澜沧县土地利用变化和土壤侵蚀特征分析

徐晓雅，高翔宇，顾泽贤，赵筱青，谢鹏飞，张龙飞

(1.昆明南方地球物理技术开发有限公司，云南 昆明 650000； 2.云南大学资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091)

澜沧县土地利用变化和土壤侵蚀特征分析

徐晓雅1，高翔宇2，顾泽贤2，赵筱青2，谢鹏飞2，张龙飞2

(1.昆明南方地球物理技术开发有限公司，云南 昆明 650000； 2.云南大学资源环境与地球科学学院，云南 昆明 650091)

为了研究云南省澜沧县的土地利用和土壤侵蚀的变化特征，以“通用土壤流失方程”为模型，运用ENVI遥感影像解译软件和ArcGIS软件，综合分析了澜沧县2000、2010、2014年3个时期的土地利用变化和土壤侵蚀的特征。结果表明：1)2000—2010年10 a间，土地利用类型表现为草地向林地、桉树林转化，耕地向草地、林地、桉树林转化，林地向桉树林转化，园地向林地转化。2010—2014年，水域、桉树林面积增加明显，草地、耕地、林地面积小幅下降；2)15 a间澜沧县土壤侵蚀总面积变化不大，土壤侵蚀状况呈现先趋向好转之后又趋向严重的变化趋势；3)草地和耕地的侵蚀面积减少，土壤侵蚀量下降；2000—2010年，草地和耕地大量转变为林地和桉树人工林，植被覆盖恢复，土壤侵蚀减缓；2014年由于桉树人工林的轮伐、大型水电站和公路的兴修以及人口增长和城市化进程的加快等方面的原因，多数地区植被覆盖度下降，直接导致了林地、桉树林地的土壤侵蚀加重。

土壤侵蚀；USLE；土地利用变化；澜沧县

土地利用和土地覆盖变化(Land Use and Land Cover Change，LUCC)与土壤侵蚀的关系是国际地圈与生物计划(International Geosphere Biosphere Program，IGBP)与全球环境变化的人文领域计划(International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP)的核心研究计划之一，是全球环境研究的热点和前沿问题[1]。土地利用变化包括土地资源的数量、质量与土地利用结构随时间的变化，以及土地利用空间结构和土地利用类型组合方式的变化[2]。自20世纪90年代开始，世界各国已经开展对土地利用变化的研究工作，并把该研究作为全球环境变化诸因素中重点研究对象，成为自然科学、人文地理、环境科学等众多学科的重点研究领域[3]。土地利用变化可引起许多自然现象和生态过程的变化，如土壤侵蚀、地表径流、土壤养分和水分变化等[4]。土壤侵蚀的产生是在气候、地形等自然因素和土地利用等人为因素共同作用下形成的[5]。首先，土地利用变化引发土壤质量的变化；其次，人类活动是造成土壤侵蚀的主要原因之一，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[6-7]。目前，世界各国学者利用不同的科学技术对LUCC和土壤侵蚀模型两者的关系进行了分析研究。ROGOWSKI等[8]首次发现137Cs与土壤流失量、土壤流失速率具有对数关系；姚华荣等[9]采用GIS空间分析与传统统计分析相结合的方法，通过土壤侵蚀综合指数(INDEX)的计算，来反映不同区域、不同土地利用类型上的土壤侵蚀程度及其变化。总之，不合理的土地利用可以导致土壤侵蚀。因此，合理规范利用土地是防控土壤侵蚀的必要条件。

本研究区为地处西南云贵高原的澜沧县。目前，中国对该地区的土地利用及土壤侵蚀的评估较少。21世纪初，由于滇西南亚热带地区大量引种桉树林，使原有土地利用方式发生了改变，对生态环境造成了诸多影响。本研究运用USLE方程和ArcGIS软件，分析澜沧县2000年、2010年、2014年的土地利用类型、土壤侵蚀的变化以及两者之间的联系，为制定水土保持战略和为桉树人工林的科学种植、经营管理提供依据。

1 研究区概况

澜沧拉祜族自治县位于云南省西南部(东经99°29′～100°35′、北纬22°01′～23°16′)，因东临澜沧江而得名，隶属普洱市。澜沧县总面积8 807 km2，为云南省县级面积第二大县，县境与景谷、思茅等7县(区)相邻，西部和西南部有2段与缅甸接壤(图1)，下辖5镇15乡。澜沧县地处横断山脉怒山山系南段，地势西北高、东南低，海拔高差大，最高海拔2 516 m，最低海拔578 m，山区、半山区占98.8%，立体气候明显，主要属南亚热带夏湿冬干山地季风气候，雨量充沛，日照充足，冬无严寒，夏无酷暑，干雨季分明。该县河流众多且均属澜沧江水系。地带性土地从低到高排列有砖红壤、赤红壤、红壤、黄棕壤，其中赤红壤面积最大，非地带性的有水稻土、冲积土。地带性植被为亚热带落叶阔叶林和针叶林。自2003年起，云南省亚热带山区普洱、文山、临沧等地引种了大量桉树，其中以澜沧县引种面积最大，分布最集中，约占桉树引种面积的54%。引种的桉树人工林取代了次生常绿阔叶林、思茅松林、灌木林和荒草地，使得澜沧县的景观类型发生了较大变化[10]。

图1 澜沧县区位图Fig.1 Location of the Lancang County

2 研究方法

2.1数据的收集和预处理

本研究使用的数据包括：澜沧县境内21个气象站点2000年、2010年、2014年每个月的降水数据，以及澜沧县的地形数据、土壤类型数据、土地利用类型数据及土地覆被类型数据。所有数据的统一投影为UTM投影，WGS1984坐标，分辨率为30 m×30 m。

澜沧县地形数据来自于地理空间数据云的DEM数据，基于ArcGIS对坡度和坡长进行提取。土壤类型数据来自全国第二次普查数据库。土地利用类型数据是以中国《土地利用现状分类标准》(GB/T 21010—2007)为依据，结合澜沧县土地利用现状，基于Landsat TM影像不同的波段组合来区分不同地类，用Kappa系数和实地采点对照分析解译的精度，最后将研究区土地利用类型主要分为桉树林、草地、耕地、建设用地、水域、橡胶林、林地(主要包括阔叶林、针叶林、灌木林)、园地共8类，桉树林和橡胶林为人工园林，且影响当地的生态安全，故单独分类。土地覆被类型数据是空间分辨率为30 m，时间为2000-03、2010-03、2014-03的3期的landsat TM卫星图像资料基于ENVI4.5的解译结果。

2.2通用土壤流失方程

本研究采用应用广泛、计算简便、实用性强的通用土壤流失方程，对研究区土壤侵蚀情况进行快速评判，其计算公式如下：

Ar=RKLSCP

(1)

式中：Ar为年平均土壤侵蚀量，t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；L为坡长因子；S为坡度因子；C为植被覆盖因子；P为水土保持措施因子。

R值的计算采用杨子生[11]对云南省高山峡谷区实测数据提出的R值计算方法。

R=0.444 88p0.969 82

(2)

式中：p为年平均降雨量。

K值一般采用公式加实地采样来计算确定。澜沧县的土壤类型分为32类，部分土壤类型的K值如表1所示。坡长(L)和坡度(S)是借助于GIS技术，以数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)为基础，采用江忠善等[12]提出的坡长计算方法和LIU等[13]提出的坡度计算方法来计算L和S。本研究采用以上方法，基于ArcGIS软件，获取降雨侵蚀图、土壤可蚀性分布图和地形图。

植被覆盖因子(C)用来表征所有植被特征[14]，本研究中C值的计算是基于ENVI软件，用归一化植被指数计算植被覆盖度fg，再根据蔡崇法等[15]的研究，利用植被覆盖度计算出C值，获取研究区的植被盖度图。

水土保持措施因子(P)主要参考相关研究结果[16-21]，并根据研究区的土地利用现状以及对当地农田经营状况的调查结果赋值得到(表2)，最后基于ArcGIS软件获取水土保持措施因子图。

表1 部分土壤类型的K值Table 1 K value of different soil types t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1

表2 不同土地利用类型P值Table 2 P value of different land use type

续表Continuing table

注：旱地1表示坡度小于15°的旱地，旱地2表示坡度大于15°的旱地。

Note: Dry land 1 indicates its slope is less than 15 degrees; Dry land 2 indicates its slope is greater than 15 degrees.

3 结果分析

3.1土壤侵蚀强度等级的划分

根据国家水利部颁布的《土壤侵蚀分级分类标准》[22]，将土壤侵蚀划分为6级，并在ArcGIS10.1中将降雨侵蚀图、土壤可蚀性分布图、地形图、植被覆盖图和水土保持措施因子图，通过Raster calculator进行栅格运算，并运用重分类工具得到2000、2010年和2014年的土壤侵蚀强度分级图(图2)。

图2 澜沧县2000、2010、2014年土壤侵蚀强度分级图Fig.2 Classification maps of soil erosion intensity of 2000,2010 and 2014 in Lancang Country

3.2澜沧县2000—2014年的土地利用变化情况

2000—2010年澜沧县土地利用变化的主要趋势是草地和耕地面积减少，林地面积增加，其中桉树林和橡胶林面积分别增加为325.47 km2和2.97 km2，土地利用类型表现为草地向林地、桉树林转化，耕地向草地、林地、桉树林转化，林地向桉树林转化，园地向林地转化，橡胶林小部分源自耕地和林地等地类转化(表3)。表3中，草地面积减少了196.39 km2，其中，有623.63 km2转变为了林地，有101.36 km2转变为桉树林；耕地面积减少了656.89 km2，有447.86 km2的耕地转换成了林地，有56.67 km2的耕地转变为桉树林；林地的面积增加了503.07 km2，增幅为8.92%，其面积的增加主要来源于荒草地的治理和耕地的退耕，桉树林和橡胶林的出现是人工大面积种植的结果。水域和建设用地的面积小幅增加，主要来源于耕地；园地的总面积略有上升。

2010—2014年澜沧县土地利用变化的主要趋势是水域、桉树林面积增加明显，建设用地面积略有增加，草地、耕地、林地面积小幅下降。土地利用类型表现为草地向耕地、林地、水域、桉树林转化，耕地向水域、建设用地转化，林地向水域、桉树林转化。2014年与2010年相比，水域面积增加明显，原因是糯扎渡水电站的建成和蓄水使水域面积增加；建设用地面积小幅增加的原因是建设占用部分耕地；桉树林面积继续增加，原因是经济因素的驱使，继续大量引种。

3.32000—2014年的土壤侵蚀变化特征

从表5来看，2000—2010年10 a间，澜沧县土壤微度侵蚀向轻度和中度转化面积分别为123.02 km2和7.06 km2；轻度土壤侵蚀向中度和强烈转化面积分别为265.81 km2和26.62 km2；中度土壤侵蚀向强烈和极强烈转化面积分别为251.02 km2和55.45 km2；强烈土壤侵蚀向极强烈转化面积为229.70 km2，说明土壤侵蚀在一些地区有加重的趋势。另外，2010年县域土壤侵蚀呈现减缓下降的趋势，其中，土壤极强烈侵蚀向强烈侵蚀转化面积为593.90 km2；土壤强烈侵蚀向中度和轻度侵蚀转化面积为553.48 km2和131.99 km2；中度侵蚀向轻度和微度侵蚀转化面积为559.04 km2和18.17 km2。总体来讲，2000—2010年这10 a间，澜沧县的土壤侵蚀情况有所减轻，特别是剧烈和极强烈侵蚀的面积减少比较明显。表6反映了2010—2014年5 a间的侵蚀面积变化，土壤轻度侵蚀向中度和强烈侵蚀转化面积分别为952.24 km2和268.83 km2，中度土壤侵蚀向强烈和极强烈侵蚀转化面积分别为783.13 km2和536.83 km2，强烈侵蚀向极强烈、剧烈侵蚀转化面积为887.17 km2和193.96 km2，极强烈侵蚀向剧烈侵蚀转化面积也很明显。总体来看，在2000—2014年15 a间，澜沧县的土壤侵蚀状况呈现先趋向好转之后趋向严重的变化趋势。

表3 2000—2010年澜沧县土地利用转移矩阵Table 3 Land use transfer matrix of Lancang County from 2000 to 2010 km2

注：2000年澜沧县无桉树林和橡胶林，故表中无显示。

Note: There is no eucalyptus forest and rubber forest in Lancang County in 2000, so they are not shown in Table 3.

表4 2010—2014年澜沧县土地利用转移矩阵Table 4 Land use transfer matrix of Lancang County from 2010 to 2014 km2

表5 研究区2000—2010年土壤侵蚀强度面积转移矩阵Table 5 Soil erosion intensity grades transfer matrix of Lancang County from 2000 to 2010 km2

表6 研究区2010—2014年土壤侵蚀强度面积转移矩阵Table 6 Soil erosion intensity grades transfer matrix of Lancang County from 2010 to 2014 km2

3.42000—2014年不同土地利用类型的土壤侵蚀分析

按照《土壤侵蚀分级分类标准》[22]，由图3可知，澜沧县地区建设用地的侵蚀属于微度侵蚀级别，草地的侵蚀程度相对严重，属于强烈或极强烈侵蚀级别，耕地和林地的土壤侵蚀模数次之，园地、桉树林和橡胶林均属于中度侵蚀级别以下。在过去的15 a间，草地是土壤侵蚀的主要发生区，其次是耕地和林地，桉树林和橡胶林在大规模引种后，土壤侵蚀程度均不严重，但土壤侵蚀模数呈现上升的趋势。

3.52000—2014年土地利用和土壤侵蚀关系分析

结合表7、表3、表4可以得出，澜沧县不同土地利用类型的土壤侵蚀在不同时期有不同的特征。3个时期县域的土壤侵蚀量表现为先下降后上升。对于草地，2000年该用地类型的侵蚀面积为1 325.63 km2，到2010年侵蚀面积下降为1 128.58 km2，2014年草地的侵蚀面积继续下降，但土壤侵蚀模数又有回升，原因是澜沧县的草地集中分布在荒山、荒坡，属于低植被覆盖区，2014年澜沧县的植被覆盖度(即C值)减小，直接导致了土壤侵蚀程度加重。

土地利用类型 Land use type

对于耕地，15 a间耕地的侵蚀面积由1 670.83 km2下降为991.26 km2。主要是退耕还林等政策的实施，耕地大量转变为林地、桉树林等。到2014年，由于人口因素、城镇化、和修建水库等原因，耕地的植被覆盖度下降，加之澜沧县以旱作耕地为主，耕地多为坡耕地，受地形条件的影响，易发生土壤侵蚀，所以土壤侵蚀模数小幅回升。

对于林地，其在2000年、2010年、2014年的土壤侵蚀面积分别为5 619.42 km2、6 122.87 km2、6 102.49 km2。15 a间，微度侵蚀面积减少了198.56 km2，而极强烈和剧烈侵蚀面积分别增加了775.55 km2和412.72 km2。2010年经过退耕还林和对天然林的保护，林地植被覆盖得以恢复，土壤侵蚀模数下降。通过分析2014年的遥感影像和实地调查发现，澜沧县中部大部分地区植被覆盖相对较低，且近澜沧江一带的植被覆盖程度同样较低，尤其在2014年，这些区域的植被覆盖严重退化，原因是随着糯扎渡水电站的建设，在澜沧江下游一代砍伐部分林地，以及城镇化、公路和机场等兴建占用林地，使这些地区周围的森林覆盖率下降，植被覆盖度降低，表层土壤变得疏松，抗蚀性抗冲性减弱，再加上降水因素的影响，导致林地土壤流失量增大。

表7 澜沧县不同土地利用类型下的土壤侵蚀强度Table 7 Soil erosion intensity in different land use types of Lancang County km2

注：2000—2014年澜沧县水域和建设用地地类变化较小，所占比例很小，不作具体分析。

Note: The variation of the area of water and construction land is very little from 2000 to 2014 in Lancang County, and each proportion is very small, so it is unnecessary to analyze.

对于桉树林和橡胶林2种人工林，15 a间，桉树林的面积变化最明显，橡胶林的面积也有小幅增加(这里主要分析桉树林)。到2014年桉树林和橡胶林的面积分别为361.84 km2和3.61 km2，整体的土壤侵蚀模数表现为上升，土壤侵蚀量增加。根据有关资料，2003年和2004年以后，澜沧县开始大规模引种桉树，桉树的引种主要是在草地、耕地转化和砍伐部分林地的基础上种植的。到2010年，正是桉树林普遍生长成熟的时期，且多数引种区的桉树人工林覆盖程度都偏好，土壤侵蚀模数较小。最后，2014年的实地勘察发现，此时多数种植区开始对桉树林进行采伐，所以2014年覆被等级有所下降，土壤侵蚀模数上升，土壤侵蚀加重。澜沧县一些地区引种桉树林代替了原有的耕地，土壤侵蚀有所减轻，其原因可以归结为：人工林地有利于保持良好的土壤剖面层次结构，有利于土壤水分向下渗透；地表凋落物能减少雨滴对土壤表面的冲击，减慢地表径流的速度，增加地表水下渗的机会，减少地表径流量对土层的冲刷。最后，澜沧县的园地主要是以茶园为主，且茶园主要种植在坡度较缓的地区，水土保持措施相对完善。15 a间，土壤侵蚀模数和土壤侵蚀量呈下降趋势。

4 结论与讨论

本研究以澜沧县的土地利用变化为背景，对土壤侵蚀的变化特征进行了研究。从自然条件来看，气候、地形、地质相对稳定，是土壤侵蚀发生发展的潜在条件；人类活动是土壤侵蚀的诱发因素。

2000—2014年15 a间，土地利用变化趋势是草地和耕地面积减少，林地面积增加并保持稳定，桉树人工林和水域面积持续增加，园地和建设用地的面积小幅增加。土壤侵蚀总面积在15 a间变化不大，土壤侵蚀总量先减小后增加，前10 a内，澜沧县的土壤侵蚀程度总体呈减缓态势，后5 a土壤侵蚀程度有所加剧。

澜沧县草地和耕地的侵蚀面积减少，其中，草地的土壤侵蚀模数最大，原因是草地属于低植被覆盖区，地表土层裸露，极易引发土壤侵蚀。2000—2010年，草地和耕地大量转变为林地和桉树人工林，植被覆盖恢复，土壤侵蚀减缓；2014年由于桉树人工林的轮伐、大型水电站和公路的兴修以及人口增长和城市化进程的加快等方面的原因，多数地区植被覆盖度下降，直接导致了林地、桉树林土壤侵蚀模数增加。总之，在气候、地形和土壤条件相对稳定的前提下，土地利用变化就成了影响土壤侵蚀的主要因素。土地利用变化势必会改变原有地表覆被，从而影响土壤侵蚀。于东升等[23]的研究表明，不同的土地利用方式，实质上就是改变了ULSE模型中的C值；朱连奇等[24]的研究表明，植被覆盖度和土壤侵蚀模数为负指数关系，随着植被覆盖度的增大，土壤侵蚀模数急剧下降。

因此，针对澜沧县的土壤侵蚀情况，要对土地利用方式作出适当调整。建议今后在采取坡改梯、退耕还林、退耕还草等多种措施的同时，可以对草地和林地的生态功能进行提升，加强草地和林地的植被优化。对于桉树人工林，在坚持适度引种的基础上采用科学的育林技术进行合理经营，由此方能控制土壤侵蚀。

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(责任编辑：朱秀英)

AnalysisoflandusechangeandcharacteristicsofsoilerosioninLancangCounty

XU Xiaoya1, GAO Xiangyu2, GU Zexian2, ZHAO Xiaoqing2, XIE Pengfei2, ZHANG Longfei2

(1.Kunming Southern Geophysical Technology Development Ltd.Co.,Kunming 650000,China; 2.School of Resource Environment and Earth Science,Yunnan University,Kunming 650091,China)

To study the land use and the characteristics of the changes of soil erosion in Lancang County, Yunnan province, this study, taking “Universal Soil Loss Equation” (USLE) as the model to acquire soil erosion data, utilizes ENVI Software and ArcGIS Software to analyze comprehensively the land use changes and soil erosion properties before and after the three periods, 2000, 2010 and 2014. The results show that, firstly, from 2000 to 2010, land use pattern manifested as the transformation from grassland to forest land and eucalyptus forest, the transformation from cultivated land to grassland, forest land and eucalyptus forest, the transformation from forest land to eucalyptus, and the transformation from garden plot to forest land. From 2010 to 2014, the area of waters and eucalyptus forest obviously increased, and the area of grassland, cultivated land and forest land slightly decreased. Secondly, the total area of soil erosion had little change for the past 15 years in Lancang County and the situation of soil erosion show the changing trend from improvement to severity. Lastly the areas of grasslands and farmlands decreased, while the amount of the soil erosion is constantly went down; From 2000 to 2010, a large amount of grassland and farmland were changed to forest land and eucalyptus plantations, and vegetational cover recovered and soil erosion slowed down. In 2014, due to the rotation of eucalyptus plantations, construction of large hydropower station and highways, population growth and speeding up of urbanization, vegetation coverage in most areas declined, which directly led to the serious soil erosion of forest land and eucalyptus plantations.

soil erosion; USLE; land use change; Lancang County

S157.1

：A

2016-06-16

国家自然科学基金项目(41361020)、(40961031)

徐晓雅(1983-)，女，陕西汉阴人，地质工程师，硕士。

赵筱青(1969-)，女，云南大理人，教授，博士。

1000-2340(2017)03-0421-09