第22卷第1期2002年1月
生 态 学 报V o l . 22,N o. 1
Jan . , 2002
中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景
田光进, 张增祥, 赵晓丽, 张国平, 谭文彬
(中国科学院遥感应用研究所, 北京 100101)
摘要:利用20世纪9090年代中期全国耕地受土壤侵蚀面积占33115%。1, 11108%, 冻融侵蚀占0132%, 重力侵蚀占1013%水田较少。旱地水力侵蚀中较为严重的。水田受水力侵蚀分布、辽宁等地区。冻融侵蚀主要分布在内蒙古、青藏高原等地区, 广东省的。还分析了旱地水力侵蚀与地形、植被和降雨量等生态背景的关系, 利用生态环境综合指数和土壤侵蚀强度指数分析了土壤侵蚀与生态背景的关系, 当生态环境综合指数≤4133时, 生态背景综合指数与土壤侵蚀强度具有很强的相关性。
关键词:耕地; 土壤侵蚀; 空间分布特征; 生态环境综合指数; 土壤侵蚀强度指数
The So il Erosion D istr ibution Character istics and Ecolog ica l Back -ground of Ch i nese Cultiva ted Land
T I AN Guang 2J in , ZHAN G Zeng 2X iang , ZHAO X iao 2L i , ZHAN G Guo 2P ing , TAN W en 2B in
(Institu te of R e m ote S ensing A pp lica tion , Ch inese A cad e my of S ciences , B eij ing 100101, Ch ina ) . A cta Ecolog ica S in ica , 2002, 22(1) :10～16
Abstract :Ch ina is country w ith vast populati on and scarce cultivated land per cap ita . A bout 33%of the arable land w as eroded by w ind 、w ater 、fro st 、gravitati on and engineering fo rces . In o rder to investigate the so il ero si on conditi on and p ro tecti on m easures of the cultivated lsand the so il ero si on survey w as done by intep retating TM i m agery of 1995and 1996in Ch ina . L andsat TM i m agery w as compo sed , p ro jected , recti 2fied and interp reted to get the 1∶100000vecto r data of the nati onal land use and the so il ero si on m ap w ith the help of field investigati on , topography , vegetati on , so il quality , and so il ero si on m ap . T he p rovincial . T he so il ero si on w as classified into w ater ero si on , w ind ero si on , m ap s w ere co llected into the nati onal ones
fro st ero si on , gravitati on ero si on and engineering ero si on in ter m s of the nati onal standard issued in 1996. . T he so il ero si on intensity w as classified into six grades
A bout 75. 05%of Ch inese cultivated land w as dry hand and 24. 95%w as paddy field . T he so il ero si on of the dry land w as mo re seri ous than that of the paddy field . A bout 42. 48%of the dry land w as eroded w h ile 7. 96%of the paddy field w as eroded . To tally , 33. 15%of the cultivated land w as eroded . T he w ater fo rce ero si on took up 88. 43%of all the eroded cultivated land and the w ind ero si on w as about 11. 08%.
T he eroded cultivated land by w ater fo rces w as m ainly located in Sichuan , H eilongjiang , Gansu , Shaanxi , Inner M ongo lia , Yunnan , Shanxi , Guizhou and Chongqing . T hey concentrated in the L oess p lateau , Yungui p lateau and Sichuan mountain area . In Chongqing m unici pality , Guizhou , Sichan and Gansu 基金项目:中国科学院和国家水利部合作资助项目(全国土壤侵蚀遥感调查) , 中国科学院知识创新(KZCX12Y 202) 、中国科学院遥感应用研究所创新(CX 000009) 资助项目收稿日期:2001205208; 修订日期:2001208201
作者简介:田光进(1970～) , 男, 汉, 山东人, 博士。主要从事遥感、G IS 和土壤侵蚀等方面的研究。本文得到中国科学院遥感应用研究所王长耀研究员的指导, 在此深表感谢!
1期田光进等:中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景1 1
P rovinces the eroded percentage w as mo re than 80%.T hat of Shaanxi , Yunnan , N ingxia , Inner M ongo lia , Fujian and Shanxi w as mo re than 51%.T he w ater eroded dry land in H eilongjiang took up about 38. 14%of that of Ch inese cultivated land because its dry land w as large . T he h igh ly seri ous w ater ero si on located m ainly in L oess p lateau and Yunan , Guizhou , Sichuan , Fujian and J iangximountain area . T he acreage of the w ind eroded dry land w as located in Inner M ongo lia , J ilin , H eilongjiang , H ebei , H enan , X injiang and Gansu P rovinces w h ich took up about 91. 66%of the nati onal w ind ero si on . Inner M ongo lia w as the mo st seri ous area by the w ind ero si on and the eroded percentage w as mo re than 36. 1%.T he ilin 、N ingxi 2a 、X injiang and H ebei P rovinces w as mo re than 7%.
M o re mountain and h ill areas w ere , , , , Guangxi , H ubei and Zhejiang the m ain w in . he w ater eroded paddy field w as mo , . T he w ind eroded paddy field in H ei 2up . L iaoning w as 9. 2%, H ubei 7. 83%, J ilin 7. 35%, Inner M ongo lia 6. 52%.T areas w ere located in N o rthern Ch ina . In Inner M ongo lia the w ind eroded paddy field w as about 9. 12%.
T he fro st ero si on happened in the co ldest areas including Inner M ongo lia , T ibet and Q inghai w h ich 16. 76%and 0. 34%of Ch inese fro st ero si on acreage respectively . Engineering ero 2took up about 82. 77%、
si on w as caused by m ining , quarrying , building and o ther activities . T he engineering ero si on in dry land w as the mo st seri ous in Guangdong P rovince w ho se percentage took up 58. 01%and H eilongjiang w as 14. 21%.T he enginering ero si on in paddy field in Guangdong w as about 59. 29%of Ch ina and Fujian w as 15. 39%.A great amount of cultivated land w as converted into urban 、rural settlem ents and the constructi on land . T he engineering ero si on extended w ithout agricultural field p ro tecti on m easurem ents . T he gravitati on . In Chongqing m unici pality and H unan in Guangdong w as mo st seri ous w ith the rap id developm ent of cities P rovince the slope cultivated land caused the gravitati on ero si on .
F rom above w e could draw the conclusi on that the dry land of the w ater ero si on w as mo st seri ous in Ch ina . T here w as a strong relati onsh i p betw een the so il ero si on and the eco logical background . In o rder to study the relati onsh i p , S E I (So il E ro si on Intensity Index ) and E I (Eco logical Environm ental Index ) w ere . T here built . E I included slope , p reci p itati on and the vegetati on facto rs . T he slope w as divided into 6grades w as a strong relevance betw een the slope and the so il ero si on intensity index . T he h igher the slope w as , the . N DV I (N o r m alized D ifference V egetati on Index ) w as go tten by the h igher the so il ero si on intensity w as
. T he h igher the grade , the NOAA data to rep resent the vegetati on conditi on and w as classified into 8grades
8、4、7, the better the vegetati on . W hen the N DV I w as 3, S E I w as the h ighest ; w hen the vegetati on w as 2、S E I w as the second ; w hen the vegetati on index w as 1w here the cli m ate w as dry and the p reci p itati on w as
the low est , S E I w as the low est . T he p reci p itati on w as divided into 6grades by the agricultural cli m ate zon 2
～1600mm w here w as hum id . S E I w as ing standard . S E I w as the h ighest w hen the p reci p itati on w as 1000
～800mm . S E I w as the th ird second in the territo ry w here it w as half 2hum id and the p reci p itati on w as 400
～400mm . T he so il ero si on intensity w as the w hen the cli m ate w as half 2arid and the p reci p itati on w as 250
6and 1. low est in the p lace w here the grade of the p reci p itati on w as 4、
T he so il ero si on intensity w as affected by the com binati on of the topography 、vegetati on 、so il quality and p reci p itati on . W hen E I w as ≤4. 33, the relati onsh i p betw een the eco logical facto rs and the so il ero si on . e . the slope w as h igher , the vegetati on w as intensity w as h igh ly relevant . T he h igher the eco logical index , i
w o rse and the p reci p itati on w as less , the mo re seri ous the so il ero si on intensity . W hen the eco logical index w as >4. 33, the relevance w as no t h igh and the so il ero si on intensity w as mo re affected by the single eco 2logical facto r .
12生 态 学 报22卷
Key words :cultivated land ; so il ero si on ; spatial distributi on characteristics ; so il ero si on intensity index ; eco 2logical environm ental index
文章编号:100020933(2002) 0120010207 中图分类号:Q 143, Q 149, X 14 文献标识码:A
耕地资源是中国重要的国土资源, 1999年全国耕地面积为1129×108hm 2, 人均耕地01103hm 2[1], 人地矛盾十分突出。而且我国耕地质量较差, 无限制因素、质量好的耕地面积仅占耕地总面积的41133%, 大于25°的坡耕地占耕地总面积的415%[2]。, 38%[3]。由于土壤侵蚀、沙漠化、盐碱化等原因, 1347×积的16%[1]。因此, , 重要方面。
。水蚀和风蚀是我国土壤侵, 、地形、地貌、植被及地面组成物质等, 。本文的目的是利用20世纪90年代中期全国土壤侵蚀调查成果, 对我国耕地土壤侵蚀的空间分布特征与生态背景的关系进行研究。
1 数据来源与土壤侵蚀分类标准111 数据来源
以1995、1996年陆地卫星L andsat TM 遥感图像(分辨率为30m ×30m ) 为信息源, 对图像进行假彩色(R 4G 3B 2) 合成, 经过投影处理和辐射、几何纠正, 通过人机交互解译得到1:10万全国土地利用矢量图。以土地利用图为基础, 广泛搜集地貌、植被、土壤质地、沙漠、土壤侵蚀、水土流失区划等图件、数据资料和土壤侵蚀调查资料, 分析、判读各地土壤侵蚀情况。由各省级调查单位汇总本省土壤侵蚀情况, 然后再汇总得到全国1∶10万土壤侵蚀调查图和数据库。
112 土壤侵蚀分类标准
[4]
土壤侵蚀分类依据1996年国家《土壤侵蚀分类分级标准》, 一级分类主要根据起主导作用的侵蚀外
营力与性质划分, 包括水力、风力、冻融、重力和工程侵蚀; 二级分类按照侵蚀强度划分, 将全国土壤侵蚀强度划分为6级。
表1 土壤侵蚀分类系统
Table 1 The so il erosion classif ication syste m i n Chi na
侵蚀类型E ro si on type
1水力侵蚀W ater ero si on 2风力侵蚀W ind ero si on 3冻融侵蚀F ro st ero si on 4重力侵蚀Grativati on ero si on
5工程侵蚀Engineering ero si on
5011微度T rivial 21微度T rivial 31微度T rivial 40
12轻度L igh t 22轻度L igh t 32轻度L igh t
侵蚀强度E ro si on intensity
13中度M oderate 23中度M oderate 33中度M oderate
14强度Intensive 24强度Intensive 34强度Intensive
15极强度H igh ly intensive 25极强度H igh ly intensive
16剧烈Seri ous 26剧烈Seri ous
2 中国耕地土壤侵蚀的基本情况及空间分布特征211 中国耕地土壤侵蚀的基本情况
中国耕地以旱地为主, 占75105%; 水田面积占耕地的24195%[2]。对全国耕地栅格图和全国土壤侵蚀图利用A RC I N FO 的迭加功能得到全国耕地土壤侵蚀情况。从表3可以看出, 我国耕地受土壤侵蚀中旱地侵蚀面积较大, 旱地中受土壤侵蚀轻度以上的占总面积的42148%; 水田中受土壤侵蚀轻度以上的占水田总面积的7192%。耕地中受土壤侵蚀轻度以上的占33115%, 比20世纪90年代初期土壤侵蚀调查面积
1期田光进等:中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景1 3
略有降低[3]。在各种侵蚀类型中, 以水力和风力侵蚀为主, 水力侵蚀占耕地总侵蚀面积的88143%, 风力侵蚀占11108%, 冻融侵蚀占0132%, 重力侵蚀占0104%, 工程侵蚀占0113%。
表2 土壤侵蚀强度划分标准
Table 2 The so il erosion i n ten sity classif ication standard
分级
Grade
1微度侵蚀T rivial 2轻度侵蚀L igh t 3中度侵蚀M iddle 4强度侵蚀56平均侵蚀模数
A verage ero si on modulus
(t (km 2・a ) ) 15000
平均流失厚度
A verage ero si on dep th
(mm 11317317～519519～1111>111
表3 中国耕地土壤侵蚀基本情况(%)
Table 3 The so il erosion of the cultivated land i n Chi na
侵蚀类型
水力侵蚀
13
14
15
16
22
风力侵蚀
23
24
25
26
冻融重力工程总计
30
400101
01150111
01010101
500106
7192
侵蚀强度
E ro si on intensity 12
水田
Paddy field
[***********][1**********]101
[***********][***********][***********][***********][1**********]1
旱地
D ry land
[***********]
耕地
Cultivated land
212 中国旱地的土壤侵蚀分布特征
中国旱地土壤侵蚀面积远高于水田侵蚀面积, 土壤侵蚀轻度以上所占比重达到42148%, 作者对旱地受水力和风力侵蚀的情况进行分析。
21211 水力侵蚀 受水力侵蚀的耕地主要分布在四川、黑龙江、甘肃、陕西、内蒙古、云南、山西、贵州、重
庆等地区, 这些地区占全国旱地水力侵蚀面积的73164%。可见, 我国旱地水力侵蚀主要集中在黑龙江、黄土高原和云贵高原及四川地区。从水力侵蚀面积占旱地面积比重看, 重庆、贵州、四川、甘肃比重最高, 侵蚀面积大于80%; 陕西、云南、宁夏、江西、西藏、内蒙古、福建、山西次之, 侵蚀面积比重大于51%。而黑龙江受水力侵蚀面积占全国旱地受水力侵蚀面积的比重为38114%, 在全国水力侵蚀中比重较高, 主要是因为黑龙江耕地面积较大。我国水力侵蚀较为严重的地区主要分布在黄土高原地区及云南、贵州、四川、福建、江西等丘陵山地区。
21212 风力侵蚀 中国旱地受风力侵蚀的地区主要分布在内蒙古、吉林、黑龙江、河北、河南、新疆、甘肃
等省区, 这些地区占全国风力侵蚀面积的91166%。从风力侵蚀面积占旱地面积的比重来分析, 内蒙古是我国风力侵蚀最严重的地区, 风力侵蚀面积占旱地面积的3611%; 其次是吉林、宁夏、新疆、河北等地区, 这些地区风力侵蚀面积占旱地总面积的比重超过7%。
213 中国水田的土壤侵蚀分布特征
21311 水力侵蚀 中国水田水力侵蚀主要分布在四川、云南、贵州、安徽、黑龙江、广西、湖北、浙江等省
区, 这些水田多位于丘陵山地, 由于坡度较大, 水力侵蚀较为严重。从水力侵蚀占水田的面积进行分析, 水田中水力侵蚀最严重的地区是云南、贵州、甘肃、四川等地区, 其侵蚀面积比重超过10%; 尤其是云南、贵州等地区侵蚀较为严重。
14生 态 学 报22卷
21312 风力侵蚀 中国水田受风力侵蚀主要分布在黑龙江, 占全国水田受风力侵蚀面积的55121%, 其次
是辽宁占912%, 湖北7183%, 吉林7135%, 内蒙古6152%。因此, 水田受风蚀的地区主要位于我国北部地区。从水田受风力侵蚀的比重看, 内蒙古最大, 占水田总面积的9112%; 海南占1162%; 新疆占1158%。
214 中国耕地的冻融侵蚀、工程侵蚀和重力侵蚀
21411 冻融侵蚀 冻融侵蚀是在高寒区由于寒冻和热融作用交替进行, 使地表土体和松散物质发生蠕
动、滑塌和泥流等现象, 导致对土壤的侵蚀。我国的冻融侵蚀主要分布在内蒙古、西藏、青海、新疆、黑龙江等地区, 大于轻度以上的冻融侵蚀面积占全国冻融侵蚀面积的比重内蒙古占821, 16176%, 青海占0134%, 黑龙江占0105%, 新疆占0105%。
21412, 主要
指开矿、采石、修路、、。旱地遭受的工, , 58101%; 其次是黑龙江, 占14121%; 湖北7101%, 湖南
41, , 21, 2156%。水田遭受工程侵蚀中, 广东面积仍然最大, 占全国的59129%, 占15139%; 湖南占11159%。因此, 广东是我国工程侵蚀最严重的地区。改革开放后,
广东经济发展较快, 由于工厂企业、城镇、农村居民地的建设导致大量耕地转化为建设用地, 而又没有及时对周围的耕地进行保护, 导致工程侵蚀面积的扩大。随着建设用地的增加, 工程侵蚀面积可能进一步扩大, 因此必须加大对农田的保护措施, 减少工程侵蚀。
21413 重力侵蚀 重力侵蚀是指地面岩体或土体物质在重力作用下失去平衡而产生位移的侵蚀过程, 主
要包括崩塌、崩岗、滑坡等。我国多数重力侵蚀发生在广东、重庆、湖南等地区, 在重力侵蚀中, 侵蚀最严重的地区是广东, 占全国重力侵蚀面积的59121%; 其次是湖南, 占2811%; 广西占6151%, 重庆占6118%。因为广东的建设量较大, 造成土体移动而发生侵蚀, 重庆、湖南等地区由于坡耕地较多而发生土壤侵蚀。
3 中国耕地土壤侵蚀与生态背景的关系311 土壤侵蚀强度指数
土壤侵蚀强度受各种自然及人文因素的综合影响, 最为广泛应用的经验模型是通用土壤侵蚀方程[5,6], 该模型考虑了降水及径流因子、土壤侵蚀性因子、地形因子、地表植被因子及水土保护措施因子等。由于各地生态环境背景不同, 通用侵蚀方程必须根据实际情况计算各种因子的系数。利用全国土壤侵蚀调查结果, 对旱地的水力侵蚀情况与生态背景的关系进行分析, 选取了地形(坡度) 、植被和降雨量等因素作为生态背景因子。
为了分析不同的生态背景因子与土壤侵蚀的关系, 利用土壤侵蚀强度指数(So il ero si on intensity in 2dex , S E I ) 来进行分析。其公式如下:
n
n
ij
S E I j =(
∑D
i =1
(A ij )
∑A
i =1
ij
) (1)
式中, S E I j 为某生态因子状态为j 时的土壤侵蚀强度指数, D ij 为在某种生态因子状态为j 时(如坡度
为5) 土壤侵蚀强度为i 级(如侵蚀强度为2) 时的土壤侵蚀强度指数, A ij 为在某种生态因子状态为j 时土壤侵蚀强度为i 级的土壤侵蚀面积。
根据每种土壤侵蚀的平均模数将每种土壤侵蚀强度指数作系数。水力、风力侵蚀的强度为轻度时, 土壤侵蚀系数为2。土壤侵蚀强度为中度、强度、极强、剧烈时土壤侵蚀系数分别为4、8、16和32。重力侵蚀的土壤侵蚀系数为16。工程侵蚀的土壤侵蚀强度指数为4。
因为土壤侵蚀是各生态环境因子综合作用的结果, 建立了生态环境综合指数(Eco logical environm en 2tal index , E I ) :
n
E I =(
∑W
i =1
i
E i ) n (2)
式中, E I 为生态环境综合指数, W i 为生态因子i 的权重值, E i 为生态因子i 的分级值, n 为生态因子数。
312 土壤侵蚀的单因子分析
1期田光进等:中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景1 5
31211 地形 以1∶25万地形图为基础数据, 利用地理信息系统软件A RC I N FO 产生全国1∶25万的
坡度图和数据库, 将坡度分为6级。通过公式计算的土壤侵蚀强度指数与坡度的相关性较强, 即土壤侵蚀强度指数与坡度成很强的相关性。随着坡度增加, 土壤侵蚀强度指数越大。
表4 坡度的分级与土壤侵蚀强度指数的关系
Table 4 Gradeness of the slope and the relation ship to the so il erosion i n ten sity
坡度Slope 坡度分级Slope grade
土壤侵蚀强度指数S E I
0～511147
5～823129
8～15342
15～2545131
25～355635～9067129
31212由于气候等方面的原因,
。(I ) 是目前最广泛的一种遥感生物量监测方法, 通道2对近红外线反映敏感, N DV I 值能很好地反AV HRR 数据经过辐射校准和大气校准后, 利用公式计算N DV I [7,8]。
(CH 1+CH 2) N DV I =(CH 1-CH 2) 式中, CH 1和CH 2分别是NOAA 卫星的第一和第二通道数据。本文将植被指数分为8级。
从表5可以看出, 土壤侵蚀强度与植被指数关系相关性不是很强。土壤侵蚀强度最大的地区是植被指数为3时, 其次是为2、8、4、7。土壤侵蚀强度指数最小的是植被指数为1时。土壤侵蚀强度之所以与植被关系不是很强, 主要是因为当植被指数为1时, 说明气候已经很干旱, 降雨量很小。
表5 植被指数的分级与土壤侵蚀强度指数的关系
Table 5 Grade of NDV I and the relation ship to the so il erosion i n ten sity
(3)
植被指数N DV I
N DV I 分级Grade
-011～0
10149
0～0. 124152
011～012
36145
0. 2～0. 3
42135
0. 3～0. 4
51156
0. 4～0. 5
61144
0. 5～0. 6
72109
0. 6～1. 0
83190
土壤侵蚀强度指数S E I
31213 降雨量 根据农业气候区划方法[9], 全国降雨量被分为6级。通过公式计算的土壤侵蚀强度指数
与降雨量具有一定的相关性。从表中可以看出, 我国土壤侵蚀强度最高的地区在降雨量为1000～1600mm , 属于我国的潮湿地区; 其次是半湿润地区, 降雨量为400～800mm ; 再次是半干旱地区, 降雨量为250～
400mm , 也是农牧交错区; 我国的湿润区(降雨量分级为4) 、过湿区(降雨量分级为6) 和干旱地区(降雨量分级为1) 土壤水蚀程度较低。因此, 通过土壤侵蚀强度公式可以看出, 我国土壤侵蚀强度在降雨量不同分级地区的差异。因为土壤侵蚀强度是地形、植被、土壤质地、降雨量等各种因素综合作用的结果, 但通过单因素分析可以看出其分布的地带性规律。
表6 降雨量的分级与土壤侵蚀强度指数的关系
Table 6 Gradeness of prec ipitation and the relation ship to the so il erosion i n ten sity
降水量P reci p itati on (mm ) 降雨量分级P reci p itati on grade 土壤侵蚀强度指数S E I
250～400
22105
400～800
32190
800～1000
40180
1000～1600
54170
>160060142
313 土壤侵蚀强度和生态背景综合指数的关系
土壤侵蚀是土壤质地及生态环境因子综合作用的结果, 而不是由单个因子起作用。因此, 利用植被、降雨量和坡度的生态背景综合指数来分析土壤侵蚀强度指数与生态因子的关系。在计算生态背景综合指数时, 因为植被情况与土壤侵蚀强度负相关, 因此, 植被指数作为生态因子时, 其值与N DV I 值顺序相反, 分别为8, 7, …, 1。从图1可以看出, 在生态背景综合指数≤4133时, 生态背景综合指数与土壤侵蚀强度具有很强的相关性, 生态背景综合指数值越大, 即坡度越大、植被越差或降雨量越大, 土壤侵蚀强度越大。但当生态背景综合指数>4133时, 土壤侵蚀强度规律性较差, 主要是单因子作用比较明显。
16
4 结论
生 态 学 报22卷
通过20世纪90年代中期的土壤侵蚀遥感调查结果可以看出, 我国耕地土壤侵蚀以水力侵蚀、风力侵蚀为主, 旱地土壤侵蚀比水田土壤侵蚀面积大、侵蚀严重。旱地水力侵蚀中较为严重的地区主要分布在黄土高原、云贵高原、四川及南方丘陵地区, 风力侵蚀主要分布在西北和东北地区。水田受水力侵蚀分布在西南地区, 风力侵蚀主要分布在黑龙江、辽宁等地区。冻融侵蚀主要分布在内蒙古、青藏高原等地区, 程侵蚀和重力侵蚀较为严重) , 土壤侵蚀强度与坡度相关程度较好; 植被、。土壤侵蚀强度指数与生态环境的关系为在生态环境综合指数≤41时, 。参考文献
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图1. Eco
第22卷第1期2002年1月
生 态 学 报V o l . 22,N o. 1
Jan . , 2002
中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景
田光进, 张增祥, 赵晓丽, 张国平, 谭文彬
(中国科学院遥感应用研究所, 北京 100101)
摘要:利用20世纪9090年代中期全国耕地受土壤侵蚀面积占33115%。1, 11108%, 冻融侵蚀占0132%, 重力侵蚀占1013%水田较少。旱地水力侵蚀中较为严重的。水田受水力侵蚀分布、辽宁等地区。冻融侵蚀主要分布在内蒙古、青藏高原等地区, 广东省的。还分析了旱地水力侵蚀与地形、植被和降雨量等生态背景的关系, 利用生态环境综合指数和土壤侵蚀强度指数分析了土壤侵蚀与生态背景的关系, 当生态环境综合指数≤4133时, 生态背景综合指数与土壤侵蚀强度具有很强的相关性。
关键词:耕地; 土壤侵蚀; 空间分布特征; 生态环境综合指数; 土壤侵蚀强度指数
The So il Erosion D istr ibution Character istics and Ecolog ica l Back -ground of Ch i nese Cultiva ted Land
T I AN Guang 2J in , ZHAN G Zeng 2X iang , ZHAO X iao 2L i , ZHAN G Guo 2P ing , TAN W en 2B in
(Institu te of R e m ote S ensing A pp lica tion , Ch inese A cad e my of S ciences , B eij ing 100101, Ch ina ) . A cta Ecolog ica S in ica , 2002, 22(1) :10～16
Abstract :Ch ina is country w ith vast populati on and scarce cultivated land per cap ita . A bout 33%of the arable land w as eroded by w ind 、w ater 、fro st 、gravitati on and engineering fo rces . In o rder to investigate the so il ero si on conditi on and p ro tecti on m easures of the cultivated lsand the so il ero si on survey w as done by intep retating TM i m agery of 1995and 1996in Ch ina . L andsat TM i m agery w as compo sed , p ro jected , recti 2fied and interp reted to get the 1∶100000vecto r data of the nati onal land use and the so il ero si on m ap w ith the help of field investigati on , topography , vegetati on , so il quality , and so il ero si on m ap . T he p rovincial . T he so il ero si on w as classified into w ater ero si on , w ind ero si on , m ap s w ere co llected into the nati onal ones
fro st ero si on , gravitati on ero si on and engineering ero si on in ter m s of the nati onal standard issued in 1996. . T he so il ero si on intensity w as classified into six grades
A bout 75. 05%of Ch inese cultivated land w as dry hand and 24. 95%w as paddy field . T he so il ero si on of the dry land w as mo re seri ous than that of the paddy field . A bout 42. 48%of the dry land w as eroded w h ile 7. 96%of the paddy field w as eroded . To tally , 33. 15%of the cultivated land w as eroded . T he w ater fo rce ero si on took up 88. 43%of all the eroded cultivated land and the w ind ero si on w as about 11. 08%.
T he eroded cultivated land by w ater fo rces w as m ainly located in Sichuan , H eilongjiang , Gansu , Shaanxi , Inner M ongo lia , Yunnan , Shanxi , Guizhou and Chongqing . T hey concentrated in the L oess p lateau , Yungui p lateau and Sichuan mountain area . In Chongqing m unici pality , Guizhou , Sichan and Gansu 基金项目:中国科学院和国家水利部合作资助项目(全国土壤侵蚀遥感调查) , 中国科学院知识创新(KZCX12Y 202) 、中国科学院遥感应用研究所创新(CX 000009) 资助项目收稿日期:2001205208; 修订日期:2001208201
作者简介:田光进(1970～) , 男, 汉, 山东人, 博士。主要从事遥感、G IS 和土壤侵蚀等方面的研究。本文得到中国科学院遥感应用研究所王长耀研究员的指导, 在此深表感谢!
1期田光进等:中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景1 1
P rovinces the eroded percentage w as mo re than 80%.T hat of Shaanxi , Yunnan , N ingxia , Inner M ongo lia , Fujian and Shanxi w as mo re than 51%.T he w ater eroded dry land in H eilongjiang took up about 38. 14%of that of Ch inese cultivated land because its dry land w as large . T he h igh ly seri ous w ater ero si on located m ainly in L oess p lateau and Yunan , Guizhou , Sichuan , Fujian and J iangximountain area . T he acreage of the w ind eroded dry land w as located in Inner M ongo lia , J ilin , H eilongjiang , H ebei , H enan , X injiang and Gansu P rovinces w h ich took up about 91. 66%of the nati onal w ind ero si on . Inner M ongo lia w as the mo st seri ous area by the w ind ero si on and the eroded percentage w as mo re than 36. 1%.T he ilin 、N ingxi 2a 、X injiang and H ebei P rovinces w as mo re than 7%.
M o re mountain and h ill areas w ere , , , , Guangxi , H ubei and Zhejiang the m ain w in . he w ater eroded paddy field w as mo , . T he w ind eroded paddy field in H ei 2up . L iaoning w as 9. 2%, H ubei 7. 83%, J ilin 7. 35%, Inner M ongo lia 6. 52%.T areas w ere located in N o rthern Ch ina . In Inner M ongo lia the w ind eroded paddy field w as about 9. 12%.
T he fro st ero si on happened in the co ldest areas including Inner M ongo lia , T ibet and Q inghai w h ich 16. 76%and 0. 34%of Ch inese fro st ero si on acreage respectively . Engineering ero 2took up about 82. 77%、
si on w as caused by m ining , quarrying , building and o ther activities . T he engineering ero si on in dry land w as the mo st seri ous in Guangdong P rovince w ho se percentage took up 58. 01%and H eilongjiang w as 14. 21%.T he enginering ero si on in paddy field in Guangdong w as about 59. 29%of Ch ina and Fujian w as 15. 39%.A great amount of cultivated land w as converted into urban 、rural settlem ents and the constructi on land . T he engineering ero si on extended w ithout agricultural field p ro tecti on m easurem ents . T he gravitati on . In Chongqing m unici pality and H unan in Guangdong w as mo st seri ous w ith the rap id developm ent of cities P rovince the slope cultivated land caused the gravitati on ero si on .
F rom above w e could draw the conclusi on that the dry land of the w ater ero si on w as mo st seri ous in Ch ina . T here w as a strong relati onsh i p betw een the so il ero si on and the eco logical background . In o rder to study the relati onsh i p , S E I (So il E ro si on Intensity Index ) and E I (Eco logical Environm ental Index ) w ere . T here built . E I included slope , p reci p itati on and the vegetati on facto rs . T he slope w as divided into 6grades w as a strong relevance betw een the slope and the so il ero si on intensity index . T he h igher the slope w as , the . N DV I (N o r m alized D ifference V egetati on Index ) w as go tten by the h igher the so il ero si on intensity w as
. T he h igher the grade , the NOAA data to rep resent the vegetati on conditi on and w as classified into 8grades
8、4、7, the better the vegetati on . W hen the N DV I w as 3, S E I w as the h ighest ; w hen the vegetati on w as 2、S E I w as the second ; w hen the vegetati on index w as 1w here the cli m ate w as dry and the p reci p itati on w as
the low est , S E I w as the low est . T he p reci p itati on w as divided into 6grades by the agricultural cli m ate zon 2
～1600mm w here w as hum id . S E I w as ing standard . S E I w as the h ighest w hen the p reci p itati on w as 1000
～800mm . S E I w as the th ird second in the territo ry w here it w as half 2hum id and the p reci p itati on w as 400
～400mm . T he so il ero si on intensity w as the w hen the cli m ate w as half 2arid and the p reci p itati on w as 250
6and 1. low est in the p lace w here the grade of the p reci p itati on w as 4、
T he so il ero si on intensity w as affected by the com binati on of the topography 、vegetati on 、so il quality and p reci p itati on . W hen E I w as ≤4. 33, the relati onsh i p betw een the eco logical facto rs and the so il ero si on . e . the slope w as h igher , the vegetati on w as intensity w as h igh ly relevant . T he h igher the eco logical index , i
w o rse and the p reci p itati on w as less , the mo re seri ous the so il ero si on intensity . W hen the eco logical index w as >4. 33, the relevance w as no t h igh and the so il ero si on intensity w as mo re affected by the single eco 2logical facto r .
12生 态 学 报22卷
Key words :cultivated land ; so il ero si on ; spatial distributi on characteristics ; so il ero si on intensity index ; eco 2logical environm ental index
文章编号:100020933(2002) 0120010207 中图分类号:Q 143, Q 149, X 14 文献标识码:A
耕地资源是中国重要的国土资源, 1999年全国耕地面积为1129×108hm 2, 人均耕地01103hm 2[1], 人地矛盾十分突出。而且我国耕地质量较差, 无限制因素、质量好的耕地面积仅占耕地总面积的41133%, 大于25°的坡耕地占耕地总面积的415%[2]。, 38%[3]。由于土壤侵蚀、沙漠化、盐碱化等原因, 1347×积的16%[1]。因此, , 重要方面。
。水蚀和风蚀是我国土壤侵, 、地形、地貌、植被及地面组成物质等, 。本文的目的是利用20世纪90年代中期全国土壤侵蚀调查成果, 对我国耕地土壤侵蚀的空间分布特征与生态背景的关系进行研究。
1 数据来源与土壤侵蚀分类标准111 数据来源
以1995、1996年陆地卫星L andsat TM 遥感图像(分辨率为30m ×30m ) 为信息源, 对图像进行假彩色(R 4G 3B 2) 合成, 经过投影处理和辐射、几何纠正, 通过人机交互解译得到1:10万全国土地利用矢量图。以土地利用图为基础, 广泛搜集地貌、植被、土壤质地、沙漠、土壤侵蚀、水土流失区划等图件、数据资料和土壤侵蚀调查资料, 分析、判读各地土壤侵蚀情况。由各省级调查单位汇总本省土壤侵蚀情况, 然后再汇总得到全国1∶10万土壤侵蚀调查图和数据库。
112 土壤侵蚀分类标准
[4]
土壤侵蚀分类依据1996年国家《土壤侵蚀分类分级标准》, 一级分类主要根据起主导作用的侵蚀外
营力与性质划分, 包括水力、风力、冻融、重力和工程侵蚀; 二级分类按照侵蚀强度划分, 将全国土壤侵蚀强度划分为6级。
表1 土壤侵蚀分类系统
Table 1 The so il erosion classif ication syste m i n Chi na
侵蚀类型E ro si on type
1水力侵蚀W ater ero si on 2风力侵蚀W ind ero si on 3冻融侵蚀F ro st ero si on 4重力侵蚀Grativati on ero si on
5工程侵蚀Engineering ero si on
5011微度T rivial 21微度T rivial 31微度T rivial 40
12轻度L igh t 22轻度L igh t 32轻度L igh t
侵蚀强度E ro si on intensity
13中度M oderate 23中度M oderate 33中度M oderate
14强度Intensive 24强度Intensive 34强度Intensive
15极强度H igh ly intensive 25极强度H igh ly intensive
16剧烈Seri ous 26剧烈Seri ous
2 中国耕地土壤侵蚀的基本情况及空间分布特征211 中国耕地土壤侵蚀的基本情况
中国耕地以旱地为主, 占75105%; 水田面积占耕地的24195%[2]。对全国耕地栅格图和全国土壤侵蚀图利用A RC I N FO 的迭加功能得到全国耕地土壤侵蚀情况。从表3可以看出, 我国耕地受土壤侵蚀中旱地侵蚀面积较大, 旱地中受土壤侵蚀轻度以上的占总面积的42148%; 水田中受土壤侵蚀轻度以上的占水田总面积的7192%。耕地中受土壤侵蚀轻度以上的占33115%, 比20世纪90年代初期土壤侵蚀调查面积
1期田光进等:中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景1 3
略有降低[3]。在各种侵蚀类型中, 以水力和风力侵蚀为主, 水力侵蚀占耕地总侵蚀面积的88143%, 风力侵蚀占11108%, 冻融侵蚀占0132%, 重力侵蚀占0104%, 工程侵蚀占0113%。
表2 土壤侵蚀强度划分标准
Table 2 The so il erosion i n ten sity classif ication standard
分级
Grade
1微度侵蚀T rivial 2轻度侵蚀L igh t 3中度侵蚀M iddle 4强度侵蚀56平均侵蚀模数
A verage ero si on modulus
(t (km 2・a ) ) 15000
平均流失厚度
A verage ero si on dep th
(mm 11317317～519519～1111>111
表3 中国耕地土壤侵蚀基本情况(%)
Table 3 The so il erosion of the cultivated land i n Chi na
侵蚀类型
水力侵蚀
13
14
15
16
22
风力侵蚀
23
24
25
26
冻融重力工程总计
30
400101
01150111
01010101
500106
7192
侵蚀强度
E ro si on intensity 12
水田
Paddy field
[***********][1**********]101
[***********][***********][***********][***********][1**********]1
旱地
D ry land
[***********]
耕地
Cultivated land
212 中国旱地的土壤侵蚀分布特征
中国旱地土壤侵蚀面积远高于水田侵蚀面积, 土壤侵蚀轻度以上所占比重达到42148%, 作者对旱地受水力和风力侵蚀的情况进行分析。
21211 水力侵蚀 受水力侵蚀的耕地主要分布在四川、黑龙江、甘肃、陕西、内蒙古、云南、山西、贵州、重
庆等地区, 这些地区占全国旱地水力侵蚀面积的73164%。可见, 我国旱地水力侵蚀主要集中在黑龙江、黄土高原和云贵高原及四川地区。从水力侵蚀面积占旱地面积比重看, 重庆、贵州、四川、甘肃比重最高, 侵蚀面积大于80%; 陕西、云南、宁夏、江西、西藏、内蒙古、福建、山西次之, 侵蚀面积比重大于51%。而黑龙江受水力侵蚀面积占全国旱地受水力侵蚀面积的比重为38114%, 在全国水力侵蚀中比重较高, 主要是因为黑龙江耕地面积较大。我国水力侵蚀较为严重的地区主要分布在黄土高原地区及云南、贵州、四川、福建、江西等丘陵山地区。
21212 风力侵蚀 中国旱地受风力侵蚀的地区主要分布在内蒙古、吉林、黑龙江、河北、河南、新疆、甘肃
等省区, 这些地区占全国风力侵蚀面积的91166%。从风力侵蚀面积占旱地面积的比重来分析, 内蒙古是我国风力侵蚀最严重的地区, 风力侵蚀面积占旱地面积的3611%; 其次是吉林、宁夏、新疆、河北等地区, 这些地区风力侵蚀面积占旱地总面积的比重超过7%。
213 中国水田的土壤侵蚀分布特征
21311 水力侵蚀 中国水田水力侵蚀主要分布在四川、云南、贵州、安徽、黑龙江、广西、湖北、浙江等省
区, 这些水田多位于丘陵山地, 由于坡度较大, 水力侵蚀较为严重。从水力侵蚀占水田的面积进行分析, 水田中水力侵蚀最严重的地区是云南、贵州、甘肃、四川等地区, 其侵蚀面积比重超过10%; 尤其是云南、贵州等地区侵蚀较为严重。
14生 态 学 报22卷
21312 风力侵蚀 中国水田受风力侵蚀主要分布在黑龙江, 占全国水田受风力侵蚀面积的55121%, 其次
是辽宁占912%, 湖北7183%, 吉林7135%, 内蒙古6152%。因此, 水田受风蚀的地区主要位于我国北部地区。从水田受风力侵蚀的比重看, 内蒙古最大, 占水田总面积的9112%; 海南占1162%; 新疆占1158%。
214 中国耕地的冻融侵蚀、工程侵蚀和重力侵蚀
21411 冻融侵蚀 冻融侵蚀是在高寒区由于寒冻和热融作用交替进行, 使地表土体和松散物质发生蠕
动、滑塌和泥流等现象, 导致对土壤的侵蚀。我国的冻融侵蚀主要分布在内蒙古、西藏、青海、新疆、黑龙江等地区, 大于轻度以上的冻融侵蚀面积占全国冻融侵蚀面积的比重内蒙古占821, 16176%, 青海占0134%, 黑龙江占0105%, 新疆占0105%。
21412, 主要
指开矿、采石、修路、、。旱地遭受的工, , 58101%; 其次是黑龙江, 占14121%; 湖北7101%, 湖南
41, , 21, 2156%。水田遭受工程侵蚀中, 广东面积仍然最大, 占全国的59129%, 占15139%; 湖南占11159%。因此, 广东是我国工程侵蚀最严重的地区。改革开放后,
广东经济发展较快, 由于工厂企业、城镇、农村居民地的建设导致大量耕地转化为建设用地, 而又没有及时对周围的耕地进行保护, 导致工程侵蚀面积的扩大。随着建设用地的增加, 工程侵蚀面积可能进一步扩大, 因此必须加大对农田的保护措施, 减少工程侵蚀。
21413 重力侵蚀 重力侵蚀是指地面岩体或土体物质在重力作用下失去平衡而产生位移的侵蚀过程, 主
要包括崩塌、崩岗、滑坡等。我国多数重力侵蚀发生在广东、重庆、湖南等地区, 在重力侵蚀中, 侵蚀最严重的地区是广东, 占全国重力侵蚀面积的59121%; 其次是湖南, 占2811%; 广西占6151%, 重庆占6118%。因为广东的建设量较大, 造成土体移动而发生侵蚀, 重庆、湖南等地区由于坡耕地较多而发生土壤侵蚀。
3 中国耕地土壤侵蚀与生态背景的关系311 土壤侵蚀强度指数
土壤侵蚀强度受各种自然及人文因素的综合影响, 最为广泛应用的经验模型是通用土壤侵蚀方程[5,6], 该模型考虑了降水及径流因子、土壤侵蚀性因子、地形因子、地表植被因子及水土保护措施因子等。由于各地生态环境背景不同, 通用侵蚀方程必须根据实际情况计算各种因子的系数。利用全国土壤侵蚀调查结果, 对旱地的水力侵蚀情况与生态背景的关系进行分析, 选取了地形(坡度) 、植被和降雨量等因素作为生态背景因子。
为了分析不同的生态背景因子与土壤侵蚀的关系, 利用土壤侵蚀强度指数(So il ero si on intensity in 2dex , S E I ) 来进行分析。其公式如下:
n
n
ij
S E I j =(
∑D
i =1
(A ij )
∑A
i =1
ij
) (1)
式中, S E I j 为某生态因子状态为j 时的土壤侵蚀强度指数, D ij 为在某种生态因子状态为j 时(如坡度
为5) 土壤侵蚀强度为i 级(如侵蚀强度为2) 时的土壤侵蚀强度指数, A ij 为在某种生态因子状态为j 时土壤侵蚀强度为i 级的土壤侵蚀面积。
根据每种土壤侵蚀的平均模数将每种土壤侵蚀强度指数作系数。水力、风力侵蚀的强度为轻度时, 土壤侵蚀系数为2。土壤侵蚀强度为中度、强度、极强、剧烈时土壤侵蚀系数分别为4、8、16和32。重力侵蚀的土壤侵蚀系数为16。工程侵蚀的土壤侵蚀强度指数为4。
因为土壤侵蚀是各生态环境因子综合作用的结果, 建立了生态环境综合指数(Eco logical environm en 2tal index , E I ) :
n
E I =(
∑W
i =1
i
E i ) n (2)
式中, E I 为生态环境综合指数, W i 为生态因子i 的权重值, E i 为生态因子i 的分级值, n 为生态因子数。
312 土壤侵蚀的单因子分析
1期田光进等:中国耕地土壤侵蚀空间分布特征及生态背景1 5
31211 地形 以1∶25万地形图为基础数据, 利用地理信息系统软件A RC I N FO 产生全国1∶25万的
坡度图和数据库, 将坡度分为6级。通过公式计算的土壤侵蚀强度指数与坡度的相关性较强, 即土壤侵蚀强度指数与坡度成很强的相关性。随着坡度增加, 土壤侵蚀强度指数越大。
表4 坡度的分级与土壤侵蚀强度指数的关系
Table 4 Gradeness of the slope and the relation ship to the so il erosion i n ten sity
坡度Slope 坡度分级Slope grade
土壤侵蚀强度指数S E I
0～511147
5～823129
8～15342
15～2545131
25～355635～9067129
31212由于气候等方面的原因,
。(I ) 是目前最广泛的一种遥感生物量监测方法, 通道2对近红外线反映敏感, N DV I 值能很好地反AV HRR 数据经过辐射校准和大气校准后, 利用公式计算N DV I [7,8]。
(CH 1+CH 2) N DV I =(CH 1-CH 2) 式中, CH 1和CH 2分别是NOAA 卫星的第一和第二通道数据。本文将植被指数分为8级。
从表5可以看出, 土壤侵蚀强度与植被指数关系相关性不是很强。土壤侵蚀强度最大的地区是植被指数为3时, 其次是为2、8、4、7。土壤侵蚀强度指数最小的是植被指数为1时。土壤侵蚀强度之所以与植被关系不是很强, 主要是因为当植被指数为1时, 说明气候已经很干旱, 降雨量很小。
表5 植被指数的分级与土壤侵蚀强度指数的关系
Table 5 Grade of NDV I and the relation ship to the so il erosion i n ten sity
(3)
植被指数N DV I
N DV I 分级Grade
-011～0
10149
0～0. 124152
011～012
36145
0. 2～0. 3
42135
0. 3～0. 4
51156
0. 4～0. 5
61144
0. 5～0. 6
72109
0. 6～1. 0
83190
土壤侵蚀强度指数S E I
31213 降雨量 根据农业气候区划方法[9], 全国降雨量被分为6级。通过公式计算的土壤侵蚀强度指数
与降雨量具有一定的相关性。从表中可以看出, 我国土壤侵蚀强度最高的地区在降雨量为1000～1600mm , 属于我国的潮湿地区; 其次是半湿润地区, 降雨量为400～800mm ; 再次是半干旱地区, 降雨量为250～
400mm , 也是农牧交错区; 我国的湿润区(降雨量分级为4) 、过湿区(降雨量分级为6) 和干旱地区(降雨量分级为1) 土壤水蚀程度较低。因此, 通过土壤侵蚀强度公式可以看出, 我国土壤侵蚀强度在降雨量不同分级地区的差异。因为土壤侵蚀强度是地形、植被、土壤质地、降雨量等各种因素综合作用的结果, 但通过单因素分析可以看出其分布的地带性规律。
表6 降雨量的分级与土壤侵蚀强度指数的关系
Table 6 Gradeness of prec ipitation and the relation ship to the so il erosion i n ten sity
降水量P reci p itati on (mm ) 降雨量分级P reci p itati on grade 土壤侵蚀强度指数S E I
250～400
22105
400～800
32190
800～1000
40180
1000～1600
54170
>160060142
313 土壤侵蚀强度和生态背景综合指数的关系
土壤侵蚀是土壤质地及生态环境因子综合作用的结果, 而不是由单个因子起作用。因此, 利用植被、降雨量和坡度的生态背景综合指数来分析土壤侵蚀强度指数与生态因子的关系。在计算生态背景综合指数时, 因为植被情况与土壤侵蚀强度负相关, 因此, 植被指数作为生态因子时, 其值与N DV I 值顺序相反, 分别为8, 7, …, 1。从图1可以看出, 在生态背景综合指数≤4133时, 生态背景综合指数与土壤侵蚀强度具有很强的相关性, 生态背景综合指数值越大, 即坡度越大、植被越差或降雨量越大, 土壤侵蚀强度越大。但当生态背景综合指数>4133时, 土壤侵蚀强度规律性较差, 主要是单因子作用比较明显。
16
4 结论
生 态 学 报22卷
通过20世纪90年代中期的土壤侵蚀遥感调查结果可以看出, 我国耕地土壤侵蚀以水力侵蚀、风力侵蚀为主, 旱地土壤侵蚀比水田土壤侵蚀面积大、侵蚀严重。旱地水力侵蚀中较为严重的地区主要分布在黄土高原、云贵高原、四川及南方丘陵地区, 风力侵蚀主要分布在西北和东北地区。水田受水力侵蚀分布在西南地区, 风力侵蚀主要分布在黑龙江、辽宁等地区。冻融侵蚀主要分布在内蒙古、青藏高原等地区, 程侵蚀和重力侵蚀较为严重) , 土壤侵蚀强度与坡度相关程度较好; 植被、。土壤侵蚀强度指数与生态环境的关系为在生态环境综合指数≤41时, 。参考文献
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图1. Eco