土地利用/覆被變化對東遼河流域土壤侵蝕的影響研究

伊燕平，洪德法，高金花,3，焦志超

(1.長春工程學院 水利與環境工程學院，吉林 長春 130012； 2.長春市市政工程設計研究院有限責任公司，吉林 長春 130033；3.吉林省水工程安全與災害防治實驗室， 吉林 長春 130012;4.吉林省水文水資源局，吉林 長春 130000)

1 引言

目前，土地利用/覆被變化對土壤侵蝕的影響研究多以坡面、流域、區域等尺度開展。在坡面尺度上，主要是在模擬降雨或者自然降雨條件下，通過建立實驗小區研究不同土地利用類型和土壤侵蝕的關系，側重于土壤侵蝕機理方面的研究[1～3]。針對流域尺度的研究主要是通過土壤侵蝕模型來定性地分析不同土地利用類型對土壤侵蝕的影響程度[4，5]。土地利用通過改變植被覆蓋度和土地性質來影響土壤侵蝕發生發展，不同土地利用類型對土壤侵蝕的發育影響也不盡相同[6，7]。本文基于東遼河流域土地利用/覆被變化的主要特征，采用假設情景法構建了東遼河流域土地利用/覆被變化情景，結合GIS技術分析了流域土地利用情景變化特征。采用SWAT模型，從土地利用/覆被變化角度揭示了與流域土壤侵蝕之間的關系，以期為流域土地資源合理配置、土壤侵蝕綜合治理工作提供科學的理論依據。

2 東遼河流域土地利用/覆被變化情景構建

本次研究選取東遼河流域作為典型研究區，東遼河是遼河上游左側的大支流，發源于吉林省遼源市的薩哈嶺山，吉林省境內流經遼源、伊通、梨樹、懷德、雙遼、公主嶺等市縣[8～10]。東遼河流域土地利用類型劃為水田、旱地、林地、草地、水域、城鎮和其他用地等7類，其中旱地所占比例最大，為58.74%，主要分布在中游二龍山水庫以下至小遼河匯合口以及下游(小遼河匯合口以下)[11，12]。

2.1 研究區土地利用/覆被變化情景構建

本次研究采用假設情景法構建東遼河流域土地利用/覆被變化情景，情景如下。

情景1：城市用地的擴張?；诮y計年鑒，以20年擴張半徑作為緩沖區半徑，生成緩沖區，對流域的城市用地進行擴張(圖1)[13，14]。

圖1 情景1模式下研究區土地利用/覆蓋變化

情景2：考慮到流域受生態還耕政策的影響，本次研究基于DEM數據，生成東遼河流域坡度分級圖[15，16]，將坡度大于25°的耕地(旱田)變為林地，共增加林地面積7.23 km2(圖2)。

圖2 情景2模式下研究區土地利用/覆蓋變化

2.2 研究區土地利用/覆被變化情景分析

采用SWAT模型要求的土地利用分類系統，與東遼河流域土地利用現狀相比較，對東遼河流域土地利用/覆被變化情景進行分析。分析結果詳見表1。

由表1可知，與流域現狀相比，情景1流域土地利用/覆被變化最顯著的特征就是鄉鎮用地面積大幅度擴張，面積增加了26.27%；旱地、林地、草地面積縮減，分別減少了18.35%，9.92%，0.59%。東遼河流域中上游土地利用變化顯著，這表明流域中上游的城市建設和經濟發展較快。情景2將坡度大于25°的耕地(旱田)變為林地，林地面積增加7.18%，旱地面積減少8.17%。

3 不同土地利用/覆被變化對流域土壤侵蝕強度的影響

根據《全國水土保持規劃國家級水土流失重點預防區和重點治理區復核劃分成果》(辦水保[2013]188號)，東遼河流域所屬區域為東北漫川漫崗國家級水土流失重點治理區，容許土壤流失量為200 t/(km2·a)。由于微度侵蝕平均土壤侵蝕模數低于容許土壤流失量，不會對土壤生產力產生退化，因此本次研究微度侵蝕不計列在土壤侵蝕總面積中，僅從輕度至劇烈侵蝕強度角度分析土壤侵蝕變化趨勢。

表1 東遼河流域土地利用/覆被變化情景分析結果

以東遼河流域土地利用現狀為基礎，結合第一次全國水利普查吉林省水土保持專項普查數據，應用ArcGIS軟件，根據水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)分析土壤侵蝕情況發現，東遼河流域土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，土壤侵蝕總面積為5802.03 km2，占流域面積的57%，土壤侵蝕在東遼河流域內分布較廣。

運用SWAT模型，采用屬性數據，分別模擬不同土地利用/覆被情景下土壤侵蝕變化情況，得到流域土壤侵蝕強度分布圖(圖3、圖4)，并統計了各土地利用/覆被變化情景下流域土壤侵蝕等級的面積，見表2。

表2 不同土地利用情景下流域土壤侵蝕等級面積統計

從圖3和表2可以看出，與基準期相比，情景1模式下，土壤侵蝕面積增加了1199.65 km2，且輕度侵蝕到劇烈侵蝕面積均呈增加態勢，其中中度侵蝕面積增加幅度最大，增長幅度達到34%；從空間上看，流域下游地區微度侵蝕面積縮減被輕度侵蝕所取代，流域中上游地區中度侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕面積增加明顯。這充分表明在情景1城市用地擴張的情況下，會造成流域土壤侵蝕面積加大，侵蝕強度加強。

圖3 情景1模式下流域土壤侵蝕強度分布

由圖4和表2可以看出，情景2模式下，土壤侵蝕面積減少了411.87 km2，且輕度侵蝕到劇烈侵蝕面積均有不同程度的減少，其中中度侵蝕面積減少幅度最大，侵蝕面積減少了11%，其余侵蝕等級的縮減比例都在3%以上；從空間上看，流域下游地區微度侵蝕面積增加明顯，流域中上游地區中度侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕面積有所減少。原因是由于情景2將坡度大于25°的耕地(旱田)變為林地，植被覆蓋比例上升，對流域低山丘陵地區土壤侵蝕面積減少效果顯著。由此可見，植被蓋度的增加會使整個流域土壤侵蝕面積顯著減少。

圖4 情景2模式下流域土壤侵蝕強度分布

4 不同土地利用類型對流域土壤侵蝕的影響

4.1 不同土地利用類型土壤侵蝕面積的差異性分析

為探究土地利用類型與土壤侵蝕的關系，分析不同土地利用類型變化對土壤侵蝕的影響，采用ArcGIS空間分析模塊，將矢量數據轉化為柵格數據，并分別以土地利用類型編碼屬性、土壤侵蝕等級編碼屬性作為柵格值域，對柵格格式的土地利用分類圖、土壤侵蝕分級圖進行迭代運算，統計流域土地利用類型對應的土壤侵蝕數據。統計結果見表3～表5。

表3～表5給出了流域在基準期、情景1城市用地擴張、情景2生態退耕不同土地利用類型下各侵蝕等級面積分布的統計情況。整體上可以看出，對于林地、草地在侵蝕面積分配上主要處于輕度侵蝕到中度侵蝕的水平，且隨著侵蝕強度等級的增加，土壤侵蝕面積呈顯著遞減趨勢。

表3 東遼河流域不同土地利用類型各侵蝕等級的面積分布情況 hm2

表4 情景1東遼河流域不同土地利用類型各侵蝕等級的面積分布情況 hm2

表5 情景2東遼河流域不同土地利用類型各侵蝕等級的面積分布情況 hm2

由表3～表5可以看出，與基準期相比，情景1城市用地擴張情況下，從整體變化趨勢上看，水田、旱田、水域、鄉鎮、其他土地等土地利用類型的土壤侵蝕面積均呈明顯的增長趨勢，而林地、草地土壤侵蝕面積與此相反。其中鄉鎮、其他土地等用地類型的土壤侵蝕強度以極強烈和劇烈為主，土壤侵蝕面積增加明顯，侵蝕面積分別占土壤侵蝕總面積的33%，1%；旱地侵蝕類型以中度侵蝕為主，占土壤侵蝕總面積的35%。林地、草地土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，由于城市用地擴張，林草面積有所退化，致使林地、草地的土壤侵蝕面積縮減。而情景2生態退耕情況下，水田、水域、其他土地的土壤侵蝕面積變化不明顯，旱地、鄉鎮的土壤侵蝕面積呈明顯減少，林地、草地土壤侵蝕面積增加。其中鄉鎮的土壤侵蝕強度以劇烈為主，旱地的土壤侵蝕強度以中度侵蝕為主，分別占土壤侵蝕總面積的9%，37%。林地、草地土壤侵蝕以輕度侵蝕為主，受生態退耕影響，大于25°的耕地(旱田)成為林地，使得流域林草土壤侵蝕總面積比基準期減少0.90 km2。

4.2 不同土地利用類型土壤侵蝕強度的差異性分析

為了準確反映不同土地利用類型的土壤侵蝕程度情況，采用土壤侵蝕強度指數法，對不同土壤侵蝕類型的不同侵蝕強度進行分級賦分值，如：輕度侵蝕、中度侵蝕、強烈侵蝕、極強烈侵蝕、劇烈侵蝕的分值分別為1、2、3、4、5。土壤侵蝕強度越嚴重得分越高。土壤侵蝕強度指數計算公式如下：

(1)

式(1)中：Ej代表第j單元的土壤侵蝕強度指數；Ci代表第j單元i類型土壤侵蝕強度分值；Ai代表第j單元i類型土壤侵蝕面積；Sj代表第j單元的土地總面積；n代表第j單元土壤侵蝕的類型總數。根據該公式定性的計算東遼河流域土地利用類型/覆被變化對土壤侵蝕強度的影響，結果如圖5所示。

其他用地主要指沙地、裸地、未利用地等

由圖5可以看出，流域不同情景下的不同土地利用類型土壤侵蝕強度指數差異明顯?；鶞誓?，土壤侵蝕強度指數關系為：鄉鎮>旱地>草地>林地>其他用地>水田>水域。與基準年相比，情景1城市用地擴張，大興土建會造成大面積的裸露地表，導致鄉鎮、其他用地的土壤侵蝕強度指數明顯增大，土壤侵蝕強度指數關系為：鄉鎮>其他用地>旱地>草地>林地>水田>水域。情景2生態退耕的情況下，林草面積的增加使得土壤侵蝕面積隨之減少，其中水田、水域基本無變化。土壤侵蝕強度指數關系為：鄉鎮>其他用地>水田>旱地>林地>水域>草地。

由此可見，土地利用類型與土壤侵蝕關系明顯，旱地、鄉鎮用地是流域發生土壤侵蝕的主要類型，而林草覆蓋度的提高可以有效地降低土壤侵蝕強度。

5 結論

結合GIS技術分析，情景1城市用地擴張，土壤侵蝕變化顯著體現在東遼河流域中上游地區。情景2生態退耕，土壤侵蝕主要體現在流域上游的低山丘陵地區。通過分析不同土地利用類型土壤侵蝕面積的差異性發現，與基準期相比，情景1城市用地擴張情況下，水田、旱田、水域、鄉鎮、其他土地等土地利用類型的土壤侵蝕面積均增加，這說明流域城市化進程的加快會造成土壤侵蝕面積增加。而情景2生態退耕情況下，旱地、鄉鎮的土壤侵蝕面積縮減，可見植被蓋度的增加能有效控制流域土壤侵蝕的發生發展。通過計算流域不同土地利用/覆被情景下的不同土地利用類型土壤侵蝕強度指數發現，流域不同情景下的不同土地利用類型土壤侵蝕強度指數差異明顯。其中旱地、鄉鎮用地是東遼河流域內土壤侵蝕強度指數較高的區域，同時也是土壤侵蝕綜合治理的關鍵區域。

本文構建了不同模擬情景，從年均土壤侵蝕模數與土壤侵蝕強度時空分布的角度分析了土地利用/覆被變化對土壤侵蝕的影響，但未涉及不確定性評估，因此，后續研究工作中需要繼續從不確定性評估方面加強土地利用/覆被變化對流域土壤侵蝕影響的研究。