和总体分析对流域土壤侵蚀模数和所对应的林地空间分布指数进行单因子相关性分析。结果(表2)表明,在林地空间分布指数中,土壤侵蚀模数仅与林地植被覆盖度有负显著相关关系,而且只出现在第1、4类和全流域。可知,流域土壤侵蚀主要受林地植被覆盖度的影响,林地植被覆盖度对土壤侵蚀有抑制作用,但其作用也受到其他因子的影响。

表2 各类流域土壤侵蚀模数与林地空间分布指数的相关分析Tab.2 Correlation analysis of various types of soil erosion modulus and woodland spatial index

为了进一步探讨土壤侵蚀模数和林地空间分布的关系,做土壤侵蚀模数和林地空间分布指数的多元相关性分析。将土壤侵蚀模数视为因变量y,林地空间分布指数为自变量(林地面积比例为x1,林地斑块密度指数为x2,林地斑块形状指数为x3,林地植被覆盖度为x4,林地坡位指数为x5)进行多元线性回归分析。回归方程为

结果显示,判定系数R2=0.333,方差分析统计量F=3.294,概率值P=0.016小于显著性水平0.05。从方程中可以看出,林地的空间分布综合作用于土壤侵蚀模数、林地斑块密度指数、林地斑块形状指数、林地植被覆盖度和林地面积比例的增加对土壤侵蚀都有抑制作用,而林地坡位指数的增加(林地分布靠近坡顶)会增加土壤侵蚀的发生。

比较图3中第1、2、3类小流域各指标值可以发现:第2类和第1类小流域相比,3个抑制因素(林地斑块形状指数、林地植被覆盖度和林地面积比例)小,一个促进因素(林地坡位指数)大;第2类和第3类相比,2个抑制因素(林地斑块密度指数和林地面积比例)大,一个促进因素(林地坡位指数)小;第2类小流域的土壤侵蚀模数与第1类小流域土壤侵蚀模数的均值差771.44 t/(km2·a)要大于跟第3类土壤侵蚀模数的差值453.20 t/(km2·a)。这一结果与多元线性回归分析的结果一致,在一定程度上反映了林地空间分布对流域的土壤侵蚀有影响。

4 讨论

土壤侵蚀的影响因素,主要包括降雨、地貌、植被、土壤及人为因素。从林地空间分布格局角度出发,分析其对土壤侵蚀的影响是一个新的探索。本文根据林地空间分布指数对流域进行分类,小流域林地的空间分布格局存在显著差异。但是,研究区各类小流域之间土壤侵蚀模数差异不显著:一种原因可能是由于土壤侵蚀模数和林地空间分布特征的多元线性回归方程判定系数R2=0.333,自变量仅能解释因变量33.3%,因而各流域之间的土壤侵蚀模数差异没有显现出来;另一种原因可能是土壤侵蚀模数计算方法采用由通用土壤流失方程改进而来的中国土壤侵蚀模型CSLE,属于预测坡面侵蚀的经验统计模型。目前土壤侵蚀普查中采用的计算方法未能体现林地空间分布特征对土壤侵蚀的影响。对于林地空间分布特征差异是否能够引起各类小流域之间土壤侵蚀量和流域产沙量的显著差异,还需要进一步研究。而分布式水文模型能够模拟各类流域的径流量和产沙量时空变化,因此,可以通过分析林地空间分布格局不同的各类流域径流产沙的差异及其与林地空间分布指数之间的相关性,探索林地空间分布是否对土壤侵蚀产生显著影响。

本文中根据土壤侵蚀模数和林地空间分布指数的多元线性回归得出,林地的坡位指数较大,林地的分布较为靠近坡顶时,防治土壤侵蚀的作用减小。一方面可能由于坡位指数较大时,坡度也较大,从而土壤侵蚀模数也较大;另一方面,小流域林草植被调节径流防治土壤侵蚀的功能主要包括林冠拦截降雨减少林内雨量和降雨动能、改善土壤结构增加入渗减少径流、树干及枯落层对径流流速的消减[21]。由于黄土区降雨量较小,当降雨条件不足以在上坡位形成地表径流时,林地分布靠近坡顶,树干及枯枝落叶对流速的作用将得不到体现。而且, G.Bergkamp[22]在西班牙中部研究刺叶栎(Quercus ilex)和铁橡栎(Quercus coccifera)的相对恢复程度及其与不同坡位的水文特征和过程相联系时,结果表明,退化相对较重的灌丛,在下坡位具有更高的植被覆盖,生态系统在下坡位比上坡位具有更强的恢复力。F.Rey[23]对低矮植被主要是草本和小灌木对上坡来水来沙的拦截作用进行了研究,指出坡面底部的植被屏障覆盖仅仅达到20%的时候就可以有效的拦截上坡来沙。因此,流域内林地的分布在一定范围内,靠近坡底有利于防止土壤侵蚀;但是由于本文选取的林地坡位指数是取整个小流域林地的平均值,且主要集中在中坡位,没能确定对于坡位选择的临界值,也是需要以后进一步分析。

5 结论

1)吴起县39个小流域林地空间分布特征可以分为4类:第1类小流域,林地面积比例较大,约占45%,植被覆盖度居中,分布在中下坡位;第2类小流域,林地面积比例较小,平均为32%,植被覆盖度较小,分布在中中坡位;第3类小流域,林地面积比例很小,占20%左右,植被覆盖度很大,分布在中上坡位;第4类小流域,林地面积比例很大,平均为51%,植被覆盖度较小,分布在中中坡位。各类小流域之间的林地空间分布特征存在显著差异。

2)各类流域之间土壤侵蚀普查结果不存在显著差异;但是,第1、4类及全部小流域,土壤侵蚀模数和林地植被覆盖度显著负相关(0.05显著水平),在林地植被盖度和林地坡位指数一定时,土壤侵蚀模数与林地面积比例和林地斑块形状指数也在0.05显著水平负相关。土壤侵蚀模数和林地空间分布特征指数多元回归方程的决定系数 R2= 0.333,概率P=0.016＜0.05。林地空间分布综合作用于土壤侵蚀,可以解释33.3%左右。林地面积比例、林地斑块密度、林地斑块形状指数和林地植被覆盖度的增加会抑制土壤侵蚀,林地坡位指数的增加,即林分分布在上坡位不利于防治土壤侵蚀。

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(责任编辑:宋如华)

Effects of woodland spatial distribution on soil erosion in small watershed: A case study in Wuqi County,northern Shaanxi

Yao Wenjun,Zhang Yan,Zhu Qingke
(School of Soil and Water Conservation,Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating,Ministry of Education, Beijing Forestry University,100083,Beijing,China)

We analyzed spatial distribution of woodlands and its impact on soil erosion in small watersheds in this study.Thirty nine small watersheds in Wuqi County on the hilly and gully loess plateau of northern Shaanxi Province were selected following the method of uniform sampling(1%).Woodland area proportion,woodland patch density,shape index of woodlands,woodland coverage,and slope position index were calculated for each watershed and taken as elements to carry out hierarchical cluster analysis for the 39 watersheds.Relationship between woodland distribution and soil erosion was analyzed based on soil loss data obtained from the National Soil Erosion Survey.The 39 watersheds were classified into four categories.Watershed category 1 is characterized by a large proportion of woodlands and woodlands are distributed on the lower slopes.For Category 2,the proportion of woodlands is relatively small and woodlands are distributed on the middle slopes.For Category 3,the proportion of woodland is small and distributed on the upper slopes.For Category 4 the proportion of woodlands is large and distributed on middle slopes.Soil loss was negatively correlated with woodland vegetation coverage(P＜0.05)in Category 1 and 4.The multiple linear correlation coefficient describing the integrated effects of the five parameters for woodland spatial distribution characteristics on the soil loss is 0.577(P＜0.05). The results indicate that woodland coverage is a major inhibitive factor to soil erosion.Meanwhile,the proportion of woodland area,woodland patch density and shape index can affect soil erosion in the scale of small watershed.To a certain degree,the woodlands on the upper slopes will reduce soil loss in small watersheds.

small watershed;spatial distribution of woodland;hierarchical cluster analysis;soil erosion; Loess Plateau

S157

A

1672-3007(2015)01-0016-07

2014- 03- 17

2014- 10- 14

项目名称:“十二五”国家科技计划课题“陕北黄土丘陵沟壑区保水固土水土保持植被研究与示范”(2011BAD38B0601)

姚文俊(1988—),男,硕士研究生。主要研究方向:流域自然地理。E-mail:yao_wenjun@126.com

†通信作者简介:张岩(1970—),女,副教授,博士,硕士生导师。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:zhangyan9@bjfu.edu.cn