岷江上游山区聚落生态位与土壤侵蚀的空间分布关系研究

2018-05-10刘延国廖彦淞

中国水土保持 2018年5期

刘延国，廖彦淞，王青，邹强

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川绵阳 621010；2.四川大学建筑与环境学院，四川成都 610045)

我国山区面积广袤但耕地资源相对匮乏，山区土地总面积约占国土面积的67.7%(包括高原和丘陵)，但山区耕地面积仅占全国耕地总面积的45%[1-3]左右。山区聚落作为山区群众生存与生活的基本空间组织单元，是人类与周围地质、地貌、大气、水体、土壤、植被等环境要素之间交流的平台。山区聚落生态位反映了聚落在山区垂直方向上所处的空间位置及人类生活所能利用的资源空间，是长期以来山区群众利用自然资源和适应自然环境的智慧结晶与外在表现形式[1,4-6]。长期以来，山区群众为了生存需要，采取毁林开荒、陡坡垦殖等方式，造就了山区坡耕地和旱地块多、面积小、分布零散的特点[3,7-9]。不合理的粗放耕作方式，造成表土流失加剧，因此土壤侵蚀已成为限制山区农业综合发展的重要因素之一。关于土地利用方式与土壤侵蚀的相互关系问题，许多学者做了大量有益的探索，尤其是在GIS技术与修正的通用土壤流失方程RUSLE综合应用方面成果丰富[10-16]，但以山区聚落生态位为研究切入点，探讨其与土壤侵蚀的相关关系的研究尚未见报道。山区聚落是山区贫困的主要载体及农牧民脱贫的立足点，而聚落生态位能反映山区聚落土地利用方式及经济结构特征，与山区土壤侵蚀程度及其发生状况存在有机联系。本研究利用RS和GIS技术，提取岷江上游山区聚落生态位空间信息，结合岷江上游土壤侵蚀研究的相关成果[17-24]，探讨山区聚落生态位与土壤侵蚀的相关关系，以期为山区经济发展方式转变与减贫脱贫提供参考。

1 区域概况

岷江上游地处四川盆地丘陵山地向川西北高原的过渡地带，地质构造复杂，断裂发育，新构造运动隆升强烈，是青藏高原东麓自然地理环境的典型代表，地理位置介于北纬31°26′～33°16′、东经102°59′～104°14′之间，范围大致与四川省阿坝藏族羌族自治州汶川、理县、茂县、黑水、松潘5县的行政界线一致，总面积2.24万km2，总人口39.2万人，其中农业人口占75%以上，少数民族人口占89%以上，是我国主要的羌族聚居区，集藏、羌、彝等文化特色于一体，是我国西南地区一条重要的民族廊道及自然景观带。在多源文化背景下，长期以来人类生计活动对山区生态环境的持续干扰，加上活跃地震带的叠加影响，使岷江上游地区成为长江上游典型的生态环境脆弱区、川西农牧民贫困连片集中区(4个省级贫困县、1个国家级贫困县)，一直是生态建设及扶贫开发的重点区域[25-28]。

2 材料及研究方法

2.1 数据源

采用田野调查与“3S”技术相结合的方法，对岷江上游山区聚落生态位的定量信息进行提取。本研究采用的遥感数据包括3个方面：①SPOT-5(2009—2010年，5 m全色影像和10 m多光谱波段影像)数据，成像所用传感器为HRG2传感器，数据格式为GEOTIFF，产品级别为1 A；②数字高程模型(DEM)；③Google Earth三维立体影像及在线免费数据。土壤侵蚀数据来源于《阿坝州年鉴(2014)》《四川省阿坝藏族羌族自治州生态保护与建设示范区建设方案(2015—2020年)》，以及相关文献[22-30]。

2.2 遥感影像预处理

采用ERDAS IMAGINE 9.2对SPOT遥感影像进行几何校正及分辨率融合。以实地采取的控制点为地理参考，通过Google Earth三维立体影像对多光谱和全色波段数据进行校正，实现多光谱和全色波段数据的融合(图1)。

2.3 聚落生态位信息提取

聚落生态位是以聚落为中心，占有一定地理空间的实体范围，包含房屋建筑、农田、经济林地、部分斜坡草地及道路等要素的人工-自然综合体，故以融合影像为数据源，辅助区域Google Earth影像，在ArcGIS 10.2中采用目视解译法提取岷江上游山区聚落生态位空间信息，提取过程见图1。

图1 聚落生态位提取过程示例

2.4 基于DEM的海拔、坡度分级

基于DEM 数据，采用ArcGIS中Spatial Analyst模块下的表面分析功能分别提取海拔、坡度信息。海拔是影响土地利用方式的重要环境因子，随着海拔升高，大气湿度、温度等会发生明显变化，导致土地利用方式发生一定的变化。坡度对土地利用方式有着重要的影响：≤6°的坡地可以作为农用旱地或牧草地；6°～25°的坡地因耕作活动易导致水土流失，需修筑梯田或采用水保耕作法等；25°是退耕还林还牧界限；沟坡地的坡度大部分在35°以上，应以种草造林为主，提高边坡的稳定性，防止崩塌等重力侵蚀发生；45°是植树造林的上限，以自然恢复为主[29]。为了分析聚落生态位在不同地形因子上的分布特征，结合相关研究成果及研究区实际[5-6,29-30]，对聚落生态位分布的海拔、坡度进行了分级，结果见表1、2。

表1 岷江上游山区聚落生态位海拔分级 m

表2 岷江上游山区聚落生态位坡度分级

3 结果与分析

3.1 总体特征

(1)聚落生态位特征。利用ArcGIS对岷江上游山区聚落生态位的空间信息进行提取，结果(表3、图2)显示：区域内聚落生态位总共有1 667个，各县域聚落生态位面积占县域总面积比例较小，其中占比最小的理县仅为2.09%，这一定程度上反映了山区适宜的聚落生态位面积较小；5县中汶川县平均海拔最低，而松潘县位于塬面上，平均海拔最高，随着区域平均海拔升高，聚落生态位平均面积有增大趋势，松潘县聚落生态位平均面积最大，为1.14 km2，说明高海拔区域聚落生态位需要更大的资源空间以维持其生计。

(2)土壤侵蚀特征。土壤侵蚀过程是岷江上游地区一个重要的生态变化过程。当地特殊的地质构造，以及以高山峡谷为主的地貌形态，使整个区域的土壤保水保肥能力相对较弱，加上放牧、坡地垦殖等不合理的土地利用方式，在一定程度上加剧了土壤侵蚀程度[25]。总体而言，整个区域都存在不同程度的土壤侵蚀情况，其中轻度和中度侵蚀面积占区域总面积的比例超过50%。对各县域而言，松潘县微度侵蚀面积最大，强烈及以上侵蚀面积较小；汶川县轻度与中度侵蚀面积占县域总面积的比例超过30%，强烈及以上侵蚀面积占县域总面积的比例超过10%，为5县中比例最大的；理县轻度与中度侵蚀面积占县域总面积的比例在65%以上，为5县中最大的，黑水县次之，超过55%。

表3 聚落生态位总体特征

图2 聚落生态位分布

通过聚落生态位面积与区域侵蚀状况对比可以看出，岷江上游山区聚落生态位面积远小于土壤侵蚀面积，结合聚落生态位维持聚落生计的内涵及区域现状，可以判断：强烈及以上侵蚀区域不是适宜的聚落生态位区域，聚落生态位大多集中于微度到中度侵蚀区域；土壤侵蚀是该区域的一种正常的生态过程，而人类活动在一定程度上加速了这个过程，导致部分区域侵蚀程度加重，这与姜琳等[23-24]近期对岷江上游地区土壤侵蚀的研究结论一致。

3.2 不同海拔梯度上的分布特征

(1)聚落生态位海拔分布特征。表4为聚落生态位在不同海拔上的分布。由表4可知，随着海拔的升高，聚落生态位平均面积有增大趋势。理县、茂县聚落生态位大部分分布在海拔1 300～2 800 m之间，处于河谷暖温带、温带半干旱气候带(海拔2 500 m以下)及山地寒温带气候带(海拔2 500～3 000 m)；松潘县聚落生态位主要分布在海拔2 800～3 200 m之间，大部分处于山地亚寒带气候带(海拔3 000～4 000 m)，海拔3 200 m以上聚落生态位面积占比约为26%，属典型的高山聚落；汶川县聚落生态位在海拔1 300～2 200 m分布最为集中，数量约占聚落生态位总数量的59%，面积占比约为58%，海拔2 200 m以下的聚落生态位面积占比几乎达到90%；理县聚落生态位在海拔2 200～2 800 m分布最为集中，数量占比超过52%，面积占比超过57%；茂县聚落生态位集中分布于海拔1 300～2 800 m之间，其数量及面积都占到总量的95%以上；黑水县聚落生态位主要集中分布于海拔2 200～3 200 m之间，其面积占比在95%以上；松潘县聚落生态位主要集中分布于海拔2 800～3 200 m之间，其数量及面积占比均超过60%。

表4 聚落生态位垂直分布

(2)土壤侵蚀特征。根据陈国阶等[25-30]的研究成果，2010年岷江上游地区土壤侵蚀状况见表5。由表5可看出，海拔2 000 m以下，以微度与轻度侵蚀为主，但强烈及以上侵蚀面积仍占该区域面积的25%以上，该区域人类耕作活动频繁(以蔬菜类种植为主)，需要高度重视水土流失防治工作；海拔2 000～3 000 m，以微度和轻度侵蚀为主，该区域以经济林木种植为主，应采取合理的栽植方式，加快坡耕地改造的速度；强烈及以上侵蚀面积多集中在海拔3 000 m以上，尤其是海拔4 000 m以上，该区域强烈及以上侵蚀面积占比为36%，高海拔地区多分布裸地及稀疏草地，加之地势陡峻、坡度大，特别是汶川地震造成山体松动，在高强度集中降雨冲刷下极易造成滑坡、泥石流等地质灾害。

表5 岷江上游5县2010年不同海拔土壤侵蚀状况

通过分析不同海拔梯度上的分布特征，结合图3可知，该区域多为典型的山区聚落生态位，且多处于2 800 m以下的高海拔山区，主要种植旱田作物，如小麦、玉米、蔬菜，以及以苹果、花椒、核桃为主的经济林木，受年均温、积温及水分条件的限制，区域粮食及作物产量较低，为获取足够的生计支撑，大面积坡地垦殖较为普遍，这也是加速区域土壤侵蚀程度的一个重要原因。

3.3 不同坡度梯度上的分布特征

(1)聚落生态位坡度分布特征。将坡度图和聚落生态位分布图叠加，得到聚落生态位在坡度上的分布，见表6。岷江上游山区聚落生态位集中分布于15°～35°的缓斜坡及斜坡山地上，分布数量最多，面积占比最大；聚落生态位平均面积随坡度的升高有逐渐减小的趋势，说明坡度高的山地很难找到合适的聚落生态位，平均周长随着坡度升高也有减少趋势，且形状趋于简单；松潘县处在塬面上，15°以下缓坡地聚落生态位面积占比在40%以上，汶川县、理县、茂县15°以下缓地聚落生态位面积占比均在16%左右；≤6°的平缓地上，各县聚落生态位面积占比都较小，最高的松潘县还不到17%，最低的黑水县在2%以下；6°～15°的缓地上，松潘县聚落生态位面积占据明显优势，面积占比也超过25%，其次为汶川县，最低的是茂县、黑水县，都在9%左右；15°～25°的缓斜坡地上，汶川县、茂县、黑水县聚落生态位面积占比均超过30%；25°～35°的斜坡地上，汶川县、理县、茂县、黑水县聚落生态位分布面积均出现最大值，其中黑水县面积占比超过40%，数量占比超过37%；>35°以上的斜坡地上，各县聚落生态位平均面积均较小，理县面积占比最高，为27.15%。

图3 岷江上游山区不同海拔聚落生态位分布、种植结构及经济来源示意

坡度(°)指标汶川理县茂县黑水松潘≤6数量(个)15820835平均周长(km)3．194．645．393．367．77平均面积(km2)0．380．510．800．441．49总面积(km2)5．764．0816．013．5252．15占聚落总面积比(%)4．344．537．311．5516．646～15数量(个)5028343767平均周长(km)2．763．314．264．376．41平均面积(km2)0．330．330．580．561．17总面积(km2)16．339．3119．7420．7278．44占聚落总面积比(%)12．3210．339．009．1325．0415～25数量(个)1114912210775平均周长(km)2．953．274．564．385．81平均面积(km2)0．390．470．610．651．07总面积(km2)42．8223．2674．5770．0480．25占聚落总面积比(%)32．3025．8234．0330．8625．6125～35数量(个)1196312614865平均周长(km)2．933．354．524．25．81平均面积(km2)0．370．460．610．621．09总面积(km2)43．4828．9876．8691．8270．85占聚落总面积比(%)32．7932．1735．0740．4522．61>35数量(个)11078689034平均周长(km)2．413．064．173．946．62平均面积(km2)0．220．310．470．450．93总面积(km2)24．2024．4631．9640．8931．62占聚落总面积比(%)18．2527．1514．5818．0110．09

(2)土壤侵蚀特征。根据陈思旭等[16，23]对岷江上游地区土壤侵蚀特征的研究成果，随着坡度增大，山区土壤侵蚀模数有增大的趋势。岷江上游山区在坡度15°以下主要为轻度侵蚀区，侵蚀面积占区域总面积的比例接近15%；坡度15°～45°主要为中度侵蚀区，侵蚀面积最大，占比超过80%，而聚落生态位分布集中区是在坡度15°～35°之间，分布面积为755.64 km2，占整个聚落生态位总面积的70%以上，远远小于中度侵蚀区的面积；坡度45°以上区域侵蚀程度最高。上述研究成果与张建平等[17-19]的研究结论一致。结合文献[17-24]的研究成果，区域内高山裸地、稀疏林地、草地土壤侵蚀最为严重，其次是15°～25°的旱地、新退耕还林还草地，说明岷江上游山区的高陡地形是导致土壤侵蚀的主要原因，而人类活动在一定程度上加剧了土壤侵蚀。

4 结果与讨论

运用“3S”技术提取岷江上游山区聚落生态位空间信息，结合土壤侵蚀研究的相关文献成果，对两者的空间分布关系进行了分析，主要结论如下：①岷江上游山区聚落生态位总数为1 667个，总面积982.12 km2，占研究区总面积的4.38%，说明该区域适宜的聚落生态位面积较小；土壤侵蚀过程是该区一个重要的生态变化过程，整个区域都存在不同程度的土壤侵蚀，以中度及以下侵蚀为主，轻度和中度侵蚀面积占土地总面积的比例超过50%。②区域聚落生态位主要集中在海拔1 300～2 800 m，数量占比超过65%，面积占比超过57%，3 200 m以下聚落生态位面积占比在90%以上，数量占比超过95%，随海拔升高，聚落生态位平均面积有增大趋势，说明受气候条件及作物生长条件的限制，高海拔聚落生态位需要更大的资源空间；海拔3 000 m以下以微度和轻度侵蚀为主，强烈及以上侵蚀多集中在海拔3 000 m以上，4 000 m以上强烈及以上侵蚀面积占比在36%以上，聚落生态位分布区域与强烈侵蚀区不重叠。③聚落生态位集中分布于坡度15°～35°的缓斜坡及斜坡山地上，数量占比接近60%，面积占比超过60%。

岷江上游山区聚落生态位都集中分布在中度及以下侵蚀区域，其面积远远小于中度侵蚀区域面积，虽然部分旱作耕地侵蚀程度较高，但与强烈侵蚀区域不重叠，说明区域自然本底的脆弱性是土壤侵蚀的重要原因，而人类活动特别是不合理的耕作活动在一定程度上加剧了区域的侵蚀程度，使土壤侵蚀成为限制区域农业综合生产的重要因素之一。鉴于区域自然本底的脆弱性特征，为避免诱发社会与经济的脆弱性，做到社会、经济与生态的协调可持续发展，首先要在继续巩固退耕还林还草成果的基础上，对现有耕地加大农田基本建设力度，以改土、保土治水为重点，实施山、林、草、水、路综合治理，同时改革耕作制度，既要实施作物的复种轮作，又要重视作物熟制组合，提高农业综合生产潜力及抵御自然灾害的能力；其次要适当发展畜牧业生产，区域草地组成以高山草甸、亚高山草甸及沼泽草甸为主，地势高寒，面积大而集中，牧草种类多而富含营养、耐牧性强，但其生长具有明显的季节性，因此应合理调整畜群种类，实施划区轮牧，避免过度放牧造成草地退化和土壤侵蚀、沙化，对稀疏草地和土壤侵蚀的敏感区、易发区应特别加以保护，并适时建立人工饲草料基地，发展现代化草地畜牧业；再次要大力发展林下经济，作为四川中药材的重要产区，应大力发展中药材种植产业，拓宽农牧民增收渠道；最后要大力发展非农产业，特别是生态旅游业，走绿色发展之路，岷江上游地区作为少数民族聚居区，其特殊的历史价值、社会价值、文化价值、伦理道德价值、审美价值、生态价值和潜在的经济价值，为生态旅游开发奠定了物质基础，鉴于区域长期贫困的现状，建议构建新的减贫政策体系，既包括大的战略性山区减贫政策，又包括具体的差异化的减贫政策，如产业政策、教育培训政策、社会保障与社会管理政策等，以实现区域自主发展，摆脱贫困面貌。

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