喀斯特山区土壤侵蚀垂直景观格局分析

唐 睿，王晓红，舒天竹，赵斯琦

(贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025)

喀斯特山区土壤侵蚀垂直景观格局分析

唐 睿，王晓红*，舒天竹，赵斯琦

(贵州大学 林学院，贵州 贵阳 550025)

景观格局及其变化的土壤侵蚀效应是土壤侵蚀研究的重要内容之一。本文基于GIS和RS技术，在对研究区土壤侵蚀等级进行分级的基础上，选取斑块分维数、最大斑块所占景观面积的比例指数和斑块所占景观面积指数，从垂直维度上对不同土壤侵蚀等级的景观空间格局进行定量化研究，探讨景观格局和水土流失过程之间的关系，以期为土壤侵蚀治理提供科学依据。研究表明：在垂直维度上，土壤侵蚀景观具有明显的分层特征，高程从低到高，侵蚀等级逐步增强，斑块分维数在低海拔和高海拔地区较低，斑块稳定性较好。由于人类活动影响，在中海拔地区，斑块分维数较高，斑块稳定性较差，出现连续的强烈侵蚀景观，景观组成以中度侵蚀和强烈侵蚀为主；在1000～1100高程带，人类活动减弱，出现侵蚀等级回降，过渡到以微度和轻度侵蚀为主的景观格局；在山顶部分，出现以微度、轻度、极强烈、剧烈侵蚀景观为主的两极分化的侵蚀分布，伴有连续大片的微度和轻度侵蚀景观，土壤侵蚀景观格局主要受自然环境的影响。

喀斯特山区；土壤侵蚀；垂直维度；景观格局指数

对土壤侵蚀的研究始于1877年德国土壤学家EwaldWollny的研究，此后的一个多世纪以来，在各国学者的努力下，对土壤侵蚀基本规律认识不断发展[1]。土壤侵蚀研究方法很多，比如利用通用土壤流失方程(USLE)、水蚀预报模型(WEPP)、荷兰模型(LISEM)、欧洲水蚀预报模型(EROSEM)等模型进行土壤流失量的计算。许月卿等[2]结合GIS技术，应用修正的土壤流失方程计算土壤侵蚀量，分析了贵州省猫跳河流域土壤侵蚀的空间分布格局。张雁[3]等为深入研究中国西南喀斯特山区土壤侵蚀空间分布特征，结合 GIS 技术，以贵阳市花溪水库流域花溪区为例，利用通用土壤流失方程(RUSLE)，对研究区土侵蚀等级进行划分，并探讨了研究区的土壤侵蚀防治措施。近几年，结合景观格局指数的土壤侵蚀研究逐步开始受到重视，游珍等[4]以黄家二岔流域为例，分析该区的景观格局，选取斑块大小、斑块破碎度、等高连通度、顺坡连通度和斑块相对位置指数5个指标对景观格局进行量化，再结合地形，将该流域分为阴坡和阳坡分别计算它们的景观格局，并分析它们与土壤侵蚀的关系。目前多数研究主要集中在土壤侵蚀景观的水平格局研究，在垂直维度上的研究相对较少[5]。在贵州喀斯特地区，土地经过开垦耕作之后，土壤理化性质变会发生较大变化，表现为：土层变浅、腐殖质层厚度降低、土壤颗粒变小、水稳性颗粒流失，导致的主要状况：土壤易于流失、土壤有机质含量下降，土壤pH值上升，土地生产力下降[6]。贵州岩溶土壤应该归属于一种不可更新的资源范畴，而这一资源目前正面临极度破坏——石漠化[7]。罗甸县是贵州土壤侵蚀治理的重点区，但是该区的土壤侵蚀研究相对不足。

本文以水土保持学和景观生态学原理为基础，从垂直维度上，对罗甸县不同高程带的土壤侵蚀景观格局进行了分析研究，以期填补和完善以往单一的从水平维度上研究土壤侵蚀空间格局的缺陷，进一步拓展土壤侵蚀景观格局空间变异的研究思路与方法，并为研究区域的水土保持防治提供科学的依据。

1 研究区概况与研究方法

1．1 研究区概况

罗甸县位于贵州省南部，东西宽63 km，南北长72 km，总面积3013 km2，处在E 106°23′14″～107°03′57″，N 25°03′45″～25°45′14″之间。该县地势北高南低，年均温度19.6℃，年降水量1150 mm，境内河流属珠江水系，主要河流有南盘江、蒙江、曹渡河。地表出露地层以三叠系最为发育，二叠系次之；地带性土壤有红壤、赤红壤、黄壤、黄红壤、石灰土、紫色土和水稻土；境内北部喀斯特丘陵、峰丛洼地交错发育，分布广泛；受地貌、气候等自然条件的影响，县域北部属常绿栎林、马尾松林及亚热带常绿阔叶林带，南部由于受印度洋季风影响，加之特殊的河谷地貌，热带植物属种沿河谷向北分布，形成低山型走廊式沟谷季雨林和常绿栎林[8]。

1.2 研究方法

1.2.1 确定研究区的土壤侵蚀强度 本文采用表1的土壤侵蚀强度分级标准，对罗甸县2014年的土壤侵蚀状况进行土壤侵蚀强度分级。确定研究区的土壤侵蚀强度等级时，首先利用ENVI软件对2014年罗甸县的遥感影像进行处理，采用监督分类和人机交互解译方法提取研究区的土地利用类型数据，利用归一化植被指数计算研究区的植被覆盖度，在ArcGIS软件平台上，利用罗甸县的数字高程模型，将坡度划分为<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°以及>35°六个等级，生成研究区的坡度分级图，最后叠加相应的各个图层，得到了罗甸县2014年的土壤侵蚀强度分级图。研究区2014年的土壤侵蚀强度等级如图1所示。

表1 土壤侵蚀强度分级标准

Tab.1 Classification standard of soil erosion grade

图1 研究区2014年的土壤侵蚀强度等级图Fig.1 Classification map of soil erosion intensity

1.2.2 划分研究区的高程带 利用ArcGIS软件，采用罗甸县的数字高程模型(DEM)进行高程带划分。依据相关学者的研究成果[9]，按带宽100 m进行高程带的划分，高程带划分时将高程带1333～1369与高程带1233～1332合并为编号1300的高程带1233～1369，高程带的划分结果见表2。

表2 高程带划分Tab.2 elevation zone division

图2 高程带划分图Fig.2 division of elevation map

1.2.3 景观格局指数的选取 借鉴相关学者研究成果[10]，选取具有生态学意义的景观格局指数：斑块分维数(fractal dimension)、最大斑块所占景观面积的比例指数(Largest patch index)和斑块所占景观面积指数(Percent of landscape)，利用fragstats软件对各高程带中的土壤侵蚀强度等级进行垂直维度上的景观指数计算及分析。本文所采用的景观格局指数的计算公式如下：

斑块分维数：D=2×ln(P/4)/ln(A)

(1)

公式(1)中，D为分维数指数，P为斑块周长，A为斑块面积，D值越大，表明斑块形状越复杂，D值的取值范围在1.0～2.0之间，1.0代表边界最简单的正方形斑块，2.0则代表边界最复杂的斑块，它在一定程度上也反映了人类活动对景观格局的影响。

最大斑块所占景观面积的比例指数：

LPI=Aimax/A

(2)

公式(2)中，LPI为最大斑块所占景观面积的比例指数，Aimax为景观类型i的最大斑块的面积，A为总面积，范围0～100之间，有助于确定景观的优势类型。其值的大小决定着景观中的优势种、内部种的丰度等生态特征；其值的变化可以改变干扰的强度和频率，反映人类活动的方向和强弱。

斑块所占景观面积指数：LAND=Ai/A

(3)

公式(3)中LAND为斑块所占景观面积指数，Ai为景观类型i的面积，A为总面积，范围0～100其值趋于0时，说明景观中此斑块类型变得十分稀少；其值等于100时，说明整个景观只由一类斑块组成。由于该公式计算的是某一斑块类型占整个景观的面积的相对比例，因此斑块所占景观面积指数是确定优势景观元素的依据之一，也是决定景观中的生物多样性、优势种和数量等生态系统指标的重要因素。

2 结果与分析

2.1 土壤侵蚀景观格局指数特征

2.1.1 斑块所占景观面积指数特征 基于斑块所占景观面积指数特征曲线图(见图3)，对研究区的土壤侵蚀景观斑块所占景观面积指数(LAND)进行分析，可以看出，微度侵蚀景观的LAND值随高程增加出现较大波动，在700～900高程区间和1200高程带较小，在1200高程带上出现最小值6.52%，在其余区间数值较大，300高程带上出现最大值41.16%。

轻度侵蚀景观LAND值在300～500高程区间大幅增加，并在300高程带出现最小值4.74%，在500高程带出现最大值41.74%，在500～800高程区持续减小，在800～1300高程区间呈现“S”状波动，大幅增加后迅速减小，在1100高程带后持续增加。

中度侵蚀景观LAND值波动较大，在300～400高程区间大幅增加，在400～500高程区间大幅减小，在500～700高程区间持续上升，并在700高程带达到最大值39.63%，在700～1000高程区间持续减小，并于1000～1200高程区间大幅回升，随后在1200～1300区间大幅缩小，并在1300高程带达到最小值1.29%。

强烈侵蚀景观LAND值在300～400高程区间大幅减小，在400～700高程区间波动不大，在700～800高程区间大幅上并在800高程带上出现最大值35.84%，在800～1300高程区间持续缩小，并在1300高程带上得到最小值5.35%。

极强烈侵蚀景观LAND值整体波动不大，大致随高程增加呈缓慢上升趋势，在1300高程带上出现最大值11.78%，在800高程带出现最小值1.88%。

剧烈侵蚀景观LAND值在300～700高程区间，随高程增加小幅波动，在400高程带出现最小值0.55%，在700～800高程区间大幅增加，在800～900高程区间大幅减小，900～1100高程区间基本稳定，在1100～1200高程区间大幅增加，并在1200高程带上出现最大值29.03%，最后在1200～1300高程区间大幅减小。

图3 斑块所占景观面积指数特征曲线图Fig.3 Figure of the characteristic curve of the area percentage of the patch in the landscape

2.1.2 最大斑块所占景观面积的比例指数特征 基于最大斑块所占景观面积比例指数特征曲线图(见图4)，对研究区的最大斑块所占景观面积的比例指数(LPI)进行分析，可以看出，在300～500高程区间和1300高程带上出现LPI指数具有明显优势的景观，300高程带上微度侵蚀、中度侵蚀和强烈侵蚀景观LPI指数较大，在400高程带上微度侵蚀、轻度侵蚀和中度侵蚀景观LPI指数较大，轻度侵蚀指数最大且具有明显优势，在500高程带上轻度侵蚀景观LPI指数最大，其他景观LPI指数较小，在1300高程带上微度侵蚀和轻度侵蚀景观LPI指数较大，其中轻度侵蚀景观LPI指数最大。

图4 最大斑块所占景观面积比例指数特征曲线图

Fig.4 Figure of the characteristic curveofthe largest patches in the landscape accounted for the percentage of the area of the landscape.

在600～1200高程区间上LPI指数整体较小，在600高程带上微度侵蚀景观LPI指数最大，在700高程带上轻度侵蚀景观LPI指数最大，在800高程带上强烈侵蚀景观LPI指数最大，在900高程带上中度侵蚀和强烈侵蚀景观LPI指数较大，其中强烈侵蚀指数最大，在1000高程带上轻度侵蚀景观LPI指数最大，在1100高程带上中度侵蚀景观LPI指数最大在1200高程带上中度侵蚀和剧烈侵蚀景观LPI指数较大，其中剧烈侵蚀景观LPI指数最大。

2.1.3 斑块分维数特征 基于斑块分维数特征曲线图(见图5)，对研究区的斑块分维数(D)进行分析，可以看出，微度侵蚀斑块分维数随高程增加波动很大，在300～600高程区间、1000～1100高程区间和1300高程带上维持较高水平，在600处出现最大值1.189；轻度侵蚀斑块分维数整体维持较高水平，在500高程带上出现最大值1.2063，在800高程带和1100～1200高程区间上较小；中度侵蚀斑块分维数波动较大，在300～400高程区间大幅增加后，并在400高程带上出现最大值1.1876，在400～500高程区间大幅减小，在500～900高程区间大致呈上升趋势，在900～1100高程区间呈现“V”字型走势，1100高程带后大幅缩减；强烈侵蚀斑块分维数整体维持较低水平，只在300和800高程带上出现较大值，最大值1.1729出现在800高程带上；极强烈侵蚀斑块分维数整体维持极低水平，仅在800高程带上出现1.095的极值；剧烈侵蚀斑块分维数整体维持极低水平，仅在1200高程带上出现1.1287的极值。

图5 斑块分维数特征曲线图Fig.5 Figure of the characteristic curve of fractal dimension of patch

2.2 垂直维度上土壤侵蚀景观分布特征

从垂直维度上分析，可以看出，在低高程带(233～532 m)，面积约占研究区总面积的18%，随着高程的增加，土壤侵蚀景观的分布大致从以微度侵蚀和中度侵蚀为主过渡到以微度侵蚀和轻度侵蚀景观为主，轻度侵蚀景观LPI值和D值随高程的升高而增多，微度和中度侵蚀景观LPI值随高程的升高而降低。在300高程带，存在连续的不稳定的强烈侵蚀区域；在400高程带上微度和中度侵蚀景观D值达到最大值；在中高程带(533～932 m)，面积约占研究区总面积的60%；在500～800高程带，土壤侵蚀景观分布从以微度侵蚀、轻度侵蚀景观为主逐步有规律的过渡到以中度侵蚀和强烈侵蚀为主；在900高程带，侵蚀景观分布演变为以中度侵蚀、轻度侵蚀为主，微度侵蚀景观LPI值和D值在600高程带以后持续降低，轻度侵蚀景观LPI值和D值在500高程带以后大致呈衰减趋势，中度侵蚀和强烈侵蚀景观LPI值在700～900高程带大致呈上升趋势，强烈侵蚀D值波动较大，先减小后增大在800高程带得到最大值，中度侵蚀D值整体大致呈上升趋势，在900高程带得到最大值；在高程带(933～1369 m)，土壤侵蚀面积约占研究区总面积的22%，强烈侵蚀景观分布持续减少，极强烈侵蚀景观大致呈现增加趋势；在1000～1200高程带，土壤侵蚀景观的分布整体从微度侵蚀景观、轻度侵蚀景观向中度侵蚀景观、剧烈侵蚀景观过渡；在1300高程带呈微度侵蚀景观、轻度侵蚀景观和极强烈侵蚀景观、剧烈侵蚀景观两极分化，景观LPI值整体较小，仅在1300高程带，轻度侵蚀和微度侵蚀景观出现较大LPI值，土壤侵蚀景观D值的波动大致与景观组成分布波动一致。

3 结论与讨论

本文基于RS和GIS技术，获取了研究区的土壤侵蚀强度等级，对研究区的高程带进行了划分，利用Fragstats软件，从垂直维度上计算得到了各高程带上的斑块分维数、优势度指数和斑块所占景观面积指数等景观指数，分析了各景观指数在各高程带上的特征，分析了各高程带上土壤侵蚀强度等级的分布情况。通过对研究区进行垂直维度上的土壤侵蚀景观格局分析，研究区的侵蚀景观主要以微度侵蚀、中度侵蚀和轻度侵蚀为主，约占研究区面积的75.5%，侵蚀景观面积从大到小排列，依次为： 轻度侵蚀>中度侵蚀>微度侵蚀>强烈侵蚀>极强烈侵蚀>剧烈侵蚀；侵蚀较为严重的区域出现在300高程带、700～900高程区间和1200～1300高程区间，约占研究区总面积的47%，在300高程带上，因为主要地形为河岸，受水流冲刷等自然条件影响，存在大量中度侵蚀和强烈侵蚀区域，并存在不稳定的连续强烈侵蚀大斑块；在700～900高程带，侵蚀所占面积较大，坡度相对较缓，存在大量坡耕地，人类活动频繁，中度侵蚀和强烈侵蚀面积约占该区域面积的55%，其中在800高程带上，强烈侵蚀面积约占35.84%，且分布有较连续的大斑块，整体稳定性较差，受人为影响程度大，人为因素成为导致该区域土壤侵蚀严重的主要原因；在1200～1300高程区间上，面积较小，坡度较大，人类活动受到限制，自然因素主导了土壤侵蚀的发展，该区域呈现微度侵蚀、轻度侵蚀和极强烈侵蚀、剧烈侵蚀的两级分化现象，其中伴有连续的微度和轻度侵蚀大斑块，优势度较高，稳定性相对较差。因此，该研究区的水土保持治理应重点放在地形坡度较缓面积较大的中高程地带(633～932 m)，建议以规范农田基本建设、进行坡改梯工程和完善小型水利水保工程等措施来改善农业生产条件；在低高程和高高程地带，因为主要受自然条件影响，应以预防为主，其中在低高程的河道地段，建议修筑堤防工程，减轻因为河水冲刷导致的水土流失。

论文从垂直维度上，采用景观格局的分析方法，对研究区的土壤侵蚀强等级进行了景观格局分析。从垂直维度来分析土壤侵蚀的空间格局，完善了土壤侵蚀空间格局的研究思路和方法，对水土保持防治提供科学的依据具有一定的指导意义。在喀斯特山区，生态坏境脆弱且对人类活动的反应非常敏感，人类不合理的土地利用已成为水土流失的主要成因之一。在今后的研究中，还应结合表征人类活动的指标，进一步研究土壤侵蚀垂直景观格局与人类活动特征之间的关系，制定出更加合理的降低人类活动对环境造成破坏的措施。

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Analysis of Vertical Landscape Pattern of Soil Erosion in Karst Mountainous Area

TANGRui，WANGXiao-hong*，SHUTian-zhu，ZHAOSi-qi

(CollegeofForestry，GuizhouUniversity，Guiyang，Guizhou550025，China)

The soil erosion effect on landscape pattern and its variation is one of the important subjects in the research of soil erosion. This paper was based on GIS and RS technology and on the basis of classification of soil erosion grades. Patch fractal dimension， the largest patch index and area percentage index of landscape were selected to， study landscape spatial pattern with different soil erosion grades in vertical dimension. The relationship between landscape pattern and soil and water loss process was investigated in order to provide scientific basis for soil erosion control. The results showed that， in the vertical dimension range， the soil erosion landscape had obvious characteristics of stratification. Erosion level gradually enhanced from low altitude to high altitude. ， The patch fractal dimension was low and the plaque was stable in low altitude and high altitude areas The patch fractal dimension was high in the middle elevation while the plaque was instable due to intensive human activities. Erosion level decreased during altitude between 1000-1100 m while human activity weakened. At the top of the mountains， slight， light， strong， and severe erosion landscape accounting for the majority of distribution accompanied by a large area of slight to mild erosion landscape. Soil erosion landscape was mainly affected by the natural environment.

Karst mountain area， Soil erosion， Vertical dimension， Landscape pattern index

2016-11-03；

2016-11-22

贵州省科技计划课题(黔科合LH字[2014]7649号)；贵州省科学技术基金项目(黔科合J字[2014]2070号)；贵州大学引进人才科研项目(贵大人基合字(2013)31号)。

S157.1；P237

A

1008-0457(2017)01-0030-06 国际

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.01.005

*通讯作者：王晓红(1970-)，男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：3S技术应用研究；E-mail：gzdxwxh@163.com。