土壤侵蝕過程與景觀格局的關系

土壤侵蝕過程與景觀格局的關系

景觀生態(tài)學研究是景觀生態(tài)學研究的中心科學問題，也是綜合自然地理學深化和發(fā)展的關鍵。在組織和評估該流域水土保護措施的合理性方面發(fā)揮著重要作用。大多數(shù)景觀格局定量評價方法停留在景觀格局指數(shù)的計算與分析方面,對這些指數(shù)的內(nèi)涵重視不夠,與土壤侵蝕等實際生態(tài)問題的結(jié)合仍需不斷實踐?！霸础薄ⅰ皡R”的概念可以將格局和過程有機結(jié)合在一起。在土壤侵蝕過程中,有助于增加土壤侵蝕的坡耕地、陡坡裸地、住宅用地等是“源”景觀,有助于減少土壤侵蝕的林地、灌木林地、天然及人工草地是“匯”景觀。就流域水蝕而言,土壤侵蝕過程是由“源”到“匯”,由高到低(高程),由遠到近(距流域出口路程),伴隨水流運移的過程,在空間上具有方向性。可見,景觀類型沿著土壤侵蝕發(fā)生、運移、匯集方向的空間布局對土壤侵蝕過程具有重要影響。景觀空間負荷對比指數(shù)針對某一具體生態(tài)過程,具有明顯方向性,不受尺度變化影響,具有跨尺度功能,反映“源”“匯”景觀在空間上分布的相對性,計算值越大意味著流域水土流失危險性越大,該方法在水土流失危險性評價中具有重要參考價值。景觀空間負荷對比指數(shù)在國內(nèi)提出尚處于初始階段,需要在各尺度上不斷實踐,以檢驗其尺度適用性;還需要引入影響土壤侵蝕的各種因子以完善該指數(shù);現(xiàn)有各種要素的負荷對比指數(shù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關性分析還需要不斷補充。本文利用景觀空間負荷對比指數(shù)(location-weightedlandscapecontrastindex)對景觀格局與土壤侵蝕過程關系的動態(tài)研究,目的正是揭示景觀格局變化與土壤侵蝕過程變化的響應關系,分析該指數(shù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關程度,對完善該指數(shù)分析方法具有重要作用。黃土高原水蝕風蝕交錯帶生態(tài)環(huán)境脆弱,水蝕風蝕交錯進行,土壤侵蝕極其劇烈。近年來人類活動變化和氣候變化等導致侵蝕環(huán)境發(fā)生明顯變化,極大影響著土壤侵蝕過程,其影響機理急須深入剖析,通過分析景觀格局對土壤侵蝕過程的影響機理,探討水蝕風蝕交錯區(qū)土壤侵蝕變化的普遍規(guī)律和人為影響因素作用的機理,探索防治土壤侵蝕的有效時間和合理地理區(qū)域的變化規(guī)律,對防治黃土高原水蝕風蝕交錯區(qū)強烈的水土流失,減少本區(qū)的入黃泥沙具有重要意義。1地表土壤條件六道溝流域(N38°47′00″-38°49′25″,E110°20′30″-110°23′30″)面積6.89km2,位于毛烏素沙地邊緣和黃土丘陵區(qū)的過渡地帶,神木縣城以西14km,屬典型蓋沙黃土丘陵地貌,晉、陜、蒙水蝕風蝕交錯帶強烈侵蝕中心。主溝道南北長4.21km,溝谷面積占流域面積的32.7%以上。流域?qū)僦袦貛О敫珊禋夂?年均溫8.4℃,多年平均降雨量437.4mm,其中6-9月降水占全年降水量的77.4%。流域地表土壤以沙質(zhì)黃土為主,結(jié)構(gòu)疏松,抗蝕性差,水土流失非常嚴重。1990以來,流域建有8處“悶葫蘆”淤地壩(見表2)。2年降雨特征與流域景觀條件對比分析考慮到降雨侵蝕力等外動力因素對流域侵蝕模數(shù)變化的影響,本文對比了1993-1996年、2009-2010年2個時段神木侵蝕與環(huán)境試驗站監(jiān)測的降雨數(shù)據(jù),其中多年平均降雨量分別為364.2mm和362mm,多年平均侵蝕性降雨次數(shù)分別為11次和12次,平均侵蝕性降雨量分別為254mm和269.8mm。可見2個時段降雨特征(外動力條件)相似,流域景觀(下墊面條件)的變化是土壤侵蝕變化的主要原因。首先,基于1995年25m分辨率Landsat-TM影像和2010年0.5m分辨率WorldView影像解譯得到六道溝流域2期土地利用/覆被圖,以GIS軟件為分析平臺,以“源”“匯”景觀理論為基礎劃分流域景觀格局,共劃分為林地、灌木林地、草地、耕地、建設用地、未利用地6大類,然后結(jié)合該流域5m分辨率數(shù)字高程模型(DEM)計算上述景觀類型隨相對高度、坡度、投影距離、運移距離的空間配置,根據(jù)流域植被調(diào)查計算各景觀類型對侵蝕的貢獻權(quán)重,利用景觀空間負荷對比指數(shù)分析各景觀類型隨空間要素配置、貢獻權(quán)重和組成比例對土壤侵蝕過程的影響,最后以各個淤地壩淤積量監(jiān)測數(shù)據(jù)為比照,在SPSS軟件中分析該指數(shù)變化與土壤侵蝕模數(shù)變化的相關關系。2.1侵蝕過程類型基于“源”“匯”景觀理論,本文將促進土壤侵蝕過程的耕地D、建設用地E、未利用地F劃分為“源”景觀,將延緩阻礙土壤侵蝕過程的林地A、灌木林地B、草地C劃分為“匯”景觀。1995年和2010年,各類型分別在六道溝流域各集水區(qū)的面積比重見表1。本文采用修正通用水土流失方程(RUSLE)中植被因子C值,直接表征各“源”景觀類型對土壤侵蝕過程的貢獻權(quán)重,令草地的貢獻權(quán)重為1,將草地的C值與灌木林和林地的C值相比得到各“匯”景觀類型的貢獻權(quán)重,如表1所示。2.2基于arcmap的景觀分析景觀空間負荷對比指數(shù)的表達式為:LLI=lg{∑i=1M∫x=0DSxidx×ωi×pi/∑j=1N∫x=0DHxjdx×ωj×pj}LLΙ=lg{∑i=1Μ∫x=0DSxidx×ωi×pi/∑j=1Ν∫x=0DΗxjdx×ωj×pj}式中:LLI為景觀空間負荷對比指數(shù);D為研究區(qū)域至目標斑塊(或者是監(jiān)測點、流域出口)的最大投影距離(或是坡度、相對高度等指標);M,N分別為區(qū)域所有“源”、“匯”景觀的類型總數(shù);Sxi,Hxj分別為“源”、“匯”景觀類型隨著投影距離(或是坡度、相對高度等指標)增加形成的面積累計曲線;ωi,ωj分別為第i種“源”和第j種“匯”景觀類型對某一生態(tài)過程的貢獻權(quán)重,在土壤侵蝕過程中,用通用水土流失方程中的作物覆蓋與管理因子(C值)表征;pi,pj分別為第i種“源”和第j種“匯”景觀類型在流域中所占的面積百分比。各景觀類型在不同坡度、相對高度上的分布面積可由ARCMAP的疊加分析功能模塊計算,在不同投影距離的分布面積可由緩沖區(qū)分析模塊計算,在不同運移距離的分布長度可通過ARCMAP的水文分析模塊、FLOWLENGTH命令和緩沖區(qū)分析計算得出,但必須先對輸入的流向圖層進行特殊處理,即將河道的流向設為255,將河道變成沉積點。針對土壤侵蝕過程來說,當LLI的值為0時,表示“源”、“匯”景觀在流域尺度上處于均勻分布狀態(tài),這種格局對土壤侵蝕的貢獻在流域尺度上相平衡;當LLI的值大于0時,表明流域內(nèi)“源”景觀對監(jiān)測點的貢獻要大于“匯”景觀,該景觀格局不利于防治土壤侵蝕;當LLI的值小于0時,表明“匯”景觀對流域出口監(jiān)測點的貢獻要大于“源”景觀,該景觀格局有利于防治土壤侵蝕。在理論上,LLI的值越大,流域土壤侵蝕程度會加劇;反之越弱。2.3泥沙侵蝕模數(shù)法為監(jiān)測各集水區(qū)泥沙淤積量,將位于集水區(qū)出口的淤地壩壩地設定為監(jiān)測點(或稱監(jiān)測斑塊),首先確定淤地壩淤地邊界和面積,在內(nèi)部按“之”字形均勻布設控制點(平均每條溝道13個控制點),放置帶有刻度的測桿,并挖掘土壤剖面,判斷逐年淤積層次,觀測所有點位的泥沙淤積厚度,同時采集泥沙淤積樣品,利用環(huán)刀法測量土壤容重,最后利用泰森多邊形法將淤積厚度、土壤容重、淤積面積相乘得到泥沙淤積量。得到1992-1994年和2009-2010年2個時期相同淤地壩的平均侵蝕模數(shù),如表2。由于侵蝕環(huán)境相近,1992-1994年的平均侵蝕模數(shù)可近似地代表1995年前后的侵蝕模數(shù),并作為監(jiān)測數(shù)據(jù)。3結(jié)果與討論3.1景觀結(jié)構(gòu)對土壤侵蝕的影響六道溝流域各建有淤地壩的集水區(qū)的景觀格局負荷對比指數(shù)計算結(jié)果如表3所示。3.1.1土壤侵蝕模數(shù)水長區(qū)域分布特征相對高度是指各景觀類型與監(jiān)測點的高程差,取值范圍是從0到分水嶺的最大高程,相對高度負荷對比指數(shù)反映了景觀類型在垂直方向分布的合理程度,與土壤侵蝕過程垂直方向一致。采芹溝與蛇圪垯相比,相對高度負荷對比指數(shù)更低,耕地、未利用地分布高程更高(圖1),土壤侵蝕危險性程度較低,土壤侵蝕模數(shù)也較低。1995年各集水區(qū)的相對高度負荷對比指數(shù)均大于0,說明“源”景觀促進土壤侵蝕的作用大于“匯”景觀阻礙延緩土壤侵蝕的作用,六道溝流域的景觀格局不利于控制土壤侵蝕過程,土壤侵蝕模數(shù)很大。這主要是因為1995年前后耕地面積較大,在東溝高達61.3%,而且分布高度較低。2010年前后耕地面積大幅度減少,最大不超過9.3%,分布高度增大,多分布于坡度小于15°的梁峁坡頂部,相對高度負荷對比指數(shù)均變?yōu)樾∮?,表明景觀格局合理性增強,有利于減弱土壤侵蝕,因此土壤侵蝕模數(shù)減少很多。3.1.2坡度及土壤侵蝕模數(shù)景觀類型(例如耕地)在不同坡度上的分布是影響土壤侵蝕過程的重要因素。坡度負荷對比指數(shù)的比較意義在于衡量相同或相似的景觀斑塊分布在不同坡度上對土壤侵蝕過程影響的程度。在這15年中,退耕還林還草工程使六道溝流域坡耕地大面積退耕為人工草地,耕地分布坡度減小(圖2),坡度較大部位的草地面積增加,景觀格局越來越合理。坡度負荷對比指數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)均呈減小趨勢,這與坡度負荷對比指數(shù)越大,土壤侵蝕模數(shù)越小的指數(shù)涵義相悖,說明在考慮了各景觀類型對土壤侵蝕貢獻權(quán)重及它們在各集水區(qū)所占面積百分數(shù)這2個因素后,坡度負荷對比指數(shù)的涵義應和距離、相對高度等負荷對比指數(shù)的涵義相同,即指數(shù)值越大,景觀格局越不合理,土壤侵蝕危險性程度越大。例如:采芹溝坡度負荷對比指數(shù)和土壤侵蝕模數(shù)均小于蛇圪垯,表明采芹溝景觀格局隨坡度的配置優(yōu)于蛇圪垯,對土壤侵蝕過程的阻滯作用更強。另外,在分析景觀類型隨坡度的空間配置時,坡度只是單純的由小到大取值,而事實上坡面的坡度變化是不連續(xù)的,沒有明確的空間方向性,與土壤侵蝕過程不符,不同景觀類型在不同坡度上對土壤侵蝕的貢獻也不同(例如耕地),因此坡度負荷對比指數(shù)不能很好地解釋景觀格局對土壤侵蝕過程的影響,需要在坡度取值方式上加以改進。3.1.3景觀格局對土壤侵蝕的影響投影距離是指景觀類型到監(jiān)測點的實際距離在水平面上的投影。投影距離越遠,發(fā)生沉積的幾率越大,泥沙輸移比越小,向監(jiān)測點輸送的泥沙就越少。投影距離負荷對比指數(shù)反映了水平方向景觀格局對土壤侵蝕過程的影響,與土壤侵蝕過程水平方向近似。由圖3可見,采芹溝和蛇圪垯集水區(qū)中,建設用地(住宅用地)都比較接近監(jiān)測點(集水區(qū)出口),人為產(chǎn)生的泥沙較易到達監(jiān)測點,它們的土壤侵蝕模數(shù)相對較大。采芹溝的林地和灌木林地更接近監(jiān)測點,景觀格局對土壤侵蝕的阻滯作用強于蛇圪垯。與相對高度負荷對比指數(shù)相同,1995年各集水區(qū)的投影距離負荷對比指數(shù)均為正,景觀格局對土壤侵蝕過程產(chǎn)生不利影響,2010年投影距離負荷對比指數(shù)均為負,說明六道溝流域景觀格局隨投影距離的配置更加合理,延緩了土壤侵蝕,土壤侵蝕模數(shù)相應減少。“源”景觀(耕地)面積百分數(shù)減少,“匯”景觀(草地、林地、灌木林地)面積百分數(shù)增加,并分布得離監(jiān)測點越來越近是景觀格局改善的主要原因。3.1.4運移距離分布運移距離是指產(chǎn)沙點沿水流方向到達集水區(qū)出口(監(jiān)測點)的最大地面距離在水平面上的投影長度,“源”、“匯”景觀沿水流方向的分布直接影響集水區(qū)泥沙運移過程。“源”景觀的運移距離越小,運移時間越短,集水區(qū)產(chǎn)沙量就越大。相對于投影距離,運移距離是沙源輸移到達出口的實際途徑,更接近土壤侵蝕過程。采芹溝的“源”景觀(林地、灌木林地)比蛇圪垯更接近監(jiān)測點(圖4),運移距離負荷對比指數(shù)較小,土壤侵蝕模數(shù)也較小。但二者的建設用地都始終比較接近監(jiān)測點,對減少水土流失不利。1995年運移距離負荷對比指數(shù)均大于0,流域的景觀格局隨運移距離分布不利于減弱土壤侵蝕過程。到2010年,耕地減少,在主要的水流運移路徑上幾乎沒有耕地分布,因此運移距離負荷對比指數(shù)都減少至小于0,“匯”景觀對土壤侵蝕過程的阻滯作用大于“源”景觀的促進作用,景觀格局隨運移距離分布明顯改善。3.2土壤侵蝕模數(shù)增量的影響由以上分析可見,1995-2010年,六道溝流域各集水區(qū)的相對高度、坡度、投影距離、運移距離負荷對比指數(shù)均呈減小趨勢,與土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢相同。相對高度、投影距離、運移距離負荷對比指數(shù)增量與土壤侵蝕模數(shù)增量呈顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.875,0.848和0.976,顯著性雙側(cè)分別為0.004,0.008和0.001。這些負荷對比指數(shù)減少越多,土壤侵蝕模數(shù)減少就越多,回歸方程分別為:y=24729x+4307.8,R2=0.7728;y=18953x+1724.9,R2=0.7117;y=25160x+7659.4,R2=0.9531。相比之下,相對高度、投影距離負荷對比指數(shù)與土壤侵蝕模數(shù)增量相關性較弱,而運移距離負荷對比指數(shù)增量與土壤侵蝕模數(shù)增量相關性最高,說明運移距離要素對土壤侵蝕過程的模擬程度更高,運移距離負荷對比指數(shù)反映土壤侵蝕過程對景觀格局變化響應的效果更好。坡度負荷對比指數(shù)增量與土壤侵蝕模數(shù)增量的相關性最低,相關系數(shù)僅為0.685,顯著性雙側(cè)為0.061,反映響應過程的效果不明顯。坡度負荷對比指數(shù)增量與相對高度、投影距離負荷對比指數(shù)增量均呈顯著正相關,說明這3個指數(shù)在反映土壤侵蝕過程對景觀格局變化響應上保持一致,但指數(shù)計算值與土壤侵蝕實測值之間均存在較大差異,應進一步改進模擬方法以達到準確量化的目標。4土壤侵蝕模數(shù)分析(1)1995-2010年,六道溝流域各集水區(qū)的相對高度、坡度、投影距離、運移距離負荷對比指數(shù)均呈減小趨勢,景觀格局分布更加合理,“匯”景觀對土壤侵蝕過程的阻滯作用由弱于變?yōu)閺娪凇霸础本坝^的促進作用,水土流失危險性降低,與同期土壤侵蝕模數(shù)變化趨勢相同。各集水區(qū)耕地數(shù)量由高達61.3%明顯減少到不超過9.3%,草地面積比重由不超過