南方紅壤侵蝕區(qū)土壤肥力質(zhì)量與人為活動(dòng)可達(dá)性的空間關(guān)系——以福建長(zhǎng)汀縣朱溪流域?yàn)槔?br/>

陳志強(qiáng)，陳志彪?，陳海濱，陳麗慧

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，350007，福州;2.福建省漳州測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，363000，福建漳州)

可達(dá)性是指從空間中任意一點(diǎn)到達(dá)目的地的難易程度，反映了人們到達(dá)目的地過(guò)程所克服的空間阻力大小，常用距離、時(shí)間和費(fèi)用等指標(biāo)來(lái)衡量［1－2］?？蛇_(dá)性的概念由W.G.Hansen［3］在1959 年提出，用于衡量交通網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)相互作用機(jī)會(huì)的大小。時(shí)間地理學(xué)、交通地理學(xué)、區(qū)域經(jīng)濟(jì)學(xué)、城市經(jīng)濟(jì)學(xué)的很多概念均建立在可達(dá)性基礎(chǔ)之上［4－5］?？蛇_(dá)性的研究無(wú)論在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象，還是在揭示區(qū)域空間結(jié)構(gòu)演變機(jī)制和模擬城市動(dòng)態(tài)演變過(guò)程等方面均取得了重大進(jìn)展，已經(jīng)成為決定個(gè)人生活方式和區(qū)域前景的一個(gè)關(guān)鍵性的因素［6］。由于可達(dá)性可以表征人們到達(dá)一個(gè)既定目標(biāo)的難易程度，如景觀生態(tài)學(xué)中景觀客體的可接近性程度，而這種難易程度反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)目標(biāo)的格局產(chǎn)生影響［7－8］，因而可達(dá)性可作為目標(biāo)變化的驅(qū)動(dòng)因素之一［9－10］。目前，可達(dá)性已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于交通、城市、自然景觀等方面［11］，但在南方紅壤侵蝕區(qū)，以可達(dá)性表征人為活動(dòng)影響并分析可達(dá)性與土壤肥力質(zhì)量之間關(guān)系的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

我國(guó)南方紅壤地區(qū)面積約203 萬(wàn)5 300 km2，占全國(guó)土地總面積的21%，水土流失面積超過(guò)60 萬(wàn)km2，是南方面積最大、墾殖指數(shù)最高、水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域，部分地域曾一度成為南方的“紅色沙漠”［12］。筆者以南方紅壤侵蝕區(qū)典型代表朱溪流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，以“3S”技術(shù)為平臺(tái)，利用最小耗散距離構(gòu)建人為活動(dòng)可達(dá)性，揭示可達(dá)性對(duì)土壤肥力質(zhì)量空間分布的影響，以期為類似區(qū)域在水土保持、生態(tài)恢復(fù)和調(diào)控等方面提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

朱溪流域地理位置E 116°23'30″～116°30'30″，N 25°38'15″～25°42'55″，地處福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)東部，總面積4 495 萬(wàn)6 600 hm2。早在1940 年，福建省研究院即在該流域設(shè)立了土壤保肥試驗(yàn)區(qū)，開(kāi)展了土壤侵蝕治理的試驗(yàn)研究;解放后至20 世紀(jì)90 年代初，歷經(jīng)多次治理，但由于種種原因，流域的土壤侵蝕問(wèn)題未能根治［13］;1995 年以來(lái)，由于典型性和代表性，該流域先后被列為福建省重點(diǎn)治理小流域、全國(guó)水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)“十百千”示范小流域［14］和全國(guó)30 條典型監(jiān)測(cè)小流域之一。

朱溪流域地貌以低山、丘陵為主，河流沿岸分布有河谷盆地;氣候?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)性濕潤(rùn)氣候，多年平均氣溫18.3 ℃，多年平均降水量1 700 ～2 000 mm［13］;山地土壤主要為花崗巖在長(zhǎng)期濕熱氣候條件下風(fēng)化發(fā)育而成的紅壤、侵蝕紅壤，抗蝕性極差，酸性較強(qiáng)，保水保肥能力較低［13］;由于長(zhǎng)期人為破壞，原始植被幾乎全部為次生林所代替。在實(shí)施水土保持措施前，侵蝕較強(qiáng)的區(qū)域植被蓋度僅5%～10%，年生長(zhǎng)量極低，樹(shù)種單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單［13－14］。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 土壤肥力質(zhì)量因子提取與肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)

于2009 年7 月在研究區(qū)內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的土壤采樣，共采集土壤樣品118 個(gè)，其中以等高線圖方里網(wǎng)交叉點(diǎn)確定樣點(diǎn)50 余個(gè)，即1 點(diǎn)/km2，同時(shí)對(duì)重點(diǎn)土地利用類型和不同地形部位進(jìn)行加密，并兼顧不同土壤類型、巖性類型、水土流失類型和治理措施類型。測(cè)定的土壤肥力質(zhì)量因子有土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀、速效鉀、密度、pH 值和＜2 μm 黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)定方法見(jiàn)表1。

為避免人為主觀因素的干擾，采用SPSS 軟件中的主成分分析法，以特征值大于1 作為選取主因子的條件，并由因子載荷矩陣提取公因子方差，最后確定各因子的權(quán)重值(表1)。參照表2［15］，對(duì)各因子圖層進(jìn)行加權(quán)疊加，重分類后得到朱溪流域土壤肥力質(zhì)量等級(jí)圖(圖1)。

表1 朱溪流域土壤肥力質(zhì)量因子測(cè)定方法及權(quán)重Tab.1 Determination methods and weights of soil fertility quality factors in Zhuxi Watershed

2.2 人為活動(dòng)可達(dá)性構(gòu)建

在ArcGIS 中對(duì)研究區(qū)1∶1萬(wàn)地形圖進(jìn)行數(shù)字化，建立數(shù)字高程模型。以水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》及《全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與公告項(xiàng)目實(shí)施方案》為依據(jù)，并參考陳志彪等［13］對(duì)河田鎮(zhèn)根溪流域侵蝕景觀的研究，對(duì)高程和坡度進(jìn)行分級(jí)。

依據(jù)野外調(diào)查所建立的遙感解譯標(biāo)志，對(duì)SPOT 5影像進(jìn)行屏幕判讀，輔以專家相關(guān)知識(shí)，標(biāo)注土地利用現(xiàn)狀信息和可疑變化信息，通過(guò)詳細(xì)野外驗(yàn)證與補(bǔ)判，以及查閱相關(guān)數(shù)據(jù)，咨詢相關(guān)專家，逐個(gè)圖斑進(jìn)行核實(shí)［16］;根據(jù)野外崩崗調(diào)查資料及崩崗管理圖，逐一確定崩崗類型和位置;將崩崗類型位置信息與土地利用現(xiàn)狀信息合并，生成土地利用類型圖。

表2 朱溪流域土壤肥力質(zhì)量因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Classifying standards of soil fertility quality factors in Zhuxi Watershed

圖1 朱溪流域土壤肥力質(zhì)量等級(jí)圖Fig.1 Quality distribution of soil fertility in Zhuxi Watershed

最小耗費(fèi)距離是指從“源”經(jīng)過(guò)不同阻力的景觀組分所耗費(fèi)的費(fèi)用或者克服阻力所做的功，能夠測(cè)定多種空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程，實(shí)質(zhì)上反映了景觀對(duì)某種空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程的景觀阻力［15，17］，其基本公式為式中: C 為最小耗費(fèi)距離;fmin是最小耗費(fèi)距離函數(shù);Dij是從源j 到空間某一點(diǎn)所穿越的某景觀的基面i的空間距離;Ri是景觀對(duì)基面i 運(yùn)動(dòng)的阻力［18］。

計(jì)算最小耗費(fèi)距離需要確定3 個(gè)要素:“源”、阻力層和阻力值［17］?！霸础本哂袃?nèi)部同質(zhì)性和向四周擴(kuò)張或向“源”本身匯集的能力，居民點(diǎn)和交通用地是人為活動(dòng)最密集的地類，可確定為最小耗費(fèi)距離的“源”;根據(jù)前人研究成果及研究區(qū)實(shí)際情況，人為活動(dòng)的移動(dòng)主要受地形(相對(duì)高度、坡度)、土地利用類型等多種因素影響，因此，選取相對(duì)高度、坡度、土地利用類型、距離居民點(diǎn)和交通用地的遠(yuǎn)近作為最小耗費(fèi)距離的阻力層，并根據(jù)專家打分法確定阻力值(表3)。應(yīng)用ArcGIS 的耗費(fèi)距離(cost distance)命令，計(jì)算每個(gè)像元離“源”的最小耗費(fèi)距離，最終生成朱溪流域人為活動(dòng)可達(dá)性分布圖(圖2)。

表3 朱溪流域人為活動(dòng)可達(dá)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Classifying standards of human activities accessibility in Zhuxi Watershed

圖2 朱溪流域人為活動(dòng)可達(dá)性分布圖Fig.2 Human activities accessibility in Zhuxi Watershed

3 土壤肥力質(zhì)量與人為活動(dòng)可達(dá)性的空間關(guān)系

朱溪流域土壤肥力質(zhì)量等級(jí)圖與人為活動(dòng)可達(dá)性分布圖疊加結(jié)果見(jiàn)表4。可以看出，人為活動(dòng)可達(dá)性“很困難”級(jí)別中，52.30%土壤肥力質(zhì)量為“中等”，34.74%為“差”，11.55%為“很差”;“困難”級(jí)別中，25.65%土壤肥力質(zhì)量為“中等”，48.59%為“差”，22.15%為“很差”;“中等”級(jí)別中，15.91%土壤肥力質(zhì)量為“中等”，52.18%為“差”，29.32%為“很差”?？梢?jiàn)人為活動(dòng)可達(dá)性從“中等”到“困難”到“很困難”，土壤肥力質(zhì)量總體呈上升趨勢(shì)。究其原因，該3 種可達(dá)性區(qū)域的可達(dá)性難度逐漸增大，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)利用難度增大，人為活動(dòng)的干擾程度相對(duì)減少，因此，沒(méi)有出現(xiàn)較嚴(yán)重的土壤侵蝕。如紅畬水庫(kù)東部中低山區(qū)，由于地勢(shì)起伏大，無(wú)道路可通達(dá)，人跡罕至，加之多年來(lái)采取封禁治理措施，提倡生態(tài)自我修復(fù)，因而該區(qū)域土壤侵蝕較輕，土壤肥力質(zhì)量總體較高。

人為活動(dòng)可達(dá)性“容易”和“很容易”2 個(gè)級(jí)別中，分布著所有的“很好”和大部分“好”2 個(gè)土壤肥力質(zhì)量級(jí)別，這2 個(gè)級(jí)別主要分布在流域下游農(nóng)田地區(qū)，但同時(shí)，“容易”和“很容易”2 個(gè)級(jí)別所在區(qū)域地勢(shì)低緩且水熱等自然條件較好，容易開(kāi)發(fā)利用，加之人口密度大，人類活動(dòng)強(qiáng)度大，如坡地開(kāi)發(fā)成園地、工礦開(kāi)采、鐵路及高速路修建等，使自然植被受到破壞，導(dǎo)致土壤肥力質(zhì)量出現(xiàn)較低級(jí)別。由此可見(jiàn)，人為活動(dòng)既可以把土壤改良為肥力較高的土壤，也會(huì)對(duì)土壤造成較大的破壞，具有雙面性。

表4 人為活動(dòng)可達(dá)性與土壤肥力質(zhì)量的關(guān)系Tab.4 Relationship between soil fertility quality and human activities accessibility

4 結(jié)論與討論

1) 人為活動(dòng)可達(dá)性對(duì)土壤肥力質(zhì)量具有重要影響。人為活動(dòng)可達(dá)性難度增大往往導(dǎo)致開(kāi)發(fā)利用成本上升，人為活動(dòng)的干擾程度相對(duì)減少，從而減少土壤侵蝕和植被破壞，維持土壤肥力質(zhì)量。

2) 人為活動(dòng)既可以把土壤改良為肥力較高的土壤，也會(huì)對(duì)土壤造成較大的破壞，具有雙面性。

要深入了解土壤肥力質(zhì)量的影響機(jī)制，不僅需要對(duì)人為活動(dòng)進(jìn)行靜態(tài)分析，還需進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。在今后的研究中，應(yīng)加強(qiáng)人為活動(dòng)的影響途徑、作用強(qiáng)度和作用尺度的量化研究，特別是一些機(jī)制性問(wèn)題的精確量化表達(dá)，從而調(diào)控人為活動(dòng)的作用方向和速率，促使其在區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮積極的正向作用。

在研究過(guò)程中，得到長(zhǎng)汀縣水土保持局的大力支持與合作，在此表示感謝。

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