桐柏大別山區土壤侵蝕特征分析*

張榮華,劉 霞,姚孝友,張光燦,張榮,常 成

(1.山東農業大學林學院水土保持系,山東農業大學農業生態與環境重點實驗室,山東泰安 271018;2.水利部淮河水利委員會水土保持處,安徽蚌埠233001)

土壤侵蝕是在水力、風力、凍融、重力等外營力作用下,土壤及其母質和其他地面組成物質被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1],其結果是導致水土流失。嚴重的土壤侵蝕和水土流失將導致土壤退化、生態系統失調,并導致泥沙沉積,河湖庫堰淤塞,耕地資源減少,從而對農林牧生產、水利、電力和航運事業造成極大危害,影響國民經濟建設和人民生活水平提高,甚至嚴重阻遏區域生態、經濟和社會可持續發展[2]。因此,土壤侵蝕研究已成為當今全球環境變化研究的重要內容[3]。

長期以來由于人們對自然資源過度開發以及以資源消耗為主的經濟增長方式,導致桐柏大別山區許多地區植被破壞,水土流失嚴重,土地退化,生產力下降,生態穩定性降低,自然環境惡化,目前已成為我國生態環境脆弱地區之一,嚴重影響區域生態安全和社會經濟可持續發展。因此,桐柏大別山區一直是國內外學者關注的重點區域,但已有土壤侵蝕研究成果主要集中在兩個時期的對比分析,對多個時期分析及變化趨勢預測還少見報道。本文采用遙感影像解譯與野外調查相結合的方法,對土壤侵蝕進行分析,了解區域土壤侵蝕變化規律,探討侵蝕因子對土壤侵蝕的影響,并預測土壤侵蝕變化趨勢,為土壤侵蝕防治和生態環境建設提供理論依據。

1 研究區概況

桐柏大別山區地處我國中部,位于東經113°16′-116°45′,北緯 30°57′-32°43′,皖、豫、鄂三省交界處,總面積約2.72萬 km2,是我國重要的糧、油生產基地,在保證糧食、生態安全和促進國民經濟建設及可持續發展中具有極為重要的地位。屬于北亞熱帶過渡氣候,多年平均氣溫13.2～15.7℃,無霜期180～220 d,日照時數1 990～2 650 h,多年平均降水量800～1 400 mm,年內、年際、區間分布差異較大,6-8月占全年60%以上,年際相差1～3倍,降雨時空分布不均,導致地表徑流量具有明顯的季節性,易形成交替出現的洪澇和干旱災害。地形復雜,地貌類型以山地、丘陵為主,海拔高度多在200～1 000 m,母質大部分以花崗片麻巖為主,易風化,抗蝕性差,土壤以黃棕壤和水稻土為主,地帶性植被為落葉闊葉混交林型。人口密度為367人/km2,人均耕地面積0.06 hm2。據2002年遙感普查資料,桐柏大別山區土壤侵蝕面積 6 505 km2,其中輕度3 120 km2,中度2 320 km2,強度及以上1 065 km2。

2 研究方法

2.1 數據源

以桐柏大別山區1987年、1997年、2007年三期TM遙感影像為主要信息源,分辨率為30 m×30 m。同時收集自然地理、氣候、地形、地貌、巖性、土壤、土地利用、植被、水土流失和社會經濟等方面的資料。

2.2 數據處理

土壤侵蝕的發生受氣候、土壤、地質、地形、植被和人為6大因素的綜合影響,這6大因素又可再分為諸多次級影響因子,其中坡度、植被覆蓋度和土地利用的作用尤為顯著,不同的坡度、植被覆蓋度和土地利用組合導致不同強度侵蝕級別的發生[4]。

在ArcGIS支持下,將研究區1∶10萬地形圖數字化,生成數字高程模型(DEM),然后生成坡度圖,通過對坡度柵格圖進行再分類獲得所需要的坡度信息。

借助遙感處理軟件ERDAS,利用地形圖對影像進行幾何精校正,校正中采用北京1954坐標系,高斯-克呂格投影。提取歸一化植被指數NDVI,然后采用陳云浩等[5]建立的NDVI與植被覆蓋度間的轉換模型,計算植被覆蓋度,得到研究區的植被覆蓋信息。

在ERDAS支持下,綜合影像的色調、亮度、飽和度、形狀、紋理、結構等特征,結合野外實地調查,進行人機交互解譯,提取土地利用信息。依據《土地利用現狀分類》國家標準(GB/T 21010-2007),結合研究目的和區域特點,確定土地利用分為耕地、林地、草地、城鎮村及工礦交通用地、水域及水利設施用地和未利用土地6類。

以坡度、植被覆蓋度、土地利用三個主導因子信息為基礎,依據部頒土壤侵蝕強度分級標準[6]和土壤侵蝕強度判定指標,來確定土壤侵蝕面積、強度及分布。

應用馬爾柯夫模型預測2017年、2027年土壤侵蝕狀況。馬爾柯夫過程的關鍵在于確定各等級土壤侵蝕之間相互轉化的初始轉移概率矩陣P。其數學表達式為：

根據馬爾柯夫性質和條件概率的定義,可以運用下述馬爾柯夫鏈的基本方程來模擬出各土壤侵蝕等級面積所占比例動態變化狀況。

轉化為第j級侵蝕強度的轉移概率;N——轉移概率矩陣的行列數。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕格局

桐柏大別山區2007年土壤侵蝕格局見圖 1。可以看出,土壤侵蝕面積6 378.15 km2,占土地總面積23.44%。侵蝕強度以輕度為主,占侵蝕面積60.80%,局部以中度、強烈為主,極強烈、劇烈比例較小。從各縣市區來看,桐柏縣土壤侵蝕最嚴重,占該縣面積 46.97%,其次為金寨、霍山、信陽、商城等。為更好地反映土壤侵蝕的區域性差別,采用土壤侵蝕綜合指數進行評價,公式為

式中：C——某一單元的土壤侵蝕綜合指數(以縣市區為單元);Ai——該單元內第i級土壤侵蝕強度的面積百分比;Si——相應的土壤侵蝕強度指數值,分別為1,2,3,4,5,6。通過上述公式,桐柏大別山區土壤侵蝕綜合指數為1.00～2.40,平均1.37。湖北省各縣市區、舒城、岳西、金寨、霍山、桐柏、新縣等高于全區平均水平,是發生土壤侵蝕較為嚴重的地區。由此,土壤侵蝕面積比例較高的地區同時也是土壤侵蝕綜合指數較高的地區。土壤侵蝕呈從北向南增強的趨勢,主要分布在金寨、霍山、信陽、桐柏、商城、新縣等南部山區,占侵蝕總面積70.95%。

圖1 2007年桐柏大別山區土壤侵蝕格局圖

3.2 土壤侵蝕強度面積動態變化

從表1可以看出,1997年土壤侵蝕面積比1987年增加了33.56%,2007年比1997年和1987年減少了35.61%和14.00%。在土壤侵蝕強度方面,輕度侵蝕面積持續減小,且后一時段減小幅度大于前一時段;中度及以上侵蝕面積先增后減,由1987年的2 082.60 km2,增加到1997年的5 112.37 km2,而后減小到2007年的2 500.09 km2,其中劇烈侵蝕增減幅度最大。在空間分布方面,霍山、六安、金寨、岳西、固始、商城、新縣、光山侵蝕面積先增后減,與全區變化規律一致,六安增減幅度最大,兩個時段分別為75.34%,-68.75%;舒城侵蝕面積不變;潢川侵蝕面積一直減小;而信陽、羅山、桐柏及湖北省各縣市土壤侵蝕面積一直增加。總體上,20 a間桐柏大別山區土壤侵蝕面積先增加后減小總體減小,區域性增減變化差異明顯,土壤侵蝕強度先增強后減弱,總體由高強度向低強度轉變,局部地區強烈、極強烈侵蝕面積增加,水土流失與生態退化加劇。

表1 1987-2007年不同土壤侵蝕強度面積 km2

3.3 土壤侵蝕動態轉移特征

區域土壤侵蝕面積減少,實質上是輕度及其以上土壤侵蝕強度級別向微度侵蝕級別轉化的過程[7]。應用GIS空間分析功能,疊加兩期土壤侵蝕分級圖,得到不同侵蝕強度級別的轉移矩陣(表2)。可以看出,1997年微度侵蝕 17 309.36 km2,與 1987年19 798.05 km2相比,減少了2 488.69 km2,其中1987年不變面積16 422.80 km2,輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕轉入面積分別為 714.69 km2、89.18 km2、81.14 km2、1.55 km2;1997年微度侵蝕中3 375.25 km2轉為其他侵蝕強度級別,轉為輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕的面積分別為1 714.83 km2、1 027.44 km2、336.37 km2、291.21 km2和5.39 km2。不同土壤侵蝕強度級別之間都有不同程度的相互轉化,但總的來看,土壤侵蝕強度增強的面積(左下三角矩陣5 839.74 km2),明顯大于土壤侵蝕強度減弱的面積(右上三角矩陣1 623.63 km2)。

2007年微度侵蝕20 836.01 km2,與1997年17 309.36 km2相比,增加了 3 526.05 km2,其中1997年不變面積15 894.69 km2,輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕轉入面積分別為1 821.65 km2、2 146.45 km2、472.28 km2、474.61 km2、26.33 km2;2007年微度侵蝕中1 414.67 km2轉為其他侵蝕強度級別,轉為輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕的面積分別為 1 027.70 km2、248.16 km2、114.77 km2、24.04 km2。總的來看,土壤侵蝕強度增強的面積(2 653.91 km2),明顯小于土壤侵蝕強度減弱的面積(6 245.43 km2)。

1987-2007年微度侵蝕以每年175.95 km2的速度轉入,平均年轉出面積124.05 km2,說明土壤侵蝕面積在以51.90 km2的速度逐年增加,轉入面積主要來自退耕還林還草、坡改梯和其它方面的治理。土壤侵蝕強度減弱面積4 311.60 km2,主要發生在新縣、商城縣南部、金寨縣、霍山縣。而由于自然退化、開礦和人為破壞等導致土壤侵蝕強度不同程度的增強3 682.19 km2,主要發生在桐柏縣東北部、信陽市轄區南部、羅山縣南部及湖北省各縣市。總體平衡分析20 a轉換情況,得出以下變化特征：微度侵蝕面積增加,輕度及其以上侵蝕面積減少,土壤侵蝕面積減少,土壤侵蝕強度減弱。說明水土保持工作成效明顯,當地行政主管部門通過加大重點小流域治理、退耕還林還草、坡改梯工程等促進生態環境恢復,使原本水土流失較為嚴重的地區侵蝕減少減弱。

表2 1987-2007年土壤侵蝕動態變化轉移矩陣 km2

3.4 土壤侵蝕因子分析

3.4.1 降雨 降雨是引發土壤侵蝕的動力條件之一,降雨侵蝕力是降雨物理特性的函數,故用其定量描述降雨對土壤侵蝕的影響。桐柏大別山區地處我國南北氣候過渡帶,受臺風等天氣系統的影響,雨量充沛且集中,侵蝕性降雨主要發生在4-10月。根據搜集到的研究區201個雨量站1952-2007年降雨資料,采用吳素業[8-9]提出的大別山降雨侵蝕力簡便計算公式,經計算,桐柏大別山區降雨侵蝕力為172.5～523.5 J/m2,基本上呈從北部平原向南部山丘遞增的規律。而隨著降雨侵蝕力的增強,土壤侵蝕呈現出遞增的趨勢。

3.4.2 土壤 土壤是被侵蝕的對象,與土壤類型、機械組成和有機質含量有關,而土壤類型分布與一定的地理條件和地貌特征密切相關,且由于土壤形成的母巖母質、成土作用方式及開發利用程度不同,其物理化學特性也不同。桐柏大別山區土壤侵蝕主要發生于粗骨土、石質土、黃棕壤等土壤類型,主要分布在金寨縣、信陽市轄區、商城縣、羅山縣、新縣等,這些地區多位于邊緣山丘地區,土層薄、土質粗、有機質含量少,抗蝕性低,且所處地勢高、地面坡度及地形起伏大,水流和風力作用強烈,加之人為不合理利用,導致土壤侵蝕較為嚴重。

3.4.3 坡度 坡度是影響土壤侵蝕的重要因素,一定坡度范圍內,同等條件下,隨著坡度的增大,土壤侵蝕加劇。表3看出,5°是土壤侵蝕發生的臨界值,不論植被組成如何,＜5°的地區基本不發生侵蝕,而一旦破壞原有坡度,就消除了地形在水土保持中的作用。從土壤侵蝕在各坡度上的分布特點來看,土壤侵蝕不是隨著坡度的增加而無限增加,而存在某一臨界坡度,當到達這一臨界坡度后,土壤侵蝕即隨坡度的增加而呈下降趨勢。土壤侵蝕主要分布在5°～25°地區,其侵蝕面積占侵蝕總面積96.54%。5°～15°是山區和平原的交接帶,人類活動頻繁,坡耕地、林地、草地等人為破壞突出,致使侵蝕面積較大。15°～25°由于溝道、山坡等是導致土壤侵蝕發生的主要原因。而25°以上順坡種植的經濟林導致這一坡度帶仍存在一定的土壤侵蝕。因此,應嚴格控制在坡度較大地區進行農業耕作活動,如從事農業耕作活動,則需采用水平梯田等措施控制水土資源流失,對于25°以上的地區,嚴格執行退耕還林還草,加快林草植被恢復與重建,增強水土保持功能。

表3 不同坡度的土壤侵蝕分布 km2

3.4.4 植被覆蓋 植被是抑制土壤侵蝕的主要因素,其抑制作用主要通過截留降雨和增加攔蓄水分實現。表4表明,土壤侵蝕主要分布在45%～75%的植被覆蓋地區,其侵蝕面積占侵蝕總面積80.15%。桐柏大別山區多為植被覆蓋,但是幾經破壞、恢復、再破壞、再恢復的過程,林種、林齡結構不合理,林種組成中以用材林和經濟林為主,而具有保持水土、涵養水源、發揮生態效應的防護林地比重較少,林齡結構中中幼齡林面積過大,近熟林和成熟林較少,區域生態系統結構脆弱,生態功能正在日益衰減。植被覆蓋＜15%時,侵蝕不明顯,這是由于該植被覆蓋下的土地利用類型以城鎮村及工礦交通用地、水域及水利設施用地和未利用土地為主,而這些土地利用類型是沒有土壤可流失的。而＞75%地區也有一定土壤侵蝕發生,是由坡度較大的經濟林地導致的。由于常年中耕墾復,以及缺乏必要的水土保持工程措施,形成“表層綠油油,下層光禿禿”的特殊景觀,土壤侵蝕極為嚴重。因此,土壤侵蝕的控制要提高植被覆蓋,調整林種林齡結構,加強經濟林地管理。

表4 不同植被覆蓋的土壤侵蝕分布 km2

3.4.5 土地利用 土地利用數量、質量、結構和方式的變化均可引起植被覆蓋、坡度等變化,進而導致土壤侵蝕變化。表5看出,桐柏大別山區土壤侵蝕主要來源于耕地、林地和草地,而城鎮村及工礦交通用地、水域及水利設施用地和未利用土地沒有土壤侵蝕發生,根本原因是缺乏土壤覆蓋,無土壤可流失,但未利用土地依然是土壤侵蝕的潛在危害區。耕地以輕度為主,主要來源于坡耕地、新開荒地、休閑地和輪歇地。林地以輕度、中度為主,主要來源于經濟林和疏林地,特別是經濟林。20世紀90年代各縣市先后推行林業二次創業,砍伐大量生態林,種植經濟林,且多為順坡種植,未采取任何水土保持措施,雖然郁閉度較高但林下植被缺乏、地表裸露,其特殊的植被組成,不論實際坡度大小,也不論植被覆蓋如何,都不能完全防止侵蝕,主要為中度侵蝕。近年來雖然加大了退耕還林、植樹造林、荒山荒坡造林力度,但人們對經濟利益的追求導致經濟林比例居高不下,樹種單一、純林多、林下植被少、水土保持功能弱,土壤侵蝕依舊。

草地所占比例不高,因而其侵蝕比例也不高,以輕度、中度為主。由此,林地土壤侵蝕最為嚴重,經濟林是林地中問題最為突出的區域;而耕地也是土壤侵蝕的重點區域,坡耕地則是耕地中問題較為突出的區域。

表5 不同土地利用類型的土壤侵蝕分布 km2

3.4.6 人為因素 隨著社會經濟發展和人口增加,城市工業化、采礦、高速公路修建等開發建設項目不斷拓展,土地資源大規模開發,導致植被破壞、生物多樣性減少或喪失、生態環境惡化、土壤侵蝕加劇。但開發建設項目的土壤侵蝕主要發生在建設初期,由于大量開挖土方,造成原有地面植被和水保設施破壞,使地表裸露或失去保護而易產生土壤侵蝕;另一方面,開挖取土、機械碾壓、人為踐踏及施工干擾破壞了原來穩定的地形,改變了原有土體自然結構,降低了其穩固性和抗蝕性,易造成土壤侵蝕;同時,施工建設的廢土棄石隨意堆放、缺乏覆蓋等也會造成大量新的土壤侵蝕。研究表明,開發建設項目一年產生的土壤侵蝕相當于自然甚至農業數十年造成的侵蝕,已成為引發區域土壤侵蝕的突出問題。實際上,現有開發建設項目在建設的同時都加強了水土保持工程建設,水土保持部門也加強依法監督力度,加之建設后期進行了硬化和綠化,使得后期土壤侵蝕明顯減少,僅處于微度侵蝕水平,低于農業經營的侵蝕水平。因而,桐柏大別山區建設用地持續增長,侵蝕強度和類型并未發生根本性變化,但開發建設項目的土壤侵蝕仍需繼續注意和依法監督預防。

3.5 土壤侵蝕變化趨勢預測

采用馬爾柯夫矩陣模型進行土壤侵蝕動態過程模擬預測,得到2017年、2027年土壤侵蝕狀況(表6)。可以看出,如果保持1997-2007年的變化速度,未來20 a內的變化趨勢將與其基本趨于一致,微度侵蝕面積將逐年增加,即土壤侵蝕面積將呈逐年減少趨勢。土壤侵蝕面積將由2007年的6 378.15 km2減少到2017年的5 146.51 km2,再減少到2027年的4 621.43 km2,20 a土壤侵蝕面積將減少1 756.72 km2,平均年減少侵蝕面積87.84 km2。不同土壤侵蝕強度等級中,各侵蝕強度面積均有不同程度減少。其中,劇烈侵蝕減少最快,年平均減少幅度 3.33%,而輕度侵蝕減少最慢,為1.15%。這說明如果繼續保持現有治理措施,桐柏大別山區生態環境將向著良性循環的方向發展,但其速度過慢,到2027年仍有15.7%的土地面積存在土壤侵蝕。

表6 土壤侵蝕面積預測值 km2

4 結論

以地處淮河流域的桐柏大別山區為研究區域,以1987年、1997年、2007年遙感影像為主要信息源,結合野外調查,對土壤侵蝕變化規律進行研究,探討侵蝕因子與侵蝕的關系,并預測侵蝕發展趨勢。結果表明,2007年桐柏大別山區土壤侵蝕占土地總面積23.44%,侵蝕強度以輕度為主,主要在分布在金寨、霍山、信陽、桐柏、商城、新縣等南部山區。20 a間土壤侵蝕面積先增加后減小總體減少,區域增減變化差異明顯,強度降低,由高強度向低強度轉變,局部地區強烈、極強烈侵蝕增加,水土流失與生態退化加劇。隨著降雨侵蝕力的增強,土壤侵蝕呈遞增趨勢;粗骨土、石質土、黃棕壤土層較薄、土質較粗、有機質含量較低,抗蝕性較差,且所處地勢較高,坡度較大,植被覆蓋較低,是土壤侵蝕發生的主要區域;＜5°的區域一般只發生微度侵蝕,隨著坡度的增大,土壤侵蝕先增后減,主要發生在8°～ 25°地區;植被覆蓋度與土壤侵蝕面積和強度之間存在一定的反相關關系;坡耕地、經濟林地、疏幼林地是土壤侵蝕發生的主要區域。未來20 a如果繼續保持現有變化速度,土壤侵蝕面積將呈逐年減少的趨勢,但其速度過慢。

人們不斷調整土地利用結構,土地利用形式隨之不斷變化,這些調整和變化既有促進水土保持的一面,也有加速土壤侵蝕的一面。隨著社會經濟的發展,城鎮化、工業化進程不斷加快,城鄉建設用地需求增長較快,導致農用地尤其是大量優質耕地被占用,加之農村產業結構調整,耕地資源的保護壓力持續加大,部分地區強烈、極強烈侵蝕增加,出現了土地生態環境質量下降,人地關系、人與自然關系局部惡化等問題,導致目前桐柏大別山區生態環境比較脆弱,土壤侵蝕比較嚴重。盡管20 a間土壤侵蝕面積減少,強度下降,但脆弱的環境本底使桐柏大別山區水土保持工作面臨新的挑戰。因此,加強現有坡耕地、經濟林、疏幼林、荒草地改造,調整優化土地利用方式,加強水土保持措施,努力提高林草植被覆蓋,控制水土流失,加快桐柏大別山區土壤侵蝕治理進程。

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