景觀格局類型對土壤侵蝕的影響

宋 爽, 王韶晗, 石夢溪, 胡珊珊, 許大為

(1.東北林業(yè)大學 園林學院, 哈爾濱 150040;2.黑龍江省寒地園林植物種質(zhì)資源開發(fā)與景觀生態(tài)修復重點實驗室, 哈爾濱 150040)

土壤侵蝕是當今人類面臨的最普遍和持續(xù)的地質(zhì)災害，也是我國最主要的生態(tài)環(huán)境問題之一[1-2]。黑土區(qū)是我國6大水力侵蝕區(qū)之一，根據(jù)國家水利調(diào)查，黑土區(qū)有29.57萬條侵蝕溝，全國每年的土壤流失量為49.8億t，有機質(zhì)流失量為1.63億t，氮，磷，鉀的總流失量為1.18億t[3]，土壤環(huán)境脆弱不斷加劇。黑龍江是世界三大黑土區(qū)之一，水土流失直接威脅其土地資源的保護與可持續(xù)發(fā)展，除水力侵蝕以外，風力侵蝕和凍融侵蝕也是是黑龍江省土壤侵蝕主要的類型，所占比例分別為77.2%，8.8%，14.0%。黑龍江省土壤侵蝕的成因是自然和人為因素共同作用的結(jié)果，自然因素主要由于年降雨集中，地貌坡緩坡長、受蝕土壤抗沖性能低，易發(fā)生水力侵蝕，此外，該省春季多風，風蝕危害也較為突出。人為因素主要在于長期以來對生態(tài)環(huán)境不合理利用，導致森林、草原和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)退化，加劇了土壤侵蝕強度[4]。作為中國黑龍江省典型流域，學者們過去一直對撓力河流域的水土流失存在一定偏頗的認識，認為其地形相對平坦，水土流失甚微，因而研究相對薄弱[5]，實際上由于長期缺乏科學合理的規(guī)劃利用，它已成為中國最嚴重的水土流失地區(qū)之一，黑土層已由開墾之初的60—70 cm減少到20—30 cm，并以年均0.3—1 cm的速度減少，若不及時治理，再過50 a大部分黑土層將流失殆盡[6-7]。

景觀格局與生態(tài)過程的關系是景觀生態(tài)學理論的核心[8]，隨著3S技術的發(fā)展，景觀格局和水土流失的研究逐步開展。劉曉光以遼寧省東部蘇子河流域為研究對象，選擇了7個典型的景觀格局指數(shù)，利用SPSS多元線性回歸模型進行景觀格局變化對土壤侵蝕模數(shù)影響的研究[9]。孫天成等采用Markov模型研究王家橋流域景觀格局時空變化，建立出景觀格局指數(shù)與產(chǎn)沙量之間的關系，分析了景觀格局對流域侵蝕產(chǎn)沙的影響[10]。郭思琪等基于秦嶺地區(qū)遙感解譯數(shù)據(jù)，運用RUSLE模型分析出5個流域土壤侵蝕量的時空變化特征，探討了土壤侵蝕、土地覆被及地形因子之間的關系，并對流域景觀格局演化進行分析[11]。張金茜等以子流域作為研究單元，應用InVEST模型對土壤保持服務進行評估，并借助Fragstats表征景觀格局現(xiàn)狀，同時從景觀生態(tài)學角度研究土壤保持量與景觀格局指數(shù)的空間相關和回歸關系[12]。綜合現(xiàn)有相關研究，學者們多次強調(diào)土壤侵蝕受到景觀格局的一定影響，但大多數(shù)研究目前只停留在土壤侵蝕和景觀格局指數(shù)的單純計算與分析，未見細化討論景觀格局對土壤侵蝕影響的研究且對于景觀格局優(yōu)化實踐的指導意義不大。另外，盡管越來越多學者關注到景觀格局的尺度效應，但在研究中卻仍舊將景觀格局本身和時空變化作為研究的立足點，對于景觀格局尺度的實際應用與分析較為鮮見[13-15]。

景觀格局是一個抽象的概念，肖篤寧根據(jù)景觀結(jié)構特點，將景觀格局劃分為散布型、網(wǎng)絡型、指狀型和棋盤型4種類型[16]，這為景觀格局與土壤侵蝕強度的細化研究提供了理論依據(jù)。本研究首先探討撓力河流域2010年、2018年景觀格局與土壤侵蝕的變化表現(xiàn)。其次應用移動窗口法與半變異函數(shù)，以景觀格局指數(shù)變化穩(wěn)定為依據(jù)，確定研究區(qū)景觀格局的特征尺度，以拓展景觀格局尺度的應用。最后嘗試借助有序多元Logistic回歸模型，量化分析流域景觀格局類型對土壤侵蝕的影響情況。研究從特征尺度上討論景觀格局類型與土壤侵蝕的關系，為景觀格局優(yōu)化和水土保持管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

撓力河流域是黑龍江省三江平原最大的流域，面積為22 542.88 km2，約占整個三江平原面積近1/4。是烏蘇里江中國境內(nèi)的一級支流，東南部以完達山山脈為界，東部與烏蘇里江連接，河流全長596 km。流域行政區(qū)劃包括饒河縣、寶清縣、友誼縣全部、雙鴨山市、富錦市、七臺河市、集賢縣部分區(qū)域[17]。流域南部為山區(qū)，海拔在200～845 m，北部為平原，高程在100 m以下，地形自西南向東北傾斜。屬寒溫帶大陸性濕潤季風氣候，年平均降水量約518 mm，降水年內(nèi)分配不均，6—9月降水量占年降水量的70%以上。年平均氣溫在3℃左右，年平均相對濕度為66%，夏季在70%～80%[18]。研究區(qū)資源豐富，雨熱同季，適宜水稻、小麥、玉米、大豆等多種作物生長，植被種類組成屬長白植物區(qū)系，植物種類達230余種，分屬為沼澤化草甸、沼澤植被和沼澤水生植被3種植被類型，流域內(nèi)土壤以棕壤土、草甸土和沼澤土為主[19]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源與預處理

本研究選用研究區(qū)2010年9月和2018年8月的Landsat TM/OLI影像為數(shù)據(jù)源，影像下載自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)，對其2，3，4波段，3，4，5波段進行標準假彩色合成。利用 ENVI5.3對遙感影像進行輻射定標、大氣校正等預處理，參考《土地利用分類》(GB/T21010-2007)標準[20]，運用人機交互解譯對研究區(qū)土地利用類型進行分類，并基于Google Earth高分辨率影像，在兩景影像中分別均勻隨機選取80個樣點將解譯結(jié)果與驗證點疊加進行精度檢驗，分類精度結(jié)果分別為88.75%，86.25%，可滿足本研究的分析要求。歸一化植被指數(shù)(NDVI)與氣象數(shù)據(jù)來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn/)。高程來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)的ASTER GDEM數(shù)據(jù)集，從中提取坡長、坡度。土壤數(shù)據(jù)來自世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)的中國土壤數(shù)據(jù)集(v1.1)。

2.2 景觀格局信息提取與特征尺度確定

景觀格局指數(shù)描述了景觀斑塊類型和排列的復雜性，包含諸如斑塊形狀、大小、數(shù)量和空間組合。采用單一指數(shù)不能全面地分析景觀生態(tài)格局特征，同時景觀指數(shù)之間往往存在相關性。因此，研究選擇類型水平和景觀水平內(nèi)常用于土壤侵蝕研究的9個典型景觀格局指數(shù)，分析確定研究區(qū)景觀格局及其特征尺度，類型水平景觀格局指數(shù)主要描述景觀中單個拼塊的結(jié)構特征，可反映研究區(qū)景觀格局的變化特征。景觀水平的景觀格局指數(shù)則能詮釋流域景觀的整體結(jié)構特征，在本研究中用于研究區(qū)景觀格局特征尺度的明確，景觀指數(shù)及意義見表1[21]。

表1 景觀格局指數(shù)及意義

研究采用Fragstats 4.2移動窗口法與半變異函數(shù)模型對景觀水平的景觀格局指數(shù)進行擬合，確定撓力河流域景觀格局特征尺度。半變異函數(shù)模型中有4個重要參數(shù)，分別是塊金值(C0)、偏基臺值(C)、基臺值(C0+C)和變程(A)，四者的關系可反映景觀格局的變異情況，其中塊基比C0/(C0+C)，即塊金值比基臺值[22-24]，可用來判斷不同尺度下的景觀格局指數(shù)的穩(wěn)定程度，其值越小，說明空間自相關性越顯著，對應尺度的景觀格局空間變異程度越低[25-27]。研究以1 500 m為起始移動窗口尺度，尺度間隔250 m，根據(jù)各個景觀格局指數(shù)的塊基比C0/(C0+C)值的變化規(guī)律，分析不同指數(shù)的空間變異特征對尺度變換的響應。當比值達到穩(wěn)定狀態(tài)時，說明景觀指數(shù)在空間的變異趨于穩(wěn)定，即得出研究區(qū)景觀格局變化的穩(wěn)定尺度，該尺度即為細化景觀格局研究的特征尺度。

2.3 土壤侵蝕強度與等級劃分

本研究擬應用景觀生態(tài)學理論與方法，選用迄今為止適用性最廣的USLE (Universal Soil Loss Equation)土壤侵蝕模型，其需要數(shù)據(jù)較少，并已與GIS，RS集成[28]，可實現(xiàn)快速、有效地對研究區(qū)土壤侵蝕狀況實行動態(tài)監(jiān)測。此外，黑龍江省水土保持研究所于1985—1992年在對該省克山和賓縣進行土壤侵蝕徑流小區(qū)的試驗研究，獲得了適合中國東北黑土區(qū)的一些因子算法，并實測檢驗證明因子取值的合理性，為撓力河流域土壤侵蝕量的估算具有良好的研究基礎(表2)。USLE的模型表達式如下:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A為單位面積土壤流失量〔t/(km2·a)〕；R為降雨和徑流因子,單位為〔(MJ·mm)/(km2· h·a)〕；K為土壤可蝕性因子〔(t·h)/( MJ·mm)〕；LS為坡長坡度因子,無量綱。C為植被覆蓋因子,無量綱；P為水土保持措施因子,無量綱[29-30]。撓力河流域土壤侵蝕強度分級標準參照水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007),并結(jié)合流域?qū)嶋H情況,將研究區(qū)土壤侵蝕分為無明顯侵蝕(200<)、輕Ⅰ(200～800)、輕Ⅱ(800～1 500)、輕Ⅲ(1 500～2 500)、中度侵蝕(2 500～5 000)、強烈侵蝕(5 000～8 000)和極強烈侵蝕(>8 000)共7個等級[3,12]。

設直線DC與圓C的交點為E,F.則當M位于E或F時,DM分別取得最大值與最小值.此時,∠DOM也相應地取得最大值與最小值.注意到OEOF(∠AOy的內(nèi)角平分線與外角平分線垂直),∠COD = 90° - α,所以當M位于點E時,B位于y軸的正半軸;當點M位于點F時,點B位于y軸的負半軸.

2.4 有序多元Logistic回歸分析

有序多元Logistic回歸分析是一種適用于分析因變量為多分類有序變量且各類變量間存在等級次序關系的非線性概率回歸方法，其方程的參數(shù)可以生成優(yōu)勢比，可以做出定性和定量的判定，目前被廣泛應用于社會科學領域中[29-30]。有序多元Logistic回歸模型如下:

(2)

(3)

式中:y回歸因變量;x為k個影響因變量的自變量；αj為截距參數(shù)；β是與x對應的回歸系數(shù)；P=(y≤j|xj)為因變量y在各級別j下的累計概率。

表2 USLE的模型各參數(shù)計算公式及說明

3 結(jié)果與分析

3.1 景觀格局分析

2010年、2018年撓力河流域的類型水平景觀格局指數(shù)計算結(jié)果如下(表3)：CA顯示，流域土地利用以農(nóng)田和林地為主，占流域總面積的80%以上，農(nóng)田與建筑用地面積明顯增加，水域與灌叢面積顯著降低。PD變化趨勢與CA大致相同，農(nóng)田該指數(shù)上升較大，破碎化程度更明顯。農(nóng)田和建筑用地LPI有所增加，表明兩類斑塊內(nèi)部或存在聚集效應，其中，農(nóng)田最大斑塊指數(shù)最高，表明農(nóng)田是研究區(qū)的絕對優(yōu)勢景觀類型，且在研究區(qū)內(nèi)呈片狀分布，其次是林地。PAFRAC方面，林地、建設用地指數(shù)上升，剩余類型斑塊該指數(shù)降低，一般來說，該指數(shù)降低表示該類斑塊周長隨面積增大而增長的速率變慢，斑塊趨向簡單，而破碎度上升。農(nóng)田、水域、灌叢和裸地斑塊的COHESION下降，即斑塊的內(nèi)部孔隙度升高，連通性降低，當孔隙度達到一定數(shù)值時，斑塊內(nèi)部失去連接逐漸分散。綜合以上指數(shù)變化特征，反映出近十年間撓力河流域景觀格局更加破碎、復雜。這主要與流域2010—2018年出現(xiàn)了大量的濕地及疏林地開墾為耕地、水利工程修建和農(nóng)業(yè)結(jié)構調(diào)整等現(xiàn)象[31]，導致景觀結(jié)構破壞和功能退化，林地分布趨于離散化，水稻面積和結(jié)構比率持續(xù)上升有直接關系[32]。

表3 研究區(qū)類型水平景觀格局指數(shù)

3.2 景觀格局特征尺度

根據(jù)景觀水平的景觀格局指數(shù)空間變異特征值變化趨勢(圖1)，圖中橫軸代表不同尺度的移動窗口半徑，縱軸代表半變異函數(shù)的塊基比C0/(C0+C)。塊基比值越小，空間變異程度越低，空間自相關性越明顯，景觀格局越穩(wěn)定[25-27]。景觀水平的6個指數(shù)穩(wěn)定性隨著移動窗口半徑的增加大致呈現(xiàn)先上升后下降最后穩(wěn)定的趨勢，因此可以進行特征尺度的判定。結(jié)果表明:2010年的景觀格局指數(shù)在4 500 m窗口位置表現(xiàn)穩(wěn)定，2018年景觀格局指數(shù)的穩(wěn)定窗口則為4 250 m，即該尺度是能夠反映研究區(qū)景觀格局空間變異的特征尺度。

圖1 不同尺度下景觀格局指數(shù)變異值趨勢

3.3 土壤侵蝕強度

在ArcGIS 10.7的支持下，實現(xiàn)土壤侵蝕各計算參數(shù)的采集、處理、各因子層的生成，最終對各因?qū)舆M行柵格疊加運算，取得2010年、2018年撓力河流域土壤侵蝕強度等級分布(圖2)，2018年土壤侵蝕等級分布趨勢與2010年大致相同。土壤侵蝕較高等級主要分布于研究區(qū)南部及友誼縣和集賢縣境內(nèi)，呈帶狀分布。其中，中度及以上等級侵蝕，在研究區(qū)呈面線結(jié)合狀分布。強度及以上等級侵蝕零散分布于寶清縣、雙鴨山市及撓河縣西南部。

圖2 土壤侵蝕等級分布

根據(jù)2010—2018年研究區(qū)土壤侵蝕強度等級轉(zhuǎn)移矩陣見(表4)，2010—2018年研究區(qū)土壤侵蝕總面積由6 883.81 km2上升至7 297.56 km2。2010年輕度侵蝕等級中，輕Ⅲ等級面積最大，面積為1 175.08 km2，輕Ⅱ等級占比最小，面積為739.31 km2。2018年輕度侵蝕等級中，輕Ⅲ等級面積上升為1 542.27 km2，輕Ⅱ等級面積上升為1 149.40 km2。2010年中度及以上等級侵蝕占總侵蝕面積的55.51%，約3 821.10 km2，2018年中度及以上等級侵蝕占總侵蝕面積的48.83%，約3 563.18 km2，其中，中度侵蝕等級面積增加最明顯，研究期間由1 194.80 km2增至1 381.67 km2。將2010年、2018年土壤侵蝕強度進行等級轉(zhuǎn)化運算后，顯示整個撓力河流域土壤侵蝕總量略微增加。

3.4 景觀格局類型對土壤侵蝕的影響

3.4.1 不同土壤侵蝕強度下的景觀格局分析 根據(jù)土壤侵蝕強度等級，研究中分別提取各等級范圍內(nèi)的斑塊類型占比，觀察到各類斑塊占比引起不同土壤侵蝕強度的規(guī)律。土壤侵蝕強度越高，林地斑塊占比越大，農(nóng)田斑塊占比越小。中度及以上侵蝕強度等級均有很高的林地斑塊面積占比，輕度及無明顯侵蝕等級則相反，隨著侵蝕等級的降低，林地斑塊占比減少。輕度及無明顯侵蝕等級中農(nóng)田斑塊均占50%以上(圖3)。這與研究區(qū)現(xiàn)狀土地利用斑塊特征有直接關系，林地生態(tài)系統(tǒng)是陸地最為重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，在涵養(yǎng)水源和調(diào)節(jié)地表水土過程中有著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)撓力河流域林地斑塊主要分布在東部及南部高程略高、坡度稍大的區(qū)域，且研究區(qū)林地斑塊樹種單一，大部分林地為地表裸露的單層純林或疏林，這就造成了土壤大團聚體有機碳含量偏低，土壤的黏結(jié)性和粘著性受到破壞，土壤結(jié)構穩(wěn)定性、入滲性能降低及土壤質(zhì)量下降，最終造成土壤侵蝕的天然因素抵御能力較弱，水土流失、沙化漸趨嚴重[31]。另外，流域從20世紀90年代起，當?shù)卣罅ν菩幸缘局螡侈r(nóng)業(yè)結(jié)構調(diào)整政策，大量低洼旱地改造為水田，水田具有良好的水保功能，旱地采取玉米—小麥的輪作方式[4]，這也能一定程度上抑制土壤侵蝕，這與研究區(qū)其他相關研究結(jié)論相一致，撓力河流域土壤侵蝕主要與現(xiàn)狀土地利用斑塊特征直接相關。

表4 2010-2018年土壤侵蝕等級轉(zhuǎn)移矩陣 km2

圖3 不同土壤侵蝕等級下各類斑塊面積占比

景觀格局類型參照肖篤寧提出的散布型、網(wǎng)絡型、指狀型和棋盤型4種景觀格局[16]。已知撓力河流域土壤侵蝕同現(xiàn)狀土地利用斑塊特征存在明顯關聯(lián)，研究分別提取2010年、2018年具有不同景觀格局類型及不同林地斑塊占比(0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%)的特征尺度樣地，探索景觀格局類型對土壤侵蝕的影響。各樣地景觀格局指數(shù)與單位面積土壤流失量情況如下(表5)。

2010年區(qū)域一是本底為農(nóng)田的散布型格局，農(nóng)田受到外界作用出現(xiàn)不規(guī)則且分散的孔隙。2018年區(qū)域一為農(nóng)田本底林地指狀型格局，兩區(qū)域根本差別是2018年指狀型結(jié)構的SHAPE_MN偏高，斑塊類型在景觀中更趨于不規(guī)則，對土壤侵蝕緩解作用要優(yōu)于散布型格局。2010年區(qū)域二是林地、耕地相處穿插，水域零散分布的指狀格局，2018年區(qū)域二為農(nóng)田本底水域網(wǎng)狀型景觀格局，網(wǎng)狀型結(jié)構表現(xiàn)出的DIVISION更低，F(xiàn)RAC_AM更高，對土壤流失的抑制作用更好。2010年區(qū)域三為林地本底水域網(wǎng)狀結(jié)構，2018年區(qū)域三為林地本底水域、農(nóng)田棋盤型結(jié)構，網(wǎng)狀型結(jié)構表現(xiàn)出的DIVISION較棋盤型更低，F(xiàn)RAC_AM，SHAPE_MN更高，減緩土壤流失作用更加明顯。2010年區(qū)域四林地本底水域、農(nóng)田棋盤型結(jié)構，2018年區(qū)域四為林地本底水域為主的指狀型結(jié)構，指狀型結(jié)構對土壤侵蝕的減緩效果更佳。

綜上，現(xiàn)狀土地利用斑塊特征是影響研究區(qū)土壤侵蝕強度變化的根本原因，優(yōu)化景觀格局類型會在一定程度上緩解土壤侵蝕，卻未能逆轉(zhuǎn)由現(xiàn)狀土地利用斑塊特征造成的影響。在景觀格局特征尺度下，景觀格局類型對土壤侵蝕的緩解作用可排序為：網(wǎng)狀型>指狀型>棋盤型>散布型。

表5 樣地景觀格局指數(shù)與單位面積土壤流失量

在研究區(qū)土壤侵蝕強度的有序多元Logistic回歸分析模型中，以土壤侵蝕強度等級為因變量，景觀格局類型為自變量，明確量化景觀格局類型對土壤侵蝕的差異化影響。研究擴大樣本數(shù)量，將2010年、2018年土地利用及土壤侵蝕強度數(shù)據(jù)劃分為上述標準的特征尺度樣地，隨機選取柵格總數(shù)的10%作為樣本，避免空間自相關性，統(tǒng)計其景觀格局類型及平均土壤侵蝕強度等級數(shù)據(jù)。因在特征尺度上研究區(qū)平均土壤侵蝕強度最高等級為中度侵蝕，因此，在分析中因變量的變化范圍為無明顯侵蝕至中度侵蝕5個等級。

有序多分類Logistic回歸分析結(jié)果如表6所示：似然比檢驗(Model Fitting Information)顯示p<0.001，說明至少一個變量具有統(tǒng)計學顯著性。對變量進行平行線假設檢驗(Test of Parallel Lines)，p值為0.051，不拒絕原假設，證明應用有序多元Logistic回歸分析具有合理性[33-34]，即土壤侵蝕等級與景觀格局類型有關p<0.05。根據(jù)有序多分類Logistic回歸b值計算可得：網(wǎng)狀型、指狀型和棋盤型與散布型景觀格局相比，土壤侵蝕高至少一個等級的概率分別為0.53(expb=-0.633)，0.74(expb=-0.304)，0.88(expb=-0.138)。

因此，在撓力河流域今后的土壤流失治理中，應重點對現(xiàn)有的林地成分進行改造，營造復合型林分，增加樹種多樣性及底層植被蓋度；景觀格局特征尺度可以作為格局優(yōu)化的參考單元，在此基礎上結(jié)合不同類型景觀格局進行優(yōu)化，使其向指狀型、網(wǎng)狀型景觀格局類型發(fā)展，以達到更好的減緩土壤侵蝕的效果。

表6 有序多元Logistic回歸分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 2010—2018年，撓力河流域土地利用以農(nóng)田和林地為主，占流域總面積的80%以上，農(nóng)田與建筑用地面積明顯增加，水域與灌叢面積顯著降低。研究區(qū)景觀格局破碎化程度增大，景觀格局類型有向散布型轉(zhuǎn)化的趨勢。

(2) 研究通過移動窗口法與半變異函數(shù)判斷得出，2010年、2018年撓力河流域的景觀格局特征尺度分別為4 500 m，4 250 m，表明后者的景觀格局更為豐富和復雜。

(3) 運用USLE模型土壤計算撓力河流域侵蝕強度，結(jié)果顯示2018年撓力河流域土壤侵蝕強度等級分布2010年大致相同，2010—2018年研究區(qū)土壤侵蝕總量略微增加。

(4) 撓力河流域土壤侵蝕強度主要取決于現(xiàn)狀土地利用斑塊特征。景觀格局類型優(yōu)化會一定程度上緩解土壤侵蝕強度，卻不能逆轉(zhuǎn)由現(xiàn)狀土地利用斑塊特征造成的影響。在景觀格局特征尺度下，景觀格局類型對土壤侵蝕的緩解作用可排序為：網(wǎng)狀型>指狀型>棋盤型>散布型。網(wǎng)狀型、指狀型和棋盤型與散布型景觀格局相比，土壤侵蝕強度至少高一個等級的概率分別為0.53，0.74，0.88。