我國南方典型紅壤區景觀格局對崩崗侵蝕的影響

蔡源遠,崔婷婷,劉 政,魏玉杰,*

1 武漢理工大學藝術與設計學院,武漢 430070 2 華中農業大學資源與環境學院,武漢 430070

景觀格局是指不同大小、形狀和屬性的斑塊在空間上的組合分布,既是景觀異質性的具體表現,也是自然和人類活動耦合作用的結果[1]。土地利用反映了人類利用土地進行各種活動的綜合信息,是景觀格局演變的關鍵驅動力,也是生態系統結構、功能和過程變化的重要因素[2]。近年來,研究景觀格局對土壤侵蝕過程的影響受到景觀生態學研究的關注[3]。景觀格局通過影響各景觀類型之間的連通性,改變水文過程,進而影響土壤侵蝕過程[4—5]。可通過調控各地類的空間配置來實現景觀格局優化,從而實現控制土壤侵蝕和區域可持續發展[6]。景觀格局對土壤侵蝕影響的研究,有效提升了黃土高原生態問題的解析[7]。崩崗作為我國南方紅壤區一種獨特的侵蝕地貌[8],地表切割嚴重,年侵蝕模數介于3—5萬t km-2a-1,是劇烈土壤侵蝕模數臨界值的2—4倍[9],而研究發現自然環境與人類活動共同驅動下的不合理土地利用格局是崩崗侵蝕形成的關鍵驅動因子[10]。揭示景觀格局與崩崗侵蝕之間的定量關系,對于正確認識崩崗侵蝕的形成機理、指導科學合理的治理方案具有重要意義。

景觀格局分析是探討土地利用變化和生態過程相互關系的基礎[11]。景觀格局指數則高度概括了景觀結構組成和空間格局特征,是景觀格局分析中重要的表征指標[12]。根據景觀格局的尺度特征,可將景觀指數分為斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平3個層次,而在斑塊類型水平上,景觀指數與反應變量之間顯示出更強的統計學關系[13],且斑塊類型水平景觀格局對水土流失過程空間變異的解釋能力要高于景觀水平[14]。然而,景觀格局指數的構建、選取和生態學意義是景觀生態學研究中的難點問題之一[15]。學者們為此開展了大量的研究。例如,傅伯杰團隊將尺度-格局-過程有機結合,建立了景觀格局-生態過程-生態系統服務的概念框架,并揭示了土地利用格局對土壤侵蝕的影響機制[16]。陳利頂等[17]基于“源-匯”過程提出了景觀空間負荷對比指數來反映景觀格局對生態過程的影響。楊秋華等[18]在福建省西溪流域的研究表明,景觀類型面積、斑塊數量、加權面積的平均形狀指數和平均分維數與水土流失成正相關關系,而景觀連接度與水土流失呈負相關,平均斑塊大小、多樣性指數、散布與并列指數與水土流失關系不顯著。李晶等[19]在黃土高原丘陵溝壑區的延河流域發現,地形-水文響應單元景觀格局指數與流域產沙量呈顯著負相關。以往的研究為景觀格局指數的應用和發展做出了積極的貢獻,但由于崩崗侵蝕過程的復雜性、空間分布的地帶性及其驅動因子的多樣性等,景觀格局如何影響崩崗侵蝕過程及其路徑目前仍缺乏系統研究。

據此,本文以典型崩崗侵蝕區福建省安溪縣為研究對象,在斑塊類型水平上運用景觀格局指數和RDA分析法,研究了景觀格局與崩崗侵蝕的內在聯系,并在此基礎上運用通徑分析法進一步量化景觀格局對崩崗侵蝕的影響路徑。本研究旨在為科學規劃土地利用和南方紅壤區崩崗防治提供支撐與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安溪縣地處福建省東南部(24°50′N—25°26′N,117°35′E—118°17′E),氣候類型為亞熱帶季風氣候,年均氣溫為16—22℃,年降水量介于1600—2000 mm之間;巖性以花崗巖為主,土壤類型主要是紅壤;地勢由東南向西北呈遞增趨勢,地貌以山地、丘陵為主。崩崗調查數據顯示,安溪崩崗分布范圍廣(圖1),全縣共有崩崗發生點12828個,占全省崩崗總量的49.29%;侵蝕面積為2305.442 hm2,占全省崩崗總侵蝕面積的31.41%[20]。

圖1 安溪縣地理位置與崩崗點分布圖Fig.1 Geographical location of Anxi County and Benggang occurrence distribution

1.2 數據來源

本研究中的崩崗的位置和投影面積來源于中國水利部長江水利委員會的調查資料,并利用地理空間數據云獲得的5m分辨率的資源一號02C系列2018年11月衛星圖像進行了崩崗校核。DEM數據來自地理空間數據云平臺(http://www.gscloud.cn/),像元為30 m × 30 m。土地利用來自中國科學院資源環境科學與數據中心(https://www.resdc.cn/)。根據研究目的將土地利用類型劃分六類:耕地、林地、草地、水域、建設用地和其他用地(圖2)。

圖2 安溪縣土地利用空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of land use in Anxi County

2 研究方法

2.1 崩崗特征指標選取及子流域劃定

選取崩崗密度和崩崗面積作為流域單元崩崗侵蝕特征指標,其中崩崗密度等于崩崗數量與所處子流域面積的比值。子流域是崩崗治理最基本的空間單元,子流域的劃定對崩崗空間管理和水土流失防治具有顯著的理論與實踐意義[21]。子流域主要是基于DEM數據,運用ArcGIS 10.2的水文分析工具進行劃分,同時結合實際地形對個別子流域進行了修正與歸并,最終將研究區劃分為53個子流域。

2.2 景觀指數選取與計算

本文統計并匯總了相關文獻在斑塊類型水平上的常用景觀指數[5,7,22],各指數值由軟件Fragstats 4.2計算得出;在此基礎上應用SPSS 24軟件中的共線性檢驗工具計算景觀指數之間的共線性,對方差膨脹因子(VIF)大于10的景觀指數進行剔除,最終選取的景觀指數見表1。由于研究區其它用地上崩崗占比不足0.1%,所以本文主要探討耕地、林地、草地、水域和建設用地這五種地類的景觀指數對崩崗侵蝕的影響。為了便于區分不同斑塊類型的景觀指數,分別以1、2、3、4、5來表示耕地、林地、草地、水域和建設用地,用“指標名稱+地類代碼”的方式表示各土地利用類型對應的景觀指數,如:耕地的聚集度表示為CLUMPY1,林地則為CLUMPY2,以此類推。

表1 安溪縣斑塊類型水平上的景觀指數Table 1 The landscape indices used in analysis at the patch-class level in Anxi County

2.3 數據分析

以53個子流域為基本單元,景觀指數為解釋變量,崩崗密度和崩崗投影面積為響應變量。RDA分析方法可以用二維排序圖直觀展現景觀指數和崩崗特征指標之間的相關性,也能定量揭示單個景觀指數對崩崗侵蝕的貢獻率[9]。在此基礎上借助通徑分析進一步量化景觀指數之間的相互作用及其對崩崗侵蝕的影響路徑[2]。上述分析基于 SPSS 24+Amos 24和 CANOCO 5等軟件包進行。

3 結果分析

3.1 不同斑塊類型景觀指數與崩崗特征的RDA排序

斑塊類型水平上,不同土地利用類型景觀指數對崩崗特征的累積解釋度排序為:林地>耕地>建設用地>草地>水域。耕地景觀指數與崩崗特征呈顯著正相關(r=0.71,P<0.01),耕地景觀指數可累計解釋崩崗特征因子的49.18%(圖3)。其中,耕地景觀的面積、散布與并列指數、聚集度對崩崗侵蝕具有促進作用,三者的貢獻率分別為47.3%、10.5%和4.3%。林地景觀指數對崩崗特征因子的累計解釋量最高,達63.82%(圖3)。林地的聚集度指數、斑塊形狀指數和散布與并列指數同崩崗特征因子呈正相關關系,其中林地的聚集度指數對崩崗特征的貢獻率最大,達到48.3%。草地景觀指數與崩崗特征存在顯著正相關關系(r=0.65,P<0.01),景觀特征指數累積解釋崩崗特征可達41.25%(圖3)。草地景觀的斑塊數量、散布與并列指數、平均斑塊分維數和聚集度指數是影響崩崗特征的主要指標。而水域景觀指數累積解釋崩崗特征最小,僅為35.43%,水域斑塊密度與崩崗特征指標呈負相關關系(圖3)。建設用地的景觀形狀指數和景觀類型面積與崩崗特征均呈正相關關系,建設用地的聚集度指數與崩崗特征呈負相關關系,景觀指數可累積解釋崩崗特征為42.01%(圖3)。

圖3 斑塊類型水平上不同景觀類型景觀指數與崩崗特征指標的RDA排序Fig.3 RDA ordination of different landscape pattern indexes and Benggang characteristics at patch-class levelRDA:Redundancy Analysis(冗余分析);CA1:耕地的景觀類型面積;IJI1:耕地的散布與并列指數;CLUMPY1:耕地的聚集度;ED2:林地的景觀類型面積;LSI2:林地的斑塊形狀指數;CLUMPY2:林地的聚集度;PLAND2:林地的斑塊面積變異;CLUMPY3:草地的聚集度;FRAC_MN3:草地的平均斑塊分維數;NP3:草地的斑塊數量;IJI3:草地的散布與并列指數;NP4:水域的斑塊數量;PD4:水域的斑塊密度;CLUMPY5:建設用地的聚集度;CA5:建設用地的景觀類型面積;LSI5:建設用地的斑塊形狀指數

3.2 不同景觀格局與崩崗特征的RDA特征值及解釋度比較

由表2可知,五種斑塊類型的景觀格局與崩崗特征的相關性均達到了顯著水平(P<0.05),由此可見,崩崗侵蝕受到多種景觀類型的綜合影響。在RDA排序軸上不同斑塊類型的景觀格局與崩崗特征具有不同的相關性與累積解釋度。在第一排序軸上,林地景觀指數與崩崗特征相關性最高,相關系數為0.809(P<0.01),其次分別為耕地和建設用地,相關系數分別為0.710(P<0.01)和0.657(P<0.01)。這表明在斑塊類型水平上,林地、耕地和建設用地的空間格局對崩崗特征具有更高的解釋能力。因此,在崩崗侵蝕敏感區要更加關注各景觀類型的空間布局,尤其是耕地、林地與建設用地的協調布局。通過利用景觀生態學中連接度和網絡結構等原理提高區域尺度景觀連接度,在生態脆弱區科學規劃土地利用格局,以減少水土流失和抑制崩崗侵蝕。

表2 斑塊類型水平上各景觀類型RDA排序的特征值及累計解釋量Table 2 Eigenvalues and cumulative interpretation of RDA ordination of each landscape type at patch-class level

3.3 斑塊類型水平上景觀格局與崩崗特征的關系

RDA第一、二排序軸上景觀格局與崩崗特征相關系數分別為0.843(P<0.01)和0.767(P<0.05),均具有顯著相關性(表2和圖4)。其中,第一排序軸能夠集中反應出所有排序軸中景觀格局與崩崗特征關系的絕大部分信息,其對崩崗特征變化的累積解釋度為69.26%,對景觀格局與崩崗特征關系的累積解釋度高達97.88%。在10個景觀格局指數中,耕地景觀面積、林地聚集度、建設用地景觀的形狀指數和林地斑塊連接度4個指標對崩崗特征變化的貢獻率分別為51.5%、26.9%、9.2%和6.1%,解釋度分別為36.4%(P<0.01)、19.0%(P<0.01)、6.5%(P<0.01)和4.3%(P<0.01),累積解釋度達到了66.2%。由此可見,崩崗特征受多種景觀指數的綜合影響,其中,耕地景觀面積、林地聚集度和建設用地景觀形狀指數與崩崗特征呈正相關關系,林地斑塊連接度對崩崗特征具有抑制作用(圖4)。

圖4 斑塊類型水平景觀格局指數與崩崗特征指標的RDA排序Fig.4 RDA ordination of landscape pattern indexes and Benggang characteristic indexes at patch-class level AREA_CV5:建設用地斑塊面積變異

為進一步明確斑塊類型水平上五種地類的景觀格局對崩崗特征的影響,選取了景觀指數分別與崩崗面積和崩崗密度進行逐步回歸分析。結果表明,林地面積百分比和邊緣密度、耕地景觀面積是崩崗面積的顯著性影響因素,其擬合方程為公式(1);顯著影響崩崗密度的景觀指數為耕地景觀面積、林地斑塊連接度和斑塊密度以及建設用地邊緣密度,其擬合方程為公式(2)。

Area=972051.53-9304.25PLAND2+162.70CA1-25376.26ED2,R2=0.63,P=0.000

(1)

Density=21.53+0.001CA1+0.13ED5-0.22COHESION2-4.51PD2,R2=0.72,P=0.003

(2)

利用通徑分析模型可表示斑塊類型水平上各景觀格局指數與崩崗特征指數之間的相互關系。經過修正,該模型整體上具有良好的擬合效果(x2/df= 1.08<3, GFI=0.954>0.9, RMSEA=0.04<0.05),能夠解釋崩崗面積變化的71%,崩崗密度變化的85%,說明耕地景觀面積、林地斑塊面積百分比、建設用地邊緣密度、林地邊緣密度和林地斑塊連接度這5個景觀指數對崩崗密度與面積具有較好的特征變異解釋能力。從景觀指數對崩崗特征的直接與間接作用來看,斑塊類型水平上對崩崗面積影響最大的景觀指數是耕地景觀面積,其次為林地面積百分比,通徑系數分別為0.499、-0.440,對崩崗密度有重要影響的景觀指數是耕地景觀面積與林地面積百分比,通徑系數分別為0.608、-0.342。說明耕地面積減少與林地空間占比增加可在一定程度上有效抑制崩崗面積的擴大與崩崗密度的增加,并且可以通過建立研究區景觀格局指數與崩崗特征因子的定量關系來有效預測該區域崩崗侵蝕的發生與變化(圖5)。

圖5 景觀指數與崩崗特征指標的通徑分析Fig.5 Path analysis on the relationship between landscape indexes and Benggang characteristic indexes實線和虛線箭頭分別代表正相關和負相關;***P<0.001,**0.001

4 討論

土地利用蘊含了大量人類活動的信息,通過改變土地利用結構從而影響生態系統結構、功能和生態環境質量[2]。目前進行土地利用與崩崗侵蝕相互關系研究時,多聚焦在土地利用與崩崗空間分布關系上[23],過于強調單一地類對崩崗侵蝕的影響,而忽略了不同土地利用類型空間格局特征對崩崗侵蝕的指示意義。景觀格局對土壤侵蝕、土壤養分調節、水分分布及產流產沙過程均有重要影響[24],因此有必要從景觀生態學的視角來深入理解景觀格局對崩崗侵蝕的影響機制。

本研究表明,林地景觀格局對崩崗特征的解釋度最高。林地景觀在侵蝕產流產沙過程中起著決定性作用[20]。林地斑塊的連通性越高,則對崩崗的抑制作用越強,其主要原因是由于較高的斑塊連通性提升了整個景觀生態系統對外界擾動的適應性, 從而推動林地景觀功能更好的實現[25];而林地斑塊形狀復雜、面積小且連通性低,廊道被截斷,則極易受到外界的干擾[26—27],將會致使生態系統趨于惡化,在生態敏感區易促發水土流失以及崩崗侵蝕發生。林地主要通過冠層對降雨的截留作用、枯枝落葉層對雨滴濺蝕的消減作用及根系對土壤抗沖性、滲透性和剪切強度等的改善減少土壤侵蝕[28],從而有效抑制崩崗侵蝕。林地景觀空間格局可通過對降雨產流、熱量等的再分配從而改變土壤理化性質和土壤可蝕性[29—30],進一步影響崩崗侵蝕過程。而人類盲目毀林開墾尤其是在陡坡隨意砍伐林木使林地斑塊破碎化,致使生態系統抗干擾性下降,由此加速生態退化和崩崗侵蝕形成。

相比于林地,耕地景觀格局對崩崗侵蝕的解釋度居于第二位。耕地的水土保持功能相對較弱,在一定的氣候、徑流與地形耦合條件下耕地表層土壤結構的穩定性易被破壞,尤其是盲目開墾坡地,再加上坡面徑流的搬運和沖刷作用會使土壤中有機質含量減少,土壤抗侵蝕能力減弱,土體發生崩解,從而誘發崩崗侵蝕[31]。而在花崗巖母質土壤分布的生態脆弱區人為持續進行不合理的耕地擴張或開墾、增大耕地破碎度,則會降低耕地生態安全性,從而加劇崩崗侵蝕的發生[32]。大面積的毀林開荒也是觸發崩崗侵蝕的重要原因[33]。

草地的叢生度指數與崩崗密度呈負相關關系,表明較高的草地斑塊叢生度有利于預防土壤侵蝕,這與Ouyang等[34]研究結果一致。水域斑塊密度與崩崗特征指標也呈負相關關系,表明水域斑塊密度越低,則水域的形狀特征越大,更易發生土壤侵蝕[35]。而本研究區水域上崩崗占比為0.3%,造成水域上崩崗侵蝕的原因可能是由于花崗巖風化殼覆蓋區內水系尤其是三級支流的溯源侵蝕,集水區水流沖刷,導致土體潤濕、抗剪強度降低[36]。建設用地景觀格局指數累積解釋崩崗特征為42.01%(圖3)。研究發現,社會經濟是影響建設用地景觀格局演變的重要因素,當經濟發展和生態保護耦合協調度較低時,容易促發崩崗侵蝕;而當區域距城鎮越遠時,建設用地布局分散,斑塊聚集度較低,建設用地景觀格局對崩崗侵蝕的影響有限[37]。

在區域崩崗治理上,需要科學評估生態系統穩定性,提升耕地空間布局的合理性,加快推進生態脆弱區耕地的科學規劃、管理與功能提升[38];提高林地斑塊的連通性和聚集度、優化調整林地結構、減少人為活動對林地的破壞和不合理干預、實行封育等措施來促進植被恢復與生長[39];其它的土地利用格局的發展也要趨于生態化、集約化和合理化,注重經濟建設與生態環境的協調發展[40]。

5 結論

景觀格局表征了人類活動對景觀生態系統的影響,其對崩崗侵蝕的響應極為復雜。本文以福建省安溪縣為研究對象,借助冗余分析和通徑分析法,從斑塊類型水平上探討了五種地類的景觀格局指數對崩崗侵蝕的指示作用,得出了影響崩崗侵蝕的關鍵景觀格局指標。結果表明:在斑塊類型水平上,林地的景觀格局對崩崗侵蝕特征的解釋度最佳;在各土地利用類型的景觀格局指數中,耕地景觀類型面積、林地聚集度、建設用地景觀形狀指數和林地斑塊連接度是影響崩崗侵蝕的主要景觀格局因子;耕地景觀類型面積和林地邊緣密度是影響崩崗面積和密度的共性指標;各景觀指數與崩崗特征指標間存在明顯的直接與間接作用,耕地景觀類型面積對崩崗面積影響最大(通徑系數為0.499),其次為林地斑塊類型面積百分比(通徑系數-0.440),耕地面積與林地面積百分比對崩崗密度具有重要影響,通徑系數分別為0.608、-0.342。然而,鑒于崩崗侵蝕的復雜性,今后需進一步考慮景觀格局、地形、植被、土壤、人類活動等要素,而構建和發展更為寬廣的景觀格局指數體系對解析侵蝕防控的效益仍十分必要。