喀斯特地區(qū)縣域土壤侵蝕估算及其對土地利用變化響應(yīng)

本文以福建省山區(qū)為例,在對福建省水土保持實驗站、建甌市牛坑龍水土保持試驗站長期觀測、實驗資料深入分析對比的基礎(chǔ)之上,探討了土地利用/土地覆被變化對土壤侵蝕的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明,土地利用/土地覆被變化對徑流的產(chǎn)生和土壤侵蝕有重要影響,植被的覆蓋度的變化直接影響著徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù);植被的覆蓋度和徑流系數(shù)呈負(fù)線性關(guān)系,隨著覆蓋度的增加徑流系數(shù)逐漸減小;植被覆蓋度和土壤侵蝕模數(shù)為負(fù)指數(shù)關(guān)系,隨著植被覆蓋度的增大,土壤侵蝕模數(shù)急劇下降。

依據(jù)史料和已有研究,恢復(fù)了洛川塬土地利用的演變過程及其對土壤侵蝕的影響。研究表明,清至民國時期是一個由土地墾殖的初步恢復(fù)到土地墾殖力度的增強、墾殖范圍的擴大,再至戰(zhàn)亂、自然災(zāi)害后期的重建以及民國時期土地墾殖發(fā)展的過程。地貌的復(fù)雜性、降水的不穩(wěn)定性,對土地開墾造成客觀限制;政策制度的推行對土地開墾起到主導(dǎo)作用;而人口因素是土地開墾的根本動力。土地開墾面積隨不同時期的人口變化而呈現(xiàn)顯著差異,即土地開墾面積和人口數(shù)量之間成正相關(guān)關(guān)系。洛川塬環(huán)境伴隨著人口增長、土地利用強度增強而逐步惡化。這種惡化是地理環(huán)境系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)能力減弱,繼而引發(fā)土壤侵蝕加劇,并呈現(xiàn)為人為加速侵蝕和自然侵蝕交相混合的共同作用。

采用gis空間分析與傳統(tǒng)統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法,通過在arcgis8.1的grid模塊中,對瀾滄江流域南段土地的柵格(grid)圖進(jìn)行地圖代數(shù)運算,形成具有復(fù)合數(shù)據(jù)的新grid數(shù)據(jù)表;對新生成grid屬性表的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算,獲得研究時段內(nèi)不同空間范圍的土地利用轉(zhuǎn)移矩陣數(shù)據(jù)及各類用地上的土壤侵蝕數(shù)據(jù);通過土壤侵蝕綜合指數(shù)(index)的計算,反映了不同區(qū)域、不同土地利用類型上的土壤侵蝕程度及其變化.研究結(jié)果表明,耕地、其它林地、低覆蓋度草地上土壤受侵蝕的可能性較其它用地類型大;耕地、中覆蓋度草地、水域的土壤侵蝕強度較其它用地類型大;土地利用變化對土壤侵蝕變化的影響在瀾滄江中游和下游區(qū)域表現(xiàn)較為明顯,而在上游區(qū)域不明顯;上游區(qū)域土壤侵蝕的主導(dǎo)因素不是土地利用及其變化,而是地形、氣候等其它因素.

通過野外考察、典型剖面采樣及室內(nèi)實驗，研究了黃土高原洛川塬典型耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果園后土壤顆粒組成和土壤容重等土壤物理屬性的變異特征.研究結(jié)果表明：耕地改為蘋果園地后，在0~20cm土層中，土壤粘粒含量顯著增加(p<0.01)，其他土層沒有顯著變化；在0~60cm土層中，土壤容重顯著降低(p<0.01)；在60~100cm土層中，沒有顯著性變化.在剖面垂直方向上，耕地顆粒含量從表層向下隨著深度增加呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢，在20~40cm土層粘粒含量最高(17.18%)，容重最大(p<0.01)，而蘋果園0~60cm土層粘粒含量大于60~100cm土層，土壤容重則隨著土層深度的增加有降低的趨勢.可見，土壤容重和土壤顆粒中的粘粒含量均對土地利用變化表現(xiàn)出一定的敏感性.

西南岔河為湯旺河一級支流,隨著人類活動對下墊面的影響,河道內(nèi)的懸移質(zhì)泥沙含量逐年增多。本文應(yīng)用swat(soilandwaterassessmenttool)分布式水文模型構(gòu)建了流域水沙模型,研究分析了西南岔河流域1995—2015年土地利用空間變化對土壤侵蝕的影響,模擬分析了綠化對減輕水土流失的作用,為當(dāng)?shù)厮帘３诌x擇灌木品種和種植規(guī)模提供依據(jù)。

利用usle方程和徑流場對大姚縣水土保持生態(tài)修復(fù)區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行監(jiān)測,旨在探討采取退耕還林、封禁、坡改梯等修復(fù)措施后,土地利用變化對修復(fù)區(qū)土壤侵蝕的影響。研究結(jié)果表明:高強度土壤侵蝕主要發(fā)生在坡耕地特別是陡坡耕地,而林地和梯地少有發(fā)生;經(jīng)過退耕還林增加林地面積和坡改梯后,土壤侵蝕現(xiàn)象得到緩解,流失面積減少2867.35hm2。

以貴州省關(guān)嶺縣為例,利用1987和1999年兩個時段tm影象和相關(guān)資料,分析研究區(qū)12年間的土地利用/土地覆被變化及其土壤侵蝕風(fēng)險。發(fā)現(xiàn):(1)研究區(qū)土地利用動態(tài)變化較大,年均土地利用綜合動態(tài)指數(shù)為1.36%;(2)旱地和草地互相轉(zhuǎn)化比例高,草地開墾為旱地和旱地棄耕為草地的動態(tài)變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過旱地和草地最終面積變化的幅度;(3)山區(qū)土地利用的空間變化主要體現(xiàn)在垂直方向;(4)研究區(qū)裸土面積下降,一部分被植被覆蓋,另一部分由于土壤流失殆盡,形成裸露基巖,故植被覆蓋率和基巖出露率上升;(5)石漠化程度加劇,其中旱地石漠化發(fā)展速度最快;(6)土壤侵蝕形勢嚴(yán)峻。

隨著鄱陽湖流域開發(fā)進(jìn)程加快,土地利用類型勢必發(fā)生轉(zhuǎn)移,從而對鄱陽湖流域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。為了能反映鄱陽湖流域由于土地利用變化對土壤侵蝕的影響效應(yīng),本文通過采用3s技術(shù)手段,獲取鄱陽湖流域土地利用空間數(shù)據(jù)與土壤侵蝕數(shù)據(jù),引入土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣指數(shù)和土壤侵蝕強度指數(shù),對鄱陽湖流域土地利用變化和土壤侵蝕效應(yīng)空間關(guān)系進(jìn)行定量分析。結(jié)果表明:①1985年～2000年間,影響鄱陽湖流域土壤侵蝕強度變化的土地類型主要集中在農(nóng)田、林地和草地,而水域、工礦居民用地與未利用地三種土地類型對土壤侵蝕強度變化總體變化不大;②加重土壤侵蝕強度的主要是林地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田、林地轉(zhuǎn)化為草地、草地轉(zhuǎn)化為農(nóng)田;而土地利用類型農(nóng)田轉(zhuǎn)化為林地、林地內(nèi)部之間的轉(zhuǎn)化減輕了侵蝕強度。土地利用類型和土壤侵蝕強度之間的定量研究結(jié)果反映了土壤侵蝕效應(yīng)的變化,與鄱陽湖流域的水土流失現(xiàn)實情況一致。

1土壤侵蝕量計算模型 關(guān)于土壤侵蝕量的計算，目前國內(nèi)外主要采用的是美國的通用土壤流失方程 usle(universalsoil-lossequation)，作為一個經(jīng)驗統(tǒng)計模型，它是土壤侵蝕研究過程中的 一個偉大的里程碑，在土壤侵蝕研究領(lǐng)域一度占據(jù)主導(dǎo)地位，并深刻地影響了世界各地土壤 侵蝕模型研究的方向和思路。由于usle模型形式簡單、所用資料廣泛、考慮因素全面、因 子具有物理意義，因此不僅在美國而且在全世界得到了廣泛應(yīng)用?！巴ㄓ猛寥懒魇Х匠淌健?的形式如下： pcslkra1-1 式中：a——土壤流失量（噸∕公頃·年） r——降雨侵蝕力指標(biāo)； k——土壤可蝕性因子。它是反映土壤吝易遭受侵蝕程度的一個數(shù)字。其單位是， 在標(biāo)準(zhǔn)條件下，單位侵蝕力所產(chǎn)生的土壤流失量； l——坡長因子。當(dāng)其它條件相同時，實際坡長與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)坡長（2

基于landsat遙感影像提取大凌河流域1986~2014年7期土地利用/覆被變化信息,并結(jié)合1986~2014年流域氣候變化情況,發(fā)現(xiàn)大凌河流域土地利用變化對流域氣候變化具有負(fù)面影響。研究表明:(1)近30a大凌河流域土地利用/覆被變化情況表現(xiàn)為:建設(shè)用地和農(nóng)林用地的大幅度擴張,面積分別增加了322.30km2和1504.94km2,并伴隨著水域和旱地及其他未利用地面積的顯著減少,面積分別減少了102.42km2和1724.61km2;(2)大凌河流域近30a來土地利用變化導(dǎo)致流域平均年降水量、平均相對濕度及平均風(fēng)速小幅度下降,分別減少了14.94mm、0.2%和0.04m/s,平均氣溫緩慢上升,增長了0.1℃;(3)退耕還林還草及成立凌河保護(hù)區(qū)等工作能提高流域植被覆蓋面積、使流域水域面積得以回升,從而可以緩解城市熱島效應(yīng)帶來的溫度升高,提高流域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

以涪江橋流域為研究區(qū)域,采用swat模型模擬流域水文過程,將相同水文氣象條件下1985和1995年2個時期土地利用情景的swat模型模擬結(jié)果與土地利用空間轉(zhuǎn)化圖相結(jié)合,分析土地利用變化引起的水文要素變化及其可檢測性問題。結(jié)果表明:1985—1995年間涪江橋流域發(fā)生較為劇烈的土地利用變化,但并未檢測到足夠顯著的水文要素變化；不同土地利用類型水文效應(yīng)的相似性、不同土地利用類型水文效應(yīng)差異性以及統(tǒng)計中和效應(yīng)和統(tǒng)計均化效應(yīng)是導(dǎo)致土地利用變化引起的水文要素變化難以檢測的主要原因。在此基礎(chǔ)上,提出了水文動態(tài)響應(yīng)度指標(biāo),來消除統(tǒng)計中和效應(yīng)。該指標(biāo)可以在一定程度上幫助研究者了解研究區(qū)特定水文要素變化的相對劇烈程度。研究結(jié)果可為土地利用總體規(guī)劃和流域水資源保護(hù)與合理配置提供參考。

以涪江橋流域為研究區(qū)域,采用swat模型模擬流域水文過程,將相同水文氣象條件下1985和1995年2個時期土地利用情景的swat模型模擬結(jié)果與土地利用空間轉(zhuǎn)化圖相結(jié)合,分析土地利用變化引起的水文要素變化及其可檢測性問題.結(jié)果表明:1985—1995年間涪江橋流域發(fā)生較為劇烈的土地利用變化,但并未檢測到足夠顯著的水文要素變化;不同土地利用類型水文效應(yīng)的相似性、不同土地利用類型水文效應(yīng)差異性以及統(tǒng)計中和效應(yīng)和統(tǒng)計均化效應(yīng)是導(dǎo)致土地利用變化引起的水文要素變化難以檢測的主要原因.在此基礎(chǔ)上,提出了水文動態(tài)響應(yīng)度指標(biāo),來消除統(tǒng)計中和效應(yīng).該指標(biāo)可以在一定程度上幫助研究者了解研究區(qū)特定水文要素變化的相對劇烈程度.研究結(jié)果可為土地利用總體規(guī)劃和流域水資源保護(hù)與合理配置提供參考.

為了揭示川中丘陵區(qū)紫色土地表微地形變化對土壤侵蝕的影響,該文通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗,從地表糙度角度出發(fā),結(jié)合多重分形理論與方法,分析了不同坡度條件下紫色土地表微地形變化特征,探討了地表微地形變化與土壤侵蝕間的關(guān)系。結(jié)果表明:1)雨強為1.5mm/min,歷時為40min降雨條件下,10°、15°和20°坡面地表相對高程的變化量分別為-11.66、-3.52和-5.61mm,僅20°坡面地表初始低洼部位被徑流貫通形成細(xì)溝;各坡面地表糙度均有所減小,且表現(xiàn)為15°>10°>20°,其中10°和15°坡面不同坡位地表糙度均較雨前減小,20°坡面下坡地表糙度較雨前增大,不同坡度全坡面地表糙度均較雨前減小;2)地表微地形具有一定的多重分形特征,10°和15°坡面雨后多重分形參數(shù)廣義分形維數(shù)跨度、奇異指數(shù)跨度和多重分形譜高差均較雨前增大,微地形空間分布差異增大,且地表變得圓潤,20°坡面與之相反;3)隨坡度增大,地表徑流量呈先減小后增大的變化趨勢,且地表糙度變幅越小的坡面,地表產(chǎn)流量越高,而侵蝕產(chǎn)沙量則隨坡度的增大顯著提高(p<0.05)。研究成果為揭示水蝕過程中地表微地形變化的本質(zhì)和作用機理提供了參考。

本文通過研究土地利用/覆蓋變化和生態(tài)安全的相互關(guān)系,探討了兩者的相關(guān)性,并在此基礎(chǔ)上對我國土地利用/覆蓋情景模式下的生態(tài)安全進(jìn)行了深入分析,提出了相應(yīng)政策建議。

由于人口劇增,人類活動的影響不斷加大,在過去100年全球土地利用/土地覆被發(fā)生了巨大的變化。最常見的土地利用變化是由森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地。森林砍伐使森林生態(tài)系統(tǒng)地上部生物量大大減少,砍伐后作農(nóng)業(yè)用地,降低了植被生產(chǎn)力,減少了土壤有機質(zhì)的輸入,增強了腐殖質(zhì)的礦化作用,有機質(zhì)分解速率增加,有機碳貯量隨之降低,從而影響到森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán),使大量碳元素釋放到大氣中,引起溫室效應(yīng),導(dǎo)致全球變暖。另一個常見的土地利用變化是植樹造林和森林恢復(fù),這一過程可以增加森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量,從而減緩大氣co2體積分?jǐn)?shù)的上升。

以黃河三角洲為研究區(qū),基于1986年6月5日和2009年6月4日的landsattm影像進(jìn)行土地利用/覆被分類及變化特征研究,同時,基于sebal模型估算區(qū)域蒸發(fā)蒸騰量,進(jìn)而分析濕地蒸發(fā)蒸騰的數(shù)量特征、空間格局特征及其對土地利用/覆被變化的響應(yīng)特征。結(jié)果表明:23年間,58.74%的區(qū)域土地利用/覆蓋類型發(fā)生了變化,未利用地大幅減少,水體和建設(shè)用地大幅增加,顯著的土地墾殖與耕地荒廢則同時存在;蒸發(fā)蒸騰強度大小按土地利用/覆被類型排序依次為水體>灘涂>葦?shù)?gt;林草地>耕地>建設(shè)用地>未利用地,研究區(qū)未利用土地變?yōu)樗w和耕地是導(dǎo)致區(qū)域蒸發(fā)蒸騰整體提高的主導(dǎo)原因,而耕地流失則是導(dǎo)致區(qū)域蒸發(fā)蒸騰整體下降的主要原因,但23年間實際變化以前一種情形占優(yōu)勢,因而區(qū)域蒸發(fā)蒸騰總體呈現(xiàn)為增加趨勢。研究結(jié)果對區(qū)域土地利用規(guī)劃和水資源管理有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。

土壤是人類生存和發(fā)展的必要物質(zhì)基礎(chǔ),土地利用方式的改變直接影響土壤性質(zhì)。從土壤理化性質(zhì)和微生物特性兩個方面,綜述了土地利用變化對土壤性質(zhì)的影響,旨在為土地有效利用及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

對貴州中部喀斯特山區(qū)不同土地利用方式(闊葉林地、灌木林地、灌叢草地、耕地)對土壤、地表徑流和淺層地下水進(jìn)行采樣與分析。結(jié)果表明,在喀斯特山區(qū)土地利用模式從闊葉林地—灌木林地—灌叢草地方向的演變過程中,土壤有機質(zhì)、速效氮磷鉀、交換性鈣鎂含量出現(xiàn)明顯的下降,粘粒含量增加,土壤質(zhì)量出現(xiàn)退化,耕地有機質(zhì)含量明顯低于林地和草地;耕地地表徑流中so42-,nh4+,po43-,cod均顯著高于林地和草地;淺層地下水的so42-,nh4+,no3-,po43-,cod也顯著增加;土地利用由林地變?yōu)楦睾?地下水質(zhì)量出現(xiàn)一定程度的下降。

基于137cs示蹤技術(shù),結(jié)合土地利用變化數(shù)據(jù),對黃土丘陵溝壑區(qū)羊圈溝小流域土壤侵蝕強度的演變過程進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:從20世紀(jì)80年代以來,該流域土地利用強度逐漸減弱;1980—2006年間,研究區(qū)坡耕地面積急劇下降,從94.9hm2下降到0.2hm2,喬木林地面積由0增加到51.1hm2,灌木林地面積由0增加到19.2hm2,果園林地面積由0增加到18.0hm2,荒草地面積趨于穩(wěn)定,由76.9hm2增加到80.1hm2.研究期間,不同土地利用類型的土壤侵蝕強度依次為:坡耕地>灌木林地>果園林地>荒草地>喬木林地;1980、1984、1996和2006年流域土壤侵蝕強度分別為6408.9、5362.4、4903.9和3641.4t.km-2.a-1,侵蝕程度由強度變?yōu)橹卸?土壤侵蝕強度降低的主要原因是該區(qū)的水保措施和植被恢復(fù)措施.

應(yīng)用遙感技術(shù)評估了印度北部paligad山地流域過去幾十年里土地利用土地覆蓋變化及其造成的土壤侵蝕程度,并基于摩根參數(shù)模型(morganparametricmodel)的方法來測定土壤的侵蝕程度;結(jié)果表明,由于不同的坡向受到太陽光照的不同可以引起土地覆蓋的變遷;海拔和坡度已不再是阻礙人們獲取自然資源的因素,人們的活動范圍正轉(zhuǎn)移到更高的海拔和更陡峭的坡度;揭示了土地利用土地覆蓋變化對土壤侵蝕進(jìn)程有著直接的影響。

利用landsatetm＋遙感影像數(shù)據(jù)和最大似然分類方法完成了陜西榆林地區(qū)2010年土地利用/覆蓋分類,并結(jié)合1985、1995和2000年的土地利用數(shù)據(jù),分析了研究區(qū)土地覆蓋的時空變化及其對生態(tài)脆弱性的影響。結(jié)果表明,1985—2010年研究區(qū)土地利用/覆蓋與景觀格局變化所引起的生態(tài)脆弱性的空間差異增大。從時間上,研究區(qū)林地面積增加,耕地和草地減少,生態(tài)保護(hù)措施改善了當(dāng)?shù)赝恋馗采w狀況;未利用土地和建設(shè)用地增加,土地退化現(xiàn)象依然存在,城市化進(jìn)程不斷加劇。從空間上,研究區(qū)東南部林地面積增加,土地利用/覆蓋結(jié)構(gòu)得到很大改善,而西北部地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)和城市化進(jìn)程的加劇,導(dǎo)致未利用土地、建設(shè)用地增加。景觀格局以1995年為轉(zhuǎn)折點,整體景觀格局得到了明顯的改善。

通過選擇3個具有不同地質(zhì)背景、氣候條件等環(huán)境特征的山西汾陽馬跑-郭莊巖溶泉域、湖南湘西大龍洞地下河流域、廣西桂江流域,對流域內(nèi)具有代表性的不同土地利用方式和覆被類型下墊面土壤20～50cm深處co2濃度進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示,土地利用方式和覆被變化對3個流域巖溶土壤中20cm、30cm、40cm和50cm深處co2濃度具有明顯的影響作用:湖南湘西大龍洞地下河流域多數(shù)樣地土壤co2表現(xiàn)為隨土層的加深先增加后降低的雙向梯度;山西馬跑-郭莊泉域玉米地的土壤co2濃度比種植馬鈴薯的高,且隨著覆被條件由草地→灌叢→林地的改善,土壤的擾動性變小,co2濃度差趨于減少,變幅趨于穩(wěn)定。各個流域相同覆被類型,群落結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢種變化越小,土壤co2濃度變幅越小。