重点开发区景观格局变化与土壤侵蚀研究——以贵州省龙里县为例

谢 刚，董艳艳，谢元贵，金 桃，廖小锋，陈 远，肖玖军

(贵州科学院山地资源研究所，贵州贵阳550001)

景观格局与土壤侵蚀有着密切关系，合理的景观格局能控制土壤侵蚀，不合理的景观格局会加剧土壤侵蚀的发生。因此，土壤侵蚀的研究既要研究土壤理化性质及养分流失，又要研究与景观格局的关系［1］。

景观格局是指景观在空间上的排列规律，即大小、形状、属性不一的景观单元在空间上的组合与分布规律［2］，景观格局能够对景观的异质性进行直接反映［3－5］。土地利用景观格局变化与自然条件及人类的活动是紧密联系的［6－9］。通过分析土地景观格局的变化特征可以了解研究区域的土地景观状况和发展趋势，促进人类对土地的合理利用。土壤侵蚀是指土壤及其母质和地表组成物质在风力、重力、水力、冻融等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程［10］。土壤侵蚀的发生大部分是由于人类活动的影响，人类不合理的规划将造成景观格局的不合理，人类耕作方式的不合理将加剧土壤侵蚀的发生［11－12］。

近年来，由于龙里县特殊的地理位置，经济社会条件不断改善，人口数量迅速增加，城镇建设和经济开发正以前所未有的速度进行，经济的快速发展导致土地利用矛盾不断凸显，加之龙里县被贵州省主体功能区划分为重点开发区，因此及时对龙里县土地利用景观格局和土壤侵蚀进行研究，可掌握龙里县土地利用变化特征以及空间分布特点，为制定有效的土地资源管理和土地利用规划提供数据支持，为当地的经济发展提供有力的信息基础。本研究利用2002年、2009年和2015年3期Landsat遥感影像数据为信息源，运用GIS、RS技术、数理统计方法和生态学理论知识，对龙里县2002—2015年的土地利用类型、景观格局变化及土壤侵蚀变化的特点进行解析，以此对龙里县今后土地利用规划、生态环境的保护和修复、土地的可持续利用提供可以参考的依据。

1 研究区概况

龙里县位于黔中腹地，地处 26°10'19″～26°49'33″N、106°45'18″～107°15'1″E 之间，土地总面积 1 508.48 km2。境内最高海拔1 775 m，最低海拔770 m，地貌类型为丘陵、低山、中山及河谷槽地，气候类型为亚热带季风湿润气候，温和舒适，日照充沛，冬无严寒，夏无酷暑，年平均气温14.8℃，最冷月均温4.6℃，最热月均温23.6℃;年降水量1 100 mm，年日照时数1 160 h左右，无霜期280 d以上;地表年径流量为8.426亿m3，森林覆盖率为 55.29%。研究区位置如图1所示。

2 数据处理和研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的遥感数据为从地理空间数据云平台下载的2002年(Landsat－5)、2009年(Landsat－5)和2015年(Landsat－8)3期TM影像(分辨率为30 m)、20 m分辨率的数字高程(DEM)数据、龙里县行政区划图、土壤类型图以及野外考察采集的各种信息和数据等。

2.2 数据处理

利用龙里县1∶5万地形图作为参考图像，运用ERDAS 9.2对TM影像进行波段合成、图像拼接、几何精校正、图像增强、研究区裁剪等预处理;然后依据TM图像的色调、形态、纹理对应野外实地调查信息，建立龙里县景观类型解译标志，采用最大似然法(Maximum Likelihood)进行监督分类，将研究区划分为林地、耕地、草地、建设用地、水域、未利用地共6种景观类型;利用野外实地采样，通过kappa系数对3期TM影像分类结果进行精度检验，总体解译精度均在80%以上，满足本研究的精度要求;最后利用ARCGIS 10.2将解译后的土地利用类型图像转换成30 m×30 m的grid栅格数据，利用FRAGSTATS4.2软件进行景观格局指数计算。利用ArcGIS 10.2软件计算通用土壤流失方程(USLE)的各种侵蚀因子，获得各因子像元分布图，参照土壤侵蚀强度等级划分标准(SL190—2007)，得到研究区土壤侵蚀侵蚀强度分布图;最后分析研究区景观动态变化与土壤侵蚀的关系，探讨利于研究区水土保持的合理景观结构布局。

2.3 研究方法

2.3.1 景观格局指数选取 景观格局指数常用于景观生态研究，它有效地反映了某一地区景观的整体变化情况，在目前研究中使用非常广泛［13－16］。为从不同景观类型和整体景观特征来反映龙里县的景观格局变化状态，本研究从景观和斑块类型2个水平上进行景观格局变化分析，通过形状特征、破碎化特征、异质性特征等内容选取景观格局指标。

(1)景观水平上:斑块数(NP)、斑块密度(PD)、形状指数(LSI)、平均斑块面积(AREA_MN)、周长面积分维数(PAFRAC)、蔓延度指数(CONTAG)、斑块聚集度指数(COHESION)、香浓均匀度指数(SHDI)、香浓多样性指数(SHEI)。

(2)斑块类型水平上:斑块面积(CA)、斑块数(NP)、平均斑块面积(AREA_MN)、形状指数(LSI)、聚合度(AI)。

2.3.2 土壤侵蚀定量研究 通用土壤流失方程表达式如下:

式中:A为土壤侵蚀量，t/(hm2·年);R为降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·年);K 为土壤可蚀性因子，(t·hm2·h)/(MJ·mm·hm2);LS为坡度坡长因子，统称地形因子(无量纲);C为植被覆盖与管理因子(无量纲);P为水土保持措施因子(无量纲)

2.3.2.1 降雨侵蚀力因子R 降雨侵蚀力是指由降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是一项客观评价由降雨所引起土壤分离和搬运的动力指标［17］。经过大量文献的查阅和比较，结合收集到的降雨数据，本研究选用以月均降雨量和年均降雨量为基础的Wischmeier公式计算降雨侵蚀力因子(R)，其表达式如下:

式中:R为降雨侵蚀力因子，(MJ·mm)/(hm2·h·年);pi为月平均降雨量，mm;p为年平均降雨量，mm。

2.3.2.2 土壤可蚀性因子K 土壤可蚀性因子K值计算公式如下:

式中:Sn=1 － Sa/100;Sa、Si、CI、C 分别代表沙粒含量、粉粒含量、黏粒含量、有机碳含量，%［18］。

2.3.2.3 坡长坡度因子LS 经过大量的文献查阅与筛选，本研究采用Wischmeier提出的公式结合龙里县的DEM数据提取地形因子LS。

坡度因子计算式:

式中:S为坡地因子;θ为DEM提取的坡度。

坡长因子计算式:

式中:L为坡长因子;γ为水平投影坡长，m;m为坡长指数，取值的方法为当坡度 θ≤1°时，m=0.2;当坡度 1°＜ θ≤3°时，m=0.3;当坡度3°＜θ≤5°时，m=0.4;当坡度 θ＞5°时，m=0.5。θ是利用DEM结合Arcgis提取的坡度。

上述2个公式的坡度可以通过DEM结合Arcgis直接提取，提取的坡度运用上述坡度因子公式，可得到S因子栅格图。坡长的提取相对较为复杂，需要对DEM进行水文分析，通过填洼生成无洼地的DEM，再对其作水流流向分析，得到水流流向图，计算其汇流长度，最后通过式(4)获得L因子栅格图。运用Arcgis的栅格计算器，将得到S因子栅格图和L因子栅格图相乘，得到地形因子LS栅格图。

2.3.2.4 植被覆盖与管理因子C 植被覆盖与管理因子是指在相同的降雨、地形、土壤可蚀性相同的情况下，某一植被覆盖下的土壤侵蚀量与连续荒芜的条件下土壤侵蚀量的比值。在植被覆盖良好的情况下，其值接近于0，在裸露的土地上，其值接近于1，所以C的范围在0～1之间。本研究C值的确定由土地利用类型来决定，其值的大小参考贵州地区的研究成果，根据曾凌云等对红枫湖流域土壤侵蚀研究中的C因子值［19］，余丹等对红枫湖流域土地利用景观格局研究中的C因子值［20］。本研究C因子值确定如表1所示。

表1 各土地利用类型对应的C值

2.3.2.5 水土保持措施因子P 水土保持措施因子是指采取水土保持措施的土壤流失量与顺坡耕作时的土壤流失量的比值，当水土保持措施比较完善时，水土保持措施因子的值接近于0，当没有采取任何水土保持措施时，水土保持措施因子的值接近于1，其值范围为0～1之间。本研究对P因子的确定是通过各期土地利用类型图来实现的，其值的大小参考前人的研究成果:李嘉峻等在GIS支持下的土壤侵蚀动态变化研究中的P因子值［17］，许月卿等对贵州省猫跳河流域土壤侵蚀研究中的P因子值［21］。本研究P因子值的确定如表2所示。

表2 各土地利用类型对应的P值

3 结果与分析

3.1 景观要素变化

根据2002年、2009年、2015年3个不同时期地类统计结果(表3)得出，研究区优势景观类型是林地及耕地，两者面积占总景观面积的79%。从2002—2015年，林地、草地、建设用地面积呈现出持续增长的态势，耕地和未利用地面积呈减少趋势，水体面积保持稳定(图2、图3、图4)。主要原因是龙里县从2000年开始启动国家退耕还林政策，农民改变了以前的生产方式，使耕地渐变为林地，同时又受到进城务工等浪潮的影响，农村的劳动力不断外流，许多肥力不足、交通不便的土地便开始荒废，这是导致龙里县林地面积增加、耕地面积不断减少的主要原因。并且随着社会的发展，城市的不断扩大，许多耕地被用于城市建设，开发建设项目不断增加，导致建设用地不断增加，耕地减少。研究区景观格局的变化得出土壤侵蚀也在发生变化。

3.2 景观要素时空变化

土地利用动态度既能反映土地利用变化速率的区域差异，又能反映区域土地利用类型变化的剧烈程度［22］。

表3 2002—2015年龙里县景观要素类型面积变化

由表4可知，2002—2009年，林地和耕地的年平均动态度较大，分别为10.30%、－11.31%，主要原因是由于国家退耕还林政策的实施和农村劳动力减少，使大量的耕地转变为林地;其他几种土地利用景观虽发生变化，但变化不明显。2009—2015年，土地利用景观类型的动态度均不大，说明这期间龙里县的土地利用结构相对稳定。

3.3 景观格局动态变化分析

表4 2002—2015年龙里县景观要素类型变化动态度

3.3.1 类型水平上景观格局动态分析 斑块数和斑块平均面积是衡量景观破碎化的主要指标。从图5、图6可以看出，2002—2015年建设用地斑块数由497个先增长到589个，后下降到503个，平均斑块面积却逐年增长。说明建设用地在向外扩张的同时不断产生新的斑块且规模在不断增大。林地斑块数由720个持续下降到431个，平均斑块面积由0.89 km2增长到1.68 km2，而耕地斑块数从807个增加到923个，平均斑块面积从0.69 km2减少到0.50 km2。这说明耕地和林地之间转化时，林地和耕地原有斑块被分割，破碎度增大，随着国家“退耕还林”政策的实施，林地斑块破碎化得到有效控制，但耕地的破碎化加剧。

3.3.2 景观水平上景观格局动态分析 由表5可知，2002—2015年间，研究区斑块数、斑块密度持续增加，斑块数由2 654个增加到3 463个，斑块密度由1.75个/km2增加到2.35个/km2;平均斑块面积持续下降，由57.22 km2下降到43.92 km2，整体景观破碎化程度越来越严重。景观形状指数先减小后增大，从40.58减小为39.15再增至45.70，景观形状变得复杂。斑块的周长面积分维数由1.60增加到1.62，聚集度指数由96.69增加到 96.72，香浓均匀度指数由1.164 4增加到1.169 8，香浓多样性指数由0.649 8增加到0.652 9，这些指标均反映了研究区景观多样性在逐渐增加，异质性不断增强，不同景观类型的斑块趋于均匀分布，空间分布趋于分散。

3.4 土壤侵蚀分析

3.4.1 土壤侵蚀面积分析 根据通用土壤流失方程，参照侵蚀强度分级指标将各种侵蚀因子在ArcGIS软件中叠加获得土壤侵蚀强度图(图7、图8、图9)，最终获得3期土壤侵蚀数据(表6)。

表5 2002—2015年龙里县景观格局动态变化

从3期土壤侵蚀数据对比看出，从微度侵蚀到剧烈侵蚀，随着侵蚀强度的加强，侵蚀面积在逐渐减少，在侵蚀中所占的比例也越来越少。总的侵蚀面积(微度侵蚀除外)由2002年的 44 978.76 hm2减少为2015 年的 40 522.23 hm2，而微度侵蚀与中度侵蚀面积却处于增加趋势，轻度侵蚀面积一直在减少，强烈侵蚀、极强烈侵蚀及剧烈侵蚀面积均先增加再减少。分析原因主要是退耕还林、各部门植树造林项目启动及城市建设使容易产生土壤侵蚀的林地、草地、建设用地面积增加，而容易造成土壤侵蚀的耕地减少，最终导致侵蚀面积总体减少。

3.4.2 土壤侵蚀强度面积转移矩阵分析 土壤侵蚀强度分级只能粗略地反映土壤侵蚀的变化，为了更好地反映土壤侵蚀强度在不同侵蚀级别面积上的变化规律和动态变化，运用Arcgis 10.2统计不同时期的土壤侵蚀面积转移矩阵表。由表7横向看，2002—2009年微度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀转为其他侵蚀面积分别为 15 933.24、548.01、54.9 hm2，都是转为轻度侵蚀的面积最多;轻度侵蚀、中度侵蚀转化为其他侵蚀面积分别为 19 650.15 hm2、4 098.33 hm2，均转为微度侵蚀的面积最大;转化为剧烈侵蚀面积为0.63 hm2，以轻度侵蚀与极强烈侵蚀转出的面积最多。纵向看，2009年的微度侵蚀主要由2002年的轻度侵蚀和中度侵蚀转化而来，面积分别为19 235.79 hm2;2009年轻度侵蚀主要由2002年的微度侵蚀、中度侵蚀和强烈侵蚀转化而来，面积为14 219.91 hm2;2009年的强烈侵蚀主要由2002年的微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀转化而来，面积为1 358.73 hm2;剧烈侵蚀主要由轻度侵蚀、强烈侵蚀和极强烈侵蚀转化而来。对角线方向看，在对角线以上的土壤侵蚀面积为向土壤侵蚀强度加强的方向转化，侵蚀强度加强面积为19 889.64 hm2;位于对角线以下的土壤侵蚀，其转化强度为由强变弱，面积为20 394.99 hm2。2002—2009年各土壤侵蚀强度的侵蚀面积均发生变化，面积转移最大的是微度侵蚀，其中微度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀面积增多，轻度侵蚀面积减少。

表6 2002—2015年龙里县土壤侵蚀数据

由表8横向看，2009—2015年微度侵蚀主要转为轻度侵蚀与中度侵蚀;轻度侵蚀主要向微度侵蚀、中度侵蚀和强烈侵蚀转换;中度侵蚀主要向微度侵蚀和轻度侵蚀转化;强烈侵蚀主要向中度侵蚀转化，其次向微度侵蚀和轻度侵蚀转化;极强烈侵蚀主要是向强烈侵蚀和轻度侵蚀转化;剧烈侵蚀主要是向极强烈侵蚀转化。纵向看，2015年的微度侵蚀主要由轻度侵蚀和中度侵蚀转化而来，转进面积为15 859.17 hm2，占总转入微度侵蚀面积的99.01%;轻度侵蚀主要由微度侵蚀和中度侵蚀转化而来，转进面积为14 112.09 hm2，占总转入轻度面积的98.35%;中度侵蚀主要由微度侵蚀转化而来，强烈侵蚀和极强烈侵蚀主要由轻度侵蚀转化而来;剧烈侵蚀主要由强烈侵蚀转化而来。对角线方向看，位于对角线之上的土壤侵蚀为增强，增强面积为16 243.74 hm2;位于对角线以下的土壤侵蚀为减弱，减弱面积为19 024.02 hm2。2009—2015年各种土壤侵蚀强度的土壤侵蚀面积都在变化，轻度侵蚀转化面积最大，其中微度侵蚀和中度侵蚀面积增加，其余侵蚀面积减少。

表7 2002—2009年土壤侵蚀强度面积转移矩阵 hm2

表8 2009—2015年土壤侵蚀强度面积转移矩阵 hm2

3.5 景观格局变化与土壤侵蚀的关系

根据研究区的景观格局和土壤侵蚀变化分析可知，景观格局变化与土壤侵蚀强度有着密切关系。景观格局的规划合理能有效控制土壤侵蚀，景观格局的不合理将加剧土壤侵蚀。由于国家及当地政府合理规划，大力发展城市建设及国家退耕还林政策的实施，研究区的景观格局发生变化，斑块破碎度降低，水土流失强度减弱。

4 结论

由于国家“退耕还林”政策的实施及社会经济高速发展，龙里县土地利用景观要素及土壤侵蚀发生了明显变化，主要原因是人为干扰不断加剧。2002—2015年，建设用地、林地、草地面积呈现出逐年增长的趋势，耕地面积先增加后减少，耕地和未利用地面积呈减少趋势，水体面积相对比较稳定;2002—2009年，林地和耕地的年平均动态度较大，主要原因是由于国家退耕还林政策的实施和农村劳动力减少，使大量的耕地转变为林地;2009—2015年，土地利用景观类型的动态度均不大，说明这期间龙里县的土地利用结构相对稳定。

总体的土地利用是发生变化的，土地开发强度不断增强。从景观类型的转化方向来看，主要表现为耕地和林地之间相互转换。龙里县景观结构趋于多样化、均匀化、破碎化，空间分布比较分散，景观异质性不断增强，斑块密度增加，平均斑块面积减少，聚集度、香浓均匀度指数、香浓多样性指数总体上升。

2002—2015年，土壤侵蚀面积由44 978.76 hm2减少为40 522.23 hm2，微度侵蚀与中度侵蚀一直处于增长状态，增长面积分别为4 456.53 hm2和1 240.20 hm2，轻度侵蚀一直在减少，减少面积为6 384.69 hm2，强烈侵蚀、极强烈侵蚀及剧烈侵蚀均先增加后减少。