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(qiáng)
(1.山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位研究站, 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,山東 泰安 271018; 2.淮河水利委員會(huì) 淮河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站 安徽 蚌埠 233001)
黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)土地利用以耕地為主,是中國(guó)重要產(chǎn)糧基地,由于地處半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)[1],冬春季節(jié)干旱且風(fēng)速較大,加上黃河沖淤、泛濫和引黃灌溉,帶來(lái)豐富的沙物質(zhì)[2],使得該區(qū)域耕地上易出現(xiàn)風(fēng)沙活動(dòng),造成水土流失。風(fēng)蝕吹蝕土壤表層顆粒,使土壤養(yǎng)分流失,造成耕地生產(chǎn)力下降。為實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙、農(nóng)田防護(hù)的目的,該區(qū)域應(yīng)積極開(kāi)展耕地風(fēng)蝕研究。
耕地風(fēng)蝕受表土濕度、風(fēng)速、粗糙度等因素影響,因子變化造成侵蝕變化,但對(duì)于平原風(fēng)沙區(qū)而言,表土濕度、風(fēng)速等出現(xiàn)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(fēng)蝕的主要因素[3]。淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)耕種墾殖活動(dòng)頻繁,區(qū)域內(nèi)易出現(xiàn)土地利用變化,如耕地變?yōu)閳@地、林地和建設(shè)用地等,激化了該區(qū)耕地風(fēng)蝕的發(fā)生發(fā)展。因此,研究該區(qū)域內(nèi)的土地利用變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響具有重要的意義。
國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)蝕的研究多采用風(fēng)洞模擬試驗(yàn)和風(fēng)蝕模型的方法[4-9],國(guó)內(nèi)研究區(qū)域多集中在沙漠及其周圍的干旱區(qū)[4,7,9-11]。對(duì)于黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)風(fēng)蝕,相關(guān)研究始于20世紀(jì)末,朱震達(dá)[12]、李福興[13]對(duì)區(qū)域風(fēng)沙土特征及其分布規(guī)律進(jìn)行了探索研究,隨著遙感監(jiān)測(cè)、GIS技術(shù)的進(jìn)步,黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)風(fēng)蝕研究?jī)?nèi)容逐漸豐富,研究尺度逐漸細(xì)化,如王友勝[1]采用遙感與野外調(diào)查結(jié)合的方法,研究了淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)的風(fēng)水侵蝕格局及其驅(qū)動(dòng)因子;袁利等[8]借助侵蝕模型研究了同一區(qū)域的水土流失現(xiàn)狀與分布格局;宋勝明等[2,17]結(jié)合風(fēng)蝕定位觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了風(fēng)速、粗糙度等因子對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響。目前,黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)已開(kāi)展大尺度風(fēng)蝕研究,但縣域尺度土地利用對(duì)耕地風(fēng)蝕影響的研究?jī)?nèi)容仍較少。已有的關(guān)于土地利用變化[14-16]及對(duì)土壤侵蝕影響的研究[3,15-16]關(guān)注點(diǎn)多為水蝕區(qū),平原區(qū)、風(fēng)蝕區(qū)所受關(guān)注較少。因此,本研究選取淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)蘭考縣為研究對(duì)象,采用2018,2019年高分辨率遙感影像,分析土地利用、耕地風(fēng)蝕的年度動(dòng)態(tài)變化,并探索土地利用年度變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響。本研究可豐富黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)風(fēng)蝕研究成果,為耕地合理利用、制定區(qū)域水土流失治理對(duì)策提供參考。
淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)地形平坦,旱風(fēng)同季、雨熱同期,地表沙物質(zhì)豐富,風(fēng)蝕是造成區(qū)域內(nèi)水土流失的主要原因。蘭考縣位于預(yù)防區(qū)的中部、河南省東北部,地處黃河南岸,與東明縣、祥符區(qū)、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(jié)性氣候,四季分明,冬季平均風(fēng)速為1,71 m/s,春季平均風(fēng)速1.89 m/s,2月風(fēng)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(shì)西北偏高東南偏低;潮土和風(fēng)沙土、鹽土為主要土壤類型,質(zhì)地以砂壤土為主。植被以暖溫帶落葉闊葉林為主,如楊樹(shù)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(qū)域存在一年一熟制,冬季多閑置或留茬,是風(fēng)蝕易發(fā)生區(qū)域。
本研究中所用數(shù)據(jù)包括高分辨率遙感影像、風(fēng)速數(shù)據(jù)、粗糙度數(shù)據(jù)及表土濕度數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)。高分辨率遙感影像為2018,2019年兩期,由GF-1,GF-2和ZY-3衛(wèi)星影像拼接而成,分辨率為2 m,時(shí)相以12月為主;風(fēng)速數(shù)據(jù)為蘭考縣風(fēng)蝕定位觀測(cè)站及周邊縣市氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);粗糙度數(shù)據(jù)來(lái)自蘭考縣風(fēng)蝕定位觀測(cè)站一年一熟、一年兩熟樣地小區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);表土濕度數(shù)據(jù)(SMAP Level 3土壤濕度產(chǎn)品)來(lái)源于NASA網(wǎng)站(http:∥earthdata.nasa.gov/)。土壤數(shù)據(jù)為河南省土壤類型圖(1∶500 000),用于輔助分析。
2.2.1 土地利用解譯 依據(jù)蘭考縣兩期遙感影像的色彩、紋理、形狀等特征,參考《區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)定》中土地利用分類標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,借助ArcGIS 10.2,Google Earth等進(jìn)行人機(jī)交互解譯,生成用土地利用代碼(表1)表示的SHP圖層,進(jìn)而提取蘭考縣2018,2019年2 a的土地利用(2級(jí)類)數(shù)據(jù)。
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(dòng)態(tài)度指數(shù)、轉(zhuǎn)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(duì)比數(shù)據(jù),生成年度土地利用變化圖、年度土地利用轉(zhuǎn)移矩陣。
單一土地利用動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K1)可反映一定時(shí)間內(nèi)各土地利用類型的變幅和變速[19],計(jì)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(shí)間(年)。
2.3.1 耕地風(fēng)蝕量 本研究借助ArcGIS 10.2的Raster Calcularor功能,運(yùn)行第一次全國(guó)水利普查(風(fēng)蝕)中的耕地模型(式2),計(jì)算2018,2019年的耕地土壤侵蝕量:
(2)
式中:Qfa表示耕地風(fēng)蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕;W表示表土濕度因子(%);Tj表示一年內(nèi)風(fēng)蝕發(fā)生期間各風(fēng)速等級(jí)的累積時(shí)間(min);Z0表示地表粗糙度,無(wú)量綱;A表示與耕作措施有關(guān)的風(fēng)速修訂系數(shù),無(wú)量綱,取值0.893;Uj表示j等級(jí)的平均風(fēng)速(m/s);j表示風(fēng)速等級(jí)序號(hào),耕地臨界侵蝕風(fēng)速為5 m/s,在5~40 m/s內(nèi)按1 m/s為間隔劃分為35個(gè)等級(jí);a1,b1,c1是與土壤類型有關(guān)的常數(shù),無(wú)量綱,分別取值-9.208,0.018,1.955。
(1) 風(fēng)力因子。據(jù)蘭考縣風(fēng)蝕定位站及周邊縣市2013—2019年風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù),按1 m/s的間隔統(tǒng)計(jì)臨界侵蝕風(fēng)速以上各等級(jí)風(fēng)速的累積時(shí)間,生成24個(gè)半月10 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。
(2) 地表粗糙度因子。依據(jù)蘭考縣風(fēng)蝕定位觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合野外調(diào)查中對(duì)農(nóng)作物類型、蓋度及高度的調(diào)查結(jié)果,對(duì)一年一熟、一年兩熟制的耕地進(jìn)行粗糙度賦值,生成24個(gè)半月10 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。
(3)表土濕度因子。對(duì)2015—2018年SMAP Level 3數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,相同半月數(shù)據(jù)取平均,得24個(gè)半月10 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)。2015—2017年數(shù)據(jù)取平均用于2018年土壤侵蝕量計(jì)算,2015—2018年數(shù)據(jù)用于2019年土壤侵蝕量計(jì)算。
計(jì)算所得的Qfa依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)[20]進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度判定,得蘭考縣2018,2019年耕地風(fēng)蝕圖。
2.3.2 侵蝕動(dòng)態(tài)變化 借助侵蝕動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K2)、侵蝕變化圖、侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣分析蘭考縣侵蝕動(dòng)態(tài)變化情況。將2018,2019年耕地風(fēng)蝕圖進(jìn)行對(duì)比、疊加分析,生成侵蝕變化圖、侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣。
侵蝕動(dòng)態(tài)度指數(shù)(K2)可反映某時(shí)間段各級(jí)侵蝕的變幅,計(jì)算公式為:
(3)
式中:Sa,Sb表示研究始、末各級(jí)侵蝕的分布面積;T表示研究時(shí)間(a)。
3.1.1 土地利用現(xiàn)狀 根據(jù)所得蘭考縣土地利用類型面積(表2)和轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可知,蘭考縣土地利用以耕地為主,其次為建設(shè)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(shè)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(wú)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(xiàn)土地利用類型變化的區(qū)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?yōu)?84.09 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?yōu)?6.36 km2,增加5.24 km2;草地面積增加3.08 km2;水域及水利設(shè)施用地面積增加2.33 km2;建設(shè)用地面積增加2.22 km2;園地面積減少1.22 km2;交通運(yùn)輸用地面積減少0.7 km2;其他土地面積最少,為0.1 km2。在動(dòng)態(tài)度方面,草地變化幅度最大,動(dòng)態(tài)度為148.08%;其次為林地、園地,動(dòng)態(tài)度分別為6.46%,-5.94%;耕地雖面積變化較大,但分布較多,動(dòng)態(tài)度僅為-1.59%。變化區(qū)域在全縣均有分布,西部和北部相對(duì)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?yōu)?78.29 km2(占全縣面積60.78%),減少10.64 km2,動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)移矩陣 km2
由土地利用轉(zhuǎn)移矩陣(表3)可知,水澆地轉(zhuǎn)出面積為16.28 km2,轉(zhuǎn)入面積為5.64 km2。水澆地的變化中,面積最大為水澆地變?yōu)槠渌值?,面積為7.19 km2,造成此變化的原因是高速公路兩側(cè)土地由種植農(nóng)作物改為綠化苗木,主要分布在孟寨鄉(xiāng)、儀封鄉(xiāng)、爪營(yíng)鄉(xiāng)(圖1);其次為水澆地變?yōu)椴傻V用地,面積2.78 km2,原因是建設(shè)用地?cái)U(kuò)建,在農(nóng)田上進(jìn)行生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng),出現(xiàn)擾動(dòng),主要出現(xiàn)在城關(guān)鎮(zhèn)和許河鄉(xiāng);而水澆地變?yōu)槿斯つ敛莸貏t是由畜牧公司承包河岸農(nóng)田用于種植牧草導(dǎo)致,面積1.79 km2,主要集中出現(xiàn)在谷營(yíng)鎮(zhèn);有林地、果園變?yōu)樗疂驳厥怯赏恋刈魑镒兏斐?,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
3.2.1 侵蝕現(xiàn)狀 蘭考縣耕地風(fēng)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(xiāng)、葡萄架鄉(xiāng)、谷營(yíng)鎮(zhèn)的西北部、張君墓鎮(zhèn)南部和西部以及三義寨鄉(xiāng)的南部。易發(fā)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(fēng)沙土的分布區(qū)域。建造大棚或覆蓋地膜種植作物的耕地上無(wú)侵蝕;冬春季侵蝕強(qiáng)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(fēng)蝕面積分布
圖3 蘭考縣耕地風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)變化特征
3.2.2 侵蝕動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)度1.17%;輕度侵蝕減少17.04 km2,動(dòng)態(tài)度為-12.13%,水土流失面積減少。侵蝕強(qiáng)度增加區(qū)域主要在儀封鄉(xiāng)、葡萄架鄉(xiāng),侵蝕強(qiáng)度下降區(qū)域主要在儀封鄉(xiāng)、張君墓鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、三義寨鄉(xiāng)、谷營(yíng)鎮(zhèn)、東壩頭鄉(xiāng)等區(qū)域。
運(yùn)用ArcGIS 10.2的Tabulate Area工具,選定土地利用與侵蝕均發(fā)生變化的區(qū)域,將耕地風(fēng)蝕變化圖、土地利用變化圖疊加分析,統(tǒng)計(jì)矩陣數(shù)據(jù),分析得到土地利用年度變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響結(jié)果(表4)。
表4 蘭考縣2018-2019年土地利用變化、土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化對(duì)應(yīng)關(guān)系
土地利用變化會(huì)造成耕地風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)變化,水澆地的變化對(duì)耕地風(fēng)蝕存在直接影響,兩者存在以下3種關(guān)系:①水澆地轉(zhuǎn)為水田、果園、有林地、其他林地、人工牧草地、其他草地、沙地時(shí),耕地風(fēng)蝕面積可能減少,其他類型風(fēng)蝕面積增加,侵蝕強(qiáng)度降低,該變化區(qū)域涉及風(fēng)蝕減少1.78 km2。②水澆地轉(zhuǎn)為城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村建設(shè)用地、采礦用地、其他交通用地和河湖庫(kù)塘?xí)r,耕地風(fēng)蝕面積可能減少,該變化區(qū)域涉及風(fēng)蝕減少1.58 km2。③水田、果園、有林地、農(nóng)村建設(shè)用地、采礦用地轉(zhuǎn)為水澆地時(shí),耕地風(fēng)蝕分布面積可能增加,該變化區(qū)域涉及風(fēng)蝕增加0.98 km2。
當(dāng)水澆地變?yōu)槠渌恋乩梅绞綍r(shí),耕地風(fēng)蝕分布面積減少,侵蝕強(qiáng)度降低,耕地風(fēng)蝕出現(xiàn)積極變化;當(dāng)林園草地變?yōu)樗疂驳貢r(shí),耕地風(fēng)蝕面積增加,侵蝕模數(shù)升高;當(dāng)水田、建設(shè)用地等變?yōu)樗疂驳貢r(shí),無(wú)風(fēng)蝕的區(qū)域出現(xiàn)微度或輕度風(fēng)蝕,且耕地風(fēng)蝕面積增加。水澆地轉(zhuǎn)出使侵蝕多產(chǎn)生積極動(dòng)態(tài)變化,轉(zhuǎn)入使侵蝕產(chǎn)生消極動(dòng)態(tài)變化。
(1) 蘭考縣主要土地利用類型為耕地、林地和建設(shè)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?yōu)槠渌值?,面積為7.19 km2;水澆地轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入。對(duì)比王友勝[1]、袁利等[8]對(duì)淮河流域黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)土地利用的研究,本研究結(jié)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(xiàn)狀及其空間分布特征,研究區(qū)域細(xì)化,且增加了年度土地利用變化內(nèi)容,研究?jī)?nèi)容更加豐富。
(2) 蘭考縣耕地風(fēng)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(xiāng)、葡萄架鄉(xiāng)等地。2018—2019年,輕度侵蝕面積減少17.04 km2。對(duì)比其他相關(guān)研究[1,8,21],區(qū)域內(nèi)風(fēng)蝕強(qiáng)度主要為微度和輕度,本研究中耕地風(fēng)蝕特征與之一致,但研究區(qū)域尺度細(xì)化,還分析了侵蝕的年度動(dòng)態(tài)變化,數(shù)據(jù)更為直觀。
(3) 蘭考縣水澆地變化直接影響耕地風(fēng)蝕。當(dāng)水澆地轉(zhuǎn)為水田、林園草地及沙地,耕地風(fēng)蝕面積減少,侵蝕強(qiáng)度降低;水澆地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地、其他交通用地和河湖庫(kù)塘,區(qū)域內(nèi)無(wú)風(fēng)蝕;當(dāng)水田、林園地、建設(shè)用地轉(zhuǎn)為水澆地,耕地風(fēng)蝕面積增加,侵蝕強(qiáng)度升高。
本研究分析了豫東北黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)典型縣——蘭考縣土地利用、耕地風(fēng)蝕的分布規(guī)律及其動(dòng)態(tài)變化特征,探索了年度土地利用變化對(duì)耕地風(fēng)蝕的影響,總體結(jié)論與同類研究相比具有一定可信度,可為黃泛平原風(fēng)沙預(yù)防區(qū)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供相關(guān)依據(jù)。但水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步,風(fēng)蝕相關(guān)內(nèi)容關(guān)注度仍在提高,研究?jī)?nèi)容可進(jìn)一步豐富和補(bǔ)充。