土地利用變化對(duì)土壤侵蝕影響研究綜述

張敏 謝本軍 楊丹丹

摘要? ? 土地利用變化會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生巨大影響，不合理的利用土地會(huì)加劇土壤侵蝕。本文介紹了土地利用變化對(duì)土壤侵蝕影響的3種研究方法，即利用RS和GIS技術(shù)方法、模型的計(jì)算方法、基于景觀格局指數(shù)的定量計(jì)算法，并為進(jìn)一步計(jì)算土壤侵蝕量的大小，合理地選擇研究方法提出了建議。

關(guān)鍵詞? ? 土地利用變化;土壤侵蝕;研究方法

中圖分類(lèi)號(hào)? ? S157? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A? ? ? ? 文章編號(hào)? ?1007-5739（2019）12-0167-02

近年來(lái)，人類(lèi)面臨最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是全球環(huán)境問(wèn)題[1]。隨著社會(huì)的高速發(fā)展，人類(lèi)為了追求財(cái)富過(guò)度活動(dòng)而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大影響。全球氣候變暖、沙漠化、森林銳減、土地退化與水土流失等一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題層出不窮。與此同時(shí)，中國(guó)人口數(shù)量急劇增加但國(guó)土面積有限，人地關(guān)系十分緊張。因此，人類(lèi)活動(dòng)的加劇成為必然趨勢(shì)且會(huì)影響土地利用變化，是土壤侵蝕的重要影響因素[2]。土地利用變化是全球環(huán)境變化的重要組成部分和主要原因[3]，它引起土壤侵蝕，破壞生態(tài)環(huán)境。目前，土壤侵蝕已經(jīng)成為全世界廣泛關(guān)注的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[4]。

土地利用變化的原因之一是土地覆蓋表面的變化，它會(huì)隨土地覆蓋表面的變化發(fā)生相應(yīng)的增減。土地覆蓋程度的不同，會(huì)影響徑流和輸沙量的大小，當(dāng)土地利用方式發(fā)生變化時(shí)，會(huì)改變其下墊面的條件，進(jìn)而對(duì)土壤侵蝕造成影響[5]。國(guó)內(nèi)一些研究表明，植物冠層和植物覆蓋會(huì)減少降雨產(chǎn)生的沖擊力，降低徑流對(duì)土壤的沖刷作用，從而減少土壤侵蝕。章影[6]在研究丹江口庫(kù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在退耕還林、封山育林以及城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，土地利用的擴(kuò)張導(dǎo)致丹江口庫(kù)土壤侵蝕面積逐年增加。因此，為了更好地探究土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響程度，本文將圍繞土地利用變化對(duì)土壤侵蝕影響的幾種研究方法來(lái)分析土地利用發(fā)生變化時(shí)，如何計(jì)算土壤侵蝕量的大小以及合理選擇研究方法。

1? ? 利用RS和GIS技術(shù)方法

RS技術(shù)探測(cè)范圍大，獲取資料速度快、周期短，而GIS技術(shù)又能使計(jì)算結(jié)果圖形化，直觀簡(jiǎn)潔[7]。鑒于RS和GIS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，人們將其應(yīng)用到了土地利用變化與土壤侵蝕關(guān)系的研究中，但此方法主要應(yīng)用于區(qū)域尺度上的研究。

20世紀(jì)末，國(guó)外的研究者開(kāi)始利用RS和GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)域范圍的土壤侵蝕模型。研究者們利用RS獲取土壤侵蝕和土地利用變化的相關(guān)數(shù)據(jù)，然后利用GIS提取計(jì)算土壤侵蝕模型所需要的因子，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行區(qū)域尺度的土壤侵蝕評(píng)價(jià)。如Jong等[8]在1999年使用遙感圖像得到了地中海地區(qū)土壤侵蝕的可用數(shù)據(jù)源，通過(guò)GIS 技術(shù)考慮地形屬性和評(píng)估坡面流的運(yùn)輸能力，建立了SEMMED模型。

在利用RS和GIS技術(shù)研究方面，我國(guó)大部分研究并不是將其與土壤侵蝕模型結(jié)合而是通過(guò)遙感影像獲取土地利用和土壤侵蝕的空間變化信息，再借助GIS的空間分析功能完成土地利用和土壤侵蝕的疊加，由此而得到兩者間的關(guān)系。如王茜[9]以遙感影像為信息源，運(yùn)用GIS技術(shù)得出冀北地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖，并將其與土地利用圖疊加，得到了冀北地區(qū)土地利用變化和土壤侵蝕之間的關(guān)系。

2? ? 基于模型的計(jì)算方法

USLE方程和該方程的修正版RUSLE方程是國(guó)外經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡湫痛?，其中USLE方程在國(guó)外使用率較高。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為6個(gè)因子分別相乘，即A=R×K×L×S×C×P，R為降水及徑流因子;K為土壤侵蝕性因子;L及S為地形因子;C為地表植被覆蓋因子;P為水土保持因子。在USLE方程的6個(gè)因子中，R、K、L、S 4個(gè)因子屬于自然因子，C、P 2個(gè)因子屬于人為因子。人類(lèi)活動(dòng)極易導(dǎo)致這2個(gè)人為因子發(fā)生變化，尤其是C因子在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袑?duì)土壤流失量的影響最為顯著。當(dāng)保持其他條件不變時(shí)，便可以通過(guò)改變植被覆蓋因子得到不同土地利用狀態(tài)下的土壤侵蝕量[10]。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者參照國(guó)外的USLE和RUSLE經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鶕?jù)研究地區(qū)的實(shí)際情況對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊蜃舆M(jìn)行重新計(jì)算，進(jìn)而得到了適用于研究地區(qū)的修正的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。但是基于野外?shí)地調(diào)查和測(cè)量的傳統(tǒng)估算法耗時(shí)、耗力且費(fèi)用高，無(wú)法快速提取宏觀尺度上植被覆蓋因子。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，遙感技術(shù)與模型計(jì)算方法逐漸結(jié)合，被運(yùn)用到大尺度植被覆蓋因子獲取中。通過(guò)遙感技術(shù)，植被覆蓋因子的獲取方法更加便捷、豐富。其中植被覆蓋因子常用的主要有以下幾種計(jì)算方法。通過(guò)遙感影像技術(shù)得到土地利用類(lèi)型圖或者直接收集土地利用的資料，然后根據(jù)文獻(xiàn)記載的經(jīng)驗(yàn)值對(duì)不同土地覆蓋類(lèi)型的C因子進(jìn)行賦值;通過(guò)植被指數(shù)建立與植被覆蓋因子有關(guān)的方程式。蔡崇法等[11]通過(guò)從小流域信息系統(tǒng)獲取的土地利用圖，利用回歸分析法，建立了植被覆蓋度與植被覆蓋因子之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

式中，F(xiàn)bs、Fveg、Fshade分別代表裸土、綠色植被、陰影的蓋度;白雲(yún)[13]在研究海壇島植被覆蓋度因子時(shí)，采用線性光譜模型對(duì)ETM影像進(jìn)行混合像元分解，在植被、裸土、高反照3個(gè)組分端元的基礎(chǔ)上建立了植被覆蓋因子與歸一化植被指數(shù)的之間的估算關(guān)系式：

每個(gè)地區(qū)情況存在很大的差異，在研究某一區(qū)域時(shí)，不能直接使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，需要結(jié)合研究地區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行C因子的計(jì)算。流域、區(qū)域C因子的計(jì)算是一個(gè)難點(diǎn)，需要利用模型結(jié)合遙感技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

3? ? 基于景觀格局的計(jì)算方法

早在20世紀(jì)70年代，德國(guó)便將景觀保護(hù)應(yīng)用于土壤整理方面。但直到21世紀(jì)初期，我國(guó)才將景觀格局運(yùn)用于土地利用方向。

在20世紀(jì)90年代，國(guó)外一些學(xué)者利用景觀格局指數(shù)對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行研究。如1997年，Slattery等[14]分析出泥沙場(chǎng)地邊界輸移下的粒徑分布更能說(shuō)明水流中攜帶或淤積下來(lái)的巖土顆粒的粒度特征。1999年，Takken等[15]研究表明，為了解流域內(nèi)泥沙的侵蝕情況并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其侵蝕變化，需利用空間分布數(shù)據(jù)建立相關(guān)的空間分布侵蝕模型。二者均肯定了不同土地利用類(lèi)型下，景觀結(jié)構(gòu)對(duì)泥沙侵蝕的重要影響，但未深入研究與景觀格局空間分布有關(guān)的內(nèi)容。2000年，Oost等[16]提出一種和以往不同的水侵蝕模型，此模型同時(shí)考慮了土地利用變化和場(chǎng)地邊界變化對(duì)侵蝕的影響，即考慮時(shí)間變化下和空間變化下的水土流失，證實(shí)了結(jié)合景觀空間格局的模型能更好地評(píng)估環(huán)境變化對(duì)土壤侵蝕的影響。在此之后，我國(guó)也開(kāi)始著力于結(jié)合景觀格局的土壤侵蝕研究。如2011年劉? 宇等[17]探究了邊界密度、斑塊分維數(shù)、斑塊豐度等12個(gè)常用景觀指數(shù)在土壤侵蝕方面的應(yīng)用，為研究生態(tài)景觀格局下的土壤侵蝕機(jī)制提供了更好的理論指導(dǎo)。同年，王計(jì)平等[18]以黃土丘陵區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用景觀格局指數(shù)分析方法，避免了傳統(tǒng)景觀格局過(guò)于強(qiáng)調(diào)景觀水平對(duì)生態(tài)過(guò)程的影響的弊端，從景觀水平、斑塊類(lèi)型水平、“嵌套”景觀水平等不同尺度下研究流域的土壤侵蝕情況。將景觀格局運(yùn)用于土壤侵蝕的研究，是今后一個(gè)新的研究方向，也是土壤學(xué)科發(fā)展的必然趨勢(shì)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

利用RS和GIS技術(shù)的方法、模型的計(jì)算方法、基于景觀格局指數(shù)的定量計(jì)算法，這3種研究土地利用變化與對(duì)土壤侵蝕影響的方法均具備各自的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一定的不足。在今后的相關(guān)研究中，應(yīng)根據(jù)預(yù)期的研究目標(biāo)和研究所具備的條件和前提，合理地選擇相應(yīng)的方法。另外，目前大多數(shù)學(xué)者致力于在空間尺度上研究土地利用變化與土壤侵蝕的關(guān)系，相較于前者時(shí)間尺度上的區(qū)域?qū)Ρ妊芯勘容^薄弱。因此，可以考慮土地利用格局的差異等因素，研究同一地區(qū)的土地利用格局變化及土壤侵蝕對(duì)這種變化的響應(yīng)。土地退化、河流泥沙淤積和生態(tài)環(huán)境惡化的根本原因是土壤侵蝕，而土地開(kāi)墾、過(guò)度砍伐等人類(lèi)活動(dòng)是造成土壤侵蝕的主要原因，合理利用土地對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境至關(guān)重要。研究土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響，對(duì)于做好水土保持工作，促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

5? ? 參考文獻(xiàn)

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