小流域林地空間分布對(duì)土壤侵蝕的影響
——以陜北吳起縣為例

姚文俊,張巖,朱清科

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

小流域林地空間分布對(duì)土壤侵蝕的影響
——以陜北吳起縣為例

姚文俊,張巖?,朱清科

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100083,北京)

為分析陜北黃土區(qū)小流域林地空間格局特征對(duì)土壤侵蝕的影響,以陜北吳起縣為例,按照1%的均勻抽樣比例,選取39個(gè)小流域,根據(jù)林地面積比例、林地斑塊密度指數(shù)、林地斑塊形狀指數(shù)、林地植被覆蓋度、林地坡位指數(shù)等表征林地空間分布特征的指標(biāo),運(yùn)用系統(tǒng)聚類分析法對(duì)流域進(jìn)行分類,分析林地的空間分布特征和土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明:1)39個(gè)小流域可以分為4類,第1類林地面積比例較大,分布在中下坡位,第2類林地面積比例較小,分布在中中坡位,第3類林地面積比例很小,分布在中上坡位,第4類林地面積比例很大,分布在中中坡位;2)第1和4類,土壤侵蝕模數(shù)和林地植被覆蓋度在0.05顯著水平上表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系,土壤侵蝕模數(shù)和林地空間分布特征指數(shù)多元線性回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.577(P＜0.05),表明林地植被覆蓋度增加是土壤侵蝕的主要抑制因素,同時(shí),林地面積比例、林地斑塊密度、林地形狀指數(shù)的增加也會(huì)抑制土壤侵蝕,在一定范圍內(nèi),林地靠近坡頂不利于防治土壤侵蝕。

小流域;林地空間分布;系統(tǒng)聚類分析;土壤侵蝕;黃土高原

影響土壤侵蝕的因素包括降雨、地貌、植被、土壤及人為因素等[1]。土地利用/覆被變化不僅影響土壤侵蝕,還因?yàn)槟嗌硞鬏斈芰σ膊煌琜2],會(huì)影響流域產(chǎn)沙[2-4]。退耕還林工程實(shí)施以來,陜北黃土區(qū)土地利用方式發(fā)生了明顯變化,林地面積顯著增加[5-7],而土地利用方式與坡度、坡向、坡位3大地形因子都有很大的關(guān)系,特定的土地利用方式表現(xiàn)出一定的空間分布規(guī)律[8]。研究[9-11]表明,植被在斑塊、坡面、流域3個(gè)尺度上都具有防止水土流失的作用。汪亞峰等[12]認(rèn)為,黃土丘陵區(qū)林草地面積增加是土壤侵蝕強(qiáng)度降低的主要原因。林草地面積增加的同時(shí),林地的空間格局如何變化,林地的空間格局是否能夠影響土壤侵蝕和流域產(chǎn)沙,對(duì)此已有研究[13-15]主要是借助景觀生態(tài)學(xué)中的一些參數(shù)和指標(biāo)研究土地利用空間格局的時(shí)空變化?，F(xiàn)在越來越多的研究開始轉(zhuǎn)向分析土地利用空間分布格局所產(chǎn)生的影響。東北黑土區(qū)景觀格局差異對(duì)溝蝕有影響[16]。在一個(gè)流域內(nèi),土地利用的空間分布在影響河流生態(tài)系統(tǒng)方面所起的作用與該土地利用的數(shù)量所起的作用一樣重要[17]。人工降雨試驗(yàn)結(jié)果表明,在坡面尺度上,沙棘在徑流小區(qū)中位于下坡位時(shí)水土保持效果最好[18]。A.Cerda[19]在西班牙東南部山區(qū)通過人工降雨試驗(yàn)證明了極端降雨條件下坡位對(duì)侵蝕速率沒有影響。但是,國內(nèi)對(duì)于植被空間分布格局對(duì)土壤侵蝕方面的研究還鮮有報(bào)道;因此,筆者以陜西省吳起縣為研究對(duì)象,采用聚類分析法,研究徑流形成、匯集和侵蝕產(chǎn)沙、輸沙的基本單元——小流域的林地空間分布特征對(duì)土壤侵蝕的影響,以期為水土保持林地配置以及進(jìn)一步研究流域產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制提供參考。

1 研究區(qū)概況

陜西省吳起縣(E 107°38′57″～108°32′49″,N 36°33′33″～37°24′27″)地處黃土丘陵溝壑區(qū),海拔1 233～1 809 m,總面積3 791.5 km2,縣內(nèi)有黃河支流無定河和北洛河2條水系。吳起縣氣候?qū)侔敫珊禍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,多年平均降水量483.4 mm左右,土壤以黃土性黃綿土為主。吳起縣作為“全國水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)示范縣”,1999年開始實(shí)施退耕還林。2000—2009年,全縣植被總面積中,林地面積比例從6.17%上升至35.19%,林草面積比例達(dá)到86.80%[5]。吳起縣林地包括有林地、疏林地、灌木林地,主要類型為落葉闊葉林、針闊混交林,喬木以山杏(Prunus armeniaca L.)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)榆樹(Ulmus pumila)等為主,灌木以檸條(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)等為主。

2 數(shù)據(jù)獲取和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)的獲取和處理

在吳起縣內(nèi)按照1%均勻抽樣的39個(gè)小流域位置如圖1所示,流域面積0.81～1.88 km2。調(diào)查數(shù)據(jù)(包括土地利用類型、植被類型和覆蓋度等)來源是2011年全國土壤侵蝕普查抽樣數(shù)據(jù),土壤侵蝕模數(shù)是根據(jù)中國土壤侵蝕模型(CSLE)計(jì)算的,抽樣調(diào)查方法依據(jù)和土壤侵蝕計(jì)算方法見文獻(xiàn)[20]。

2.2 小流域分類方法

選取林地面積比例、林地斑塊密度指數(shù),林地斑塊形狀指數(shù)、林地植被覆蓋度和林地坡位指數(shù)等作為林地空間分布特征的指標(biāo),用系統(tǒng)聚類的方法在SPSS18.0中對(duì)39個(gè)小流域進(jìn)行聚類分析,分析各類流域的林地分布特征及土壤侵蝕特征。小流域分類采用的5個(gè)林地空間分布特征指數(shù)計(jì)算方法如下。

1)林地面積比例:流域內(nèi)林地面積占流域總面積的比例。

2)林地斑塊密度指數(shù):林地斑塊密度指數(shù)即林地斑塊個(gè)數(shù)與面積的比值,由此可以得出研究區(qū)林地斑塊總個(gè)數(shù)與其面積之比,即

圖1 39個(gè)抽樣小流域位置圖Fig.1 Locations of 39 sampled small watersheds

式中:C為斑塊密度指數(shù),C值越大,破碎化程度越高;n為小流域林地斑塊總數(shù);S為研究區(qū)林地總面積,hm2。

3)林地斑塊形狀指數(shù):林地斑塊形狀指數(shù)是通過計(jì)算林地的斑塊周長(zhǎng)與同面積圓形的周長(zhǎng)之比來測(cè)定該景觀類型復(fù)雜程度的,計(jì)算公式為

式中:L為景觀形狀指數(shù),L越接近于1,斑塊圓度越好,其形狀越簡(jiǎn)單,反之,L越大,其形狀越復(fù)雜;Pi為景觀i類型斑塊周長(zhǎng),m;A為斑塊面積,m。

4)林地植被覆蓋度:取流域各林地斑塊內(nèi)林灌草植被蓋度的平均值,用來反映林地及林下植被的生長(zhǎng)情況。

5)林地坡位指數(shù):坡位指數(shù)表示土地利用斑塊的分布位置?；?∶1萬矢量化的吳起地形圖,利用ArcGIS9.3軟件生成分辨率為10 m×10 m的數(shù)字高程模型(DEM),統(tǒng)計(jì)林地斑塊高程的平均值。用流域內(nèi)的高程最大值代表坡頂,高程最小值代表坡腳,坡位指數(shù)是指林地斑塊平均高程與坡腳高程差和坡頂高程與坡腳高程差的比值。林地坡位指數(shù)0～0.1為平地,0.1～0.4為下坡位,0.4～0.7為中坡位,0.7～1為上坡位。每個(gè)坡位繼續(xù)劃分3個(gè)子坡位:0.11～0.20為下下坡位,0.21～2.30為下中坡位,0.31～0.4為下上坡位;0.41～0.50為中下坡位,0.51～0.60為中中坡位,0.61～0.70為中上坡位;0.71～0.80為上下坡位,0.81～0.90為上中坡位,0.91～1.00為上上坡位。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于林地空間分布特征的小流域聚類

系統(tǒng)聚類分析結(jié)果見圖2。結(jié)果表明,39個(gè)小流域可以分成4類。對(duì)各類流域林地空間分布指數(shù)做單因素方差分析,4類小流域的林地空間分布特征指數(shù)都在0.05的水平上存在顯著差異。

5個(gè)林地空間分布特征指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征見表1和圖3。4類小流域的空間分布特征如下。

第1類小流域:林地面積比例較大;林地斑塊密度指數(shù)較小,林地的破碎程度較小;林地斑塊形狀指數(shù)較大,林地的形狀較為復(fù)雜;林地植被覆蓋度居中;林地平均分布在中下坡位。

第2類小流域:林地面積比例較小;林地斑塊密度指數(shù)偏小,林地的破碎化程度居中偏小;林地斑塊形狀指數(shù)較小,林地的形狀較為簡(jiǎn)單;林地植被覆蓋度居中;林地平均分布在中中坡位。

第3類小流域:林地面積比例很小,均值小于其他3類流域;林地斑塊密度指數(shù)很小,均值也小于另外3類流域,林地的破碎化程度很小;林地的斑塊形狀較為復(fù)雜;林地植被覆蓋度很大,均值大于另外3類流域;坡位指數(shù)均值也比其他3類流域都大,林地平均分布在中上坡位。

圖2 用系統(tǒng)聚類法對(duì)39個(gè)小流域的聚類結(jié)果Fig.2 Clustering result of 39 watersheds with the method of system clustering

表1 林地格局特征指標(biāo)的均值Tab.1 Mean values of woodland pattern characteristic indexes

圖3 各類流域林地空間分布特征指數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical boxdiagram groups of woodland spatial distribution index in the watersheds

第4類小流域:林地面積比例較大;林地斑塊密度很大,均值大于其他3類流域;林地的斑塊形狀較為簡(jiǎn)單;林地植被覆蓋度較小;林地平均分布在中中坡位。

3.2 林地空間分布與土壤侵蝕的關(guān)系

利用系統(tǒng)聚類方法在39個(gè)小流域中選出25個(gè)林地植被蓋度與坡位指數(shù)相當(dāng)?shù)牧饔驑颖?對(duì)土壤侵蝕模數(shù)與林地面積比例、林地斑塊密度和林地斑塊形狀指數(shù)做單因子相關(guān)性分析。結(jié)果表明,土壤侵蝕模數(shù)分別與林地面積比例和林地斑塊形狀指數(shù)在0.05水平上顯著負(fù)相關(guān);因此,在林地面積比例和林地坡位指數(shù)一定時(shí),土壤侵蝕模數(shù)隨林地面積比例和林地斑塊形狀指數(shù)的增加而減小。

3.2.1 不同類型小流域土壤侵蝕普查結(jié)果比較從圖4中可以看出,根據(jù)2011年土壤侵蝕普查方法計(jì)算的土壤侵蝕模數(shù)在4類小流域之間有一定差異。第1類小流域的土壤侵蝕模數(shù)較小,均值為2 170.65 t/(km2·a);第2類小流域的土壤侵蝕模數(shù)較大,均值為2 952.09 t/(km2·a);第3類小流域土壤侵蝕模數(shù)居中,均值為2 498.89 t/(km2·a),略小于全流域的均值;第4類小流域的土壤侵蝕模數(shù)略小于第3類小流域的,均值為2 306.61 t/(km2·a)?？梢?林地面積比例小、分布集中的流域土壤侵蝕模數(shù)較大;但是,單因素方差分析結(jié)果表明,4類小流域之間土壤侵蝕模數(shù)差異并不顯著(顯著性水平0.05)。說明小流域林地空間分布格局對(duì)土壤侵蝕的影響在土壤侵蝕普查中無法完全反映出來。

圖4 各類小流域土壤侵蝕模數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.4 Statistical boxdiagram and groups of watershed soil erosion modulus

3.2.2 林地空間分布特征指數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)的相關(guān)性分析 采用SPSS軟件按分類和總體分析對(duì)流域土壤侵蝕模數(shù)和所對(duì)應(yīng)的林地空間分布指數(shù)進(jìn)行單因子相關(guān)性分析。結(jié)果(表2)表明,在林地空間分布指數(shù)中,土壤侵蝕模數(shù)僅與林地植被覆蓋度有負(fù)顯著相關(guān)關(guān)系,而且只出現(xiàn)在第1、4類和全流域?？芍?流域土壤侵蝕主要受林地植被覆蓋度的影響,林地植被覆蓋度對(duì)土壤侵蝕有抑制作用,但其作用也受到其他因子的影響。

表2 各類流域土壤侵蝕模數(shù)與林地空間分布指數(shù)的相關(guān)分析Tab.2 Correlation analysis of various types of soil erosion modulus and woodland spatial index

為了進(jìn)一步探討土壤侵蝕模數(shù)和林地空間分布的關(guān)系,做土壤侵蝕模數(shù)和林地空間分布指數(shù)的多元相關(guān)性分析。將土壤侵蝕模數(shù)視為因變量y,林地空間分布指數(shù)為自變量(林地面積比例為x1,林地斑塊密度指數(shù)為x2,林地斑塊形狀指數(shù)為x3,林地植被覆蓋度為x4,林地坡位指數(shù)為x5)進(jìn)行多元線性回歸分析?；貧w方程為

結(jié)果顯示,判定系數(shù)R2=0.333,方差分析統(tǒng)計(jì)量F=3.294,概率值P=0.016小于顯著性水平0.05。從方程中可以看出,林地的空間分布綜合作用于土壤侵蝕模數(shù)、林地斑塊密度指數(shù)、林地斑塊形狀指數(shù)、林地植被覆蓋度和林地面積比例的增加對(duì)土壤侵蝕都有抑制作用,而林地坡位指數(shù)的增加(林地分布靠近坡頂)會(huì)增加土壤侵蝕的發(fā)生。

比較圖3中第1、2、3類小流域各指標(biāo)值可以發(fā)現(xiàn):第2類和第1類小流域相比,3個(gè)抑制因素(林地斑塊形狀指數(shù)、林地植被覆蓋度和林地面積比例)小,一個(gè)促進(jìn)因素(林地坡位指數(shù))大;第2類和第3類相比,2個(gè)抑制因素(林地斑塊密度指數(shù)和林地面積比例)大,一個(gè)促進(jìn)因素(林地坡位指數(shù))小;第2類小流域的土壤侵蝕模數(shù)與第1類小流域土壤侵蝕模數(shù)的均值差771.44 t/(km2·a)要大于跟第3類土壤侵蝕模數(shù)的差值453.20 t/(km2·a)。這一結(jié)果與多元線性回歸分析的結(jié)果一致,在一定程度上反映了林地空間分布對(duì)流域的土壤侵蝕有影響。

4 討論

土壤侵蝕的影響因素,主要包括降雨、地貌、植被、土壤及人為因素。從林地空間分布格局角度出發(fā),分析其對(duì)土壤侵蝕的影響是一個(gè)新的探索。本文根據(jù)林地空間分布指數(shù)對(duì)流域進(jìn)行分類,小流域林地的空間分布格局存在顯著差異。但是,研究區(qū)各類小流域之間土壤侵蝕模數(shù)差異不顯著:一種原因可能是由于土壤侵蝕模數(shù)和林地空間分布特征的多元線性回歸方程判定系數(shù)R2=0.333,自變量?jī)H能解釋因變量33.3%,因而各流域之間的土壤侵蝕模數(shù)差異沒有顯現(xiàn)出來;另一種原因可能是土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算方法采用由通用土壤流失方程改進(jìn)而來的中國土壤侵蝕模型CSLE,屬于預(yù)測(cè)坡面侵蝕的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型。目前土壤侵蝕普查中采用的計(jì)算方法未能體現(xiàn)林地空間分布特征對(duì)土壤侵蝕的影響。對(duì)于林地空間分布特征差異是否能夠引起各類小流域之間土壤侵蝕量和流域產(chǎn)沙量的顯著差異,還需要進(jìn)一步研究。而分布式水文模型能夠模擬各類流域的徑流量和產(chǎn)沙量時(shí)空變化,因此,可以通過分析林地空間分布格局不同的各類流域徑流產(chǎn)沙的差異及其與林地空間分布指數(shù)之間的相關(guān)性,探索林地空間分布是否對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生顯著影響。

本文中根據(jù)土壤侵蝕模數(shù)和林地空間分布指數(shù)的多元線性回歸得出,林地的坡位指數(shù)較大,林地的分布較為靠近坡頂時(shí),防治土壤侵蝕的作用減小。一方面可能由于坡位指數(shù)較大時(shí),坡度也較大,從而土壤侵蝕模數(shù)也較大;另一方面,小流域林草植被調(diào)節(jié)徑流防治土壤侵蝕的功能主要包括林冠攔截降雨減少林內(nèi)雨量和降雨動(dòng)能、改善土壤結(jié)構(gòu)增加入滲減少徑流、樹干及枯落層對(duì)徑流流速的消減[21]。由于黃土區(qū)降雨量較小,當(dāng)降雨條件不足以在上坡位形成地表徑流時(shí),林地分布靠近坡頂,樹干及枯枝落葉對(duì)流速的作用將得不到體現(xiàn)。而且, G.Bergkamp[22]在西班牙中部研究刺葉櫟(Quercus ilex)和鐵橡櫟(Quercus coccifera)的相對(duì)恢復(fù)程度及其與不同坡位的水文特征和過程相聯(lián)系時(shí),結(jié)果表明,退化相對(duì)較重的灌叢,在下坡位具有更高的植被覆蓋,生態(tài)系統(tǒng)在下坡位比上坡位具有更強(qiáng)的恢復(fù)力。F.Rey[23]對(duì)低矮植被主要是草本和小灌木對(duì)上坡來水來沙的攔截作用進(jìn)行了研究,指出坡面底部的植被屏障覆蓋僅僅達(dá)到20%的時(shí)候就可以有效的攔截上坡來沙。因此,流域內(nèi)林地的分布在一定范圍內(nèi),靠近坡底有利于防止土壤侵蝕;但是由于本文選取的林地坡位指數(shù)是取整個(gè)小流域林地的平均值,且主要集中在中坡位,沒能確定對(duì)于坡位選擇的臨界值,也是需要以后進(jìn)一步分析。

5 結(jié)論

1)吳起縣39個(gè)小流域林地空間分布特征可以分為4類:第1類小流域,林地面積比例較大,約占45%,植被覆蓋度居中,分布在中下坡位;第2類小流域,林地面積比例較小,平均為32%,植被覆蓋度較小,分布在中中坡位;第3類小流域,林地面積比例很小,占20%左右,植被覆蓋度很大,分布在中上坡位;第4類小流域,林地面積比例很大,平均為51%,植被覆蓋度較小,分布在中中坡位。各類小流域之間的林地空間分布特征存在顯著差異。

2)各類流域之間土壤侵蝕普查結(jié)果不存在顯著差異;但是,第1、4類及全部小流域,土壤侵蝕模數(shù)和林地植被覆蓋度顯著負(fù)相關(guān)(0.05顯著水平),在林地植被蓋度和林地坡位指數(shù)一定時(shí),土壤侵蝕模數(shù)與林地面積比例和林地斑塊形狀指數(shù)也在0.05顯著水平負(fù)相關(guān)。土壤侵蝕模數(shù)和林地空間分布特征指數(shù)多元回歸方程的決定系數(shù) R2= 0.333,概率P=0.016＜0.05。林地空間分布綜合作用于土壤侵蝕,可以解釋33.3%左右。林地面積比例、林地斑塊密度、林地斑塊形狀指數(shù)和林地植被覆蓋度的增加會(huì)抑制土壤侵蝕,林地坡位指數(shù)的增加,即林分分布在上坡位不利于防治土壤侵蝕。

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(責(zé)任編輯:宋如華)

Effects of woodland spatial distribution on soil erosion in small watershed: A case study in Wuqi County,northern Shaanxi

Yao Wenjun,Zhang Yan,Zhu Qingke
(School of Soil and Water Conservation,Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating,Ministry of Education, Beijing Forestry University,100083,Beijing,China)

We analyzed spatial distribution of woodlands and its impact on soil erosion in small watersheds in this study.Thirty nine small watersheds in Wuqi County on the hilly and gully loess plateau of northern Shaanxi Province were selected following the method of uniform sampling(1%).Woodland area proportion,woodland patch density,shape index of woodlands,woodland coverage,and slope position index were calculated for each watershed and taken as elements to carry out hierarchical cluster analysis for the 39 watersheds.Relationship between woodland distribution and soil erosion was analyzed based on soil loss data obtained from the National Soil Erosion Survey.The 39 watersheds were classified into four categories.Watershed category 1 is characterized by a large proportion of woodlands and woodlands are distributed on the lower slopes.For Category 2,the proportion of woodlands is relatively small and woodlands are distributed on the middle slopes.For Category 3,the proportion of woodland is small and distributed on the upper slopes.For Category 4 the proportion of woodlands is large and distributed on middle slopes.Soil loss was negatively correlated with woodland vegetation coverage(P＜0.05)in Category 1 and 4.The multiple linear correlation coefficient describing the integrated effects of the five parameters for woodland spatial distribution characteristics on the soil loss is 0.577(P＜0.05). The results indicate that woodland coverage is a major inhibitive factor to soil erosion.Meanwhile,the proportion of woodland area,woodland patch density and shape index can affect soil erosion in the scale of small watershed.To a certain degree,the woodlands on the upper slopes will reduce soil loss in small watersheds.

small watershed;spatial distribution of woodland;hierarchical cluster analysis;soil erosion; Loess Plateau

S157

A

1672-3007(2015)01-0016-07

2014- 03- 17

2014- 10- 14

項(xiàng)目名稱:“十二五”國家科技計(jì)劃課題“陜北黃土丘陵溝壑區(qū)保水固土水土保持植被研究與示范”(2011BAD38B0601)

姚文俊(1988—),男,碩士研究生。主要研究方向:流域自然地理。E-mail:yao_wenjun@126.com

?通信作者簡(jiǎn)介:張巖(1970—),女,副教授,博士,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:土壤侵蝕與水土保持。E-mail:zhangyan9@bjfu.edu.cn