3.1 流域土壤侵蚀时空变化
3.1.1 土壤侵蚀强度的时间变化 用修正通用土壤流失方程计算得到汾河上游2005—2017年土壤侵蚀模数(图2)。2005—2017年汾河上游土壤侵蚀流失量显著减小,平均侵蚀模数从2005年的50.26 t/(hm2·a)下降到2010年的37.47 t/(hm2·a),在2017年跌至30.71 t/(hm2·a)。
根据土壤侵蚀分类分级标准对2005—2017年汾河上游土壤侵蚀模数进行土壤侵蚀强度分级(表1)[30]。从土壤侵蚀强度所占面积来看,总体呈现中等强度等级以上所占面积向微度和轻度强度转移。2005—2010年,微度侵蚀、轻度侵蚀面积增加,增幅达53.93%,2.91%,占流域总面积的53.75%; 中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀、剧烈侵蚀面积减少,降幅依次为9.07%,11.40%,30.06%,39.80%。随后2010—2017年,微度侵蚀增幅为37.76%,轻度侵蚀至剧烈侵蚀5个等级降幅依次为11.52%,20.08%,23.19%,16.89%,12.08%,但中度侵蚀等级以上的面积仅占侵蚀总面积的23.87%,区域土壤侵蚀等级以微度侵蚀和轻度侵蚀为主。
图2 汾河上游流域2005-2017年土壤侵蚀强度
3.1.2 土壤侵蚀强度的空间变化 近12 a,土壤侵蚀格局变化显著。从2005年东部西部高、南北两侧低、中间中等的格局逐渐转变到2017年西部低,东部高,中部中等的格局,形态以条带状为主。2005年西北森林带和部分东南山地丘陵区是高值区的集中地,中部地区以中值区为主,低值区在西南部中部地带和北部丘陵地带; 2017年高值区集中于东南山地丘陵地带,中值区位于中部地带和西南部汾河两岸平原地带,低值区在西北森林带和部分东南山地丘陵区。
对2000—2017年汾河上游不同侵蚀等级面积进行统计,得到汾河上游不同侵蚀等级面积的转移矩阵(表2)。由表2可知,近12 a,汾河上游土壤侵蚀等级之间面积转化活跃,微度和轻度侵蚀等级面积大幅增加,中度侵蚀以上等级的面积明显减小,研究区域土壤侵蚀状况整体变好。其中,剧烈侵蚀中有48.95%、12.13%分别转化为微度侵蚀、极强侵蚀。极强侵蚀转化为微度侵蚀的占比44.71%,强度侵蚀的36.20%,12.35%,15.77%分别转化为微度侵蚀,轻度侵蚀和中度侵蚀。
表2 汾河上游2005-2017年流域土壤侵蚀面积转移矩阵km2
3.2 不同土地利用类型下土壤侵蚀统计分析
2005—2017年汾河上游土地利用类型主要为耕地、草地和林地(表3)。土地利用类型均发生了不同程度的变化:草地和建设用地面积分别减少12.42%,11.49%; 耕地和林地面积分别增加16.90%,13.67%; 水域和其他用地面积降幅明显,分别减少40.39%,51.13%。
2000—2017年土地利用类型间面积转换变动较大。期间草地面积减少最大,净减少206.60 km2,主要流向耕地(451.44 km2)、林地(319.12 km2); 林地面积增加大,增加了约148.55 km2,主要来自草地和耕地; 建设用地、其他用地面积及比例均有较大幅度减小。主要原因在于区域生态环境(黄土丘陵地区)的特殊性,水土流失严重。一方面政府为稳定生态质量实施坡耕地退耕还林、农田整治、加强矿区的管理和绿化工程。另一方面,伴随经济的发展,人口集中于汾河两岸,占用了大量的耕地和水域,城市建设用地增加,农村建设用地急剧减少,造成土地利用类型变化频繁。
表3 汾河上游流域2005-2017年土地利用类型面积转移矩阵km2
土壤侵蚀在土地利用类型中差异明显,2005—2017年各地类土壤侵蚀模数均减少(图3),草地、耕地、林地和其他用地土壤平均侵蚀模数降幅分别达26.37%,15.91%,61.25%,29.84%。结合各土地利用类型面积可知:土壤侵蚀主要集中在草地、耕地和林地,土地利用类型与土壤侵蚀模数高度相关。不合理的土地利用会造成生态系统服务功能的退化,植被覆盖度高的土壤侵蚀程度小,应合理优化草地、林地、耕地布局,加强土地利用的管理与监控。
3.3 土壤侵蚀景观格局变化
3.3.1 土壤侵蚀景观指数最佳分析幅度 侵蚀景观指数的空间异质性具有尺度依赖性,空间尺度的变化对景观格局定量分析结果会产生不同程度的影响,确定合理有效的分析尺度十分关键,是揭示景观破碎化空间变异的前提[31-32]。为定量分析确定最佳分析幅度,在2005年、2010年、2017年3个时期的土地利用矢量数据中选取2017年的土地利用数据作为研究对象,将2017年土地利用矢量数据转化为30 m分辨率的栅格数据,输入Fragstats 4.2软件,采用移动窗口法,方形半径,尺度设定为200,600,1 000,1 400,1 800,2 200,2 600,3 000 m。以研究区为边界生成随机点100个,提取边缘密度、分离度指数、蔓延度、和香农多样性值,研究幅度变化对侵蚀景观格局指数的影响。
由图4可知,景观指数皆随着空间尺度的变大先急剧上升后整体趋于平稳。边缘密度、蔓延度指数在200~800 m迅速上升,有明显拐点,随后随着空间尺度的变大逐渐趋于平稳,波动起伏小; 分离度指数、和香农多样性随着空间尺度的增大也变大,在1 800~2 200 m之后增长速度产生明显变化,呈现平缓上升的趋势。考虑Fragstats 4.2对空间尺度的要求。综上,确定2 100 m为最佳分析幅度。
3.3.2 土壤侵蚀景观格局指数变化 由表4可知,近12 a,斑块数量(NP)不断减少,说明景观破碎化程度减小,景观异质性程度降低; 边缘密度(ED)、香农多样性(SHDI)先减小后增大,表明研究区景观在边缘形状上由简单向复杂发展,景观类型组成由简单向丰富发展,土地利用丰富,景观类型的均匀程度提高; 蔓延度(CONTAG)先增大后减小,表明不同斑块类型的延展趋势由弱到强再变弱,蔓延度(CONTAG)整体增大,景观中整体斑块间的连通性较2005年基底年提高,能量流动加快,景观破碎化程度降低; 分离度指数(DIVISON)微弱上升。综上,2005—2017年景观破碎化程度整体下降,生态环境改善。
3.3.3 土壤侵蚀强度与景观格局变化关系 2005—2017年3个年度各土壤侵蚀强度的景观格局指数见表5,各侵蚀强度的香农多样性、边缘密度总体减小,蔓延度、分离度指数总体提升。各侵蚀强度的香农多样性呈现先减后增的趋势,与2005年对比,2010年各侵蚀强度的香农多样性均减小,剧烈和微度侵蚀的香农多样性降幅最大,中度侵蚀降幅最小,可知:在这5 a中,剧烈和微度侵蚀景观的斑块类型组成由丰富向简单发展,分布由均衡向定向发展,与2010年相比,2017年微度侵蚀的香农多样性继续减少,轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀强度的香农多样性提升,横向相比微度侵蚀的香农多样性最小,土壤侵蚀的斑块破碎度低。2005—2010年各侵蚀强度的边缘密度逐年下降,降速快,表征景观斑块形状由复杂到简单,斑块的平均面积增大,整体景观破碎度程度降低,土地利用变化大。2005年各侵蚀强度的边缘密度值由低到高为:微度侵蚀<剧烈侵蚀<极强烈侵蚀<强烈侵蚀<中度侵蚀,2010年、2017年与2005年各侵蚀强度的边缘密度排序基本一致。其中,2010—2017年边缘密度值相差不大,变化小,景观斑块形状趋于常态。2010年各侵蚀强度的分离度指数与2005年相比总体大幅度提升,与2017年相当,基本无波动。在强烈侵蚀上较大,在微度侵蚀上最小,表明在强烈等级上景观的斑块类型和数量比微度等级少,景观破碎化程度低。3个年度中微度、轻度、中度侵蚀的蔓延度均持续上升,强度、极强度、剧烈侵蚀的蔓延度先快速增加后缓慢减少,但整体上升,表征侵蚀强度景观中优势斑块间的连接度好。