2018-2019年河南省兰考县土地利用变化对耕地风蚀的影响

高睿瑜, 张芷温, 李文龙, 李明宇,牛 勇, 张荣华, 张光灿, 袁 利, 张春强

(1.山东泰山森林生态系统国家定位研究站, 山东农业大学 林学院,山东 泰安 271018; 2.淮河水利委员会 淮河流域水土保持监测中心站 安徽 蚌埠 233001)

黄泛平原风沙预防区土地利用以耕地为主，是中国重要产粮基地，由于地处半湿润季风气候区[1]，冬春季节干旱且风速较大，加上黄河冲淤、泛滥和引黄灌溉，带来丰富的沙物质[2]，使得该区域耕地上易出现风沙活动，造成水土流失。风蚀吹蚀土壤表层颗粒，使土壤养分流失，造成耕地生产力下降。为实现防风固沙、农田防护的目的，该区域应积极开展耕地风蚀研究。

耕地风蚀受表土湿度、风速、粗糙度等因素影响，因子变化造成侵蚀变化，但对于平原风沙区而言，表土湿度、风速等出现显著年度变化的可能性较小，土地利用变化成为影响耕地风蚀的主要因素[3]。淮河流域黄泛平原风沙预防区耕种垦殖活动频繁，区域内易出现土地利用变化，如耕地变为园地、林地和建设用地等，激化了该区耕地风蚀的发生发展。因此，研究该区域内的土地利用变化对耕地风蚀的影响具有重要的意义。

国内外关于风蚀的研究多采用风洞模拟试验和风蚀模型的方法[4-9]，国内研究区域多集中在沙漠及其周围的干旱区[4,7,9-11]。对于黄泛平原风沙预防区风蚀，相关研究始于20世纪末，朱震达[12]、李福兴[13]对区域风沙土特征及其分布规律进行了探索研究，随着遥感监测、GIS技术的进步，黄泛平原风沙预防区风蚀研究内容逐渐丰富，研究尺度逐渐细化，如王友胜[1]采用遥感与野外调查结合的方法，研究了淮河流域黄泛平原风沙区的风水侵蚀格局及其驱动因子；袁利等[8]借助侵蚀模型研究了同一区域的水土流失现状与分布格局；宋胜明等[2,17]结合风蚀定位观测数据分析了风速、粗糙度等因子对耕地风蚀的影响。目前，黄泛平原风沙预防区已开展大尺度风蚀研究，但县域尺度土地利用对耕地风蚀影响的研究内容仍较少。已有的关于土地利用变化[14-16]及对土壤侵蚀影响的研究[3,15-16]关注点多为水蚀区，平原区、风蚀区所受关注较少。因此，本研究选取淮河流域黄泛平原风沙预防区兰考县为研究对象，采用2018，2019年高分辨率遥感影像，分析土地利用、耕地风蚀的年度动态变化，并探索土地利用年度变化对耕地风蚀的影响。本研究可丰富黄泛平原风沙预防区风蚀研究成果，为耕地合理利用、制定区域水土流失治理对策提供参考。

1 研究区概况

淮河流域黄泛平原风沙预防区地形平坦，旱风同季、雨热同期，地表沙物质丰富，风蚀是造成区域内水土流失的主要原因。兰考县位于预防区的中部、河南省东北部，地处黄河南岸，与东明县、祥符区、杞县、曹县接壤，县域面积1 116 km2，位于34.44°—35.01°N和114.40°—115.16°E。兰考县属暖温带大陆性季节性气候，四季分明，冬季平均风速为1,71 m/s，春季平均风速1.89 m/s，2月风速值最高，为5.9～10.95 m/s[17]；年平均降水量678.2 mm，降水主要集中在夏季；年均温约14℃。地貌以平原为主，地形起伏度低，地势西北偏高东南偏低；潮土和风沙土、盐土为主要土壤类型，质地以砂壤土为主。植被以暖温带落叶阔叶林为主，如杨树等；耕地灌溉水源充足，多水浇地，作物耕作主要为一年两熟制，主要为小麦与花生、玉米或地瓜轮作，部分区域存在一年一熟制，冬季多闲置或留茬，是风蚀易发生区域。

2 研究方法

2.1 数据类型及来源

本研究中所用数据包括高分辨率遥感影像、风速数据、粗糙度数据及表土湿度数据、土壤数据。高分辨率遥感影像为2018，2019年两期，由GF-1，GF-2和ZY-3卫星影像拼接而成，分辨率为2 m，时相以12月为主；风速数据为兰考县风蚀定位观测站及周边县市气象站实测数据；粗糙度数据来自兰考县风蚀定位观测站一年一熟、一年两熟样地小区内实测数据；表土湿度数据(SMAP Level 3土壤湿度产品)来源于NASA网站(http:∥earthdata.nasa.gov/)。土壤数据为河南省土壤类型图(1∶500 000)，用于辅助分析。

2.2 土地利用

2.2.1 土地利用解译 依据兰考县两期遥感影像的色彩、纹理、形状等特征，参考《区域水土流失动态监测技术规定》中土地利用分类标准，结合区域实际情况，借助ArcGIS 10.2，Google Earth等进行人机交互解译，生成用土地利用代码(表1)表示的SHP图层，进而提取兰考县2018，2019年2 a的土地利用(2级类)数据。

表1 土地利用分类代码

2.2.2 土地利用变化 借助单一土地利用动态度指数、转移矩阵[18]及变化图分析土地利用变化的幅度、类型和空间分布。叠加2018，2019年土地利用图，对比数据，生成年度土地利用变化图、年度土地利用转移矩阵。

单一土地利用动态度指数(K1)可反映一定时间内各土地利用类型的变幅和变速[19]，计算公式为：

(1)

式中：Ua,Ub表示研究始、末某一土地利用类型的面积;T表示研究时间(年)。

2.3 耕地风蚀

2.3.1 耕地风蚀量 本研究借助ArcGIS 10.2的Raster Calcularor功能，运行第一次全国水利普查(风蚀)中的耕地模型(式2)，计算2018，2019年的耕地土壤侵蚀量：

(2)

式中：Qfa表示耕地风蚀模数〔t/(hm2·a)〕；W表示表土湿度因子(%);Tj表示一年内风蚀发生期间各风速等级的累积时间(min)；Z0表示地表粗糙度,无量纲;A表示与耕作措施有关的风速修订系数,无量纲,取值0.893；Uj表示j等级的平均风速(m/s)；j表示风速等级序号,耕地临界侵蚀风速为5 m/s,在5～40 m/s内按1 m/s为间隔划分为35个等级;a1,b1,c1是与土壤类型有关的常数,无量纲,分别取值-9.208,0.018,1.955。

(1) 风力因子。据兰考县风蚀定位站及周边县市2013—2019年风速观测数据，按1 m/s的间隔统计临界侵蚀风速以上各等级风速的累积时间，生成24个半月10 m空间分辨率的栅格数据。

(2) 地表粗糙度因子。依据兰考县风蚀定位观测站实测数据，结合野外调查中对农作物类型、盖度及高度的调查结果，对一年一熟、一年两熟制的耕地进行粗糙度赋值，生成24个半月10 m空间分辨率的栅格数据。

(3)表土湿度因子。对2015—2018年SMAP Level 3数据进行预处理，相同半月数据取平均，得24个半月10 m空间分辨率的栅格数据。2015—2017年数据取平均用于2018年土壤侵蚀量计算，2015—2018年数据用于2019年土壤侵蚀量计算。

计算所得的Qfa依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[20]进行侵蚀强度判定，得兰考县2018，2019年耕地风蚀图。

2.3.2 侵蚀动态变化 借助侵蚀动态度指数(K2)、侵蚀变化图、侵蚀转移矩阵分析兰考县侵蚀动态变化情况。将2018，2019年耕地风蚀图进行对比、叠加分析，生成侵蚀变化图、侵蚀转移矩阵。

侵蚀动态度指数(K2)可反映某时间段各级侵蚀的变幅，计算公式为：

(3)

式中：Sa,Sb表示研究始、末各级侵蚀的分布面积;T表示研究时间(a)。

3 结果与分析

3.1 土地利用现状和年度变化

3.1.1 土地利用现状 根据所得兰考县土地利用类型面积(表2)和转移矩阵(表3)可知，兰考县土地利用以耕地为主，其次为建设用地和林地。2019年，耕地面积695.14 km2，占全县总面积的62.29%；建设用地面积234.60 km2，占21.01%，林地86.36 km2，占7.74%。耕地以水浇地为主，面积为678.29 km2，占耕地面积的99.16%；水田面积5.80 km2，无旱地分布。

3.1.2 土地利用年度变化 兰考县2018—2019年土地利用变化如表2—3。2018—2019年出现土地利用类型变化的区域共21.40 km2，面积变化(表2)最明显的是耕地，其面积由695.14 km2(占全县面积62.29%)变为684.09 km2(占全县面积61.30%)，减少11.05 km2；林地、草地变化次之，林地面积由81.12变为86.36 km2，增加5.24 km2；草地面积增加3.08 km2；水域及水利设施用地面积增加2.33 km2；建设用地面积增加2.22 km2；园地面积减少1.22 km2；交通运输用地面积减少0.7 km2；其他土地面积最少，为0.1 km2。在动态度方面，草地变化幅度最大，动态度为148.08%；其次为林地、园地，动态度分别为6.46%，-5.94%；耕地虽面积变化较大，但分布较多，动态度仅为-1.59%。变化区域在全县均有分布，西部和北部相对较多。

表2 兰考县2018-2019年各土地利用类型面积及变化

耕地变化以水浇地为主，2018—2019年，兰考县水浇地面积由688.93 km2(占全县面积61.73%)变为678.29 km2(占全县面积60.78%)，减少10.64 km2，动态度为1.54%。水浇地占耕地面积比例由99.11%增至99.16%(表3)。

表3 兰考县2018-2019年土地利用转移矩阵 km2

由土地利用转移矩阵(表3)可知，水浇地转出面积为16.28 km2，转入面积为5.64 km2。水浇地的变化中，面积最大为水浇地变为其他林地，面积为7.19 km2，造成此变化的原因是高速公路两侧土地由种植农作物改为绿化苗木，主要分布在孟寨乡、仪封乡、爪营乡(图1)；其次为水浇地变为采矿用地，面积2.78 km2，原因是建设用地扩建，在农田上进行生产建设活动，出现扰动，主要出现在城关镇和许河乡；而水浇地变为人工牧草地则是由畜牧公司承包河岸农田用于种植牧草导致，面积1.79 km2，主要集中出现在谷营镇；有林地、果园变为水浇地是由土地作物变更造成，面积分别为1.46，1.31 km2。

图1 兰考县2018-2019年土地利用类型分布

3.2 耕地风蚀现状和动态变化

3.2.1 侵蚀现状 兰考县耕地风蚀主要为微度侵蚀，其次为轻度侵蚀(图2—3)，2019年轻度侵蚀面积123.41 km2，占耕地总面积的18.19%，主要分布于仪封乡、葡萄架乡、谷营镇的西北部、张君墓镇南部和西部以及三义寨乡的南部。易发生侵蚀的耕地主要为：①耕作制度为一年一熟制，冬季闲置；②沙土、小两合土、草甸风沙土的分布区域。建造大棚或覆盖地膜种植作物的耕地上无侵蚀；冬春季侵蚀强度高于夏秋季；集中分布在坡度<2°的水浇地上。

图2 兰考县2018-2019年耕地风蚀面积分布

图3 兰考县耕地风蚀动态变化特征

3.2.2 侵蚀动态变化 由图2—3可知，2018—2019年兰考县微度侵蚀面积增加6.4 km2，动态度1.17%；轻度侵蚀减少17.04 km2，动态度为-12.13%，水土流失面积减少。侵蚀强度增加区域主要在仪封乡、葡萄架乡，侵蚀强度下降区域主要在仪封乡、张君墓镇、城关镇、三义寨乡、谷营镇、东坝头乡等区域。

3.3 土地利用年度变化对耕地风蚀影响

运用ArcGIS 10.2的Tabulate Area工具，选定土地利用与侵蚀均发生变化的区域，将耕地风蚀变化图、土地利用变化图叠加分析，统计矩阵数据，分析得到土地利用年度变化对耕地风蚀的影响结果(表4)。

表4 兰考县2018-2019年土地利用变化、土壤侵蚀动态变化对应关系

土地利用变化会造成耕地风蚀动态变化，水浇地的变化对耕地风蚀存在直接影响，两者存在以下3种关系：①水浇地转为水田、果园、有林地、其他林地、人工牧草地、其他草地、沙地时，耕地风蚀面积可能减少，其他类型风蚀面积增加，侵蚀强度降低，该变化区域涉及风蚀减少1.78 km2。②水浇地转为城镇建设用地、农村建设用地、采矿用地、其他交通用地和河湖库塘时，耕地风蚀面积可能减少，该变化区域涉及风蚀减少1.58 km2。③水田、果园、有林地、农村建设用地、采矿用地转为水浇地时，耕地风蚀分布面积可能增加，该变化区域涉及风蚀增加0.98 km2。

当水浇地变为其他土地利用方式时，耕地风蚀分布面积减少，侵蚀强度降低，耕地风蚀出现积极变化；当林园草地变为水浇地时，耕地风蚀面积增加，侵蚀模数升高；当水田、建设用地等变为水浇地时，无风蚀的区域出现微度或轻度风蚀，且耕地风蚀面积增加。水浇地转出使侵蚀多产生积极动态变化，转入使侵蚀产生消极动态变化。

4 讨论与结论

(1) 兰考县主要土地利用类型为耕地、林地和建设用地，耕地以水浇地为主；2018—2019年，土地利用变化较明显，耕地面积变化最大，草地变幅最大，主要变化为水浇地变为其他林地，面积为7.19 km2；水浇地转出面积大于转入。对比王友胜[1]、袁利等[8]对淮河流域黄泛平原风沙预防区土地利用的研究，本研究结果与之吻合。不同之处在于，本研究分析了县域尺度的土地利用现状及其空间分布特征，研究区域细化，且增加了年度土地利用变化内容，研究内容更加丰富。

(2) 兰考县耕地风蚀主要为微度侵蚀，其次为轻度侵蚀，轻度侵蚀主要分布在仪封乡、葡萄架乡等地。2018—2019年，轻度侵蚀面积减少17.04 km2。对比其他相关研究[1,8,21]，区域内风蚀强度主要为微度和轻度，本研究中耕地风蚀特征与之一致，但研究区域尺度细化，还分析了侵蚀的年度动态变化，数据更为直观。

(3) 兰考县水浇地变化直接影响耕地风蚀。当水浇地转为水田、林园草地及沙地，耕地风蚀面积减少，侵蚀强度降低；水浇地转为建设用地、其他交通用地和河湖库塘，区域内无风蚀；当水田、林园地、建设用地转为水浇地，耕地风蚀面积增加，侵蚀强度升高。

本研究分析了豫东北黄泛平原风沙预防区典型县——兰考县土地利用、耕地风蚀的分布规律及其动态变化特征，探索了年度土地利用变化对耕地风蚀的影响，总体结论与同类研究相比具有一定可信度，可为黄泛平原风沙预防区水土流失动态监测提供相关依据。但水土保持监测技术持续进步，风蚀相关内容关注度仍在提高，研究内容可进一步丰富和补充。