2018-2019年河南省蘭考縣土地利用變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響

高睿瑜, 張芷溫, 李文龍, 李明宇,牛 勇, 張榮華, 張光燦, 袁 利, 張春強(qiáng)

(1.山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位研究站, 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,山東 泰安 271018; 2.淮河水利委員會(huì) 淮河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站 安徽 蚌埠 233001)

黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)土地利用以耕地為主，是中國(guó)重要產(chǎn)糧基地，由于地處半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)[1]，冬春季節(jié)干旱且風(fēng)速較大，加上黃河沖淤、泛濫和引黃灌溉，帶來(lái)豐富的沙物質(zhì)[2]，使得該區(qū)域耕地上易出現(xiàn)風(fēng)沙活動(dòng)，造成水土流失。風(fēng)蝕吹蝕土壤表層顆粒，使土壤養(yǎng)分流失，造成耕地生產(chǎn)力下降。為實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙、農(nóng)田防護(hù)的目的，該區(qū)域應(yīng)積極開(kāi)展耕地風(fēng)蝕研究。

耕地風(fēng)蝕受表土濕度、風(fēng)速、粗糙度等因素影響，因子變化造成侵蝕變化，但對(duì)于平原風(fēng)沙區(qū)而言，表土濕度、風(fēng)速等出現(xiàn)顯著年度變化的可能性較小，土地利用變化成為影響耕地風(fēng)蝕的主要因素[3]?；春恿饔螯S泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)耕種墾殖活動(dòng)頻繁，區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)土地利用變化，如耕地變?yōu)閳@地、林地和建設(shè)用地等，激化了該區(qū)耕地風(fēng)蝕的發(fā)生發(fā)展。因此，研究該區(qū)域內(nèi)的土地利用變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)蝕的研究多采用風(fēng)洞模擬試驗(yàn)和風(fēng)蝕模型的方法[4-9]，國(guó)內(nèi)研究區(qū)域多集中在沙漠及其周?chē)母珊祬^(qū)[4,7,9-11]。對(duì)于黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)風(fēng)蝕，相關(guān)研究始于20世紀(jì)末，朱震達(dá)[12]、李福興[13]對(duì)區(qū)域風(fēng)沙土特征及其分布規(guī)律進(jìn)行了探索研究，隨著遙感監(jiān)測(cè)、GIS技術(shù)的進(jìn)步，黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)風(fēng)蝕研究?jī)?nèi)容逐漸豐富，研究尺度逐漸細(xì)化，如王友勝[1]采用遙感與野外調(diào)查結(jié)合的方法，研究了淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)的風(fēng)水侵蝕格局及其驅(qū)動(dòng)因子；袁利等[8]借助侵蝕模型研究了同一區(qū)域的水土流失現(xiàn)狀與分布格局；宋勝明等[2,17]結(jié)合風(fēng)蝕定位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了風(fēng)速、粗糙度等因子對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響。目前，黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)已開(kāi)展大尺度風(fēng)蝕研究，但縣域尺度土地利用對(duì)耕地風(fēng)蝕影響的研究?jī)?nèi)容仍較少。已有的關(guān)于土地利用變化[14-16]及對(duì)土壤侵蝕影響的研究[3,15-16]關(guān)注點(diǎn)多為水蝕區(qū)，平原區(qū)、風(fēng)蝕區(qū)所受關(guān)注較少。因此，本研究選取淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)蘭考縣為研究對(duì)象，采用2018，2019年高分辨率遙感影像，分析土地利用、耕地風(fēng)蝕的年度動(dòng)態(tài)變化，并探索土地利用年度變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響。本研究可豐富黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)風(fēng)蝕研究成果，為耕地合理利用、制定區(qū)域水土流失治理對(duì)策提供參考。

1 研究區(qū)概況

淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)地形平坦，旱風(fēng)同季、雨熱同期，地表沙物質(zhì)豐富，風(fēng)蝕是造成區(qū)域內(nèi)水土流失的主要原因。蘭考縣位于預(yù)防區(qū)的中部、河南省東北部，地處黃河南岸，與東明縣、祥符區(qū)、杞縣、曹縣接壤，縣域面積1 116 km2，位于34.44°—35.01°N和114.40°—115.16°E。蘭考縣屬暖溫帶大陸性季節(jié)性氣候，四季分明，冬季平均風(fēng)速為1,71 m/s，春季平均風(fēng)速1.89 m/s，2月風(fēng)速值最高，為5.9～10.95 m/s[17]；年平均降水量678.2 mm，降水主要集中在夏季；年均溫約14℃。地貌以平原為主，地形起伏度低，地勢(shì)西北偏高東南偏低；潮土和風(fēng)沙土、鹽土為主要土壤類(lèi)型，質(zhì)地以砂壤土為主。植被以暖溫帶落葉闊葉林為主，如楊樹(shù)等；耕地灌溉水源充足，多水澆地，作物耕作主要為一年兩熟制，主要為小麥與花生、玉米或地瓜輪作，部分區(qū)域存在一年一熟制，冬季多閑置或留茬，是風(fēng)蝕易發(fā)生區(qū)域。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)類(lèi)型及來(lái)源

本研究中所用數(shù)據(jù)包括高分辨率遙感影像、風(fēng)速數(shù)據(jù)、粗糙度數(shù)據(jù)及表土濕度數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)。高分辨率遙感影像為2018，2019年兩期，由GF-1，GF-2和ZY-3衛(wèi)星影像拼接而成，分辨率為2 m，時(shí)相以12月為主；風(fēng)速數(shù)據(jù)為蘭考縣風(fēng)蝕定位觀(guān)測(cè)站及周邊縣市氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；粗糙度數(shù)據(jù)來(lái)自蘭考縣風(fēng)蝕定位觀(guān)測(cè)站一年一熟、一年兩熟樣地小區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；表土濕度數(shù)據(jù)(SMAP Level 3土壤濕度產(chǎn)品)來(lái)源于NASA網(wǎng)站(http:∥earthdata.nasa.gov/)。土壤數(shù)據(jù)為河南省土壤類(lèi)型圖(1∶500 000)，用于輔助分析。

2.2 土地利用

2.2.1 土地利用解譯 依據(jù)蘭考縣兩期遙感影像的色彩、紋理、形狀等特征，參考《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》中土地利用分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，借助ArcGIS 10.2，Google Earth等進(jìn)行人機(jī)交互解譯，生成用土地利用代碼(表1)表示的SHP圖層，進(jìn)而提取蘭考縣2018，2019年2 a的土地利用(2級(jí)類(lèi))數(shù)據(jù)。

表1 土地利用分類(lèi)代碼

2.2.2 土地利用變化 借助單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)、轉(zhuǎn)移矩陣[18]及變化圖分析土地利用變化的幅度、類(lèi)型和空間分布。疊加2018，2019年土地利用圖，對(duì)比數(shù)據(jù)，生成年度土地利用變化圖、年度土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。

單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K1)可反映一定時(shí)間內(nèi)各土地利用類(lèi)型的變幅和變速[19]，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Ua,Ub表示研究始、末某一土地利用類(lèi)型的面積;T表示研究時(shí)間(年)。

2.3 耕地風(fēng)蝕

2.3.1 耕地風(fēng)蝕量 本研究借助ArcGIS 10.2的Raster Calcularor功能，運(yùn)行第一次全國(guó)水利普查(風(fēng)蝕)中的耕地模型(式2)，計(jì)算2018，2019年的耕地土壤侵蝕量：

(2)

式中：Qfa表示耕地風(fēng)蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕；W表示表土濕度因子(%);Tj表示一年內(nèi)風(fēng)蝕發(fā)生期間各風(fēng)速等級(jí)的累積時(shí)間(min)；Z0表示地表粗糙度,無(wú)量綱;A表示與耕作措施有關(guān)的風(fēng)速修訂系數(shù),無(wú)量綱,取值0.893；Uj表示j等級(jí)的平均風(fēng)速(m/s)；j表示風(fēng)速等級(jí)序號(hào),耕地臨界侵蝕風(fēng)速為5 m/s,在5～40 m/s內(nèi)按1 m/s為間隔劃分為35個(gè)等級(jí);a1,b1,c1是與土壤類(lèi)型有關(guān)的常數(shù),無(wú)量綱,分別取值-9.208,0.018,1.955。

(1) 風(fēng)力因子。據(jù)蘭考縣風(fēng)蝕定位站及周邊縣市2013—2019年風(fēng)速觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，按1 m/s的間隔統(tǒng)計(jì)臨界侵蝕風(fēng)速以上各等級(jí)風(fēng)速的累積時(shí)間，生成24個(gè)半月10 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

(2) 地表粗糙度因子。依據(jù)蘭考縣風(fēng)蝕定位觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合野外調(diào)查中對(duì)農(nóng)作物類(lèi)型、蓋度及高度的調(diào)查結(jié)果，對(duì)一年一熟、一年兩熟制的耕地進(jìn)行粗糙度賦值，生成24個(gè)半月10 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。

(3)表土濕度因子。對(duì)2015—2018年SMAP Level 3數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，相同半月數(shù)據(jù)取平均，得24個(gè)半月10 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。2015—2017年數(shù)據(jù)取平均用于2018年土壤侵蝕量計(jì)算，2015—2018年數(shù)據(jù)用于2019年土壤侵蝕量計(jì)算。

計(jì)算所得的Qfa依據(jù)《土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[20]進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度判定，得蘭考縣2018，2019年耕地風(fēng)蝕圖。

2.3.2 侵蝕動(dòng)態(tài)變化 借助侵蝕動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K2)、侵蝕變化圖、侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣分析蘭考縣侵蝕動(dòng)態(tài)變化情況。將2018，2019年耕地風(fēng)蝕圖進(jìn)行對(duì)比、疊加分析，生成侵蝕變化圖、侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣。

侵蝕動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K2)可反映某時(shí)間段各級(jí)侵蝕的變幅，計(jì)算公式為：

(3)

式中：Sa,Sb表示研究始、末各級(jí)侵蝕的分布面積;T表示研究時(shí)間(a)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀和年度變化

3.1.1 土地利用現(xiàn)狀 根據(jù)所得蘭考縣土地利用類(lèi)型面積(表2)和轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可知，蘭考縣土地利用以耕地為主，其次為建設(shè)用地和林地。2019年，耕地面積695.14 km2，占全縣總面積的62.29%；建設(shè)用地面積234.60 km2，占21.01%，林地86.36 km2，占7.74%。耕地以水澆地為主，面積為678.29 km2，占耕地面積的99.16%；水田面積5.80 km2，無(wú)旱地分布。

3.1.2 土地利用年度變化 蘭考縣2018—2019年土地利用變化如表2—3。2018—2019年出現(xiàn)土地利用類(lèi)型變化的區(qū)域共21.40 km2，面積變化(表2)最明顯的是耕地，其面積由695.14 km2(占全縣面積62.29%)變?yōu)?84.09 km2(占全縣面積61.30%)，減少11.05 km2；林地、草地變化次之，林地面積由81.12變?yōu)?6.36 km2，增加5.24 km2；草地面積增加3.08 km2；水域及水利設(shè)施用地面積增加2.33 km2；建設(shè)用地面積增加2.22 km2；園地面積減少1.22 km2；交通運(yùn)輸用地面積減少0.7 km2；其他土地面積最少，為0.1 km2。在動(dòng)態(tài)度方面，草地變化幅度最大，動(dòng)態(tài)度為148.08%；其次為林地、園地，動(dòng)態(tài)度分別為6.46%，-5.94%；耕地雖面積變化較大，但分布較多，動(dòng)態(tài)度僅為-1.59%。變化區(qū)域在全縣均有分布，西部和北部相對(duì)較多。

表2 蘭考縣2018-2019年各土地利用類(lèi)型面積及變化

耕地變化以水澆地為主，2018—2019年，蘭考縣水澆地面積由688.93 km2(占全縣面積61.73%)變?yōu)?78.29 km2(占全縣面積60.78%)，減少10.64 km2，動(dòng)態(tài)度為1.54%。水澆地占耕地面積比例由99.11%增至99.16%(表3)。

表3 蘭考縣2018-2019年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可知，水澆地轉(zhuǎn)出面積為16.28 km2，轉(zhuǎn)入面積為5.64 km2。水澆地的變化中，面積最大為水澆地變?yōu)槠渌值?，面積為7.19 km2，造成此變化的原因是高速公路兩側(cè)土地由種植農(nóng)作物改為綠化苗木，主要分布在孟寨鄉(xiāng)、儀封鄉(xiāng)、爪營(yíng)鄉(xiāng)(圖1)；其次為水澆地變?yōu)椴傻V用地，面積2.78 km2，原因是建設(shè)用地?cái)U(kuò)建，在農(nóng)田上進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)，出現(xiàn)擾動(dòng)，主要出現(xiàn)在城關(guān)鎮(zhèn)和許河鄉(xiāng)；而水澆地變?yōu)槿斯つ敛莸貏t是由畜牧公司承包河岸農(nóng)田用于種植牧草導(dǎo)致，面積1.79 km2，主要集中出現(xiàn)在谷營(yíng)鎮(zhèn)；有林地、果園變?yōu)樗疂驳厥怯赏恋刈魑镒兏斐?，面積分別為1.46，1.31 km2。

圖1 蘭考縣2018-2019年土地利用類(lèi)型分布

3.2 耕地風(fēng)蝕現(xiàn)狀和動(dòng)態(tài)變化

3.2.1 侵蝕現(xiàn)狀 蘭考縣耕地風(fēng)蝕主要為微度侵蝕，其次為輕度侵蝕(圖2—3)，2019年輕度侵蝕面積123.41 km2，占耕地總面積的18.19%，主要分布于儀封鄉(xiāng)、葡萄架鄉(xiāng)、谷營(yíng)鎮(zhèn)的西北部、張君墓鎮(zhèn)南部和西部以及三義寨鄉(xiāng)的南部。易發(fā)生侵蝕的耕地主要為：①耕作制度為一年一熟制，冬季閑置；②沙土、小兩合土、草甸風(fēng)沙土的分布區(qū)域。建造大棚或覆蓋地膜種植作物的耕地上無(wú)侵蝕；冬春季侵蝕強(qiáng)度高于夏秋季；集中分布在坡度<2°的水澆地上。

圖2 蘭考縣2018-2019年耕地風(fēng)蝕面積分布

圖3 蘭考縣耕地風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)變化特征

3.2.2 侵蝕動(dòng)態(tài)變化 由圖2—3可知，2018—2019年蘭考縣微度侵蝕面積增加6.4 km2，動(dòng)態(tài)度1.17%；輕度侵蝕減少17.04 km2，動(dòng)態(tài)度為-12.13%，水土流失面積減少。侵蝕強(qiáng)度增加區(qū)域主要在儀封鄉(xiāng)、葡萄架鄉(xiāng)，侵蝕強(qiáng)度下降區(qū)域主要在儀封鄉(xiāng)、張君墓鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、三義寨鄉(xiāng)、谷營(yíng)鎮(zhèn)、東壩頭鄉(xiāng)等區(qū)域。

3.3 土地利用年度變化對(duì)耕地風(fēng)蝕影響

運(yùn)用ArcGIS 10.2的Tabulate Area工具，選定土地利用與侵蝕均發(fā)生變化的區(qū)域，將耕地風(fēng)蝕變化圖、土地利用變化圖疊加分析，統(tǒng)計(jì)矩陣數(shù)據(jù)，分析得到土地利用年度變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響結(jié)果(表4)。

表4 蘭考縣2018-2019年土地利用變化、土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化對(duì)應(yīng)關(guān)系

土地利用變化會(huì)造成耕地風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)變化，水澆地的變化對(duì)耕地風(fēng)蝕存在直接影響，兩者存在以下3種關(guān)系：①水澆地轉(zhuǎn)為水田、果園、有林地、其他林地、人工牧草地、其他草地、沙地時(shí)，耕地風(fēng)蝕面積可能減少，其他類(lèi)型風(fēng)蝕面積增加，侵蝕強(qiáng)度降低，該變化區(qū)域涉及風(fēng)蝕減少1.78 km2。②水澆地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、采礦用地、其他交通用地和河湖庫(kù)塘?xí)r，耕地風(fēng)蝕面積可能減少，該變化區(qū)域涉及風(fēng)蝕減少1.58 km2。③水田、果園、有林地、農(nóng)村建設(shè)用地、采礦用地轉(zhuǎn)為水澆地時(shí)，耕地風(fēng)蝕分布面積可能增加，該變化區(qū)域涉及風(fēng)蝕增加0.98 km2。

當(dāng)水澆地變?yōu)槠渌恋乩梅绞綍r(shí)，耕地風(fēng)蝕分布面積減少，侵蝕強(qiáng)度降低，耕地風(fēng)蝕出現(xiàn)積極變化；當(dāng)林園草地變?yōu)樗疂驳貢r(shí)，耕地風(fēng)蝕面積增加，侵蝕模數(shù)升高；當(dāng)水田、建設(shè)用地等變?yōu)樗疂驳貢r(shí)，無(wú)風(fēng)蝕的區(qū)域出現(xiàn)微度或輕度風(fēng)蝕，且耕地風(fēng)蝕面積增加。水澆地轉(zhuǎn)出使侵蝕多產(chǎn)生積極動(dòng)態(tài)變化，轉(zhuǎn)入使侵蝕產(chǎn)生消極動(dòng)態(tài)變化。

4 討論與結(jié)論

(1) 蘭考縣主要土地利用類(lèi)型為耕地、林地和建設(shè)用地，耕地以水澆地為主；2018—2019年，土地利用變化較明顯，耕地面積變化最大，草地變幅最大，主要變化為水澆地變?yōu)槠渌值?，面積為7.19 km2；水澆地轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入。對(duì)比王友勝[1]、袁利等[8]對(duì)淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)土地利用的研究，本研究結(jié)果與之吻合。不同之處在于，本研究分析了縣域尺度的土地利用現(xiàn)狀及其空間分布特征，研究區(qū)域細(xì)化，且增加了年度土地利用變化內(nèi)容，研究?jī)?nèi)容更加豐富。

(2) 蘭考縣耕地風(fēng)蝕主要為微度侵蝕，其次為輕度侵蝕，輕度侵蝕主要分布在儀封鄉(xiāng)、葡萄架鄉(xiāng)等地。2018—2019年，輕度侵蝕面積減少17.04 km2。對(duì)比其他相關(guān)研究[1,8,21]，區(qū)域內(nèi)風(fēng)蝕強(qiáng)度主要為微度和輕度，本研究中耕地風(fēng)蝕特征與之一致，但研究區(qū)域尺度細(xì)化，還分析了侵蝕的年度動(dòng)態(tài)變化，數(shù)據(jù)更為直觀(guān)。

(3) 蘭考縣水澆地變化直接影響耕地風(fēng)蝕。當(dāng)水澆地轉(zhuǎn)為水田、林園草地及沙地，耕地風(fēng)蝕面積減少，侵蝕強(qiáng)度降低；水澆地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、其他交通用地和河湖庫(kù)塘，區(qū)域內(nèi)無(wú)風(fēng)蝕；當(dāng)水田、林園地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水澆地，耕地風(fēng)蝕面積增加，侵蝕強(qiáng)度升高。

本研究分析了豫東北黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)典型縣——蘭考縣土地利用、耕地風(fēng)蝕的分布規(guī)律及其動(dòng)態(tài)變化特征，探索了年度土地利用變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響，總體結(jié)論與同類(lèi)研究相比具有一定可信度，可為黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供相關(guān)依據(jù)。但水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，風(fēng)蝕相關(guān)內(nèi)容關(guān)注度仍在提高，研究?jī)?nèi)容可進(jìn)一步豐富和補(bǔ)充。