江淮丘陵區土壤侵蝕分布與環境因子的關系

劉曉華, 劉潘偉, 胡續禮, 張榮華, 張光燦, 楊 銳, 吳 畏

(1.山東農業大學 林學院, 山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室,山東 泰安 271018; 2.水利部 淮河水利委員會, 安徽 蚌埠 233001)

淮河流域存在“三山、二丘、一區、一帶”[1]綜合防護體系的水土保持格局，目前學者已經針對桐柏大別山區、伏牛山區、沂蒙山區等三大山區的土壤侵蝕以及治理技術等開展了重點研究[2-4]，但對“兩丘”區中的江淮丘陵區缺乏相應的系統研究。由于江淮丘陵區地處淮河流域與長江流域交界處，擁有特殊的地理與氣候等條件，在全國水土保持工作新形勢下，研究江淮丘陵區土壤侵蝕的影響因子對全面了解該區域土壤侵蝕狀況以及對區域生態安全和社會經濟可持續發展有著重要意義。對于影響因子的研究[5-8]，大部分只停留在簡單的觀測資料的定性分析，而關于各環境因子對土壤侵蝕空間分布影響的深入研究較少。

為了解江淮丘陵區土壤侵蝕空間分布，探討土壤侵蝕與土地利用類型[6-10]、坡度[5-7,9-11]、植被[8,12]、土壤類型[2,7]等環境因子的關系，對土壤侵蝕的影響因子進行定量研究。本文擬以2015年15 m分辨率的Landsat 8影像為基礎信息源，基于“3S”技術平臺[12]，采用綜合評判法和實地調查驗證[12]相結合方法，對土壤侵蝕空間分布與各環境因子進行空間疊加分析。以期其結果可對確定水土保持重點區域，為開展水土保持規劃以及制定有針對性的水土流失防治措施提供參考和依據。

1 研究區概況

淮河流域江淮丘陵區位于淮河流域與長江流域交界處，116°49′—119°33′E與31°54′—33°24′N，西臨桐柏大別山山前平原區，北接淮北平原區，東臨江淮下游河網平原區，土地總面積1.38×104km2，其中丘陵地面積占總面積的30.70%。屬北亞熱帶氣候，多年平均降水量800～1 000 mm，年內、年際、區間分布差異較大，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；地表巖性有紅色砂頁巖、片麻巖、玄武巖等，海拔40～300 m，相對高差小；土壤主要為黃棕壤、潮土和暗色土，較為粘重；地帶性植被為落葉闊葉混交林型，林草地面積占總面積的17.49%，人口密度為507.55人/km2，人均耕地面積0.13 hm2。

2 研究方法

土壤侵蝕主要受氣候、土壤、地質、地形、植被和人為6大因素的綜合影響[5-11]，這6大因素又可再分為諸多次級影響因子，其中在氣候條件一定的情況下，土地利用類型、地面坡度和植被蓋度的作用尤為顯著，不同的組合方式導致不同的土壤侵蝕強度[10]。本文以江淮丘陵區的遙感影像為基本信息源，結合其他圖件資料，基于“3S”技術平臺[12]，采用綜合評判法與實地調查驗證[12]相結合的研究方法，探討江淮丘陵區的土壤侵蝕的影響因子。

2.1 遙感解譯

2.1.1 數據源 以江淮丘陵區2015年15 m分辨率的Landsat8影像為基礎信息源，同時收集該區域自然(如氣候、地形地貌、土壤、巖性、植被等)、社會經濟(人口數量、土地利用類型等)以及水土流失與水土保持治理措施等方面的資料。

2.1.2 數據處理 在ENVI 5.1[13]支持下，利用地形圖對影像進行幾何精校正、輻射定標和大氣校正。校正中采用WGS-1984坐標系，UTM投影。依據遙感影像的色、形、位等特點和區域實際特點，參照國家標準[14-15]，結合研究目的和區域概況，建立土地利用分類系統及解譯標志，確定土地利用分為耕地、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未利用土地8類。采用人機交互解譯方法，提取土地利用數據[13]。根據野外實地調查，驗證與完善土地利用數據，獲得各土地利用類型面積及空間分布。

在ArcGIS支持下，將研究區1∶5萬地形圖通過地理配準、幾何校正和投影變化完成矢量化，利用ArcGIS 10.2軟件中3D analyst模塊，進行等高線插值，創建TIN，然后生成研究區分辨率為30 m的數字高程模型(digital elevation model, DEM)。在提取的DEM基礎上，利用ArcGIS 10.2軟件中的spatial analyst 模塊，提取研究區的坡度信息，生成坡度分布圖。據水利部頒布的臨界坡度分級方案，結合研究區的實際情況，將坡度分為平緩坡、中等坡、斜坡、陡坡、急坡和急陡坡6級[16]。

在ArcGIS 10.2軟件中將收集到的研究區土壤類型分布進行矢量化，得到該區域土壤類型分布圖。植被覆蓋度(fractional vegetation cover， FVC)[17]采用歸一化植被指數(normalized difference vegetation index， NDVI)計算。借助遙感影像處理軟件ENVI 5.1，提取NDVI，計算FVC。利用GPS確定野外調查樣區，采集該樣區的植被覆蓋度，建立樣區的植被覆蓋度與遙感計算植被蓋度之間的關系，獲得研究區植被蓋度因子。根據植被蓋度分級編碼標準[16]進行分級。

FVC=〔(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)〕k

式中：FVC——植被覆蓋度(%)； NDVI——所求像元的歸一化植被指數； NDVImin,NDVImax——研究區內NDVI的最小值、最大值；K——經驗系數。

運用ArcGIS空間疊加分析功能，可以得到該區域的土壤侵蝕空間分布。然后將土壤侵蝕空間分布分別與各環境影響因子疊加分析，得到相關關系。

2.2 野外調查驗證

野外調查驗證[12]是決定土地利用和植被覆蓋分類是否準確的關鍵，直接影響到土壤侵蝕判讀結果的準確性、可靠性和精度。本次野外實地調查時間為2016年8月，選取有代表性的典型地段、特殊地物及在解譯中圖像不清晰之處共423個野外調查與實地驗證點。通過計算Kappa系數，用戶精度、生產精度均在60.00%以上，總體解譯精度為78.49%，符合土地利用解譯精度要求。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕狀況

江淮丘陵區2015年水土流失面積為1 409.60 km2，約占該區總面積的10.20%，侵蝕強度以輕度侵蝕為主，面積為1 162.27 km2，占水土流失總面積的82.45%；局部以中度侵蝕為主，占水土流失總面積的17.04%；強烈侵蝕與劇烈侵蝕所占比例很小，該區無劇烈侵蝕。

3.2 土壤侵蝕分布與影響因子的關系

3.2.1 土壤侵蝕分布與土地利用類型的關系 不同數量、結構、質量、方式的土地利用能夠引起坡度、植被覆蓋度的變化，進而影響水土流失[2,7-11]。江淮丘陵區耕地面積為6 788.77 km2，約占總面積的49.21%，其中：絕大部分是坡耕地；園地、林地、草地分別占8.21%，13.30%，4.19%。從表1可以看出，在不同土地利用類型中，土壤侵蝕主要來源于耕地、園地、林地和草地，各類型侵蝕面積分別占水土流失總面積的41.17%，4.19%，28.31%，26.34%。其中耕地侵蝕面積最大，林地、草地侵蝕面積次之；從侵蝕發生的空間位置來看，耕地的侵蝕主要受坡度影響，因此主要發生在下墊面起伏度較大，條件較為惡劣的坡耕地，主要以輕度侵蝕、中度侵蝕和強烈侵蝕為主。林地及園地侵蝕不僅受坡度侵蝕的影響，還受到植被蓋度的影響，主要發生在坡度相對較大，植被蓋度較差的疏林地和坡式經濟林中，侵蝕類型主要以輕度侵蝕和中度侵蝕為主。研究區的草地多分布在荒坡和坡腳地帶，草類多以馬尾草、狗尾草、硬尾草等，這些雜草地表覆蓋程度較低，在荒坡上又容易受到強降雨的影響，侵蝕類型主要以輕度侵蝕和中度侵蝕為主。

表1 不同土地利用類型與土壤侵蝕強度的關系

3.2.2 土壤侵蝕分布與坡度的關系 地形地貌決定著地面物質與能量的形成和再分配，是影響水力侵蝕的重要因素之一。地面的坡度、坡長等對土壤侵蝕有很大的影響[5-7,9-11]。一般情況下，坡度越大，坡長越長，徑流速度就越大。地面坡度越陡，地表徑流的流速越快，對土壤的沖刷侵蝕力就會越強。坡面長度越長，匯集地表徑流量越多，沖刷力也會增大。從圖1中得出，研究區坡度主要集中在0～15°之間，坡度>8°的區域主要是分布在鳳陽縣、定遠縣、明光市和盱眙縣，而這4個縣恰是該區域水土流失發生較為嚴重的地方。表2中顯示，無論區域內土地利用和植被覆蓋是何種類型，<5°的區域基本上不產生土壤侵蝕；隨著坡度的增加，土壤侵蝕也隨之增加，等達到一定坡度值后，土壤侵蝕開始呈下降趨勢。該區土壤侵蝕主要發生在5°～15°之間的山區與平原交界帶，此處人類活動頻繁，存在大面積的坡耕地，而林地、園地和草地等人為破壞嚴重，導致土壤侵蝕分布集中，約占水土流失總面積的95.46%；15°～25°之間產生的土壤侵蝕是由坡度，徑流速度和溝道共同影響的。因此，在低丘緩坡地帶，注意進行坡耕地、“四荒”地等的改造，如完善田間水利設施配套、坡改梯工程等，穩定基本農田；對于>25°的區域，退耕還林還草、進行封禁保護，注重發揮大自然的自我調節和自我修復能力。

圖1 江淮丘陵區坡度分布

表2 不同坡度與土壤侵蝕強度條件下的土地面積 km2

3.2.3 土壤侵蝕分布與植被覆蓋度的關系 植被在水土流失的諸多影響因素中是十分重要的因子。一切形式的植被覆蓋，均可不同程度地抑制水土流失的發生[8,11]。林冠層、枯枝落葉層及林下灌草植被能夠減弱降雨動能，防止地面擊濺侵蝕；截留降雨，增加水分入滲及滯留貯存等。減少了地表徑流，降低徑流的沖蝕力，同時增加了地表粗糙度、改變局部坡度，降低了徑流速度；改良土壤，提高土壤的抗蝕性和抗沖性。同時，植被覆蓋度高的地方，土壤有良好的水分滲透性能，根系有強大的固土功能，可有效地控制土壤侵蝕的發生和發展[11]。由圖2，表3可以得出，該區域植被覆蓋度為15%～30%時，土壤侵蝕強度以中度侵蝕為主；植被覆蓋度為30%～75%時，土壤侵蝕以輕度侵蝕為主；當植被蓋度<15%，侵蝕面積很小，主要原因是該植被覆蓋度下的土地利用類型以城鎮村及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地為主。區域植被多為“小老樹”，林草地占總面積的17.50%，其中疏幼林占林草地總面積34.42%。因此該區要保護現有植被，適宜地區適當改造“小老樹”，建立喬灌草相結合的林草防護體系，堅持封育保護與營造水保林、農田防護林、人工種草相結合，擴大植被覆蓋率。

圖2 江淮丘陵區植被覆蓋度分布

表3 不同植被覆蓋度與土壤侵蝕強度條件下的土地面積 km2

3.2.4 土壤侵蝕分布與土壤類型的關系 不同土壤類型的土層厚度、腐殖質層厚度及含量，土壤水分含量及肥力、質地、結構及石礫含量、酸堿度、鹽堿含量，基巖和成土母質的種類與性質等都不相同，這些都會促進或抑制土壤侵蝕的發生發展[2,7]。

由表4可得，該區土壤侵蝕主要發生在黃棕壤、水稻土中的漂白水稻土亞類以及暗色土等，各土壤類型的侵蝕面積分別占侵蝕總面積的41.59%，12.03%和30.63%；從侵蝕強度來看，輕度及中度侵蝕在各個土壤類型都有分布，以發生在黃棕壤、水稻土、紫色土以及暗色土中為主，而強烈與極強烈侵蝕主要發生在白漿黃棕壤和不飽和紫色土中。這些土壤類型多土層淺薄黏重[6,9]，有機質含量少，抗蝕性低，且所處地勢較高、坡度及起伏度較大，水流和風力作用強烈，再加之人為活動強烈[2]，導致土壤侵蝕較為嚴重。

表4 不同土壤類型與土壤侵蝕強度條件下各土類面積 km2

4 討論與結論

(1) 江淮丘陵區水土流失面積為1 409.60 km2，約占總面積的10.20%，侵蝕強度以輕度侵蝕為主，局部以中度侵蝕為主。

(2) 土地利用類型、植被、坡度、土壤類型等環境因子共同影響土壤侵蝕的分布。暗色土、水稻土以及黃棕壤等土層淺薄粘重，有機質含量少，抗蝕性低，且所處地勢較高、坡度及起伏度較大，水流和風力作用強烈，植被覆蓋較低的地區，土壤侵蝕容易發生發展。坡度<5°的區域基本上不產生土壤侵蝕，以微度侵蝕為主，該區土壤侵蝕主要發生在5°～25°，其中5°～15°是山區與平原的交界帶，人類活動頻繁。耕地的侵蝕主要受坡度影響，因此主要發生在下墊面起伏度較大，條件較為惡劣的坡耕地；林地、園地、草地侵蝕不僅受坡度侵蝕的影響，還受到植被蓋度的影響，主要發生在坡度相對較大，植被蓋度較差的林地和荒草坡中。以上研究結果對確定水土保持重點區域，開展水土保持規劃以及制定有針對性的水土流失防治措施提供參考和理論依據。

除了自然環境因子影響土壤侵蝕的格局，人類活動也是重要的影響因子。坡耕地的開發以及各類生產建設活動對江淮丘陵區的土壤侵蝕產生了重要的影響。由于以往對生產建設項目或活動監督管理薄弱等原因，在丘陵地分布區形成了較多的礦山廢棄地，區域生態環境系統和水土保持功能受到嚴重破壞[1,8,18]。近年來，隨著生態環境維護觀念和建設力度的增強，雖然礦產資源的無序開采活動已被禁止，多數礦產資源開發區已經封禁保護，但受損生態環境系統和水土保持功能依然尚未得到有效恢復。目前各流域機構對于水土保持越來越重視，各項水土保持措施逐漸投入使用，應當注意其建后管護，緊握效益發揮的方法，并且進行定期巡查工作，及時制止和查處破壞水土保持設施的行為。

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