黄淮海平原降雨和景观格局变化对土壤侵蚀的影响

吕富荣,韩 镇,2,邓龙云,杨纪君,吴泉源,乔建民

(1.山东师范大学 地理与环境学院,济南 250358;2.青岛国测海遥信息技术有限公司,山东 青岛 266000)

土壤是人类最宝贵的自然资源和生存的基础[1]。然而，土壤侵蚀在全球范围内，尤其在中国影响面积约占国土面积的37%，已成为限制当今人类生存发展的主要生态环境问题之一，严重制约着经济和社会的可持续发展[2]。影响土壤侵蚀的因素主要有降水、地形、土地利用、土壤、植被覆盖以及人类活动等。其中，降雨和土地利用是影响土壤侵蚀最为显著的因素，也是目前国内外学者研究的热点之一[3-4]。

目前，全球气候正在以变暖的趋势显著变化[5]，气温的升高会加速水文循环，从而导致降雨量增加和强降雨事件的频发[6]。而降雨强度、降雨量和降雨空间分布是影响土壤侵蚀的重要因素[7]，Wischmeier[8]早在1958年就提出在降雨动能不可得时可以采用降雨量和最大30 min降雨强度的乘积计算降雨侵蚀力。许多学者通过降雨模拟试验研究表明，随着降雨强度的增加其径流和侵蚀量也显著增加[9-11]。红壤裸露坡地土壤侵蚀变化主要是降雨强度和降雨量共同作用的结果，降雨强度是直接因素，而雨量则通过改变降雨强度，从而间接影响土壤侵蚀[12]。另外，对于地形因子较大的区域，降雨量的增多对土壤侵蚀的影响更为显著[13]。此外，有研究发现流域尺度会影响降雨和土地利用对土壤侵蚀的影响程度，随流域面积增大，降雨对土壤侵蚀的影响减小，土地利用变化的影响变大[3]。

在人类活动作用下景观格局会发生显著的变化[14-16]，从而会引起土壤侵蚀的变化。以往景观格局对土壤侵蚀影响的研究主要根据土地利用变化和景观格局指数开展的[17-19]。基于RULSE模型的深圳市土壤侵蚀研究表明，土壤侵蚀主要发生在林地和园地[20]；对黄土丘陵沟壑区的研究表明，不同的土地利用类型影响其侵蚀产沙的景观格局指标不同，其中影响较大的有草地平均斑块面积、建设用地景观面积百分比和斑块密度以及其他类型用地斑块密度[21]。以上研究大多集中于黄土高原等典型的土壤侵蚀严重的区域，对于黄淮海平原地区而言，既是农业主产区又是人口密集区，人类活动频繁，景观格局易受人类活动影响而发生剧烈变化，从而影响土壤侵蚀强度。本文基于GIS空间分析、相关分析和多元回归方法，应用USLE方程及景观格局指数方法，量化该区域降雨和土地利用变化对土壤侵蚀的影响，对土壤资源的合理利用以及减轻土壤侵蚀，治理生态环境具有重要意义。

1 研究区概况与数据源

1.1 研究区概况

黄淮海平原位于我国东部沿海地区，位于32°29′—40°34′N，112°26′—122°41′E，自北向南跨越从北京到安徽等7省市，面积近40万km2，地势低平，大部分地区海拔50 m以下，东部沿海地区海拔10 m以下，其中海拔较高的地区分布在山东省中部，海拔达到1 000 m以上。黄淮海平原属于暖温带半湿润季风气候，年均气温为11～15℃，南部地区年均温度为略高于北部，年降水量为400～1 100 mm，主要集中在夏季，年际变化较大。土壤类型以潮土为主，养分丰富，适宜耕作，作物类型以小麦、水稻、玉米为主，是我国重要粮食产区。

1.2 数据源

本文所用数据主要包括黄淮海平原土地利用数据、土壤数据、地形数据和降雨数据，见表1。

表1 数据来源

2 研究方法

2.1 土壤侵蚀强度计算

研究利用USLE模型(通用土壤流失方程)对土壤侵蚀强度进行计算，其表达式为：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A为单位面积年均土壤侵蚀量[t/(hm2·a)];R为降雨侵蚀力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)];K为土壤可蚀性因子[t·h/(MJ·mm)];L和S为地形因子,均无量纲,其中L为坡长因子,S为坡度因子;C为植被覆盖与作物管理因子,无量纲;P为水土保持措施因子,无量纲。

各因子的计算公式见文献[22—28]。其中，水土保持因子是参考已有研究成果和研究区土地利用和坡度的实际情况进行赋值。其中，林地、草地属于未采取水土保持措施的自然景观，赋值为1，水域、建设用地不发生土壤侵蚀，赋值为0，而耕地和未利用地有一定水土保持措施，受坡度影响较大，采用表2进行赋值。在本研究中，土地利用数据共有4期，以2000年土地利用数据表征2000—2004年土地利用/覆被格局，同理2005年表征2005—2009年，2010年表征2010—2014年，2015表征2015年。

表2 黄淮海平原耕地和未利用地P因子

根据《土壤侵蚀分类分级标准》，将计算得到的黄淮海平原土壤侵蚀强度划分为6个等级，见表3。

表3 土壤侵蚀分级标准

2.2 Mann-Kendall(M-K)检验和Sen′s分析

本文利用长期时间序列数据分析中经常使用的M-K非参数检验，分析了降雨量和土壤侵蚀强度在时间上的变化趋势。该方法不需要数据遵循特定的分布也不需要确定是否是线性趋势，同时也不受异常值的影响，能客观的表征趋势变化。

对于序列数据，xt=(x1,x2,…,xn)，确定所有成对值中xi,xj的大小，记为S[公式(2)和(3)]。假设对于H0，数据在序列中随机排列，趋势不显著，对于H1，序列中存在单调递增或递减的趋势。

(2)

(3)

本研究中n=15，通过Z值进行趋势检验[公式(4)]。在ɑ=0.05的显著性水平下，当|Z|≤|Z1-α/2|时接受原假设，即趋势变化不显著；当|Z|>|Z1-α/2|则拒绝原假设，则认为趋势变化是显著的。

(4)

(5)

式中：m为是序列中的节点数；ti为节点的宽度。

利用Sen′s方法来计算各个站点年降雨量变化斜率。

(6)

2.3 降雨和景观格局贡献度评价

基于2000—2015年黄淮海地区气象站点逐月降水量数据，探究降雨量的时空格局动态变化，同时采用Mann-Kendall趋势检验法(M-K)对降雨的趋势变化进行分析。依照LUCC分类体系，将2000年以来研究区内土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类，对不同年份的土地利用类型分布情况、面积和百分比、转移矩阵进行计算，分析土地利用类型的空间转移变化，并从景观和斑块两个水平，借助景观指数(表4)，分析黄淮海平原的景观格局变化。在此基础上，采用相关分析和多元回归分析方法，量化降雨和景观格局变化在土壤侵蚀变化中的贡献度。

表4 研究所用景观指数

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀强度时空分布

根据模型，同时按土壤侵蚀分级分类将土壤侵蚀因子(附图1)进行叠加后，得到土壤侵蚀强度空间分布图(附图2)，并统计了年均土壤侵蚀量(图1A)及各类型面积和百分比(表5)。在2000—2015年，黄淮海平原内土壤侵蚀以微度侵蚀为主，集中在研究区西部和南部地区，面积约为35万km2，占研究区总面积的90%以上。山东中部和东部沿海地区有轻度侵蚀和剧烈侵蚀，主要为草地和林地，地形主要为山地丘陵区，坡度较大。2000—2015年微度侵蚀区域增加了6 370 km2，由92.62%增加到94.36%；轻度侵蚀区减少了2 040 km2；在2000—2015年，中度侵蚀、强烈侵蚀和剧烈侵蚀区面积较小，低于总面积的1%，呈现先减后增趋势；剧烈侵蚀区面积下降趋势明显，由2000年2.45%降到2015年1.42%，面积减少了3 820 km2(表5)。利用M-K趋势分析方法对2000—2015年土壤侵蚀强度的变化趋势进行分析(图1B)，结果显示Z值为-2.84且绝对值大于2.32(通过置信度99%的检验)，说明土壤侵蚀强度总体呈极显著下降趋势。

图1 2000-2015年土壤侵蚀强度变化

表5 2000-2015年土壤侵蚀面积及百分比

3.2 降雨趋势分析

2000—2015年黄淮海平原年降水量分布如图2、附图3所示，2007年之前降雨变化幅度较大，2007年之后变化相对较小，数值分布在450～900 mm，整体自西北向东南增加。从年际变化看，本研究通过M-K方法来分析2000—2015年年降水量变化，得到Z值为-0.77，表明年降水量呈非显著下降趋势。

图2 2000-2015年降水量变化

为探究黄淮海平原空间上年降雨量的变化趋势，本研究采用Sen′s分析法对2000—2015年年降水量数据进行分析，以斜率正负表示该站点降水量增加或减少，以绝对值大小表示变化多少，得到附图4。研究区斜率均值为-2.81，说明整体呈降低趋势，北部东部以增长为主，中部及南部则以降低为主。其中，变化最剧烈的地区分别为山东省北、东部，变化斜率达13 mm/a以上，增长最明显；河南省南部和山东省南部，变化斜率低于-17 mm/a，降低幅度最大。

3.3 土地利用的时空格局动态变化

从空间分布上看，黄淮海平原2000—2015年的土地利用类型均以耕地、建设用地为主，耕地约占总面积的75%，建设用地约占13%。土地利用类型变化较剧烈的区域主要集中在北京和天津，有大量的耕地变为建设用地；山东省北部沿海地区，主要由草地变为耕地(附图5)。由表6可知，在各个时间段耕地面积都呈减少趋势，建设用地呈增加趋势，林地、草地、水域和未利用地变化较小，趋于稳定。

由转移矩阵(表6)可知，2000—2015年，耕地转变为建设用地最多，达8 061.08 km2；林地以转变为建设用地和耕地为主，分别有147.49，59.58 km2；草地以转变为耕地为主，有431.92 km2；水域以转变为耕地和建设用地为主，分别为454.45，341.07 km2；建设用地以转变为耕地为主，达930.87 km2；未利用地则以转变为耕地和建设用地为主，分别为242.72，184.26 km2。

表6 2000-2015年土地利用转移矩阵 km2

从景观水平上看(图3)，2000—2015年黄淮海平原斑块数量(NP)减少了659个，下降了1.8%，边缘密度上升了2.76%，平均斑块面积增大了1.83%，说明研究区小斑块数量减少，破碎度降低；香农多样性指数增加了2.40%，香农均匀度指数增加了2.39%，最大斑块占景观面积的比例下降了2.77%，说明研究区内不同土地利用类型分布更加均匀、集中。

图3 2000-2015年景观水平指数

对2015年6类土地利用类型的斑块类型水平指数与2000年指数做差，计算百分比，分析2000—2015年各土地利用类型的变化情况，得到表7。根据表中指数变化情况，林地、草地、水域和未利用地相对稳定，而耕地、建设用地则变化较大。耕地景观百分比、最大斑块占景观面积的比例、平均斑块面积和聚合度指数降低，而斑块数量、边缘密度、景观形状指数增加，说明耕地面积减少，且聚合度降低，形状更复杂，分布更分散；建设用地景观百分比、最大斑块占景观面积的比例、边缘密度、平均斑块面积和聚合度指数均有增加，而斑块数量和景观形状指数则有小幅度降低，说明建设用地扩张明显，分布更加集中。

表7 2000-2015年各土地利用类型景观指数变化情况 %

3.4 降雨和土地利用变化对土壤侵蚀的影响

3.4.1 降雨对土壤侵蚀的影响 对比2000—2015年黄淮海平原年降雨量和土壤侵蚀强度的年际变化折线图(图1A，2A)，发现二者都呈波动变化，但波动趋势并不完全一致，存在差异。尤其是在2005年、2007年，黄淮海平原降雨量较多，但土壤侵蚀强度在这两年并不高。通过分析其原因发现，土壤侵蚀强烈的区域主要集中分布在坡度比较高的林地和草地集中区，多降雨量导致2005年、2007年该区域的植被覆盖度较高，对于土壤侵蚀的发生起到了明显的抑制作用。

3.4.2 土地利用变化对土壤侵蚀的影响 分析2000—2015年黄淮海平原土地利用和土壤侵蚀强度变化，土壤侵蚀强度呈显著下降趋势，土地利用变化以耕地减少、建设用地增加为主。以土壤侵蚀强度为因变量，以景观格局指数为自变量，进行相关分析。由于不同自变量数量级差异较大，研究将所有变量进行Z-score标准化后再进行计算(表8)。从景观水平看，斑块数量与土壤侵蚀强度呈正相关，景观面积、景观性状指标、香农多样性指标和香农均匀度指标与土壤侵蚀强度呈负相关，其中斑块数量和景观面积对土壤侵蚀影响最强；从斑块类型看，斑块密度、最大斑块占景观面积比例和聚集指数与土壤侵蚀强度呈正相关，平均邻接度指数、平均形状指数和边缘密度与土壤侵蚀强度呈负相关，其中斑块密度、平均邻接度指数对土壤侵蚀影响最强。这说明，土壤侵蚀主要受土地利用类型的密度、形状和面积因素影响，斑块数量越多、形状越复杂、边界连通性越低、面积分布差别越大，土壤侵蚀越强。

表8 景观指数与侵蚀强度的相关性分析

3.4.3 降雨和土地利用变化对土壤侵蚀的影响 研究将年降水量和代表7种类别的景观格局指数与土壤侵蚀强度进行多元线性回归，最终建立的多元回归方程调整R2为0.921，F统计量为25.848，显著性p<0.01，方程为：

y=4.171×10-11+0.017PPT+0.789PD-

5.561CONTIG_MN+2.419TA-1.827AI+0.9ED+0.568SHEI

(7)

式中的年降水量(PPT)、斑块密度(PD)、平均邻接度指数(CONTIG_MN)、景观面积(TA)、聚集指数(AI)、边缘密度(ED)和香农均匀度指标(SHEI),均为标准化后的值。

通过分析降雨和景观格局对土壤侵蚀强度的影响，发现2000—2015年黄淮海平原土壤侵蚀强度变化主要受景观格局的影响(表9)。尽管降雨是土壤侵蚀的重要驱动力，但在2000—2015年，黄淮海平原降水变化不显著，在土壤侵蚀变化中的贡献度较小，仅占0.14%，在6类景观指数中，贡献率最大的为平均邻接度指数，占46.03%，其次为景观面积，占20.02%，这说明土壤侵蚀强度主要受斑块形状和面积大小的影响。此外需要注意的是，平均斑块邻近度和聚集度对于黄淮海平原区的土壤侵蚀有负作用，两者越高，该区域土壤侵蚀强度越低，它们在土壤侵蚀强度变化的贡献为61.15%。

表9 多元线性回归自变量贡献率

4 结 论

研究表明，2000—2015年，黄淮海平原的降水呈小幅度波动下降的趋势，2002年降雨量最少，2003年降雨量最多；在空间格局上，黄淮海平原降雨量自西北向东南逐渐增加；北部有所增加，中部和南部有所降低。2000—2015年黄淮海平原土地利用类型均以耕地和建设用地为主，耕地面积呈减少趋势，其中减少的耕地中有85.7%转变为建设用地；建设用地面积呈增加趋势。从景观水平上看，小斑块数量减少，破碎度降低，各土地利用类型分布更均匀。从斑块类型水平上，林地、草地、水域和未利用地相对稳定，而耕地、建设用地则变化较大。耕地聚合度降低，形状更复杂，分布更分散；建设用地聚合度增加，形状更简单，分布更加集中。

2000—2015年，黄淮海平原区土壤侵蚀强度总体呈下降趋势，土壤侵蚀量减少了42%，以微度侵蚀为主，集中在耕地和建设用地分布区。侵蚀较强地区集中分布在黄淮海平原中部和东部，该区域以林地和草地覆盖为主，土壤侵蚀强度较高主要是因为地形坡度较大、植被覆盖度不高，难以阻止水土流失的发生。与降雨相比，黄淮海平原区景观格局变化对于土壤侵蚀的影响更大，其中以斑块平均邻接度对于土壤侵蚀的影响最为显著，相同斑块间景观连通性越好，土壤侵蚀越低。