胡先培,曾 成,錢慶歡,王 權(quán),李陽兵

(貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

土壤侵蝕已成為全球性的重大生態(tài)環(huán)境問題之一[1]?？焖佟?zhǔn)確定量評(píng)價(jià)區(qū)域土壤侵蝕變化,對(duì)有效實(shí)施水土保持工作和生態(tài)恢復(fù)有重要意義。其中美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局(SCS)提出的通用流失方程(revised universal soil equation, RULSE)是定量評(píng)價(jià)土壤侵蝕的主要手段,在土壤侵蝕相關(guān)研究中有重要作用[2]。如GUPTA等[3]應(yīng)用該模型在喜馬拉雅分水嶺模擬氣候變化對(duì)土壤侵蝕的影響;XIAO等[4]通過RUSLE模型評(píng)價(jià)江西省1988—2013年不同土地覆蓋對(duì)土壤侵蝕的影響。許月卿等[5]在對(duì)貴州省喀斯特小流域區(qū)域進(jìn)行土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化分析中得出,徑流小區(qū)的監(jiān)測(cè)資料很難向大尺度土壤侵蝕預(yù)測(cè)推廣。因此就目前而言,喀斯特地區(qū)可供參考和使用的土壤侵蝕產(chǎn)沙模型仍值得考究[6];國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此模型的適用性上開展了廣泛研究[7-8]，但大多數(shù)是基于平原或河流廣泛分布地區(qū),對(duì)于模型在喀斯特槽谷地區(qū)的適用性及土壤侵蝕機(jī)制研究甚少。近些年土壤侵蝕研究中又引入了景觀生態(tài)學(xué)的視角,選取斑塊總數(shù)、斑塊平均面積、香農(nóng)多樣性、斑塊比例、斑塊密度、分離度等景觀指數(shù)探討水土流失對(duì)景觀格局的的響應(yīng)[9-11],景觀生態(tài)學(xué)相關(guān)方法廣泛運(yùn)用于黃土高原及平原地區(qū),而對(duì)喀斯特地區(qū)的探究較少[12]。

土壤侵蝕是諸多因素共同作用的結(jié)果,但喀斯特與非喀斯特截然不同的地貌發(fā)育系統(tǒng)導(dǎo)致影響水土流失的動(dòng)力因子差異性顯著[13]。其中降雨是水蝕區(qū)的主要?jiǎng)恿?傳統(tǒng)算法常把全年降雨都計(jì)算為降雨侵蝕力,但實(shí)際不是每一場(chǎng)降雨都能產(chǎn)生土壤侵蝕,而是降雨量達(dá)到一定閾值時(shí)侵蝕才會(huì)發(fā)生。實(shí)際上,在非喀斯特區(qū)域當(dāng)日降水量≥12 mm時(shí)土壤侵蝕開始發(fā)生[14],而在喀斯特區(qū)域日降水量≥30 mm時(shí)土壤侵蝕才會(huì)發(fā)生[15-16]。因此傳統(tǒng)算法在一定程度上高估了區(qū)域土壤侵蝕量;并且喀斯特地區(qū)土層淺薄,土壤侵蝕發(fā)生率較高,使得土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)在貴州碳酸鹽巖地區(qū)存在空間分異;即使喀斯特地區(qū)土壤侵蝕絕對(duì)量較小,但土壤侵蝕程度往往會(huì)非常嚴(yán)重[17]。因此,用傳統(tǒng)定量的方法評(píng)估土壤侵蝕情況,其風(fēng)險(xiǎn)性往往被低估;另一方面,除自然因素對(duì)土壤侵蝕狀況起決定作用外,人類活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕同樣存在正負(fù)影響關(guān)系[18];并且銅仁地區(qū)多數(shù)城鎮(zhèn)沿河及槽谷地區(qū)分布,是人類活動(dòng)最為頻繁的地帶。鑒于此,基于GIS空間分析和改進(jìn)的RUSLE模型,評(píng)估銅仁地區(qū)及其巖溶槽谷地區(qū)1987—2015年土壤侵蝕量,并用景觀格局指數(shù)探究該區(qū)域土壤侵蝕時(shí)空變化特征,以期為該區(qū)域人地矛盾較尖銳、生態(tài)環(huán)境脆弱背景下的水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

銅仁地區(qū)(27°07′～29°05′ N,107°45′～109°30′ E)地處貴州省東北部,毗鄰湖南省,且位于武陵山區(qū)的核心腹地(圖1)。研究區(qū)國(guó)土面積為1.8萬km2。處于云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡地帶,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),流域內(nèi)以中部梵凈山為分水嶺,分為西部的烏江流域與東部的沅江流域。區(qū)域內(nèi)廣泛分布石灰?guī)r和白云巖地層;部分喀斯特及其巖溶槽谷地貌廣泛發(fā)育,以槽谷地形地勢(shì)為主,其中槽谷地區(qū)地勢(shì)較平,受水流侵蝕的影響沿河谷延展,是城鎮(zhèn)集中分布地帶。區(qū)域內(nèi)自然資源豐富,是西南地區(qū)的生態(tài)屏障,加之因經(jīng)濟(jì)發(fā)展人類活動(dòng)頻繁,因此長(zhǎng)期面臨著生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的突出矛盾。

圖1 研究區(qū)位置及數(shù)字高程模型(DEM)

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間段為20世紀(jì)80年代末至2015年。矢量數(shù)據(jù)包括行政邊界數(shù)據(jù),土壤類型。柵格數(shù)據(jù)包含來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)中Landsat4-5、Landsat8OLI-TIRS解譯的植被覆蓋指數(shù)(NDVI,INDV)和高程模型(DEM),寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥westgis.westgis.cn)提供的土地利用、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)。日降雨數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)及周邊區(qū)域47個(gè)基礎(chǔ)氣象站點(diǎn)。

2 材料與方法

2.1 土壤侵蝕RUSLE模型

基于GIS空間分析,選取目前應(yīng)用最廣泛的修正土壤流失模型(RULSE)進(jìn)行研究區(qū)土壤侵蝕的量化,公式[19-20]表達(dá)為

A=R×K×L×S×C×P。

(1)

式(1)中,A為土壤侵蝕模數(shù),t·hm-2·a-1;R為降雨侵蝕力因子, MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;K為土壤可蝕性因子,t·h·MJ-1·mm-1;L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;C為地表植被覆蓋與管理因子;P為水土保持措施因子。將計(jì)算結(jié)果再依據(jù)水利部頒布的SL 190—2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,分為微度、輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)、劇烈6個(gè)侵蝕等級(jí)[21]。

2.2 降雨侵蝕力因子(R)

降雨是導(dǎo)致土壤侵蝕主要的外部驅(qū)動(dòng)因素,降雨的時(shí)空分布不同在一定程度上決定了土壤侵蝕的空間分布規(guī)律。RICHARDSON等[22]研究發(fā)現(xiàn),EI30與降雨量之間存在冪指函數(shù)關(guān)系;而胡續(xù)禮等[23]通過對(duì)CREAMS模型、Richardson模型、郭新波修正模型進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比,發(fā)現(xiàn)CREAMS模型有著更好的穩(wěn)定性和精度。因此筆者采用CREAMS模型計(jì)算降雨侵蝕力。傳統(tǒng)算法將日降雨量Pi≥12 mm作為侵蝕性降水產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn),而實(shí)際上喀斯特地區(qū)日降雨量Pi≥30 mm才產(chǎn)生侵蝕,因此以往的計(jì)算結(jié)果往往會(huì)高估土壤侵蝕,考慮到喀斯特與非喀斯特區(qū)域的差異性,分別對(duì)喀斯特及傳統(tǒng)算法的降雨侵蝕力因子(R)進(jìn)行改進(jìn),使其更加符合研究區(qū)實(shí)際情況。

Rnk=1.03Pi1.51，Pi≥d12,

(2)

Rk=1.03Pi1.51，Pi≥d30。

(3)

式(2)～(3)中,Rnk為非喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力,MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;Rk為喀斯特地區(qū)的降雨侵蝕力,MJ·mm·hm-2·h-1·a-1;Pi為日降水量,mm;d12為日降雨量,值為12 mm;d30為日降雨量，值為30 mm。

魏興萍等[15]和彭旭東等[16]研究發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)坡耕地產(chǎn)流臨界點(diǎn)在30～50 mm之間。而銅仁地區(qū)有部分非喀斯特區(qū)域,因此需根據(jù)研究區(qū)的巖性圖將非喀斯特地區(qū)加以區(qū)分。最終采用日降雨量≥12 mm作為非喀斯特地區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn),日降雨量≥30 mm作為改進(jìn)后喀斯特地區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)。并利用IDW 插值方法對(duì)研究區(qū)及周邊區(qū)域站點(diǎn)的日降雨量進(jìn)行插值,再根據(jù)該公式計(jì)算研究區(qū)年降雨侵蝕力。

2.3 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性因子(K)是土壤抵抗侵蝕力的綜合體現(xiàn),不同的土壤類型K值大小不同。K值越大,土壤受侵蝕的可能性越大,反之越小。選擇SHARPLY等[24]提出的EPIC模型公式計(jì)算K值,公式為

(4)

SN=1-SAN/100。

(5)

式(4)～(5)中,SAN為砂粒含量比例,%;SIL為粉砂含量比例,%;CAL為黏粒含量比例,%;C為有機(jī)質(zhì)含量比例,%。

2.4 坡度因子(L)與坡長(zhǎng)因子(S)

采用30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取與坡度坡長(zhǎng)因子,由于通用土壤流失方程中坡度因子計(jì)算公式是根據(jù)美國(guó)耕地坡度來建立的經(jīng)驗(yàn)公式,而研究區(qū)坡度大于15°的區(qū)域占總面積比例較大。因此,借鑒LIU等[25]和MCCOOL等[26]的方法對(duì)坡度因子(S)分段計(jì)算來修正公式。

(6)

坡長(zhǎng)因子(L)計(jì)算公式采用WISCHMEIER等[27]提出的坡面每一段的L因子算法。

L=(λ/22.13)α,

(7)

α=β/(β+1),

(8)

β=(sinθ/0.089 6)/[3(sinθ)0.8+0.56]。

(9)

式(7)～(9)中,λ為特定的集水面積,m2;22.13為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的坡長(zhǎng),m;α為坡長(zhǎng)因子指數(shù);β為細(xì)溝侵蝕與面蝕的比值;θ為利用DEM提取的坡度。

2.5 植被覆蓋與管理因子(C)

C為侵蝕動(dòng)力的抑制因子,有著保持水土的作用,其取值范圍為0～1。該文植被覆蓋度因子C借鑒蔡崇法等[28]的算法,并參照譚炳香等[29]計(jì)算植被覆蓋率的公式。

C=0.650 8-0.343 6lgfg,

(10)

(11)

INDV=(ρNIR-ρR)/(ρNIR+ρR)。

(12)

式(10)～(12)中,C為植被覆蓋度因子；fg為植被覆蓋率;INDV為歸一化植被指數(shù)；Imax和Imin分別為研究區(qū)NDVI的最大值和最小值;ρNIR為近紅外波段,ρR為紅外波段。

2.6 水土保持措施因子(P)

水土保持措施因子(P)在0～1之間,0代表不會(huì)發(fā)生土壤侵蝕,1代表沒有采取任何水保措施。結(jié)合研究區(qū)地形特征、耕種特點(diǎn)及土地利用類型,參考許月卿等[30]的研究成果,確定各土地利用類型的P值分別為:林地、灌木林、疏林地、草地和未利用地為1,水體和城鎮(zhèn)及道路為0,果園為0.7,旱地為0.4,水田為0.15。

3 結(jié)果與討論

因?yàn)殂~仁地區(qū)存在喀斯特和非喀斯特區(qū)域交錯(cuò)分布,傳統(tǒng)降雨侵蝕力算法在喀斯特廣泛發(fā)育地區(qū)會(huì)高估土壤的侵蝕量。參照前人研究成果,對(duì)不同區(qū)域采用不同的侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn),因此理論上改進(jìn)后的降雨侵蝕力更符合南方喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的實(shí)際情況。研究區(qū)有廣泛的槽谷地貌沿烏江及其支流呈東北西南條帶狀分布,是主要的居民點(diǎn)及城鎮(zhèn)分布地區(qū),社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的生產(chǎn)和生活活動(dòng)廣泛分布在該區(qū)域。

3.1 土壤侵蝕空間演變總體特征

從圖2可知,從空間上來說研究區(qū)土壤侵蝕呈現(xiàn)不連續(xù)塊狀和帶狀分布的特征。

圖2 1987—2015年土壤侵蝕空間分布

其中較低侵蝕等級(jí)分布主要以塊狀為主,全區(qū)均有分布;較高侵蝕等級(jí)以帶狀分布為主,條帶的延展方向與河流的流向及槽谷地形走向大致相同。受槽谷地形因素影響,呈現(xiàn)東北西南方向的條帶狀延伸;4個(gè)時(shí)期內(nèi)槽谷底部地區(qū)的土壤侵蝕類型轉(zhuǎn)換較劇烈且侵蝕等級(jí)之間的轉(zhuǎn)換也十分頻繁;但槽谷兩側(cè)的土壤侵蝕轉(zhuǎn)換較緩,也是極強(qiáng)和劇烈侵蝕的嚴(yán)重地帶。銅仁的東南區(qū)域也是土壤侵蝕等級(jí)變化最為明顯的地方,因此非喀斯特區(qū)域的土壤侵蝕危險(xiǎn)等級(jí)要高于喀斯特區(qū)域。整個(gè)研究區(qū)來看,研究初期非喀斯特區(qū)域土壤侵蝕等級(jí)明顯高于喀斯特區(qū)域,但同時(shí)在研究時(shí)段內(nèi)各侵蝕類型轉(zhuǎn)換最為明顯區(qū)域也是侵蝕狀況改善最為明顯的區(qū)域。

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí)間變化分析

從圖2～3可知,從20世紀(jì)80年代末到90年代末研究區(qū)土壤侵蝕面積總體呈上升趨勢(shì),尤其是極強(qiáng)度和劇烈侵蝕面積在廣大區(qū)域內(nèi)明顯上升;1995—2000年整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕各等級(jí)面積則呈下降趨勢(shì),以輕度和微度侵蝕為主,極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕面積下降趨勢(shì)明顯;2000—2015年各侵蝕等級(jí)面積迅速下降,以微度侵蝕和輕度侵蝕為主,原先侵蝕較嚴(yán)重的區(qū)域也得到明顯改善。

圖3 1987—2015年土壤侵蝕面積隨時(shí)間的變化

分別對(duì)4個(gè)時(shí)期內(nèi)不同侵蝕強(qiáng)度面積數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),制成土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣(表1～3)。1987—1995年研究區(qū)微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)侵蝕和劇烈侵蝕的穩(wěn)定率分別為47.95%、64.38%、36.73%、30.09%、70.93%和98.17%。其中微度侵蝕等級(jí)區(qū)域面積中有52.05%向高強(qiáng)度侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移,輕度侵蝕有35.02%向高強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,中度侵蝕有61.52%向高強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,強(qiáng)度侵蝕有67.54%向極強(qiáng)和劇烈侵蝕轉(zhuǎn)移,而極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕僅有1.88%和1.83%向低等強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移。1995—2000年研究區(qū)微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕穩(wěn)定率分別為98.47%、83.73%、58.96%、42.40%、47.46%和31.82%。在此期間微度侵蝕區(qū)域面積僅有1.52%向高強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,輕度侵蝕有14.73%向微度侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移,中度侵蝕有39.49%向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,強(qiáng)度侵蝕有55.66%向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,極強(qiáng)和劇烈侵蝕分別有51.95%和68.18%向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移。2000—2015年研究區(qū)微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕穩(wěn)定率分別為83.97%、51.94%、38.31%、33.76%、32.43%和17.58%。在此期間微度侵蝕有16.03%向高強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,輕度侵蝕有39.94%向微度侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移,中度侵蝕有54.79%向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,強(qiáng)度侵蝕有63.21%向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移,極強(qiáng)度和劇烈侵蝕分別有67.23%和82.42%向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移。

表11987—1995年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

Table1Soilerosionintensitytransfermatrixfrom1987to1995

%

表21995—2000年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

Table2Soilersionintensitytransfermatrixfrom1995to2000

%

表32000—2015年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)移矩陣

Table3Soilersionintensitytransfermatrixfrom2000to2015

%

從研究區(qū)的總體特征來看,土壤侵蝕狀況由先升高后減低并持續(xù)下降,土壤侵蝕狀況得到明顯改善。

3.3 侵蝕景觀格局

3.3.1景觀格局指數(shù)變化

研究區(qū)1987和2015年景觀尺度上不同土壤侵蝕強(qiáng)度區(qū)域景觀格局指數(shù)見表4。1987—2015年斑塊總數(shù)(NP)總體呈減少趨勢(shì),斑塊平均面積(MPS)有所增加,但在1995年后又有減小趨勢(shì),說明研究區(qū)景觀異質(zhì)性先減小后又稍有增加。邊緣密度(ED)變小,破碎度指數(shù)減小,平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)增大,說明研究區(qū)極強(qiáng)度侵蝕區(qū)域景觀形狀趨于規(guī)則。景觀臨近程度的景觀破碎度值(MPI)越大表示同類型景觀的鄰近度和連接性好,景觀破碎度低。面積加權(quán)平均分維數(shù)(AWMPFD)變化不明顯,Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)變小,說明土壤侵蝕景觀的異質(zhì)性減小。Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)減小,即SHEI值較小時(shí)優(yōu)勢(shì)度較高,可以反映出景觀受到一種或少數(shù)幾種優(yōu)勢(shì)拼塊類型的支配,SHEI趨近1時(shí)優(yōu)勢(shì)度較低,景觀中沒有明顯的優(yōu)勢(shì)類型且各種拼塊類型在景觀中均勻分布。上述結(jié)果表明研究區(qū)的土壤侵蝕狀況越來越受微度侵蝕和輕度侵蝕景觀類型的支配。

3.3.2類型尺度上的景觀格局指數(shù)變化

在類型尺度上對(duì)各侵蝕等級(jí)進(jìn)行景觀格局分析(表5)。

表4景觀格局指數(shù)

Table4Landscapepatternindexesunderlandscapescale

年份斑塊總數(shù)(NP)邊緣密度(ED)斑塊平均面積(MPS)平均形狀(MSI)面積加權(quán)平均分維數(shù)(AWMPFD)Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)Shannon均勻度指數(shù)(SHEI)景觀破碎度(MPI) 1987595 342127.2193.0081.1871.1341.6180.903234.780 1995593 14761.5136.2311.1571.0861.7200.82795.603 2000710 14068.2815.2041.1861.0961.6990.817228.728 2015713 82166.9515.1641.1871.1871.5680.7545 158.833

表5類型尺度上的景觀格局指數(shù)

Table5Landscapepatternindexesundertypescale

侵蝕類型年份斑塊總數(shù)(NP)邊緣密度(ED)斑塊平均面積(MPS)面積加權(quán)平均分維數(shù)(AWMPFD)平均形狀(MSI)景觀破碎度(MPI) 微度1987123 65345.472.891.151.18674.18199552 7519.853.321.101.13171.332000146 15426.792.731.171.18614.642015134 66044.406.561.221.3127 188.59 輕度1987113 78264.034.421.221.16347.711995114 59727.543.631.191.13154.292000120 46030.523.831.221.15246.372015162 65230.342.121.211.1479.34 中度1987160 45563.482.501.181.1050.301995176 50328.901.961.131.0729.982000184 39030.861.931.171.0930.452015199 71526.291.201.161.0814.09 強(qiáng)度1987129 50648.782.291.181.0932.581995161 24427.532.061.141.0725.262000161 64926.181.781.171.0923.112015151 48620.821.301.171.9014.41 極強(qiáng)198757 21328.933.701.231.1377.10199566 41422.906.551.271.15288.00200077 60718.153.291.251.1370.26201560 65210.312.021.201.1225.83 劇烈198710 7333.742.141.171.0913.70199521 6195.334.361.181.1148.69200015 7572.562.071.161.1019.3020154 3530.641.681.151.098.05

1987年景觀斑塊數(shù)微度、中度、強(qiáng)度等級(jí)最多,而1995年微度侵蝕的斑塊數(shù)量明顯下降,劇烈侵蝕斑塊顯著上升;2000年中微度、中度、強(qiáng)度等級(jí)的斑塊數(shù)量較多,2015年輕度、中度、強(qiáng)度等級(jí)的斑塊數(shù)量較多,其中劇烈侵蝕斑塊數(shù)量顯著下降,在這4個(gè)時(shí)期中數(shù)量最少。

微度和輕度侵蝕景觀是整個(gè)土壤侵蝕景觀中反映區(qū)域的土壤侵蝕狀況優(yōu)良的體現(xiàn),破碎度指數(shù)減小,斑塊數(shù)增大,平均斑塊面積增大,都表明微度侵蝕景觀連接性好,反映出研究區(qū)整體的侵蝕狀況呈好轉(zhuǎn)。

中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕2種景觀斑塊數(shù)減少較多,而平均斑塊面積變化較大,說明侵蝕景觀整體轉(zhuǎn)化為其他強(qiáng)度侵蝕的景觀,而不是內(nèi)部合并。ED從大到小的變化也體現(xiàn)了斑塊離散程度下降,斑塊受到各種干擾減弱的特征。

極強(qiáng)度侵蝕景觀的面積比重增加,斑塊數(shù)減小,平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)增大,ED變小,破碎度指數(shù)減小,說明研究區(qū)極強(qiáng)度侵蝕景觀形狀趨于規(guī)則,面積加權(quán)斑塊分維數(shù)變小,說明人類對(duì)于該類型景觀的影響在加強(qiáng)。

劇烈侵蝕景觀的面積比重和斑塊平均面積MPS以及斑塊數(shù)量變化從1987到1995年上升,而1995年后呈下降趨勢(shì),景觀破碎度MPI從1987到1995年先升高,2000年起降低,2015年后持續(xù)降低，說明劇烈景觀破碎化程度這4個(gè)時(shí)期先升高后降低,景觀類型趨于簡(jiǎn)單化,土壤劇烈侵蝕狀況在減緩;平均形狀(MSI)和平均加權(quán)斑塊分維數(shù)變化幅度較小,說明人類活動(dòng)對(duì)劇烈侵蝕景觀的影響維持在一定水平。

3.4 銅仁地區(qū)土壤侵蝕時(shí)空演變驅(qū)動(dòng)因素

研究區(qū)土壤侵蝕由眾多影響因素造成,是人類活動(dòng)和喀斯特槽谷地區(qū)自然背景要素綜合影響的結(jié)果,但自然背景在長(zhǎng)時(shí)間序列中趨于穩(wěn)定狀態(tài),而人類活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響是長(zhǎng)期、相互的;并且銅仁地區(qū)多數(shù)城鎮(zhèn)沿河及槽谷地帶分布,因此在整個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中研究區(qū)及其槽谷區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度的變化特征與各時(shí)間點(diǎn)的重大歷史事件有著必然的聯(lián)系(圖4)。20世紀(jì)80年代,當(dāng)?shù)鼐用裆鷳B(tài)意識(shí)普遍不強(qiáng),毀林開荒現(xiàn)象嚴(yán)重;在銅仁地區(qū)喀斯特廣泛分布、土層較薄的區(qū)域，地表植被破壞后水土極易流失,巖石裸露形成石漠化景觀[31-32]。

圖4 近30 a銅仁市主要標(biāo)志性事件背景下土壤侵蝕變化的驅(qū)動(dòng)因素

研究區(qū)保水保土的能力極差,導(dǎo)致處于亞熱帶季風(fēng)氣候的銅仁地區(qū)同樣面臨干旱的威脅,多槽谷的地勢(shì)地貌使得雨水充沛年洪災(zāi)頻發(fā);尤其在1992和1995年發(fā)生特大洪澇災(zāi)害[33],使得這期間的土壤侵蝕狀況加重。從整個(gè)研究期來看,1995年前后變化尤其明顯。因此在整個(gè)時(shí)間軸的前半段,人為破壞明顯及自然災(zāi)害頻發(fā)使這一階段土壤侵蝕狀況較為嚴(yán)重。1999年后在貴州省實(shí)施退耕還林還草、西部大開發(fā)、石漠化綜合治理工程等一系列生態(tài)恢復(fù)工程的大背景下[34],銅仁地區(qū)的土壤侵蝕狀況得到明顯改善。另一方面,隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,農(nóng)民通過外出務(wù)工對(duì)土地的依附性明顯下降[35],退耕地及撂荒地現(xiàn)象增多,生態(tài)恢復(fù)狀況明顯,土壤侵蝕狀況得到明顯改善。從土壤侵蝕的整體狀況來看,20世紀(jì)80年代末期到21世紀(jì)初葉,研究區(qū)土壤侵蝕等級(jí)變化十分明顯,土壤侵蝕狀況呈先惡化再好轉(zhuǎn)的趨勢(shì);而2000年以后土壤侵蝕狀況得到明顯改善。因此從整個(gè)30 a的時(shí)間軸來看,人為活動(dòng)作用對(duì)研究區(qū)的土壤侵蝕起到主要控制作用,當(dāng)人們能動(dòng)、有意識(shí)地去改善生態(tài)環(huán)境時(shí),土壤侵蝕狀況得到明顯改善,而后隨著時(shí)間的發(fā)展,人類活動(dòng)對(duì)改善土壤侵蝕狀況的效用也會(huì)越來越低,并維持在一定水平。

4 結(jié)論

利用RS和GIS技術(shù),以貴州銅仁地區(qū)為研究區(qū),結(jié)合修正后的土壤侵蝕分析模型(RUSLE)和景觀格局方法分析了1987、2015、2000和2015年土壤侵蝕時(shí)空變化特征,探討巖溶槽谷區(qū)的土壤侵蝕時(shí)空變化,并得出以下結(jié)論：

(1)1987年土壤侵蝕以輕度侵蝕為主,1995年以強(qiáng)度和極強(qiáng)度侵蝕為主,2000年以輕度侵蝕為主,2015年以微度侵蝕為主。總體上來說，20世紀(jì)80年代末至90年代末期土壤侵蝕比較嚴(yán)重。隨著時(shí)間推移,這種情況得到有效緩解。

(2)土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)轉(zhuǎn)移矩陣表明，除1987—1995年微度和輕度侵蝕向強(qiáng)度和極強(qiáng)侵蝕等級(jí)轉(zhuǎn)移較多外，大部分地區(qū)及巖溶槽谷區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度向低一級(jí)轉(zhuǎn)移,其中劇烈和極強(qiáng)等級(jí)侵蝕向中度等級(jí)和輕度等級(jí)侵蝕轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象較明顯。

(3)在對(duì)研究區(qū)的土壤侵蝕的景觀格局進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)土壤侵蝕狀況越來越受微度和輕度侵蝕優(yōu)勢(shì)景觀類型支配,各類型景觀破碎化程度先在這4個(gè)時(shí)期中呈先升高后降低趨勢(shì),景觀類型趨于簡(jiǎn)單化,研究區(qū)侵蝕狀況減緩;且劇烈侵蝕景觀平均形狀和平均加權(quán)斑塊分維數(shù)變化幅度較小,說明人類活動(dòng)對(duì)劇烈侵蝕景觀的影響維持在一定水平。