仓子小流域土地利用与土壤侵蚀时空变化分析_翟国爽.pdf

66 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）仓子小流域土地利用与土壤侵蚀时空变化分析翟国爽（朝阳市建平县白山乡水利服务站，辽宁 建平 122406）摘 要：通过实地调查、遥感影像、航片等方式，采用 CLSE 方程及转移矩阵揭示了辽西低山丘陵区仓子小流域 1993-2020 年土壤侵蚀与土地利用时空变化特征。结果表明：1993-2020 年仓子小流域独立工矿用地、农村居民点以及灌木林地持续增加，旱地逐渐减少，2005 年退耕还林草工程的实施明显加快了土地利用变化速率；土壤侵蚀呈减弱趋势，强烈及以上强度侵蚀面积占比逐渐减小，而微度侵蚀占比持续增大，侵蚀模数从最初的 28.1t/(hm2a)波动下降到7.0t/(hm2a)；不同用地类型的土壤侵蚀强度排序：灌木林地草地旱地独立工矿用地，退耕还林草工程队有效遏制土壤侵蚀具有显著欧勇。关键词：CSLE 方程；转移矩阵；土地利用；土壤侵蚀；时空变化中图分类号：S157.2文献标识码：B1 研究区概况仓子小流域位于辽宁省建平县境内，地处E11932101193533、N415225415657，总面积 2253.9hm2，属辽河流域，低山丘陵地貌，海拔高程 646886m。流域内多褐土，土层厚度20110cm 之间，土壤通透性差，腐殖质较薄，土壤侵蚀严重极易发生水土流失。从 1990 年，水土保持部门就开始对仓子小流域开展水土流失治理，并且规模较小、方式单一，以修建谷坊、水浇地等零星工程为主，直至 2005 年全面实施退耕还林草工程，小流域水土保持状况和土地利用类型发生显著变化。2 研究方法2.1 土地利用变化收集整理1993、1998、2005、2013和2020年土地利用调查资料，其中1993年数据由航片判读资料转绘和野外实地考察资料获取，1998年、2005年数据结合实地调查资料和1:5万彩红外航片获得，2013年、2020年数据利用World View-1卫星遥感影像和Google Earth影像，经实地调查获取。通过计算各土地利用单一和综合动态度定量反映小流域土地利用动态变化1，其中单一动态度 Ki代表用地类型i于特定时期t内的面积变化率(%)，其计算公式为：0tttf=(1)0ttUfi=(2)(3)式中：Ui、Ui，t0、Ui，tf，为t 内用地类型 i的变化面积和开始时 t0、结束时 tf的面积，hm2；综合动态度 Kc为用地类型 i 于特定时期t 内的总体变化率(%)，其计算公式为：(4)式中：Uij 为t 内用地类型 i 转变成 j 的收稿日期 2022-12-17作者简介翟国爽（1974-），男，辽宁朝阳人，工程师，研究方向为水土保持、水资源、河道、水利工程施工、移民、农村饮水安全等。文章编号:1007-7596（2023）01-0066-05DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.012 67 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）面积，hm2；ST 为流域面积，仓子小流域面积2253.90hm2；n 为流域内用地类型总数。2.2 土壤侵蚀量计算文章利用 CSLE 方程计算各时期仓子小流域土壤侵蚀量，计算公式为：(5)式中：A 为土壤侵蚀模数，t/(hm2a)；R 为降雨侵蚀力因子(MJmm)/(hm2ha)；K 为土壤可蚀性因子 thm2h/(hm2MJmm)；L、S 为坡长、坡度因子，量纲 1；B、E、T 为生物、工程和耕作措施因子，量纲 1。1）结合建平县降水季节变化特征和 19932020年日降雨量数据，拟利用简易计算法确定降雨侵蚀力因子值，其计算公式为2：(6)式中：x、y 为模型参数；Pd10、Py10为侵蚀性降雨日降雨量和年降雨量，mm；R半月、R年、R为半月、年和多年平均降雨侵蚀力，(MJmm)/(hm2ha)；Pk、k 为半月内第 k 天的日降雨量，mm 和侵蚀性降雨日数，d，以降雨量 10mm 作为侵蚀性雨量标准。2）根据土壤质地越粗或越细腻则越难发生侵蚀，质地越居中则越易发生侵蚀的特征，拟利用Williams 提出的公式计算土壤可蚀性因子值，即：(7)(8)式 中：SAN、SIL为 0.0502.000mm 的 砂 粒 和0.0020.050mm 的黏粒含量，%；C、CLA为土壤有机碳和 0.002mm 粉粒含量，%。采用建平县 1:50万土壤图和 Arc Map 软件获取流域内砂粒、黏粒、有机碳和粉粒含量，经矢量转换生成土壤可蚀性格栅数据。3）采用张宏鸣编写的 AML 程序提取仓子小流域坡长坡度因子值，数据计算时必须填充 DEM中的 No Data 值。因此，文章借鉴 McCool 等、刘宝元等5研究成果利用下式计算 5 和 5 的坡度因子值，采用经验公式计算坡长因子值，具体如下：(9)(10)(11)(12)式中：S、为坡度因子值和 DEM 中提取的坡度值；L、为坡长因子值和 DEM 中提取的坡长值；22.13 为标准小区坡长；、为坡长因子指数以及细沟侵蚀与面蚀之比。4）通过实地调查，仓子小流域生物措施以人工造林和林草生态恢复为主，以分辨率 30m 的 Landsat数据为基础数据来源，在半月尺度上计算园地、草地和林地的 B 因子值。鉴于云层覆盖等实际情况，对 Landsat 影像无法提供有效信息的时段考虑利用分辨率 200m 的 MODIS 植被指数产品来插补，从而获取每年 24 个半月盖度图像。然后结合土地利用数据计算相应的土壤流失比率，以半月降雨侵蚀力占全年比重为基础加权计算获取 B 因子值。其中，水域及水利设施用地、独立工矿用地、农村居民点、旱地、其它土地直接赋值 0、1、0.025、1、0。参照 Guo 等对作物覆盖与管理因子研究成果和全国水利普查水力侵蚀成果确定 E、T 因子值，仓子小流域工程措施以鱼鳞坑、坡式梯田、土坎水平梯田为主，依次赋予 E 因子值 0.182、0.415、0.085，耕作措施体现了轮作对作物覆盖的影响，结合用地类型图和植被覆盖度图赋予 T 因子值0.4923。3 结果与分析3.1 土地利用时空变化特征3.1.1 土地利用变化速率退耕还林草工程的实施显著改变了仓子小流 68 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）域的土地利用格局，1993 年、2008 年、2005 年流域内以草地为主，其次是旱地和灌木林地，草地、旱地和灌木林地平均占比依次为 44.1%、27.5%和22.8%。2013 年旱地占比减少到 7.5%，草地比例提高到 61.0%。然而 2020 年草地占比仅有 35.1%，土地利用类型以沙柳和柠条为优势种的灌木林地为主，所占比例达到 40.6%，并广泛分布于山坡上。不同时段仓子小流域土地利用单一动态度，见表 1。由表 1 可知，1993-2020 年仓子小流域独立工矿用地、农村居民点和灌木林地持续增加，旱地逐渐减少，旱地减幅最大时段为 2005-2013 年，年均减少率达到 8.2%，灌木林地除 2005-2013 年略有减少外其它时段均呈增大趋势。2005-2013 年、2013-2020 年是独立工矿用地和农村居民点的集中扩张期，由于周边住宅用地的扩张以及下游土地资源的大规模开采，独立工矿用地年均增长率达到22.0%、12.5%，农村居民点用地年均增长率达到11.5%、8.0%。2013-2020 年有林地面积增幅最高，年均增长率达到 36.0%。表 1 不同时段仓子小流域土地利用单一动态度土地利用类型19931998199820052005201320132020旱地-3.0-2.8-8.2-5.1果园0-9.5-12.6有林地1.00-0.236.0灌木林地5.61.2-1.112.5其它林地-5.1012.5-8.0草地-0.21.24.2-6.5农村居民点-0.8011.58.0独立工矿用地022.012.5水域及水利设施用地12.600-4.2其它用地-1.20-6.5-14.5注：“”代表对应时段无动态度结果。土地利用年均变化速率从 1993-2005 年间的1.6%提高到 2005-2020 年间的 4.0%，该变化趋势与建平县 2005 年大规模建设退耕还林草工程相吻合。退耕还林草工程的实施使得土地利用变化速率加快，林草地面积不断增加，旱地面积明显减少，并且土地资源开采也在一定程度上增加了农村居民点面积及独立工矿用地。3.1.2 土地利用转移考虑到流域面积较小的实际情况，将独立工矿用地和农村居民点纳入工矿用地及居民点，灌木林地、有林地和其它林地纳入林地，果园划入园地，旱地划入耕地，保持水域及水利设施用地、草地、其它用地不变。以 2005 年为时间节点，计算确定1993-2005 年、2005-2020 年仓子小流域一级土地利用转移矩阵，1993-2005 仓子小流域土地利用转移矩阵，见表 2，2005-2020 仓子小流域土地利用转移矩阵，见表 3。表 2 1993-2005 仓子小流域土地利用转移矩阵hm2土地利用类型耕地果园林地草地居民点及工矿用地水域及水利设施用地其它用地1993 年总计耕地449.30101.7 192.310.12.90756.3园地2.61.3000003.9林地2.30479.713.15.200500.3草地54.6071.6825.63.600955.4工矿用地及居民点2.600010.50013.1水域及水利设施用地000004.304.3其它用地001.300019.320.62005 年总计511.41.3654.3 1031.029.47.219.32253.9由 表 2 可 知，1993-2005 年 仓 子 小 流 域 共有 463.9hm2发生土地利用转移，占流域总面积20.58%，土地流转集中发生在草地、林地和耕地上。其中，耕地净转出到草地的面积为 137.7hm2，占 1993 年耕地面积的 18.21%，并且有 58.6hm2的草地和 99.4hm2的耕地净转出为林地。表 3 2005-2020 仓子小流域土地利用转移矩阵hm2土地利用类型耕地果园林地草地居民点及工矿用地水域及水利设施用地其它用地2005 年总计耕地95.815.4153.7226.919.30.30511.4园地0.700.30.30001.3林地2.67.5463.7156.324.200654.3草地12.111.8592.8350.562.80.701030.7居民点及工矿用地0.304.34.919.90029.4水域及水利设施用地0.302.01.30.03.907.5其它用地008.88.81.60019.32020 年总计111.834.71225.5749.1127.94.90.02253.9由表 3 可知，2005-2020 年的土地利用转移更加强烈，仓子小流域共有 1320.1hm2发生土地利用转移，占流域总面积的 58.56%。其中，耕地净减少399.6hm2，耕地流转集中发生在林地和草地，该变化趋势与退耕还林草工程的实施密切相关，向林地的流转是草地面积减少的主要原因。2005-2020年，69 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）草地净流转到林地的面积为 436.5hm2，占 2005 年草地面积的 42.34%，并且当地建