黄淮海平原位于我国东部沿海地区,位于32°29'—40°34'N,112°26'—122°41'E,自北向南跨越从北京到安徽等7省市,面积近40万km²,地势低平,大部分地区海拔50 m以下,东部沿海地区海拔10 m以下,其中海拔较高的地区分布在山东省中部,海拔达到1 000 m以上。黄淮海平原属于暖温带半湿润季风气候,年均气温为11～15℃,南部地区年均温度为略高于北部,年降水量为400～1 100 mm,主要集中在夏季,年际变化较大。土壤类型以潮土为主,养分丰富,适宜耕作,作物类型以小麦、水稻、玉米为主,是我国重要粮食产区。

本文所用数据主要包括黄淮海平原土地利用数据、土壤数据、地形数据和降雨数据,见表1。

表1 数据来源

研究利用USLE模型(通用土壤流失方程)对土壤侵蚀强度进行计算,其表达式为:

A=R×K×LS×C×P (1)

式中:A为单位面积年均土壤侵蚀量[t/(hm²·a)]; R为降雨侵蚀力因子[MJ·mm/(hm²·h·a)]; K为土壤可蚀性因子[t·h/(MJ·mm)]; L和S为地形因子,均无量纲,其中L为坡长因子,S为坡度因子; C为植被覆盖与作物管理因子,无量纲; P为水土保持措施因子,无量纲。

各因子的计算公式见文献[22—28]。其中,水土保持因子是参考已有研究成果和研究区土地利用和坡度的实际情况进行赋值。其中,林地、草地属于未采取水土保持措施的自然景观,赋值为1,水域、建设用地不发生土壤侵蚀,赋值为0,而耕地和未利用地有一定水土保持措施,受坡度影响较大,采用表2进行赋值。在本研究中,土地利用数据共有4期,以2000年土地利用数据表征2000—2004年土地利用/覆被格局,同理2005年表征2005—2009年,2010年表征2010—2014年,2015表征2015年。

表2 黄淮海平原耕地和未利用地P因子

根据《土壤侵蚀分类分级标准》,将计算得到的黄淮海平原土壤侵蚀强度划分为6个等级,见表3。

表3 土壤侵蚀分级标准

本文利用长期时间序列数据分析中经常使用的M-K非参数检验,分析了降雨量和土壤侵蚀强度在时间上的变化趋势。该方法不需要数据遵循特定的分布也不需要确定是否是线性趋势,同时也不受异常值的影响,能客观的表征趋势变化。

对于序列数据,x_t=(x₁,x₂,…,x_n),确定所有成对值中x_i,x_j的大小,记为S[公式(2)和(3)]。假设对于H₀,数据在序列中随机排列,趋势不显著,对于H₁,序列中存在单调递增或递减的趋势。

本研究中n=15,通过Z值进行趋势检验[公式(4)]。在ɑ=0.05的显著性水平下,当|Z|≤|Z_1-α/2|时接受原假设,即趋势变化不显著; 当|Z|>|Z_1-α/2|则拒绝原假设,则认为趋势变化是显著的。

式中:m为是序列中的节点数; t_i为节点的宽度。

利用Sen's方法来计算各个站点年降雨量变化斜率。

β=median((x_j-x_i)/(j-i)) (6)

基于2000—2015年黄淮海地区气象站点逐月降水量数据,探究降雨量的时空格局动态变化,同时采用Mann-Kendall趋势检验法(M-K)对降雨的趋势变化进行分析。依照LUCC分类体系,将2000年以来研究区内土地利用类型划分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六大类,对不同年份的土地利用类型分布情况、面积和百分比、转移矩阵进行计算,分析土地利用类型的空间转移变化,并从景观和斑块两个水平,借助景观指数(表4),分析黄淮海平原的景观格局变化。在此基础上,采用相关分析和多元回归分析方法,量化降雨和景观格局变化在土壤侵蚀变化中的贡献度。

表4 研究所用景观指数

根据模型,同时按土壤侵蚀分级分类将土壤侵蚀因子(附图1)进行叠加后,得到土壤侵蚀强度空间分布图(附图2),并统计了年均土壤侵蚀量(图1A)及各类型面积和百分比(表5)。在2000—2015年,黄淮海平原内土壤侵蚀以微度侵蚀为主,集中在研究区西部和南部地区,面积约为35万km²,占研究区总面积的90%以上。山东中部和东部沿海地区有轻度侵蚀和剧烈侵蚀,主要为草地和林地,地形主要为山地丘陵区,坡度较大。2000—2015年微度侵蚀区域增加了6 370 km²,由92.62%增加到94.36%; 轻度侵蚀区减少了2 040 km²; 在2000—2015年,中度侵蚀、强烈侵蚀和剧烈侵蚀区面积较小,低于总面积的1%,呈现先减后增趋势; 剧烈侵蚀区面积下降趋势明显,由2000年2.45%降到2015年1.42%,面积减少了3 820 km²(表5)。利用M-K趋势分析方法对2000—2015年土壤侵蚀强度的变化趋势进行分析(图1B),结果显示Z值为-2.84且绝对值大于2.32(通过置信度99%的检验),说明土壤侵蚀强度总体呈极显著下降趋势。

图1 2000-2015年土壤侵蚀强度变化

表5 2000-2015年土壤侵蚀面积及百分比

2000—2015年黄淮海平原年降水量分布如图2、附图3所示,2007年之前降雨变化幅度较大,2007年之后变化相对较小,数值分布在450～900 mm,整体自西北向东南增加。从年际变化看,本研究通过M-K方法来分析2000—2015年年降水量变化,得到Z值为-0.77,表明年降水量呈非显著下降趋势。

图2 2000-2015年降水量变化

为探究黄淮海平原空间上年降雨量的变化趋势,本研究采用Sen's分析法对2000—2015年年降水量数据进行分析,以斜率正负表示该站点降水量增加或减少,以绝对值大小表示变化多少,得到附图4。研究区斜率均值为-2.81,说明整体呈降低趋势,北部东部以增长为主,中部及南部则以降低为主。其中,变化最剧烈的地区分别为山东省北、东部,变化斜率达13 mm/a以上,增长最明显; 河南省南部和山东省南部,变化斜率低于-17 mm/a,降低幅度最大。

从空间分布上看,黄淮海平原2000—2015年的土地利用类型均以耕地、建设用地为主,耕地约占总面积的75%,建设用地约占13%。土地利用类型变化较剧烈的区域主要集中在北京和天津,有大量的耕地变为建设用地; 山东省北部沿海地区,主要由草地变为耕地(附图5)。由表6可知,在各个时间段耕地面积都呈减少趋势,建设用地呈增加趋势,林地、草地、水域和未利用地变化较小,趋于稳定。

由转移矩阵(表6)可知,2000—2015年,耕地转变为建设用地最多,达8 061.08 km²; 林地以转变为建设用地和耕地为主,分别有147.49,59.58 km²; 草地以转变为耕地为主,有431.92 km²; 水域以转变为耕地和建设用地为主,分别为454.45,341.07 km²; 建设用地以转变为耕地为主,达930.87 km²; 未利用地则以转变为耕地和建设用地为主,分别为242.72,184.26 km²。

从景观水平上看(图3),2000—2015年黄淮海平原斑块数量(NP)减少了659个,下降了1.8%,边缘密度上升了2.76%,平均斑块面积增大了1.83%,说明研究区小斑块数量减少,破碎度降低; 香农多样性指数增加了2.40%,香农均匀度指数增加了2.39%,最大斑块占景观面积的比例下降了2.77%,说明研究区内不同土地利用类型分布更加均匀、集中。

对2015年6类土地利用类型的斑块类型水平指数与2000年指数做差,计算百分比,分析2000—2015年各土地利用类型的变化情况,得到表7。根据表中指数变化情况,林地、草地、水域和未利用地相对稳定,而耕地、建设用地则变化较大。耕地景观百分比、最大斑块占景观面积的比例、平均斑块面积和聚合度指数降低,而斑块数量、边缘密度、景观形状指数增加,说明耕地面积减少,且聚合度降低,形状更复杂,分布更分散; 建设用地景观百分比、最大斑块占景观面积的比例、边缘密度、平均斑块面积和聚合度指数均有增加,而斑块数量和景观形状指数则有小幅度降低,说明建设用地扩张明显,分布更加集中。

表6 2000-2015年土地利用转移矩阵km2