丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

章 影, 廖 暢, 姜慶虎, 劉 峰

(1.中國(guó)科學(xué)院 武漢植物園水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

章 影1,2, 廖 暢1,2, 姜慶虎1, 劉 峰1

(1.中國(guó)科學(xué)院 武漢植物園水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430074; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

[目的] 探討土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，為庫(kù)區(qū)土壤侵蝕的防治提供借鑒性意見，從而為制定保障丹江口水質(zhì)安全的措施提供科學(xué)支持。[方法] 利用遙感影像解譯的土地利用類型(2002—2013年)，分析丹江口庫(kù)區(qū)土地利用變化，同時(shí)利用修正的土壤流失模型RUSLE對(duì)土壤侵蝕量進(jìn)行模擬分析，探討土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)。[結(jié)果] 丹江口庫(kù)區(qū)在2002—2013年期間主要的土地利用變化集中在林地、耕地、灌草地之間的轉(zhuǎn)移以及建設(shè)用地的擴(kuò)張，具體表現(xiàn)為林地面積擴(kuò)大了13.72%，耕地面積小幅增加了5.76%，而灌草地面積大幅減少了37.61%，建設(shè)用地增長(zhǎng)了2.40倍。丹江口庫(kù)區(qū)2002，2008，2013年均以微度侵蝕占主導(dǎo)。庫(kù)區(qū)土壤的整體侵蝕強(qiáng)度減輕，但土壤侵蝕在城市擴(kuò)張地區(qū)增加明顯。[結(jié)論] 丹江口庫(kù)區(qū)的土地利用變化及土壤侵蝕強(qiáng)度的改變主要受退耕還林、天然林保護(hù)等政策措施和城市擴(kuò)張的影響。庫(kù)區(qū)的土壤侵蝕程度在總體上具有降低的趨勢(shì)，但在城鎮(zhèn)化區(qū)域，土壤侵蝕狀況急劇惡化。

土地利用; RUSLE模型; 土壤侵蝕; 丹江口庫(kù)區(qū); 城鎮(zhèn)化

文獻(xiàn)參數(shù)： 章影, 廖暢, 姜慶虎, 等.丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：104-111.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.019; Zhang Ying, Liao Chang, Jiang Qinghu, et al. Response of soil erosion to land use change in Dangjiangkou reservoir area[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：104-111.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.019

當(dāng)今人口—資源—環(huán)境之間的矛盾日益尖銳化，隨著人類活動(dòng)的影響，土壤侵蝕加劇，引起了一系列的環(huán)境效應(yīng)，嚴(yán)重破壞了人類賴以生存的環(huán)境，制約著全球經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。土地利用變化是土壤侵蝕的催化劑，可改變局部地區(qū)的微環(huán)境，諸如氣候、土壤、植被等，進(jìn)而加劇/減緩?fù)寥狼治g。因此，探討土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響，對(duì)于了解影響土壤侵蝕的主要因素和機(jī)制，以及對(duì)合理的土地利用規(guī)劃以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。

南水北調(diào)中線工程是中國(guó)重大的跨流域調(diào)水工程，是中國(guó)為緩解華北地區(qū)缺水而建設(shè)的大型工程，它的興建對(duì)于緩解京津冀地區(qū)水資源短缺的問(wèn)題具有舉足輕重的作用。作為南水北調(diào)中線工程水源的丹江口水庫(kù)，其水質(zhì)的好壞直接關(guān)系到南水北調(diào)中線工程的成敗。近年來(lái)，丹江口庫(kù)區(qū)實(shí)施天然林保護(hù)、退耕還林、還草等政策，部分地區(qū)植被覆蓋度增加，但又因城市擴(kuò)張，部分植被覆蓋度減少，這些土地利用結(jié)構(gòu)的調(diào)整，改變了局部微環(huán)境，干擾了庫(kù)區(qū)的自然侵蝕循環(huán)過(guò)程，影響了生態(tài)系統(tǒng)的安全。目前對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)的土地利用[1-2]、植被覆蓋度[3]、養(yǎng)分流失[4]等單一現(xiàn)象的研究很多，也有部分土壤侵蝕對(duì)土地利用響應(yīng)的研究，但主要集中在固定年份二者關(guān)系的探究，少有研究指明丹江口庫(kù)區(qū)不同年份間土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響。隨著徑流泥沙轉(zhuǎn)移而流動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物和污染物對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)造成了很大的影響，因而要從根本上保證南水北調(diào)水質(zhì)安全，須開展土地利用與土壤侵蝕關(guān)系的研究，才能更加合理的配置土地利用，從而減少丹江口庫(kù)區(qū)的土壤侵蝕，保障水庫(kù)水質(zhì)。

2001年丹江口市被列入全國(guó)退耕還林還草試點(diǎn)以及2002，2010年丹江口大壩加高，水位線上漲，庫(kù)區(qū)34.5萬(wàn)移民政策實(shí)施以來(lái)，庫(kù)區(qū)的土地利用發(fā)生了很大變化，對(duì)庫(kù)區(qū)的土壤侵蝕也造成了一定影響。本研究擬利用遙感影像解譯的土地利用類型，分析丹江口庫(kù)區(qū)2002，2008，2013年的土地利用的空間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程；同時(shí)利用修正的土壤流失模型RUSLE對(duì)庫(kù)區(qū)土壤侵蝕量進(jìn)行模擬分析，探討土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)，以期為庫(kù)區(qū)土壤侵蝕的防治提供借鑒性意見，從而為制定保障丹江口水質(zhì)安全的措施提供科學(xué)支持。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

丹江口水庫(kù)位于長(zhǎng)江中游支流漢江的中上游，湖北和河南省的交界處(北緯32°14′—33°19′，東經(jīng)110°30′—111°43′)。庫(kù)區(qū)范圍包括湖北省十堰市、丹江口市、鄖縣、房縣以及河南省的鄧州市、淅川縣、西峽縣，總面積7 545.42 km2。庫(kù)區(qū)土壤類型主要有黃棕壤、黃褐土等。氣候?qū)俚湫偷募撅L(fēng)型大陸性半濕潤(rùn)氣候，四季分明，年均氣溫為15.7 ℃，極端最高氣溫為42.7 ℃，極端最低氣溫為-14.9 ℃，雨量充沛，年均降雨量800～860 mm。庫(kù)區(qū)內(nèi)7—9月降雨量集中，多暴雨，易引發(fā)土壤侵蝕、山體滑坡等自然災(zāi)害。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括： ① 丹江口庫(kù)區(qū)2002,2008年以及2013年3個(gè)年份的TM/OLI遙感影像(有云部分采用鄰近年份的進(jìn)行替補(bǔ))，來(lái)源于美國(guó)地質(zhì)勘查局(http:∥glovis.usgs.gov/)； ② 庫(kù)區(qū)內(nèi)鄖陽(yáng)(1971—2013，2008年缺失)、鄖縣(1953—2008年)、丹江口(1963—2007年)以及西峽(1957—2013年)4個(gè)水文氣象站的日降雨數(shù)據(jù)； ③ 庫(kù)區(qū)1∶100萬(wàn)土壤類型圖、基于世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(v1.1)，來(lái)源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心； ④ 庫(kù)區(qū)數(shù)字高程圖(DEM)30 m×30 m，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)。

1.3 土地利用分類

利用ENVI5.1軟件對(duì)2002，2008，2013年的遙感影像進(jìn)行預(yù)處理(包括輻射校正、幾何校正、配準(zhǔn)、輻射增強(qiáng)、影像裁剪與大氣校正)?；谥蟹直媛市l(wèi)星影像的“國(guó)家級(jí)土地利用與覆被分類系統(tǒng)”，結(jié)合丹江口庫(kù)區(qū)土地利用和植被特征，構(gòu)建適用于該區(qū)域的分類系統(tǒng)，分為建設(shè)用地、林地、水體、耕地、灌草地以及裸地6大類。根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)將分類系統(tǒng)中的土地利用類型與研究區(qū)的遙感影像進(jìn)行對(duì)比分析，建立解譯標(biāo)志，利用監(jiān)督分類的方法對(duì)丹江口庫(kù)區(qū)的遙感影像進(jìn)行解譯分類。

利用ArcGIS軟件對(duì)庫(kù)區(qū)規(guī)則取點(diǎn)(共469個(gè))，通過(guò)Google Earth歷史影像進(jìn)行地物判斷，利用ENVI軟件對(duì)3個(gè)年份的影像分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。

1.4 土壤侵蝕量估算

考慮到丹江口庫(kù)區(qū)前人研究中基本都采用修正的通用土壤流失模型(RUSLE)[5]進(jìn)行土壤侵蝕量估算，沒(méi)有可以參考的工程、措施因子值，本研究也缺少對(duì)工程以及耕作措施的實(shí)地調(diào)查，為了更好地跟之前的研究對(duì)比，顧沒(méi)有采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)，而是同樣采用RUSLE模型對(duì)2002，2008，2013年的土壤侵蝕量進(jìn)行評(píng)估。

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中:A——土壤侵蝕量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力因子〔(MJ·mm)/hm2·h·a)〕；K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2)〕；L——坡長(zhǎng)因子；S——坡度因子；C——作物覆蓋與管理因子；P——水土保持措施因子。

1.4.1 降雨侵蝕力因子R估算 降雨侵蝕力因子是指降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力，一般采用不同時(shí)間的降雨模型進(jìn)行估算。本文利用上述搜集到的庫(kù)區(qū)內(nèi)4個(gè)氣象站點(diǎn)的日降雨資料，通過(guò)前人總結(jié)的庫(kù)區(qū)最優(yōu)模型Modified Yu模型[6]進(jìn)行R因子的估算[7]。

(2)

式中：Ej——月降雨侵蝕力；Pd——日降雨量(mm)；Po——侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)(本研究取12mm)；N——某月中日雨量超過(guò)Po的天數(shù)(d)；f——頻率(f=1/12,=5/6);α,β,η——模型參數(shù)；j——月份。

式中：α,β,η具有以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式[8]：

年降雨量大于1 050 mm時(shí)

lgα=2.11-1.57β

年降雨量500～1 050mm

α=0.395{1+0.098〔3.26(S/P)〕}

η=0.58+0.25P/1000

綜合考慮前人的研究成果，本研究將β取值為1.665。S為夏半年(5—10月)降雨量，P為年均降雨量。通過(guò)上述公式計(jì)算，最終得到4個(gè)氣象站點(diǎn)多年平均降雨侵蝕力因子R，再利用ArcGIS中的Kriging插值做出R值的空間分布圖。

1.4.2 土壤可蝕性因子K估算 土壤可蝕性因子是指標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)內(nèi)單位降雨侵蝕力引起的土壤流失率[9]。本研究運(yùn)用EPIC模型[10]計(jì)算土壤可蝕性因子K，計(jì)算公式如下：

式中：Sd——砂粒含量(%)；Si——粉砂含量(%)；Cl——黏粒含量(%)；C——有機(jī)碳含量(%)；SN=1-Sd/100，其中K值單位為〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕，需要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。本研究中各土壤類型的理化性質(zhì)指標(biāo)(粉砂黏粒含量、有機(jī)碳含量)均從世界土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD)的中國(guó)土壤數(shù)據(jù)集(v1.1)中提取獲得，再通過(guò)上述公式進(jìn)行計(jì)算，得到各土壤類型的K值，最后利用ArcGIS對(duì)1∶100 萬(wàn)土壤圖中的各土壤類型進(jìn)行K因子賦值，生成庫(kù)區(qū)土壤侵蝕因子K分布圖。

1.4.3 坡長(zhǎng)坡度因子LS估算 地形因素是影響土壤侵蝕最重要的因素，主要包括坡度、坡長(zhǎng)以及坡形。土壤侵蝕對(duì)坡度較為敏感，其通過(guò)重力作用影響地表徑流以及土壤侵蝕的強(qiáng)度。

本研究是通過(guò)30 m分辨率的DEM利用Hickey和van Remortel根據(jù)RUSLE模型中計(jì)算LS因子[11]方法開發(fā)的AML宏語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)坡長(zhǎng)坡度因子的提取的。由于源代碼中的坡度因子未考慮陡坡的情況，本研究加入了1994年劉寶元等[12]提出的陡坡公式，對(duì)源代碼中的坡度因子計(jì)算進(jìn)行了修正，計(jì)算公式如下：

(5.1428°≤θ<11°)

(θ≥11°)

該語(yǔ)言中，坡長(zhǎng)因子的計(jì)算公式如下：

L=(λ/22.13)m

m=β/(1+β)

β=(sinθ/0.0896)/〔3.0(sinθ)0.8+0.56〕

式中：θ——坡度角(%)；λ——坡長(zhǎng)(m)；m——坡長(zhǎng)指數(shù)；β——細(xì)溝侵蝕與細(xì)溝間侵蝕的比值。

最終，將AML語(yǔ)言在ArcInfoWorkstation環(huán)境下運(yùn)行，得到坡長(zhǎng)坡度因子LS分布圖。

1.4.4 植被覆蓋與管理因子C估算 植被對(duì)土壤侵蝕有著舉足輕重的作用，其覆蓋能夠減弱土壤侵蝕。本研究對(duì)植被覆蓋與管理因子C的估算主要分為2步：一是進(jìn)行植被覆蓋度的估算，利用對(duì)植被生物物理特征十分敏感的NDVI指標(biāo)通過(guò)像元二分模型[13]得出；二是對(duì)植被覆蓋與管理因子估算，利用ArcGIS的柵格計(jì)算通過(guò)蔡崇法[14]建立的植被覆蓋度與C因子的關(guān)系式分別得出3個(gè)年份C因子的空間分布圖。

主要計(jì)算公式如下：

植被覆蓋與管理因子：

(0.1%≤fc≤78.3%)

(fc>78.3%)

式中：fc——植被覆蓋度；NDVI——像元?dú)w一化指數(shù)；NDVImin——無(wú)植被(裸土)像元的NDVI值；NDVImax——純植被像元的NDVI值。

本研究為了避免大于1的值出現(xiàn)，對(duì)蔡崇法的公式稍做了修改；由于水體的NDVI近乎為0，但究其無(wú)土壤侵蝕，因而本研究將其C值賦為0。

1.4.5 水土保持因子P估算 水土保持因子P反映的是水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的抑制作用，但由于缺乏實(shí)際的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，又因其主要受坡度的影響，因而本研究采用Wener經(jīng)驗(yàn)方程[15]來(lái)對(duì)水土保持因子P進(jìn)行估算。

P=0.2+0.03S

式中：S——百分比坡度。利用ArcGIS在坡度圖上通過(guò)柵格計(jì)算生成P因子分布圖。

由于本研究是為了探討土壤侵蝕與土地利用變化的關(guān)系，因而除了植被覆蓋與管理因子作為變量外，模型中其他因子均作為不變量。最后，將上述所獲得的RUSLE各因子值(R，K，LS，C，P)分布圖利用ArcGIS軟件的空間分析工具進(jìn)行連乘，即可得到2002，2008，2013年庫(kù)區(qū)土壤侵蝕量分布圖。根據(jù)2007年頒布的土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)〔<500 t/(km2·a)為微度侵蝕,500～2 500 t/(km2·a)為輕度侵蝕,2 500～5 000 t/(km2·a)為中度侵蝕,5 000～8 000 t/(km2·a)為強(qiáng)烈侵蝕,8 000～15 000 t/(km2·a)為極強(qiáng)烈侵蝕,>15 000 t/(km2·a)為劇烈侵蝕〕，制出3個(gè)年份土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布圖。

1.5 數(shù)據(jù)分析

土地利用變化、土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)變化均利用基本的統(tǒng)計(jì)方法以及轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行分析。 土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)分析是在ArcGIS環(huán)境下進(jìn)行土地利用變化分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得到土壤侵蝕變化區(qū)域土地利用變化分布情況，并利用Excel進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

2.1.1 土地利用結(jié)構(gòu)變化 根據(jù)遙感影像解譯得到2002，2008，2013年的土地利用類型圖，分為建設(shè)用地、林地、水體、耕地、灌草地和裸地6大類(附圖2)。對(duì)分類精度進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，由于一些地區(qū)歷史影像缺乏，人為判斷又有一定誤差，對(duì)精度驗(yàn)證造成了影響，主要集中在耕地與灌草地的錯(cuò)分上，城鎮(zhèn)周圍的菜地和園地，比較瑣碎，易被分到灌草地當(dāng)中，但精度都在80%以上，可進(jìn)行下一步分析。

丹江口庫(kù)區(qū)2002，2008，2013年均以林地分布面積最廣，占總面積的50%左右，其次為灌草地、耕地、水體、建設(shè)用地以及裸地。林地主要分布在庫(kù)區(qū)的南部區(qū)域(神農(nóng)架北坡)、漢庫(kù)和丹庫(kù)中間的部分及庫(kù)區(qū)北部的部分區(qū)域。庫(kù)區(qū)的林地面積由2002年的3 465.99 km2增加到了2008年的3 672.73 km2，2013年的3 941.43 km2，分別增加了5.96%和7.32%，主要增加的區(qū)域在水域和城鎮(zhèn)周圍以及庫(kù)區(qū)北部部分高海拔地區(qū)。庫(kù)區(qū)的建設(shè)用地面積由2002年的110.64 km2增加了2.40倍，在2013年達(dá)到376.35 km2。建設(shè)用地的增加主要位于庫(kù)區(qū)內(nèi)的十堰市到武當(dāng)山沿線，區(qū)內(nèi)湖北省鄖縣和河南省淅川縣城鎮(zhèn)建設(shè)的擴(kuò)張(圖1)。耕地面積稍有增加，由1 020.41 km2(2002年)增加5.76%達(dá)1 079.22 km2(2013年)，主要位于南陽(yáng)盆地以及淅川、鄖縣水域附近，但分布較為零散，與灌草地的分類易為混淆。耕地增加的原因在于為了滿足日益增長(zhǎng)的人口帶來(lái)的糧食需求。灌草地面積一直減少，由2 382.00 km2(2002年)減少37.61%到1 486.15 km2(2013年)，主要由于封山育林轉(zhuǎn)變?yōu)榱值?、城?zhèn)化建設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地以及分類混淆轉(zhuǎn)變?yōu)楦??？傮w上，林地、建設(shè)用地、水體、耕地均隨著時(shí)間而不斷擴(kuò)張，灌草地卻逐漸縮減，未利用地幾乎保持不變(圖1)。

圖1 2002—2013年丹江口庫(kù)區(qū)土地利用類型面積比例變化

2.1.2 土地利用類型轉(zhuǎn)移

(1) 2002—2008年。2002—2008年時(shí)段丹江口庫(kù)區(qū)各地類轉(zhuǎn)移面積占總面積的21.65%(表1)。除裸地之外，其余5種土地利用類型絕大部分保持不變。該時(shí)段，灌草地轉(zhuǎn)變?yōu)楦亍⒉糠值貐^(qū)退耕還林還草，成為庫(kù)區(qū)主要的土地利用過(guò)程。自2001年丹江口市被納入全國(guó)退耕還林試點(diǎn)縣市以來(lái)，對(duì)25°以上的坡耕地逐步實(shí)施退耕還林，并且實(shí)施荒山造林和封山育林政策，效果顯著。2002年有8.66%的耕地(88.37 km2)和17.20%的灌草地(409.60 km2)轉(zhuǎn)換為林地，但林地的轉(zhuǎn)出極少，使其面積顯著增加，主要集中在十堰市、淅川縣與西峽縣周圍、水域周圍以及鄖縣北側(cè)海拔較高的地區(qū)。耕地有42.41%的轉(zhuǎn)出，轉(zhuǎn)出部分有71.23%(308.00 km2)轉(zhuǎn)為灌草地，主要原因之一在于土地利用自身的轉(zhuǎn)移，之二在于耕地與灌草地在分類時(shí)較易混淆，出現(xiàn)錯(cuò)分現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)果存在誤差。在此期間又有各類型的轉(zhuǎn)入來(lái)維持耕地的總量不減，從而滿足人口不斷增長(zhǎng)帶來(lái)的糧食需求。雖然上述數(shù)據(jù)顯示大量耕地轉(zhuǎn)為灌草地，但灌草地又轉(zhuǎn)換為林地和耕地(409.60，316.03 km2)，導(dǎo)致灌草地大量流失，主要集中在水域周圍以及城鎮(zhèn)周邊。57.95%和12.87%裸地(19.64，4.36 km2)分別轉(zhuǎn)換為灌草地和耕地，但其總量極低，可以忽略。建設(shè)用地的增加主要由灌草地轉(zhuǎn)入，位于城鎮(zhèn)周邊擴(kuò)建區(qū)域。

以十堰市為例，據(jù)十堰市統(tǒng)計(jì)年鑒記載，十堰市城區(qū)建成面積由53 km2(2003年)增加到67 km2(2008年)，人口由50萬(wàn)(2003年)增加到52.36萬(wàn)(2008年)，都與本研究的結(jié)果基本相符。

表1 2002—2008年丹江口庫(kù)區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

(2) 2008—2013年。2008—2013年時(shí)段丹江口庫(kù)區(qū)各地類轉(zhuǎn)移面積占總面積的23.36%(表2)。該時(shí)段的主要趨勢(shì)同上一時(shí)間段，仍然是除裸地以外其余5種土地利用類型絕大部分均保持原狀態(tài)。該時(shí)段，土地利用變化主要表現(xiàn)為灌草地、耕地和林地三者相互轉(zhuǎn)換，建設(shè)用地以及水域擴(kuò)張。

2008年有10.91%的耕地(111.38 km2)和21.23%的灌草地(231.29 km2)轉(zhuǎn)換為林地，但林地轉(zhuǎn)為其他各類型的比例很小，林地面積顯著增加，主要集中在水域和城鎮(zhèn)周圍。2010年為保證南水北調(diào)工程順利實(shí)施，丹江庫(kù)區(qū)6個(gè)縣市實(shí)行移民政策，很多零散的居住地、耕地集約化，使得耕地有42.25%(431.41 km2)的轉(zhuǎn)出，但仍有3.47%的林地(127.55 km2)和16.62%的灌草地(345.00 km2)的補(bǔ)充，使其面積有小部分凈增加，集中在淅川丹江一帶和鄖縣水域附近。此外，灌草地的變化比較大，雖有22.65%的耕地(231.29 km2)的轉(zhuǎn)入，也彌補(bǔ)不了其21.23%(440.80 km2)和16.62%(345.00 km2)分別轉(zhuǎn)換為林地和耕地，致其大量流失，集中在淅川、鄖縣周圍以及水域周邊。建設(shè)用地因有4.56%(94.62 km2)和6.03%(61.53 km2)的灌草地和耕地轉(zhuǎn)入而擴(kuò)張明顯，分布在城鎮(zhèn)擴(kuò)建區(qū)域。自2012年大壩加高后，水域面積擴(kuò)張61.92 km2，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)內(nèi)6個(gè)縣市移民人口不斷擴(kuò)大，淅川縣作為水源地、淹沒(méi)區(qū)以及渠首所在地，淅川縣的移民人數(shù)總量最大，移民16.2萬(wàn)人。

表2 2008—2013年丹江口庫(kù)區(qū)土地利用類型面積轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.2 土壤侵蝕變化

2.2.1 土壤侵蝕總體變化 2002，2008，2013年的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布，主要分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕6個(gè)類別。土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積變化可以反映土壤侵蝕強(qiáng)度的總體態(tài)勢(shì)。丹江口庫(kù)區(qū)3 a來(lái)均以微度侵蝕占主導(dǎo)，均占總面積的77%以上，而強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕占比極其小，三者總占比不超過(guò)總面積的1.30%(圖2)。

圖2 2002，2008，2013年土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積百分比變化

不同土壤侵蝕強(qiáng)度所占比重依次為:微度>輕度>中度>強(qiáng)烈>極強(qiáng)烈>劇烈，說(shuō)明丹江口庫(kù)區(qū)的水土保持狀況較好，總體侵蝕強(qiáng)度不大。另外，2002—2013年來(lái)，微度侵蝕的面積逐步增多，由2002年的5 881.04 km2增加到2008年的6 683.40 km2，2013年總量可達(dá)6 817.56 km2。輕度(2002年1 323.88 km2，2008年722.53 km2，2013年613.04 km2)，中度(2002年247.59 km2，2008年104.94 km2，2013年78.98 km2)，強(qiáng)烈(2002年65.17 km2，2008年23.29 km2，2013年19.44 km2)侵蝕的面積逐步減小，極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕的面積先降后增，但所占比例極其微弱，可忽略?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高以及政府對(duì)水土保持工作的高度重視，使得丹

江口庫(kù)區(qū)2002—2013年來(lái)的水土保持工作業(yè)績(jī)顯著，土壤侵蝕得到了很好的控制，為水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)一步提供了保障。

2.2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移變化

(1) 2002—2008年。2002—2008年時(shí)段丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)發(fā)生變化的面積僅占總面積的17.74%(表3)。其中：輕度、中度、劇烈侵蝕均有部分減弱為微度侵蝕，轉(zhuǎn)移面積分別為883.61，48.67，5.54 km2，但微度侵蝕轉(zhuǎn)為其他侵蝕強(qiáng)度更高的等級(jí)極少(137.73 km2)，致使其總量增加。輕度侵蝕主要由2.08%的微度侵蝕(122.34 km2)和62.89%的中度侵蝕(155.71 km2)轉(zhuǎn)換而來(lái)，而其有一大部分轉(zhuǎn)換為微度侵蝕(883.61 km2)，最終使得輕度侵蝕的總量減小。中度侵蝕由其他侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)入共66.65 km2，但其共有82.55%(204.38 km2)向侵蝕強(qiáng)度等級(jí)低的方向轉(zhuǎn)換，且以轉(zhuǎn)為輕度侵蝕最多(155.71 km2)，15.47%(38.30 km2)保持侵蝕強(qiáng)度不變，使得中度侵蝕的總量減少。強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕均主要由比其侵蝕強(qiáng)度大的類型轉(zhuǎn)換而來(lái)，但又有絕大部分轉(zhuǎn)換為比其侵蝕強(qiáng)度低的類型，使得總量仍是減少。劇烈侵蝕轉(zhuǎn)出為其他各類型，但其轉(zhuǎn)入極少，因而總量也是降低。這一時(shí)段，土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)增加量依次為:微度>輕度>中度>強(qiáng)烈>極強(qiáng)烈>劇烈，總體來(lái)說(shuō)，水土保持良好，土壤侵蝕程度有所降低，但局部地區(qū)也存在土壤侵蝕強(qiáng)度增加的情況。

表3 2002—2008年丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣 km2

(2) 2008—2013年。2008—2013年時(shí)段丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)發(fā)生變化的土地占總面積的9.88%，比上一時(shí)間段有所減少(表4)。其中：微度侵蝕由其他各侵蝕強(qiáng)度類型轉(zhuǎn)入(共383.81 km2)，轉(zhuǎn)出較少(249.65 km2)，使得總量增多。輕度侵蝕主要由微度(212.34 km2)、中度(58.99 km2)侵蝕轉(zhuǎn)入，但輕度侵蝕自身總量大，又有50.56%(365.33 km2)降低為微度侵蝕，使得總量減少。中度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕情況類似，變化主要是由于轉(zhuǎn)出為侵蝕量較小的類型總量大于轉(zhuǎn)入量，使得總量仍是減少。微度(6.08 km2)和輕度(1.87 km2)是極強(qiáng)烈侵蝕轉(zhuǎn)入的主要類型，其自身仍有1.23 km2保持原狀態(tài)不變，此外共有8.84 km2轉(zhuǎn)換為比其侵蝕強(qiáng)度低的類型。劇烈侵蝕總量極少，約84.88%(2.92 km2)降低為其他類型，而又有5.84 km2的侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)入，使得劇烈侵蝕的總量增加。這一時(shí)段，土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)增加量同上一階段，仍為:微度>輕度>中度>強(qiáng)烈>極強(qiáng)烈>劇烈，總體來(lái)說(shuō)，雖然庫(kù)區(qū)部分侵蝕強(qiáng)度有所增加，但整體土壤侵蝕狀況還是有所好轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)厮帘３执胧?shí)施得當(dāng)。

表4 2008—2013年丹江口庫(kù)區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣 km2

2.3 土壤侵蝕對(duì)土地利用變化的響應(yīng)

(1) 2002—2008年。土壤侵蝕強(qiáng)度無(wú)變化區(qū)域占庫(kù)區(qū)整體的絕大部分(82.26%)，這部分區(qū)域主要是由土地利用類型不變的區(qū)域組成，而在土地利用類型發(fā)生了變化但土壤侵蝕強(qiáng)度無(wú)變化的區(qū)域主要集中在耕地與灌草地相互轉(zhuǎn)換以及灌草地轉(zhuǎn)換為林地。其中：由于灌草地和耕地存在錯(cuò)分的現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)果不精確。這些土地利用變化沒(méi)有改變土壤侵蝕主要是由于變化區(qū)域均集中在水域周圍海拔較低的區(qū)域以及南陽(yáng)盆地一塊，由于降雨產(chǎn)生的地表徑流較少，因而植被覆蓋度的變化對(duì)侵蝕造成的影響很小。

土壤侵蝕強(qiáng)度降低一級(jí)的總量?jī)H次于侵蝕無(wú)變化部分,占總面積的14.25%。降低2和3級(jí)總量占總面積的1.09%和0.14%。土壤侵蝕程度降低的前3級(jí)對(duì)應(yīng)的土地利用變化主要都是灌草地變?yōu)榱值睾透?，二者所占比重分別達(dá)70.16%(201.82 km2),76.43%(17.66 km2)和69.57%(2.09 km2)。主要集中在水域與城鎮(zhèn)之間以及淅川縣東側(cè)地勢(shì)平坦的區(qū)域，稀疏的灌草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾透?，植被覆蓋度增加，使得土壤侵蝕程度降低。土壤侵蝕強(qiáng)度降低4和5級(jí)總量極少，分別占總面積的0.03%和0.01%。這兩者對(duì)應(yīng)的土地利用變化仍主要為灌草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾透?，總量極低，分別為0.32，0.03 km2，零星分布在整個(gè)區(qū)域，近乎可忽略。

土壤侵蝕強(qiáng)度增加一級(jí)總量占總面積的1.92%，對(duì)應(yīng)的土地利用變化主要為耕地、林地轉(zhuǎn)換為灌草地以及灌草地、林地轉(zhuǎn)換為建設(shè)用地，主要位于城鎮(zhèn)周邊，可能是由于城鎮(zhèn)的擴(kuò)建使得林地和耕地被占用轉(zhuǎn)為灌草地，甚至變成建設(shè)用地。增加2級(jí)占比0.20%，對(duì)應(yīng)的土地利用變化主要是灌草地、林地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，主要由城鎮(zhèn)化建設(shè)引起。其次為林地、耕地轉(zhuǎn)換為灌草地，變化區(qū)域集中在海拔高的區(qū)域，植被覆蓋度降低，侵蝕增加。增加3,4級(jí)以及5級(jí)的總量極少，分別占總面積的0.07%，0.03%和0.01%。這三者對(duì)應(yīng)的土地利用變化主要是林地、灌草地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地，可見城市化進(jìn)程加快，導(dǎo)致部分地區(qū)土壤侵蝕程度加劇。

(2) 2008—2013年。土壤侵蝕強(qiáng)度無(wú)變化區(qū)域占庫(kù)區(qū)整體的90.12%，對(duì)應(yīng)的土地利用變化主要集中在灌草地轉(zhuǎn)為林地以及灌草地與耕地的相互轉(zhuǎn)換上，所占比重約64.63%(880.32 km2)。由于發(fā)生類型轉(zhuǎn)變的這些區(qū)域地勢(shì)平坦，且植被覆蓋度相對(duì)比較高，其微量變化不足以改變土壤侵蝕的等級(jí)。

土壤侵蝕強(qiáng)度降低一級(jí)的總量同上一階段，也是除無(wú)變化區(qū)域外分布最廣的，占總面積的5.81%，對(duì)應(yīng)的土地利用變化主要為灌草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾透兀急冗_(dá)75.48%(88.78 km2)。降低2級(jí)總量占總面積的0.31%，主要?dú)w功于灌草地轉(zhuǎn)為林地、耕地以及裸地變?yōu)楣嗖莸?。原因其一在于部分稀疏的灌草地轉(zhuǎn)為林地和耕地，使得植被覆蓋度增加，侵蝕量減少；其二在于局部地區(qū)實(shí)行荒山造林政策，使得土壤侵蝕量降低。降低3級(jí)所占總面積0.07%，對(duì)應(yīng)的土地利用變化比較分散，主要是灌草地變?yōu)榱值睾吐愕亍⒔ㄔO(shè)用地變?yōu)楣嗖莸?，植被覆蓋度增加，侵蝕減少。降低4級(jí)和5級(jí)總量占比極小，分別為0.02%和0.00%(0.004 5%)對(duì)應(yīng)的土地利用變化也很分散，集中在低植被覆蓋度的土地利用類型轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高植被覆蓋度的類型，但總量極其少。

土壤侵蝕強(qiáng)度增加一級(jí)總量占總面積的3.08%，對(duì)應(yīng)的土地利用變化較為分散，包括耕地轉(zhuǎn)變?yōu)楣嗖莸?、較高植被覆蓋度類型轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地、林地轉(zhuǎn)為灌草地上，植被覆蓋度降低，侵蝕量增加。土壤侵蝕增加2,3,4以及5級(jí)總量占總面積的比例均很小，分別為0.32%，0.13%，0.10%和0.05%。這4個(gè)類別的土地利用變化均主要集中在林地、灌草地和耕地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地上，所占比重分別為81.16%(152.12 km2)，91.80%(7.64 km2)，97.36%(6.40 km2)和99.44%(3.51 km2)。由此可見城鎮(zhèn)化建設(shè)加劇了土壤侵蝕。

3 結(jié)論與討論

(1) 2002，2008，2013年丹江口庫(kù)區(qū)均以林地覆蓋面積最廣，灌草地、耕地、水體、建設(shè)用地、裸地覆蓋面積依次減少。隨著時(shí)間的推移，土地利用轉(zhuǎn)移情況在各個(gè)類型上均有發(fā)生，主要的土地利用過(guò)程是林地、耕地和灌草地的相互轉(zhuǎn)換以及建設(shè)用地的擴(kuò)張。由于丹江口大壩加高，水位上漲，庫(kù)區(qū)移民政策實(shí)施，城鄉(xiāng)建設(shè)集中發(fā)展，土地集約利用，使得部分地區(qū)耕地、灌草地減少，建設(shè)用地增多。基于水域周邊這種得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，以及人類對(duì)糧食的需求增大，部分地區(qū)耕地增多。人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，實(shí)施封山育林、植樹造林政策，林地面積大大增多。基于上述原因，2002—2013年林地、建設(shè)用地、水體、耕地均不斷擴(kuò)張，灌草地逐步縮減，未利用地近乎不變。

(2) 丹江口庫(kù)區(qū)這3 a均以微度侵蝕占主導(dǎo)，侵蝕強(qiáng)度等級(jí)與其面積呈負(fù)相關(guān)，總體侵蝕強(qiáng)度不大。與朱明勇[7]對(duì)庫(kù)區(qū)土壤侵蝕量整體估算結(jié)果類似，研究區(qū)的土壤侵蝕位于低度侵蝕狀態(tài)。但在有些類型上的結(jié)果卻有出入，其中強(qiáng)度和劇烈侵蝕面積占研究區(qū)域(去除水體)的9.14%，主要集中在庫(kù)區(qū)南部地區(qū)，該區(qū)域植被覆蓋度近100%，且人為干擾少，但由于地形陡，地形因子LS值很高，導(dǎo)致侵蝕量模擬值偏高[8]。而本研究中，強(qiáng)度以上的侵蝕面積卻不足1.00%，相對(duì)較少，且南部地區(qū)侵蝕量較低。主要原因在于，朱明勇采用的土地利用賦值法可能低估了植被覆蓋度的貢獻(xiàn)，而高估了地形因子的影響，與本研究采用像元二分模型法計(jì)算被覆蓋與管理因子有差異。

隨著退耕還林、荒山造林、封山育林等政策的實(shí)施，庫(kù)區(qū)呈現(xiàn)較高強(qiáng)度土壤侵蝕不斷向較低強(qiáng)度土壤侵蝕轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，使得微度侵蝕面積逐步增多，輕度、中度、強(qiáng)烈、侵蝕面積逐步減小，而極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕面積先降后增?？傮w而言，土壤侵蝕強(qiáng)度雖在部分區(qū)域有所增加，但整體還是得到了極好的控制，為水庫(kù)的水質(zhì)進(jìn)一步提供了保障。

(3) 土地利用變化引起植被覆蓋度的變化是短時(shí)間內(nèi)引起土壤侵蝕變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，坡度起著催化劑的作用。庫(kù)區(qū)2002—2013年來(lái)，土壤侵蝕未變化部分占比重最大，地勢(shì)平坦地區(qū)，灌草地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾凸嗖莸嘏c耕地的互轉(zhuǎn)，植被覆蓋度微弱的改變，并未引起侵蝕等級(jí)的變化。土壤侵蝕強(qiáng)度減弱主要是由于灌草地變?yōu)榱值睾透?，降低等?jí)視植被覆蓋度大小決定。土壤侵蝕強(qiáng)度增加主要是由于地勢(shì)起伏較大的區(qū)域，林地、耕地轉(zhuǎn)為灌草地以及較高植被覆蓋類型轉(zhuǎn)為建設(shè)用地。由此可見，在丹江口庫(kù)區(qū)，土地利用變化是引起土壤侵蝕變化的必要條件，因而必須要優(yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，為丹江口水庫(kù)的水質(zhì)提供保障。

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Response of Soil Erosion to Land Use Change in Dangjiangkou Reservoir Area

ZHANG Ying1,2, LIAO Chang1,2, JIANG Qinghu1, LIU Feng1

(1.KeyLaboratoryofAquaticBotanyandWatershedEcology,WuhanBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430074,China; 2.UniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

[Objective] The purpose of this study is to explore the response of soil erosion to land use changes, and to provide reference for the prevention and control of soil erosion in the reservoir area, as well as to provide scientific support for the development of measures to ensure water quality security in Danjiangkou reservoir area. [Methods] Using land use data interpreted from remote sensing images, we analyzed the land use changes in the Danjiangkou reservoir area between 2002 and 2013. Additionally, using the revised universal soil loss equation(RUSLE), we simulated soil erosion to evaluate how it may response to land use change. [Results] During 2002—2013, the main land use changes resulted from conversions among forest, farmland and shrub-grassland, as well as expansion of construction area. Specifically, forest area expanded by 13.72%, the area of farmland only increased by 5.76%. Shrub-grass land area has decreased by 37.61%. The construction area increased twice. In 2002, 2008 and 2013, slight soil erosion dominated the most areas in the Danjiangkou reservoir area. In spite of the increased soil erosion intensity in construction area, the overall soil erosion intensity was reduced. [Conclusion] Implementation of grain-for-green policy, closing hillsides to facilitate afforestation, and urbanization contributed to land use and soil erosion change in the Danjiangkou reservoir area. The soil erosion in the reservoir area has a tendency to decrease in general, but in the area of urbanization, soil erosion has deteriorated sharply.

land use; RUSLE model; soil erosion; Danjiangkou reservior area; urbanization

2016-04-22

2016-07-23

科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“南水北調(diào)(中線)水源地生物群落環(huán)境調(diào)查”(2015FY110400); 中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目(2012148)

章影(1991—),女(漢族),江蘇省南通市人,碩士研究生,主要從事土地利用、土壤侵蝕方面研究。E-mail:zhangying88@bnu.edu.cn。

劉峰(1975—),男(漢族),山東省臨沂市人,博士,研究員,主要從事全球變化生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)及生態(tài)模擬等領(lǐng)域的研究。E-mail:liufeng@wbgcas.cn。

A

1000-288X(2017)01-0104-08

S157.1