安徽省岳西县土壤侵蚀时空演变特征及趋势预测

2011-02-11郝李霞程先富张广胜

水土保持研究 2011年1期

郝李霞，程先富，张广胜

（1.皖西学院资源环境与旅游管理学院，安徽六安 237012；2.安徽师范大学国土资源与旅游学院，安徽芜湖 241000）

土壤侵蚀不仅严重地破坏以土地资源为主的自然资源，而且还会造成严重的生态环境问题，对可持续发展构成极大的威胁［1－4］。岳西县位于皖西南边陲，大别山腹地，跨江淮分水岭。由于自然因素与人为因素的双重作用，岳西县水土流失极为严重，成为长江流域13个重点水土流失县之一。岳西县要实现生态、经济与社会协调可持续发展，必须要加大力度治理水土流失。研究岳西县土壤侵蚀时空演变规律可以为该县水土保持部门进行水土保持规划提供科学依据和决策支持［5－13］，对该县环境及经济可持续发展起到积极作用。

1 研究区概况

岳西县位于北纬30°29′－31°11′，东经115°50′－116°33′。全县境内地质构造复杂、断层较多。岩石以花岗片麻岩为主，颗粒粗、多断层、易风化，成为水土流失中的主要砂砾质来源。县内地貌呈中低山景观，地形的主要特点是垂直高差大。岳西县属北亚热带季风气候区，总体气候特征:气候温凉，光照较足，雨量充沛，湿度较大，四季分明，雨热同期。由于降水在时空上分布不均，降水主要集中在汛期，并且暴雨多、雨强大。地形上山高坡陡，河道多为源头段，汇流时间短，大雨水满河，无雨水断流。所以这是形成岳西县水旱灾害频发的重要原因。岳西土壤因受母质岩性影响，颗粒较粗，质地偏砂，黏粒含量少。岳西县为亚热带常绿阔叶林向暖温带常绿阔叶混交林过渡地带，具有两个植被系的特点。

2 研究方法及数据资料

2.1 研究方法

本研究以岳西县1958年、1983年、1992年及2004年4个时期的土壤侵蚀图为基础，建立空间和属性数据库，生成用于分析的矢量图像。其中2004年的土壤侵蚀图是由遥感影像解译而来。利用ARCGIS软件的空间分析功能，统计分析功能，对不同时期的土壤侵蚀图层进行叠加分析反映不同时期土壤侵蚀类型之间的相互转化状况，不同侵蚀类型等级的变化及其面积变化状况；利用马尔柯夫模型预测岳西县土壤侵蚀的演变趋势。根据1992年与2004年土壤侵蚀图叠加获取不同侵蚀类型之间的面积相互转化状况，确定相应的侵蚀类型之间相互转化的初始转移概率矩阵，利用马尔柯夫过程模拟某一时间各土壤侵蚀等级面积所占比例的动态变化，并据此计算出各等级侵蚀类型的面积预测值。

2.2 数据资料

本论文采集的数据资料有:岳西县2004年遥感影像图；岳西县1∶50000 土壤侵蚀强度图（1958年，1983年，1992年）；岳西县1∶50000 土壤图；岳西县行政区划图等。此外还利用了《岳西土壤》、《岳西县志》、《岳西县水利志》中的部分文字资料。

本研究中利用1∶50000 的地形图在ERDAS IMAGINE 8.5环境中对岳西县2004年遥感图像进行几何校正。几何校正模型选择3次多项式变换模型，并设置投影为高斯－克吕格投影。为了使投影产生的变形限制在最小范围内，投影选取的双标准纬线:φS＝30°30′N，φN ＝31°10′N；中央经线:λ＝116°E；原点坐标:30°50′N。

2.3 土壤侵蚀等级划分

土壤侵蚀强度是确定土地利用方向、治理措施规划设计和进行土壤侵蚀动态监测的主要依据。根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190－2007）土壤侵蚀强度分级，必须以年均侵蚀模数为判别指标。岳西县的土壤侵蚀类型主要属于水力侵蚀，水力侵蚀划分标准见表1。

表1 土壤水力侵蚀的强度分级标准

岳西县河流众多，河网密集，河流两岸分布有大面积的堆积地貌，不能具体划分为某种侵蚀类型，而且这种地貌类型与各种侵蚀类型也是处于相互转化中，因此将其单独列出作为一种类型，但不属于某种侵蚀类型。

3 岳西县土壤侵蚀时空演变特征分析及趋势预测

3.1 岳西县土壤侵蚀面积变化分析

据表2分析，岳西县土壤侵蚀面积变化1958－2004年经历了3个主要过程:

（1）1958－1983年土壤侵蚀不断加剧。侵蚀土壤面积逐渐增多，微度侵蚀向侵蚀土壤转化明显，面积由1958年的46288 hm2减为1983年的15963 hm2；轻度侵蚀面积减少，由1958年的86564 hm2减少为1983年的50092 hm2；中度、强烈、极强烈侵蚀土壤面积增加显著，由1958年的48310 hm2、20944 hm2、513 hm2分别增加到1983年的72456 hm2、33985 hm2、2851 hm2；另外还出现了剧烈侵蚀土壤。岳西县水系发达，流水堆积地貌面积较大。1958－1983年堆积面积明显增多，水域缩小。这也说明25a间该地区水土流失加剧，河流泥沙含量大，河道淤塞。

（2）1983－1992年土壤侵蚀逐渐恢复。微度侵蚀和轻度侵蚀土壤面积显著增加，分别由1983年的15963 hm2、50092 hm2增加到1992年的22625 hm2和109202 hm2；尤其表现在中度、强烈、极强烈侵蚀土壤面积大幅度下降，分别由1983年的72456 hm2、33985 hm2、2851 hm2减少为1992年的52488 hm2、1246 hm2、111hm2；剧烈侵蚀土壤消失。堆积面积由1983年的60791 hm2下降到1992年的50604 hm2，水域面积基本维持不变。9a的时间里岳西县通过实施林业规划、调整土地利用结构、小流域综合治理等合理有效的治理措施，使严重的水土流失状况基本得到控制。

（3）1992－2004年土壤侵蚀全面恢复。微度侵蚀土壤面积由22625 hm2增加为50335 hm2；中度侵蚀土壤面积明显下降，由52488 hm2减为43714 hm2；强烈侵蚀与极强烈侵蚀土壤面积有所增加但其面积变化不是很明显，分别由1246 hm2、111hm2增加为1997 hm2、310hm2，不影响总体趋势的变化。堆积类型面积由50604 hm2下降到35562 hm2，水域面积扩大，说明小流域综合治理成果显著。从1984年开始，岳西县开展了以小流域为单元的水土保持综合治理，为改善岳西县生态与环境、发展农村经济、促进经济社会可持续发展做出了突出的贡献。

3.2 土壤侵蚀动态演变特征

3.2.1 1958－1983年土壤侵蚀的变化岳西县1958－1983年土壤侵蚀图的叠加结果（表3）显示:微度侵蚀土壤主要转化为轻度、中度、强烈侵蚀的土壤，只有17%的面积无变化。轻度侵蚀土壤主要转化为侵蚀程度较强的类型，只有少量转化为轻度侵蚀。中度侵蚀变成侵蚀程度较弱类型和侵蚀程度较强类型的比例都为17%。强烈侵蚀有20%面积没有变化，27%转化成中度侵蚀。极强烈侵蚀土壤有70%变成强度以下侵蚀类型，有4%转化成剧烈侵蚀。堆积中有70%的面积没有变化，发生变化的主要是变成中度侵蚀，占其总面积比为14%。水域面积缩小，其中49%转变成堆积，12%成为强度侵蚀土壤。说明大量泥沙进入河流，淤塞河道，河床抬高，成为陆地。

表2 岳西县土壤侵蚀面积变化 hm2

表3 岳西县1958－1983年土壤侵蚀变化状况hm2

25a间岳西县土壤侵蚀经历了剧烈的变化，侵蚀程度弱的向更高侵蚀类型转化的比例大，中度侵蚀向两极转化的比例均等。强烈与极强烈侵蚀主要向较轻的侵蚀类型转化，但总体上向恶化的趋势发展。因为这一时期人为破坏植被严重及其不合理的土地利用方式、不合理的工程建设导致水土流失日趋严重，形成恶性循环。

3.2.2 1983－1992年土壤侵蚀的变化从表4看出:岳西县1983－1992年土壤侵蚀状况逐渐好转。微度侵蚀类型有45%面积转化为轻度侵蚀，3%的面积成为中度侵蚀，没有出现强烈与极强烈侵蚀土壤。轻度侵蚀土壤中只有16%变成微度侵蚀类型，14%成为中度侵蚀土壤，只有极少量成为强烈侵蚀的类型。在中度侵蚀土壤中，有55%转化为轻度侵蚀土壤，7%成为微度侵蚀土壤。强烈侵蚀类型中转化为微度侵蚀、轻度和中度侵蚀的面积比分别为4%，44%，37%。极强烈侵蚀土壤只有2%无变化，88%转化为低级别的侵蚀类型。而剧烈侵蚀的土壤类型完全消失。堆积类型中有24%转变成轻度侵蚀，19%向中度侵蚀类型转变，只有少量成为微度侵蚀类型和水域。水域中有40%成为堆积类型，向轻度和中度侵蚀类型转变的各占6%。

表4 岳西县1983－1992年土壤侵蚀变化状况 hm2

这一时期岳西县土壤侵蚀变化呈现以下特点:微度侵蚀和轻度侵蚀类型土壤有接近一半和超过一半的面积无变化；中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀类型的土壤主要向侵蚀程度较弱的类型转化。总体趋势土壤侵蚀状况明显改观，主要原因是国家采取了相关的水土保持政策，岳西县政府重视水土保持工作，采取了相应的水土保持措施如植树造林、小流域综合治理等，并落实到位。

3.2.3 1992－2004年土壤侵蚀变化分析表5得出结论:岳西县1992－2004年土壤侵蚀程度逐渐减轻，生态环境进入全面恢复期。12a间土壤侵蚀变化的总特点:呈现两极分化的局面。具体表现在轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀类型主要向低级别的侵蚀类型转变；轻度侵蚀向微度侵蚀转化的面积比例加大；和1992年相比，2004年强烈侵蚀和极强烈侵蚀土壤面积有少量增加，但占全县总面积比例极小。

表5 岳西县1992－2004年土壤侵蚀变化状况 hm2

岳西县自1991年实施林业发展规划后，消灭了荒山，森林覆盖率有明显提高。2000年后，岳西县又进行二次创业，分类管理，保护生态林，近山则规划为经济林。在整地方法上基本杜绝全垦造林，改为带状整地。同时结合工程措施如整修加固和恢复各类堤岸。这些具体措施对减轻水土流失都起到很大作用。3.2.4 岳西县土壤侵蚀程度变化分析据图1分析，1958－2004年岳西县土壤侵蚀程度无变化的面积经历了先下降后上升的过程，土壤侵蚀程度等级增加的面积先显著扩大再逐步下降，而土壤侵蚀程度等级下降的面积先减少后增加，陆地与水域也是相互转化，反映了研究区土壤侵蚀复杂的变化过程。

图1 岳西县土壤侵蚀程度变化

3.3 岳西县土壤侵蚀的动态变化预测

土壤侵蚀的动态演变具有马氏过程的性质，因此利用马尔柯夫过程模型［14］研究土壤侵蚀的动态演变比较适宜。运用马尔柯夫过程模型的关键在于确定各侵蚀等级之间相互转化的初始转移概率矩阵P。计算初始转移概率矩阵P，就是求出从每个状态转移到其他任何状态的状态转移概率Pij（i，j＝1，2，…，n）。为了求出每个Pij，一般采用频率近似概率的思想进行计算。

3.3.1 初始转移概率矩阵的确定根据岳西县1992－2004年土壤侵蚀类型面积转化，计算出了各土壤侵蚀等级的转移概率矩阵（表6）。

表6 岳西县1992－2004年土壤侵蚀转移概率矩阵 %

3.3.2 岳西县土壤侵蚀变化趋势预测分析根据表6，应用马尔柯夫模型进行预测，得出岳西县2016年土壤侵蚀各等级出现的概率（表7），并计算出该县2016年各等级土壤侵蚀的面积状况（表8）。

表7 岳西县土壤侵蚀各等级面积比例变化的马尔柯夫预测值 %

表8 岳西县土壤侵蚀各等级面积变化的马尔柯夫预测值 hm2

结果表明，如果现在的土壤侵蚀状况继续维持下去，到2016年微度侵蚀土壤面积增加到64221 hm2，占全县总面积的27.051%；轻度侵蚀与中度侵蚀土壤面积减少，尤其中度侵蚀类型面积明显下降，占总面积的15.609%，比2004年减少6658 hm2；强烈侵蚀与极强烈侵蚀面积在局部地区有所增加，但这种变化不是很明显。堆积类型面积呈显著下降趋势，面积减少到27455 hm2，占总面积的11.566%；与此同时，水域面积有所减少。从总体趋势看岳西县土壤侵蚀状况向好的方向发展，说明目前的水土保持工作措施得当，效果显著。但局部地区土壤侵蚀有加剧的潜在危险，需要引起水土保持部门的重视。

4 结论

（1）近50a来，岳西县土壤侵蚀经历了急剧恶化到逐渐恢复的过程。1958－1983年土壤侵蚀不断加剧；1983－1992年土壤侵蚀逐渐恢复；1992－2004年土壤侵蚀进入全面恢复期。

（2）相邻时段的土壤侵蚀图叠加结果分析表明，不同时期土壤侵蚀各等级相互转化的变化特征如下:

①1958－1983年的25a间，岳西县土壤侵蚀经历了剧烈的变化，侵蚀程度弱的向更高侵蚀类型转化的比例大，中度侵蚀向两极转化的比例均等。强烈与极强烈侵蚀主要向较轻的侵蚀类型转化。但总体上向恶化的趋势发展。

②1983－1992年的9a间，岳西县微度侵蚀和轻度侵蚀类型土壤约有一半的面积无变化；中度、强烈、极强烈和剧烈侵蚀类型的土壤主要向侵蚀程度较弱的类型转化，土壤侵蚀状况有了明显改观。

③1992－2004的12a间，土壤侵蚀程度逐渐减轻，生态环境进入全面恢复期。这一时期土壤侵蚀变化呈现两极分化的局面，具体表现在轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀类型主要向低级别的侵蚀类型转变；轻度侵蚀向无明显侵蚀转化的面积比例加大；强度侵蚀和极强度侵蚀土壤面积有少量增加，但占全县总面积比例极小。

（3）1958－2004年岳西县土壤侵蚀程度无变化的面积经历了先下降后上升的过程，土壤侵蚀程度等级增加的面积先显著扩大再逐步下降，而土壤侵蚀程度等级下降的面积先减少后增加，陆地与水域也是相互转化，反映了研究区土壤侵蚀复杂的变化过程及土壤侵蚀状况的演变趋势。

（4）马尔柯夫模型预测结果表明，如果现在的土壤侵蚀状况继续维持，到2016年微度侵蚀土壤面积增加，占全县总面积的27.051%，中度侵蚀类型面积明显下降；强烈侵蚀与极强烈侵蚀土壤在局部地区有所增加，但这种变化不明显。堆积类型面积呈显著下降趋势，水域面积有所减少。从总体趋势看土壤侵蚀状况向良性循环方向发展。但这种状况的维持及改观需要有关部门继续高度重视土壤侵蚀的防治工作，切不可掉以轻心。

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