土壤侵蝕引起土地退化、土壤肥力下降、泥沙淤積和生態環境惡化等問題,被視為世界三大環境問題之一.它的產生包括氣候、地形等自然因素和土地利用等人為因素共同作用下而形成,查軒等學者通過分析坡度坡向等地形因子及植被與土壤侵蝕關系,得出土壤侵蝕很大程度上取決于植被因素,坡度坡向與高度也是不可忽視的因素[1 -3],邸利和王晗等學者通過研究土地利用與土壤侵蝕關系,分析出土地利用變化及類型對土壤侵蝕影響較大[4 -5].土壤侵蝕是一個復雜的時空過程,若氣象條件相同,土地利用的類型組成、空間配置等土地利用格局就成為土壤侵蝕的主控因子之一[6].土地利用/覆蓋會引起諸多生態環境問題,在生態環境脆弱的山地生態系統更加顯著[7].文中選取地處亞熱帶山區,且具有典型性和代表性的粵北山區的樂昌市廊田鎮南部山區作為研究對象,在 GIS 與 RS 技術支持下,對不同土地利用/覆蓋背景下的土壤侵蝕狀況進行分析,從而可以更好的把握土地利用/覆蓋與土壤侵蝕的關系,為研究土地利用類型對土壤侵蝕的影響等提供依據,以便有效治理粵北山區的土壤侵蝕等生態環境問題和為區域農業的可持續發展提供科學依據.

1 材料與研究方法

1. 1 研究區概況

研究區位于廣東樂昌市東南部,三面臨山,武江河一級支流廊田河貫穿北部,總面積為 4748. 34hm2,東連仁化縣,南接曲江區、與長來鎮、樂城和五山鎮相鄰,是粵北地區兩省五縣九鎮物質交流集散地之一\\( 圖 1\\) .山地丘陵面積廣,平原狹小,地勢從東南部向西北部遞減,地形破碎,地處中亞熱帶季風氣候,年均氣溫 19. 6℃,降雨量 1500mm,降水量的年內變化也較大,降水年內分配呈現弱雙峰式分布,降雨集中,降雨強度大.由于特殊的氣候地形地貌,為此研究區的土地利用類型主要以林地和耕地為主.

1. 2 數據來源

為了細致地反映亞熱帶山地土地利用類型與土壤侵蝕的關系情況,文中選取分辨率為 10m 的2010aSPOT 多光譜影像圖作為土地利用類型和土壤侵蝕信息獲取的基本資料,并以研究區 1:1萬地形圖為基礎底圖,利用 R2V 軟件進行數字化并標高程值,以 Arcgis9. 3 為依托,利用等高線生成 DEM 圖,再進行提取坡度圖、坡向圖等地形因子,并且結合野外考察資料等為輔助分析資料.

1. 3 土地利用信息的提取

土地利用類型數據是通過遙感影像圖進行目視判讀獲取.在判讀過程中,充分利用地形地貌圖等輔助數據,并進行實地驗證.根據研究區的土地利用類型特征、野外實地調查土地利用現狀、遙感分類的技術及二調土地利用類型分類標準,確定研究區的土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他用地等 8 類型,解譯出的土地利用類型\\( 圖 2\\) ,并對各項土地利用類型的面積進行統計\\( 表 1\\) .

1. 4 土壤侵蝕信息提取

土壤侵蝕數據根據《全國土壤侵蝕調查技術規程》,并對研究區域的自然地理資料進行收集、整理,結合流域的土壤類型、降雨、利用地形坡度、植被覆蓋度、土地利用等相關資料,結合野外調查資料,建立研究區地理信息系統數據庫.其中植被覆蓋度先通過ERDAS IMAGINE 9. 2 中的 NDVI\\( 歸一化的植被指數\\) ,再進行建模生成植被覆蓋度圖,研究區平均植被覆蓋度為 58. 38%,屬于中覆蓋區,接近于高覆蓋\\( 圖 3\\) .土壤侵蝕圖的提取,首先需要對土壤侵蝕進行分級,土壤侵蝕強度按照水利部制定的全國第二次土壤侵蝕遙感調查土壤侵蝕分級標準\\( SL 190- 96\\) 劃分為 6 個等級[8].依據水力侵蝕標準,將土地利用、坡度和植被覆蓋度進行編碼,生成土壤侵蝕強度分級圖\\( 圖 4\\) ,并對各類土壤侵蝕面積進行統計\\( 表 2\\) .

2 結果與分析

2. 1 土地利用現狀

從土地利用類型現狀圖來看,土地利用主要以林地和耕地為主,占總比例的 60. 51% 和 30. 79%,其它用地僅僅 8. 7%.林地主要集中分布于東部和南部地區,而耕地集中分布于西北部地區,其他土地利用類型分布相對較為分散,具體各種土地利用面積和比例狀況\\( 表 1\\) .

2. 2 土壤侵蝕程度

土壤侵蝕程度分為無明顯侵蝕\\( 微度侵蝕\\) 、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕共六種.由于無明顯侵蝕是屬于可允許侵蝕范圍之內,土壤侵蝕包括輕度侵蝕及以上的等級,土壤侵蝕面積達 1167. 24hm2,占總面積比重為 24. 58%,其中輕度侵蝕面積為 772. 43hm2,占總侵蝕面積比重為 66.17% ,中度侵蝕為 21. 11% ,強度及以上的為 12. 72% .研究區土壤侵蝕狀況\\( 表 2\\) .

2. 3 不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況

利用 ArcGis 9. 3 中 Arctoolbox 工具中的空間 overlay 分析功能,將土地利用圖與土壤侵蝕圖進行空間疊置,對不同土地利用狀況下的土壤侵蝕進行統計分析\\( 表 3\\) .從表 3 可以看出不同土地利用類型的土壤侵蝕絕對面積.除極強度侵蝕面積耕地最大外,林地的侵蝕面積均為最大,由林地本身所占的土地利用面積比例最大決定.從絕對面積來看,土地利用類型的面積大小一定程度上與土壤侵蝕面積大小呈現正相關關系,林地和耕地面積最大,其土壤侵蝕絕對面積也最大.

但土壤侵蝕絕對面積只能反映量的大小,不能反映土壤侵蝕程度.為此,采用土壤侵蝕率\\( 土壤侵蝕面積占該土地利用面積的百分數\\) 來反映土壤侵蝕程度大小.研究區平均土壤侵蝕率為 24. 58%,其中城鎮村與工礦用地土壤侵蝕率高達 42. 21%,其次為其他土地\\( 主要為裸土地\\) 40. 11%.草地\\( 39. 85%\\) 、交通運輸用地\\( 33. 93%\\) 與耕地\\( 28. 48%\\) 的土壤侵蝕率均高于平均土壤侵蝕率.林地\\( 20. 57%\\) 、園地\\( 24. 08%\\) 和水域及水利設施用地\\( 24. 42%\\) 土壤侵蝕率低于平均土壤侵蝕率\\( 表 4 和圖 5\\) .

2. 3 不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況

利用 ArcGis 9. 3 中 Arctoolbox 工具中的空間 overlay 分析功能,將土地利用圖與土壤侵蝕圖進行空間疊置,對不同土地利用狀況下的土壤侵蝕進行統計分析\\( 表 3\\) .從表 3 可以看出不同土地利用類型的土壤侵蝕絕對面積.除極強度侵蝕面積耕地最大外,林地的侵蝕面積均為最大,由林地本身所占的土地利用面積比例最大決定.從絕對面積來看,土地利用類型的面積大小一定程度上與土壤侵蝕面積大小呈現正相關關系,林地和耕地面積最大,其土壤侵蝕絕對面積也最大.

但土壤侵蝕絕對面積只能反映量的大小,不能反映土壤侵蝕程度.為此,采用土壤侵蝕率\\( 土壤侵蝕面積占該土地利用面積的百分數\\) 來反映土壤侵蝕程度大小.研究區平均土壤侵蝕率為 24. 58%,其中城鎮村與工礦用地土壤侵蝕率高達 42. 21%,其次為其他土地\\( 主要為裸土地\\) 40. 11%.草地\\( 39. 85%\\) 、交通運輸用地\\( 33. 93%\\) 與耕地\\( 28. 48%\\) 的土壤侵蝕率均高于平均土壤侵蝕率.林地\\( 20. 57%\\) 、園地\\( 24. 08%\\) 和水域及水利設施用地\\( 24. 42%\\) 土壤侵蝕率低于平均土壤侵蝕率\\( 表 4 和圖 5\\) .

土壤侵蝕程度能反映土壤侵蝕比重,但不能反映土壤侵蝕的強烈程度,為此引入土壤侵蝕強度綜合指數來反映不同土地利用類型的土壤侵蝕強度.土壤侵蝕強度綜合指數是反映土壤侵蝕強度的一個綜合指標,選用楊存建等[9]提出的土壤侵蝕綜合指數,該指標的大小反映土壤受侵蝕的嚴重程度,可用土壤侵蝕的綜合指數\\( INDEX\\) 來表示,其計算如下:

式中: Wij代表第 i 類第 j 級的土壤侵蝕強度的分級值; Aij代表第 i 類第 j 級的土壤侵蝕強度的面積比重.不同土壤侵蝕類型的不同強度等級的分級值劃分如下: 土壤侵蝕中的輕度、中度、強度、極強和劇烈的分級值分別為 2,4,6,8,10; 分級值越高表示對土壤侵蝕的綜合指數的貢獻越大.

依據土壤侵蝕強度綜合指數,計算出不同土地利用方式的土壤侵蝕綜合強度指數\\( 表 5 和圖 6\\) .

式中: Wij代表第 i 類第 j 級的土壤侵蝕強度的分級值; Aij代表第 i 類第 j 級的土壤侵蝕強度的面積比重.不同土壤侵蝕類型的不同強度等級的分級值劃分如下: 土壤侵蝕中的輕度、中度、強度、極強和劇烈的分級值分別為 2,4,6,8,10; 分級值越高表示對土壤侵蝕的綜合指數的貢獻越大.

依據土壤侵蝕強度綜合指數,計算出不同土地利用方式的土壤侵蝕綜合強度指數\\( 表 5 和圖 6\\) .和 1. 08.土壤侵蝕強度指數最小的的為林地,僅僅為 0. 58,與林地土壤侵蝕率及土壤侵蝕強度較低均相關.土壤侵蝕強度指數與土壤侵蝕率和強度存在相關關系.對圖 5 和圖 6 進行比較,也可以發現土壤侵蝕率與土壤侵蝕強度指數大致相同,但部分存在差異,如城鎮村與工礦用地的土壤侵蝕率最高,但土壤侵蝕強度指數僅僅排第三.土壤侵蝕強度更能反映土壤侵蝕狀況及強度.

3 討論

基于亞熱帶山地的較高植被覆蓋度\\( 58. 38%\\) 和山地土地利用\\( 以林地為主 60. 51%\\) ,以亞熱帶山地土地利用與土壤侵蝕關系為研究切入點,從土壤侵蝕率與土壤侵蝕強度指數分析不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況.研究區平均土壤侵蝕率為 24. 58%,不同土地利用類型的土壤侵蝕率大小: 城鎮村與工礦用地 > 其他土地 > 草地 > 交通運輸用地 > 耕地 > 水域及水利設施用地 > 園地 > 林地,不同土地利用類型對地表面擾動不同,是造成植被覆蓋度差異的重要因素,植被覆蓋度是決定土壤侵蝕強弱的重要因素.不同土地利用類型的土壤侵蝕強度指數大小: 其他土地 > 草地 > 城鎮村與工礦用地 > 水域及水利設施用地> 耕地 > 交通運輸用地 > 園地 > 林地,土壤侵蝕強度指數更能反映土壤侵蝕的強烈程度.土壤侵蝕強度指數與土壤侵蝕率和強度存在正相關關系.

亞熱帶山地土地利用與土壤侵蝕研究,盡管在野外勘查的基礎上,結合 GIS 與 RS 技術進行土地利用與土壤侵蝕提取與統計,但在具體確定土壤侵蝕強度時,顯得理由還不夠充分,還是以定性為主.因此應增加定量檢測土壤侵蝕方面的數據.因此建立適合亞熱帶山區不同尺度的土壤侵蝕模型,是實現土壤侵蝕定量化的前提和基礎.野外勘查過程中,發現亞熱帶山區部分種植純桉樹等樹種.純桉林林下草灌退化,僅剩心土,形成"遠看青山在,近看水土流"的空中綠化現象,雖植被覆蓋度高,但林下水土流失較為嚴重.空中綠化現象是分析土壤侵蝕時值得進一步思考的問題.

亞熱帶山區土壤侵蝕率與土壤侵蝕強度指數較高,提出應優化土地利用結構,發展以林業為基礎的大農業,充分利于山區的優勢,選擇合適的土地利用/覆被類型,開展多種經營,加大水土保持的力度,建設生態文明.

4 結論

以多種信息源為基礎,利用 GIS 和 RS 技術,了解土壤侵蝕強度及分布特征,并通過與土地利用類型的數據進行空間疊加分析,得出不同土地利用類型的土壤侵蝕強度與分布特征.

\\( 1\\) 土地利用以高覆度的林地為主,土壤侵蝕率 24. 58%,按照侵蝕分類分級標準,侵蝕強度以輕度為主,占總侵蝕面積的 66. 17%.林地和耕地土壤侵蝕面積最大,這與其本身所占比重大相關,并不能反映有林地和耕地的土壤侵蝕強度.

\\( 2\\) 選用土壤侵蝕率與土壤侵蝕強度指數作為土壤侵蝕強度大小的指標.不同土地利用類型的土壤侵蝕率: 城鎮村與工礦用地 > 其他土地 > 草地 > 交通運輸用地 > 耕地 > 水域及水利設施用地 > 園地 > 林地.土壤侵蝕強度指數大小: 其他土地 > 草地 > 城鎮村與工礦用地 > 水域及水利設施用地 > 耕地 > 交通運輸用地 > 園地 > 林地.土壤侵蝕強度指數與土壤侵蝕率和強度存在正相關關系,但土壤侵蝕強度指數更能反映土壤侵蝕的強烈程度.

\\( 3\\) 土地利用/覆被是造成土壤侵蝕的重要原因之一,優化土地利用結構是土壤侵蝕的治理的重要途徑.針對土壤侵蝕率與土壤侵蝕強度指數較大,應加強粵北山區水土流失治理力度和治理強度,必須遏制邊治理、邊破壞的情況發生,加大水土保持監督力度.

參考文獻

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