全 文 ：第 26卷第 8期
2006年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．8
Aug．，2006
东北黑土区小流域农业景观结构与土壤侵蚀的关系
魏建兵 ，肖笃宁 ，李秀珍 ，布仁仓 ，张春山。
(1．中国科学院沈阳应用生态研究所 ，沈阳 110016；2．中国科学院研究生院，北京 100049；3．拜泉县水务局，拜泉 1~70)
摘要：以黑土侵蚀区的拜泉县双阳河流域为案例，提取地形和土壤类型相对接近的 3O个上游子流域作为分析样本。以遥感、
GIS和 FRAGSTATS软件为平 台获得景观格局指数 ，运用基 于 GIS的 RUSLE模拟 土壤侵蚀 ，通过相关性 分析和多元 回归研究景观
指数与侵蚀模数的呼应关系。从而探讨土地利用调整和流域综合治理下的景观结构特征对土壤侵蚀的影响，为当地或同类地
区土地利用规划和侵蚀治理提供科学参考。结果表明：顺坡垄农田面积百分比、景观聚集度与土壤侵蚀模数显著正相关 ，灌木
林地、草地面积百分比、香农多样性指数与土壤侵蚀模数显著负相关。9个结构因子与土壤侵蚀模数的复相关系数(R=0．931)
大于单因子相关系数 ，多个景观结构因子综合地影响了土壤侵蚀，且达到高度相关。研究区侵蚀强度较轻，但大于东北黑土区
土壤容许流失量标准。农田是土壤水蚀的主要景观要素，同时也是水土保持的主战场。增加灌草地斑块、实施农 田保护性耕作
等将是该流域继续控制 土壤侵蚀的有效办法 之一 。
关键词：景观指数；侵蚀模数；RUSLE；遥感和地理信息系统；农业小流域；东北黑土区
文章编号 ：1000-0933(2006)08．2608．O8 中图分类号 ：Q149 文献标识码 ：A
Relationship between landscape pattern and soil erosion of an agricultural watershed
in the M olisols region 9f northeastern China
WEI Jian-Bing 一，XIAO Du—Ning ’ ，LI Xiu—Zhen ，BU Ren．Cang ，ZHANG Chun．Shan (1． m 0，卸 f 肪 ，
Chinese Academy of Sciences，Sher~yang 110016，China；2．Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Belting 100049，China ；3．Bureau of Water
Manage~ ，Baiquan 1~70 ．China )．Acta Ecologica Sinica，2006，26(8)：2608—2615．
Abstract：In recent years，there has been an increasing concern over soil erosion in the Molisols region of northeastern China，
which is one of the six water erosion regions in China．This region has become one of the most h~ardous regions for potential
erosion and desertification for unique physical geographical environment and drastic human activities．Th ere is a close relationship
between land use structure and soil loss．Land use changes can increase or reduce surface runof and soil erosion．Th e relationship
between landscape patern and soil erosion has been rarely studied．
A total of 30 sub—watersheds were chosen from Shuangyang river basin that is located at the eroded Molisols region of
northeastern China for examining their landscape metrics and soil erosion modulus．Correlation between landscape metrics and
erosion modulus was analyzed using SPSSI 1．5 software．The objective of this study was to provide scientifc basis for further
erosion controling and landscape planning in this region．The remotely sensed image(ETM+，August 30，2002)of the area was
classified into landscape map．We calculated landscape metrics with FRAGSTATS3．3 and soil erosion modulus with Revised
Universal Soil Loss Equation(RUSLE)for 30 sub-watersheds．
Th e results showed that the average soil erosion modulus was 6．58 in Shuangyang river basin．Erosion intensity is at low—
grade according to the Standards for Gradation of Soil Erosion Intensity in China．But it is higher than that of soil loss tolerance in
基 金项目：国家 自然科学基金资助项 目(40571161)
收稿 日期 ：205．05．11；修订 日期 ：2006．01．13
作者简介：魏建兵(1972一)，男，山西汾阳人，博士生．工程师，主要从事景观生态学，遥感和地理信息系统应用研究．E-mail：jianbingwei1208@
yahoo．corn ．cn
*通讯作者 Corresponding author E-mail：wlp xiao@yaho．eom．an
Foundation item：The pmject was supported by National Natural Science Foundation of China(No．40571161)
Received date：205—05．11；Accepted date：2006．O1．13
Biography：WEI Jian·Bing，Ph．D candidate，Engineer，mainly e in landscape ecology，application of RS and GIS．E—mail：jianbingwei1208@yaho．~on1．an
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8期 魏建兵 等：东北黑土区小流域农业景观结构与土壤侵蚀的关系 2609
the Molisols region， northeastern China．Correlation analysis showed a significant positive correlation between Percentage of
landscape(PLAND)of sloping tilage farmlands and soil erosion modulus；Contagion Index(CONTAG)was also positively related
with soil erosion modulus．Significant negative correlation was found between erosion modulus and PLAND of shrub and grassland．
as well as Simpson’S Diversity Index(SHDI)．Multiple correlation coeficients between the 9 landscape metrics selected in this
study and erosion modulus was 0．931．which was higher than single—factor coeficients be tween any landscape metrics and erosion
modulus．There was a linear regression relationship between the 9 landscape metrics and erosion modulus．
Farmlands are main landscape types under erosion in the study area，where more soil and water conservation measures should
he taken．It is necessary for soil loss control to increase forest and grassland patches and extend conservation tillage in farmlands．
Key words：landscape metrics；erosion modulus；RUSLE；RS&GIS；agricultural watershed；the mollisols region of northeastern
China
水土流失是一个世界性的环境问题 ，近几十年来受到了广泛关注。中国是世界上水土流失严重 的国
家，东北松嫩平原黑土丘陵漫岗区是我国的六大水力侵蚀区之一 。事实上 ，由于黑土区独特 的土壤地理环
境和人类活动的强烈干扰 ，它已经变成了中国潜在侵蚀最危 险的地区 。近年来 ，黑土的侵蚀退化问题得到
了政府、科学家甚至农民的普遍重视。通过调整土地利用结构改善景观要素的数量 比重 ，以及优化景观斑块
的空间配置是控制土壤侵蚀的有效措施之一 。
景观格局与生态过程的相互关系是景观生态学研究的主要 内容 ，也是景观生态学的主要特色和理论核心
之一 ，同时又是一个极富挑战性的研究领域 。过程产生格局 ，格局作用 于过程。用景观指数描述景观格
局及其变化 ，建立格局与过程之间的联 系是景观生态学中最常用的定量化研究方法 ¨。但大多数指标来 自
于景观要素空间关系几何特征的数理统计或信息论 ，其生态学意义往往并不明确。以往的研究常常局限于对
景观空 间分布格局的描述和分析 ，缺乏格局与过程之间联系 的建立，影响 了深入探讨格 局变化的生态学意
义 。
土地利用／覆被变化是导致景观结构变化的重要因素 。而土地利用结构与水土流失关系密切 ，土地利用
的改变能够减少或增加径流和土壤侵蚀 扎 。景观 内的不同土地利用及其格局均深刻影响径流的产生和侵
蚀过程 ，从景观生态学的角度出发 ，探索景观 内不同土地利用及其格局对径流和侵蚀过程的影响，而不是局限
在某一景观单元范围内，这种探索代表了一个富有发展潜力的方向 ’” 。
黑龙江省拜泉县是黑土丘陵漫岗区典型的农业大县 ，水土流失较严重 ，同时也是近年来水土保持规模和
经验具有示范价值的典型 ，其在治理模式方面继承与发展 了众多值得肯定和借鉴的成果 ·” 。但在大规模治
理下，不同景观结构与土壤侵蚀的关系还缺乏理论探讨和实践检验，影响了在流域或区域尺度上对水土保持
效益评价的完整性和准确性。本文选择该县最大的流域—— 双阳河流域 为案例 ，根据一定 的标准提取 30个
子流域作为研究样本 ，计算各个子流域 2002年土地利用现状的景观格局指数 ，运用基于 GIS的通用土壤流失
模型求算土壤侵蚀量 ，通过相关分析 、多元回归等数理统计方法探讨不同景观格局指数与土壤侵蚀模数的呼
应关系 ，以期反映景观格局对土壤侵蚀的影响 ，也为当地或 同类地区土地利用调整和景观规划提供科学参考 。
1 研究地区和研究方法
1．1 研究地区
双阳河流域(125。38 24”～126。17 38”E，47。21 53～47。44 4 N)起源于黑土区北部黑龙 江省拜泉县东南 新
生乡，覆盖或部分覆盖 21个乡镇，总面积 1176．55 km ；上游坐落在丘陵、半丘陵地区，下游穿过漫川漫岗，高
程差 120m(图 1)。土壤类型主要为黑土 、黑钙土和草甸土 ，富含有机质 ，适合于农业生产。农 田是主要的景观
类型。由于土地的过度开垦和其它不合理利用，该流域对水土流失十分敏感 。20世纪 80年代以来 ，拜泉县
包括双阳河流域是黑龙江省乃至全国的黑土侵蚀重点治理区。双 阳河多年平均径流深 42mm，多年平均径流
量3．97×10 m ，流域多年平均降水量488．2mm，68．5％集中于6～8月份，多表现为几次强降雨过程，容易产生
地表径流和土壤侵蚀 。
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1．2 研究方法
1．2．1 数据来源 和预处理 本 研究 中所用 的数 据包
括 ：景观类型、数字高程模 型(DEM)、日降雨量 、土壤类
型等。它们分 别来源于 ：中国科学 院遥感卫星 地面站
ETM 遥感影像，国家基础地理信息中心地形图，拜泉县
气象局 ，拜泉县土地局。收集的其它辅助数据还有拜泉
县水利志、土壤志等。ER Mapper(5．5)支持下进行地形
图(1：100000)、土壤图(1：50000)、遥感影像 ETM (2002
年 8月 30日，分辨率 15m)的几何校正。GIS下数字化
以上纸质图件和影像 目视解译 ，分别获得 DEM、景 观类
型和土壤类型数据 (分别见图 1、图 2和图 3)，在 PC Arc
＼Info3．4D下进行空间数据的投影定义和格式转换 ，统
一 转换为 15m×15m Grid格式。卫 星影像解译前后 ，分
别于 2003年 10月和 2004年 6、9月进行 了 3次野外考
图 1 双阳河流域地理 位置与数字高程模型
Fig．1 Location map and DEM of Shuangyang River Basin
察 ，了解研究区土地利用的基本特征和水土流失及控制情况，利用 GIS空间分析模块 的 zonal Statistics功能将
野外 GPS实测点与景观图空间连接评价影像解译精度 ，解译结果 的分类总精度为 82．07％。根据野外考察结
果和本文研究目的，将研究区景观类型划分为水平梯 田(坡度 5。～7。)、等高垄农 田(坡度 3。～5。)、顺坡垄农 田
(坡度 <3。)、乔木林地 、灌木林地 、草地 、水域和居 民地共 8个类型。GIS水文模块下提取子流域，拜 泉县将全
县土地划分为 122个小流域作为治理单元 ，其 中最小 的流域面积 5．54 km 。本文以 6 km 为子流域提取最小
面积标准，共提取 65个子流域 ，其中地形和土壤类型相对接近的上游子流域 30个作为分析样本。
1．2．2 景观格局的定量识别——景观指数 在农业景观 中，农 田是对水土流失敏感的类型 ，林地 和草地对水
土流失有明显控制作用 ，因而选择 以上几种地类的面积百分比(PLAND)作为类型水平上的景观指数。在景观
水平上分别选取分维数 (PAFRAC)、聚集度(CONTAG)和香农多样性 (SHDI)作为形状指数 、蔓延度指数和多样
性指数的代表。格局指数由软件 FRAGSTATS3．3¨ 的 Arcgrid数据格式(15m×15m)计算 获得 ，各指数 的意义
与适用范围见软件说明。
1．2．3 土壤侵蚀程度 的表征——侵蚀模数 通用土壤流失方程 (RUSLE)是 目前最常用的估算土壤侵蚀 的模
型方法之一l】 ，在世界很多地区得到了广泛的应用。其表达式为 ：4=尺·K·LS·C·P式中，4为年平均
土壤侵蚀量(t·hm ·a )；R为降水侵蚀力因子(MJ·mm·hm～·h～·a )；K为土壤可蚀性因子(t·hm ·h·MJ
·mm～·hmI2)；L为坡长因子 ；S为坡度因子 ；C为地表植被覆盖因子 (0～1)；P为水土保持 因子(0～1)。本
研究采用基于 GIS的 RUSLE求算各子流域的侵蚀模数 ，其 中，尺因子的确定是利用基于 日降雨量的 Richardson
等 ¨ 和章文波等 的算法，并根据黑龙江省侵蚀性降雨基本雨量标准 9．8mm 进行参数修正，求得研究区的
多年平均降雨侵蚀力因子 R=1722．24 MJ·mm·hm～·a～。K因子的确定是采用基 于土壤机械组成及有机质
含量 的 Sharply等 发 展的 K因 子估算 法。 的确 定依 据文 献 中黑土 丘 陵漫 岗区地 形 因子 算法 和
Moore L算法求得。利用张宪奎等 在黑土区作的研究并结合遥感影像解译结果确定各类型的 c值。农
业景观中对水土流失敏感的土地类型主要为农 田，根据实地调查 和访问，该流域坡地农 田水土保持措施主要
是 ：3。～5。坡耕地改顺坡耕作为等高耕作 ，5。～7。坡耕地修梯 田。本研究根据 DEM和 以上标准作水保措 施空
间定位 ，并结合文献 确定各景观类型的 P值 。
利用 GIS空间分析功能模块，以 15m×15m像元为计算单位，将影响土壤侵蚀的各个因子进行空间叠置
与逻辑运算 ，分别求得研究区各子流域的土壤侵蚀模数 A。
1．2．4 景观格局指数和土壤侵蚀模数 的相关分析 采用单因子、多因子相关性分析和多元线性回归研究景
观格局特征对土壤侵蚀 的影响，分析过程用统计软件 SPSS11．5来完成。
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2 结果 与分 析
2．1 流域景观类型及景观格局指数
各景观类型所 占景观总面积的百分比分别为 ：水平
梯 田0．3％ 、等高垄作农 田0．13％、平地农 田71．4％、乔
木林 地 7．42％ 、灌 木林 地 6．20％、草地 7．67％ 、水 域
1．1％和居民地 5．78％；研究 区水平景观分维数 1．347，
聚集度 68．949，香农 多样性 1．043。从 景观要素 的空间
分布和类型斑块面积来看(图 2)，双阳河流域是以耕地
为背景基质，城镇和农村居 民点、林 草地和水体等为镶
嵌斑块 ，道路和林带 为廊道 的典型基质一斑块一廊道农业
景观 。
2．2 流域土壤类型及土壤可蚀性因子
拜泉土壤 (1984年土壤详查 )共 分 32个土种。其
中，双阳河流域分布有 16个土种 ，按照中国土壤系统分
类 CST(修订方案 1995年)归并为 4个亚类(图 3)。各
个亚类(所含土种各 自计算后取平均值 )土壤可蚀性 因
子 K值见表 1。K值的平均值为 0．245，这 与高德武
对黑土 值的实测结果 (0．26)很接近。高德武的试验
暗厚滞水湿润均腐土 Pac．sta udic isohumisols
辩 暗厚粘化干润均腐土 Pac—arg ustic isohumisols
隧 普通潮湿寒冻雏形土 Typ—aquic gryic cambisols
一 普通简育滞水潜育土 Typ—hap stagnic gleysols
图 3 双阳河流域土壤类 型分布
Fig．3 Distribution of soil types in Shuangyang River Basin
区设在与本文研究区邻接的克山县，二者地形、气候和土壤类型基本一致。
表 1 双 阳河流域各土种机械组成 与 置值
Table 1 Texture and K values of soils in Shuangyang River Basin
2．3 流域各土地类型的地表植被覆盖因子和水土保持因子
研究区的主要作物为大豆和玉米 ，它们在梯 田、等高垄农 田和顺坡垄农 田中的分布没有侧重 ，因而认为具
有相同的 c值。侵蚀防治措施因子 P是指采用专门措施后的土壤流失量与采用顺坡种植时的土壤流失量的
比值 ，其变化于 0～1之 间，0代表 防治措施很好 ，基本不发生侵蚀 的地 区，而 1代表未采取土地类型本身之外
的侵蚀控制措施 。流域各土地类型的地 表植被覆盖因子和水土保持因子见表 2。
表 2 双 阳河流域各景观类型 C和 P值
Table 2 C and P values of landscapetypes in ShuangyangRi ver Basin
2．4 流域土壤侵蚀强度
依据水利部颁发的土壤水力侵蚀强度分级标准(SL190—96)，研究区大部分处于中度侵蚀以下，其面积占
总面积的 94．5％(图 4)，图中侵蚀模数对应于黑土区侵蚀强度分级 ：轻度 、中度 、强度和剧烈 。研究区平均土
壤侵蚀模数为 6．58，侵蚀强度较轻 ，但大 于东北黑土区土壤容许流失量标准(2)。
2．5 子流域景观指数与土壤侵蚀模数
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Fig 2 M ap rl 1 dscd in sI1u虮 日n Rf e rl1as n
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b卷
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8期 魏建 兵 等 ：东北黑土 区小流域农业 景观结构 与土壤侵蚀的关系 2613
3O个子流域的景观指数和土壤侵蚀模数列于表 3，因篇 幅有限，仅举 6个小流域为示例 。可见 ，在 3O个
子流域中最小侵蚀量为 2．58，最大侵蚀量 为 12．68，空间变异系数超过 50％。
表 3 子流域格局指数与土壤侵蚀模数(示例)
TabJe 3 Pat~rn matrices and soil erosion in sub-watersheds(panly)
2．6 景观指数与土壤侵蚀模数的单因子相关性分析
选用的 9个景观结构指数可理解 为对研究区侵蚀模数影响的不同处理，河流上游 不同空间域的 30个小
流域则理解为组问重复 。用侵蚀模数与所对应的景观结构指数进行单 因子相关分析(二元定距变量 相关分
析)，结果表明(表 4)，顺坡垄农田面积百分 比、景观聚集度与侵蚀模数显著正相关 ，灌木林地 、草地面积百分
比、景观多样性与侵蚀模数显著负相关 ，而梯田、等高垄农 田、乔木林地面积百分比、景观分维数与侵蚀模数的
相关程度不显著。
梯 田、等高垄农 田和乔木林地是控制土壤侵蚀 的有效土地类型 ，但 由于前两者 占研究区的面积百分 比很
小(分别为 0．3％和 0．13％)，并且在 3O个子流域中分别有 14个和 2O个不存在此种土地类型 ，它们与侵蚀模
数的相关性可能受到其它因子的强烈影响，而使这种相关性不显著 ；该流域乔木林地主要为林带 ，它在各个子
流域的分布面积很接近，因此与侵蚀模数的相关性也没有表现出差异；研究区为典型的农业流域，人工干预程
度高 ，斑块形状规则 ，景观空间构型简单 ，因而子流域间分维数变异不大 ，与侵蚀模数相关性不强 ；香农多样性
指数对景观类型数较敏感 ，能够反映景观的异质性 ，子流域景观类型数的不同，产生空 间异质性差异 ，使其对
土壤侵蚀的影响显著不同；景观聚集度的大小反映了景观斑块的空间延展性和连接度 ，较 高的景观多样性和
较低的侵蚀斑块聚集度 ，分散 了土壤侵蚀危险，避免了高强度土壤侵蚀大面积集中分布所 引起的更高强度更
大面积侵蚀 的链动后果 。因此，灌木林 地、草地是该 流域水蚀 控制 的主要景观类型，而香农多样 性增大能
够在景观水平上提高水蚀控制能力。
表 4 不 同子流域景观结构与土壤侵蚀模数 的相关分析
Table 4 Correlation analy s between landscape patterns and soil erosion
双 尾检 查相关 程 厦显 著 (在 0．01水平 上 )Correlation is signifcant at the 0．01 level(2-tailed)； 较显 著 (在 0．05水 平上 )Correlation is
significant at the 0．05 level
2．7 景观指数与土壤侵蚀模数的多因子 回归分析
土壤侵蚀是一个复杂的地理过程 ，它的发生发展必然受到多个环境因子的综合影响。为了进一步揭示所
研究的多个景观结构对土壤侵蚀的综合影响规律，将侵蚀模数视为因变量 Y，景观指数作为 自变量 (梯 田％为
，等高垄农 田％ 为 ，顺坡 垄农 田％ 为 ，乔木林 地％ 为 ，灌木林 地％为 ，草地 为 ，PAFRAC为 ，，
CONTAG为 ，SHDI为 )进行多元线性 回归分析。结果显示 ，复相关系数 R=0．931，R>0．8为高度相关 ，
判定系数 R =0．867，复相关系数大于任一 自变量和因变量之间的单相关系数 。方差分析统计量 F=17．450，
相伴概率值 P<0．001，多个自变量与因变量之间存在线形回归关系，回归方程为：
Y = 一 0．29xl+ 0．98 2— 0．22x3— 0．004 4— 0．29x5— 0．09x6— 10．75x7— 0．09x8— 4．439x9+ 17．52
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26l4 生 态 学 报 26卷
R ： 0．867。
自变量 ，与因变量之间的正相关性最大(图5)， 与因变量之间的负相关性最大(图6)，进一步说明顺
坡垄农田面积百分 比与香农多样性指数对土壤侵蚀模数的影响较大。
图 5 顺 坡垄农 田面积百分 比与侵蚀模数的关系
Fig．5 Correlation between A and PLAND of farmland
翥}
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图 6 香农多样性与侵蚀模数的关系
Fig．6 Correlation be tween A an d SHDI
3 讨论
水土流失和景观格局具有空间异质性 ，不同的格局特征与水土流失强度有一定的相关性 。类型水平结构
因子中，顺坡垄农 田面积百分 比与土壤侵蚀模数显著正相关，而灌木林地和草地与土壤侵蚀模数显著负相关 。
景观水平结构指数中，聚集度与侵蚀模数显著 正相关 ，而香农 多样性指数与侵蚀模数显著负相关 。9个因子
复相关系数大于单 因子相关系数，达到高度相关 (R>0．8)，多个结构因子与侵蚀模数之间存在线性 回归关系
(F=17．450，P<0．001)。
研究区平均土壤侵蚀模数为 6．58，侵蚀强度较轻 ，但大于东北黑土区土壤容许流失量标 准(2)。该流域
是典型的农业景观，农 田面积 占景观总面积 的 71．8％，而且分布 比较集中，它是未来土壤水蚀 的主要景观要
素，同时也是水土保持的主战场 。增加灌草地斑块 、实施农 田保护性耕作等将是该流域继续控制土壤侵蚀的
有效办法之一。
黑土是我 国宝贵的土壤资源和重要的粮食生产基地。东北典型黑土区的主要 景观要素为人工农 田生态
系统 ，该系统具有人工干预程度高、土地集中连 片、种植作物种类单一、景观异质性低 等特点 ，而这种土地
利用和覆盖状况对黑土的水土流失产生了巨大影响 。通过在景观尺度上的土地利用结构调整 ，增加林草
覆被率，优化景观斑块空间配置 ，能够有效地控制土壤侵蚀 。研究景观格局和土壤侵蚀程度 的相互关系 ，
有助于人们在宏观上把握土地结构调整的方 向和微观上规划景观类型的空间配置，从而有效地发挥景观结构
对土壤侵蚀控制的积极作用。
土壤侵蚀 的空间变异是多重尺度上的植被 、土地利用、气象(降雨 )、地 形和土壤等多 因子综合作用 的结
果。本文中，由于研究区只有一个气象站 ，但它处于研究区中部 ，且研究 区相对较小 ，因而没有考虑降雨侵蚀
力的空间变异。不同子流域景观结构、地形和土壤因子的差异对土壤侵蚀的影 响没有做主成分分析，只是基
于 3O个分析样本具有地形和土壤相对一致的假设 ，从而认为在研究区尺度上 土壤侵蚀的主控 因子为景观结
构。通用土壤流失方程在预测一定区域立地尺度上的土壤潜在侵蚀量卓有成效 ，但它在模拟土地单元之间的
泥沙传递方面存在缺陷。因此 ，需要进一步研究和探讨的问题是 ：(1)在该研究 区域尺度上 ，降雨的空间变异
对研究结果有多大影响?(2)定量地在降雨 、土地利用 、地形 和土壤类型之 间探求对土壤侵蚀的主控 因子。
(3)通过在各个子流域出口获得径流泥沙实测数据，与本文的研究结果进行对比和验证分析。另外 ，鉴于部分
景观结构指标与土壤侵蚀程度有较高的相关性 ，景观指数能否作 为流域土壤侵蚀治理效果的评价指标之一 ，
有待进一步讨论。
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