土地利用/覆被变化对东辽河流域土壤侵蚀的影响研究

伊燕平，洪德法，高金花,3，焦志超

(1.长春工程学院 水利与环境工程学院，吉林 长春 130012； 2.长春市市政工程设计研究院有限责任公司，吉林 长春 130033；3.吉林省水工程安全与灾害防治实验室， 吉林 长春 130012;4.吉林省水文水资源局，吉林 长春 130000)

1 引言

目前，土地利用/覆被变化对土壤侵蚀的影响研究多以坡面、流域、区域等尺度开展。在坡面尺度上，主要是在模拟降雨或者自然降雨条件下，通过建立实验小区研究不同土地利用类型和土壤侵蚀的关系，侧重于土壤侵蚀机理方面的研究[1～3]。针对流域尺度的研究主要是通过土壤侵蚀模型来定性地分析不同土地利用类型对土壤侵蚀的影响程度[4，5]。土地利用通过改变植被覆盖度和土地性质来影响土壤侵蚀发生发展，不同土地利用类型对土壤侵蚀的发育影响也不尽相同[6，7]。本文基于东辽河流域土地利用/覆被变化的主要特征，采用假设情景法构建了东辽河流域土地利用/覆被变化情景，结合GIS技术分析了流域土地利用情景变化特征。采用SWAT模型，从土地利用/覆被变化角度揭示了与流域土壤侵蚀之间的关系，以期为流域土地资源合理配置、土壤侵蚀综合治理工作提供科学的理论依据。

2 东辽河流域土地利用/覆被变化情景构建

本次研究选取东辽河流域作为典型研究区，东辽河是辽河上游左侧的大支流，发源于吉林省辽源市的萨哈岭山，吉林省境内流经辽源、伊通、梨树、怀德、双辽、公主岭等市县[8～10]。东辽河流域土地利用类型划为水田、旱地、林地、草地、水域、城镇和其他用地等7类，其中旱地所占比例最大，为58.74%，主要分布在中游二龙山水库以下至小辽河汇合口以及下游(小辽河汇合口以下)[11，12]。

2.1 研究区土地利用/覆被变化情景构建

本次研究采用假设情景法构建东辽河流域土地利用/覆被变化情景，情景如下。

情景1：城市用地的扩张。基于统计年鉴，以20年扩张半径作为缓冲区半径，生成缓冲区，对流域的城市用地进行扩张(图1)[13，14]。

图1 情景1模式下研究区土地利用/覆盖变化

情景2：考虑到流域受生态还耕政策的影响，本次研究基于DEM数据，生成东辽河流域坡度分级图[15，16]，将坡度大于25°的耕地(旱田)变为林地，共增加林地面积7.23 km2(图2)。

图2 情景2模式下研究区土地利用/覆盖变化

2.2 研究区土地利用/覆被变化情景分析

采用SWAT模型要求的土地利用分类系统，与东辽河流域土地利用现状相比较，对东辽河流域土地利用/覆被变化情景进行分析。分析结果详见表1。

由表1可知，与流域现状相比，情景1流域土地利用/覆被变化最显著的特征就是乡镇用地面积大幅度扩张，面积增加了26.27%；旱地、林地、草地面积缩减，分别减少了18.35%，9.92%，0.59%。东辽河流域中上游土地利用变化显著，这表明流域中上游的城市建设和经济发展较快。情景2将坡度大于25°的耕地(旱田)变为林地，林地面积增加7.18%，旱地面积减少8.17%。

3 不同土地利用/覆被变化对流域土壤侵蚀强度的影响

根据《全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区和重点治理区复核划分成果》(办水保[2013]188号)，东辽河流域所属区域为东北漫川漫岗国家级水土流失重点治理区，容许土壤流失量为200 t/(km2·a)。由于微度侵蚀平均土壤侵蚀模数低于容许土壤流失量，不会对土壤生产力产生退化，因此本次研究微度侵蚀不计列在土壤侵蚀总面积中，仅从轻度至剧烈侵蚀强度角度分析土壤侵蚀变化趋势。

表1 东辽河流域土地利用/覆被变化情景分析结果

以东辽河流域土地利用现状为基础，结合第一次全国水利普查吉林省水土保持专项普查数据，应用ArcGIS软件，根据水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)分析土壤侵蚀情况发现，东辽河流域土壤侵蚀类型以水力侵蚀为主，土壤侵蚀总面积为5802.03 km2，占流域面积的57%，土壤侵蚀在东辽河流域内分布较广。

运用SWAT模型，采用属性数据，分别模拟不同土地利用/覆被情景下土壤侵蚀变化情况，得到流域土壤侵蚀强度分布图(图3、图4)，并统计了各土地利用/覆被变化情景下流域土壤侵蚀等级的面积，见表2。

表2 不同土地利用情景下流域土壤侵蚀等级面积统计

从图3和表2可以看出，与基准期相比，情景1模式下，土壤侵蚀面积增加了1199.65 km2，且轻度侵蚀到剧烈侵蚀面积均呈增加态势，其中中度侵蚀面积增加幅度最大，增长幅度达到34%；从空间上看，流域下游地区微度侵蚀面积缩减被轻度侵蚀所取代，流域中上游地区中度侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积增加明显。这充分表明在情景1城市用地扩张的情况下，会造成流域土壤侵蚀面积加大，侵蚀强度加强。

图3 情景1模式下流域土壤侵蚀强度分布

由图4和表2可以看出，情景2模式下，土壤侵蚀面积减少了411.87 km2，且轻度侵蚀到剧烈侵蚀面积均有不同程度的减少，其中中度侵蚀面积减少幅度最大，侵蚀面积减少了11%，其余侵蚀等级的缩减比例都在3%以上；从空间上看，流域下游地区微度侵蚀面积增加明显，流域中上游地区中度侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积有所减少。原因是由于情景2将坡度大于25°的耕地(旱田)变为林地，植被覆盖比例上升，对流域低山丘陵地区土壤侵蚀面积减少效果显著。由此可见，植被盖度的增加会使整个流域土壤侵蚀面积显著减少。

图4 情景2模式下流域土壤侵蚀强度分布

4 不同土地利用类型对流域土壤侵蚀的影响

4.1 不同土地利用类型土壤侵蚀面积的差异性分析

为探究土地利用类型与土壤侵蚀的关系，分析不同土地利用类型变化对土壤侵蚀的影响，采用ArcGIS空间分析模块，将矢量数据转化为栅格数据，并分别以土地利用类型编码属性、土壤侵蚀等级编码属性作为栅格值域，对栅格格式的土地利用分类图、土壤侵蚀分级图进行迭代运算，统计流域土地利用类型对应的土壤侵蚀数据。统计结果见表3～表5。

表3～表5给出了流域在基准期、情景1城市用地扩张、情景2生态退耕不同土地利用类型下各侵蚀等级面积分布的统计情况。整体上可以看出，对于林地、草地在侵蚀面积分配上主要处于轻度侵蚀到中度侵蚀的水平，且随着侵蚀强度等级的增加，土壤侵蚀面积呈显著递减趋势。

表3 东辽河流域不同土地利用类型各侵蚀等级的面积分布情况 hm2

表4 情景1东辽河流域不同土地利用类型各侵蚀等级的面积分布情况 hm2

表5 情景2东辽河流域不同土地利用类型各侵蚀等级的面积分布情况 hm2

由表3～表5可以看出，与基准期相比，情景1城市用地扩张情况下，从整体变化趋势上看，水田、旱田、水域、乡镇、其他土地等土地利用类型的土壤侵蚀面积均呈明显的增长趋势，而林地、草地土壤侵蚀面积与此相反。其中乡镇、其他土地等用地类型的土壤侵蚀强度以极强烈和剧烈为主，土壤侵蚀面积增加明显，侵蚀面积分别占土壤侵蚀总面积的33%，1%；旱地侵蚀类型以中度侵蚀为主，占土壤侵蚀总面积的35%。林地、草地土壤侵蚀以轻度侵蚀为主，由于城市用地扩张，林草面积有所退化，致使林地、草地的土壤侵蚀面积缩减。而情景2生态退耕情况下，水田、水域、其他土地的土壤侵蚀面积变化不明显，旱地、乡镇的土壤侵蚀面积呈明显减少，林地、草地土壤侵蚀面积增加。其中乡镇的土壤侵蚀强度以剧烈为主，旱地的土壤侵蚀强度以中度侵蚀为主，分别占土壤侵蚀总面积的9%，37%。林地、草地土壤侵蚀以轻度侵蚀为主，受生态退耕影响，大于25°的耕地(旱田)成为林地，使得流域林草土壤侵蚀总面积比基准期减少0.90 km2。

4.2 不同土地利用类型土壤侵蚀强度的差异性分析

为了准确反映不同土地利用类型的土壤侵蚀程度情况，采用土壤侵蚀强度指数法，对不同土壤侵蚀类型的不同侵蚀强度进行分级赋分值，如：轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀的分值分别为1、2、3、4、5。土壤侵蚀强度越严重得分越高。土壤侵蚀强度指数计算公式如下：

(1)

式(1)中：Ej代表第j单元的土壤侵蚀强度指数；Ci代表第j单元i类型土壤侵蚀强度分值；Ai代表第j单元i类型土壤侵蚀面积；Sj代表第j单元的土地总面积；n代表第j单元土壤侵蚀的类型总数。根据该公式定性的计算东辽河流域土地利用类型/覆被变化对土壤侵蚀强度的影响，结果如图5所示。

其他用地主要指沙地、裸地、未利用地等

由图5可以看出，流域不同情景下的不同土地利用类型土壤侵蚀强度指数差异明显。基准年，土壤侵蚀强度指数关系为：乡镇>旱地>草地>林地>其他用地>水田>水域。与基准年相比，情景1城市用地扩张，大兴土建会造成大面积的裸露地表，导致乡镇、其他用地的土壤侵蚀强度指数明显增大，土壤侵蚀强度指数关系为：乡镇>其他用地>旱地>草地>林地>水田>水域。情景2生态退耕的情况下，林草面积的增加使得土壤侵蚀面积随之减少，其中水田、水域基本无变化。土壤侵蚀强度指数关系为：乡镇>其他用地>水田>旱地>林地>水域>草地。

由此可见，土地利用类型与土壤侵蚀关系明显，旱地、乡镇用地是流域发生土壤侵蚀的主要类型，而林草覆盖度的提高可以有效地降低土壤侵蚀强度。

5 结论

结合GIS技术分析，情景1城市用地扩张，土壤侵蚀变化显著体现在东辽河流域中上游地区。情景2生态退耕，土壤侵蚀主要体现在流域上游的低山丘陵地区。通过分析不同土地利用类型土壤侵蚀面积的差异性发现，与基准期相比，情景1城市用地扩张情况下，水田、旱田、水域、乡镇、其他土地等土地利用类型的土壤侵蚀面积均增加，这说明流域城市化进程的加快会造成土壤侵蚀面积增加。而情景2生态退耕情况下，旱地、乡镇的土壤侵蚀面积缩减，可见植被盖度的增加能有效控制流域土壤侵蚀的发生发展。通过计算流域不同土地利用/覆被情景下的不同土地利用类型土壤侵蚀强度指数发现，流域不同情景下的不同土地利用类型土壤侵蚀强度指数差异明显。其中旱地、乡镇用地是东辽河流域内土壤侵蚀强度指数较高的区域，同时也是土壤侵蚀综合治理的关键区域。

本文构建了不同模拟情景，从年均土壤侵蚀模数与土壤侵蚀强度时空分布的角度分析了土地利用/覆被变化对土壤侵蚀的影响，但未涉及不确定性评估，因此，后续研究工作中需要继续从不确定性评估方面加强土地利用/覆被变化对流域土壤侵蚀影响的研究。