景观格局类型对土壤侵蚀的影响

宋 爽, 王韶晗, 石梦溪, 胡珊珊, 许大为

(1.东北林业大学 园林学院, 哈尔滨 150040;2.黑龙江省寒地园林植物种质资源开发与景观生态修复重点实验室, 哈尔滨 150040)

土壤侵蚀是当今人类面临的最普遍和持续的地质灾害，也是我国最主要的生态环境问题之一[1-2]。黑土区是我国6大水力侵蚀区之一，根据国家水利调查，黑土区有29.57万条侵蚀沟，全国每年的土壤流失量为49.8亿t，有机质流失量为1.63亿t，氮，磷，钾的总流失量为1.18亿t[3]，土壤环境脆弱不断加剧。黑龙江是世界三大黑土区之一，水土流失直接威胁其土地资源的保护与可持续发展，除水力侵蚀以外，风力侵蚀和冻融侵蚀也是是黑龙江省土壤侵蚀主要的类型，所占比例分别为77.2%，8.8%，14.0%。黑龙江省土壤侵蚀的成因是自然和人为因素共同作用的结果，自然因素主要由于年降雨集中，地貌坡缓坡长、受蚀土壤抗冲性能低，易发生水力侵蚀，此外，该省春季多风，风蚀危害也较为突出。人为因素主要在于长期以来对生态环境不合理利用，导致森林、草原和农业生态系统持续退化，加剧了土壤侵蚀强度[4]。作为中国黑龙江省典型流域，学者们过去一直对挠力河流域的水土流失存在一定偏颇的认识，认为其地形相对平坦，水土流失甚微，因而研究相对薄弱[5]，实际上由于长期缺乏科学合理的规划利用，它已成为中国最严重的水土流失地区之一，黑土层已由开垦之初的60—70 cm减少到20—30 cm，并以年均0.3—1 cm的速度减少，若不及时治理，再过50 a大部分黑土层将流失殆尽[6-7]。

景观格局与生态过程的关系是景观生态学理论的核心[8]，随着3S技术的发展，景观格局和水土流失的研究逐步开展。刘晓光以辽宁省东部苏子河流域为研究对象，选择了7个典型的景观格局指数，利用SPSS多元线性回归模型进行景观格局变化对土壤侵蚀模数影响的研究[9]。孙天成等采用Markov模型研究王家桥流域景观格局时空变化，建立出景观格局指数与产沙量之间的关系，分析了景观格局对流域侵蚀产沙的影响[10]。郭思琪等基于秦岭地区遥感解译数据，运用RUSLE模型分析出5个流域土壤侵蚀量的时空变化特征，探讨了土壤侵蚀、土地覆被及地形因子之间的关系，并对流域景观格局演化进行分析[11]。张金茜等以子流域作为研究单元，应用InVEST模型对土壤保持服务进行评估，并借助Fragstats表征景观格局现状，同时从景观生态学角度研究土壤保持量与景观格局指数的空间相关和回归关系[12]。综合现有相关研究，学者们多次强调土壤侵蚀受到景观格局的一定影响，但大多数研究目前只停留在土壤侵蚀和景观格局指数的单纯计算与分析，未见细化讨论景观格局对土壤侵蚀影响的研究且对于景观格局优化实践的指导意义不大。另外，尽管越来越多学者关注到景观格局的尺度效应，但在研究中却仍旧将景观格局本身和时空变化作为研究的立足点，对于景观格局尺度的实际应用与分析较为鲜见[13-15]。

景观格局是一个抽象的概念，肖笃宁根据景观结构特点，将景观格局划分为散布型、网络型、指状型和棋盘型4种类型[16]，这为景观格局与土壤侵蚀强度的细化研究提供了理论依据。本研究首先探讨挠力河流域2010年、2018年景观格局与土壤侵蚀的变化表现。其次应用移动窗口法与半变异函数，以景观格局指数变化稳定为依据，确定研究区景观格局的特征尺度，以拓展景观格局尺度的应用。最后尝试借助有序多元Logistic回归模型，量化分析流域景观格局类型对土壤侵蚀的影响情况。研究从特征尺度上讨论景观格局类型与土壤侵蚀的关系，为景观格局优化和水土保持管理提供参考。

挠力河流域是黑龙江省三江平原最大的流域，面积为22 542.88 km2，约占整个三江平原面积近1/4。是乌苏里江中国境内的一级支流，东南部以完达山山脉为界，东部与乌苏里江连接，河流全长596 km。流域行政区划包括饶河县、宝清县、友谊县全部、双鸭山市、富锦市、七台河市、集贤县部分区域[17]。流域南部为山区，海拔在200～845 m，北部为平原，高程在100 m以下，地形自西南向东北倾斜。属寒温带大陆性湿润季风气候，年平均降水量约518 mm，降水年内分配不均，6—9月降水量占年降水量的70%以上。年平均气温在3℃左右，年平均相对湿度为66%，夏季在70%～80%[18]。研究区资源丰富，雨热同季，适宜水稻、小麦、玉米、大豆等多种作物生长，植被种类组成属长白植物区系，植物种类达230余种，分属为沼泽化草甸、沼泽植被和沼泽水生植被3种植被类型，流域内土壤以棕壤土、草甸土和沼泽土为主[19]。

2.1 数据源与预处理

本研究选用研究区2010年9月和2018年8月的Landsat TM/OLI影像为数据源，影像下载自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)，对其2，3，4波段，3，4，5波段进行标准假彩色合成。利用 ENVI5.3对遥感影像进行辐射定标、大气校正等预处理，参考《土地利用分类》(GB/T21010-2007)标准[20]，运用人机交互解译对研究区土地利用类型进行分类，并基于Google Earth高分辨率影像，在两景影像中分别均匀随机选取80个样点将解译结果与验证点叠加进行精度检验，分类精度结果分别为88.75%，86.25%，可满足本研究的分析要求。归一化植被指数(NDVI)与气象数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心(http:∥www.resdc.cn/)。高程来自地理空间数据云(http:∥www.gscloud.cn)的ASTER GDEM数据集，从中提取坡长、坡度。土壤数据来自世界土壤数据库(HWSD)的中国土壤数据集(v1.1)。

2.2 景观格局信息提取与特征尺度确定

景观格局指数描述了景观斑块类型和排列的复杂性，包含诸如斑块形状、大小、数量和空间组合。采用单一指数不能全面地分析景观生态格局特征，同时景观指数之间往往存在相关性。因此，研究选择类型水平和景观水平内常用于土壤侵蚀研究的9个典型景观格局指数，分析确定研究区景观格局及其特征尺度，类型水平景观格局指数主要描述景观中单个拼块的结构特征，可反映研究区景观格局的变化特征。景观水平的景观格局指数则能诠释流域景观的整体结构特征，在本研究中用于研究区景观格局特征尺度的明确，景观指数及意义见表1[21]。

表1 景观格局指数及意义

研究采用Fragstats 4.2移动窗口法与半变异函数模型对景观水平的景观格局指数进行拟合，确定挠力河流域景观格局特征尺度。半变异函数模型中有4个重要参数，分别是块金值(C0)、偏基台值(C)、基台值(C0+C)和变程(A)，四者的关系可反映景观格局的变异情况，其中块基比C0/(C0+C)，即块金值比基台值[22-24]，可用来判断不同尺度下的景观格局指数的稳定程度，其值越小，说明空间自相关性越显著，对应尺度的景观格局空间变异程度越低[25-27]。研究以1 500 m为起始移动窗口尺度，尺度间隔250 m，根据各个景观格局指数的块基比C0/(C0+C)值的变化规律，分析不同指数的空间变异特征对尺度变换的响应。当比值达到稳定状态时，说明景观指数在空间的变异趋于稳定，即得出研究区景观格局变化的稳定尺度，该尺度即为细化景观格局研究的特征尺度。

2.3 土壤侵蚀强度与等级划分

本研究拟应用景观生态学理论与方法，选用迄今为止适用性最广的USLE (Universal Soil Loss Equation)土壤侵蚀模型，其需要数据较少，并已与GIS，RS集成[28]，可实现快速、有效地对研究区土壤侵蚀状况实行动态监测。此外，黑龙江省水土保持研究所于1985—1992年在对该省克山和宾县进行土壤侵蚀径流小区的试验研究，获得了适合中国东北黑土区的一些因子算法，并实测检验证明因子取值的合理性，为挠力河流域土壤侵蚀量的估算具有良好的研究基础(表2)。USLE的模型表达式如下:

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中:A为单位面积土壤流失量〔t/(km2·a)〕；
R为降雨和径流因子,单位为〔(MJ·mm)/(km2· h·a)〕；
K为土壤可蚀性因子〔(t·h)/( MJ·mm)〕；
LS为坡长坡度因子,无量纲。C为植被覆盖因子,无量纲；
P为水土保持措施因子,无量纲[29-30]。挠力河流域土壤侵蚀强度分级标准参照水利部颁布的《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007),并结合流域实际情况,将研究区土壤侵蚀分为无明显侵蚀(200<)、轻Ⅰ(200～800)、轻Ⅱ(800～1 500)、轻Ⅲ(1 500～2 500)、中度侵蚀(2 500～5 000)、强烈侵蚀(5 000～8 000)和极强烈侵蚀(>8 000)共7个等级[3,12]。

设直线DC与圆C的交点为E,F.则当M位于E或F时,DM分别取得最大值与最小值.此时,∠DOM也相应地取得最大值与最小值.注意到OEOF(∠AOy的内角平分线与外角平分线垂直),∠COD = 90° - α,所以当M位于点E时,B位于y轴的正半轴;当点M位于点F时,点B位于y轴的负半轴.

2.4 有序多元Logistic回归分析

有序多元Logistic回归分析是一种适用于分析因变量为多分类有序变量且各类变量间存在等级次序关系的非线性概率回归方法，其方程的参数可以生成优势比，可以做出定性和定量的判定，目前被广泛应用于社会科学领域中[29-30]。有序多元Logistic回归模型如下:

(2)

(3)

式中:y回归因变量;x为k个影响因变量的自变量；
αj为截距参数；
β是与x对应的回归系数；
P=(y≤j|xj)为因变量y在各级别j下的累计概率。

表2 USLE的模型各参数计算公式及说明

3.1 景观格局分析

2010年、2018年挠力河流域的类型水平景观格局指数计算结果如下(表3)：CA显示，流域土地利用以农田和林地为主，占流域总面积的80%以上，农田与建筑用地面积明显增加，水域与灌丛面积显著降低。PD变化趋势与CA大致相同，农田该指数上升较大，破碎化程度更明显。农田和建筑用地LPI有所增加，表明两类斑块内部或存在聚集效应，其中，农田最大斑块指数最高，表明农田是研究区的绝对优势景观类型，且在研究区内呈片状分布，其次是林地。PAFRAC方面，林地、建设用地指数上升，剩余类型斑块该指数降低，一般来说，该指数降低表示该类斑块周长随面积增大而增长的速率变慢，斑块趋向简单，而破碎度上升。农田、水域、灌丛和裸地斑块的COHESION下降，即斑块的内部孔隙度升高，连通性降低，当孔隙度达到一定数值时，斑块内部失去连接逐渐分散。综合以上指数变化特征，反映出近十年间挠力河流域景观格局更加破碎、复杂。这主要与流域2010—2018年出现了大量的湿地及疏林地开垦为耕地、水利工程修建和农业结构调整等现象[31]，导致景观结构破坏和功能退化，林地分布趋于离散化，水稻面积和结构比率持续上升有直接关系[32]。

表3 研究区类型水平景观格局指数

3.2 景观格局特征尺度

根据景观水平的景观格局指数空间变异特征值变化趋势(图1)，图中横轴代表不同尺度的移动窗口半径，纵轴代表半变异函数的块基比C0/(C0+C)。块基比值越小，空间变异程度越低，空间自相关性越明显，景观格局越稳定[25-27]。景观水平的6个指数稳定性随着移动窗口半径的增加大致呈现先上升后下降最后稳定的趋势，因此可以进行特征尺度的判定。结果表明:2010年的景观格局指数在4 500 m窗口位置表现稳定，2018年景观格局指数的稳定窗口则为4 250 m，即该尺度是能够反映研究区景观格局空间变异的特征尺度。

图1 不同尺度下景观格局指数变异值趋势

3.3 土壤侵蚀强度

在ArcGIS 10.7的支持下，实现土壤侵蚀各计算参数的采集、处理、各因子层的生成，最终对各因层进行栅格叠加运算，取得2010年、2018年挠力河流域土壤侵蚀强度等级分布(图2)，2018年土壤侵蚀等级分布趋势与2010年大致相同。土壤侵蚀较高等级主要分布于研究区南部及友谊县和集贤县境内，呈带状分布。其中，中度及以上等级侵蚀，在研究区呈面线结合状分布。强度及以上等级侵蚀零散分布于宝清县、双鸭山市及挠河县西南部。

图2 土壤侵蚀等级分布

根据2010—2018年研究区土壤侵蚀强度等级转移矩阵见(表4)，2010—2018年研究区土壤侵蚀总面积由6 883.81 km2上升至7 297.56 km2。2010年轻度侵蚀等级中，轻Ⅲ等级面积最大，面积为1 175.08 km2，轻Ⅱ等级占比最小，面积为739.31 km2。2018年轻度侵蚀等级中，轻Ⅲ等级面积上升为1 542.27 km2，轻Ⅱ等级面积上升为1 149.40 km2。2010年中度及以上等级侵蚀占总侵蚀面积的55.51%，约3 821.10 km2，2018年中度及以上等级侵蚀占总侵蚀面积的48.83%，约3 563.18 km2，其中，中度侵蚀等级面积增加最明显，研究期间由1 194.80 km2增至1 381.67 km2。将2010年、2018年土壤侵蚀强度进行等级转化运算后，显示整个挠力河流域土壤侵蚀总量略微增加。

3.4 景观格局类型对土壤侵蚀的影响

3.4.1 不同土壤侵蚀强度下的景观格局分析 根据土壤侵蚀强度等级，研究中分别提取各等级范围内的斑块类型占比，观察到各类斑块占比引起不同土壤侵蚀强度的规律。土壤侵蚀强度越高，林地斑块占比越大，农田斑块占比越小。中度及以上侵蚀强度等级均有很高的林地斑块面积占比，轻度及无明显侵蚀等级则相反，随着侵蚀等级的降低，林地斑块占比减少。轻度及无明显侵蚀等级中农田斑块均占50%以上(图3)。这与研究区现状土地利用斑块特征有直接关系，林地生态系统是陆地最为重要的生态系统之一，在涵养水源和调节地表水土过程中有着重要作用。研究发现挠力河流域林地斑块主要分布在东部及南部高程略高、坡度稍大的区域，且研究区林地斑块树种单一，大部分林地为地表裸露的单层纯林或疏林，这就造成了土壤大团聚体有机碳含量偏低，土壤的黏结性和粘着性受到破坏，土壤结构稳定性、入渗性能降低及土壤质量下降，最终造成土壤侵蚀的天然因素抵御能力较弱，水土流失、沙化渐趋严重[31]。另外，流域从20世纪90年代起，当地政府大力推行以稻治涝农业结构调整政策，大量低洼旱地改造为水田，水田具有良好的水保功能，旱地采取玉米—小麦的轮作方式[4]，这也能一定程度上抑制土壤侵蚀，这与研究区其他相关研究结论相一致，挠力河流域土壤侵蚀主要与现状土地利用斑块特征直接相关。

表4 2010-2018年土壤侵蚀等级转移矩阵 km2

图3 不同土壤侵蚀等级下各类斑块面积占比

景观格局类型参照肖笃宁提出的散布型、网络型、指状型和棋盘型4种景观格局[16]。已知挠力河流域土壤侵蚀同现状土地利用斑块特征存在明显关联，研究分别提取2010年、2018年具有不同景观格局类型及不同林地斑块占比(0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%)的特征尺度样地，探索景观格局类型对土壤侵蚀的影响。各样地景观格局指数与单位面积土壤流失量情况如下(表5)。

2010年区域一是本底为农田的散布型格局，农田受到外界作用出现不规则且分散的孔隙。2018年区域一为农田本底林地指状型格局，两区域根本差别是2018年指状型结构的SHAPE_MN偏高，斑块类型在景观中更趋于不规则，对土壤侵蚀缓解作用要优于散布型格局。2010年区域二是林地、耕地相处穿插，水域零散分布的指状格局，2018年区域二为农田本底水域网状型景观格局，网状型结构表现出的DIVISION更低，FRAC_AM更高，对土壤流失的抑制作用更好。2010年区域三为林地本底水域网状结构，2018年区域三为林地本底水域、农田棋盘型结构，网状型结构表现出的DIVISION较棋盘型更低，FRAC_AM，SHAPE_MN更高，减缓土壤流失作用更加明显。2010年区域四林地本底水域、农田棋盘型结构，2018年区域四为林地本底水域为主的指状型结构，指状型结构对土壤侵蚀的减缓效果更佳。

综上，现状土地利用斑块特征是影响研究区土壤侵蚀强度变化的根本原因，优化景观格局类型会在一定程度上缓解土壤侵蚀，却未能逆转由现状土地利用斑块特征造成的影响。在景观格局特征尺度下，景观格局类型对土壤侵蚀的缓解作用可排序为：网状型>指状型>棋盘型>散布型。

表5 样地景观格局指数与单位面积土壤流失量

在研究区土壤侵蚀强度的有序多元Logistic回归分析模型中，以土壤侵蚀强度等级为因变量，景观格局类型为自变量，明确量化景观格局类型对土壤侵蚀的差异化影响。研究扩大样本数量，将2010年、2018年土地利用及土壤侵蚀强度数据划分为上述标准的特征尺度样地，随机选取栅格总数的10%作为样本，避免空间自相关性，统计其景观格局类型及平均土壤侵蚀强度等级数据。因在特征尺度上研究区平均土壤侵蚀强度最高等级为中度侵蚀，因此，在分析中因变量的变化范围为无明显侵蚀至中度侵蚀5个等级。

有序多分类Logistic回归分析结果如表6所示：似然比检验(Model Fitting Information)显示p<0.001，说明至少一个变量具有统计学显著性。对变量进行平行线假设检验(Test of Parallel Lines)，p值为0.051，不拒绝原假设，证明应用有序多元Logistic回归分析具有合理性[33-34]，即土壤侵蚀等级与景观格局类型有关p<0.05。根据有序多分类Logistic回归b值计算可得：网状型、指状型和棋盘型与散布型景观格局相比，土壤侵蚀高至少一个等级的概率分别为0.53(expb=-0.633)，0.74(expb=-0.304)，0.88(expb=-0.138)。

因此，在挠力河流域今后的土壤流失治理中，应重点对现有的林地成分进行改造，营造复合型林分，增加树种多样性及底层植被盖度；
景观格局特征尺度可以作为格局优化的参考单元，在此基础上结合不同类型景观格局进行优化，使其向指状型、网状型景观格局类型发展，以达到更好的减缓土壤侵蚀的效果。

表6 有序多元Logistic回归分析结果

(1) 2010—2018年，挠力河流域土地利用以农田和林地为主，占流域总面积的80%以上，农田与建筑用地面积明显增加，水域与灌丛面积显著降低。研究区景观格局破碎化程度增大，景观格局类型有向散布型转化的趋势。

(2) 研究通过移动窗口法与半变异函数判断得出，2010年、2018年挠力河流域的景观格局特征尺度分别为4 500 m，4 250 m，表明后者的景观格局更为丰富和复杂。

(3) 运用USLE模型土壤计算挠力河流域侵蚀强度，结果显示2018年挠力河流域土壤侵蚀强度等级分布2010年大致相同，2010—2018年研究区土壤侵蚀总量略微增加。

(4) 挠力河流域土壤侵蚀强度主要取决于现状土地利用斑块特征。景观格局类型优化会一定程度上缓解土壤侵蚀强度，却不能逆转由现状土地利用斑块特征造成的影响。在景观格局特征尺度下，景观格局类型对土壤侵蚀的缓解作用可排序为：网状型>指状型>棋盘型>散布型。网状型、指状型和棋盘型与散布型景观格局相比，土壤侵蚀强度至少高一个等级的概率分别为0.53，0.74，0.88。

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