吳鎮(zhèn)宇, 羅夢(mèng)琦, 郭紅麗, 吳 芳, 黃昱楠, 戴玉婷, 劉 霞

(1.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京210037; 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)， 江蘇 南京 210029)

長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展是國(guó)家《促進(jìn)中部地區(qū)崛起“十三五”規(guī)劃》中“三大戰(zhàn)略”之一。水土資源是制約長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要因素之一，根據(jù)水利部發(fā)布的2019年中國(guó)水土保持公報(bào)[1]，長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水土流失面積3.95×105km2，占區(qū)域土地總面積19.18%。在“以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為引領(lǐng)，依托長(zhǎng)江黃金水道，推動(dòng)長(zhǎng)江上中下游地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展和沿江地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展”總體要求下[2]，區(qū)域資源環(huán)境承載力、水土流失綜合整治以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)任務(wù)更加緊迫。研究區(qū)域土壤侵蝕空間分布特征、識(shí)別土壤侵蝕的主要影響因素對(duì)指導(dǎo)區(qū)域水土流失綜合防治具有重要的意義。任樂(lè)萌、王慧琴[3-4]分別采用地理加權(quán)回歸模型、灰色關(guān)聯(lián)度判定、相關(guān)性分析等方法開(kāi)展丹江口庫(kù)區(qū)、華北北部區(qū)域土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)因子識(shí)別及影響程度分析。何琪琳等[5]采用聚類分析與回歸分析進(jìn)行東北黑土區(qū)坡耕地土壤侵蝕影響因素識(shí)別。傳統(tǒng)的回歸分析、相關(guān)系數(shù)分析等方法可以進(jìn)行土壤侵蝕驅(qū)動(dòng)力因子識(shí)別及影響評(píng)價(jià)，但難以定量分析多個(gè)變量間的耦合作用及對(duì)土壤侵蝕空間分異的影響[6-7]。地理探測(cè)器是一種可探測(cè)變量空間分異性及其驅(qū)動(dòng)力的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，既能探測(cè)單個(gè)自變量對(duì)因變量的影響程度，也能判斷兩兩因子交互作用的強(qiáng)弱與類型，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別[8]。目前，地理探測(cè)器在喀斯特地貌類型區(qū)[9-11]、陜北黃土丘陵溝壑區(qū)已有探索[8]，但在江蘇沿江地區(qū)未見(jiàn)研究與實(shí)踐。江蘇沿江地區(qū)是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要組成部分，區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，開(kāi)發(fā)利用程度高，人口密度大，人為活動(dòng)強(qiáng)烈，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需求與水土資源承載能力的矛盾比較突出。為此，本文以江蘇沿江地區(qū)為研究區(qū)域，基于地理探測(cè)器對(duì)區(qū)域土壤侵蝕狀況與驅(qū)動(dòng)力的多因子耦合影響進(jìn)行定量歸因，為區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

江蘇沿江地區(qū)位于江蘇省南部(118°12′—122°0′E，30°45′—33°14′N)，包括南京市、鎮(zhèn)江市、常州市、無(wú)錫市、蘇州市、揚(yáng)州市、泰州市和南通市8市59個(gè)縣市區(qū)，土地面積5.10×104km2，占江蘇省土地總面積的47.57%。研究區(qū)地勢(shì)平緩，主要地貌類型為平原、丘陵山區(qū)、河湖水域，高程一般在200 m以下，分布有老山山脈、寧鎮(zhèn)山脈、茅山山脈和宜溧山脈，主要河流水系有長(zhǎng)江與太湖水系；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均降雨量1 147.19 mm；以棕壤土、潮土、水稻土、褐土等為主；地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，主要樹(shù)種香樟(Cinnamomumbodinieri)、馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)、毛竹(Phyllostachysheterocycla)等。研究區(qū)人口密度983人/km2，區(qū)域生產(chǎn)總值7.30×1012元，占江蘇省的78.83%。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)源與處理 基于2 m分辨率GF-1與ZY-3遙感影像(2017年3—11月，2018年1—6月)，結(jié)合野外調(diào)查，通過(guò)人機(jī)交互解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)。采用250 m空間分辨率MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)植被指數(shù)(NDVI)與植被覆蓋度(FVC)。采用5 m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)提取坡度、坡長(zhǎng)。采用1981—2017年研究區(qū)188個(gè)站點(diǎn)逐日降雨量數(shù)據(jù)計(jì)算多年平均降雨量及降雨侵蝕力。土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)來(lái)源于第一次全國(guó)水利普查成果[9]。

1.2.2 中國(guó)土壤流失方程 采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算公式為：

A=RKLSBET

(1)

式中：A為土壤流失量〔t/(hm2·a)〕;R為降雨侵蝕力因子〔(MJ·mm)/(hm2·h·a)〕;K為土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕;L為坡長(zhǎng)因子(無(wú)量綱);S為坡度因子(無(wú)量綱);B為植被覆蓋與生物管理措施因子(無(wú)量綱);E為工程措施因子(無(wú)量綱)；T為耕作措施因子(無(wú)量綱)。模型各因子計(jì)算方法參照文獻(xiàn)《中國(guó)水力侵蝕抽樣調(diào)查》[10]。

1.2.3 地理探測(cè)器原理及應(yīng)用 地理探測(cè)器法是通過(guò)探測(cè)要素空間異質(zhì)性來(lái)揭示其驅(qū)動(dòng)力的空間統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，包括4個(gè)模塊[7]，采用解釋力(q值)度量自變量對(duì)因變量空間分異性的影響程度。本文以地貌形態(tài)類型、坡度、植被覆蓋度、多年平均降雨量、土地利用類型為自變量，土壤侵蝕模數(shù)為因變量，采用因子探測(cè)器、交互作用探測(cè)器對(duì)土壤侵蝕影響因素的定量歸因進(jìn)行探索，采用風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器識(shí)別土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

根據(jù)地理探測(cè)器要求，需要對(duì)土壤侵蝕影響因子數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理[7]。結(jié)合研究區(qū)特征，將地貌形態(tài)類型劃分為平原區(qū)、丘陵山區(qū)與水域3類；坡度分為<2°，2°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～20°，20°～25°，25°～30°，30°～35°，>35°共9個(gè)等級(jí)；植被覆蓋度以0.1為步長(zhǎng)，將區(qū)間范圍0～1按等距法分為10個(gè)等級(jí)；多年平均降雨量以50 mm為步長(zhǎng)，將區(qū)間范圍993.04～1 452.55 mm按等距法分為10個(gè)等級(jí)；土地利用類型劃分水田、旱地、果園、茶園、林地、草地、城鎮(zhèn)村建設(shè)用地、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地10個(gè)類型。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)重采樣及坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，在研究區(qū)范圍內(nèi)采用行列數(shù)均為300的漁網(wǎng)均勻布設(shè)17 492個(gè)樣點(diǎn)，提取各影響因子基礎(chǔ)信息，作為地理探測(cè)器運(yùn)行數(shù)據(jù)。各因子如附圖1—5所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 區(qū)域水土流失狀況

2.1.1 水土流失空間分異性 研究區(qū)水土流失面積823.93 km2，占土地總面積1.62%，空間分異性明顯，主要分布在區(qū)域西南部，以南京、鎮(zhèn)江、常州、無(wú)錫為主(附圖6)。侵蝕強(qiáng)度以輕度為主，占水土流失面積的77.1%；中度及其以上侵蝕強(qiáng)度面積占比較小。

2.1.2 不同地貌形態(tài)類型下水土流失特征 研究區(qū)平原區(qū)占總面積的70.2%；丘陵山區(qū)占17.96%，主要分布于區(qū)域西南部；水域占11.84%。水土流失面積丘陵山區(qū)占91.73%；平原區(qū)占8.27%。

2.1.3 不同土地利用類型下水土流失特征 研究區(qū)水田占總面積的33.77%，水域及水利設(shè)施用地占27.53%，城鎮(zhèn)村建設(shè)用地占18.43%，林地與交通運(yùn)輸用地分別占8.76%，7.06%，果園、茶園、旱地等僅占4.45%。水土流失主要分布于林地、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)、果園等土地利用類型，分別占水土流失面積的51.1%，17.28%和13.33%，均以輕度侵蝕為主；旱地、茶園、草地、城鎮(zhèn)村建設(shè)用地與交通運(yùn)輸用地的水土流失面積較少，共占18.29%；中度及其以上強(qiáng)度侵蝕集中分布于生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)。但從水土流失與土地利用類型面積占比看，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)、果園、茶園水土流失占該土地利用類型面積的比例均在10%以上，說(shuō)明這3類是區(qū)域內(nèi)容易發(fā)生水土流失的土地利用類型。

2.2 土壤侵蝕影響因子顯著性研究

以地貌形態(tài)類型與土地利用類型為切入點(diǎn)，運(yùn)行因子探測(cè)器對(duì)區(qū)域土壤侵蝕狀況進(jìn)行分類分區(qū)定量歸因?？紤]水域地貌形態(tài)類型無(wú)侵蝕、水田與水域及水利設(shè)施用地土地利用類型無(wú)侵蝕，本文僅圍繞平原區(qū)與丘陵山區(qū)，對(duì)8個(gè)土地利用類型開(kāi)展分析。

2.2.1 不同地貌形態(tài)類型下土壤侵蝕影響因子顯著性 不同地貌形態(tài)類型下研究區(qū)土壤侵蝕的主導(dǎo)影響因子均為土地利用類型和坡度，但解釋力q值有差異(表1)。平原區(qū)以坡度為主導(dǎo)因子(0.055 1)，其次是土地利用類型(0.013 0)，由于平原區(qū)土壤侵蝕的空間分異性較小，各影響因子的解釋力均較??；丘陵山區(qū)則以土地利用類型為主導(dǎo)因子(0.112 6)，其次是坡度(0.036 8)。在丘陵山區(qū)，除坡度因子外，其余因子解釋力均高于平原區(qū)；可能因?yàn)榍鹆晟絽^(qū)地形較為復(fù)雜，導(dǎo)致植被覆蓋、土地利用的空間差異性增大，多重因素組合對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響，增加了土地利用、植被覆蓋、降雨量同土壤侵蝕模數(shù)空間變異的相似性。

表1 不同地貌形態(tài)類型影響因子顯著性

2.2.2 不同土地利用類型下土壤侵蝕影響因子顯著性 不同土地利用類型下研究區(qū)土壤侵蝕的主導(dǎo)影響因子及解釋力q值有顯著差異(表2)。茶園以植被覆蓋度為主導(dǎo)因子，除茶園外的其他類型土地均以坡度為主導(dǎo)因子。從不同影響因子來(lái)看，坡度對(duì)果園、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)的影響最大，解釋力分別為0.607 1和0.590 4，其次為草地和城鎮(zhèn)村建設(shè)用地，茶園和林地解釋力在0.1以下；地貌形態(tài)類型對(duì)草地、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)的影響最大，解釋力分別為0.131 2和0.109 2，其余土地利用類型解釋力均在0.1以下；降雨量對(duì)果園的影響最大，為0.167，其余土地利用類型解釋力均在0.1以下。林地各影響因子解釋力均在0.1以下，與各因子的空間相似性都比較低有關(guān)，可能是因?yàn)槠鋵哟谓Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，受林下灌草和枯落物影響較大。

2.3 土壤侵蝕影響因子交互作用研究

2.3.1 不同地貌形態(tài)類型下土壤侵蝕影響因子交互作用 采用交互探測(cè)器可知，不同地貌形態(tài)類型下，土壤侵蝕影響因子兩兩交互作用均呈現(xiàn)非線性增強(qiáng)的趨勢(shì)，以坡度與土地利用類型的協(xié)同作用為首位，遠(yuǎn)高于其他交互作用(表3)。由表3可知，平原區(qū)主導(dǎo)交互作用解釋力(0.700 6)明顯高于丘陵山區(qū)主導(dǎo)交互作用(0.484 9)，說(shuō)明平原區(qū)更易受坡度和土地利用類型的影響，與平原區(qū)水土流失主要位于生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)有關(guān)。平原區(qū)土壤侵蝕的交互作用前3位以坡度為核心疊加其他因子，表明在地勢(shì)相對(duì)平坦的區(qū)域，坡度是土壤侵蝕的主導(dǎo)影響因子。丘陵山區(qū)土壤侵蝕的交互作用前3三位以土地利用類型為核心疊加其他因子，可能因?yàn)榍鹆晟絽^(qū)地形復(fù)雜，土地利用類型的空間差異性增大，與坡度、降雨量、植被覆蓋因子疊加增加了與土壤侵蝕空間變異的相似性。

表2 不同土地利用類型影響因子顯著性

表3 不同地貌形態(tài)類型土壤侵蝕影響因子交互作用及其解釋力(q)

2.3.2 不同土地利用類型下土壤侵蝕影響因子交互作用 不同土地利用類型下，土壤侵蝕影響因子交互作用呈現(xiàn)非線性增強(qiáng)和雙因子增強(qiáng)趨勢(shì)，排在前三位的交互作用詳見(jiàn)表4。由表4可知，城鎮(zhèn)村建設(shè)用地、果園、生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)、交通運(yùn)輸用地、旱地、林地的交互作用排在第一位的均為坡度∩降雨量，城鎮(zhèn)村建設(shè)用地與果園解釋力最高，分別為0.959 4和0.766 8；茶園與草地的交互作用排在第一位的均為坡度∩植被覆蓋度，解釋力分別為0.919 1和0.725 8。除果園、茶園、林地與草地外，其他土地利用類型排在第二位的交互作用均為坡度∩地貌形態(tài)類型。果園、茶園排在前3位的交互作用解釋力較強(qiáng)，均在0.6以上；林地的交互作用解釋力均低于0.3，與林地各影響因子空間差異性較小有關(guān)。

2.4 土壤侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別

采用風(fēng)險(xiǎn)探測(cè)器對(duì)研究區(qū)水土流失集中分布的果園、茶園、林地與生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)等土地利用類型進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別。果園、茶園、林地的土壤侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均位于坡度>20°，降雨量1 300～1 400 mm、植被高覆蓋度的丘陵山區(qū)。其原因如下： ①由于這些區(qū)域植被覆蓋度雖高，但林下蓋度較低，林分結(jié)構(gòu)相對(duì)單一，林下灌草與枯落物少； ②由于果園、林地土壤侵蝕為坡度主導(dǎo)，茶園為坡度∩植被覆蓋度主導(dǎo)，丘陵山區(qū)坡度較大導(dǎo)致土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)較高。生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)擾動(dòng)的土壤侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域位于坡度25°～30°，降雨量1 300～1 400 mm的丘陵山區(qū)。

3 結(jié) 論

(1) 根據(jù)因子探測(cè)器結(jié)果，平原區(qū)土壤侵蝕以坡度為主導(dǎo)因子，但解釋力不高(0.055 1)；丘陵山區(qū)土壤侵蝕以土地利用類型為主導(dǎo)因子，解釋力為0.112 6。不同土地利用類型土壤侵蝕影響因子的層間差異顯著。茶園土壤侵蝕以植被覆蓋度為主導(dǎo)因子，解釋力高達(dá)0.867 1；除茶園外的其他類型土地的土壤侵蝕以坡度為主導(dǎo)因子，解釋力范圍為0.037 7～0.607 1。

(2) 兩兩因子交互作用均能增強(qiáng)對(duì)土壤侵蝕的解釋力。平原區(qū)與丘陵山區(qū)主導(dǎo)交互作用的因子為坡度疊加土地利用類型，解釋力分別為0.700 6和0.484 9，且顯著高于其他交互作用。不同土地利用類型的主導(dǎo)交互作用的因子主要為坡度疊加降雨量，對(duì)城鎮(zhèn)村建設(shè)用地與果園影響較大，解釋力分別為0.959 4和0.766 8；其次為坡度疊加植被覆蓋度，對(duì)茶園、草地影響較大，解釋力分別為0.919 1和0.725 8。

(3) 不同土地利用類型土壤侵蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域均位于坡度>20°，降雨量1 300～1 400 mm，植被高覆蓋度的丘陵山區(qū)。

4 討 論

對(duì)土壤侵蝕影響因子進(jìn)行定量歸因，有助于開(kāi)展區(qū)域水土流失綜合防治工作。但土壤侵蝕是由多因子耦合影響的。目前研究土壤侵蝕影響因素主要采用多元回歸分析、相關(guān)分析、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度等方法。上述方法對(duì)數(shù)據(jù)有限制，且僅能分析自變量對(duì)因變量的影響，難以反映其耦合影響和空間分異情況。本文使用的地理探測(cè)器對(duì)自變量與因變量無(wú)需假設(shè)與限定，可探測(cè)數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)與定性數(shù)據(jù)。該方法操作簡(jiǎn)便，結(jié)果包括單因子影響、兩因子交互作用及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分析。目前已在西部喀斯特地貌類型區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)有過(guò)嘗試，在東部江蘇沿江地區(qū)進(jìn)行探索十分必要。本文僅從區(qū)域?qū)用娣治鐾寥狼治g影響因子，但江蘇沿江地區(qū)的平原沙土區(qū)地貌以及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目密集的特征，同時(shí)也是該區(qū)域土壤侵蝕關(guān)注的重點(diǎn)，可作為下一步的研究方向，結(jié)合地理探測(cè)器進(jìn)行研究和探索。