2018-2019年河南省蘭考縣土地利用變化對耕地風蝕的影響

高睿瑜, 張芷溫, 李文龍, 李明宇,牛 勇, 張榮華, 張光燦, 袁 利, 張春強

(1.山東泰山森林生態系統國家定位研究站, 山東農業大學 林學院,山東 泰安 271018; 2.淮河水利委員會 淮河流域水土保持監測中心站 安徽 蚌埠 233001)

黃泛平原風沙預防區土地利用以耕地為主，是中國重要產糧基地，由于地處半濕潤季風氣候區[1]，冬春季節干旱且風速較大，加上黃河沖淤、泛濫和引黃灌溉，帶來豐富的沙物質[2]，使得該區域耕地上易出現風沙活動，造成水土流失。風蝕吹蝕土壤表層顆粒，使土壤養分流失，造成耕地生產力下降。為實現防風固沙、農田防護的目的，該區域應積極開展耕地風蝕研究。

耕地風蝕受表土濕度、風速、粗糙度等因素影響，因子變化造成侵蝕變化，但對于平原風沙區而言，表土濕度、風速等出現顯著年度變化的可能性較小，土地利用變化成為影響耕地風蝕的主要因素[3]。淮河流域黃泛平原風沙預防區耕種墾殖活動頻繁，區域內易出現土地利用變化，如耕地變為園地、林地和建設用地等，激化了該區耕地風蝕的發生發展。因此，研究該區域內的土地利用變化對耕地風蝕的影響具有重要的意義。

國內外關于風蝕的研究多采用風洞模擬試驗和風蝕模型的方法[4-9]，國內研究區域多集中在沙漠及其周圍的干旱區[4,7,9-11]。對于黃泛平原風沙預防區風蝕，相關研究始于20世紀末，朱震達[12]、李福興[13]對區域風沙土特征及其分布規律進行了探索研究，隨著遙感監測、GIS技術的進步，黃泛平原風沙預防區風蝕研究內容逐漸豐富，研究尺度逐漸細化，如王友勝[1]采用遙感與野外調查結合的方法，研究了淮河流域黃泛平原風沙區的風水侵蝕格局及其驅動因子；袁利等[8]借助侵蝕模型研究了同一區域的水土流失現狀與分布格局；宋勝明等[2,17]結合風蝕定位觀測數據分析了風速、粗糙度等因子對耕地風蝕的影響。目前，黃泛平原風沙預防區已開展大尺度風蝕研究，但縣域尺度土地利用對耕地風蝕影響的研究內容仍較少。已有的關于土地利用變化[14-16]及對土壤侵蝕影響的研究[3,15-16]關注點多為水蝕區，平原區、風蝕區所受關注較少。因此，本研究選取淮河流域黃泛平原風沙預防區蘭考縣為研究對象，采用2018，2019年高分辨率遙感影像，分析土地利用、耕地風蝕的年度動態變化，并探索土地利用年度變化對耕地風蝕的影響。本研究可豐富黃泛平原風沙預防區風蝕研究成果，為耕地合理利用、制定區域水土流失治理對策提供參考。

1 研究區概況

淮河流域黃泛平原風沙預防區地形平坦，旱風同季、雨熱同期，地表沙物質豐富，風蝕是造成區域內水土流失的主要原因。蘭考縣位于預防區的中部、河南省東北部，地處黃河南岸，與東明縣、祥符區、杞縣、曹縣接壤，縣域面積1 116 km2，位于34.44°—35.01°N和114.40°—115.16°E。蘭考縣屬暖溫帶大陸性季節性氣候，四季分明，冬季平均風速為1,71 m/s，春季平均風速1.89 m/s，2月風速值最高，為5.9～10.95 m/s[17]；年平均降水量678.2 mm，降水主要集中在夏季；年均溫約14℃。地貌以平原為主，地形起伏度低，地勢西北偏高東南偏低；潮土和風沙土、鹽土為主要土壤類型，質地以砂壤土為主。植被以暖溫帶落葉闊葉林為主，如楊樹等；耕地灌溉水源充足，多水澆地，作物耕作主要為一年兩熟制，主要為小麥與花生、玉米或地瓜輪作，部分區域存在一年一熟制，冬季多閑置或留茬，是風蝕易發生區域。

2 研究方法

2.1 數據類型及來源

本研究中所用數據包括高分辨率遙感影像、風速數據、粗糙度數據及表土濕度數據、土壤數據。高分辨率遙感影像為2018，2019年兩期，由GF-1，GF-2和ZY-3衛星影像拼接而成，分辨率為2 m，時相以12月為主；風速數據為蘭考縣風蝕定位觀測站及周邊縣市氣象站實測數據；粗糙度數據來自蘭考縣風蝕定位觀測站一年一熟、一年兩熟樣地小區內實測數據；表土濕度數據(SMAP Level 3土壤濕度產品)來源于NASA網站(http:∥earthdata.nasa.gov/)。土壤數據為河南省土壤類型圖(1∶500 000)，用于輔助分析。

2.2 土地利用

2.2.1 土地利用解譯 依據蘭考縣兩期遙感影像的色彩、紋理、形狀等特征，參考《區域水土流失動態監測技術規定》中土地利用分類標準，結合區域實際情況，借助ArcGIS 10.2，Google Earth等進行人機交互解譯，生成用土地利用代碼(表1)表示的SHP圖層，進而提取蘭考縣2018，2019年2 a的土地利用(2級類)數據。

表1 土地利用分類代碼

2.2.2 土地利用變化 借助單一土地利用動態度指數、轉移矩陣[18]及變化圖分析土地利用變化的幅度、類型和空間分布。疊加2018，2019年土地利用圖，對比數據，生成年度土地利用變化圖、年度土地利用轉移矩陣。

單一土地利用動態度指數(K1)可反映一定時間內各土地利用類型的變幅和變速[19]，計算公式為：

(1)

式中：Ua,Ub表示研究始、末某一土地利用類型的面積;T表示研究時間(年)。

2.3 耕地風蝕

2.3.1 耕地風蝕量 本研究借助ArcGIS 10.2的Raster Calcularor功能，運行第一次全國水利普查(風蝕)中的耕地模型(式2)，計算2018，2019年的耕地土壤侵蝕量：

(2)

式中：Qfa表示耕地風蝕模數〔t/(hm2·a)〕；W表示表土濕度因子(%);Tj表示一年內風蝕發生期間各風速等級的累積時間(min)；Z0表示地表粗糙度,無量綱;A表示與耕作措施有關的風速修訂系數,無量綱,取值0.893；Uj表示j等級的平均風速(m/s)；j表示風速等級序號,耕地臨界侵蝕風速為5 m/s,在5～40 m/s內按1 m/s為間隔劃分為35個等級;a1,b1,c1是與土壤類型有關的常數,無量綱,分別取值-9.208,0.018,1.955。

(1) 風力因子。據蘭考縣風蝕定位站及周邊縣市2013—2019年風速觀測數據，按1 m/s的間隔統計臨界侵蝕風速以上各等級風速的累積時間，生成24個半月10 m空間分辨率的柵格數據。

(2) 地表粗糙度因子。依據蘭考縣風蝕定位觀測站實測數據，結合野外調查中對農作物類型、蓋度及高度的調查結果，對一年一熟、一年兩熟制的耕地進行粗糙度賦值，生成24個半月10 m空間分辨率的柵格數據。

(3)表土濕度因子。對2015—2018年SMAP Level 3數據進行預處理，相同半月數據取平均，得24個半月10 m空間分辨率的柵格數據。2015—2017年數據取平均用于2018年土壤侵蝕量計算，2015—2018年數據用于2019年土壤侵蝕量計算。

計算所得的Qfa依據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)[20]進行侵蝕強度判定，得蘭考縣2018，2019年耕地風蝕圖。

2.3.2 侵蝕動態變化 借助侵蝕動態度指數(K2)、侵蝕變化圖、侵蝕轉移矩陣分析蘭考縣侵蝕動態變化情況。將2018，2019年耕地風蝕圖進行對比、疊加分析，生成侵蝕變化圖、侵蝕轉移矩陣。

侵蝕動態度指數(K2)可反映某時間段各級侵蝕的變幅，計算公式為：

(3)

式中：Sa,Sb表示研究始、末各級侵蝕的分布面積;T表示研究時間(a)。

3 結果與分析

3.1 土地利用現狀和年度變化

3.1.1 土地利用現狀 根據所得蘭考縣土地利用類型面積(表2)和轉移矩陣(表3)可知，蘭考縣土地利用以耕地為主，其次為建設用地和林地。2019年，耕地面積695.14 km2，占全縣總面積的62.29%；建設用地面積234.60 km2，占21.01%，林地86.36 km2，占7.74%。耕地以水澆地為主，面積為678.29 km2，占耕地面積的99.16%；水田面積5.80 km2，無旱地分布。

3.1.2 土地利用年度變化 蘭考縣2018—2019年土地利用變化如表2—3。2018—2019年出現土地利用類型變化的區域共21.40 km2，面積變化(表2)最明顯的是耕地，其面積由695.14 km2(占全縣面積62.29%)變為684.09 km2(占全縣面積61.30%)，減少11.05 km2；林地、草地變化次之，林地面積由81.12變為86.36 km2，增加5.24 km2；草地面積增加3.08 km2；水域及水利設施用地面積增加2.33 km2；建設用地面積增加2.22 km2；園地面積減少1.22 km2；交通運輸用地面積減少0.7 km2；其他土地面積最少，為0.1 km2。在動態度方面，草地變化幅度最大，動態度為148.08%；其次為林地、園地，動態度分別為6.46%，-5.94%；耕地雖面積變化較大，但分布較多，動態度僅為-1.59%。變化區域在全縣均有分布，西部和北部相對較多。

表2 蘭考縣2018-2019年各土地利用類型面積及變化

耕地變化以水澆地為主，2018—2019年，蘭考縣水澆地面積由688.93 km2(占全縣面積61.73%)變為678.29 km2(占全縣面積60.78%)，減少10.64 km2，動態度為1.54%。水澆地占耕地面積比例由99.11%增至99.16%(表3)。

表3 蘭考縣2018-2019年土地利用轉移矩陣 km2

由土地利用轉移矩陣(表3)可知，水澆地轉出面積為16.28 km2，轉入面積為5.64 km2。水澆地的變化中，面積最大為水澆地變為其他林地，面積為7.19 km2，造成此變化的原因是高速公路兩側土地由種植農作物改為綠化苗木，主要分布在孟寨鄉、儀封鄉、爪營鄉(圖1)；其次為水澆地變為采礦用地，面積2.78 km2，原因是建設用地擴建，在農田上進行生產建設活動，出現擾動，主要出現在城關鎮和許河鄉；而水澆地變為人工牧草地則是由畜牧公司承包河岸農田用于種植牧草導致，面積1.79 km2，主要集中出現在谷營鎮；有林地、果園變為水澆地是由土地作物變更造成，面積分別為1.46，1.31 km2。

圖1 蘭考縣2018-2019年土地利用類型分布

3.2 耕地風蝕現狀和動態變化

3.2.1 侵蝕現狀 蘭考縣耕地風蝕主要為微度侵蝕，其次為輕度侵蝕(圖2—3)，2019年輕度侵蝕面積123.41 km2，占耕地總面積的18.19%，主要分布于儀封鄉、葡萄架鄉、谷營鎮的西北部、張君墓鎮南部和西部以及三義寨鄉的南部。易發生侵蝕的耕地主要為：①耕作制度為一年一熟制，冬季閑置；②沙土、小兩合土、草甸風沙土的分布區域。建造大棚或覆蓋地膜種植作物的耕地上無侵蝕；冬春季侵蝕強度高于夏秋季；集中分布在坡度<2°的水澆地上。

圖2 蘭考縣2018-2019年耕地風蝕面積分布

圖3 蘭考縣耕地風蝕動態變化特征

3.2.2 侵蝕動態變化 由圖2—3可知，2018—2019年蘭考縣微度侵蝕面積增加6.4 km2，動態度1.17%；輕度侵蝕減少17.04 km2，動態度為-12.13%，水土流失面積減少。侵蝕強度增加區域主要在儀封鄉、葡萄架鄉，侵蝕強度下降區域主要在儀封鄉、張君墓鎮、城關鎮、三義寨鄉、谷營鎮、東壩頭鄉等區域。

3.3 土地利用年度變化對耕地風蝕影響

運用ArcGIS 10.2的Tabulate Area工具，選定土地利用與侵蝕均發生變化的區域，將耕地風蝕變化圖、土地利用變化圖疊加分析，統計矩陣數據，分析得到土地利用年度變化對耕地風蝕的影響結果(表4)。

表4 蘭考縣2018-2019年土地利用變化、土壤侵蝕動態變化對應關系

土地利用變化會造成耕地風蝕動態變化，水澆地的變化對耕地風蝕存在直接影響，兩者存在以下3種關系：①水澆地轉為水田、果園、有林地、其他林地、人工牧草地、其他草地、沙地時，耕地風蝕面積可能減少，其他類型風蝕面積增加，侵蝕強度降低，該變化區域涉及風蝕減少1.78 km2。②水澆地轉為城鎮建設用地、農村建設用地、采礦用地、其他交通用地和河湖庫塘時，耕地風蝕面積可能減少，該變化區域涉及風蝕減少1.58 km2。③水田、果園、有林地、農村建設用地、采礦用地轉為水澆地時，耕地風蝕分布面積可能增加，該變化區域涉及風蝕增加0.98 km2。

當水澆地變為其他土地利用方式時，耕地風蝕分布面積減少，侵蝕強度降低，耕地風蝕出現積極變化；當林園草地變為水澆地時，耕地風蝕面積增加，侵蝕模數升高；當水田、建設用地等變為水澆地時，無風蝕的區域出現微度或輕度風蝕，且耕地風蝕面積增加。水澆地轉出使侵蝕多產生積極動態變化，轉入使侵蝕產生消極動態變化。

4 討論與結論

(1) 蘭考縣主要土地利用類型為耕地、林地和建設用地，耕地以水澆地為主；2018—2019年，土地利用變化較明顯，耕地面積變化最大，草地變幅最大，主要變化為水澆地變為其他林地，面積為7.19 km2；水澆地轉出面積大于轉入。對比王友勝[1]、袁利等[8]對淮河流域黃泛平原風沙預防區土地利用的研究，本研究結果與之吻合。不同之處在于，本研究分析了縣域尺度的土地利用現狀及其空間分布特征，研究區域細化，且增加了年度土地利用變化內容，研究內容更加豐富。

(2) 蘭考縣耕地風蝕主要為微度侵蝕，其次為輕度侵蝕，輕度侵蝕主要分布在儀封鄉、葡萄架鄉等地。2018—2019年，輕度侵蝕面積減少17.04 km2。對比其他相關研究[1,8,21]，區域內風蝕強度主要為微度和輕度，本研究中耕地風蝕特征與之一致，但研究區域尺度細化，還分析了侵蝕的年度動態變化，數據更為直觀。

(3) 蘭考縣水澆地變化直接影響耕地風蝕。當水澆地轉為水田、林園草地及沙地，耕地風蝕面積減少，侵蝕強度降低；水澆地轉為建設用地、其他交通用地和河湖庫塘，區域內無風蝕；當水田、林園地、建設用地轉為水澆地，耕地風蝕面積增加，侵蝕強度升高。

本研究分析了豫東北黃泛平原風沙預防區典型縣——蘭考縣土地利用、耕地風蝕的分布規律及其動態變化特征，探索了年度土地利用變化對耕地風蝕的影響，總體結論與同類研究相比具有一定可信度，可為黃泛平原風沙預防區水土流失動態監測提供相關依據。但水土保持監測技術持續進步，風蝕相關內容關注度仍在提高，研究內容可進一步豐富和補充。