土地利用/覆被變化對(duì)東遼河流域土壤侵蝕的影響研究

伊燕平，洪德法，高金花,3，焦志超

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012； 2.長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130033；3.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130012;4.吉林省水文水資源局，吉林 長(zhǎng)春 130000)

1 引言

目前，土地利用/覆被變化對(duì)土壤侵蝕的影響研究多以坡面、流域、區(qū)域等尺度開展。在坡面尺度上，主要是在模擬降雨或者自然降雨條件下，通過建立實(shí)驗(yàn)小區(qū)研究不同土地利用類型和土壤侵蝕的關(guān)系，側(cè)重于土壤侵蝕機(jī)理方面的研究[1～3]。針對(duì)流域尺度的研究主要是通過土壤侵蝕模型來定性地分析不同土地利用類型對(duì)土壤侵蝕的影響程度[4，5]。土地利用通過改變植被覆蓋度和土地性質(zhì)來影響土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展，不同土地利用類型對(duì)土壤侵蝕的發(fā)育影響也不盡相同[6，7]。本文基于東遼河流域土地利用/覆被變化的主要特征，采用假設(shè)情景法構(gòu)建了東遼河流域土地利用/覆被變化情景，結(jié)合GIS技術(shù)分析了流域土地利用情景變化特征。采用SWAT模型，從土地利用/覆被變化角度揭示了與流域土壤侵蝕之間的關(guān)系，以期為流域土地資源合理配置、土壤侵蝕綜合治理工作提供科學(xué)的理論依據(jù)。

2 東遼河流域土地利用/覆被變化情景構(gòu)建

本次研究選取東遼河流域作為典型研究區(qū)，東遼河是遼河上游左側(cè)的大支流，發(fā)源于吉林省遼源市的薩哈嶺山，吉林省境內(nèi)流經(jīng)遼源、伊通、梨樹、懷德、雙遼、公主嶺等市縣[8～10]。東遼河流域土地利用類型劃為水田、旱地、林地、草地、水域、城鎮(zhèn)和其他用地等7類，其中旱地所占比例最大，為58.74%，主要分布在中游二龍山水庫(kù)以下至小遼河匯合口以及下游(小遼河匯合口以下)[11，12]。

2.1 研究區(qū)土地利用/覆被變化情景構(gòu)建

本次研究采用假設(shè)情景法構(gòu)建東遼河流域土地利用/覆被變化情景，情景如下。

情景1：城市用地的擴(kuò)張?；诮y(tǒng)計(jì)年鑒，以20年擴(kuò)張半徑作為緩沖區(qū)半徑，生成緩沖區(qū)，對(duì)流域的城市用地進(jìn)行擴(kuò)張(圖1)[13，14]。

圖1 情景1模式下研究區(qū)土地利用/覆蓋變化

情景2：考慮到流域受生態(tài)還耕政策的影響，本次研究基于DEM數(shù)據(jù)，生成東遼河流域坡度分級(jí)圖[15，16]，將坡度大于25°的耕地(旱田)變?yōu)榱值?，共增加林地面積7.23 km2(圖2)。

圖2 情景2模式下研究區(qū)土地利用/覆蓋變化

2.2 研究區(qū)土地利用/覆被變化情景分析

采用SWAT模型要求的土地利用分類系統(tǒng)，與東遼河流域土地利用現(xiàn)狀相比較，對(duì)東遼河流域土地利用/覆被變化情景進(jìn)行分析。分析結(jié)果詳見表1。

由表1可知，與流域現(xiàn)狀相比，情景1流域土地利用/覆被變化最顯著的特征就是鄉(xiāng)鎮(zhèn)用地面積大幅度擴(kuò)張，面積增加了26.27%；旱地、林地、草地面積縮減，分別減少了18.35%，9.92%，0.59%。東遼河流域中上游土地利用變化顯著，這表明流域中上游的城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快。情景2將坡度大于25°的耕地(旱田)變?yōu)榱值?，林地面積增加7.18%，旱地面積減少8.17%。

3 不同土地利用/覆被變化對(duì)流域土壤侵蝕強(qiáng)度的影響

根據(jù)《全國(guó)水土保持規(guī)劃國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)復(fù)核劃分成果》(辦水保[2013]188號(hào))，東遼河流域所屬區(qū)域?yàn)闁|北漫川漫崗國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，容許土壤流失量為200 t/(km2·a)。由于微度侵蝕平均土壤侵蝕模數(shù)低于容許土壤流失量，不會(huì)對(duì)土壤生產(chǎn)力產(chǎn)生退化，因此本次研究微度侵蝕不計(jì)列在土壤侵蝕總面積中，僅從輕度至劇烈侵蝕強(qiáng)度角度分析土壤侵蝕變化趨勢(shì)。

表1 東遼河流域土地利用/覆被變化情景分析結(jié)果

以東遼河流域土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，結(jié)合第一次全國(guó)水利普查吉林省水土保持專項(xiàng)普查數(shù)據(jù)，應(yīng)用ArcGIS軟件，根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)分析土壤侵蝕情況發(fā)現(xiàn)，東遼河流域土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，土壤侵蝕總面積為5802.03 km2，占流域面積的57%，土壤侵蝕在東遼河流域內(nèi)分布較廣。

運(yùn)用SWAT模型，采用屬性數(shù)據(jù)，分別模擬不同土地利用/覆被情景下土壤侵蝕變化情況，得到流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖(圖3、圖4)，并統(tǒng)計(jì)了各土地利用/覆被變化情景下流域土壤侵蝕等級(jí)的面積，見表2。

表2 不同土地利用情景下流域土壤侵蝕等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

從圖3和表2可以看出，與基準(zhǔn)期相比，情景1模式下，土壤侵蝕面積增加了1199.65 km2，且輕度侵蝕到劇烈侵蝕面積均呈增加態(tài)勢(shì)，其中中度侵蝕面積增加幅度最大，增長(zhǎng)幅度達(dá)到34%；從空間上看，流域下游地區(qū)微度侵蝕面積縮減被輕度侵蝕所取代，流域中上游地區(qū)中度侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕面積增加明顯。這充分表明在情景1城市用地?cái)U(kuò)張的情況下，會(huì)造成流域土壤侵蝕面積加大，侵蝕強(qiáng)度加強(qiáng)。

圖3 情景1模式下流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布

由圖4和表2可以看出，情景2模式下，土壤侵蝕面積減少了411.87 km2，且輕度侵蝕到劇烈侵蝕面積均有不同程度的減少，其中中度侵蝕面積減少幅度最大，侵蝕面積減少了11%，其余侵蝕等級(jí)的縮減比例都在3%以上；從空間上看，流域下游地區(qū)微度侵蝕面積增加明顯，流域中上游地區(qū)中度侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕面積有所減少。原因是由于情景2將坡度大于25°的耕地(旱田)變?yōu)榱值?，植被覆蓋比例上升，對(duì)流域低山丘陵地區(qū)土壤侵蝕面積減少效果顯著。由此可見，植被蓋度的增加會(huì)使整個(gè)流域土壤侵蝕面積顯著減少。

圖4 情景2模式下流域土壤侵蝕強(qiáng)度分布

4 不同土地利用類型對(duì)流域土壤侵蝕的影響

4.1 不同土地利用類型土壤侵蝕面積的差異性分析

為探究土地利用類型與土壤侵蝕的關(guān)系，分析不同土地利用類型變化對(duì)土壤侵蝕的影響，采用ArcGIS空間分析模塊，將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，并分別以土地利用類型編碼屬性、土壤侵蝕等級(jí)編碼屬性作為柵格值域，對(duì)柵格格式的土地利用分類圖、土壤侵蝕分級(jí)圖進(jìn)行迭代運(yùn)算，統(tǒng)計(jì)流域土地利用類型對(duì)應(yīng)的土壤侵蝕數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3～表5。

表3～表5給出了流域在基準(zhǔn)期、情景1城市用地?cái)U(kuò)張、情景2生態(tài)退耕不同土地利用類型下各侵蝕等級(jí)面積分布的統(tǒng)計(jì)情況。整體上可以看出，對(duì)于林地、草地在侵蝕面積分配上主要處于輕度侵蝕到中度侵蝕的水平，且隨著侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的增加，土壤侵蝕面積呈顯著遞減趨勢(shì)。

表3 東遼河流域不同土地利用類型各侵蝕等級(jí)的面積分布情況 hm2

表4 情景1東遼河流域不同土地利用類型各侵蝕等級(jí)的面積分布情況 hm2

表5 情景2東遼河流域不同土地利用類型各侵蝕等級(jí)的面積分布情況 hm2

由表3～表5可以看出，與基準(zhǔn)期相比，情景1城市用地?cái)U(kuò)張情況下，從整體變化趨勢(shì)上看，水田、旱田、水域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、其他土地等土地利用類型的土壤侵蝕面積均呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，而林地、草地土壤侵蝕面積與此相反。其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)、其他土地等用地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度以極強(qiáng)烈和劇烈為主，土壤侵蝕面積增加明顯，侵蝕面積分別占土壤侵蝕總面積的33%，1%；旱地侵蝕類型以中度侵蝕為主，占土壤侵蝕總面積的35%。林地、草地土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，由于城市用地?cái)U(kuò)張，林草面積有所退化，致使林地、草地的土壤侵蝕面積縮減。而情景2生態(tài)退耕情況下，水田、水域、其他土地的土壤侵蝕面積變化不明顯，旱地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕面積呈明顯減少，林地、草地土壤侵蝕面積增加。其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕強(qiáng)度以劇烈為主，旱地的土壤侵蝕強(qiáng)度以中度侵蝕為主，分別占土壤侵蝕總面積的9%，37%。林地、草地土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，受生態(tài)退耕影響，大于25°的耕地(旱田)成為林地，使得流域林草土壤侵蝕總面積比基準(zhǔn)期減少0.90 km2。

4.2 不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度的差異性分析

為了準(zhǔn)確反映不同土地利用類型的土壤侵蝕程度情況，采用土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)法，對(duì)不同土壤侵蝕類型的不同侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)賦分值，如：輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕、劇烈侵蝕的分值分別為1、2、3、4、5。土壤侵蝕強(qiáng)度越嚴(yán)重得分越高。土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式如下：

(1)

式(1)中：Ej代表第j單元的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)；Ci代表第j單元i類型土壤侵蝕強(qiáng)度分值；Ai代表第j單元i類型土壤侵蝕面積；Sj代表第j單元的土地總面積；n代表第j單元土壤侵蝕的類型總數(shù)。根據(jù)該公式定性的計(jì)算東遼河流域土地利用類型/覆被變化對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5所示。

其他用地主要指沙地、裸地、未利用地等

由圖5可以看出，流域不同情景下的不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)差異明顯。基準(zhǔn)年，土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)關(guān)系為：鄉(xiāng)鎮(zhèn)>旱地>草地>林地>其他用地>水田>水域。與基準(zhǔn)年相比，情景1城市用地?cái)U(kuò)張，大興土建會(huì)造成大面積的裸露地表，導(dǎo)致鄉(xiāng)鎮(zhèn)、其他用地的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)明顯增大，土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)關(guān)系為：鄉(xiāng)鎮(zhèn)>其他用地>旱地>草地>林地>水田>水域。情景2生態(tài)退耕的情況下，林草面積的增加使得土壤侵蝕面積隨之減少，其中水田、水域基本無變化。土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)關(guān)系為：鄉(xiāng)鎮(zhèn)>其他用地>水田>旱地>林地>水域>草地。

由此可見，土地利用類型與土壤侵蝕關(guān)系明顯，旱地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用地是流域發(fā)生土壤侵蝕的主要類型，而林草覆蓋度的提高可以有效地降低土壤侵蝕強(qiáng)度。

5 結(jié)論

結(jié)合GIS技術(shù)分析，情景1城市用地?cái)U(kuò)張，土壤侵蝕變化顯著體現(xiàn)在東遼河流域中上游地區(qū)。情景2生態(tài)退耕，土壤侵蝕主要體現(xiàn)在流域上游的低山丘陵地區(qū)。通過分析不同土地利用類型土壤侵蝕面積的差異性發(fā)現(xiàn)，與基準(zhǔn)期相比，情景1城市用地?cái)U(kuò)張情況下，水田、旱田、水域、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、其他土地等土地利用類型的土壤侵蝕面積均增加，這說明流域城市化進(jìn)程的加快會(huì)造成土壤侵蝕面積增加。而情景2生態(tài)退耕情況下，旱地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土壤侵蝕面積縮減，可見植被蓋度的增加能有效控制流域土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展。通過計(jì)算流域不同土地利用/覆被情景下的不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)發(fā)現(xiàn)，流域不同情景下的不同土地利用類型土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)差異明顯。其中旱地、鄉(xiāng)鎮(zhèn)用地是東遼河流域內(nèi)土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)較高的區(qū)域，同時(shí)也是土壤侵蝕綜合治理的關(guān)鍵區(qū)域。

本文構(gòu)建了不同模擬情景，從年均土壤侵蝕模數(shù)與土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)空分布的角度分析了土地利用/覆被變化對(duì)土壤侵蝕的影響，但未涉及不確定性評(píng)估，因此，后續(xù)研究工作中需要繼續(xù)從不確定性評(píng)估方面加強(qiáng)土地利用/覆被變化對(duì)流域土壤侵蝕影響的研究。