超大城市水土流失空間分布格局及其防治策略
——以武漢市為例

王志剛, 韓 培, 周耀華, 華忠光, 蔡勁松, 趙元凌, 張平倉

(1.長江水利委員會 長江科學院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430010;2.武漢市水務科學研究院, 湖北 武漢 430010; 3.武漢市水務局， 湖北 武漢 430010)

隨著中國城市化建設的快速發(fā)展，城市水土流失日益加劇。城市水土流失是指在城市化進程中，人為活動引發(fā)的新的水土流失[1-4]。與鄉(xiāng)村水土流失相比，城市水土流失中人為作用的直接影響占主導，生產(chǎn)建設項目水土流失與背景水土流失疊加、交織，流失方式更加復雜多樣，物質來源更加復雜、多樣、污染物更多，而危害更具有隱蔽性。因此，研究大型城市水土流失的空間格局，摸清其規(guī)律，并制定針對性的防治方略，對于推進綠色發(fā)展和建設美麗中國具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

本文擬以超大城市武漢為例，著重探討城市建設、農業(yè)生產(chǎn)等人為影響疊加特有自然條件下，形成的特殊城市水土流失空間分布格局，并提出防治策略。已有的武漢市水土流失研究主要是基于國家，湖北省，武漢市的歷次水土流失遙感普查數(shù)據(jù)開展的，研究者們對武漢市水土流失的面積消長、成因、防治對策進行了全面的分析，但由于難以從政府部門拿到水土流失空間分布的原始數(shù)據(jù)，所以很難開展詳盡的空間分布格局研究[5-9]。本文的作者開展了2016年武漢市水土流失遙感普查工作，基于武漢市水土流失及其影響因素的矢量和柵格數(shù)據(jù)，從城市水土保持的視角，對武漢市水土流失空間分布格局和防治策略開展深入研究，擬對已有的研究是有益的補充和完善，對類似大城市開展水土保持研究提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢市位于湖北省東南部，地質構造以新華夏構造體系為主，地貌屬鄂東南丘陵經(jīng)江漢平原東緣向大別山南麓低山丘過渡地區(qū)，中間低平，南北丘陵、崗壟環(huán)抱，北部低山林立，境內大小近百個湖泊星羅棋布，形成了水系發(fā)達、山水交融的復雜地形(圖1)。

圖1 武漢市地形地貌

全市低山、丘陵、壟崗平原與平坦平原分別占土地總面積的5.8%，12.3%，42.6%和39.3%，海拔高度在19.2～873.7 m，大部分在50 m以下[10-11]。武漢屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高溫、降水集中，冬季稍涼濕潤等特點。2016年，武漢市被列為超大城市，并支持建設國家中心城市。武漢市常住人口1 060.37萬人，戶籍人口829.27 萬人，其中非農業(yè)人口561.59萬人，占戶籍人口的67.7%，城鎮(zhèn)化率約75%。武漢主城區(qū)以三環(huán)線以內區(qū)域為主(圖1中內圈)，面積約553 km2；都市發(fā)展區(qū)以三環(huán)以外至外環(huán)路附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)域(圖1中第2圈層)，面積約2 700 km2[11-12]。都市發(fā)展區(qū)以外的區(qū)域按照地形和土地利用劃分為兩個圈層，其中第3個圈層的地形主要為平原和波狀崗地，土地利用主要為旱地(含園地)、水田和草地，面積約3 840 km2；第4個圈層的地形主要為丘陵和低山，土地利用主要為林地，面積約1 399 km2。由于受行政區(qū)域形狀和地形的影像，第3，4圈層未能形成閉合的環(huán)，但從邏輯和概念的角度可以近似看作,2個圈層，類似于耕作土壤以居民點為中心形成同心圓式分布。

1.2 研究方法

采用《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)中的土壤侵蝕強度面蝕(片蝕)分級指標判定武漢市全域的土壤侵蝕強度等級[13]。其中，地面坡度基于填充洼地后的武漢市19 m分辨率DEM(來自Google Earth高程17級數(shù)據(jù))，利用ArcMap 10.0中空間分析模塊的Slope函數(shù)進行計算[14]；土地利用類型通過面向對象與人機交互相結合的方法解譯，選取2016年2月12日至3月28日成像天氣晴好、云量均小于1%的影像21景高分1號影像(全色、多光譜空間分辨率分別為2，8 m)，利用ENVI 5.1軟件對遙感影像進行正射校正、影像融合、鑲嵌、大氣校正，利用eCognition Developer軟件對遙感影像多尺度分割后，參考《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)中土地利用現(xiàn)狀Ⅰ級類和少量Ⅱ級類[15]，將武漢市土地利用現(xiàn)狀設置為與水土保持密切相關的水體、居民地及建筑物、道路、裸地、耕地、林地、草地、水田這8類，然后在影像上面目視判別土地利用現(xiàn)狀類型、選擇樣本，進行監(jiān)督分類；林草蓋度采用植被覆蓋度代替，植被覆蓋度利用歸一化植被指數(shù)(NDVI)估算[16]。最后，將通過上述方法獲取的坡度、土地利用、植被覆蓋度進行空間疊加分析，按照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190-2007)面蝕(片蝕)分級指標中給出的土壤侵蝕強度等級，判定的武漢市水土流失強度，并制作空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 武漢市主要水土流失影響因素特征

武漢市全境大部分區(qū)域坡度在5°以下，<5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°的面積分別占土地總面積的91.78%，3.19%，3.09%，1.66%，0.27%，0.01%。坡度較陡的區(qū)域分布在武漢市北部、東部的山區(qū)和中南部的丘陵區(qū)域(附圖12)。

武漢市旱地、水田、居民地建筑物、水域、草地、林地、裸地、道路分別占土地總面積的27.32%，18.73%，18.31%，11.36%，9.52%，9.11%，3.63%，2.02%。其中的裸地主要是生產(chǎn)建設項目擾動地、采石采礦跡地和少量裸露山體。從空間格局看(附圖13)，大致可以分為4個圈層：內圈是主城區(qū)，主要為居民地建筑物；第2個圈層是都市發(fā)展區(qū)，主要為居民地建筑物與旱地交織分布，生產(chǎn)建設項目導致的裸地占總裸地面積的絕對優(yōu)勢；第3個圈層是農業(yè)生產(chǎn)區(qū)，主要為旱地(含園地)、水田和草地，是武漢市的菜籃子基地和糧食生產(chǎn)區(qū)；第4個圈層是遠郊的丘陵低山林地區(qū)，分布著武漢市主要的林地。

武漢市陸地(扣除11.36%的水域)植被覆蓋度<30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%，>75%的面積分別占土地總面積的13.64%，29.78%，26.24%，11.87%，7.12%。空間分布與武漢市的土地利用存在類似圈層特征(圖2)，內圈主城區(qū)的植被覆蓋度最低，其次是第2圈層都市發(fā)展區(qū)，第3圈層農業(yè)生產(chǎn)區(qū)的植被覆蓋度較高，第4圈層低山丘陵林地的植被覆蓋度最高。

圖2 武漢市植被覆蓋度

2.2 武漢市10 a來水土流失消長特征

分析武漢市2006,2010,2011,2015,2016年6期水土流失普查成果[5-8](圖3)，可以發(fā)現(xiàn)：10 a來，武漢市水土流失面積總體呈逐年下降趨勢；其中輕度水土流失面積大幅度下降；中度水土流失面積基本維持不變，甚至略有增加，反映武漢市城市建設活動仍在持續(xù)進行；強烈及以上總流失面積呈下降趨勢，反映武漢市生產(chǎn)建設項目水土流失治理也取得了一定成效。

按中主城區(qū)(內圈)、非主城區(qū)(第2,3,4圈層)2個區(qū)域，分析10 a來武漢市不同區(qū)域水土流失消長情況(表1)，可以發(fā)現(xiàn)：武漢市主城區(qū)水土流失總面積大幅度下降，這主要是由于城市建成區(qū)地面大量硬化，可流失土地面積大幅度減少所致；非主城區(qū)水土流失總面積和輕度流失面積大幅度下降，說明近年來武漢市生態(tài)環(huán)境修復和治理的成效顯著，而中度和強烈及以上水土流失面積仍然存在，說明非主城區(qū)(尤

其是第2圈層都市發(fā)展區(qū)內)的大量的生產(chǎn)建設項目仍在導致人為的水土流失。

圖3 武漢市歷年水土流失面積對比表1 武漢市歷年水土流失消長情況

區(qū) 域年份水土流失面積/km2合計輕度中度強烈極強烈劇烈2006403.57396.406.210.910.050.00主城區(qū)(內圈)201195.5732.7532.8523.516.460.00201578.1618.2755.123.790.380.60201679.9327.9948.972.600.310.0520061 560.851 125.28303.68131.420.440.03非主城區(qū)(第2,3,4圈層)2011986.66426.92280.83185.3192.121.482015866.96478.93336.1236.074.9610.882016847.19475.58288.9762.0711.698.88

2.3 武漢市水土流失空間分布格局

武漢市土壤侵蝕強度總體以微度為主，輕度、中度、強烈等級主要分布在都市發(fā)展區(qū)和遠郊丘陵低山區(qū)，極強烈和劇烈主要分布在都市發(fā)展區(qū)(第2圈層附圖14)。武漢市水土流失空間分布呈現(xiàn)出“4圈”分布格局(表2)：

(1) 內圈。主城區(qū)，三環(huán)以內，地面硬化程度高，地勢也較為平坦，基本無水土流失，植被覆蓋度較低，城市綠地十分珍稀，城市地下管廊密布。

(2) 第2圈層。都市發(fā)展區(qū)，三環(huán)以外至外環(huán)路附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)，是武漢市城市建設比較集中的區(qū)域，生產(chǎn)建設項目多且集中連片分布，人為水土流失面積大，中度至劇烈等級水土流失均有分布，是武漢市水土流失最嚴重的區(qū)域，是快速城市化進程中城市水土流失空間分布的特征圈層。

(3) 第3圈層。都市發(fā)展區(qū)外圍平原農業(yè)生產(chǎn)區(qū)，外環(huán)線附近鄉(xiāng)鎮(zhèn)之外的平原、崗地區(qū)域，是武漢市的主要農業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，土地利用現(xiàn)狀主要為菜地、水田和旱地，地勢也較為平坦，水土流失面積小、強度低，但土地農業(yè)利用強度高，農業(yè)面源污染嚴重。

(4) 第4圈層。遠郊丘陵低山區(qū)，平原區(qū)外圍的遠郊丘陵低山，土地利用現(xiàn)狀以林地為主，兼有少量坡耕地和采石采礦跡地分布，地面坡度較陡，自然水土流失占主導，水土流失強度以輕度為主。

表2 武漢市水土流失空間分布格局及其特征

2.4 武漢市水土流失防治策略

針對武漢市水土流失空間分布格局和主要影響因素特征，本研究提出武漢市這種快速城市化過程中的超大城市的水土流失防治策略：

(1) 內圈。內圈地面硬化程度高，城市綠地十分珍稀，并且立地土層一般較淺，養(yǎng)分和水分供給不協(xié)調，需要加強城市綠地的管理和維護。雖然內圈水土流失強度不高，但是內圈多采用地下管道排水，地下排水系統(tǒng)對泥沙比較敏感，又沒有多的空間設置地上沉砂池，因此需要加地下排水系統(tǒng)的清理管護。

(2) 第2圈層。第2圈層生產(chǎn)建設項目多，導致強烈的人為水土流失，需要加大生產(chǎn)建設項目水土保持監(jiān)督執(zhí)法，最大限度地扼制人為水土流失，加大施工跡地的恢復和城市生態(tài)景觀建設，為形成優(yōu)良的城市生態(tài)系統(tǒng)打下堅實的基礎。

(3) 第3圈層。該區(qū)域雖然水土流失強度低，但土地的農業(yè)使用強度大，農藥化肥等農用化學物質投入量大，農業(yè)面源污染嚴重，地表徑流和淺層地下水污染較嚴重，第3圈層山地、丘陵區(qū)的水資源又需要經(jīng)過該區(qū)域進入主城區(qū)，因此加強面源污染治理、建設生態(tài)清潔型小流域是水土保持工作的重點。

(4) 第4圈層。該區(qū)域地面坡度較大，土壤侵蝕潛勢較大，需要大力保護林草植被和森林資源，嚴守生態(tài)紅線，繼續(xù)開展坡耕地治理、采石采礦跡地生態(tài)恢復和治理工作，另外還有注意控制旅游開發(fā)導致新的人為水土流失。

3 結 論

隨著中國城市化建設的快速發(fā)展，城市水土流失日益加劇，對城市水土流失的研究成為熱點。城市水土流失空間格局深刻地受到人為作用影響，但是由于受各種因素的限制，相關的論述還不夠系統(tǒng)、完善。目前對于城市水土流失空間格局的論述多是基于土壤侵蝕或水土保持區(qū)劃，側重于從自然因素角度和大空間尺度論述，而從事工程水土保持研究的工作又多側重于具體生產(chǎn)建設項目。而本研究以大城市為研究對象，將城市水土流失中強烈的人為作用影響與自然因素并重，提出大城市水土流失特有的“四圈”分布格局，對類似的研究具有一定的參考價值。其中，內圈(主城區(qū))和第2圈層(都市發(fā)展區(qū))是大城市特有的特征性的水土流失格局圈層(部分城市由于地形的影響可能未形成完整的圈層)。第3圈層多為都市發(fā)展區(qū)外圍的農業(yè)生產(chǎn)區(qū)，第4圈層多為遠郊丘陵山地區(qū)，非城市因素影響仍占主導，但是也深刻地受到城市生產(chǎn)生活影響，第3圈層要為城市提供大量農產(chǎn)品(特別是蔬菜)，土地利用使用強度高，面源污染嚴重，第4圈層要為城市建設提供建材石料等礦產(chǎn)，采礦跡地又一定的分布，并且近年來鄉(xiāng)村旅游發(fā)展迅速，也深深地打上了城市影像的烙印。類似研究在參考本文中的圈層分布格局時，主要參考各圈層的特征，其在空間上的組合，以及圈層的完整性、閉合性等是次要的。