基于馬爾科夫模型土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化研究
——以西安都市圈為例

劉少佳, 任志遠(yuǎn), 楊文艷,3, 周忠學(xué)

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 西安 710119; 2.陜西師范大學(xué) 西北國土資源研究中心,西安 710119; 3.陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究院, 西安 710062)

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基于馬爾科夫模型土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化研究
——以西安都市圈為例

劉少佳1,2, 任志遠(yuǎn)1,2, 楊文艷1,2,3, 周忠學(xué)1,2

(1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院, 西安 710119; 2.陜西師范大學(xué) 西北國土資源研究中心,西安 710119; 3.陜西師范大學(xué) 西北歷史環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展研究院, 西安 710062)

以西安都市圈為研究區(qū)域，采用遙感影像、DEM和經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過RS和GIS技術(shù)，結(jié)合通用水土流失方程(RUSLE)，對(duì)2000年、2005年和2010年西安都市圈土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化情況做定量估算分析。在定量計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)2015年、2020年、2025年的土壤侵蝕演變情況。結(jié)果表明：(1) 2000—2010年，從時(shí)間特征上來看，西安都市圈土壤侵蝕呈減小趨勢(shì)；從空間特征來看，北部和南部區(qū)域土壤侵蝕比較嚴(yán)重，中心區(qū)域相對(duì)較輕。(2) 2000—2010年，各類土壤侵蝕類型面積主要趨于由較高轉(zhuǎn)向較低等級(jí)侵蝕類型，說明西安都市圈土壤侵蝕強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)。(3) 從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，2015—2025年，微度侵蝕面積在逐年增加，輕度及以上類型的面積逐年減少，整體呈良性發(fā)展趨勢(shì)。

西安都市圈; 土壤侵蝕; 動(dòng)態(tài)變化; 馬爾科夫模型

土壤侵蝕是土地資源破壞的主要原因，近幾十年期間，我國土壤資源遭到嚴(yán)重破壞，土壤肥力嚴(yán)重流失，土地生產(chǎn)力下降，生態(tài)環(huán)境日益惡化，對(duì)人類的生存和發(fā)展環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，目前各國學(xué)者都很關(guān)注的土壤侵蝕問題[1-3]，針對(duì)土壤侵蝕問題，土壤侵蝕模型是衡量土壤侵蝕量的重要工具。國內(nèi)外學(xué)者在土壤侵蝕方面做了大量研究，取得了豐碩的研究成果，美國學(xué)者[4]最早提出通用土壤流失方程USLE，用于計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，隨著后期不斷發(fā)展，美國農(nóng)業(yè)部又對(duì)通用土壤流失方程做了進(jìn)一步修正,頒布RUSLE模型[5]。20世紀(jì)70年代，我國將修正后的美國通用土壤流失方程引入國內(nèi)，我國學(xué)者在此模型的基礎(chǔ)上，從土壤侵蝕各影響因子以及土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型等方面做了大量的研究。其中，萬廷朝[6]以徑流監(jiān)測(cè)資料為基礎(chǔ)，探討了降雨侵蝕力因子和地形因子的相互關(guān)系以及對(duì)水土流失的作用，陳德林等[7]也研究分析了降雨侵蝕力因子，有較好的代表性。鑒于很多地區(qū)相關(guān)資料不夠全面，當(dāng)前，以USLE/RUSLE為代表的水土流失模型結(jié)合GIS和RS技術(shù)仍是應(yīng)用最為廣泛的模型。馬爾科夫(Markov)預(yù)測(cè)模型[8]由俄國數(shù)學(xué)家Markov A A在1907年用數(shù)學(xué)方法研究布朗運(yùn)動(dòng)過程時(shí)發(fā)現(xiàn)的一種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是根據(jù)目前時(shí)間的情況預(yù)測(cè)未來各個(gè)時(shí)刻(或時(shí)期)變動(dòng)狀況的一種預(yù)測(cè)方法，是地理預(yù)測(cè)中常用的重要方法，它的轉(zhuǎn)移過程具有“無后效性”。目前馬爾科夫預(yù)測(cè)模型在很多方面得到廣泛應(yīng)用，主要用于土地利用變化，土壤侵蝕，降雨以及人口等預(yù)測(cè)研究中，是一種具有可行性的地理預(yù)測(cè)方法。

鑒于此，本文采用美國通用水土流失方程USLE(universal soil loss equation)，結(jié)合GIS和RS技術(shù),對(duì)西安都市圈2000年、2005年、2010年土壤侵蝕量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)該區(qū)域土壤侵蝕的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上采用馬爾科夫模型，預(yù)測(cè)分析該區(qū)域土壤侵蝕的演變趨勢(shì)，以期為該區(qū)域水土保持措施優(yōu)化配置以及水土保持宏觀決策提供支持。

1 研究區(qū)域概況

1.1 研究區(qū)概況

西安都市圈由西安市全部及咸陽市的部分區(qū)縣構(gòu)成，共22個(gè)區(qū)縣，其中包括西安市全部(九區(qū)四縣)，咸陽市兩區(qū)六縣與楊凌區(qū)，總面積約為14 995 km2。該區(qū)域主要包括渭河、涇河平原，中部臺(tái)塬區(qū)，北部高原丘陵區(qū)三種地貌特征，地形由東南向西北呈階梯形,西安都市圈地處南北過渡地帶，背靠秦嶺，土地資源肥沃，年均降雨量為600～800 mm，光熱條件較好，氣候溫和，屬暖溫帶半濕潤的季風(fēng)氣候，并面向關(guān)中平原,適宜發(fā)展各種新型的都市農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)林帶以及設(shè)施農(nóng)業(yè)，是關(guān)中平原農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)以及人口分布最密集的地帶。

當(dāng)前本區(qū)水果、蔬菜和畜牧品的品質(zhì)享譽(yù)全國，已經(jīng)建成國內(nèi)較大的櫻桃以及葡萄和厚皮甜瓜生產(chǎn)基地，其番茄和獼猴桃生產(chǎn)在全國占有重要地位，還有較好的奶牛養(yǎng)殖基地，并形成了獨(dú)具特色的生態(tài)型、產(chǎn)業(yè)型和現(xiàn)代型的多元化都市農(nóng)業(yè)。然而，該區(qū)域伴隨著城市化快速擴(kuò)張，環(huán)境問題日益突現(xiàn)，水土流失嚴(yán)重，尤其在臨潼、周至縣西南地區(qū)、戶縣、藍(lán)田、長安等區(qū)域土壤侵蝕尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤肥力流失，土地生產(chǎn)力下降，因此，研究土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化對(duì)于提高該區(qū)域水土保持措施優(yōu)化配置以及水土資源保護(hù)具有重要的意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的主要數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)采用Landsat 7衛(wèi)星影像，主要用于解譯農(nóng)業(yè)土地利用。DEM數(shù)據(jù)主要用于提取LS因子，并在ArcGIS軟件中結(jié)合其它土壤侵蝕影響因子來計(jì)算土壤侵蝕量。經(jīng)濟(jì)社會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來源于實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)以及各種統(tǒng)計(jì)年鑒，統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)主要包括2001年、2006年以及2011年西安市全部和咸陽部分區(qū)縣的統(tǒng)計(jì)年鑒以及楊凌實(shí)地調(diào)研和相關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 水土流失模型 土壤侵蝕模數(shù)采用美國修正土壤流失方程(RUSLE)得到[9]，其表達(dá)式為：

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中：A——土壤侵蝕量[t/(hm2·a)]；R——降雨及徑流因子[10][(MJ·mm)/(hm2·h·a)]；K——土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)]；L——坡長因子；S——坡度因子；C——地表植被覆蓋因子；P——土壤保持措施因子，它們是無量綱因子。R值是降雨因子，是引起土壤流失的最重要的因子，通過計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力R值，使用Krige方法在GIS軟件中進(jìn)行空間內(nèi)插運(yùn)算，得到年降雨侵蝕力的空間分布因子?xùn)鸥駡D。R值的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：ji——第i月降水量。K值反映了土壤的抗蝕能力，K值越大，土壤抗蝕性越差，反之越強(qiáng)。由于運(yùn)用諾謨圖法和粒級(jí)計(jì)算法確定K值需要較多參數(shù)，因此本文參考呂世海[11]、岑奕[12]等的研究，通過查表法獲取西安都市圈各類土壤的K值，并錄入西安都市圈土壤類型分布圖，在GIS軟件中轉(zhuǎn)換為柵格圖層。K值乘以0.131 7由美國制轉(zhuǎn)換為國際制。L是坡長因子，S是坡度因子，等于其他條件相同時(shí)實(shí)際坡度與9%坡度相比土壤流失比值；由于L和S因子經(jīng)常影響土壤流失，因此，稱LS為地形因子，以示其綜合效應(yīng)；

坡長坡度因子(LS)的計(jì)算公式[13]如下：

LS=(λ/22.1)m(65.41sin2θ+4.56sinθ+0.065)

(3)

m=β/(1+β)

(4)

β=(sinθ/0.0896)/[3.0(sinθ)0.8+0.56]

(5)

式中：L——坡長因子；λ——坡長(m)；m——坡長指數(shù)；β——細(xì)溝侵蝕和細(xì)溝間侵蝕的比率；θ——坡度。

植被覆蓋指數(shù)因子(C)指不同地面植被覆蓋狀況對(duì)土壤侵蝕的影響，與土地利用類型、植被覆蓋度密切相關(guān)[14]，計(jì)算公式為：

(6)

fC=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)

(7)

式中：fC——植被覆蓋度[15]；歸一化植被指數(shù)(NDVI)——目前應(yīng)用最廣的植被指數(shù)，可以很好地反映地表植被的繁茂程度，植被覆蓋度與NDVI有較好的相關(guān)關(guān)系。利用2000年、2005年、2010年的TM遙感影像圖在Erdas軟件下通過計(jì)算來獲取這三年的歸一化植被指數(shù)值(NDVI)，NDVIV，NDVIS表示植被整個(gè)生長季NDVI的最大值和最小值。C值為0～1，其中，0為不發(fā)生侵蝕的地區(qū)，1為未采取任何控制措施的地區(qū)，用GIS軟件通過運(yùn)算得到C因子?xùn)鸥駡D。

研究表明，梯田(等高)耕作方式是最有效的水土保持措施之一，但當(dāng)坡度大于24%時(shí)，等高耕作對(duì)水土保持的效果就不明顯[16]。本文通過土地利用現(xiàn)狀圖，確定不同土地利用方式的土壤保持措施因子(P值)，其中，城鄉(xiāng)工礦居民用地、水域的P值為0；耕地的P值為0.35；草地、林地、未利用地基本上沒采取水土保護(hù)措施，取值1。將該值分別錄入2000年、2005年、2010年的土地利用分布圖中，在GIS軟件下生成水土保持措施因子?xùn)鸥駡D。

1.3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn) 土壤侵蝕強(qiáng)度的劃分依據(jù)國家2008年開始實(shí)施的水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007》[17]，土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)如表1所示。

表1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)

1.3.3 馬爾科夫模型 馬爾科夫(Markov)模型是一種關(guān)于事件發(fā)生的概率預(yù)測(cè)方法，是地理預(yù)測(cè)中常用的重要方法之一。通過對(duì)某事件的不同初始狀態(tài)概率以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的研究來確定其將來各個(gè)狀態(tài)的變化趨勢(shì)，從而達(dá)到對(duì)未來趨勢(shì)的預(yù)測(cè)目的。它表明在t時(shí)刻所研究事件的狀態(tài)概率只與前一時(shí)刻t-1的狀態(tài)有關(guān)，而與t-1之前的狀態(tài)概率無關(guān),即狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的無后效性[18]。用該模型研究土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化是可行的，因?yàn)樵搮^(qū)域土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)演變過程符合馬爾科夫模型的性質(zhì)：在一定研究區(qū)域內(nèi)，各類土壤侵蝕強(qiáng)度之間可以相互轉(zhuǎn)化；在不同時(shí)期，其轉(zhuǎn)移過程受前一時(shí)刻狀態(tài)的影響。在生成區(qū)域土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣的基礎(chǔ)上，該模型被用于預(yù)測(cè)特定時(shí)刻下土壤侵蝕演變的未來趨勢(shì)[19-22]。

運(yùn)用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)最重要的是確立土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣P，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(8)

式中：Pij——土壤侵蝕強(qiáng)度類型i到j(luò)的轉(zhuǎn)移概率。

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕時(shí)空分布變化

2.1.1 時(shí)間分布變化 西安都市圈3個(gè)時(shí)期(2000年、2005年、2010年)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)如表2所示。從表中我們可以看出微度、輕度、中度侵蝕這3個(gè)等級(jí)的侵蝕面積比較大。總體來看土壤侵蝕強(qiáng)度趨于減小，2000—2005年微度侵蝕面積增加211.17 km2，輕度以上侵蝕面積減少211.22 km2，土壤侵蝕強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，說明該區(qū)域在這5 a期間，土地利用強(qiáng)度較小，水土流失現(xiàn)狀有所緩解，離不開同期政府實(shí)施的水土保持措施，提高了土壤生產(chǎn)力。2005—2010年微度侵蝕面積增加與輕度以上侵蝕面積減少量等同為67.55 km2，土壤侵蝕強(qiáng)度也呈減小趨勢(shì)，但與上一期相比土壤侵蝕減小趨勢(shì)較少，主要是由于隨著城市化的快速擴(kuò)張，環(huán)境問題開始變得突出，政府出臺(tái)了相關(guān)的封山育林、退耕還林還草等政策，土壤侵蝕現(xiàn)狀得到改觀。2000—2010年城市化快速發(fā)展過程中，覆被變化是下墊面變化的最重要因子,下墊面變化一定程度上也影響土地利用變化，在計(jì)算土壤侵蝕量的時(shí)候根據(jù)不同時(shí)期的遙感影像提取各期的NDVI指數(shù)，同時(shí)到實(shí)地調(diào)研考察，不同地區(qū)不同時(shí)期的土壤侵蝕程度不一樣，不過近幾年雖然城市化速度加快，下墊面改變帶來了一定程度的侵蝕，但隨著對(duì)該地區(qū)都市農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，國家采取一系列還林還草政策，以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理化調(diào)整，采取了地膜覆蓋等技術(shù)，形成一系列的設(shè)施農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)，這10 a期間，長安區(qū)、周至、禮泉等區(qū)縣地表植被覆蓋度提高3%左右，戶縣、藍(lán)田、三原等縣地表植被覆蓋度提高將近5%，地表植被覆蓋率不斷提高，水土的保持能力增強(qiáng)，土壤侵蝕呈減小趨勢(shì)。

表2 西安都市圈不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度面積與百分比變化

2.1.2 空間分布變化 從西安都市圈土壤侵蝕分布圖(圖1)可以看出，不同區(qū)域土壤侵蝕情況存在著明顯的地域分布規(guī)律，北部和南部區(qū)域土壤侵蝕比較嚴(yán)重，中心區(qū)域相對(duì)較輕。乾縣中北部、禮泉縣中部、閻良北部、涇陽及三原縣等北部區(qū)域的地貌形態(tài)以支離破碎的黃土丘陵溝壑為主，地形起伏大，土壤質(zhì)地粗糙，植被覆蓋度空間差異較大，水土保持能力較低，土壤侵蝕相對(duì)比較嚴(yán)重。臨潼南邊區(qū)域、周至縣西南地區(qū)、戶縣、藍(lán)田、長安等區(qū)域地形以山地丘陵為主，園地、林地交錯(cuò)分布，農(nóng)業(yè)用地分布相對(duì)較分散，秦嶺山地降雨侵蝕較強(qiáng)，地形高差變化較大，植被覆蓋度較低，水土保持能力較差，使該地區(qū)土壤侵蝕比較嚴(yán)重。中心區(qū)域多位于市區(qū)中心，坡長坡度較小，地形相對(duì)平坦，降雨侵蝕較弱，主要以耕地和居民用地為主，雖然植被覆蓋度低以及土壤保持措施敏感，但這些不是造成該區(qū)域土壤侵蝕的主要原因，因此土壤侵蝕程度比較輕。

圖1 西安都市圈不同時(shí)段土壤侵蝕分布

2.2 土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)

利用ArcGIS軟件，疊加分析西安都市圈2000—2005年和2005—2010年兩期的數(shù)據(jù)，獲取不同侵蝕類型之間的面積轉(zhuǎn)化狀況，計(jì)算得出各土壤侵蝕強(qiáng)度面積轉(zhuǎn)移矩陣(表3、表4)。從表3中可以得出，2000—2005年，各土壤侵蝕強(qiáng)度之間有一定的轉(zhuǎn)化：微度侵蝕主要轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，面積轉(zhuǎn)化了0.26%，極少量轉(zhuǎn)化為了中度侵蝕；9.47%的輕度侵蝕面積轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，0.54%轉(zhuǎn)化為中度侵蝕，極少量轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈侵蝕；中度侵蝕主要轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，面積轉(zhuǎn)化了20.44%，其余少量轉(zhuǎn)化為微度和強(qiáng)烈侵蝕；強(qiáng)烈侵蝕主要轉(zhuǎn)化為中度侵蝕，面積轉(zhuǎn)化了33.65%，其余少量轉(zhuǎn)化為微度、輕度、中度和極強(qiáng)烈侵蝕；極強(qiáng)烈侵蝕主要轉(zhuǎn)化為劇烈侵蝕，面積轉(zhuǎn)化了42.94%，其余1%左右轉(zhuǎn)化為其他侵蝕類型；劇烈面積有49.49%轉(zhuǎn)化為極強(qiáng)烈侵蝕，從土壤侵蝕面積變化的總體趨勢(shì)來看，各類土壤侵蝕強(qiáng)度面積主要趨于由較高侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)向較低侵蝕強(qiáng)度類型，說明2000—2005年西安都市圈土壤侵蝕強(qiáng)度趨于減小，土壤侵蝕量呈良性發(fā)展態(tài)勢(shì)。

從表4中可以得出，2005—2010年期間，各土壤侵蝕強(qiáng)度之間都有不同程度的轉(zhuǎn)化，微度侵蝕面積轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，轉(zhuǎn)化了0.43%；輕度侵蝕面積主要轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，少量轉(zhuǎn)化為中度侵蝕，分別轉(zhuǎn)化了4.85%，0.72%；15.35%中度侵蝕面積主要轉(zhuǎn)化為輕度侵蝕，1.24%轉(zhuǎn)化為強(qiáng)烈侵蝕；強(qiáng)烈侵蝕主要轉(zhuǎn)化為中度侵蝕，面積轉(zhuǎn)化了26.23%，1.54%轉(zhuǎn)化為極強(qiáng)烈侵蝕；極強(qiáng)烈侵蝕主要轉(zhuǎn)化為劇烈侵蝕，面積轉(zhuǎn)化了30.61%，其余0.7%轉(zhuǎn)化為劇烈侵蝕；16.75%的劇烈侵蝕面積轉(zhuǎn)化為極強(qiáng)烈侵蝕。從土壤侵蝕面積變化的總體趨勢(shì)來看，主要趨于侵蝕程度較強(qiáng)的面積向侵蝕程度較弱的轉(zhuǎn)變，說明2005—2010年西安都市圈土壤侵蝕強(qiáng)度也呈減小趨勢(shì)，但相比上一期減小趨勢(shì)變緩，主要是由于隨著城市化的快速擴(kuò)張，環(huán)境問題變得嚴(yán)重，水土流失情況有所嚴(yán)重，但政府出臺(tái)了相關(guān)的封山育林、退耕還林還草、建立生態(tài)示范園區(qū)等政策，土壤侵蝕現(xiàn)狀得到一定的改觀，土壤侵蝕向良性發(fā)展。

表3 西安都市圈2000-2005年土壤侵蝕面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

表4 西安都市圈2005-2010年土壤侵蝕類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.3 土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化模擬預(yù)測(cè)

根據(jù)2000—2005年的土壤侵蝕類型轉(zhuǎn)移矩陣表3，計(jì)算出相應(yīng)的土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移概率矩陣，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)出2010年的土壤侵蝕面積百分比，見表5。

表5 2010年土壤侵蝕類型面積百分比實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的比較

RUSLE各因子專題圖層建立時(shí)不可避免存在誤差,而預(yù)測(cè)結(jié)果是六大因子連乘,使誤差累計(jì)增大,為使RUSLE更符合我國陡坡地的實(shí)際,對(duì)各因子算法進(jìn)行了必要的修改，在實(shí)際規(guī)劃中將土壤侵蝕分為多級(jí)后,可以消除部分偏差，得到更準(zhǔn)確的侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)。結(jié)合實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)。本文引入模型效應(yīng)系數(shù)W[23-24]判斷馬爾科夫模擬預(yù)測(cè)的效果，W值可以反映土壤侵蝕類型面積比例實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的吻合程度，計(jì)算公式為：

(10)

通過模型驗(yàn)證后，根據(jù)2005—2010年西安都市圈土壤侵蝕類型面積變化，計(jì)算出各土壤侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移概率矩陣表6，在此基礎(chǔ)上，利用初始轉(zhuǎn)移概率矩陣和2010年土壤侵蝕程度面積的初始狀態(tài)矩陣，預(yù)測(cè)計(jì)算出2015年、2020年、2025年3個(gè)不同時(shí)期的土壤侵蝕面積變化情況見表7。

從預(yù)測(cè)結(jié)果表7可以看出，總體而言西安都市圈土壤侵蝕按目前的狀態(tài)發(fā)展相對(duì)樂觀，2000—2025年25a期間，微度侵蝕面積逐年在增加，輕度及以上類型的面積逐年減少。這25a期間，微度侵蝕面積增加664.77km2，占西安都市圈土壤侵蝕總面積的4.46%；輕度和中度土壤侵蝕面積明顯趨于下降，2015年、2020年、2025年強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈土壤侵蝕面積所占比例很小，總面積不足1%，劇烈侵蝕面積到2020年、2025年占的比例最小。說明西安都市圈土壤侵蝕狀況在不斷向良性發(fā)展，局部小區(qū)域可能還存在一定土壤侵蝕加劇的潛在危險(xiǎn)，因此需要政府保持長效的水土保持措施。

表6 西安都市圈2005-2010年初始狀態(tài)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移概率矩陣

表7 西安都市圈土壤侵蝕面積未來演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

3 結(jié)論與討論

(1) 西安都市圈土壤侵蝕分布從時(shí)間分布特征來看，2000年、2005年、2010年微度侵蝕面積最大，其次為輕度侵蝕，土壤侵蝕呈減小趨勢(shì)。從空間分布特征來看，乾縣中北部、禮泉縣中部、閻良北部、涇陽及三原縣等北部區(qū)域和周至縣西南地區(qū)、戶縣、藍(lán)田、長安、臨潼等南部區(qū)域土壤侵蝕較為嚴(yán)重，中心區(qū)域土壤侵蝕相對(duì)較輕。

(2) 2000—2010年，從土壤侵蝕面積動(dòng)態(tài)變化的總體趨勢(shì)而言，各類土壤侵蝕強(qiáng)度面積主要趨于由較高等級(jí)侵蝕類型轉(zhuǎn)向較低等級(jí)侵蝕類型，說明西安都市圈土壤侵蝕強(qiáng)度呈減小趨勢(shì)，土壤侵蝕狀況呈良性發(fā)展趨勢(shì)。

(3) 2000—2025年這25a期間，微度侵蝕面積逐年在增加，輕度及以上類型的面積逐年減少。微度侵蝕面積呈上升趨勢(shì)，面積增加664.77km2，占西安都市圈土壤侵蝕總面積的4.46%；輕度和中度土壤侵蝕面積明顯趨于下降，2015年、2020年、2025年強(qiáng)烈和極強(qiáng)烈土壤侵蝕面積所占比例很小，總面積不足1%，劇烈侵蝕面積到2020年、2025年減少到最少。土壤侵蝕狀況得到明顯緩解。說明西安都市圈土壤侵蝕狀況在不斷向良性發(fā)展，土壤侵蝕發(fā)展前景相對(duì)樂觀。

(4) 西安都市圈土壤侵蝕整體呈現(xiàn)樂觀的發(fā)展趨勢(shì)，但局部地區(qū)可能也存在土壤侵蝕加劇的潛在危險(xiǎn)，因此本地相關(guān)部門在保證該區(qū)域長效良性發(fā)展的前提下，要采取一系列還林還草政策，同時(shí)調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，形成一系列的設(shè)施農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代生態(tài)農(nóng)業(yè)，提高土地的利用效率以及土壤水分利用率，優(yōu)化配置該地區(qū)水土保持措施，防御和治理相結(jié)合，加強(qiáng)局部土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)域的水土流失保護(hù)，更好地控制該地區(qū)的土壤侵蝕狀況，建立更加良性的發(fā)展趨勢(shì)。

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Dynamic Changes of Soil Erosion Based on Markov Model —A Case Study of the Xi'an Metropolitan

LIU Shaojia1,2, REN Zhiyuan1,2, YANG Wenyan1,2,3, ZHOU Zhongxue1,2

(1.CollegeofTourismandEnvironment,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China;2.NorthwestLandandResourcesResearchCenter,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China; 3.NorthwestInstituteofHistoricalEnvironmentandSocioeconomicDevelopment,ShaanxiNormalUniversity,Xi′an710062,China)

We took Xi′an metropolitan as the study area. Based on DEM data, remote sensing data and the economic and social statistics data, using RS and GIS technology, combining with the universal soil loss equation (RUSLE), we analyzed the dynamic change of soil erosion in Xi′an metropolitan in 2000, 2005 and 2010. On the basis of the quantitative calculation and application of Markov models, the dynamic changes of soil erosion areas of Xi′an metropolitan in 2015, 2020, 2025 were predicted. The results showed that:(1) from 2000 to 2010, on the view of time features, soil erosion presented the decreasing tendency in Xi′an metropolitan; on the view of spatial characteristics, soil erosion was more serious in north and south region, and was relatively light in central region; (2) from 2000 to 2010, various types of soil erosion areas shifted from higher to lower level erosion types, specification of Xi′an City circle of soil erosion intensity showed the trend of decrease indicating that soil erosion intensity presented the decreasing tendency in Xi′an metropolitan; (3) predicted value results show that, the tiny degree of soil erosion area will increase year by year, light and above the light degree soil erosion areas will reduce year by year from 2015 to 2025, the overall trend will tend to a status of benign development.

Xi′an metropolitan; soil erosion; dynamic changes; Markov Model

2014-11-04

2014-11-20

教育部人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地項(xiàng)目(14JJD840004);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371523)

劉少佳(1989—),女,陜西西安人,碩士研究生,研究方向?yàn)镚IS與國土資源學(xué)。E-mail:463751349@qq.com

任志遠(yuǎn)(1953—),男,陜西興平人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事國土資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)研究。E-mail:renzhy@snnu.edu.cn

S157；X171.1

1005-3409(2015)05-0014-06