黃淮海平原降雨和景觀格局變化對(duì)土壤侵蝕的影響

呂富榮,韓 鎮(zhèn),2,鄧龍?jiān)?楊紀(jì)君,吳泉源,喬建民

(1.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院,濟(jì)南 250358;2.青島國(guó)測(cè)海遙信息技術(shù)有限公司,山東 青島 266000)

土壤是人類最寶貴的自然資源和生存的基礎(chǔ)[1]。然而，土壤侵蝕在全球范圍內(nèi)，尤其在中國(guó)影響面積約占國(guó)土面積的37%，已成為限制當(dāng)今人類生存發(fā)展的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。影響土壤侵蝕的因素主要有降水、地形、土地利用、土壤、植被覆蓋以及人類活動(dòng)等。其中，降雨和土地利用是影響土壤侵蝕最為顯著的因素，也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[3-4]。

目前，全球氣候正在以變暖的趨勢(shì)顯著變化[5]，氣溫的升高會(huì)加速水文循環(huán)，從而導(dǎo)致降雨量增加和強(qiáng)降雨事件的頻發(fā)[6]。而降雨強(qiáng)度、降雨量和降雨空間分布是影響土壤侵蝕的重要因素[7]，Wischmeier[8]早在1958年就提出在降雨動(dòng)能不可得時(shí)可以采用降雨量和最大30 min降雨強(qiáng)度的乘積計(jì)算降雨侵蝕力。許多學(xué)者通過(guò)降雨模擬試驗(yàn)研究表明，隨著降雨強(qiáng)度的增加其徑流和侵蝕量也顯著增加[9-11]。紅壤裸露坡地土壤侵蝕變化主要是降雨強(qiáng)度和降雨量共同作用的結(jié)果，降雨強(qiáng)度是直接因素，而雨量則通過(guò)改變降雨強(qiáng)度，從而間接影響土壤侵蝕[12]。另外，對(duì)于地形因子較大的區(qū)域，降雨量的增多對(duì)土壤侵蝕的影響更為顯著[13]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)流域尺度會(huì)影響降雨和土地利用對(duì)土壤侵蝕的影響程度，隨流域面積增大，降雨對(duì)土壤侵蝕的影響減小，土地利用變化的影響變大[3]。

在人類活動(dòng)作用下景觀格局會(huì)發(fā)生顯著的變化[14-16]，從而會(huì)引起土壤侵蝕的變化。以往景觀格局對(duì)土壤侵蝕影響的研究主要根據(jù)土地利用變化和景觀格局指數(shù)開展的[17-19]。基于RULSE模型的深圳市土壤侵蝕研究表明，土壤侵蝕主要發(fā)生在林地和園地[20]；對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)的研究表明，不同的土地利用類型影響其侵蝕產(chǎn)沙的景觀格局指標(biāo)不同，其中影響較大的有草地平均斑塊面積、建設(shè)用地景觀面積百分比和斑塊密度以及其他類型用地斑塊密度[21]。以上研究大多集中于黃土高原等典型的土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域，對(duì)于黃淮海平原地區(qū)而言，既是農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)又是人口密集區(qū)，人類活動(dòng)頻繁，景觀格局易受人類活動(dòng)影響而發(fā)生劇烈變化，從而影響土壤侵蝕強(qiáng)度。本文基于GIS空間分析、相關(guān)分析和多元回歸方法，應(yīng)用USLE方程及景觀格局指數(shù)方法，量化該區(qū)域降雨和土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響，對(duì)土壤資源的合理利用以及減輕土壤侵蝕，治理生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

黃淮海平原位于我國(guó)東部沿海地區(qū)，位于32°29′—40°34′N，112°26′—122°41′E，自北向南跨越從北京到安徽等7省市，面積近40萬(wàn)km2，地勢(shì)低平，大部分地區(qū)海拔50 m以下，東部沿海地區(qū)海拔10 m以下，其中海拔較高的地區(qū)分布在山東省中部，海拔達(dá)到1 000 m以上。黃淮海平原屬于暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫為11～15℃，南部地區(qū)年均溫度為略高于北部，年降水量為400～1 100 mm，主要集中在夏季，年際變化較大。土壤類型以潮土為主，養(yǎng)分豐富，適宜耕作，作物類型以小麥、水稻、玉米為主，是我國(guó)重要糧食產(chǎn)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)源

本文所用數(shù)據(jù)主要包括黃淮海平原土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2 研究方法

2.1 土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算

研究利用USLE模型(通用土壤流失方程)對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A為單位面積年均土壤侵蝕量[t/(hm2·a)];R為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)];K為土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)];L和S為地形因子,均無(wú)量綱,其中L為坡長(zhǎng)因子,S為坡度因子;C為植被覆蓋與作物管理因子,無(wú)量綱;P為水土保持措施因子,無(wú)量綱。

各因子的計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[22—28]。其中，水土保持因子是參考已有研究成果和研究區(qū)土地利用和坡度的實(shí)際情況進(jìn)行賦值。其中，林地、草地屬于未采取水土保持措施的自然景觀，賦值為1，水域、建設(shè)用地不發(fā)生土壤侵蝕，賦值為0，而耕地和未利用地有一定水土保持措施，受坡度影響較大，采用表2進(jìn)行賦值。在本研究中，土地利用數(shù)據(jù)共有4期，以2000年土地利用數(shù)據(jù)表征2000—2004年土地利用/覆被格局，同理2005年表征2005—2009年，2010年表征2010—2014年，2015表征2015年。

表2 黃淮海平原耕地和未利用地P因子

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，將計(jì)算得到的黃淮海平原土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為6個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表3。

表3 土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)和Sen′s分析

本文利用長(zhǎng)期時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析中經(jīng)常使用的M-K非參數(shù)檢驗(yàn)，分析了降雨量和土壤侵蝕強(qiáng)度在時(shí)間上的變化趨勢(shì)。該方法不需要數(shù)據(jù)遵循特定的分布也不需要確定是否是線性趨勢(shì)，同時(shí)也不受異常值的影響，能客觀的表征趨勢(shì)變化。

對(duì)于序列數(shù)據(jù)，xt=(x1,x2,…,xn)，確定所有成對(duì)值中xi,xj的大小，記為S[公式(2)和(3)]。假設(shè)對(duì)于H0，數(shù)據(jù)在序列中隨機(jī)排列，趨勢(shì)不顯著，對(duì)于H1，序列中存在單調(diào)遞增或遞減的趨勢(shì)。

(2)

(3)

本研究中n=15，通過(guò)Z值進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)[公式(4)]。在ɑ=0.05的顯著性水平下，當(dāng)|Z|≤|Z1-α/2|時(shí)接受原假設(shè)，即趨勢(shì)變化不顯著；當(dāng)|Z|>|Z1-α/2|則拒絕原假設(shè)，則認(rèn)為趨勢(shì)變化是顯著的。

(4)

(5)

式中：m為是序列中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；ti為節(jié)點(diǎn)的寬度。

利用Sen′s方法來(lái)計(jì)算各個(gè)站點(diǎn)年降雨量變化斜率。

(6)

2.3 降雨和景觀格局貢獻(xiàn)度評(píng)價(jià)

基于2000—2015年黃淮海地區(qū)氣象站點(diǎn)逐月降水量數(shù)據(jù)，探究降雨量的時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法(M-K)對(duì)降雨的趨勢(shì)變化進(jìn)行分析。依照LUCC分類體系，將2000年以來(lái)研究區(qū)內(nèi)土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用地六大類，對(duì)不同年份的土地利用類型分布情況、面積和百分比、轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行計(jì)算，分析土地利用類型的空間轉(zhuǎn)移變化，并從景觀和斑塊兩個(gè)水平，借助景觀指數(shù)(表4)，分析黃淮海平原的景觀格局變化。在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析和多元回歸分析方法，量化降雨和景觀格局變化在土壤侵蝕變化中的貢獻(xiàn)度。

表4 研究所用景觀指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)空分布

根據(jù)模型，同時(shí)按土壤侵蝕分級(jí)分類將土壤侵蝕因子(附圖1)進(jìn)行疊加后，得到土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布圖(附圖2)，并統(tǒng)計(jì)了年均土壤侵蝕量(圖1A)及各類型面積和百分比(表5)。在2000—2015年，黃淮海平原內(nèi)土壤侵蝕以微度侵蝕為主，集中在研究區(qū)西部和南部地區(qū)，面積約為35萬(wàn)km2，占研究區(qū)總面積的90%以上。山東中部和東部沿海地區(qū)有輕度侵蝕和劇烈侵蝕，主要為草地和林地，地形主要為山地丘陵區(qū)，坡度較大。2000—2015年微度侵蝕區(qū)域增加了6 370 km2，由92.62%增加到94.36%；輕度侵蝕區(qū)減少了2 040 km2；在2000—2015年，中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕區(qū)面積較小，低于總面積的1%，呈現(xiàn)先減后增趨勢(shì)；劇烈侵蝕區(qū)面積下降趨勢(shì)明顯，由2000年2.45%降到2015年1.42%，面積減少了3 820 km2(表5)。利用M-K趨勢(shì)分析方法對(duì)2000—2015年土壤侵蝕強(qiáng)度的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析(圖1B)，結(jié)果顯示Z值為-2.84且絕對(duì)值大于2.32(通過(guò)置信度99%的檢驗(yàn))，說(shuō)明土壤侵蝕強(qiáng)度總體呈極顯著下降趨勢(shì)。

圖1 2000-2015年土壤侵蝕強(qiáng)度變化

表5 2000-2015年土壤侵蝕面積及百分比

3.2 降雨趨勢(shì)分析

2000—2015年黃淮海平原年降水量分布如圖2、附圖3所示，2007年之前降雨變化幅度較大，2007年之后變化相對(duì)較小，數(shù)值分布在450～900 mm，整體自西北向東南增加。從年際變化看，本研究通過(guò)M-K方法來(lái)分析2000—2015年年降水量變化，得到Z值為-0.77，表明年降水量呈非顯著下降趨勢(shì)。

圖2 2000-2015年降水量變化

為探究黃淮海平原空間上年降雨量的變化趨勢(shì)，本研究采用Sen′s分析法對(duì)2000—2015年年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以斜率正負(fù)表示該站點(diǎn)降水量增加或減少，以絕對(duì)值大小表示變化多少，得到附圖4。研究區(qū)斜率均值為-2.81，說(shuō)明整體呈降低趨勢(shì)，北部東部以增長(zhǎng)為主，中部及南部則以降低為主。其中，變化最劇烈的地區(qū)分別為山東省北、東部，變化斜率達(dá)13 mm/a以上，增長(zhǎng)最明顯；河南省南部和山東省南部，變化斜率低于-17 mm/a，降低幅度最大。

3.3 土地利用的時(shí)空格局動(dòng)態(tài)變化

從空間分布上看，黃淮海平原2000—2015年的土地利用類型均以耕地、建設(shè)用地為主，耕地約占總面積的75%，建設(shè)用地約占13%。土地利用類型變化較劇烈的區(qū)域主要集中在北京和天津，有大量的耕地變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；山東省北部沿海地區(qū)，主要由草地變?yōu)楦?附圖5)。由表6可知，在各個(gè)時(shí)間段耕地面積都呈減少趨勢(shì)，建設(shè)用地呈增加趨勢(shì)，林地、草地、水域和未利用地變化較小，趨于穩(wěn)定。

由轉(zhuǎn)移矩陣(表6)可知，2000—2015年，耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地最多，達(dá)8 061.08 km2；林地以轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地和耕地為主，分別有147.49，59.58 km2；草地以轉(zhuǎn)變?yōu)楦貫橹鳎?31.92 km2；水域以轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地為主，分別為454.45，341.07 km2；建設(shè)用地以轉(zhuǎn)變?yōu)楦貫橹?，達(dá)930.87 km2；未利用地則以轉(zhuǎn)變?yōu)楦睾徒ㄔO(shè)用地為主，分別為242.72，184.26 km2。

表6 2000-2015年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣 km2

從景觀水平上看(圖3)，2000—2015年黃淮海平原斑塊數(shù)量(NP)減少了659個(gè)，下降了1.8%，邊緣密度上升了2.76%，平均斑塊面積增大了1.83%，說(shuō)明研究區(qū)小斑塊數(shù)量減少，破碎度降低；香農(nóng)多樣性指數(shù)增加了2.40%，香農(nóng)均勻度指數(shù)增加了2.39%，最大斑塊占景觀面積的比例下降了2.77%，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型分布更加均勻、集中。

圖3 2000-2015年景觀水平指數(shù)

對(duì)2015年6類土地利用類型的斑塊類型水平指數(shù)與2000年指數(shù)做差，計(jì)算百分比，分析2000—2015年各土地利用類型的變化情況，得到表7。根據(jù)表中指數(shù)變化情況，林地、草地、水域和未利用地相對(duì)穩(wěn)定，而耕地、建設(shè)用地則變化較大。耕地景觀百分比、最大斑塊占景觀面積的比例、平均斑塊面積和聚合度指數(shù)降低，而斑塊數(shù)量、邊緣密度、景觀形狀指數(shù)增加，說(shuō)明耕地面積減少，且聚合度降低，形狀更復(fù)雜，分布更分散；建設(shè)用地景觀百分比、最大斑塊占景觀面積的比例、邊緣密度、平均斑塊面積和聚合度指數(shù)均有增加，而斑塊數(shù)量和景觀形狀指數(shù)則有小幅度降低，說(shuō)明建設(shè)用地?cái)U(kuò)張明顯，分布更加集中。

表7 2000-2015年各土地利用類型景觀指數(shù)變化情況 %

3.4 降雨和土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響

3.4.1 降雨對(duì)土壤侵蝕的影響 對(duì)比2000—2015年黃淮海平原年降雨量和土壤侵蝕強(qiáng)度的年際變化折線圖(圖1A，2A)，發(fā)現(xiàn)二者都呈波動(dòng)變化，但波動(dòng)趨勢(shì)并不完全一致，存在差異。尤其是在2005年、2007年，黃淮海平原降雨量較多，但土壤侵蝕強(qiáng)度在這兩年并不高。通過(guò)分析其原因發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕強(qiáng)烈的區(qū)域主要集中分布在坡度比較高的林地和草地集中區(qū)，多降雨量導(dǎo)致2005年、2007年該區(qū)域的植被覆蓋度較高，對(duì)于土壤侵蝕的發(fā)生起到了明顯的抑制作用。

3.4.2 土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響 分析2000—2015年黃淮海平原土地利用和土壤侵蝕強(qiáng)度變化，土壤侵蝕強(qiáng)度呈顯著下降趨勢(shì)，土地利用變化以耕地減少、建設(shè)用地增加為主。以土壤侵蝕強(qiáng)度為因變量，以景觀格局指數(shù)為自變量，進(jìn)行相關(guān)分析。由于不同自變量數(shù)量級(jí)差異較大，研究將所有變量進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化后再進(jìn)行計(jì)算(表8)。從景觀水平看，斑塊數(shù)量與土壤侵蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)，景觀面積、景觀性狀指標(biāo)、香農(nóng)多樣性指標(biāo)和香農(nóng)均勻度指標(biāo)與土壤侵蝕強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，其中斑塊數(shù)量和景觀面積對(duì)土壤侵蝕影響最強(qiáng)；從斑塊類型看，斑塊密度、最大斑塊占景觀面積比例和聚集指數(shù)與土壤侵蝕強(qiáng)度呈正相關(guān)，平均鄰接度指數(shù)、平均形狀指數(shù)和邊緣密度與土壤侵蝕強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，其中斑塊密度、平均鄰接度指數(shù)對(duì)土壤侵蝕影響最強(qiáng)。這說(shuō)明，土壤侵蝕主要受土地利用類型的密度、形狀和面積因素影響，斑塊數(shù)量越多、形狀越復(fù)雜、邊界連通性越低、面積分布差別越大，土壤侵蝕越強(qiáng)。

表8 景觀指數(shù)與侵蝕強(qiáng)度的相關(guān)性分析

3.4.3 降雨和土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響 研究將年降水量和代表7種類別的景觀格局指數(shù)與土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行多元線性回歸，最終建立的多元回歸方程調(diào)整R2為0.921，F(xiàn)統(tǒng)計(jì)量為25.848，顯著性p<0.01，方程為：

y=4.171×10-11+0.017PPT+0.789PD-

5.561CONTIG_MN+2.419TA-1.827AI+0.9ED+0.568SHEI

(7)

式中的年降水量(PPT)、斑塊密度(PD)、平均鄰接度指數(shù)(CONTIG_MN)、景觀面積(TA)、聚集指數(shù)(AI)、邊緣密度(ED)和香農(nóng)均勻度指標(biāo)(SHEI),均為標(biāo)準(zhǔn)化后的值。

通過(guò)分析降雨和景觀格局對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)2000—2015年黃淮海平原土壤侵蝕強(qiáng)度變化主要受景觀格局的影響(表9)。盡管降雨是土壤侵蝕的重要驅(qū)動(dòng)力，但在2000—2015年，黃淮海平原降水變化不顯著，在土壤侵蝕變化中的貢獻(xiàn)度較小，僅占0.14%，在6類景觀指數(shù)中，貢獻(xiàn)率最大的為平均鄰接度指數(shù)，占46.03%，其次為景觀面積，占20.02%，這說(shuō)明土壤侵蝕強(qiáng)度主要受斑塊形狀和面積大小的影響。此外需要注意的是，平均斑塊鄰近度和聚集度對(duì)于黃淮海平原區(qū)的土壤侵蝕有負(fù)作用，兩者越高，該區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度越低，它們?cè)谕寥狼治g強(qiáng)度變化的貢獻(xiàn)為61.15%。

表9 多元線性回歸自變量貢獻(xiàn)率

4 結(jié) 論

研究表明，2000—2015年，黃淮海平原的降水呈小幅度波動(dòng)下降的趨勢(shì)，2002年降雨量最少，2003年降雨量最多；在空間格局上，黃淮海平原降雨量自西北向東南逐漸增加；北部有所增加，中部和南部有所降低。2000—2015年黃淮海平原土地利用類型均以耕地和建設(shè)用地為主，耕地面積呈減少趨勢(shì)，其中減少的耕地中有85.7%轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)用地；建設(shè)用地面積呈增加趨勢(shì)。從景觀水平上看，小斑塊數(shù)量減少，破碎度降低，各土地利用類型分布更均勻。從斑塊類型水平上，林地、草地、水域和未利用地相對(duì)穩(wěn)定，而耕地、建設(shè)用地則變化較大。耕地聚合度降低，形狀更復(fù)雜，分布更分散；建設(shè)用地聚合度增加，形狀更簡(jiǎn)單，分布更加集中。

2000—2015年，黃淮海平原區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)，土壤侵蝕量減少了42%，以微度侵蝕為主，集中在耕地和建設(shè)用地分布區(qū)。侵蝕較強(qiáng)地區(qū)集中分布在黃淮海平原中部和東部，該區(qū)域以林地和草地覆蓋為主，土壤侵蝕強(qiáng)度較高主要是因?yàn)榈匦纹露容^大、植被覆蓋度不高，難以阻止水土流失的發(fā)生。與降雨相比，黃淮海平原區(qū)景觀格局變化對(duì)于土壤侵蝕的影響更大，其中以斑塊平均鄰接度對(duì)于土壤侵蝕的影響最為顯著，相同斑塊間景觀連通性越好，土壤侵蝕越低。