摘要: 东北低山丘陵区是我国黑土资源集中分布区域的重要组成部分，具有显著的农业利用优势，对保障新形势下我国的粮食和生态安全至关重要。建国以来，黑土区大规模、高强度的土地开发利用以及开垦过程中水土保持措施的缺失导致该地区成为我国土壤侵蚀问题... 展开 东北低山丘陵区是我国黑土资源集中分布区域的重要组成部分，具有显著的农业利用优势，对保障新形势下我国的粮食和生态安全至关重要。建国以来，黑土区大规模、高强度的土地开发利用以及开垦过程中水土保持措施的缺失导致该地区成为我国土壤侵蚀问题最严重的地区之一。尤其是低山丘陵区，因其漫川漫岗的地形条件，成为土壤侵蚀发生的重灾区，严重影响了耕地生产力和区域生态系统服务功能。因此，提高土壤侵蚀表征指标的精度、揭示区域土壤侵蚀强度的空间分布格局，是遏制黑土退化，实现黑土资源可持续利用的关键科学问题之一。目前，区域土壤侵蚀格局的研究多围绕土壤侵蚀模型展开，其中土壤可蚀性这一关键因子的量化主要依赖于低密度点状土壤信息数据，难以准确表征其空间连续分布特征，从而使土壤侵蚀强度计算和空间格局分析的精度大大降低。同时，黑土退化是自然和人为因素共同作用的结果，不合理的土地利用是加剧区域土壤侵蚀的重要因素之一。以往的研究局限于针对不同土地利用类型的土壤侵蚀量估算，不足以全面揭示土壤侵蚀对土地利用变化的响应关系。针对以上问题，建立高时效、高空间分辨率的土壤可蚀性量化与空间表征方法，在对土壤侵蚀格局进行高精度空间表征和侵蚀热点区识别的基础上，揭示土地利用对耕地土壤侵蚀空间分异特征的影响，是探讨黑土退化机理，制定黑土区耕地利用与保护政策的基础，可以为国家黑土地保护重大工程的实施提供理论和数据支撑。 本文选择东北低山丘陵区的长春市九台区为研究区，旨在从县域尺度开展土壤侵蚀格局及其对土地利用变化响应关系的研究。通过建立以多时相哨兵二(Sentinel-2)遥感为核心的土壤有机碳(Soil Organic Carbon, SOC)高精度反演方法，为土壤可蚀性因子高精度量化和高分辨率空间表征提供数据支撑；并将基于高光谱遥感反演的土壤可蚀性因子数据引入通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation, RUSLE)，实现研究区土壤侵蚀强度的测算和空间格局分析，识别侵蚀热点区；最后基于地理加权回归(Geographical Weighted Regression, GWR)模型，探究土壤侵蚀格局与土地利用变化因子的关系，分析土地利用强度和耕地景观破碎度对土壤侵蚀的影响，为区域水土保持措施的精准落位和宏观土地管理政策的制定提供依据。取得如下主要研究成果： (1)基于高光谱遥感反演的土壤可蚀性因子空间表征 SOC含量与土壤可蚀性之间具有极显著的相关性，因此常被作为核心指标进行RUSLE方程中土壤可蚀性因子的计算。但受限于研究区高分辨率SOC数据的缺失，以及传统湿式化学方法进行大尺度、多频次SOC量化的高成本，目前尚缺乏土壤可蚀性因子高效测算和空间精细表征的方法体系。 针对此瓶颈，本文立足于哨兵二卫星遥感反演地表土壤参数的最新研究进展，建立以多时相哨兵二图谱特征为核心的SOC高精度量化和高分辨率空间制图方法，为土壤可蚀性因子的空间可视化提供数据支撑。研究结果表明：通过哨兵二裸土像元提取与多时相合成、偏最小二乘法SOC反演模型构建、预测值不确定性分析等核心手段，实现了基于多时相哨兵二裸土图谱特征的SOC含量预测(R2=0.62，RMSE=0.17)，生成了研究区10米分辨率的耕地表土SOC分布图。与单一日期遥感反演相比，多时相裸土像元光谱数据集可以提供鲁棒性更强、耕地覆盖范围更大、精度更高的SOC预测模型；与基于近地高光谱数据的SOC预测模型对比发现，星陆双基SOC高光谱反演预测中起决定性作用的波段呈高度一致性(均为短波红外波段)，进一步印证了以哨兵二数据进行SOC含量预测的稳定性和可行性。以像元级SOC分布数据为基础，进一步建立了土壤可蚀性因子测算和高分辨率空间表征新方法，生成了研究区土壤可蚀性因子的空间分布图，为RUSLE模型的深化应用和土壤侵蚀空间格局分析奠定了坚实的数据基础。 (2)研究区土壤侵蚀空间格局及侵蚀热点区坡面土壤有机碳迁移-再分布规律 高精度、高时效的土壤侵蚀格局空间表征和侵蚀热点区识别对于查明区域土壤侵蚀程度和范围以及区域水土保持措施的精准落位至关重要。本文以RUSLE模型框架为基础，在高分辨率土壤可蚀性因子的数据支撑下，开展研究区土壤侵蚀量的估算和其空间分布特征研究，把不同侵蚀强度理解为各种侵蚀强度镶嵌而成的侵蚀景观，进行了土壤侵蚀景观格局的分析。并在土壤侵蚀热点区，进行了坡面尺度下土壤侵蚀驱动的SOC空间迁移、再分布和转化规律研究。 研究发现：2019年研究区耕地土壤总体侵蚀状况以微度和轻度侵蚀为主，受极强度和剧烈侵蚀影响的耕地范围所占比例相对较小，土壤侵蚀模数的平均值为7.09t·hm-2·a-1。综合土壤侵蚀空间聚集性和热点分析结果来分析土壤侵蚀空间分布特征发现：研究区耕地土壤侵蚀强度较严重的地区集中分布于东南部以及东北部的坡耕地。随着海拔高度和地形坡度的增加，微度和轻度侵蚀地区所占比例逐渐减小，而极强度和剧烈侵蚀所占比例逐渐增大，这与地势复杂区水力和耕作侵蚀互作引发的SOC时空迁移和流失导致的土壤可蚀性升高密切相关。微度和轻度土壤侵蚀类型的分布较为集中，但是形状比较复杂，极强度和剧烈侵蚀的分布零散，并且景观形状较为简单。 为进一步探究土壤侵蚀与土壤团聚结构、SOC稳定性的耦合作用机理，本文在土壤侵蚀热点区选取典型坡耕地，从坡面尺度对土壤侵蚀-沉积过程驱动的SOC迁移和再分布规律进行探索。通过对坡面不同位置(即稳定区、侵蚀区和沉积区)土壤团聚体粒级、各粒级SOC含量和碳稳定同位素比值(δ13C)进行测定，发现侵蚀引起的沿下坡方向细颗粒土壤物质的优先迁移导致沉积区的粘土+粉土颗粒百分比升高，以及各粒级SOC含量升高和“年轻”不稳定SOC含量(以δ13C指征)的同步增加。该研究结果说明精准农田管理背景下的坡耕地土壤管理与保护需要考虑侵蚀强度和土壤碳库的高度空间异质性，采取因地制宜的土壤固碳和水土保持措施。 (3)土地利用强度和耕地景观破碎度变化的耕地土壤侵蚀空间响应 本文在分析研究区1996-2019年土地利用变化主要特征的基础上，采用GWR模型从土地利用强度和景观破碎度的角度分析土地利用变化对低山丘陵区耕地土壤侵蚀的影响。研究发现：九台区在1996-2019年土地利用发生了较大的变化，尤其是1996-2009年，耕地的流失与补充交替进行，建设用地面积逐渐增加而生态用地则逐渐减少。在自然因素和社会经济因素的双重影响下，耕地的变化频率最高，并且由林地转化而来的耕地具有最大的平均土壤侵蚀模数。 利用GWR模型分析外部因素对耕地土壤侵蚀强度和空间差异性的影响，结果表明地形坡度对土壤侵蚀的影响最显著，具有很强的正效应；土地利用强度与耕地景观破碎度的增加均对耕地土壤侵蚀状况具有明显的促进作用，尤其是在研究区坡耕地的主要分布区(沐石河街道、波泥河街道、上河湾镇、城子街道、胡家回族乡、土们岭街道)，这与此区域大量林地被占用转换为坡耕地，造成土地利用强度增大，边缘耕地逐渐破碎化这一现象密切相关。最后，根据研究区土壤侵蚀格局现状和对土地利用变化的响应，本文针对性地提出东北低山丘陵区耕地土壤侵蚀防治的措施建议，为低山丘陵区土地资源的可持续利用和人地关系协调发展提供科学依据。 收起