高艷麗, 李紅波

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院, 武漢 430070

景觀格局與生態(tài)過程的相互關(guān)系是景觀生態(tài)學(xué)中的重要研究內(nèi)容[1],而景觀格局指數(shù)是描述景觀空間組織結(jié)構(gòu)的重要工具[2]。隨著景觀生態(tài)學(xué)與空間信息分析方法的發(fā)展,景觀格局指數(shù)逐漸應(yīng)用到土壤侵蝕中,用于探究景觀格局變化對土壤侵蝕的影響[3]。土壤侵蝕造成區(qū)域水土流失,植被退化,嚴重威脅區(qū)域生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展,是一個世界性的難題[4]。習總書記說過“既要金山銀山,又要綠水青山”,“保護生態(tài)環(huán)境就是保護生產(chǎn)力,改善生態(tài)環(huán)境就是發(fā)展生產(chǎn)力”。針對土壤侵蝕這一嚴重制約全球經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展的問題[5],探究景觀格局變化如何影響土壤侵蝕程度,對區(qū)域防治水土流失,改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

土壤侵蝕是一個綜合性的過程,它的發(fā)生受到降雨、地形、植被變化等多重因素共同影響[6- 7]。饒恩明和肖燚通過對四川省土壤保持功能的影響因素進行分析,發(fā)現(xiàn)地形因子、降雨因子和土壤因子對土壤保持功能有顯著的正向作用[8]。鐘莉娜等以黃土高原為研究區(qū),分析了降雨和土地利用格局對土壤侵蝕的影響,發(fā)現(xiàn)隨著流域面積增加,降雨對土壤侵蝕的影響減小,但土地利用格局對其影響增大[9]。肖繼兵等通過模擬不同降雨強度對不同坡度農(nóng)作物的徑流量與侵蝕量影響,探究降雨和植被對坡耕地的土壤侵蝕影響[10]。除卻上述因素,景觀格局變化對土壤侵蝕的影響意義深遠[11- 12]。李婷等[13]針對丹江流域,探討了土地利用類型轉(zhuǎn)變對土壤侵蝕的影響,發(fā)現(xiàn)地表景觀格局變化會引起土壤侵蝕強度的變化。其他學(xué)者也證實了這一點,比如林地轉(zhuǎn)換為耕地和草地可以加劇土壤侵蝕的程度[14],而坡耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸乜梢詼p少土壤侵蝕的影響[15]。土地利用變化直接導(dǎo)致景觀格局的改變,而景觀格局變化對生態(tài)過程的影響是景觀生態(tài)學(xué)中的重要內(nèi)容[16]。因此,在流域尺度上,認識和把握景觀格局變化對土壤侵蝕的影響具有重要意義。

漢江中上游山高坡陡,土薄石厚且降水量大,土壤被侵蝕后極易形成沙礫或礫質(zhì)劣地,水土流失危害嚴重[17],不僅危害當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展,還影響南水北調(diào)中線工程的順利實施,因此土壤侵蝕治理是漢江流域當前的重要問題。目前針對景觀格局與水土流失的研究多集中在黃土高原區(qū)域,對漢江流域土壤侵蝕的研究很少,且大多文獻僅是對景觀格局與土壤侵蝕進行空間疊加分析或相關(guān)系數(shù)分析[18- 22]。因此,選取水土流失嚴重的漢江流域上中游區(qū)域,運用中國土壤流失方程(CSLE)分析土壤侵蝕空間分布狀況,利用Fragstats軟件探索2000—2015年漢江流域景觀格局演化機制,并用逐步回歸法研究景觀格局與土壤侵蝕的相關(guān)關(guān)系,為漢江流域水土流失改善和治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域

漢江流域上中游位于陜西省南部,在陜西境內(nèi)由西向東穿行于北部的秦嶺山地與南部米倉山、大巴山之間,地形起伏大,峽谷盆地交錯分布,流域面積為95004.986 km2,約占整個漢江流域60%。海拔高度為99—2947 m,氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L性氣候。河流支流眾多,大多屬于山溪性河流,河床狹窄,水流湍急,加之降水主要集中在夏季,因此暴雨、洪澇災(zāi)害頻發(fā)。漢江中游丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源地,也是中國重要的水源保護區(qū)之一。隨著長江經(jīng)濟帶城鎮(zhèn)化進程推進和南水北調(diào)工程的實施,漢江上中游流域的生態(tài)環(huán)境遭到嚴重威脅,植被退化,水土流失嚴重,泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),水土流失及荒漠化的危害程度遠比黃土高原直接和嚴重。本研究主要關(guān)注漢江流域上中游,該區(qū)域既是丹江口水庫的水源地,又是漢江和丹江的源頭區(qū),生態(tài)與經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略地位顯著。

圖1 漢江流域示意圖Fig.1 The location of Hanjiang River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)主要包括：①土地利用分類數(shù)據(jù)：來源于地理空間數(shù)據(jù)云 (http://www.giscloud.cn/) Landsat 5 TM (2000,2005,2010年)和Landsat 8 OLI(2015年)四期影像,之后用ENVI 5.1進行人工解譯,得到Kappa系數(shù)大于80%且空間分辨率為 30 m的土地利用分類圖；②氣象觀測數(shù)據(jù),選取2000—2015年漢江流域37個氣象站點的日降雨量數(shù)據(jù),來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)；③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),分辨率為1 km(http://westdc.westgis.ac.cn/)；④歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)：來自中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心,分辨率為1km (http://www.resdc.cn/)；⑤ 數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)：采用 ASTER Global Digital Elevation Model (ASTER GDEM)數(shù)據(jù),來自地理空間數(shù)據(jù)云,分辨率為30 m(http://www.giscloud.cn/)。將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一到WGS_1984_UTM_Zone_49N投影坐標系下再進行計算。

2 研究方法

2.1 土壤侵蝕計算

本文運用劉寶元[23]基于通用土壤流失方程(USLE)提出的中國土壤侵蝕模型(CSLE)來計算漢江流域年均土壤侵蝕量：

A=R×K×LS×C×P×T

(1)

式中，A為土壤侵蝕量(t hm-2a-1)；R為降雨侵蝕力因子(MJ mm hm-2h-1a-1)；K為土壤可蝕性因子(t h MJ-1mm-1)；LS為坡長坡度因子；C為植被覆蓋和管理因子；P為工程措施因子；T為耕作措施因子。

2.1.1降雨侵蝕力因子計算(R)

通過各種方法的比較,本文選用章文波[24]日降雨量降雨侵蝕力公式。采用漢江流域2000—2015年37個氣象站的逐日降雨量數(shù)據(jù),具體公式如下：

(2)

(3)

α=21.586β-7.1891

(4)

式中Mi為第i個半月的降雨侵蝕力值(MJ mm hm-2a-1),Dj是半個月內(nèi)第j天降雨量,要求Dj大于等于12 mm,這是國內(nèi)通用的計算降雨侵蝕力的標準[25- 26]。K是研究期內(nèi)半月的時段數(shù),每月分為兩個半月研究時段,全年共24個時段；α和β是模型參數(shù),Pd12為日降雨量大于等于12 mm的日均降雨量,Py12為日降雨量大于等于12 mm年均降雨量。按照上述公式計算逐年各半月的降雨侵蝕力,然后匯總得到年降雨侵蝕力,最后在Arcgis10.2軟件中,運用反距離權(quán)重法對年降雨量進行插值,即可得到降雨侵蝕力因子圖。

2.1.2土壤可蝕性因子計算(K)

本文采用Williams等[27]提出的方法,根據(jù)土壤有機碳數(shù)據(jù)和土壤顆粒組成數(shù)據(jù)計算K因子。

2.1.3坡長坡度因子計算(LS)

坡度因子的算法是對Mccool等[28]和Liu等[29]提出的坡度算法的改良；坡長因子的計算,是參考Wischmeier和Smith[30]提出的經(jīng)驗公式。根據(jù)漢江流域DEM(Digital Elevation Model)數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2軟件中提取坡長坡度因子：

L=(λ/22.1)α

(6)

(7)

α=β/(1+β)

(8)

β=(sinθ/0.089)/(3.0sinθ0.8+0.56)

(9)

式中,L為坡長因子；S為坡度因子；θ為DEM數(shù)據(jù)提取出的坡度值；α、β分別為坡度指數(shù)和細溝侵蝕與面蝕的比值。

2.1.4植被覆蓋和管理因子(C)

植被覆蓋和管理因子是指在其他條件相同時,某一特定作物或植被覆蓋的土壤流失量與裸地土壤流失量的比值,取值范圍在0到1間,反映了植被或作物管理措施對土壤流失量的影響。本文采用像元二分法模型計算植被覆蓋度(Fraction vegetation coverage, FVC)[31]：

FVC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

(10)

式中,FVC為植被覆蓋度,NDVI為歸一化植被指數(shù),NDVImax表示完全由植被覆蓋的像元的NDVI值,NDVImin表示裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值,這兩個參數(shù)由置信區(qū)間的最大值和最小值確定,即累計頻率為99.5%的NDVI值為NDVImax值,累計頻率為0.5%的NDVI值為NDVImin[32]。

求出植被覆蓋度(FVC)后,根據(jù)漢江流域?qū)嶋H情況并參考謝紅霞[33]的研究成果,對不同植被覆蓋度下的土地利用類型賦予不同的C值。由于未利用地在漢江流域中面積占比極小(僅占0.6%)且空間分布零散,在影像圖中基本看不到,因此本文土壤侵蝕量不包括未利用地的計算：

表1 漢江流域不同土地利用類型的植被覆蓋和管理因子

2.1.5水土保持措施因子(P)

水土保持措施因子是指實施水土保持措施下的土壤流失量與未實施水土保持措施下土壤流失量之比。漢江流域總流域面積為95004.986 km2,想對流域2000—2015年的所有工程措施進行了解很難實現(xiàn),因此參考他人針對流域的研究進行取值[34- 35],建設(shè)用地和水域取0,耕地取0.4,其余用地類型為1。

2.1.6耕作措施因子(T)

耕作措施因子參考謝紅霞的研究成果[33],即根據(jù)不同坡度下等高耕作減少土壤流失的方法來確定：

表2 不同坡度下耕作措施因子

2.2 景觀格局指數(shù)計算

景觀格局指數(shù)分為類型水平指數(shù)、斑塊水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)[36]。斑塊水平指數(shù)通常作為計算其他指數(shù)的基礎(chǔ),相較類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)的解釋價值較小[37]。因此本文選用類型水平指數(shù)和景觀水平指數(shù)對漢江流域上中游2000—2015年的景觀格局變化進行分析。在景觀水平上,選取斑塊數(shù)量(NP)、平均斑塊面積(AREA_MN)、平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN)、平均鄰接度指數(shù)(CONTIG_MN)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、平均分維度指數(shù)(FRAC_MN)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)7個指標。在類型水平上,選取斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、斑塊類型面積(CA)、聚合度指數(shù)(AI)、景觀百分比(PLAND)、最大斑塊指數(shù)(LPI)和斑塊邊緣密度(ED)7個指標,共計14個指標進行分析。

2.3 回歸分析法

為探究景觀格局變化對土壤侵蝕的影響程度,本文通過研究景觀生態(tài)學(xué)意義,從景觀格局指數(shù)中選取10個與生態(tài)水文密切相關(guān)的指數(shù)作為自變量,漢江流域37個縣域土壤侵蝕量作為因變量進行逐步回歸分析。首先用ArcGIS10.2軟件對漢江流域37個縣市進行分區(qū)統(tǒng)計,求得不同年份各個縣市的土壤侵蝕量平均值作為回歸方程中的因變量,再用Fragstats 4.2軟件計算出各個縣市的景觀格局指數(shù)作為自變量,最后借助STATA軟件對土壤侵蝕與景觀格局進行逐步回歸分析,探究流域尺度景觀格局對土壤侵蝕的影響。選取的10個指標分別為最大斑塊指數(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、平均鄰接度指數(shù)(CONTIG_MN)、蔓延度指數(shù)(CONTAG)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、聚合度指數(shù)(AI)、香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)、香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)、斑塊數(shù)量(NP)、平均分維度指數(shù)(FRAC_MN)。

3 結(jié)果分析

3.1 土壤侵蝕分析

3.1.1土壤侵蝕量時空變化特征

漢江流域上中游屬于西南山石地區(qū),根據(jù)中國水利部頒發(fā)的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)[38],該區(qū)域?qū)儆谒η治g區(qū)域,因此土壤侵蝕量劃分為6個等級,見下表：

表3 漢江流域土壤侵蝕強度分級

根據(jù)計算結(jié)果(圖2)可知,在2000—2015期間,漢江流域年均土壤侵蝕量顯著下降,由2000年的8327.52 t hm-2a-1下降到2015年的2677.51 t hm-2a-1。2000年和2005土壤侵蝕量空間格局分布相似。高值區(qū)均分布在以西鄉(xiāng)縣、白河縣、鎮(zhèn)巴縣和鎮(zhèn)坪縣圍成的矩形范圍內(nèi),低值區(qū)分布在流域東側(cè)的十堰市中,包括西峽縣、丹江口市、張灣區(qū)和茅箭區(qū)。2010年均土壤侵蝕量3763.38t hm-2a-1,比2005年下降47.03%,土壤劇烈侵蝕量下降,空間分布上呈現(xiàn)出中部侵蝕嚴重,東西部侵蝕較弱。2015年土壤侵蝕量進一步減少,空間分布格局與2010年相似,流域中部土壤侵蝕量較之前明顯下降,侵蝕類型主要以微度和輕中度侵蝕為主。

為了能夠規(guī)范農(nóng)產(chǎn)品市場、讓農(nóng)民的利益不遭到過大的損害，由政府出面對農(nóng)產(chǎn)品設(shè)置一個最低價格，當某種農(nóng)產(chǎn)品市場產(chǎn)能過剩的時候，其市場價格必須保證在政府設(shè)置的價格之上[2]。而這種支持價格方式主要通過無追索權(quán)貸款來實施。所謂無追索權(quán)貸款主要指由相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品信貸公司向各農(nóng)場主進行短期放貸，如果在短期貸款到期時，農(nóng)場主種植的農(nóng)產(chǎn)品市場價格比貸款率更高，那么由農(nóng)場主自行賣出農(nóng)產(chǎn)品，然后歸還貸款費用。如果在短期貸款到期時，農(nóng)場主種植的農(nóng)產(chǎn)品市場價格比貸款率更低，農(nóng)場主可以選擇將農(nóng)產(chǎn)品轉(zhuǎn)讓，不需要還相應(yīng)的貸款，并且不用承擔任何責任。在這里所提到的貸款率主要指政府確定的最低市場價格。

結(jié)合土地利用分類圖(圖3)可知,土壤侵蝕高值區(qū)的土地利用類型主要為草地,例如紫陽縣、旬陽縣和嵐皋縣分布著許多牧場與農(nóng)畜產(chǎn)品基地,放牧使得草地植被覆蓋率變低,截水能力和滲透能力較弱,故土壤侵蝕強度大；而土壤侵蝕低值區(qū)的主要用地類型是林地和耕地,包括流域東部的西峽縣、淅川縣、丹江口市、竹山、竹溪縣,流域西部城固縣和漢臺區(qū)(耕地),以及流域北部的寧陜縣(林地)。這是因為林地植被覆蓋程度高,樹葉截水能力和土壤滲透力都較強,而耕地是人類干擾最多的土地類型,一般設(shè)有防護水土流失的耕作措施,因此林地和耕地土壤侵蝕程度低；此外,土壤侵蝕低值區(qū)中,流域東側(cè)的西峽縣和淅川縣屬于國家重要糧食生產(chǎn)基地,耕地質(zhì)量高,土壤持水力強,因此土壤流失量少。

除卻上述原因,南水北調(diào)工程的實施也是影響漢江流域土壤侵蝕的重要原因。南水北調(diào)中線工程的水源地為丹江口水庫,該項目從2000年開始建設(shè)。2000—2010年間是南水北調(diào)工程建設(shè)時期,工程實施對該區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成破壞,再加上該區(qū)域降雨量多,水土流失嚴重,因此2000和2005年丹江口周圍的淅川縣、鄖縣和丹江口市北部地區(qū)土壤侵蝕有強烈侵蝕和極強烈侵蝕。2010年3月中線工程基本完成,之后國家對該區(qū)域進行一系列生態(tài)整治,建設(shè)漢江生態(tài)經(jīng)濟帶,對漢江流域的生態(tài)環(huán)境進行改善,并取得了良好的效果,因此2010—2015年丹江口水庫周圍土壤侵蝕明顯下降,以微度侵蝕為主。

圖2 土壤侵蝕時空變化圖Fig.2 Spatiotemporal distribution and change of soil erosion

圖3 土地利用分類圖Fig.3 The map of land use type

3.1.2土地利用與土壤侵蝕

根據(jù)土壤侵蝕計算結(jié)果,由于建設(shè)用地和水域中土壤侵蝕為0,歸類于微度侵蝕。因此本文僅分析耕地、林地和草地的土壤侵蝕等級。表4為不同地類下各等級土壤侵蝕量占該地類總侵蝕量的面積比值。

從表4可知,在2000—2015年間,各地類的土壤侵蝕等級中微度侵蝕面積最大,占據(jù)主導(dǎo)地位。在耕地土壤侵蝕類型中,微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積都在增加,尤其是輕度侵蝕和中度侵蝕類型,2015年比2000年分別增加47.40%和38.21%。極強烈侵蝕面積一直在減少,從2000年的12.67%減少到2015年的8.97%。劇烈侵蝕在2000年(18.67%)和2005年(20.43%)面積占比較高,是所有侵蝕等級中第二大侵蝕類,2010年明顯下降(5.13%),2015年耕地劇烈侵蝕面積占比最??；林地是漢江流域中優(yōu)勢地類,占流域總面積的41.80%,其主要侵蝕類型為微度侵蝕。從2000—2015年林地微度侵蝕面積占比從65.87%增加到2015年的94.23%,主要是林地中其他嚴重侵蝕等級占比轉(zhuǎn)為微度侵蝕所致。除卻微度侵蝕,其余侵蝕類型在研究期間下降速度均大于70%,說明林地在防治侵蝕中扮演著重要角色；草地占地面積僅次于林地,其微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕類型呈增加趨勢,而強烈侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕呈減少趨勢。2000年草地土壤劇烈侵蝕占比較大(18.29%),僅次于微度侵蝕(28.65%)。草地各侵蝕類型中增長率最快的為輕度侵蝕(117.82%),侵蝕面積中減少最快的為劇烈侵蝕,15年間減少了81.90%。

表4 不同地類土壤侵蝕等級面積占比/%

3.1.3地形與土壤侵蝕

坡度是地形地貌的重要因子之一,同時也是影響土壤侵蝕的重要因素[39]。根據(jù)漢江流域DEM圖提取出流域坡度圖,并按照每10°的坡度范圍進行劃分,之后分別統(tǒng)計不同坡度下各類土壤侵蝕面積。結(jié)果顯示不同坡度范圍內(nèi)的不同類別土壤侵蝕面積占比隨時間變化很小,因此用四年土壤侵蝕面積占比的平均值進行分析,如下表：

綜上,微度侵蝕和輕度侵蝕最大值發(fā)生在10—20°之間,其余侵蝕地類的最大值位于20—30°之間。在各個坡度范圍內(nèi),微度侵蝕占據(jù)主導(dǎo)地位。當坡度大于30°時,所有等級土壤侵蝕面積都開始下降,這表明漢江流域土壤侵蝕存在臨界坡度,范圍在10—30°之間。坡度大于60°時,基本不發(fā)生土壤侵蝕。

3.2 漢江流域景觀格局分析

3.2.1景觀水平格局指數(shù)分析

本文用Fragstats 4.2軟件計算漢江流域2000—2015年的景觀格局指數(shù)(表6)。根據(jù)結(jié)果可知2000—2015年間,漢江流域斑塊數(shù)量(NP)增加13.13%,NP值越大說明景觀破碎化程度越高。平均斑塊面積(AREA_MN)下降11.61%,該指標越小代表景觀破碎化程度越大。而代表形狀指標的平均形狀指數(shù)(SHAPE_MN),平均分維度指數(shù)(FRAC_MN)有輕微減少,說明漢江流域的景觀斑塊形狀趨于穩(wěn)定,受人類干擾較多。景觀平均鄰接度指數(shù)(CONTIG_MN)輕微下降,說明各景觀斑塊與其他景觀斑塊之間的連接減少,景觀分散。此外,香農(nóng)多樣性指數(shù)(SHDI)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)反映景觀分布的均勻程度,值越大說明景觀類型分布越均勻。SHDI和SHEI的數(shù)值基本沒有變化,且SHEI指數(shù)為0.64,說明漢江流域景觀斑塊分布均勻,景觀多樣性趨于穩(wěn)定。

表5 不同坡度范圍下土壤侵蝕面積占比/%

表6 漢江流域景觀水平指數(shù)

3.2.2類型水平格局指數(shù)分析

類型水平上的景觀格局指數(shù)見表7。在2000—2015年間,從斑塊類型面積(CA)可知,林地和耕地的面積在減少,其余用地面積增加,其中草地增加面積最多、建設(shè)用地次之、水域和未利用地的面積增加較少；景觀百分比(PLAND)和最大斑塊指數(shù)(LPI)代表斑塊優(yōu)勢度,林地的PLAND和LPI最大,說明林地是漢江流域的優(yōu)勢地類,其次是草地和耕地,這兩個指數(shù)在時間變化趨勢上與斑塊類型面積(CA)變化一致；斑塊密度(PD)代表景觀破碎化程度,其值越大,代表景觀破碎化程度越高,所有地類中耕地的斑塊密度最大,在0.38-0.45之間,說明耕地的破碎化程度相對較高,這是由于隨著經(jīng)濟發(fā)展,耕地因城市擴張與人類活動,多被侵占為建設(shè)用地和養(yǎng)殖基地,其破碎化程度增加,連通性降低；此外,各地類的邊緣密度(ED)變化很小,說明景觀邊緣異質(zhì)性?。欢莸睾透氐陌邏K形狀指數(shù)(LSI)明顯高于其他地類,說明這兩種地類斑塊形狀較其他地類復(fù)雜,邊界割裂的程度高,景觀破碎程度大,而林地的斑塊形狀相對簡單且時間變化很??；聚合度指數(shù)(AI)除了未利用地從90.605減少到87.167,其余地類基本未發(fā)生變化,這說明區(qū)域整體的景觀分布均勻,趨于穩(wěn)定,與上述景觀水平指數(shù)得出的結(jié)果一致。

3.3 景觀格局變化對土壤侵蝕的影響

將提取的漢江流域37個縣市土壤侵蝕量作為因變量,相應(yīng)各縣市的景觀格局指數(shù)作為自變量,應(yīng)用STATA軟件對漢江流域2000—2015年間景觀格局指數(shù)和土壤侵蝕量做逐步回歸分析,以顯著性小于0.1為標準對景觀格局指數(shù)進行篩選,結(jié)果如表8：

漢江流域土壤侵蝕量與斑塊密度(PD)呈正相關(guān),即斑塊密度越大,土壤侵蝕量越大。斑塊密度代表景觀破碎化程度,當PD變大時,景觀破碎化程度變大,景觀分散性增強,對土壤的阻滯作用減弱,土壤容易遭受侵蝕。當PD越低,景觀破碎化程度越低,同類景觀之間的連通性增強,不僅有利于動植物繁衍生長,還能有效阻止水土流失。

表7 類型水平景觀格局指數(shù)

漢江流域土壤侵蝕量與蔓延度指數(shù)(CONTAG)呈負相關(guān)。CONTAG是指景觀中不同斑塊類型的集聚程度或延展程度,該指數(shù)中包含空間信息,是描述景觀格局的重要指數(shù)之一。高蔓延度指數(shù)反映景觀中某種優(yōu)勢地類具有良好的連接性,隨著景觀斑塊連接性增大,徑流量明顯減少,土壤侵蝕也顯著下降,這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[41- 42]。低蔓延度代表景觀破碎化程度高,景觀物種內(nèi)部的繁衍與景觀整體的生態(tài)維護受到影響,土壤侵蝕量增加。

土壤侵蝕量與平均鄰接度指數(shù)(CONTIG_MN)呈正相關(guān)。景觀平均鄰接度指數(shù)反映同類型斑塊間的鄰近程度,當景觀平均鄰接度指數(shù)增加時,該景觀類型斑塊間的相鄰邊界增加,景觀之間連通性增強,說明該區(qū)域單一景觀占比增加,單一景觀對土壤保持能力較弱,因此土壤侵蝕程度增加。反之,當景觀平均鄰接度指數(shù)減少時,區(qū)域景觀多樣性增加,土壤侵蝕降低。

土壤侵蝕與香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)呈負相關(guān)。香農(nóng)均勻度指數(shù)是我們比較不同景觀或同一景觀不同時期多樣性的一個重要指標。SHEI較小時斑塊優(yōu)勢度較高,說明區(qū)域中有一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢斑塊占主導(dǎo)地位,此時水土保持能力較弱；當SHEI越大時景觀類型優(yōu)勢度越低,說明景觀中沒有明顯的優(yōu)勢類型,各類型景觀分布均勻,景觀豐度增加,對泥沙有顯著的阻滯作用,能有效防止土壤流失。

表8 景觀水平指數(shù)與土壤侵蝕的回歸模型參數(shù)

4 討論

通過中國通用土壤流失方程和逐步回歸法探究了景觀格局變化對土壤侵蝕的影響。研究發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕是多種社會因素和自然因素共同作用的結(jié)果。從2000年到2015年,漢江流域林地和耕地面積減少,其余四類用地面積有不同程度的增加。減少的林地主要轉(zhuǎn)化為草地,其次轉(zhuǎn)化為耕地。而耕地主要轉(zhuǎn)化為草地和建設(shè)用地。草地的轉(zhuǎn)入面積最大,景觀邊緣密度(ED)高,破碎化程度較高,因此土壤侵蝕最為強烈。耕地轉(zhuǎn)入轉(zhuǎn)出面積也較大,且斑塊密度(PD)和斑塊形狀指數(shù)(LSI)均高于其他地類,景觀破碎化程度較高,但由于耕地受人類活動影響較大,因此土壤侵蝕量小于草地。林地主要為轉(zhuǎn)出面積,轉(zhuǎn)入面積較少,斑塊形狀變化較小,景觀分布均勻穩(wěn)定,土壤侵蝕量最小。

除卻土地利用變化因素外,降雨是影響土壤侵蝕程度的重要自然因素之一[43]。降雨侵蝕力反映了由降雨帶來的土壤侵蝕力,計算方法見公式(2)—(4)。降雨侵蝕力因子圖(圖4)顯示,2000—2015年均降雨侵蝕力呈下降趨勢。2000年降雨侵蝕力因子的高值區(qū)分布在流域南部的鎮(zhèn)巴縣、紫陽縣、嵐皋縣和鎮(zhèn)坪縣,低值區(qū)位于流域西部的略陽縣、勉縣以及南部的洛南縣、商州區(qū)等位置,與土壤侵蝕圖(圖2)的高值區(qū)出現(xiàn)重合現(xiàn)象。2005年降雨侵蝕力高值區(qū)由東向西轉(zhuǎn)移,高值區(qū)仍然分布在鎮(zhèn)巴縣和紫陽縣附近。2010年降雨侵蝕力明顯減少,高值區(qū)在鎮(zhèn)巴縣與東部西峽縣附近。2015年高值區(qū)轉(zhuǎn)移到流域南部的鎮(zhèn)巴縣、紫陽縣附近和中北部的佛坪縣,與土壤侵蝕量時空分布變化一致。流域南部鎮(zhèn)巴縣、紫陽縣、嵐皋縣和鎮(zhèn)坪縣位于嘉陵江和漢江兩大水系的分水嶺,屬于東南季風濕潤區(qū),大陸性較強,降水量高,因此一直屬于降雨侵蝕力高值區(qū),也是土壤侵蝕量的高值區(qū)。降雨侵蝕力的時空變化與土壤侵蝕的時空變化重合,這說明降雨是影響土壤侵蝕的重要因素。

圖4 降雨侵蝕力因子Fig.4 Rainfall erosivity factor

除卻上述因素,政策因素也是導(dǎo)致漢江流域土壤侵蝕量下降的重要原因。南水北調(diào)工程實施的前期,漢江流域的生態(tài)環(huán)境受到影響,水土流失嚴重。針對這些問題,政府開展了一系列生態(tài)修復(fù)措施,如水土保持項目和退耕還林還草項目的開展,使林地、草地和耕地生態(tài)系統(tǒng)逐漸恢復(fù),土壤保持作用增強。此外,國家在2009年完成了長江上中游水土保持重點防治工程,該項目主要針對小流域進行治理,漢江流域為重點治理區(qū)域。之后,針對丹江口庫區(qū)提出了《丹江口庫區(qū)及上游水污染防治和水土保持規(guī)劃》,并在“十二五”期間投資19.76億元對漢江流域進行生態(tài)治理。這些工程的建設(shè)實施改變了土地利用結(jié)構(gòu),改善了漢江流域的生態(tài)環(huán)境,減緩了漢江流域內(nèi)土壤流失狀況。

5 結(jié)論

針對漢江流域上中游開展景觀格局變化的土壤侵蝕效應(yīng)研究。結(jié)果表明：

(1)2000—2015年漢江流域土壤侵蝕程度明顯下降,整體以輕度和中度侵蝕為主,侵蝕特點為中部侵蝕劇烈,東西兩側(cè)侵蝕較弱。侵蝕高值區(qū)位于流域中南部的草地區(qū),低值區(qū)位于丹江口市、西峽縣、張灣區(qū)和茅箭區(qū)等水土保持良好的林地和耕地區(qū)；各地類土壤侵蝕中,微度侵蝕占據(jù)主導(dǎo)地位,極強烈侵蝕和劇烈侵蝕類型下降明顯；坡度是影響土壤侵蝕程度的重要因素,隨著坡度增加,土壤侵蝕呈現(xiàn)出先增加后減少的倒U形趨勢,各類別侵蝕程度的最大值出現(xiàn)在10—30°的坡度范圍內(nèi),當坡度大于60°時,基本不發(fā)生土壤侵蝕。

(2)漢江流域的景觀格局在2000—2015年發(fā)生了明顯改變。在景觀水平上,斑塊數(shù)量增加,平均斑塊面積下降,景觀破碎化程度增加,斑塊形狀簡單,景觀多樣性趨于穩(wěn)定,斑塊分布均勻；在類型水平上,林地和耕地的面積在減少,其余用地面積增加。林地為漢江流域優(yōu)勢地類,斑塊形狀相對簡單且變化很小。草地和耕地景觀斑塊形狀較其他地類復(fù)雜,景觀破碎程度大。但區(qū)域整體的景觀分布均勻,趨于穩(wěn)定。

(3)漢江流域土壤侵蝕量與斑塊密度(PD)和平均鄰接度指數(shù)(CONTIG_MN)呈正相關(guān),即斑塊密度越大,平均鄰接度越高,土壤越容易遭受侵蝕。土壤侵蝕量與蔓延度指數(shù)(CONTAG)和香農(nóng)均勻度指數(shù)(SHEI)呈負相關(guān),即蔓延度指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)越大,土壤侵蝕量越小。上述結(jié)果表明景觀破碎度越高、單一地類優(yōu)勢越強,土壤越容易遭受侵蝕,而景觀連通性越高、景觀多樣性越豐富,土壤越不易侵蝕。