喀斯特山區土地利用變化與土壤侵蝕耦合關系研究
——以畢節試驗區為例

謝穎穎, 邵 爭, 蘭小機, 李付偉, 曾凡華

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院, 江西 贛州 341000; 2.畢節市防震減災局, 貴州 畢節 551700)

喀斯特山區土地利用變化與土壤侵蝕耦合關系研究
——以畢節試驗區為例

謝穎穎1, 邵 爭2, 蘭小機1, 李付偉2, 曾凡華2

(1.江西理工大學 建筑與測繪工程學院, 江西 贛州 341000; 2.畢節市防震減災局, 貴州 畢節 551700)

利用RS與GIS技術，提取地類、坡度和植被等3個因子的數據信息，模擬1990—2010年畢節試驗區的土地利用過程和土壤侵蝕變化過程，并運用疊置分析和轉移矩陣分析的方法，分析了土地利用變化過程中土壤侵蝕的響應特征，揭示土地利用變化及土壤侵蝕變化的關系。結果表明：畢節試驗區土地以林地、耕地、草地為主，耕地面積不斷減少，林地和建設用地面積不斷增加；土壤侵蝕以輕度、中度侵蝕為主，整體呈現改善的趨勢，尤其是退耕還林后，土壤侵蝕的面積與強度均不斷降低；土地利用變化與土壤侵蝕具有密切的聯系，耕地是土壤侵蝕發生的主要土地類型，耕地的減少與土壤侵蝕呈正相關關系，林地面積變化與土壤侵蝕具有較好的相關性，但在退耕還林的初期，土壤侵蝕的強度略有增加，草地增加與土壤侵蝕負相關，增加草地有利于土壤抗侵蝕能力的增強。研究喀斯特山區土地利用與土壤侵蝕的耦合關系，有利于有限的土地資源的合理配置和喀斯特地區的生態保護，為區域土地規劃及水土保持等宏觀決策部門提供理論支撐。

土地利用變化; 土壤侵蝕; 疊置分析; 轉移矩陣; 畢節試驗區

西南喀斯特山區具有山高坡陡、雨熱同期、大面積碳酸鹽巖發育、成土過程緩慢而復雜的特點，加之人多地少，人地矛盾突出，不合理的土地利用結構和生產生活方式造成了生態環境和土地資源破壞，植被破壞和土壤保肥性能減弱，使西南喀斯特山區土壤侵蝕更加嚴重[1-2]。土地利用與土壤侵蝕具有密切的相互關系，在土壤侵蝕監測方面，應用廣泛的美國修正的通用土壤流失方程(RUSLE)，將植被、管理措施、水土保持措施等參數作為土壤侵蝕測定的重要指標[3-4]；國內的中國水土流失方程(CSLE)，也將生物、工程、耕作等土地利用因子作為土壤侵蝕測定的重要指標[5]。運用RS和GIS結合研究兩者的關系主要有兩種方式：一種是計算不同土地利用類型的面積與土壤侵蝕分布面積的相關性，探討土地利用結構與土壤侵蝕的關系，如喻權剛研究黃土丘陵區發現坡耕地占比越大，年土壤侵蝕量越大[6]；另一種方式是土地利用現狀圖與土壤侵蝕圖在GIS空間分析模塊下疊置而發現不同地類的土壤侵蝕程度，如鄒亞榮等以廣東惠東區為例得出土壤侵蝕分布與地類類型分布是相關聯的[7]。然而，以往的研究多以某一年份探討土地利用類型與土壤侵蝕之間的耦合關系，長時間序列的土地利用類型變化與土壤侵蝕變化之間相互關系的研究還較為薄弱。研究喀斯特山區土地利用類型變化與土壤侵蝕變化的耦合關系，豐富了喀斯特山區土地利用與土壤侵蝕關系研究的理論，有利于有限的土地資源的合理配置和喀斯特地區的生態保護，為區域土地規劃及水土保持等宏觀決策提供理論支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況及數據來源

畢節試驗區是國務院于1988年6月批準建立的全國唯一用“扶貧開發、生態建設、人口控制”為主題的試驗區。位于東經103°36′—106°44′到北緯26°21′—27°47′之間，地處中國貴州省西北部即烏蒙山的中心位置，靠近川、滇、黔三省交匯處，管轄1區7縣，總面積為26 853 km2，占貴州省總面積的15.25%[8]。本研究所用的遙感影像來源于地理空間數據云(www.gscloud.com)，包含1990年8月和9月Landsat5 TM影像5景及1989年9月的Landsat5 TM影像1景，2000年5月和6月的Landsat 7 ETM+影像6景，2010年8月的Landsat5 TM影像6景，成像時間盡量選擇各年份相同時間，以便于植被覆蓋度及土地利用類型解譯。除此之外，還收集了畢節試驗區DEM數據以便于坡度專題圖制作；矢量格式的行政區劃范圍數據用來裁剪遙感影像圖。

1.2 研究方法

1.2.1 土地利用信息提取 結合《全國土地利用動態遙感監測規程》土地利用分類，參考中科院資源環境數據庫的劃分系統，結合遙感影像紋理色彩及畢節試驗區實際土地利用情況，將畢節試驗區土地利用類型劃分成為耕地、林地、草地、水域、城鄉工礦居民、未利用地6個一級地類，水田、旱地、灌木林地等9個二級地類[9]。根據遙感影像的紋理、色彩、形狀，結合相關專業圖件和地理圖件及畢節試驗區土地利用分類系統建立畢節試驗區遙感影像解譯標志后根據解譯標志采用人機交互解譯方法分別對3期的遙感影像進行解譯獲得三期相應的土地利用類型和結構分布圖(圖1)及面積(表1)。

在ENVI中參考地面資料建立感興趣區對地類解譯結果進行精度評價，得到總體分類精度(Overall Accuracy)，制圖精度(Producer′s Accuracy)，用戶精度(User′s Accuracy)Kappa系數(Kappa Coefficient)，分類混淆矩陣(confusion matrix)，錯分和漏分誤差等，最終得到Overall Accuracy>80%，Kappa Coefficient高于最低精度0.7即符合要求。

圖1 畢節試驗區土地利用類型分布

1.2.2 土壤侵蝕信息提取 (1) 植被覆蓋度提取。選用李苗苗改進后的像元二分模型[10]，結合歸一化植被指數(NDVI)，對畢節試驗區植被覆蓋度進行提取。首先，在ENVI軟件中分別對畢節試驗區1990年、2000年、2010年計算得到的影像像元的NDVI，然后提取NDVIsoil，NDVIveg來計算各年份的植被覆蓋度。同時，參照《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)[11]，在ArcGIS中按≤30%，30%～45%，45%～60%，60%～75%，>75%的標準，將植被覆蓋度分為低、中低、中、中高、高度植被覆蓋5大類，對應屬性編碼為1，2，3，4，5，最后，得到1990—2010年3個時間點的畢節試驗區植被覆蓋圖。

考慮到植被覆蓋度的現實意義，本研究以收集到的已進行數據驗證的1∶10萬土地利用數據為基礎做精度驗證。驗證結果表明：1990年、2000年、2010年植被覆蓋度空間分布數據的總體精度為74.7%，61.9%，65.5%，所得植被覆蓋度與用于精度驗證的植被覆蓋數據間有一定的差距。究其原因，一方面對影像陰影處理方式不同對結果產生影響；另一方面，2000年獲取ETM+數據與1990年和2010年的TM數據不同，由于云層原因，遙感影像季相上的選擇有所差別，這在一定程度上影響到最終結果。不過由于本研究中所用的人機交互解譯，只要總體精度大于60%即滿足要求。

(2) 高程及坡度信息提取。DEM是數字高程模型(Digital Terrain Model)的簡稱，按≤5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°的標準，將坡度分為平緩坡、中等坡、斜坡、陡坡、急坡、急陡坡等6大類，對應屬性編碼為1，2，3，4，5，6，在ArcGIS空間分析模塊(Spatial Analyst)的支持下，對各DEM進行坡度提取及重分類等操作，生成高程及坡度專題圖。

(3) 土壤侵蝕專題圖制作。參考時新玲等的水蝕強度分級指標[12]和水利行業《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)中水力侵蝕強度判別模型而建立畢節試驗區土壤侵蝕強度的分級模型，根據該指標采用地類、植被覆蓋度、坡度3個因子綜合判讀法制定土壤侵蝕專題圖[13-14]，將畢節試驗區的土壤侵蝕強度分為微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、極強度侵蝕、劇烈侵蝕等6個等級。分別將提取出各年份的土地利用圖、植被覆蓋度圖、坡度圖做疊置分析，在其屬性表中進行邏輯判斷，確定各斑塊的土壤侵蝕強度等級，之后將同一屬性的斑塊間進行合并而最終得到研究區土壤侵蝕強度等級圖(圖2)，并對土壤侵蝕面積進行統計(表2)后結合土地利用統計出不同地類中土壤侵蝕強度指數(表3)。

圖2 畢節試驗區土壤侵蝕強度等級分布

2 結果與分析

2.1 土地利用類型變化狀況分析

從土地利用類型分布來看，畢節試驗區土地利用類型以林地、耕地和草地為主，總面積達到研究區的99%以上，耕地面積達到了33%以上。從土地利用類型變化過程來看，1990—2010年，畢節試驗區土地利用變化較為強烈，其中耕地面積持續減少，由1990年的9 445.48 km2減少為2010年的9 119.76 km2，年均減少32.57 km2，側面反映了試驗區產業結構調整的成效，種植業在產業結構中的比重正在不斷減少；林地與城鄉工礦居民用地面積持續增加，其中林地面積由1990年的11 296.28 km2增加為2010年的11 521.22 km2，年均增加22.49 km2，說明生態環境水平不斷提升，尤其是退耕還林工程實施后，林地面積增加顯著；草地和水域面積先減少后增加，說明人們對生態環境的重視程度正在不斷提升；城鄉工礦居民用地面積持續增加，由1990年的36.20 km2增加為2010年的93.56 km2，年均增加22.49 km2，20 a間增加了近2倍，說明試驗區城鎮化進程不斷加快。

表1 1990-2010年畢節試驗區土地利用類型變化情況

2.2 土壤侵蝕變化狀況分析

1990—2010年，畢節試驗區的土壤侵蝕強度以輕度和中度侵蝕為主，發生土壤侵蝕的面積比例分別為70.22%，71.79%，64.49%，年平均侵蝕模數為221.51 t/(km2·a)，228.83 t/(km2·a)，190.75 t/(km2·a)，土壤侵蝕強度總體呈現先惡化后改善的趨勢。不同強度等級的水土流失面積來看，輕度侵蝕變化呈現先減少后增加趨勢，其他侵蝕等級則相反，均為先增加后減少趨勢。對3期土壤侵蝕分布圖進行不同強度土壤侵蝕面積轉移矩陣換算發現：1990—2000年，土壤侵蝕變化過程較為平緩，土壤侵蝕狀況惡化的總面積(即低等級土壤侵蝕強度轉變為高等級土壤侵蝕強度，如輕度土壤侵蝕強度轉化為中度土壤侵蝕強度)為2 932.97 km2，土壤侵蝕狀況改善的總面積(即高等級土壤侵蝕強度轉變為低等級土壤侵蝕強度，如中度土壤侵蝕強度轉化為輕度土壤侵蝕強度)為2 055.65 km2，總體侵蝕強度狀況略有惡化；2000—2010年，土壤侵蝕變化過程較為劇烈，土壤侵蝕狀況惡化的總面積為6 866.89 km2，土壤侵蝕狀況改善的總面積為10 772.25 km2，土壤侵蝕強度在此階段出現減弱趨向，土壤侵蝕狀況得到改善。土壤侵蝕強度在2000—2010年有所減輕，得益于2000年后畢節試驗區進行退耕還林、封山育林等生態工程措施的開展。

表2 1990-2010年畢節試驗區各土壤侵蝕強度分布面積

2.3 畢節試驗區土地利用變化與土壤侵蝕耦合關系

2.3.1 不同地類的土壤侵蝕強度綜合指數 土壤侵蝕率反映侵蝕程度但無法反映出侵蝕強烈度，為此引入土壤侵蝕強度綜合指數(無量綱，為計算方便放大100倍)，對不同地類不同侵蝕情況定量分析，該指標大小反映出不同地類中土壤侵蝕的侵蝕強度[15]，由于篇幅影響，計算過程略。由于水域、城鄉工礦居民用地、未利用地在土壤侵蝕判讀時定微度侵蝕即不發生侵蝕，故僅列出耕地、林地、草地土地動態區與土壤侵蝕強度變化關系(見表3)。結果顯示：一級地類中耕地侵蝕最顯著，土壤侵蝕強度綜合指數最大，其次是草地，再次是林地。二級地類土壤侵蝕強度綜合指數由大到小是：旱地>中覆蓋草地>灌木林>疏林>有林地>水田>高覆蓋草地>低覆蓋草地>其他林地。旱地不論是侵蝕程度或者是強度，其土壤侵蝕發生率都最大；中覆蓋草地的侵蝕強度大于灌木林地，但是灌木林地的土壤侵蝕程度大于中覆蓋草地，因此要加強水土流失防治，應該更注重坡改梯、減少坡地耕種而多增加林草地等生態措施的實行，以防林草地衰退，應提升植被覆蓋度。

2.3.2 土地利用變化與土壤侵蝕變化關系分析 利用轉移矩陣分析的方法，能夠較好的模擬土地利用類型變化過程中土壤侵蝕的響應特征，揭示土地利用變化及土壤侵蝕變化的關系。首先，將1990—2010年3期土地利用類型分布圖進行疊置分析，分別獲得1990—2000年土地利用類型變化圖和2000—2010年土地利用類型變化圖，同理，獲得1990—2000年土壤侵蝕強度變化圖和2000—2010年土壤侵蝕強度變化圖；然后，將同期的土地利用類型變化圖與同期土壤侵蝕變化圖進行疊置分析后統計出具體轉移數據(土地利用動態區)及土壤侵蝕轉移數據，并根據此數據計算出各土地利用轉移方向下土壤侵蝕強度綜合指數，從而反映相應土壤侵蝕的增減情況；最后，分別獲得1990—2000年的不同土地利用轉移過程中土壤侵蝕增減情況(圖3)，2000—2010年的不同土地利用轉移過程中土壤侵蝕增減情況(圖4)。

表3 畢節試驗區土壤侵蝕強度指數

耕地是土壤侵蝕發生的主要地類，坡地開墾和坡地耕作是引起土壤侵蝕的主要原因。在耕地動態區，耕地面積持續下降，過度開墾狀況有所好轉，土壤侵蝕強度綜合指數顯著變小，表明耕地減少與土壤侵蝕呈正相關關系。在其林地動態區，林地持續增加，土壤侵蝕強度綜合指數先增后降，林地增加與土壤侵蝕強度負相關，但由于退耕還林的初期，地表擾動大，林木的覆蓋度還很低，土壤侵蝕略有增強，但隨著林木覆蓋度的增加，土壤侵蝕強度不斷降低，應加強坡改梯、植樹造林、減少坡耕地增加林草地等生態工程措施實施。在草地動態區，草地主要向林地轉移，在退耕還草工程下，部分草地來自于耕地，有部分林地退化為草地，面積先減后增，土壤侵蝕強度綜合指數先變大再變小，表明草地增加與土壤侵蝕負相關。增加草地有利于土壤抗蝕力的增強，但存在林地向草地退化現象會加重侵蝕程度，應加強草地的保護。

圖3 1990-2000年畢節試驗區土地利用動態區土壤侵蝕強度增減情況

圖4 2000-2010年畢節試驗區土地利用動態區土壤侵蝕強度增減情況

3 結 論

(1) 畢節試驗區主要土地利用類型為林地、耕地、草地。1990—2010年，畢節試驗區土地利用變化較為強烈，林地面積持續增加，生態環境水平不斷提升，尤其是退耕還林工程實施后，林地面積增加顯著；耕地面積持續減少，反映了試驗區產業結構調整的成效，種植業在產業結構中的比重正在不斷減少；草地和水域面積先減少后增加，呈現了前期破壞后期整治的過程；城鄉工礦居民用地面積持續增加，20 a間增加了近2倍，尤其是近10 a城鎮化進程不斷加快。

(2) 土壤侵蝕以輕度侵蝕與中度侵蝕為主，總體呈現先惡化后改善的趨勢，尤其是退耕還林工程實施后，土壤侵蝕的面積和強度均不斷降低，應該繼續實施退耕還林工程，實施天然林保護，強化封山育林，充分發揮喀斯特山區生態環境的自然修復能力。畢節試驗區不同地類的侵蝕大小為：旱地>灌木林地>中覆蓋度草地>疏林地>有林地>水田>高覆蓋度草地>低覆蓋度草地>其他林地。

(3) 耕地是土壤侵蝕發生的主要土地類型，耕地面積持續下降，過度開墾狀況有所好轉，土壤侵蝕強度指數顯著變小，侵蝕程度減弱，表明耕地的減少與土壤侵蝕呈正相關關系；在林地動態區，林地持續增加，土壤侵蝕強度綜合指數先增后降，主要原因是退耕還林的初期，地表擾動大，林木的覆蓋度還很低，土壤侵蝕略有增強，但隨著林木覆蓋度的增加，土壤侵蝕強度不斷降低；在草地動態區，草地面積先減后增，土壤侵蝕強度綜合指數先變大再變小，表明草地增加與土壤侵蝕負相關，增加草地有利于土壤抗侵蝕能力的增強，但存在林地向草地退化現象會加重土壤侵蝕，應加強草地的保護。

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RelationshipBetweenLandUseandSoilErosioninKarstArea—ACaseStudyofBijieExperimentalArea

XIE Yingying1, SHAO Zheng2, LAN Xiaoji1, LI Fuwei2, ZENG Fanhua2

(1.SchoolofArchitecturalandSurveyEngineering,JiangxiUniversityofScienceandTechnology,Ganzhou,Jiangxi341000,China; 2.BijieSeismologicalBureau,Bijie,Guizhou551700,China)

The process of land use/cover change and soil erosion change in Bijie experimental area from 1990 to 2010 was simulated by analyzing the data of land use type, gradient and vegetation index based on RS and GIS. Then, through overlay analysis and transfer matrix analysis, the response characteristic of soil erosion during changing process of land utilization was analyzed. The relationship between land use change and soil erosion change was revealed finally. The results showed that: (1) the areas of forestland, cultivated land and grassland in Bijie experimental area were the largest, the area of cultivated land was decreasing gradually, the areas of forestland and building land were increasing gradually; (2) the main types of soil erosion were mild and moderate erosion, the degree of soil erosion was controlled to a better level over the past twenty years, especially after the implementation of Grain for Green Project; (3) the land use change process was closely associated with soil erosion; cultivated land was main land type for the occurrence of soil erosion, the decreased area of cultivated land was positively associated with soil erosion area; the change in area of forestland was interrelated to the soil erosion, while at the beginning of the Grain for Green Project, the intensity of soil erosion slightly increased; the increased area of grassland was negatively correlated to the soil erosion area; increase in grassland area is favorable for strengthening anti-erosion ability of the soil. The results of this research are helpful for rational configuration of land resources and ecological protection in karst area and also provide the decision-making support for organization such as land use planning bureau or water resources bureau.

land use/cover change; soil erosion; overlay analysis; transfer matrix; Bijie experimental area

S157；F301.24

A

1005-3409(2017)06-0001-05

2016-06-16

2016-11-08

國家自然科學基金(41561085,40971234);畢節市社會發展科技攻關計劃項目(畢科合字[2012]48)

謝穎穎(1993—),女(白族),貴州納雍人,地圖學與地理信息系統碩士,GIS與RS應用。E-mail:393731450@qq.com

蘭小機(1965—),男(畬族),江西高安人,地理信息系統博士,教授,GIS開發與應用。E-mail:305333315@qq.com