全 文 ：第 34 卷第 19 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.19
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金( 40671117, 40771117); 国家 863 项目 ( 2007AA10Z220);农业部面源污染控制重点开放实验室资助项目
(KYJD09021)
收稿日期:2013鄄01鄄19; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yanlj@ zju.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201301190120
乌玲瑛,严力蛟.基于 GIS 和 RUSLE 模型道路对土壤侵蚀格局的影响研究———以浙江省杭金衢高速诸暨段为例.生态学报,2014,34( 19):
5659鄄5669.
Wu L Y,Yan L J.Impact of road on soil erosion risk pattern based on RUSLE and GIS: a case study of Hangjinqu highway, Zhuji section.Acta Ecologica
Sinica,2014,34(19):5659鄄5669.
基于 GIS和 RUSLE模型道路对
土壤侵蚀格局的影响研究
———以浙江省杭金衢高速诸暨段为例
乌玲瑛,严力蛟*
(浙江大学生命科学学院生态研究所,杭州摇 310058)
摘要:以浙江省诸暨市为研究区域,以杭金衢高速公路诸暨段为研究对象,以研究区的 DEM、降雨、土壤类型、遥感图、道路图等
数据为基础,运用 GIS和 RUSLE模型分析了该公路建设前后诸暨市的土壤侵蚀风险分布格局。 此外,采用缓冲区分析的方法,
对比高速公路周围的土壤侵蚀风险等级的变化情况,以此分析在高速公路影响域内土壤侵蚀等级分布规律,并进一步探求高速
公路对土壤侵蚀的影响范围,在此基础上提出具有针对性的土壤侵蚀防治措施。 其主要结果如下:(1)根据 RUSLE模型计算获
得诸暨市土壤侵蚀模数 A的取值,1999年诸暨市的土壤侵蚀量模数在 0—380.02 t hm-2 a-1之间;2003年诸暨市的土壤侵蚀量模
数在 0—572.94 t hm-2 a-1之间,2003年诸暨市的土壤侵蚀量以及土壤侵蚀风险等级均高于 1999年。 (2)通过缓冲区分析,年际
间变化表明高速公路建设增加了土壤侵蚀量,加剧了高速公路附近的土壤侵蚀风险,极强度侵蚀和剧烈侵蚀等级的响应最强
烈,而高速公路单侧 660m的范围则是剧烈侵蚀的影响范围,以此视为防治重点区域。 (3)通过成因分析可知,由公路建设导致
的景观破碎化加剧和建设用地比例增加是引起剧烈侵蚀增加的重要原因,因此高速公路的水土保持需要重点从这两方面入手,
采取相应措施。
关键词:RUSLE;GIS;高速公路;土壤侵蚀
Impact of road on soil erosion risk pattern based on RUSLE and GIS: a case
study of Hangjinqu highway, Zhuji section
WU Lingying, YAN Lijiao*
Institute of Ecological Planning and Landscape Design, College of Life Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Abstract: This study adopted GIS and Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE) methods to analyze the risk pattern
of soil erosion in the affected road zone of Hangjinqu highway in Zhuji City, Zhejiang Province. Digital Elevation Model
(DEM) data, rainfall records, soil type data, remote sensing imaging, and a road map of Hangjinqu highway were used for
these GIS and RUSLE analyses. Additionally, the soil erosion situations before and after the construction of this highway
were compared by using buffer analysis, which was done by setting a series of buffer gradients and calculating the soil
erosion patterns of these buffer gradients. According to the change of these soil erosion patterns within the buffer gradient,
the effective distance of highway was also determined, and some prevention suggestions were given accordingly. This study
came to the following four conclusions: ( 1) The estimated average soil loss A ( t hm-2 a-1 ), according to the RUSLE
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results, was 0—380.02 t hm-2 a-1 before highway construction and was 0—572.94 t hm-2 a-1 after highway construction,
demonstrating that soil erosion and soil erosion risk levels were all higher following completion of the highway construction;
(2) The results of the buffer analysis indicated that highway construction was the main reason for the increase in soil
erosionalong the affected area of highway, and the severe grade of erosion change was most dramatic. The degree of soil
erosion changed especially dramatically within 660 meters of the highway, so this area should be identified as the key area
in which necessary soil and water conservation measures should be taken to prevent soil erosion; (3) The soil erosion was
significantly correlated with the degree of landscape fragmentation and the proportion of build鄄up area, as shown through
cause analysis. Therefore, the increases in the degree of landscape fragmentation and the proportion of build鄄up area were
important contributors to severe grade erosion.These two aspects merit particular focus, and necessary measures should be
taken in order to protect soil and water conservation beside the highway. Such measures might include choosing special plant
species which can help to prevent soil erosion,changing planting patterns,and increasing the vegetation coverage, which can
be done through crop rotation and intercropping methods.
Key Words: RUSLE; GIS; highway; soil erosion
摇 摇 土壤侵蚀是当今世界面临的一个全球性生态环
境问题,也已经成为全球生态环境研究的核心内容。
高速公路施工过程会改变沿线原有的地形地貌,破
坏地表植被和岩土结构,产生裸露土壤表层,降低了
土壤的抗侵蚀能力[1鄄6]。 当高速公路建成之后,对局
部地貌,特别是土地利用类型产生了不可逆的改变,
高速公路的切割作用加深景观破碎化程度,加剧土
壤侵蚀程度,原先可用于涵养雨水的土壤和植被变
为不透水面,雨水和地表径流的直接冲刷增强了降
雨对高速公路周边土壤的侵蚀力,增加了土壤侵蚀
的风险,影响周围景观及生态敏感区,降低了生态系
统的安全性[7]。 由于土壤侵蚀的巨大危害以及目前
道路系统的快速发展,对高速公路土壤侵蚀的机理
研究以及监测和治理就显得尤为必要。
国外学者早在 1970 年就开始关注道路建设与
环境问题,Batra研究了灌木与草本植物对土壤侵蚀
的防治功效,认为草本植物效果更好[8]。 Turner 研
究了道路建设与滑坡的关系并分析成因[9]。 Luce 研
究发现道路建设所形成的硬地面会极大降低地表的
入渗能力,易于形成坡面漫流[10]。 Jones等发现道路
修建会导致土壤侵蚀量大大增加[11]。 Forman 分析
了道路对水文及整个生态环境的影响,指出道路修
建会加快土壤侵蚀的过程,自然灾害和地质灾害也
会频繁发生[12]。
虽然我国学者也积极开展公路土壤侵蚀的研
究,但是目前关于高速公路建设土壤侵蚀规律的研
究还略显不足,缺少系统地关于其内在机理的探讨,
过多地从工程建设的角度来分析成因并提出防治措
施,而缺少从定量化的角度进行对比研究。 所以本
研究试图从人类作用强烈的高速公路入手,从土地
利用类型改变的角度切入,探讨高速公路建设对土
壤侵蚀的影响。
目前 RUSLE和 GIS 结合来对土壤侵蚀进行定
量估算的研究也已较为丰富,以 RUSLE 模型为预测
工具,借助 GIS强大的空间数据处理能力,在较大空
间尺度上对于土壤侵蚀状况以及侵蚀敏感性等特征
进行研究[13]。 本研究正是凭借 GIS 在地理信息中
出色的处理能力,对高速公路土壤侵蚀的各个因子
进行有效管理和综合计算,借助 RUSLE 模型强大的
适用性和综合能力来计算土壤侵蚀风险,采取缓冲
区分析的办法探求高速公路对土壤侵蚀的影响范
围,并通过景观格局分析的办法验证公路土壤侵蚀
与景观破碎化的关系,以期为防治公路建设及其建
成后引起的土壤侵蚀提供相关的理论依据和数据
支持。
1摇 研究区概况及数据
1.1摇 研究区概况
诸暨市位于浙江省中部偏北,钱塘江流域中段,
介于东经 119毅53忆—120毅32忆,北纬 29毅21忆—29毅59忆之
间。 诸暨市属亚温带季风气候区,四季分明,年温差
大于同纬度邻县,小气候差距显著。 常年平均气温
16.3益。 雨水较多,常年降水量平均为 1373.6mm,且
分布不均,3—6月和 9月为多雨季,其中 6月中下旬
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降雨量相对集中,7—8 月和 10 月至翌年 2 月为少
雨季。
1.2摇 研究对象概况
本研究选取了杭金衢高速诸暨段作为研究对
象。 杭金衢高速公路起自杭州萧山红垦农场,与沪
杭甬高速公路相连,止于常山县窑上,沿线经过 12
个县(市、区),全长 290km,是浙江穿越县市最多的
高速公路。 杭金衢高速公路始建于 1999 年,于 2003
年投入运营。
1.3摇 数据收集及处理
1.3.1摇 土壤数据
数据来源于中科院南京土壤研究所 2002 年制
作的中国 1颐100万土壤数据库,以 GIS形式提供全国
共 72567斑块的土壤信息,每个斑块包含的信息如
表 1所示。 对土壤数据库中的土壤信息进行筛选使
之符合 RUSLE模型计算的需要。
表 1摇 1 颐100万土壤数据库所含信息
Table 1摇 Information in 1 颐1000000 soil database
类别 Type 具体信息 Information
斑块基本信息 Patch basic information 斑块面积、斑块周长,中心经度、中心纬度
土壤类型 Soil type 土壤编码、亚类名称、剖面编码、剖面厚度
土壤母质组成 Soil parent material / % 石砾、粗砂、细砂、粉砂、粘粒
土壤化学性质及养分 Chemical property and nutrient of soil 有机质、pH值、全氮、全磷、全钾
1.3.2摇 土地利用数据
从国际科学数据服务平台(datamirror. csdb. cn)
下载 1999年和 2003 年诸暨市遥感图像,使用 Erdas
软件进行遥感解译,分类出 6 种土地利用类型:水
田、旱地、林地、荒草地、水域及建设用地,分辨率为
30m伊30m。
1.3.3摇 高程图
从国际科学数据服务平台网站(datamirror.csdb.
cn)下载得到诸暨市高程图,分辨率为 30m伊30m,使
用 Arcgis软件进行处理,使之符合 RUSLE 模型计算
的需要。
1.3.4摇 年降雨量数据
降雨数据来源于国家气象局数据共享中心
(http: / / cdc. cma. gov. cn / )。 以浙江省 18 个气象站
的 1999 和 2003 年的日值降雨数据为基准,通过
Arcgis软件进行插值,得到诸暨市 1999 年和 2003 年
的年降雨数据。
1.3.5摇 高速公路数据
高速公路数据来源于 2003 年的诸暨市交通图,
选取杭金衢高速诸暨段作为研究对象,进行数字化
和地理校正。
2摇 研究方法
2.1摇 RUSLE模型计算
RUSLE 模型 ( The Revised Universal Soil Loss
Equation),即修正的通用土壤流失模型,是美国农业
部自然资源保护局(NRCS)于 1997 年正式决定实施
的,该模型具有结构简洁,参数物理意义明确,计算
简单的优点[14],在世界范围得到了推广和应用[15]。
其计算表达式为:
A=R·K·LS·C·P (1)
式中,A为预测土壤侵蚀量,主要指由降雨和径流引
起的坡面细沟或细沟间侵蚀的年均土壤流失量;R
为降雨侵蚀力,反映降雨引起土壤流失的潜在能力;
K为标准小区条件下土壤可蚀性,是衡量土壤抗蚀
性的指标,用于反映土壤对侵蚀的敏感性;LS为坡长
与坡度因子,其中 L为坡长因子,S为坡度因子,二者
合起来表示在其它条件不变的情况下,某个确定坡
长和坡度的表面上土壤流失量和标准径流小区典型
坡面上土壤流失量的比值;C 为覆盖与管理因子,用
来衡量植被覆盖和经营管理对土壤侵蚀抑制作用;P
为水土保持措施因子,即采取水土保持措施后的土
壤流失量与顺坡种植土壤流失量的比值。
2.1.1摇 R因子提取
从国家气象局网站下载得到的是日值降雨数
据,故采用基于日降雨量的侵蚀力算法[16]:
E j = 琢 1 + 浊 2仔f 伊 j -( )[ ]棕 移
N
j-1
R茁k Rk > R0
(2)
式中,E j 为月降雨侵蚀力(MJ mm hm
-2 h-1),Rk为第
k 日降雨量, R0 为临界降雨量,一般的取值为
12郾 7mm,N 则是对应月份的日降雨量超过 R0的天
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数。 频率 f = 1
12
, 棕 = 7
6
。 琢、茁为模型参数。 本研究
选用郭新波等人用兰溪站的资料计算得到的参数
值[16]:琢= 0.0043,浊 = 48.13,茁 = 1.09 来计算得到 R
因子分布图。
2.1.2摇 K因子提取
鉴于本研究获得的数据,选用侵蚀 /生产力影响
模型 EPIC进行 K因子的计算[17]:
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 K = 0.2 + 0.3exp 0.0256SAN 1 - SILæ
è
ç
ö
ø
÷
é
ë
êê
ù
û
úú{ }100 ( SILCLA + öø÷SIL
0.3
1.0 - 0.25C
C + exp 3.72 - 2.95( )
æ
è
ç
ö
ø
÷
C
0.7SN1
SN1 + exp - 5.51 + 22.9SN( )
æ
è
ç
ö
ø
÷
1
(3)
式中,SAN、SIL、CLA和 C 分别代表了砂粒、粉粒、粘
粒和有机碳的含量(%),而 SN1= 1-SAN / 100。 根据
之前获得的土壤数据,确定 SAN、SIL、CLA和 C 的数
值,以土壤质地为成图单元,形成 K因子分布图。
2.1.3摇 LS因子提取
LS因子实质上包含了两个方面:坡长因子 L 和
坡度因子 S,其中 L 因子的计算参考 Wischmeier 和
Smith于 1978提出的经典公式[18],具体表达式为:
L = 姿
22.
æ
è
ç
ö
ø
÷
13
琢
(4)
琢 = 茁
茁 + 1
(5)
茁 = ( sin兹
0.0896
) / [3.0 sin( )兹 0.8 + 0.56] (6)
式中,姿=水平坡长;琢=坡长指数;兹=用 DEM提取的
坡度。
S因子的公式则参考 McCool 等人于 1987 年提
出的公式[19],并且结合我国学者刘宝元于 1994年提
出了陡坡 S因子计算公式[20]:
摇
S = 10.8 伊 sin兹 + 0.03摇 (兹 < 5毅)
S = 16.8 伊 sin兹 - 0.50摇 5毅 臆 兹 臆( )10毅
S = 21.91 伊 sin兹 - 0.96摇 (兹 > 10毅
ì
î
í
ïï
ïï )
(7)
式中,兹为坡度角。
参照以上公式,在 Arcgis软件的支持下,形成了
L因子与 S因子的分布图。
2.1.4摇 C、P因子提取
C、P因子的计算由于涉及到不同细分因子的综
合作用而显得较为复杂,但由于其已经历较长时间
的发展,现在算法较为成熟,目前主要是依据土地利
用类型赋值的方法确定 C、P值。 本研究参考了多篇
研究论文后,采用表 2的 C、P因子取值[21鄄24]。
表 2摇 不同土地利用类型 C、P因子值
Table 2摇 C values and P values of different land use types
土地利用类型
Landuse type
水田
Paddyfield
旱地
Dry land
林地
Forest land
水域
Water
城镇居民点建设用地
Construction land
荒草地
Grassland
C 0.1 0.21 0.006 0 0.2 0.08
P 0.01 0.25 0.5 0 1 0.2
摇 摇 根据 RUSLE 各因子的取值,将各因子相乘,得
到诸暨市 1999 年和 2003 年两年的土壤侵蚀分布
图。 根据中国土壤侵蚀强度等级划分标准[25],得到
诸暨的土壤侵蚀等级分布情况。
2.2摇 缓冲区分析
本研究对于杭金衢高速缓冲区分析的范围采用
国际上常用标准(表 3),表中的缓冲带数值是没有
加入高速公路本身宽度的单侧宽度[26]。 以 60m 作
为步长,围绕杭金衢高速设置一系列道路缓冲区,从
60m直至 1200m。 在 RUSLE模型计算得到诸暨市土
壤侵蚀格局的基础上,获得道路缓冲梯度下的土壤
侵蚀格局分布图。 通过对比一系列土壤侵蚀格局
图,探讨高速公路对土壤侵蚀的影响并分析其原因。
2.3摇 景观指数分析
为了探讨高速公路土壤侵蚀对景观破碎化的影
响,引入景观格局指数来建立公路土壤侵蚀和景观
破碎化之间的定量化联系。 本研究是利用景观格局
分析软件 Fragstat 3.3来计算不同缓冲区内的斑块数
量指数(NP),其公式为:
NP = n (8)
斑块数量指数能反映景观的空间格局,经常被
用来描述整个景观的异质性,其值的大小与景观的
破碎度有很好的正相关性[27鄄29]。
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表 3摇 各级道路特征及缓冲带宽度[26]
Table 3摇 The features and buffer widths of different road grades[26]
高速公路级别
Highway level
高速公路特征
Feature of highway
缓冲带宽度 / m
Width of buffer
高速公路 Freeway 四个或四个以上车道,中央有分割带,日交通量 25000辆以上 1000
一级公路 First鄄class highway 连接重要政治经济文化中心的干线公路,日交通量 1000—25000辆 500
二级公路 Secondary highway 连接政治、经济中心的干线公路,日交通量 2000—10000辆 250
三级公路 Tertiary highway 沟通县或者县以上城市的支线公路,日交通量 2000—10000辆 100
3摇 结果与分析
3.1摇 诸暨市整体土壤侵蚀总量及侵蚀等级情况
RUSLE模型的各因子的分布结果见附图 1,将
各因子相乘,得到诸暨市 1999 年和 2003 年的土壤
侵蚀模数。 1999年诸暨市的土壤侵蚀量模数在 0—
380.02(t hm-2 a-1)之间(分布见图 1),2003 年诸暨
市的土壤侵蚀量模数在 0—572.94( t hm-2 a-1)之间
(图 2,图 3),其土壤侵蚀等级分布见表 4。 对比表 4
图 1摇 1999和 2003年高速公路缓冲梯度内土壤侵蚀等级对比
Fig.1摇 Comparison of soil erosion within highway buffer gradient in 1999 and 2003
表 4摇 1999年和 2003年诸暨市土壤侵蚀等级分布表[25]
Table 4摇 Soil erosion grade distribution of 1999 and 2003, Zhuji City
侵蚀类别
Erosion type
侵蚀模数 / ( t hm-2 a-1)
Erosion modulus
1999年比例 / %
Ratio of 1999
2003年比例 / %
Ratio of 2003
微度侵蚀 Slightly erosion <10 78.05 37.68
轻度侵蚀 Mild erosion 10—25 13.45 8.93
中度侵蚀 Moderate erosion 25—50 4.54 8.72
强度侵蚀 Erosion intensity 50—100 2.29 14.10
极强度侵蚀 Extremely erosion 100—200 1.40 21.59
剧烈侵蚀 Severe erosion >200 0.27 8.98
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中 1999 年和 2003 年的土壤侵蚀等级比例可知,对
微度侵蚀和轻度侵蚀而言,2003 年的侵蚀面积低于
1999年,而对中度侵蚀、强度侵蚀、极强度侵蚀和剧
烈侵蚀而言,2003 年的侵蚀面积大于 1999 年,总体
而言,2003年诸暨市的土壤侵蚀程度加剧,受土壤侵
蚀危害影响的地区增加。
图 2摇 1999年土壤侵蚀量分布图
Fig.2摇 Distribution of soil erosion in 1999
图 3摇 2003年土壤侵蚀量分布图
Fig.3摇 Distribution of soil erosion in 2003
3.2摇 高速公路对土壤侵蚀的影响
通过高速公路缓冲区分析,分别得到 1999 年和
2003年高速公路缓冲梯度内的土壤侵蚀分布情况
(图 1,数据见表 5、表 6):
图 1显示:1999 年微度侵蚀等级的面积占比均
高于2003年,比例在70%以上,但在2003年,微度
表 5摇 1999年诸暨市高速公路土壤侵蚀缓冲区分析结果
Table 5摇 erosion within highway buffer gradient in 1999, Zhuji
缓冲距离
Buffer distance
侵蚀等级 Erosion level / %
<10 10—25 25—50 50—100 100—200 >200
60 72.65 14.21 4.80 5.51 2.49 0.36
120 71.07 16.02 5.31 5.11 2.30 0.20
180 72.09 15.87 4.52 4.94 2.30 0.28
240 73.01 15.58 4.65 4.60 1.95 0.21
300 74.12 15.31 4.39 4.09 1.88 0.21
360 73.42 15.11 4.68 4.39 2.23 0.18
420 74.47 14.81 4.06 4.15 2.32 0.19
480 73.95 14.97 4.44 4.14 2.34 0.16
540 74.46 14.82 4.22 3.90 2.35 0.24
600 74.63 14.61 4.32 4.08 2.19 0.18
660 74.67 14.78 4.25 3.80 2.28 0.22
720 74.60 14.75 4.38 3.88 2.19 0.20
780 74.98 14.59 4.22 3.82 2.21 0.19
840 74.85 14.66 4.27 3.79 2.21 0.22
900 75.09 14.47 4.19 3.80 2.23 0.21
960 75.21 14.27 4.20 3.81 2.29 0.24
1020 75.56 13.89 4.10 3.75 2.40 0.29
1080 75.79 13.78 4.05 3.64 2.36 0.38
1140 76.12 13.43 3.99 3.68 2.42 0.36
1200 76.18 13.35 4.06 3.62 2.40 0.39
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表 6摇 2003年诸暨市高速公路土壤侵蚀缓冲区分析结果
Table 6摇 Soil erosion within highway buffer gradient in 2003, Zhuji
缓冲距离
Buffer distance
侵蚀等级 Erosion level / %
<10 10—25 25—50 50—100 100—200 >200
60 56.13 5.51 3.37 7.82 14.03 13.14
120 57.76 5.41 3.30 8.31 13.91 11.31
180 57.72 4.52 3.20 7.58 15.02 11.96
240 58.74 4.91 3.91 8.19 13.26 10.99
300 57.48 4.82 3.71 7.85 15.14 11.00
360 58.88 4.86 4.17 7.95 13.81 10.32
420 57.33 4.71 4.25 7.87 15.25 10.60
480 58.78 5.06 4.30 7.90 14.13 9.83
540 57.86 5.09 4.22 8.03 15.11 9.68
600 58.85 5.31 4.32 7.98 14.26 9.28
660 58.01 5.41 4.35 7.99 15.08 9.15
720 57.69 5.57 4.38 8.05 15.32 8.99
780 57.95 5.51 4.41 8.19 15.20 8.74
840 57.58 5.54 4.49 8.30 15.45 8.64
900 57.66 5.55 4.48 8.32 15.54 8.45
960 57.31 5.65 4.56 8.49 15.37 8.63
1020 57.19 5.70 4.87 8.53 14.98 8.73
1080 56.28 5.94 5.01 8.65 15.29 8.83
1140 57.04 5.82 5.01 8.53 15.00 8.60
1200 56.19 6.05 5.04 8.72 15.29 8.71
侵蚀等级的占比仅有 57%。 1999 年轻度侵蚀等级
的面积占比也高于 2003 年,比例约为 14%,随着缓
冲距离增加,其占比呈现小幅降低,而 2003 年的轻
度侵蚀等级占比仅有 5%左右。 1999 年中度侵蚀等
级的占比随缓冲距离增加而降低,从 5%下降至 4%,
而 2003年则刚好相反,从 3%上升至 5%。 在 210m
至 510m的缓冲区间内,两者占比基本相同。 2003
年强度侵蚀等级的面积占比均高于 1999 年,比例在
8%以上,而 1999 年的强度侵蚀等级占比却从 5.5%
下降至 3郾 5%,且下降趋势明显。 2003年极强度侵蚀
等级的占比远高于 1999 年,比例均稳定在 14%以
上,而 1999 年的极强度侵蚀等级占比却仅维持在
2%附近。 2003 年剧烈侵蚀等级的面积占比也远高
于 1999年,随着缓冲距离增加,比例从 14%降低至
8.5%,而 1999 年的剧烈侵蚀等级占比却仅维持在
0郾 2%至 0.3%之间(图 1)。
由上述结果可知:在缓冲梯度内, 1999 年的土
壤侵蚀风险大部分仅是轻微程度,中强度及以上的
土壤侵蚀风险极低;2003年的土壤侵蚀风险则不同,
轻微程度的风险比例有则所下降,中强度的侵蚀风
险升高,而极强甚至剧烈强度的侵蚀等级的比例大
大增加,超过了中强度的侵蚀等级。
各侵蚀等级的年际间差异与缓冲梯度的相关性
分析结果见表 7。 相关性分析的结果显示:高速公路
建设前后,各侵蚀等级的年际差异与高速公路缓冲
区之间均存在极显著的相关性(P<0.001),这表明高
速公路建设对高速公路缓冲区内的土壤侵蚀确实造
成影响,增加了极强度侵蚀等级和剧烈侵蚀等级的
比例,也增加了中度和强度侵蚀等级的比例,且随着
缓冲距离增加,中度侵蚀、强度侵蚀和极强度侵蚀等
级的年际差异随之增加(相关系数为正),而剧烈侵
蚀等级的年际间差异随着缓冲距离增加而减少。 这
说明高速公路虽强烈导致剧烈程度的土壤侵蚀增
加,但此效应的影响范围比其他侵蚀等级小。
为了进一步分析高速公路对土壤侵蚀的影响,
将 2003年各侵蚀等级的缓冲区分析情况作图,结果
如图 4所示。
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表 7摇 高速公路缓冲梯度与土壤侵蚀等级的相关性分析
Table 7摇 Correlation analysis of highway buffer and soil erosion
侵蚀等级
Erosion level
微度侵蚀
Slightly erosion
轻度侵蚀
Mild erosion
中度侵蚀
Moderate erosion
强度侵蚀
Erosion intensity
极强度侵蚀
Extremely erosion
剧烈侵蚀
Severe erosion
相关系数
Correlation coefficient -0.863
** 0.847** 0.930** 0.949** 0.581** -0.926**
P 9.65伊10-7 2.41伊10-6 2.88伊10-9 1.72伊10-10 0.0072 4.70伊10-9
摇 摇 **表示极显著相关
摇 摇 图 4显示:2003 年微度侵蚀的比例均在 55%以
上,在 660m的范围内,其比例波动较为剧烈,此后呈
现缓慢下降的趋势。 2003年轻度侵蚀和中度侵蚀均
表现出先下降后上升的情况,在 180m范围内剧烈下
降,而后随着距离增大不断上升。 2003 年强度侵蚀
在 300m范围内呈现上下波动的情况,此后随着距离
增加不断上升。 2003 年极强度侵蚀在 660m 范围内
呈现剧烈波动的情况,此后基本稳定在 15. 2%。
2003 年剧烈侵蚀随着缓冲距离增加不断降低,在
660m范围内下降迅速,此后基本维持在 8. 6%(图
4)。 由上述结果可知:高速公路对剧烈等级的土壤
侵蚀影响最大,且此影响具有距离效应,距离高速公
路越近,土壤侵蚀的变化幅度就越大,波动就越剧
烈,此后变化逐渐变缓,趋于稳定,其中 660m是高速
公路对土壤侵蚀影响范围。
图 4摇 2003年各侵蚀等级的缓冲区分析
Fig.4摇 Buffer analysis of the different erosion levels in 2003
3.3摇 高速公路土壤侵蚀与景观破碎化关系
为验证高速公路土壤侵蚀与景观破碎化的关
系,首先对高速公路的缓冲区进行景观破碎化的定
量化表述,并与土壤侵蚀等级进行相关性分析。 在
众多的景观格局指数中,斑块数量指数常被用来描
述整个景观的异质性,其值的大小与景观的破碎度
呈显著正相关性[27鄄29]。 因此本研究选用斑块数量指
数来衡量景观破碎化程度(表 8),并对斑块数量的
年际间变化与各侵蚀等级的年际间差异进行相关性
分析(表 9)。 结果显示:2003 年缓冲梯度内的斑块
数量明显高于 1999 年,这表明 2003 年高速公路边
际区域的景观破碎化程度比 1999 年有较大幅度增
加,而相关性分析更加证实景观破碎化程度与土壤
侵蚀间有显著的关联,尤其对剧烈侵蚀等级而言,其
侵蚀风险的加剧与景观破碎化程度加深之间是极显
著的正相关。 以上结果均证实公路建设加重景观破
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碎化程度,并由此引发更严重的土壤侵蚀风险。
表 8摇 1999年和 2003年缓冲梯度内的斑块数量
Table 8摇 The number of patches in the 1999 and 2003 within the buffer gradient
缓冲梯度 / m
Buffer gradient 60 120 180 240 300 360 420 480 540 660
1999年斑块数量 /个
Patch number in 1999 411 548 698 817 943 1086 1237 1377 1511 1806
2003年斑块数量 /个
Patch number in 2003 597 857 1179 1450 1705 2004 2273 2515 2779 3305
缓冲梯度 / m
Buffer gradient 720 780 840 900 960 1020 1080 1140 1200
1999年斑块数量 /个
Patch number in 1999 1921 2076 2197 2343 2486 2835 2951 3085 3198
2003年斑块数量 /个
Patch number in 2003 3550 3794 4053 4309 4542 5259 5576 5834 6097
3.4摇 高速公路土壤侵蚀与建设用地比例增加的关系
伴随城市化进程推进,建设用地比例逐渐增加,
各类厂房、商业建筑及居民区不断涌现,城镇化已经
成为不可避免的趋势。 通过对缓冲区内土壤侵蚀与
建设用地进行相关性分析,证实两者之间存在显著
的关联(表 10),建设用地增加加剧了土壤侵蚀风
险,尤其是导致剧烈程度的土壤侵蚀增加。
表 9摇 土壤侵蚀等级与景观破碎化的相关性分析
Table 9摇 Correlation analysis of soil erosion and landscape fragmentation
侵蚀等级
Erosion level
微度侵蚀
Slightly erosion
轻度侵蚀
Mild erosion
中度侵蚀
Moderate erosion
强度侵蚀
Erosion intensity
极强度侵蚀
Extremely erosion
剧烈侵蚀
Severe erosion)
相关系数
Correlation coefficient -0.996
** -0.982** 0.910** 0.995** 0.996** 0.999**
P 6.81伊10-20 1.38伊10-14 2.63伊10-8 1.57伊10-19 1.04伊10-20 1.38伊10-24
摇 摇 **表示极显著相关
表 10摇 土壤侵蚀等级与建设用地比例的相关性分析
Table 10摇 Correlation analysis of soil erosion and construction land
侵蚀等级
Erosion level
微度侵蚀
Slightly erosion
轻度侵蚀
Mild erosion
中度侵蚀
Moderate erosion
强度侵蚀
Erosion
intensity
极强度侵蚀
Extremely
erosion
剧烈侵蚀
Severe erosion
相关系数
Correlation coefficient -0.991
** -0.968** 0.914** 0.994** 0.991** 0.983**
P 3.15伊10-17 2.68伊10-12 1.82伊10-8 7.22伊10-19 2.89伊10-17 1.31伊10-14
摇 摇 **表示极显著相关
4摇 讨论
4.1摇 高速公路的切割作用加剧土壤侵蚀
由结果 3可知,景观破碎化是加剧高速公路土
壤侵蚀的重要原因,而景观破碎化的形成则是由于
高速公路的强烈切割作用。 有研究表明,道路的线
性切割作用会改变局部的景观格局,改变斑块形状、
面积和多样性,加剧景观的破碎化程度[30]。 由此可
见,以高速公路为代表的人为活动通过改变局部景
观格局,继而增加了土壤侵蚀风险。 此外,高速公路
的切割作用还改变了雨水、径流以及泥沙的输送途
径,影响区域的水文和泥沙输送过程,对于地区水文
过程而言,造成不可逆转的改变。 因此对于高速公
路建成后对土壤侵蚀所造成后续影响需要引起足够
的重视,以防范更大的侵蚀风险。
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4.2摇 土地利用改变加剧土壤侵蚀
土壤侵蚀是土地利用变化引起的主要环境效应
之一,是自然和人为因素相互作用和叠加的结果。
由结果 4 可知,建设用地增加是加剧高速公路土壤
侵蚀的另一个原因。 建设用地的变化改变地表植被
覆盖程度,影响土壤理化性质,改变了土壤环境条
件,使水土保持的效应有明显差异[31]。 由高速公路
建设引发的城市化进程加速,更加快了土地利用方
式的改变,如高速公路边际的某些区域,新的工业、
商业和居民区建筑大量涌现。 高速公路带来的交通
便利刺激这些区域由农村向城镇发展,间接加剧土
壤侵蚀风险。 高速公路建设还改变了人类对高速公
路边际的土地利用方式。 如耕地景观在近高速公路
处往往被整治成比较规整的形状,辅以水渠进行分
隔,这些被规整为块状的耕地加剧了景观的破碎化
程度,成为潜在的土壤侵蚀来源,若加之不合理的耕
地管理方式,耕地内部就容易出现荒地单元,引发土
壤侵蚀[32]。 而对高速公路建设本身而言,就是对土
地利用类型的不可逆的改变,原本可用于涵养水源
的农田、植被都被水泥覆盖,变成不透水面,增加瞬
时暴雨对高速公路周边土壤的冲刷能力,还加快了
降雨之后径流的形成速度,增加了径流量,加剧土壤
侵蚀的风险。
4.3摇 对高速公路水土保持工作中的建议
由于高速公路土壤侵蚀的作用范围不仅限于高
速公路本身,故在高速公路规划之初便要对高速公
路的影响范围进行有效且合理的定量化预测,以便
选择合理的建设区域,避开易发生土壤侵蚀的路段
和具有潜在侵蚀危害的区域。 本研究的结果表明,
就诸暨市的高速公路而言,其对剧烈侵蚀等级的影
响范围集中在 660m,因此高速公路建设规划和水土
保持措施地制定均要从这个范围出发综合考虑,从
减少景观破碎化和合理规划建设用地比例来指导高
速公路规划和土地利用格局的改造工作,尽可能减
少由于高速公路建设带来的土壤侵蚀风险,减少在
已建高速公路的水土治理工作中的低效益投入。
5摇 结论
(1)根据 RUSLE 模型的计算结果,杭金衢高速
公路建成后,诸暨市整体的的土壤侵蚀量和侵蚀严
重程度均高于建成前。 而高速公路缓冲区分析和相
关性分析的结果也证实,高速公路与土壤侵蚀加剧
之间存在极为显著的关系。 缓冲区分析的年际间对
比结果表明高速公路的建设增加了高速公路土壤侵
蚀量,其中剧烈侵蚀等级的响应更为强烈,而高速公
路单侧 660m的范围则是剧烈侵蚀的影响范围,因此
也是对高速公路土壤侵蚀的防治重点区域。
(2)通过验证高速公路土壤侵蚀与景观破碎化
及建设用地的关系,揭示出高速公路土壤侵蚀的成
因,由公路建设导致的景观破碎化加剧和建设用地
比例增加,都是引起剧烈侵蚀增加的原因,因此高速
公路的水土保持需要重点从这两方面入手,采取相
应措施。
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