道路和居民點對錫林郭勒草地風蝕參數的影響

羅建勇, 張卓棟, 孫傳龍, 劉宏遠

(北京師范大學 地理科學學部 地理學院, 北京 100875)

土壤風蝕是干旱、半干旱地區主要環境問題之一，是制約區域可持續發展的關鍵因素[1]，風蝕的形成受地形條件、氣候狀況、土壤性質、植被覆蓋等多方面因素的綜合影響。人為擾動會改變地表土壤性質、植被覆蓋情況，因此研究這兩個地表參數對于干旱、半干旱區的風蝕研究具有重要意義。放牧、耕作是影響風蝕的重要因素[2]，會降低植被覆蓋率、干擾苔蘚生長[3]，造成土壤保水能力減弱[4]、土壤沙化[5]等土壤退化后果，已有很多深入的研究。近年來有學者發現道路和居民點對風蝕也有重要影響，道路和定居容易引發風蝕坑的形成且定居誘發風蝕坑范圍更廣[6]；農地中的道路本身土壤侵蝕嚴重，而且還會加劇周圍的風蝕[7]，然而這些研究均停留在定性描述階段，缺乏進一步深入而系統的研究。

對干旱、半干旱地區土壤風蝕的研究，目前主要集中于地塊尺度和區域尺度。地塊尺度主要運用風洞試驗[8]對土壤進行土樣分析探索風蝕因子的影響機制；區域尺度則多依靠遙感方法和風蝕模型[9]研究風蝕空間分布、風蝕危險性等。這些研究為干旱、半干旱地區的風蝕機理與區域評價提供了重要依據，但小地塊尺度的研究難以擴展到更大的空間范圍，區域尺度的研究難以獲取精細的地表數據。而景觀尺度的研究既能獲取地表精確數據又能在較大尺度下分析風蝕的空間分異，近年來逐漸引起學者的重視[10-11]。在景觀尺度上可以較好地研究道路、居民點對風蝕參數的影響。風蝕中的景觀尺度類似于水蝕中的小流域尺度，小流域尺度中道路、居民點對土壤侵蝕的影響已有較為深入的研究，發現二者之間有很強的相關性[12]，而風蝕中還缺乏在景觀尺度上的道路、居民點對風蝕參數影響的研究。

本研究基于景觀尺度，采用野外調查、遙感解譯、GIS空間分析等方法提取道路網、居民點并分析地表風蝕參數的空間分異。本文的目標是在景觀系統內探索道路和居民點對風蝕參數的影響程度與作用機制，進一步討論它們對區域風蝕的影響，為區域風蝕研究和風蝕防治提供理論參考。

1　研究區概況

研究區地處錫林郭勒河流域南部(43°32′10″—43°33′2″N，116°32′10″—116°41′22″E)。位于錫林浩特市東南約70 km，北京市以北約400 km，東西長12.4 km，南北寬1.6 km，總面積19.84 km2，海拔1 146～1 388 m，地勢東高西低，西部地形平坦，中東部有較多山區。研究區主要土壤類型為草原栗鈣土，主要植被為羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis)，受降水影響，植被的生長季為5—9月。主要土地利用方式為牧草地，其次為耕地、灌木林地，耕地主要種植小麥。根據放牧程度的差別，草地可分為輕度放牧區、中度放牧區及重度放牧區。

圖1　研究區概況及采樣點分布

2　材料與方法

2.1　風蝕參數野外調查與測定

本研究野外調查、采樣時間為2014年5月。利用GPS進行定位，在研究區內自西向東網格布160個點(圖1)，點與點之間的間隔為400 m，在各點進行土樣采集、植被覆蓋調查，土樣在實驗室處理分析。影響土壤風蝕的因子包括風力等級、植被覆蓋、地表物質組成、土地翻耕等[13]，孫傳龍等[10]綜合錫林郭勒風蝕草地的特征，利用地形條件、土壤性質、植被覆蓋3個方面共12個參數來定量分析該區域的風蝕特征，地形條件受人為擾動影響較小，而土壤性質和植被覆蓋是極易受人為擾動影響的兩個指標，因此本研究共獲取表征土壤性質和植被覆蓋的土壤含水量、砂粒含量、土壤容重、植被高度、植被蓋度、苔蘚蓋度、結皮蓋度、結皮厚度8個風蝕參數來展開研究。同時在野外還進行了道路和居民點的實地調查，如道路寬度、路面鋪裝、道路周圍土地利用與生態景觀，居民點的類型、大小、用途以及周圍環境等。

2.2　道路及居民點提取

研究中使用的遙感影像(Copernicus-Sentinel)拍攝于2013年12月，空間分辨率為2 m?；谝巴庹{查，利用ArcMap 10.2進行目視解譯提取區域內的居民點與省道、主干道、次干道，并與野外調查結果進行對比校正，最終得到研究區的道路網、居民點分布圖。

2.3　GIS與統計分析

運用Kriging插值得到各風蝕參數的空間分布。建立道路、居民點空間遞增序列的緩沖區，緩沖區距離設置過大會導致要素之間緩沖區產生較大空間疊加，或緩沖區超出研究區范圍，緩沖區設置過小則無法充分探索各參數的空間變異。經試驗確定道路、居民點最大緩沖區距離為600 m和3 000 m?？紤]到距道路和居民點越近，周圍環境參數對其變化越敏感，遠離時的敏感程度降低，因此在設置緩沖區過程中進行了分段處理，距道路300 m內設置10個緩沖區，其間隔為30 m，300 m到600 m間設置3個緩沖區，間隔為100 m；而居民點則是1 000 m內緩沖區間隔為100 m，大于1 000 m時緩沖區間隔為500 m。利用ArcMap 10.2對緩沖區與各參數插值圖進行掩膜處理(Extract by Mask)，統計各參數在緩沖區內數值的平均值作為各級緩沖區的統計值。

同時為了量化各參數在空間上的變化程度，引入變化幅度這一參數，如下：

(1)

式中：A為變化幅度；Hs為道路或居民點初始緩沖區時風蝕參數統計值，對道路而言這個值為30 m緩沖區時的統計值，而對于居民點來說則是100 m時的統計值；Hmax為風蝕參數統計值在影響距離內的最大值；Hmin為在影響距離內的最小值。

3　結果與分析

3.1　道路及居民點空間分布特征

圖2展示了研究區部分道路和居民點實地照片與遙感影像。實地調查發現該區域共有3種不同等級道路，包括省道、主干道、次干道，寬度在2～10 m不等(表1)，除省道為瀝青道路以外，其余均未鋪裝，其中主干道部分多為土質路面(圖2A)，部分為碎石路，而次干道均為土質路面；居民點有兩種不同類型，一種是單獨的居民房屋，一種是居民房屋與羊圈結合在一起(圖2D)，羊圈圍繞在居民房屋周圍呈規則矩形，羊圈面積遠大于房屋，為房屋面積的20倍以上，這也導致居民點面積出現較大的差異性。

表1　道路統計信息

研究區內，僅有的省道分布在東北角(圖3)；主干道廣泛分布于地勢平坦、海拔相對較低的西部牧區；次干道分布于整個區域，占總道路長度的82.7%，為主要的生產生活道路。道路總體上呈現南北走向，在西部放牧區以西南—東北走向為主，且多為連接居民點、居民點與耕地牧場之間的直行道路，彎曲程度不大，這種道路特征與區域地形較為平坦、居民點少有關，而水蝕區中的小流域道路則由于地形起伏而導致彎曲程度相對較高，這也是水蝕區與風蝕區道路對土壤侵蝕的影響過程和結果存在差異的重要原因。

圖2　研究區道路、居民點

圖3　研究區道路、居民點空間分布

居民點集中分布于西部地勢平緩放牧區，即主要的牧區，在研究區中部、東部多為山地丘陵區，海拔相對較高，居民點分布較少。統計顯示居民點總數為18處，最大的4 400 m2，最小的80 m2均位于西部放牧區，最小的房屋主要是牧區照看牧場所建。居民點總面積為0.026 km2，占區域面積的0.13%。

3.2　風蝕參數的空間分布以及地統計特征

圖4顯示研究區砂粒含量、土壤容重在空間分布上均呈西高東低的格局，在重度放牧區和耕地區較大。風蝕過程中較細的顆粒被風吹蝕，留下的土壤砂粒含量增加、土壤容重增大，統計顯示研究區土壤容重均值為1.21 g/cm3(表2)；土壤含水量在中西部區較大、東部區處于較低水平，對比土地利用結果表明含水量極大值區與重度放牧區分布較為一致，而中部偏東以及東部區域含水量均在10.2%以下，總體上土壤水分含量較低。

土壤質地與土壤含水量的定量結果與分布表明，研究區土壤多為砂質土，土壤干燥，容易沙化從而導致風蝕，Zhao等[14]在本區域的研究表明放牧區土壤容重、含砂量較大導致草地生態景觀更脆弱。各土壤性質參數的半變異分析表明，土壤含水量、土壤容重屬于中度空間變異，而砂粒含量則屬于極強的空間變異，表明砂粒含量相對于含水量和容重更易受影響而產生空間異質性。

表2　風蝕參數的統計特征

研究區苔蘚蓋度、植被高度、植被蓋度、結皮蓋度空間分布上具有較高一致性，呈現中部山地丘陵區較高，西部、東部偏低的格局。統計顯示研究區超過三分之二的區域苔蘚蓋度、結皮蓋度水平處于50%以下，而研究區超過90%的區域植被蓋度處于60%以上，因而總體上植被覆蓋率處于中間水平，且植被蓋度較高的主要集中于受人為干擾較少的中部丘陵山區；結皮厚度呈現中東部高西部低的格局，西部重度放牧區處于1.2 cm以下，這也是放牧踩踏導致的結果。總體上區域植被覆蓋情況處于一般水平，且空間分布上與土地利用相關。植被覆蓋5個風蝕參數的半變異分析表明，植被蓋度的塊金系數最大、苔蘚蓋度最小，且均屬于中等空間變異，但可以看出苔蘚蓋度受外界影響的程度要遠大于植被蓋度，發生了相對較大的空間變異。

3.3　道路、居民點緩沖區內風蝕參數隨距離增加的變化特征

為了顯示道路和居民點周圍風蝕參數的空間變化情況，選取展示了典型道路和居民點的掩膜處理結果(圖5)，用于定性描述風蝕參數距離道路和居民點遠近的變化特征。由于篇幅限制且為避免緩沖區產生較大空間疊加，本文僅選取獨立的道路和居民點各一個且對應兩個不同的風蝕參數為例。對于整個區域而言，進行上述分析會難以區分變化趨勢，因此采用統計各緩沖區所有道路或者居民點統計值的這種定量表示方式，這樣能使結果更加精確且有全域代表性，能更加定量地分析各參數在道路和居民點影響距離內的變化幅度。

圖6揭示了各風蝕參數與道路距離的變化關系。隨著與道路距離的增加，土壤容重、砂粒含量都呈下降趨勢，在400～500 m處下降速率減緩，推測各參數受道路的影響在此處已經降到最低程度；同時表征地表覆蓋的5個參數總體上呈增加趨勢，其中結皮厚度在400 m處一個明顯拐點；其他4個參數變化趨勢單一，但在400 m處的變化趨勢有明顯的改變。結合上述土壤性質與植被覆蓋情況的空間變化趨勢，本文認為400 m為道路對風蝕參數影響的最大距離，這與Shi等[15]在江西興國縣的研究具有較高的一致性，表明在不同的環境條件下，道路對周圍景觀的影響范圍存在一個相似的閾值，而這個閾值受景觀類型、環境條件等多方面的綜合影響。

居民點周圍風蝕參數隨距離變化趨勢見圖7。人們圍繞居住區的活動改變表層土壤容重和砂粒含量、以及土壤含水量，這3個參數隨著與居民點距離的增加，數值整體上呈現減小的趨勢，在0～500 m內均未發生明顯變化，且數值較高，表示在此區間更加敏感；而在500～2 000 m容重及砂粒含量下降速率增加，在2 000 m處出現拐點，而土壤含水量在500 m之后持續減小。同時隨著與居民點距離的增加，植被高度呈單調增加趨勢；而植被蓋度、結皮厚度、結皮蓋度、苔蘚蓋度4個參數變化情況則較為一致，與距離呈正相關關系，并在2 000 m處出現拐點。結合居民點周圍土壤性質和植被覆蓋情況的空間變化情況，本研究認為2 000 m是居民點對風蝕參數影響的最大距離。

圖4　風蝕參數的空間分布

圖5典型道路、居民點不同緩沖帶區風蝕參數掩膜處理結果

圖6風蝕參數隨道路距離增加的變化結果

研究區內各風蝕參數隨與道路和居民點距離的變化趨勢趨于一致，距離道路和居民點越近，土壤容重、砂粒含量等參數數值逐漸增加，植被蓋度逐漸增大、結皮厚度逐漸變厚。這是因為研究區主要生產活動是放牧、耕作，且圍繞道路和居民點展開，距離越近則放牧、耕作等更方便快捷，導致越靠近道路、居民點，地表受擾動程度越大。張鈦仁等[3]也指出人類活動中的濫墾、濫牧、濫采和濫伐等圍繞居民點的行為，會破壞地表的植被覆蓋，尤其隨著放牧強度的增大，地表植被受損加重。在研究區內，遠離道路和居民點，這種擾動逐漸弱化，因此各參數出現相應的變化趨勢。

表3列出了道路與居民點周圍各風蝕參數在影響距離內的變化幅度，總體上居民點的各參數變化幅度都比道路大，且在影響距離上，道路為居民點的20%，說明居民點對區域土壤風蝕的影響要強于道路，這也體現了道路是居民點與生產活動結合的產物[16]。道路和居民點周圍植被覆蓋各參數變化幅度要明顯大于土壤性質，這表明道路和居民點主要通過影響表征地表植被覆蓋等一系列參數來影響風蝕，這也為草地風蝕治理提供了科學參考。

圖7　風蝕參數隨居民點距離增加的變化結果

3.4　道路和居民點對土壤風蝕的影響機制

本研究結果表明人們圍繞道路和居民點的活動會破壞地表原有的植被覆蓋以及使表層土壤沙化，整體上各參數呈現易風蝕趨勢，進而加劇區域土壤風蝕。研究區位于干旱—半干旱的草原地區，干旱的氣候迫使牧民通過定居抵抗自然災害[16]，而道路網影響居民點的分布和周圍土地利用[17]，因此大量的生產、生活活動均依托現有的道路以及居民點展開。牧民由居民點向耕地、草地、其他居民點等地開展生產生活，機械從道路深入農地，牲畜自居民點、道路進入牧草區，從而形成以居民點為核心向四周、自道路本身向兩邊輻射的影響區域，區域內農業機械輪胎的切割、動物踐踏、耕地翻耕會導致地表結皮被破壞、植被蓋度降低、土壤壓實等后果[18]。常月明[19]、Jungerius[20]等也表示道路本身受外界剪應力受損的同時也會改變周圍的地理要素特征，進而引發土壤流失。在本研究中，受道路和居民點影響而發生改變的地理要素主要為8個風蝕參數，具體表現為植被蓋度降低、結皮厚度減小、土壤粗化等。在風沙嚴重的5月，干旱的氣候條件和大風使地表沒有植被保護的松散細土粒被吹蝕，從而形成風蝕；由于風蝕吹蝕表土，導致土壤粗化、有機質流失使得土壤貧瘠，從而導致植被生長受阻，風蝕進一步加劇[21]。因此形成了道路與居民點周圍土壤風蝕嚴重，且越靠近道路居民點風蝕加劇的現象，這與胡霞等[18]的草原交通使道路兩旁風蝕參數明顯減小，為風蝕的繼續發生提供了條件，以及劉樹林等[16]關于以居民點為中心的區域發生土壤風蝕的結果相吻合。

同時研究區內主要道路類型為耕種放牧道路及車道，廣泛分布于各地塊之間，其開拓是為了方便生產活動，因此主要牧區與耕地等活動區離道路均較近，再結合統計數據本研究得出了道路對風蝕參數的影響距離為400 m，也即道路對區域風蝕的影響距離。雷軍等[22]關于道路兩邊土壤砂粒含量隨著與道路間的距離的增加而減少，且而影響距離為210 m的結果與本文具有較好的一致性，影響距離不同是因為選取道路數量不同以及地表特征的差異。Shi等[15]指出居民點周圍1～2 km是人類活動最密集的區域，對土壤侵蝕的影響也最為明顯，這與本研究中居民點的影響距離2 km一致，雖然兩者侵蝕類型與尺度不一，但卻基于相類似研究對象，表明人類活動對居民點周圍的土壤侵蝕具有顯著的影響。

研究區道路少、密度小，居民點數量少而且分布零散、占地面積小，但對區域的風蝕影響顯著。而目前應用較為廣泛的風蝕估算模型如RWEQ未考慮道路和居民點的影響，在過程模型WEPS中，只在其水文子模型中有提及道路的特征，而道路與居民點對風蝕影響的重要性尚未得到足夠的重視。因此在進行風蝕強度評價與估算時，應當加入道路和居民點的這兩個影響因子，以提高模型模擬的精度。

4　結 論

錫林郭勒草原景觀尺度上道路以及居民點分布與區域地形、土地利用類型空間分布之間具有緊密聯系，95%的道路以及90%的居民點均分布在西部、東部地勢平緩地區，主要的土地利用類型為重度牧區和耕地。

人類圍繞道路、居民點的活動對區域土壤風蝕有加劇作用，體現在降低地表的植被覆蓋率、植被高度、以及使砂粒含量增加、土壤容重變大；居民點對風蝕參數影響的最大距離為2 000 m，道路影響距離為400 m；在影響距離內，居民點對區域土壤風蝕的影響要強于道路，道路和居民點周圍植被覆蓋各參數變化幅度要明顯大于土壤性質；隨著與道路、居民點的距離的增加，風蝕強度及風蝕危險性降低。由于道路、居民點對風蝕地表參數有明顯影響，因此進行風蝕評價與估算時，雖然道路和居民點所占面積較小，但在相關指標體系和模型中應考慮這兩個影響因子以得到更精確的結果。

致謝：感謝北京師范大學地理科學部地理學院劉亮、邱倩倩、王靜在野外采樣及試驗過程中做出的貢獻。

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