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景观格局及其变化的土壤侵蚀效应是土壤侵蚀研究中的重要问题。研究景观格局变化的土壤侵蚀效应对以水土保持为目标的流域土地利用布局和管理优化具有重要的参考价值。景观格局分析方法和土壤侵蚀模型方法是景观格局变化的土壤侵蚀效应研究的两个主要途径。前者常借助各类景观指数间接反映景观格局及其变化的土壤侵蚀效应;后者则通过估算一系列土地利用/覆盖情景下的侵蚀达到目的。土壤侵蚀模型能给出定量的土壤侵蚀量,且对土壤侵蚀空间格局的表征能力不断增强,成为研究景观格局变化的土壤侵蚀效应的常规手段。相对于需要众多参数支持和数据进行参数校正和结果验证的土壤侵蚀模型,景观指数方法能简单方便、快捷地定性评价景观格局的土壤侵蚀效应,且具有较高的可靠性。随着景观生态学的发展,构建了大量基于斑块—廊道—基底模式景观格局的空间和非空间景观指数(A类景观指数)。这些指数也被应用于针对土壤侵蚀的景观格局分析,但由于大多建立在生物过程的基础上,其在土壤侵蚀研究中的意义解释不明确。近年来,水文学、地貌学等与土壤侵蚀相关的学科开始注重景观格局分析,建立了一些面向土壤侵蚀过程的景观指数(B类景观指数)。与基于斑块—廊道—基底景观模式建立的景观指数不同,这些指数关注土壤侵蚀相关的过程,其土壤侵蚀指示意义明确。在阐述这些指数的基础上,本文应用面向土壤侵蚀的景观指数对坡面尺度典型覆被配置格局的土壤侵蚀效应进行评价。
结果表明,面向土壤侵蚀的景观指数能正确表征坡面景观格局的土壤侵蚀效应。对于坡面土壤侵蚀,坡面覆被空间配置存在如下一般性的规律:
(1)抑制侵蚀功能强的“汇”单元越靠近坡底,越有利于阻止泥沙的输出;促进侵蚀的“源”功能单元越靠近坡底,越有利于泥沙的输出。当以阻止泥沙输出为目的在坡面配置多种景观单元时,应尽可能使抑制侵蚀功能强的单元靠近坡底分布,有利于阻滞泥沙输出。
(2)“源”越分散,越不利于侵蚀产沙;“源”连接性越强,侵蚀产沙越容易。以防止坡面侵蚀产沙为目的在坡面配置覆被时,应尽量采取分散径流、泥沙“源”以降低其连接性的配置格局。
(3)泥沙“源”输送距离出口越近,泥沙越容易输出;与出口直接连通的“源”越多,坡面泥沙输出量越大;反之则越小。
(4)某点接受上坡径流供给越多,且在下坡路径上遇到的阻碍越少,该点泥沙越容易到达出口,对出口的贡献越大。综合来看,坡面径流、泥沙“源”在坡中的集中分布有利于土壤侵蚀防治。
在流域尺度上,从土壤侵蚀模型(WATEM/SEDEM)方法和景观格局指数方法两种途径研究了碾庄沟流域1992-2009年景观格局变化的土壤侵蚀效应。
(1)从总体来看,流域内林地、草地、坝地等在土壤侵蚀过程中发挥“汇”功能的土地利用/覆盖类型大幅度增加,而裸地、居民地、坡耕地等径流、泥沙“源”面积不断缩小,裸露区域的主要分布区由梁、峁坡转向沟谷。
(2)景观格局分析表明,流域总的侵蚀产沙能力持续降低,但泥沙的输出量却并不是持续降低,而是在经历降低过程后增加,因为土地利用覆被/变化使得泥沙供给区靠近河道和流域出口,且泥沙源区之间及其与河道、沟口的连接性增强。
(3)利用耦合景观格局影响的WATEM/SEDEM模型,对碾庄沟1992-2009年土壤侵蚀和流域泥沙输出进行了估算。结果表明,流域土壤侵蚀模数持续降低,但流域泥沙输出却自2002年后出现上升趋势。这与面向土壤侵蚀的景观指数反映的流域土壤侵蚀变化相吻合。
通过两类景观格局指数与WATEM/SEDEM模型模拟结果相关性的比较分析了景观指数的适用性。对A类景观指数:在景观水平上难以反映土壤侵蚀的变化;在土地利用/覆盖类型水平上,部分指数与侵蚀具有很好的相关性。按照土地利用/覆盖类型在土壤侵蚀中的源、汇功能进行二次分类后,DIVISION、MESH、PD、PLADJ和PLAND满足正确指示土壤侵蚀的条件,可作为反映景观格局变化的土壤侵蚀效应的工具。对B类景观指数,由于其基于土壤侵蚀过程建立,与土壤侵蚀表征变量(侵蚀模数、流域泥沙输出量)具有很好的相关性,能正确地反映景观格局变化引起的土壤侵蚀变化。
基于景观指数与侵蚀模型预测结果比较分析,得出如下主要结论:
(1)基于土壤侵蚀过程发展起来的B类景观指数能很好地从机理上解释景观格局及其变化的土壤侵蚀效应。应用这些指数时,应当针对不同的土壤侵蚀子过程选择相应的指数表征。
(2)基于斑块—廊道—基底景观结构模式的A类景观指数是对景观的空间的或非空间的特征的描述,大部分针对生物过程建立,在应用于土壤侵蚀过程研究时,其存在很大的局限性。在景观水平上,A类景观指数难以明确指示景观格局及其变化的土壤侵蚀效应。但在类型水平上,这些指数在指示景观格局的土壤侵蚀效应上具备一定的潜力。当根据斑块类型在土壤侵蚀中的功能进行分类后,斑块类型水平上的景观指数指示土壤侵蚀的能力得到提升,其意义解释也更为明确。因此,当应用A类景观指数于土壤侵蚀研究中时,应更多地从类型水平上进行分析。