江淮丘陵区土壤侵蚀分布与环境因子的关系

2018-03-29刘晓华刘潘伟胡续礼张荣华张光灿

水土保持通报 2018年1期

刘晓华, 刘潘伟, 胡续礼, 张荣华, 张光灿, 杨锐, 吴畏

(1.山东农业大学林学院, 山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,山东泰安 271018; 2.水利部淮河水利委员会, 安徽蚌埠 233001)

淮河流域存在“三山、二丘、一区、一带”[1]综合防护体系的水土保持格局，目前学者已经针对桐柏大别山区、伏牛山区、沂蒙山区等三大山区的土壤侵蚀以及治理技术等开展了重点研究[2-4]，但对“两丘”区中的江淮丘陵区缺乏相应的系统研究。由于江淮丘陵区地处淮河流域与长江流域交界处，拥有特殊的地理与气候等条件，在全国水土保持工作新形势下，研究江淮丘陵区土壤侵蚀的影响因子对全面了解该区域土壤侵蚀状况以及对区域生态安全和社会经济可持续发展有着重要意义。对于影响因子的研究[5-8]，大部分只停留在简单的观测资料的定性分析，而关于各环境因子对土壤侵蚀空间分布影响的深入研究较少。

为了解江淮丘陵区土壤侵蚀空间分布，探讨土壤侵蚀与土地利用类型[6-10]、坡度[5-7,9-11]、植被[8,12]、土壤类型[2,7]等环境因子的关系，对土壤侵蚀的影响因子进行定量研究。本文拟以2015年15 m分辨率的Landsat 8影像为基础信息源，基于“3S”技术平台[12]，采用综合评判法和实地调查验证[12]相结合方法，对土壤侵蚀空间分布与各环境因子进行空间叠加分析。以期其结果可对确定水土保持重点区域，为开展水土保持规划以及制定有针对性的水土流失防治措施提供参考和依据。

1 研究区概况

淮河流域江淮丘陵区位于淮河流域与长江流域交界处，116°49′—119°33′E与31°54′—33°24′N，西临桐柏大别山山前平原区，北接淮北平原区，东临江淮下游河网平原区，土地总面积1.38×104km2，其中丘陵地面积占总面积的30.70%。属北亚热带气候，多年平均降水量800～1 000 mm，年内、年际、区间分布差异较大，降雨时空分布不均，导致地表径流量具有明显的季节性，易形成交替出现的洪涝和干旱灾害；地表岩性有红色砂页岩、片麻岩、玄武岩等，海拔40～300 m，相对高差小；土壤主要为黄棕壤、潮土和暗色土，较为粘重；地带性植被为落叶阔叶混交林型，林草地面积占总面积的17.49%，人口密度为507.55人/km2，人均耕地面积0.13 hm2。

2 研究方法

土壤侵蚀主要受气候、土壤、地质、地形、植被和人为6大因素的综合影响[5-11]，这6大因素又可再分为诸多次级影响因子，其中在气候条件一定的情况下，土地利用类型、地面坡度和植被盖度的作用尤为显著，不同的组合方式导致不同的土壤侵蚀强度[10]。本文以江淮丘陵区的遥感影像为基本信息源，结合其他图件资料，基于“3S”技术平台[12]，采用综合评判法与实地调查验证[12]相结合的研究方法，探讨江淮丘陵区的土壤侵蚀的影响因子。

2.1 遥感解译

2.1.1 数据源以江淮丘陵区2015年15 m分辨率的Landsat8影像为基础信息源，同时收集该区域自然(如气候、地形地貌、土壤、岩性、植被等)、社会经济(人口数量、土地利用类型等)以及水土流失与水土保持治理措施等方面的资料。

2.1.2 数据处理在ENVI 5.1[13]支持下，利用地形图对影像进行几何精校正、辐射定标和大气校正。校正中采用WGS-1984坐标系，UTM投影。依据遥感影像的色、形、位等特点和区域实际特点，参照国家标准[14-15]，结合研究目的和区域概况，建立土地利用分类系统及解译标志，确定土地利用分为耕地、园地、林地、草地、城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他未利用土地8类。采用人机交互解译方法，提取土地利用数据[13]。根据野外实地调查，验证与完善土地利用数据，获得各土地利用类型面积及空间分布。

在ArcGIS支持下，将研究区1∶5万地形图通过地理配准、几何校正和投影变化完成矢量化，利用ArcGIS 10.2软件中3D analyst模块，进行等高线插值，创建TIN，然后生成研究区分辨率为30 m的数字高程模型(digital elevation model, DEM)。在提取的DEM基础上，利用ArcGIS 10.2软件中的spatial analyst 模块，提取研究区的坡度信息，生成坡度分布图。据水利部颁布的临界坡度分级方案，结合研究区的实际情况，将坡度分为平缓坡、中等坡、斜坡、陡坡、急坡和急陡坡6级[16]。

在ArcGIS 10.2软件中将收集到的研究区土壤类型分布进行矢量化，得到该区域土壤类型分布图。植被覆盖度(fractional vegetation cover， FVC)[17]采用归一化植被指数(normalized difference vegetation index， NDVI)计算。借助遥感影像处理软件ENVI 5.1，提取NDVI，计算FVC。利用GPS确定野外调查样区，采集该样区的植被覆盖度，建立样区的植被覆盖度与遥感计算植被盖度之间的关系，获得研究区植被盖度因子。根据植被盖度分级编码标准[16]进行分级。

FVC=〔(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)〕k

式中：FVC——植被覆盖度(%)； NDVI——所求像元的归一化植被指数； NDVImin,NDVImax——研究区内NDVI的最小值、最大值；K——经验系数。

运用ArcGIS空间叠加分析功能，可以得到该区域的土壤侵蚀空间分布。然后将土壤侵蚀空间分布分别与各环境影响因子叠加分析，得到相关关系。

2.2 野外调查验证

野外调查验证[12]是决定土地利用和植被覆盖分类是否准确的关键，直接影响到土壤侵蚀判读结果的准确性、可靠性和精度。本次野外实地调查时间为2016年8月，选取有代表性的典型地段、特殊地物及在解译中图像不清晰之处共423个野外调查与实地验证点。通过计算Kappa系数，用户精度、生产精度均在60.00%以上，总体解译精度为78.49%，符合土地利用解译精度要求。

3 结果与分析

3.1 土壤侵蚀状况

江淮丘陵区2015年水土流失面积为1 409.60 km2，约占该区总面积的10.20%，侵蚀强度以轻度侵蚀为主，面积为1 162.27 km2，占水土流失总面积的82.45%；局部以中度侵蚀为主，占水土流失总面积的17.04%；强烈侵蚀与剧烈侵蚀所占比例很小，该区无剧烈侵蚀。

3.2 土壤侵蚀分布与影响因子的关系

3.2.1 土壤侵蚀分布与土地利用类型的关系不同数量、结构、质量、方式的土地利用能够引起坡度、植被覆盖度的变化，进而影响水土流失[2,7-11]。江淮丘陵区耕地面积为6 788.77 km2，约占总面积的49.21%，其中：绝大部分是坡耕地；园地、林地、草地分别占8.21%，13.30%，4.19%。从表1可以看出，在不同土地利用类型中，土壤侵蚀主要来源于耕地、园地、林地和草地，各类型侵蚀面积分别占水土流失总面积的41.17%，4.19%，28.31%，26.34%。其中耕地侵蚀面积最大，林地、草地侵蚀面积次之；从侵蚀发生的空间位置来看，耕地的侵蚀主要受坡度影响，因此主要发生在下垫面起伏度较大，条件较为恶劣的坡耕地，主要以轻度侵蚀、中度侵蚀和强烈侵蚀为主。林地及园地侵蚀不仅受坡度侵蚀的影响，还受到植被盖度的影响，主要发生在坡度相对较大，植被盖度较差的疏林地和坡式经济林中，侵蚀类型主要以轻度侵蚀和中度侵蚀为主。研究区的草地多分布在荒坡和坡脚地带，草类多以马尾草、狗尾草、硬尾草等，这些杂草地表覆盖程度较低，在荒坡上又容易受到强降雨的影响，侵蚀类型主要以轻度侵蚀和中度侵蚀为主。

表1 不同土地利用类型与土壤侵蚀强度的关系

3.2.2 土壤侵蚀分布与坡度的关系地形地貌决定着地面物质与能量的形成和再分配，是影响水力侵蚀的重要因素之一。地面的坡度、坡长等对土壤侵蚀有很大的影响[5-7,9-11]。一般情况下，坡度越大，坡长越长，径流速度就越大。地面坡度越陡，地表径流的流速越快，对土壤的冲刷侵蚀力就会越强。坡面长度越长，汇集地表径流量越多，冲刷力也会增大。从图1中得出，研究区坡度主要集中在0～15°之间，坡度>8°的区域主要是分布在凤阳县、定远县、明光市和盱眙县，而这4个县恰是该区域水土流失发生较为严重的地方。表2中显示，无论区域内土地利用和植被覆盖是何种类型，<5°的区域基本上不产生土壤侵蚀；随着坡度的增加，土壤侵蚀也随之增加，等达到一定坡度值后，土壤侵蚀开始呈下降趋势。该区土壤侵蚀主要发生在5°～15°之间的山区与平原交界带，此处人类活动频繁，存在大面积的坡耕地，而林地、园地和草地等人为破坏严重，导致土壤侵蚀分布集中，约占水土流失总面积的95.46%；15°～25°之间产生的土壤侵蚀是由坡度，径流速度和沟道共同影响的。因此，在低丘缓坡地带，注意进行坡耕地、“四荒”地等的改造，如完善田间水利设施配套、坡改梯工程等，稳定基本农田；对于>25°的区域，退耕还林还草、进行封禁保护，注重发挥大自然的自我调节和自我修复能力。

图1 江淮丘陵区坡度分布

表2 不同坡度与土壤侵蚀强度条件下的土地面积 km2

3.2.3 土壤侵蚀分布与植被覆盖度的关系植被在水土流失的诸多影响因素中是十分重要的因子。一切形式的植被覆盖，均可不同程度地抑制水土流失的发生[8,11]。林冠层、枯枝落叶层及林下灌草植被能够减弱降雨动能，防止地面击溅侵蚀；截留降雨，增加水分入渗及滞留贮存等。减少了地表径流，降低径流的冲蚀力，同时增加了地表粗糙度、改变局部坡度，降低了径流速度；改良土壤，提高土壤的抗蚀性和抗冲性。同时，植被覆盖度高的地方，土壤有良好的水分渗透性能，根系有强大的固土功能，可有效地控制土壤侵蚀的发生和发展[11]。由图2，表3可以得出，该区域植被覆盖度为15%～30%时，土壤侵蚀强度以中度侵蚀为主；植被覆盖度为30%～75%时，土壤侵蚀以轻度侵蚀为主；当植被盖度<15%，侵蚀面积很小，主要原因是该植被覆盖度下的土地利用类型以城镇村及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地为主。区域植被多为“小老树”，林草地占总面积的17.50%，其中疏幼林占林草地总面积34.42%。因此该区要保护现有植被，适宜地区适当改造“小老树”，建立乔灌草相结合的林草防护体系，坚持封育保护与营造水保林、农田防护林、人工种草相结合，扩大植被覆盖率。

图2 江淮丘陵区植被覆盖度分布

表3 不同植被覆盖度与土壤侵蚀强度条件下的土地面积 km2

3.2.4 土壤侵蚀分布与土壤类型的关系不同土壤类型的土层厚度、腐殖质层厚度及含量，土壤水分含量及肥力、质地、结构及石砾含量、酸碱度、盐碱含量，基岩和成土母质的种类与性质等都不相同，这些都会促进或抑制土壤侵蚀的发生发展[2,7]。

由表4可得，该区土壤侵蚀主要发生在黄棕壤、水稻土中的漂白水稻土亚类以及暗色土等，各土壤类型的侵蚀面积分别占侵蚀总面积的41.59%，12.03%和30.63%；从侵蚀强度来看，轻度及中度侵蚀在各个土壤类型都有分布，以发生在黄棕壤、水稻土、紫色土以及暗色土中为主，而强烈与极强烈侵蚀主要发生在白浆黄棕壤和不饱和紫色土中。这些土壤类型多土层浅薄黏重[6,9]，有机质含量少，抗蚀性低，且所处地势较高、坡度及起伏度较大，水流和风力作用强烈，再加之人为活动强烈[2]，导致土壤侵蚀较为严重。

表4 不同土壤类型与土壤侵蚀强度条件下各土类面积 km2

4 讨论与结论

(1) 江淮丘陵区水土流失面积为1 409.60 km2，约占总面积的10.20%，侵蚀强度以轻度侵蚀为主，局部以中度侵蚀为主。

(2) 土地利用类型、植被、坡度、土壤类型等环境因子共同影响土壤侵蚀的分布。暗色土、水稻土以及黄棕壤等土层浅薄粘重，有机质含量少，抗蚀性低，且所处地势较高、坡度及起伏度较大，水流和风力作用强烈，植被覆盖较低的地区，土壤侵蚀容易发生发展。坡度<5°的区域基本上不产生土壤侵蚀，以微度侵蚀为主，该区土壤侵蚀主要发生在5°～25°，其中5°～15°是山区与平原的交界带，人类活动频繁。耕地的侵蚀主要受坡度影响，因此主要发生在下垫面起伏度较大，条件较为恶劣的坡耕地；林地、园地、草地侵蚀不仅受坡度侵蚀的影响，还受到植被盖度的影响，主要发生在坡度相对较大，植被盖度较差的林地和荒草坡中。以上研究结果对确定水土保持重点区域，开展水土保持规划以及制定有针对性的水土流失防治措施提供参考和理论依据。

除了自然环境因子影响土壤侵蚀的格局，人类活动也是重要的影响因子。坡耕地的开发以及各类生产建设活动对江淮丘陵区的土壤侵蚀产生了重要的影响。由于以往对生产建设项目或活动监督管理薄弱等原因，在丘陵地分布区形成了较多的矿山废弃地，区域生态环境系统和水土保持功能受到严重破坏[1,8,18]。近年来，随着生态环境维护观念和建设力度的增强，虽然矿产资源的无序开采活动已被禁止，多数矿产资源开发区已经封禁保护，但受损生态环境系统和水土保持功能依然尚未得到有效恢复。目前各流域机构对于水土保持越来越重视，各项水土保持措施逐渐投入使用，应当注意其建后管护，紧握效益发挥的方法，并且进行定期巡查工作，及时制止和查处破坏水土保持设施的行为。

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