重點開發區景觀格局變化與土壤侵蝕研究
——以貴州省龍里縣為例

謝 剛，董艷艷，謝元貴，金 桃，廖小鋒，陳 遠，肖玖軍

(貴州科學院山地資源研究所，貴州貴陽550001)

景觀格局與土壤侵蝕有著密切關系，合理的景觀格局能控制土壤侵蝕，不合理的景觀格局會加劇土壤侵蝕的發生。因此，土壤侵蝕的研究既要研究土壤理化性質及養分流失，又要研究與景觀格局的關系［1］。

景觀格局是指景觀在空間上的排列規律，即大小、形狀、屬性不一的景觀單元在空間上的組合與分布規律［2］，景觀格局能夠對景觀的異質性進行直接反映［3－5］。土地利用景觀格局變化與自然條件及人類的活動是緊密聯系的［6－9］。通過分析土地景觀格局的變化特征可以了解研究區域的土地景觀狀況和發展趨勢，促進人類對土地的合理利用。土壤侵蝕是指土壤及其母質和地表組成物質在風力、重力、水力、凍融等外營力作用下，被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程［10］。土壤侵蝕的發生大部分是由于人類活動的影響，人類不合理的規劃將造成景觀格局的不合理，人類耕作方式的不合理將加劇土壤侵蝕的發生［11－12］。

近年來，由于龍里縣特殊的地理位置，經濟社會條件不斷改善，人口數量迅速增加，城鎮建設和經濟開發正以前所未有的速度進行，經濟的快速發展導致土地利用矛盾不斷凸顯，加之龍里縣被貴州省主體功能區劃分為重點開發區，因此及時對龍里縣土地利用景觀格局和土壤侵蝕進行研究，可掌握龍里縣土地利用變化特征以及空間分布特點，為制定有效的土地資源管理和土地利用規劃提供數據支持，為當地的經濟發展提供有力的信息基礎。本研究利用2002年、2009年和2015年3期Landsat遙感影像數據為信息源，運用GIS、RS技術、數理統計方法和生態學理論知識，對龍里縣2002—2015年的土地利用類型、景觀格局變化及土壤侵蝕變化的特點進行解析，以此對龍里縣今后土地利用規劃、生態環境的保護和修復、土地的可持續利用提供可以參考的依據。

1 研究區概況

龍里縣位于黔中腹地，地處 26°10'19″～26°49'33″N、106°45'18″～107°15'1″E 之間，土地總面積 1 508.48 km2。境內最高海拔1 775 m，最低海拔770 m，地貌類型為丘陵、低山、中山及河谷槽地，氣候類型為亞熱帶季風濕潤氣候，溫和舒適，日照充沛，冬無嚴寒，夏無酷暑，年平均氣溫14.8℃，最冷月均溫4.6℃，最熱月均溫23.6℃;年降水量1 100 mm，年日照時數1 160 h左右，無霜期280 d以上;地表年徑流量為8.426億m3，森林覆蓋率為 55.29%。研究區位置如圖1所示。

2 數據處理和研究方法

2.1 數據來源

本研究采用的遙感數據為從地理空間數據云平臺下載的2002年(Landsat－5)、2009年(Landsat－5)和2015年(Landsat－8)3期TM影像(分辨率為30 m)、20 m分辨率的數字高程(DEM)數據、龍里縣行政區劃圖、土壤類型圖以及野外考察采集的各種信息和數據等。

2.2 數據處理

利用龍里縣1∶5萬地形圖作為參考圖像，運用ERDAS 9.2對TM影像進行波段合成、圖像拼接、幾何精校正、圖像增強、研究區裁剪等預處理;然后依據TM圖像的色調、形態、紋理對應野外實地調查信息，建立龍里縣景觀類型解譯標志，采用最大似然法(Maximum Likelihood)進行監督分類，將研究區劃分為林地、耕地、草地、建設用地、水域、未利用地共6種景觀類型;利用野外實地采樣，通過kappa系數對3期TM影像分類結果進行精度檢驗，總體解譯精度均在80%以上，滿足本研究的精度要求;最后利用ARCGIS 10.2將解譯后的土地利用類型圖像轉換成30 m×30 m的grid柵格數據，利用FRAGSTATS4.2軟件進行景觀格局指數計算。利用ArcGIS 10.2軟件計算通用土壤流失方程(USLE)的各種侵蝕因子，獲得各因子像元分布圖，參照土壤侵蝕強度等級劃分標準(SL190—2007)，得到研究區土壤侵蝕侵蝕強度分布圖;最后分析研究區景觀動態變化與土壤侵蝕的關系，探討利于研究區水土保持的合理景觀結構布局。

2.3 研究方法

2.3.1 景觀格局指數選取 景觀格局指數常用于景觀生態研究，它有效地反映了某一地區景觀的整體變化情況，在目前研究中使用非常廣泛［13－16］。為從不同景觀類型和整體景觀特征來反映龍里縣的景觀格局變化狀態，本研究從景觀和斑塊類型2個水平上進行景觀格局變化分析，通過形狀特征、破碎化特征、異質性特征等內容選取景觀格局指標。

(1)景觀水平上:斑塊數(NP)、斑塊密度(PD)、形狀指數(LSI)、平均斑塊面積(AREA_MN)、周長面積分維數(PAFRAC)、蔓延度指數(CONTAG)、斑塊聚集度指數(COHESION)、香濃均勻度指數(SHDI)、香濃多樣性指數(SHEI)。

(2)斑塊類型水平上:斑塊面積(CA)、斑塊數(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、形狀指數(LSI)、聚合度(AI)。

2.3.2 土壤侵蝕定量研究 通用土壤流失方程表達式如下:

式中:A為土壤侵蝕量，t/(hm2·年);R為降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·年);K 為土壤可蝕性因子，(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2);LS為坡度坡長因子，統稱地形因子(無量綱);C為植被覆蓋與管理因子(無量綱);P為水土保持措施因子(無量綱)

2.3.2.1 降雨侵蝕力因子R 降雨侵蝕力是指由降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是一項客觀評價由降雨所引起土壤分離和搬運的動力指標［17］。經過大量文獻的查閱和比較，結合收集到的降雨數據，本研究選用以月均降雨量和年均降雨量為基礎的Wischmeier公式計算降雨侵蝕力因子(R)，其表達式如下:

式中:R為降雨侵蝕力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·年);pi為月平均降雨量，mm;p為年平均降雨量，mm。

2.3.2.2 土壤可蝕性因子K 土壤可蝕性因子K值計算公式如下:

式中:Sn=1 － Sa/100;Sa、Si、CI、C 分別代表沙粒含量、粉粒含量、黏粒含量、有機碳含量，%［18］。

2.3.2.3 坡長坡度因子LS 經過大量的文獻查閱與篩選，本研究采用Wischmeier提出的公式結合龍里縣的DEM數據提取地形因子LS。

坡度因子計算式:

式中:S為坡地因子;θ為DEM提取的坡度。

坡長因子計算式:

式中:L為坡長因子;γ為水平投影坡長，m;m為坡長指數，取值的方法為當坡度 θ≤1°時，m=0.2;當坡度 1°＜ θ≤3°時，m=0.3;當坡度3°＜θ≤5°時，m=0.4;當坡度 θ＞5°時，m=0.5。θ是利用DEM結合Arcgis提取的坡度。

上述2個公式的坡度可以通過DEM結合Arcgis直接提取，提取的坡度運用上述坡度因子公式，可得到S因子柵格圖。坡長的提取相對較為復雜，需要對DEM進行水文分析，通過填洼生成無洼地的DEM，再對其作水流流向分析，得到水流流向圖，計算其匯流長度，最后通過式(4)獲得L因子柵格圖。運用Arcgis的柵格計算器，將得到S因子柵格圖和L因子柵格圖相乘，得到地形因子LS柵格圖。

2.3.2.4 植被覆蓋與管理因子C 植被覆蓋與管理因子是指在相同的降雨、地形、土壤可蝕性相同的情況下，某一植被覆蓋下的土壤侵蝕量與連續荒蕪的條件下土壤侵蝕量的比值。在植被覆蓋良好的情況下，其值接近于0，在裸露的土地上，其值接近于1，所以C的范圍在0～1之間。本研究C值的確定由土地利用類型來決定，其值的大小參考貴州地區的研究成果，根據曾凌云等對紅楓湖流域土壤侵蝕研究中的C因子值［19］，余丹等對紅楓湖流域土地利用景觀格局研究中的C因子值［20］。本研究C因子值確定如表1所示。

表1 各土地利用類型對應的C值

2.3.2.5 水土保持措施因子P 水土保持措施因子是指采取水土保持措施的土壤流失量與順坡耕作時的土壤流失量的比值，當水土保持措施比較完善時，水土保持措施因子的值接近于0，當沒有采取任何水土保持措施時，水土保持措施因子的值接近于1，其值范圍為0～1之間。本研究對P因子的確定是通過各期土地利用類型圖來實現的，其值的大小參考前人的研究成果:李嘉峻等在GIS支持下的土壤侵蝕動態變化研究中的P因子值［17］，許月卿等對貴州省貓跳河流域土壤侵蝕研究中的P因子值［21］。本研究P因子值的確定如表2所示。

表2 各土地利用類型對應的P值

3 結果與分析

3.1 景觀要素變化

根據2002年、2009年、2015年3個不同時期地類統計結果(表3)得出，研究區優勢景觀類型是林地及耕地，兩者面積占總景觀面積的79%。從2002—2015年，林地、草地、建設用地面積呈現出持續增長的態勢，耕地和未利用地面積呈減少趨勢，水體面積保持穩定(圖2、圖3、圖4)。主要原因是龍里縣從2000年開始啟動國家退耕還林政策，農民改變了以前的生產方式，使耕地漸變為林地，同時又受到進城務工等浪潮的影響，農村的勞動力不斷外流，許多肥力不足、交通不便的土地便開始荒廢，這是導致龍里縣林地面積增加、耕地面積不斷減少的主要原因。并且隨著社會的發展，城市的不斷擴大，許多耕地被用于城市建設，開發建設項目不斷增加，導致建設用地不斷增加，耕地減少。研究區景觀格局的變化得出土壤侵蝕也在發生變化。

3.2 景觀要素時空變化

土地利用動態度既能反映土地利用變化速率的區域差異，又能反映區域土地利用類型變化的劇烈程度［22］。

表3 2002—2015年龍里縣景觀要素類型面積變化

由表4可知，2002—2009年，林地和耕地的年平均動態度較大，分別為10.30%、－11.31%，主要原因是由于國家退耕還林政策的實施和農村勞動力減少，使大量的耕地轉變為林地;其他幾種土地利用景觀雖發生變化，但變化不明顯。2009—2015年，土地利用景觀類型的動態度均不大，說明這期間龍里縣的土地利用結構相對穩定。

3.3 景觀格局動態變化分析

表4 2002—2015年龍里縣景觀要素類型變化動態度

3.3.1 類型水平上景觀格局動態分析 斑塊數和斑塊平均面積是衡量景觀破碎化的主要指標。從圖5、圖6可以看出，2002—2015年建設用地斑塊數由497個先增長到589個，后下降到503個，平均斑塊面積卻逐年增長。說明建設用地在向外擴張的同時不斷產生新的斑塊且規模在不斷增大。林地斑塊數由720個持續下降到431個，平均斑塊面積由0.89 km2增長到1.68 km2，而耕地斑塊數從807個增加到923個，平均斑塊面積從0.69 km2減少到0.50 km2。這說明耕地和林地之間轉化時，林地和耕地原有斑塊被分割，破碎度增大，隨著國家“退耕還林”政策的實施，林地斑塊破碎化得到有效控制，但耕地的破碎化加劇。

3.3.2 景觀水平上景觀格局動態分析 由表5可知，2002—2015年間，研究區斑塊數、斑塊密度持續增加，斑塊數由2 654個增加到3 463個，斑塊密度由1.75個/km2增加到2.35個/km2;平均斑塊面積持續下降，由57.22 km2下降到43.92 km2，整體景觀破碎化程度越來越嚴重。景觀形狀指數先減小后增大，從40.58減小為39.15再增至45.70，景觀形狀變得復雜。斑塊的周長面積分維數由1.60增加到1.62，聚集度指數由96.69增加到 96.72，香濃均勻度指數由1.164 4增加到1.169 8，香濃多樣性指數由0.649 8增加到0.652 9，這些指標均反映了研究區景觀多樣性在逐漸增加，異質性不斷增強，不同景觀類型的斑塊趨于均勻分布，空間分布趨于分散。

3.4 土壤侵蝕分析

3.4.1 土壤侵蝕面積分析 根據通用土壤流失方程，參照侵蝕強度分級指標將各種侵蝕因子在ArcGIS軟件中疊加獲得土壤侵蝕強度圖(圖7、圖8、圖9)，最終獲得3期土壤侵蝕數據(表6)。

表5 2002—2015年龍里縣景觀格局動態變化

從3期土壤侵蝕數據對比看出，從微度侵蝕到劇烈侵蝕，隨著侵蝕強度的加強，侵蝕面積在逐漸減少，在侵蝕中所占的比例也越來越少。總的侵蝕面積(微度侵蝕除外)由2002年的 44 978.76 hm2減少為2015 年的 40 522.23 hm2，而微度侵蝕與中度侵蝕面積卻處于增加趨勢，輕度侵蝕面積一直在減少，強烈侵蝕、極強烈侵蝕及劇烈侵蝕面積均先增加再減少。分析原因主要是退耕還林、各部門植樹造林項目啟動及城市建設使容易產生土壤侵蝕的林地、草地、建設用地面積增加，而容易造成土壤侵蝕的耕地減少，最終導致侵蝕面積總體減少。

3.4.2 土壤侵蝕強度面積轉移矩陣分析 土壤侵蝕強度分級只能粗略地反映土壤侵蝕的變化，為了更好地反映土壤侵蝕強度在不同侵蝕級別面積上的變化規律和動態變化，運用Arcgis 10.2統計不同時期的土壤侵蝕面積轉移矩陣表。由表7橫向看，2002—2009年微度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕轉為其他侵蝕面積分別為 15 933.24、548.01、54.9 hm2，都是轉為輕度侵蝕的面積最多;輕度侵蝕、中度侵蝕轉化為其他侵蝕面積分別為 19 650.15 hm2、4 098.33 hm2，均轉為微度侵蝕的面積最大;轉化為劇烈侵蝕面積為0.63 hm2，以輕度侵蝕與極強烈侵蝕轉出的面積最多。縱向看，2009年的微度侵蝕主要由2002年的輕度侵蝕和中度侵蝕轉化而來，面積分別為19 235.79 hm2;2009年輕度侵蝕主要由2002年的微度侵蝕、中度侵蝕和強烈侵蝕轉化而來，面積為14 219.91 hm2;2009年的強烈侵蝕主要由2002年的微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕轉化而來，面積為1 358.73 hm2;劇烈侵蝕主要由輕度侵蝕、強烈侵蝕和極強烈侵蝕轉化而來。對角線方向看，在對角線以上的土壤侵蝕面積為向土壤侵蝕強度加強的方向轉化，侵蝕強度加強面積為19 889.64 hm2;位于對角線以下的土壤侵蝕，其轉化強度為由強變弱，面積為20 394.99 hm2。2002—2009年各土壤侵蝕強度的侵蝕面積均發生變化，面積轉移最大的是微度侵蝕，其中微度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕面積增多，輕度侵蝕面積減少。

表6 2002—2015年龍里縣土壤侵蝕數據

由表8橫向看，2009—2015年微度侵蝕主要轉為輕度侵蝕與中度侵蝕;輕度侵蝕主要向微度侵蝕、中度侵蝕和強烈侵蝕轉換;中度侵蝕主要向微度侵蝕和輕度侵蝕轉化;強烈侵蝕主要向中度侵蝕轉化，其次向微度侵蝕和輕度侵蝕轉化;極強烈侵蝕主要是向強烈侵蝕和輕度侵蝕轉化;劇烈侵蝕主要是向極強烈侵蝕轉化。縱向看，2015年的微度侵蝕主要由輕度侵蝕和中度侵蝕轉化而來，轉進面積為15 859.17 hm2，占總轉入微度侵蝕面積的99.01%;輕度侵蝕主要由微度侵蝕和中度侵蝕轉化而來，轉進面積為14 112.09 hm2，占總轉入輕度面積的98.35%;中度侵蝕主要由微度侵蝕轉化而來，強烈侵蝕和極強烈侵蝕主要由輕度侵蝕轉化而來;劇烈侵蝕主要由強烈侵蝕轉化而來。對角線方向看，位于對角線之上的土壤侵蝕為增強，增強面積為16 243.74 hm2;位于對角線以下的土壤侵蝕為減弱，減弱面積為19 024.02 hm2。2009—2015年各種土壤侵蝕強度的土壤侵蝕面積都在變化，輕度侵蝕轉化面積最大，其中微度侵蝕和中度侵蝕面積增加，其余侵蝕面積減少。

表7 2002—2009年土壤侵蝕強度面積轉移矩陣 hm2

表8 2009—2015年土壤侵蝕強度面積轉移矩陣 hm2

3.5 景觀格局變化與土壤侵蝕的關系

根據研究區的景觀格局和土壤侵蝕變化分析可知，景觀格局變化與土壤侵蝕強度有著密切關系。景觀格局的規劃合理能有效控制土壤侵蝕，景觀格局的不合理將加劇土壤侵蝕。由于國家及當地政府合理規劃，大力發展城市建設及國家退耕還林政策的實施，研究區的景觀格局發生變化，斑塊破碎度降低，水土流失強度減弱。

4 結論

由于國家“退耕還林”政策的實施及社會經濟高速發展，龍里縣土地利用景觀要素及土壤侵蝕發生了明顯變化，主要原因是人為干擾不斷加劇。2002—2015年，建設用地、林地、草地面積呈現出逐年增長的趨勢，耕地面積先增加后減少，耕地和未利用地面積呈減少趨勢，水體面積相對比較穩定;2002—2009年，林地和耕地的年平均動態度較大，主要原因是由于國家退耕還林政策的實施和農村勞動力減少，使大量的耕地轉變為林地;2009—2015年，土地利用景觀類型的動態度均不大，說明這期間龍里縣的土地利用結構相對穩定。

總體的土地利用是發生變化的，土地開發強度不斷增強。從景觀類型的轉化方向來看，主要表現為耕地和林地之間相互轉換。龍里縣景觀結構趨于多樣化、均勻化、破碎化，空間分布比較分散，景觀異質性不斷增強，斑塊密度增加，平均斑塊面積減少，聚集度、香濃均勻度指數、香濃多樣性指數總體上升。

2002—2015年，土壤侵蝕面積由44 978.76 hm2減少為40 522.23 hm2，微度侵蝕與中度侵蝕一直處于增長狀態，增長面積分別為4 456.53 hm2和1 240.20 hm2，輕度侵蝕一直在減少，減少面積為6 384.69 hm2，強烈侵蝕、極強烈侵蝕及劇烈侵蝕均先增加后減少。