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  農業資源與環境學報  2021, Vol. 38 Issue (6): 999-1009  DOI: 10.13254/j.jare.2020.0564
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引用本文  

馬方正, 于興修, 胡硯霞, 等. 丹江口市土壤侵蝕敏感性時空變化特征[J]. 農業資源與環境學報, 2021, 38(6): 999-1009.
MA Fangzheng, YU Xingxiu, HU Yanxia, et al. Spatial and temporal variations in soil erosion sensitivity in Danjiangkou City[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(6): 999-1009.

基金項目

國家自然科學基金項目(41471227)

Project supported

The National Natural Science Foundation of China(41471227)

通信作者

于興修??E-mail: xxy2000@126.com

作者簡介

馬方正(1995-), 男, 山東青島人, 碩士研究生, 主要從事資源利用與環境效應研究。E-mail: 2054211659@qq.com

文章歷史

收稿日期: 2020-09-30
錄用日期: 2021-01-14
丹江口市土壤侵蝕敏感性時空變化特征
馬方正 , 于興修 , 胡硯霞 , 李明蔚 , 程思 , 王星峰 , 肖娟花     
湖北大學資源環境學院/區域開發與環境響應湖北省重點實驗室, 武漢 430062
摘要: 土壤侵蝕是丹江口庫區主要的生態問題之一,明確丹江口市土壤侵蝕敏感性的時空變化特征有助于深入認識丹江口庫區的土壤侵蝕機理,也可為保護庫區水環境提供依據?;谛拚耐ㄓ猛寥懒魇Х匠蹋≧USLE),結合丹江口市多山、地形破碎的地形特征,選擇降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、溝壑密度5個因子構建土壤侵蝕敏感性評價體系,借助ArcGIS 10.2平臺,綜合評價2012—2017年丹江口市土壤侵蝕敏感性,并分析研究區在不同下墊面要素下土壤侵蝕敏感性的空間分布特征。結果表明:丹江口市土壤侵蝕敏感性整體呈現南北高、中間低的態勢,主要表現為輕度敏感和中度敏感,高度及以上敏感區僅占研究區總面積的13.53%;5年間丹江口市中度敏感、輕度敏感、不敏感區面積呈增加趨勢,高度敏感和極敏感區面積呈下降趨勢;疏林地和未利用地是研究區高敏感性土地利用類型;研究區土壤侵蝕敏感性隨坡度增大呈先升高后降低趨勢。研究成果可為丹江口市土壤侵蝕機理研究和水土保持及生態環境建設提供參考。
關鍵詞: 丹江口市    通用土壤流失方程(RUSLE)    土壤侵蝕敏感性    GIS    
Spatial and temporal variations in soil erosion sensitivity in Danjiangkou City
MA Fangzheng , YU Xingxiu , HU Yanxia , LI Mingwei , CHENG Si , WANG Xingfeng , XIAO Juanhua     
College of Resources and Environmental Science, Hubei University/Hubei Key Laboratory of Region Development and Environment Response, Wuhan 430062, China
Abstract: Soil erosion is a major ecological problem in Danjiangkou reservoir area. Therefore, understanding the soil erosion mechanism of Danjiangkou reservoir area and conserving the water environment of the reservoir area is critical. Based on the revised universal soil loss equation(RUSLE) and the terrain characteristics of mountainous and broken terrain in Danjiangkou City, five factors, including rainfall erosivity, soil erodibility, topographic relief, vegetation coverage, and gully density were selected to develop a soil erosion sensitivity evaluation system. With the help of ArcGIS 10.2 platform, the soil erosion sensitivity of Danjiangkou City from 2012 to 2017 was comprehensively evaluated and the spatial distribution characteristics of soil erosion sensitivity in the study area under different underlying surface elements were analyzed. The results showed that the soil erosion sensitivity of Danjiangkou City was generally high in the northern and southern regions and low in the central region. Soil erosion sensitivity was characterized majorly as marginal and moderate sensitivity. Highly sensitive and extremely sensitive areas accounted for 13.53% of the total study area; during the five years, the moderately sensitive, marginally sensitive, and insensitive areas in Danjiangkou City showed an increasing trend, while the highly sensitive and extremely sensitive areas showed a downward trend; sparse woodland and unused land were highly sensitive land use types in the study area. The potential risk index of soil erosion in the study area increased initially and decreased later with the increase in slope. The research findings can serve as a reference for studying the soil erosion mechanism and developing strategies for the conservation of soil, water, and the overall ecosystem in Danjiangkou City.
Keywords: Danjiangkou City    revised universal soil loss equation(RUSLE)    soil erosion sensitivity    GIS    

土壤侵蝕引發土壤肥力下降、江河淤積、旱澇災害加劇,已成為全球重大生態環境問題之一[1]。土壤侵蝕敏感性反映的是在自然條件下發生土壤侵蝕的潛在可能性及其程度[2],開展土壤侵蝕敏感性評價對深化土壤侵蝕機理研究及水土流失治理和生態建設均具有重要意義。在土壤侵蝕敏感性研究中,國外多側重于探討環境因子對土壤侵蝕敏感性的影響,如BORRELLI等[3]研究了意大利亞平寧山區林地伐木后土壤侵蝕敏感性現狀;MISRA等[4]探討了地中海地區土地利用類型和耕作方式變化對土壤侵蝕敏感性的影響。國內對土壤侵蝕敏感性的研究多以區域為單元,探討土壤侵蝕敏感性的空間分布和形成機制,目前已經取得許多研究成果。國內學者對土壤侵蝕敏感性的研究大多基于修正的通用土壤流失方程(RUSLE)[5],幾何平均數模型[6]、加權疊加模型[7]及土壤侵蝕潛在危險度指數模型[8]等方法在土壤侵蝕敏感性研究中也得到一些應用。近年來,隨著3S技術的應用,土壤侵蝕敏感性已實現了動態研究[9]。評價指標體系構建、主要敏感因子識別及侵蝕因子權重確定等[10-11]是開展土壤侵蝕敏感性評價研究的前提和基礎,所用的統計方法主要有疊加排序法[12]、空間自相關分析法[13]、層次分析法[14]、專家打分法[15]等,其中,專家打分法在土壤侵蝕關鍵因子識別及不同擾動因子權重研究中應用較為廣泛。

丹江口水庫是我國南水北調中線工程的水源地,庫區土壤侵蝕狀況對流域生態環境具有重要影響[16]。丹江口市地處國家級水土流失重點防治區和南水北調中線工程丹江口水源區核心范圍,境內地形地貌復雜,溝壑密布,地形坡度大,夏季多暴雨,容易引發水土流失,目前相關研究主要集中在小流域水土流失監測[17]、養分流失[18]、土壤侵蝕對土地利用的響應[19]等方面,土壤侵蝕敏感性時空變化方面的研究比較缺乏。本研究以丹江口市為研究區,以30 m×30 m的柵格作為評價單元,借鑒國內外土壤侵蝕敏感性研究成果,以RUSLE和GIS、RS技術為基礎,結合研究區自然地理特征,選取研究區土壤侵蝕的主要影響因子,以2013年丹江口大壩加高工程項目完工為時間節點,研究該區土壤侵蝕的空間分布差異及時空變化特征,以期為該區土壤侵蝕機理研究和水土保持及生態環境建設提供參考。

1 材料與方法 1.1 研究區概況

丹江口市位于湖北省西北部(圖 1),鄂、豫兩省交界處(110°48′ ~111°34′ E,32°13′ ~32°58′ N),總面積3 121 km2,是南水北調中線工程水源地,被譽為“亞洲天池”。丹江口市整體地勢呈南北高、中間低的特點,漢水自西向東貫穿全鏡,最高海拔為武當山天柱峰1 612 m,最低海拔為東部三宮殿87 m,平均海拔192 m;丹江口市屬北亞熱帶季風性濕潤氣候,多年平均降雨量850~900 mm,降雨季節差異大,夏季降水量占年降水量的30%~49%;主要土壤類型為黃棕壤、水稻土、灌淤土等;地帶性植被為常綠闊葉林、針葉林及針闊混交林。

圖 1 丹江口市位置及地勢起伏示意圖 Figure 1 Schematic diagram of the location and topography of Danjiangkou City
1.2 數據來源

本研究的基礎地理數據包括:2012年9月30日、2017年11月8日兩期Landsat EM、Landsat 8遙感影像,空間分辨率均為30 m;研究區降雨數據來源于歐洲氣象局高分辨率網格數據集月降雨數據;地形數據來源于ASTER官網提供的30 m分辨率數字高程數據(DEM);土壤數據來源于世界土壤數據庫(HWSD)的中國土壤數據集。

1.3 研究方法 1.3.1 評價因子的選取

土壤侵蝕敏感性評價主要選取能夠反映土壤侵蝕敏感性的自然因子,通過定量的土壤侵蝕模型,對區域土壤侵蝕敏感性進行綜合研究。丹江口市位于我國亞熱帶地區,因此研究區主要考慮由水蝕所引發的土壤侵蝕狀況。RUSLE是目前應用最為廣泛的土壤水蝕模型,模型全面考慮了影響土壤侵蝕的自然和人為因素,其參數因子可以很好地反映土壤侵蝕的敏感性問題,因此本研究以該模型為基礎,選取土壤侵蝕敏感性評價因子。RUSLE如下:

(1)

其中:A 為土壤侵蝕量;R為降水侵蝕力因子;K為土壤可蝕性因子;L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。

在已有研究得出土壤侵蝕敏感性主要受氣候、土壤性質、地形和植被影響的基礎上[20],基于RUSLE模型,考慮數據資料的有效性并結合丹江口市地形破碎、溝壑縱橫的地形特征,本研究選取降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、溝壑密度5個因子作為土壤侵蝕敏感性評價指標,構建研究區土壤侵蝕敏感性評價體系。

1.3.2 土壤侵蝕敏感性因子量化

(1)降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力是指由降水引起土壤侵蝕的潛在勢能,雨滴濺蝕和降雨徑流是引發土壤侵蝕的主要動力因素[21]。年降雨量和降雨強度越大,土壤侵蝕越劇烈,二者呈正相關。由于降雨侵蝕力難以直接測定,本研究采用R值計算方法[22]

(2)

式中:R為年降雨侵蝕力,MJ·mm·hm-2·h-1;Pi為研究區月均降雨量,mm。

基于研究區多年月均降雨量數據,采用普通Kriging內插法進行空間化處理,生成研究區R值柵格文件(圖 2)。依據表 1進行分級賦值,空間分辨率為30 m×30 m。

圖 2 2012、2017年降雨侵蝕力空間分布圖 Figure 2 Spatial distribution of rainfall erosivity in 2012 and 2017
表 1 土壤侵蝕敏感性評價指標及分級賦值 Table 1 Evaluation index and classification standard of soil erosion sensitivity

(2)土壤可蝕性因子

土壤可蝕性是土壤對降雨擊濺侵蝕或地表徑流等侵蝕介質剝蝕、搬運的敏感程度[23],反映了土壤自身理化性質對土壤侵蝕的抵抗能力,是影響土壤流失量的內在因素。本研究選取土壤侵蝕和生產力影響估算模型(EPIC)[24],計算研究區不同土壤類型K值,公式如下:

(3)

式中:ρSAN、ρSIL、ρCLA分別表示砂粒、粉粒、黏粒含量,%;ρC為有機碳含量,%;ρSN1=1-ρSAN/100。

根據公式(3)計算研究區各土壤類型的K值,賦值于土壤類型圖,進行數據轉換,得到30 m柵格大小的Grid格式空間數據,分級賦值得到土壤可蝕性因子敏感性空間分布圖(圖 3)。

圖 3 土壤可蝕性因子分布圖 Figure 3 Distribution map of soil erodibility factors

(3)地形起伏度

地形起伏是引發土壤侵蝕最直接的因素,宏觀尺度通常選取地形起伏度來反映坡度、坡長等地形因子對土壤侵蝕的敏感性[25]。本文以ASTER GDEM為數據源,運用鄰域分析法提取丹江口市地形起伏度。利用均值變點分析法得出丹江口市地形起伏度最佳統計單元是7×7窗口,通過ArcGIS軟件Neighborhood statistics工具,繪制研究區地形起伏度分級賦值圖(圖 4)。

圖 4 地形起伏度因子分布圖 Figure 4 Distribution map of topographic relief factors

(4)植被覆蓋度因子

植被覆蓋是影響土壤侵蝕最敏感的因素,植被覆蓋對土壤侵蝕的防治作用主要表現為對降雨能量的削減作用、保水作用和抗侵蝕作用[26]。依照現行的土地利用分類系統,以研究區2012、2017年兩期遙感影像為基礎數據源,通過目視解譯得到土地利用類型圖,依據《生態功能區劃暫行規程》[27]對植被覆蓋因子敏感程度進行分級賦值(表 1),得到研究區植被覆蓋因子敏感性空間分布圖(圖 5)。需要說明的是,建設用地和交通用地雖無植被覆蓋,但一般認為其不會發生土壤侵蝕,因此將二者歸為土壤侵蝕不敏感級別。

圖 5 2012、2017年植被覆蓋因子分布圖 Figure 5 Distribution map of vegetation cover factors in 2012 and 2017

(5)溝壑密度

溝壑密度是表征內外營力對地表侵蝕影響的重要指標。溝壑密度的大小與地表的切割破碎程度呈正相關,溝壑密度越大,地表越破碎,越容易引發土壤侵蝕[28]。利用ArcGIS軟件水文分析工具提取研究區盆地與溝壑,在考慮研究區地形特征及DEM分辨率的基礎上,確定提取流域盆地流量累計閾值為200,提取溝壑流量累計閾值為100,再將溝壑長度相加賦于流域面積,計算得到研究區溝壑密度分級圖(圖 6)。

圖 6 溝壑密度因子分布圖 Figure 6 Distribution map of gully density factors
1.4 土壤侵蝕敏感性評價方法

單因子的土壤侵蝕敏感性僅反映某一因子對土壤侵蝕的作用程度,由于不同影響因子對土壤侵蝕的貢獻度不同,需要對土壤侵蝕各單一指標進行加權計算,對土壤侵蝕敏感性進行綜合評價。綜合評價公式如下:

(4)

式中:Sjj空間單元土壤侵蝕敏感性指數;Cii因素敏感性等級值;Wi為影響土壤侵蝕i因子的權重。

根據丹江口市的實際情況及各因子對土壤侵蝕影響的大小,參考前人研究結果[29],采用專家打分法,確定土壤侵蝕敏感性各因子權重,降雨、土壤質地、地形起伏度、植被、溝壑密度權重依次為0.25、0.1、0.25、0.3、0.1。參考《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190— 2007)和《生態功能區劃暫行規程》,確定主要影響因子評價指標敏感性等級和分級賦值標準(表 1)。依據公式(4),在ArcGIS操作平臺上將單因子敏感性進行加權疊加運算,運用自然分界法將運算結果劃分為五級,得到丹江口市2012、2017年土壤侵蝕敏感性評價結果(表 2),繪制丹江口市兩期30 m分辨率土壤侵蝕敏感性分級圖。其中自然分界法是利用統計學的JENK最優化法確定的分界點,可以使各級內部方差和最小,根據2012年研究區自然分界法的劃分閾值,對2017年各因子加權求和結果進行分級,得到研究區兩期土壤侵蝕敏感性分級圖(圖 7)。

表 2 2012—2017年丹江口市土壤侵蝕敏感性綜合評價 Table 2 Comprehensive evaluation of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City from 2012 to 2017
圖 7 丹江口市2012、2017年土壤侵蝕敏感性分級圖 Figure 7 Classification map of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City in 2012 and 2017
2 結果與分析 2.1 土壤侵蝕敏感性現狀

土壤侵蝕敏感性綜合評價結果(表 2)表明,2017年丹江口市土壤侵蝕以中度敏感(1 365.66 km2)為主,其次為輕度敏感(985.24 km2),二者占75.19%;高度敏感區面積為408.21 km2,占比為13.06%;不敏感區面積為352.52 km2;土壤侵蝕極敏感區面積為14.56 km2,僅占丹江口市總面積的0.47%。由圖 7可知,研究區分布最為廣泛的中度敏感區主要分布在庫區北側習家店鎮、蒿坪鎮、石鼓鎮,南部武當山中高山區及庫區西側平原向低山丘陵過渡的丘陵臺地區;輕度敏感區分布廣泛但零散,主要分布在植被覆蓋度較高、人類活動干擾較少的低山丘陵區;高度敏感區主要分布在涼水河鎮、習家店鎮、六里坪鎮、均縣鎮、土臺鄉等山地丘陵區,該區地形起伏度較大,溝壑密布,土壤類型以黃棕壤為主,土壤中礫石、沙粒含量高,養分匱乏,保水保肥性差,土壤侵蝕敏感性較高;不敏感區主要分布在丹江口市區、丹江口水庫、庫區周邊河谷平原區及大小河流的階地上,這些地區地形平坦,土壤類型以水稻土和潮土為主,土壤質地多為壤黏土,土壤砂粒、粉粒、黏粒含量適中,保水保溫性能強,土壤侵蝕敏感性相對較低;極敏感區零散分布于北部大橫山區及南部武當山區,是由人類生產建設活動、局部微地貌等多種土壤侵蝕易發因子疊加所致。

2.2 土壤侵蝕敏感性時空變化特征

對丹江口市2012、2017年兩期土壤侵蝕敏感性分級圖進行疊加分析,得到土壤侵蝕敏感性強度轉移矩陣(表 3)。由表 3可知,5年間研究區土壤侵蝕敏感性等級降低的面積達105.87 km2,主要表現為高度敏感轉化為中度敏感、中度敏感轉化為輕度敏感和不敏感;土壤侵蝕敏感性等級升高的面積僅為11.83 km2,主要表現為輕度敏感轉化為中度和高度敏感、中度敏感轉化為高度敏感。

表 3 2012—2017年丹江口市土壤侵蝕敏感性強度轉移矩陣 Table 3 The intensity transfer matrix of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City from 2012 to 2017

圖 8可知,研究區土壤侵蝕敏感性等級降低比較明顯的有:①北部石鼓鎮、蒿坪鎮、習家店鎮、均縣鎮,土壤侵蝕敏感性由高度敏感向中度敏感轉化。該區地形以丘陵為主,山地丘陵與平原相間分布,人類開發強度大,土壤侵蝕敏感性較高,2012年以來國家在丹江口庫區實施水土流失綜合整治項目,將丹江口水庫大壩加高后即將淹沒的優質耕園地的耕作層剝離轉移到交通便利、距庫岸較近的瘠薄耕園地上,改良土壤性能,區域土壤抗蝕能力明顯增強,土壤侵蝕敏感性由高度敏感向中輕度敏感轉化。②南部武當山區六里坪鎮、武當山鎮、鹽池河鎮、浪河鎮、丁家營鎮和白楊坪林業開發區部分區域,土壤侵蝕敏感性由高度敏感向中度、輕度敏感轉化。該區植被覆蓋度整體較高,近年來對疏殘幼林地和荒山荒坡進行封育管理,營造生態防護林,進行生態修復,推進退化林和人工純林修復,增加復層異齡混交林比例,土壤侵蝕敏感程度降低。③南部官山河小流域,土壤侵蝕敏感性主要由中度和高度敏感轉化為輕度敏感和不敏感。該地區早年間土地利用類型以坡耕地為主,土層薄,保水能力差,抗蝕性能差,土壤侵蝕敏感性較高,2013年以來,官山河進行流域綜合治理,以坡耕地整治為重點,進行坡面整治,實施“移土培肥”改造,提高土壤抗蝕性能,營造農田防護林,多手段減少流域輸沙率,土壤侵蝕敏感程度降低。

圖 8 丹江口市2012—2017年土壤侵蝕敏感性空間變化圖 Figure 8 Spatial variation map of soil erosion sensitivity in Danjiangkou City from 2012 to 2017

土壤侵蝕敏感性等級上升地區零散分布于研究區南部,該區地形起伏度高,地表破碎,溝壑密布,近年來伴隨漢十高鐵施工建設,部分地區地表植被破壞嚴重,土層直接暴露于地表,研究區降雨季節差異巨大,夏季遇侵蝕性降水,水土流失嚴重,土壤侵蝕敏感性有所增強。

2.3 土壤侵蝕敏感性與主要影響因素之間的關系

植被覆蓋是土壤侵蝕的抑制因子,不同土地利用類型對應不同程度的植被覆蓋度和人為干擾程度,進而影響土壤侵蝕的抗侵蝕阻力系統和動力系統,在區域土壤侵蝕發生、發展、變化中起重要作用。地形因子是區域地形特征的綜合表征,也是土壤侵蝕敏感性空間分異的重要影響因素。為了進一步明確土壤侵蝕敏感性的空間分布規律,利用ArcGIS空間分析功能,探討不同土地利用類型、不同坡度下土壤侵蝕敏感性大小。

2.3.1 不同土地利用類型下的土壤侵蝕敏感性評價

將2017年土壤侵蝕敏感性評價圖與該年份土地利用圖疊加分析(表 4)可知,研究區土壤侵蝕高度以上敏感區土地利用類型面積大小排序依次為園地、旱地、草地、灌木林地、有林地、疏林地、未利用地、城鄉居民和工礦用地、水體及水田。但從土壤侵蝕高度以上敏感區面積占各土地利用類型面積比例來看,大小排序依次為疏林地、未利用地、園地、旱地、草地、灌木林地、水田、城鄉居民和工礦用地、水體及有林地。丹江口市疏林地高度以上敏感區面積占比最高,研究區疏林地主要為2013年丹江口庫區水土流失綜合整治項目實施以來,植樹造林形成的次生疏林地,生長期短,郁閉度低,水土保持性能差,土壤侵蝕敏感性高。未利用地高度以上敏感區面積超過該地類總面積的70%,這是因為未利用地植被覆蓋度極低,土壤結構破壞嚴重,抗蝕能力弱,水土保持措施不到位。對于疏林地、未利用地,雖然侵蝕面積較小,但是其侵蝕比例非常高,說明疏林地、未利用地是研究區高敏感性土地利用類型,今后應切實加強這些區域的植被恢復工作。有林地主要分布在研究區海拔較高的山地丘陵區,較其他植被類型而言,有林地高度以上敏感區面積占比較小,這表明有林地可以有效增強當地的土壤抗蝕能力,具有良好的水土保持性能。相比有林地,研究區灌木林地和草地土壤侵蝕敏感性較高,土壤抗侵蝕能力較弱,今后應進一步優化林灌草植被結構。丹江口市土層較薄,大部分坡耕地土層厚度不足30 cm,遇侵蝕性降水,極易形成集中水流,引發坡面侵蝕,因此坡耕地治理是該區域水土保持工作的重點??傮w而言,研究區植被覆蓋因子敏感性與土壤侵蝕敏感性的空間分布較為吻合,說明植被覆蓋是丹江口市土壤侵蝕敏感性的重要影響因子。

表 4 不同土地利用類型土壤侵蝕敏感性分布面積(km2 Table 4 Distribution area of soil erosion sensitivity in different land use types (km2)
2.3.2 不同坡度下的土壤侵蝕敏感性評價

丹江口市屬低山丘陵區,地形起伏交錯是引發土壤侵蝕最直接的因素,對研究區坡度分級圖和土壤侵蝕敏感性分級圖進行疊加分析,可提取不同坡度等級土壤侵蝕敏感性分布情況(表 5)。從表 5可以看出,隨著坡度增大,研究區土壤侵蝕敏感性總體呈現先升高后降低的趨勢,0°~5°坡度帶土壤侵蝕敏感性最低,35°~45°坡度帶土壤侵蝕敏感性最高,從5°~15°坡度帶到25°~35°坡度帶,隨坡度增加土壤侵蝕敏感性逐漸提高,這是因為隨著坡度加大,土壤自身穩定性降低,雨滴擊濺侵蝕增強,加之人類不合理經濟活動導致土壤結構破壞嚴重,使得土壤侵蝕敏感性升高。45°以上的坡度帶土壤侵蝕敏感性不升反降,這是因為坡度大于45°的地區,封育管理、生態防護林營造等水土保持措施相對完善,植被覆蓋度高。

表 5 不同坡度土壤侵蝕敏感性分布面積(km2 Table 5 Distribution area of soil erosion sensitivity in different slope (km2)
3 討論

土壤侵蝕敏感性受地形地貌、降雨、植被及土壤質地等因素的綜合影響。降雨作為土壤侵蝕的主要動力,隨時間變化明顯,研究降雨因子與土壤侵蝕敏感性之間的關系,對于水土保持措施的實施具有重要參考作用。張恩偉等[30]在研究滇池流域土壤侵蝕敏感性時發現,降雨是影響滇池流域土壤侵蝕敏感性的關鍵因子,降雨侵蝕力敏感性的空間分布與土壤侵蝕敏感性的空間分布高度吻合。丹江口市降雨侵蝕力的空間分布自西南向東北遞減,降雨侵蝕力敏感性的空間分布與土壤侵蝕敏感性的空間分布吻合度差。這表明,土壤侵蝕敏感性是多個因子共同作用的結果,且不同地區的主導影響因子具有差異性。

地形因子是影響土壤侵蝕敏感性最直接的因素。通過對比分析地形因子與土壤侵蝕敏感性數據,發現不敏感區主要分布在研究區坡度 < 5°的區域,地形起伏度在100~300 m、坡度在5°~35°的區域與土壤侵蝕輕度敏感和中度敏感空間分布較為吻合,高度敏感和極敏感區并沒有集中分布在坡度大于35°的區域,土壤侵蝕敏感性由低到高的空間分布與坡度由小到大的空間分布并不完全一致。孫小濤等[31]在研究貴州省雷山縣時發現,雷山縣土壤侵蝕敏感性隨著坡度的增大而升高,當坡度超過35°后,土壤侵蝕敏感性隨坡度的增大而降低,這表明土壤侵蝕敏感性存在坡度臨界值,超過該坡度范圍,土壤侵蝕敏感性降低。這與本研究結果相似。

土壤抗蝕能力與土壤自身理化性質密切相關,丹江口市土壤抗侵蝕能力偏弱,土壤可蝕敏感性主要為中度敏感和高度敏感。中度敏感區土壤類型主要為黃棕壤和黃褐土,土層深厚、質地黏重、易旱易澇,土壤侵蝕敏感性高。高度敏感性地區土壤類型主要為石灰巖土,土層貧瘠、質地松散、抗沖蝕能力差。朱明勇等[32]在研究南水北調水源區時發現,丹江口水庫區土壤總體上屬中高可蝕性土壤,本研究進一步驗證了此結論。

植被覆蓋是土壤侵蝕的阻抗因子,不同植被覆蓋類型對水土保持的效果差異顯著。丹江口市植被覆蓋敏感性輕度以下區域占72.21%,不敏感區域主要為水體和建設用地,輕度敏感區主要為有林地。從植被類型看,丹江口市林地以北亞熱帶闊葉混交林為主,其林冠層對降雨截流作用較強[33],植被覆蓋因子敏感性與土壤侵蝕敏感性的空間分布高度吻合。

4 結論

本研究以通用土壤流失方程為基礎,選取降雨侵蝕力、土壤可蝕性、地形起伏度、植被覆蓋度、溝壑密度5個因子,采用專家打分法對其賦權重,依據ArcGIS空間分析模塊進行加權疊加計算,得到丹江口市土壤侵蝕敏感性分級結果,分析了研究區2012— 2017年土壤侵蝕敏感性各強度等級之間時空變化,探討了土壤侵蝕敏感性與下墊面因素之間的關系。

(1)2017年,丹江口市土壤侵蝕敏感性整體呈現南北高、中間低的態勢,主要表現為輕度敏感和中度敏感,高度及以上敏感區僅占13.53%。

(2)從丹江口市土壤侵蝕敏感性空間分布及時空變化情況來看,研究區5年間中度敏感、輕度敏感、不敏感區域面積呈增加趨勢,高度敏感和極敏感區面積呈下降趨勢,土壤侵蝕敏感性等級變化主要表現為高度敏感轉化為中度輕度敏感、中度敏感轉化為輕度敏感和不敏感;總體而言,研究區5年間土壤侵蝕敏感性狀況有所改善,僅少量區域土壤侵蝕敏感性有所升高。

(3)從不同下墊面土壤侵蝕敏感性分布來看,未利用地和疏林地是研究區高敏感性土地利用類型;研究區土壤侵蝕敏感性隨坡度增大呈先升高后降低趨勢,0°~5°坡度帶敏感性最低,35°~45°坡度帶敏感性最高,而坡度在45°以上的區域,由于植被覆蓋條件好,水土保持措施較為完善,土壤侵蝕敏感性下降。

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