內(nèi)蒙古科爾沁右翼中旗土壤侵蝕特征研究

1、內(nèi)蒙古科爾沁右翼中旗土壤侵蝕特征研究 分類號 S157.1 學校代碼 10129 U D C631.4學 號 20092040095 內(nèi)蒙 古科 爾沁 右翼 中旗 土壤 侵蝕 特征 研究 Study on Characteristics of Soil Erosion in the Right-Wing Central Banner of Kerqin Region申 請 人 :吳 偉 學科 門類 :管 理學學科 專業(yè) :土 地資 源管 理 研究 方向 :土 地利 用整 治與 保護 指導 教師 :張 武文 教授論文 提交 日期 :二 ?一 二年 五月 摘 要土壤侵蝕是我國目前所面臨的重要環(huán)境問

2、題之一。近年來科爾沁右翼中旗 在地形、 降水、 氣溫等自然因素及人為活動的影響下, 土壤侵蝕 情況日趨 嚴重。 本文通過運用 修正通用流失方程式(RUSLE ) ,對研究區(qū)內(nèi)進行了降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度因子、 植被覆蓋與管理因子 以及水土保持措施因子 的提取, 計算出研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù), 對侵蝕強度進行分級, 分析 了研 究區(qū)侵蝕現(xiàn)狀 , 并在以上計算結(jié)果基礎(chǔ)上, 又 對不同植被覆蓋度、 不同坡度、 不同海 拔高程 以及不同土地利用情況 下的土壤侵蝕特征進行了分析。 得出以下結(jié)論: 1. 研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕 強 度 以 輕 度 侵 蝕 和 微 度 侵 蝕 為 主 , 每年的土壤流失量為

3、1881.65 萬 t , 其中 輕度侵蝕對年土壤流失量貢 獻率最大 。2. 蘇木 (鎮(zhèn)) 侵蝕量分析中,巴 仁 哲 里 木 鎮(zhèn) 侵 蝕 量 最 大 , 每 年 侵 蝕 量 為 325.96 萬 t , 占 研 究 區(qū) 年 均 總 侵 蝕 量 的17.37% , 全旗整體表現(xiàn)出 自 東向南, 自西向 北方向 上侵蝕量逐漸增加的趨勢。3. 研究區(qū)存在著 隨植被覆蓋度增高 侵蝕強度降低的趨勢, 當植被覆蓋度大于 30% 時, 植被水土保持能力逐漸體現(xiàn) ,侵蝕強度逐漸降低 。4. 海拔高度小于 200m 時,侵蝕以微度侵蝕為主, 隨著海拔高度的增加, 侵蝕 強度 逐漸加深 , 海拔高度大于 400m

4、 時, 侵蝕強度向劇烈侵蝕演變 。5. 在不同坡度下對侵蝕強 度特征分析的結(jié)果表明, 隨著坡度的增加, 侵蝕 強度也在向劇烈演變 , 其中斜坡類型 對總侵蝕量貢獻率最大, 應在水土保持措施實施過程中著重考慮該坡度類型 。6. 不同 土地利用類型下土壤侵蝕特征 表現(xiàn)為:草地 侵 蝕強 度 最大 , 其他 土 地利 用 類型 侵 蝕強度 從 大 到小 排 序為 林 地耕地未利用地 水域、 建設(shè)用地 , 建議在后續(xù)治理 過程中, 增加坡度大于 15°地區(qū)的造林、 種草力度 。關(guān)鍵詞 :科爾沁右翼中旗 ; 土壤侵蝕; 侵蝕量;侵蝕 特征Study on Characteristics of

5、Soil Erosion in the Right-Wing Central Banner of Kerqin RegionAbstract In china, Soil erosion is one of the important environmental issues that must be facedIn recent years, the Right-Wing Central Banner of Kerqin Region under the influence of topography, precipitation, temperature and human activit

6、ies, soil erosion is becoming more serious. This article by using the RUSLE, extracted the rainfall erosivity, soil erodibility, slope factor of slope length, vegetation cover and management factor, and soil and water conservation measures factor. By this measures, the soil erosion modulus can be ca

7、lculated, then grading the erosion intensity, and analyzing on erosion situation of study area. On the basis of the above analysis, the research analyzes erosion characteristics in different vegetation coverage, slopes, elevation and different land use situation. Conclusions are drawn as follows: 1.

8、 Slight erosion and light erosion is main soil erosion intensity in study area. The annual soil loss account is 18.8165 million tons, and light erosion has greatest contribution rate in annual soil loss account. 2. Erosion analysis on Hematoxylin town, the result is the town of Baren Zhe Li Mu has g

9、reatest annual erosion amount and the amount is 3.2596 million tons, it accounted for 17.37% of the study area Erosion. The whole area showed a gradual increase situation that the south-easterly direction to the northwest. 3. The erosion characteristics is the degree of vegetation cover get increasi

10、ng, the erosion degree get lower, when the vegetation coverage is greater than 30%, vegetation soil and water conservation capacity is gradually reflected, and the erosion intensity get be decreased 4. When the altitude less than 200m, erosion to slightly eroded mainly, as the altitude increases, th

11、e degree of erosion gradually deepened. When the altitudes is greater than 400m, the erosion intensity get be more severe. 5. Results show that the erosion of the strength erosion characteristics under different slope types, with the increase of the slope, the degree of erosion is also evolved to se

12、vere and the ramp has the greatest contribution to gross erosion, so, during the implementation of water conservation measures, the local government should focus on considering this slope type. 6. Characteristics of soil erosion that under different land use types as follows: the grass has great ero

13、sion intensity, and under other land use types, erosion intensity order from largest to smallest is woodland cropland unused land water, land for construction, recommended follow-up the process of governance, the government should be increase the forest and grass planting efforts of the area of slop

14、e greater than 15 °Key words: Right-Wing Central Banner of Kerqin Region; Soil erosion; Erosion amount; Erosion characteristicsDirected by: Prof. Zhang Wuwen Applicant for Master degree: Wu Wei Land Resource Management College of Ecology and Environment ,Inner Mongolia Agricultural University ,

15、Hohhot 010018 ,China目 錄1 引言1 1.1 選題背景與選題意義. 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 經(jīng)驗統(tǒng)計模型2 物理過程模型2 國外各侵蝕因子的研究3 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 經(jīng)驗統(tǒng)計模型4 物理過程模型5 國內(nèi)各侵蝕因子的研究6 1.3 研究方案 6 1.3.1 研究目標6 1.3.2 研究內(nèi)容7 1.3.3 技術(shù)路線7 1.3.4 模型的選擇. 7 1.3.5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源及處理. 9 2 研究區(qū)概況 9 2.1 地理位置 9 2.2

16、地形地貌. 10 2.3 氣候10 2.4 土壤11 2.5 水系11 2.6 植被11 2.7 社會經(jīng)濟. 11 2.8 土壤侵蝕狀況12 3 結(jié)果與分析. 12 3.1 降雨侵蝕力因子. 12 3.1.1 研究區(qū)內(nèi)多年平均降雨空間差異性分析. 13 3.1.2 降雨侵蝕力的計算14 3.2 土壤可蝕性因子. 16 3.2.1 土壤類型 17 3.2.2 土壤可蝕性因子的計算. 17 3.3 坡長坡度因子. 20 3.3.1 坡度因子的提取 22 3.3.2 坡長因子的提取 22 3.4 植被覆蓋和管理因子24 3.4.1 遙感影像來源與處理. 24 3.4.2 植被覆蓋和管理因子的計算25

17、 3.5 水土保持措施因子 26 3.6 模型運算 27 3.7 侵蝕強度分級. 27 3.8 研究區(qū)侵蝕現(xiàn)狀. 28 3.8.1 研究區(qū)總體侵蝕侵蝕現(xiàn)狀28 3.8.2 研究區(qū)內(nèi)各蘇木(鎮(zhèn))侵蝕現(xiàn)狀 31 3.9 研究區(qū)土壤侵蝕特征32 3.9.1 不同植被覆蓋度下土壤侵蝕特征 32 3.9.2 不同坡度下土壤侵蝕特征34 3.9.3 不同海拔高度下土壤侵蝕特征. 36 3.9.4 不同土地利用類型下土壤侵蝕特征37 4 結(jié)論與討論. 38 4.1 結(jié)論38 4.2 討論39 致 謝41 參 考 文 獻42 作 者 簡 介47插圖和附 表清單1 圖 1 技術(shù)路線 圖8 2 圖 2 科右中旗

18、地理位置 圖10 3 圖 3 氣象站點 位圖12 4 圖 4 研究區(qū)多 年平均降 雨量分布 圖 13 5 圖 5 研究區(qū)降 雨侵蝕力 分布圖. 16 6 圖 6 研究區(qū)土 壤類型分 布圖 17 7 圖 7 研究區(qū)土 壤可蝕性K 值圖. 19 8 圖 8 坡長坡度 因子提取 流程圖. 21 9 圖 9 研究區(qū) DEM 圖21 10圖 10 ARC 程序 運行界面 24 11圖 11 研究區(qū) 坡度坡長 因 子圖24 12圖 12 研究區(qū) 植被覆蓋 度圖. 26 13圖 13 研究區(qū) 植被覆蓋 與管理因 子圖27 14圖 14 研究區(qū) 水土保持 措施因子 圖. 28 15圖 15 研究區(qū) 土壤侵蝕

19、模數(shù). 29 16圖 16 研究區(qū) 土壤侵蝕 強度分布 圖. 3017表 1 研究區(qū)基 礎(chǔ)數(shù)據(jù)及 處理方法 9 18表 2 年平均降 雨量表 13 19表 3 各氣象站 降雨侵蝕 力15 20表 4 美國制與 國際制分 級標準對 比 18 21表 5 研究區(qū)各 土壤類型K 因子值19 22表 6 柵格單元 編碼表 22 23表 7 土壤侵蝕 分類分級 標準 28 24表 8 研究區(qū)各 侵蝕強度 情況 31 25表 9 研究區(qū)內(nèi) 各蘇木( 鎮(zhèn))土壤 侵蝕量32 26表 10 不同植 被覆蓋度 下各土壤 侵蝕強度 面積 比例33 27表 11 不同植 被覆蓋度 下年均土 壤侵蝕量 及侵 蝕強度指數(shù)

20、33 28表 12 坡度分 級標準. 34 29表 13 不同坡 度類型下 土壤侵蝕 強度面積 比例 34 30表 14 不同坡 度類型下 年均土壤 侵蝕量及 侵蝕 強度指數(shù). 35 31表 15 不同海 拔高度下 土壤侵蝕 強度面積 比例 36 32表16 不同海 拔高度下 年均土壤 侵蝕量 及 侵蝕 強度指數(shù). 37 33表17 不同土 地利用類 型下土壤 侵蝕強度 面積 比例及侵蝕 強度指數(shù) 38 34表18 三種土 地利用類 型下坡度 組成情況. 38 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè) 大學碩士 學位論文 1 1 引 言 1.1 選題背 景與選題意義 土壤侵蝕Soil Erosion 指的是在水力、風力、凍

21、融和重力作用下,土壤、土壤母1-2質(zhì)及其它地面組成物質(zhì)被破壞、剝蝕、遷移和沉積的全過程 。目前, 土壤侵蝕是我國 乃至全球范圍內(nèi) 所面臨的重要環(huán)境問題之一 。 目前, 土壤侵蝕的危害主要表現(xiàn)在:(1 )破壞生態(tài)環(huán)境 ,致使 水土資源 惡化。 (2) 土壤侵蝕過程導致 植物所需的養(yǎng)分 大量 流失, 土地生產(chǎn)力 降低 、 從而進一步 影響農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)。(3 ) 由于侵蝕產(chǎn)生的大量泥沙經(jīng)搬運堆積后, 淤塞河流 、 水庫并抬高河床 、 降低 了河流的泄洪 能力 。 就誘發(fā)土壤侵蝕的原因來說, 一方面是自然因 素, 另一方 面則是人為因素, 縱觀人類發(fā)展史與侵蝕研究進展歷程,人類的毀林濫牧活動已成為導致土

22、壤侵蝕的主要驅(qū)動力。 同世界其他國家相比, 中國是土壤侵蝕較為嚴重的國家之一。據(jù) 2000 年第二次2水土流失遙感調(diào)查及相關(guān)數(shù)據(jù)顯示, 全國水土 流失面積達 355.56 萬 km , 占國土面積2 2的 37.42% ,其中水蝕面積為 164.88 萬 km ,風 蝕面積為 190.67 萬 km ,凍融侵蝕面23-4積為 126.98 萬 km 。由于人口持續(xù)增加,人 類對自然資源的需求越來越高,更是加劇了土壤侵蝕 活動。 如何合理的治理土壤侵 蝕、 正確的開展水土保持工 作, 受到了有關(guān)部門 的高度 關(guān)注。1991 年七屆全國人大常委會第 20 次會議審議通過了 中華人5民共和國水土保持

23、法 ,成為中國第一部專業(yè) 水土保持 技術(shù)法規(guī) ;2005 2007 年中國水利部、 中國科學院和中國工程院聯(lián)合在全國范圍內(nèi)開展了 “水土流失與生態(tài)安全科學考察 ” 工作, 準確的調(diào)查出全國侵蝕狀況, 為后續(xù)土壤侵蝕 防治、 加強生態(tài)環(huán)境6建設(shè)提供了 重要的 科學依據(jù) 。2011 年,我國提出“十二五規(guī)劃” ,將生態(tài)保護與修復作為重要任務(wù)。同年,由水利部牽頭,在全國范圍內(nèi)開展了第一次水利普查工作,在引用 3S (RS 、GIS 、GPS ) 技術(shù)的基礎(chǔ)上 , 進 一步對國內(nèi)土壤侵蝕 狀況 進行了普查,以達到掌握土壤侵蝕的分布、 面積和強度的目標, 為國家水土保持生態(tài)建設(shè)提供決策依據(jù) 。 科爾沁右

24、翼中旗位于大興安嶺南麓, 畜牧業(yè)是區(qū)內(nèi) 最主要 的生產(chǎn)方式 。在地形、降水、 氣溫等 諸多自然因素及人為活 動的影響 下, 土壤侵蝕 情況較為復雜 , 而且侵蝕類型復雜多樣, 侵蝕強度 空間差異性明顯 , 全區(qū)土壤 侵蝕面積 廣, 為生態(tài)建設(shè)、 生態(tài)7恢復 工作帶來 很大的難度 。 特別是建國 以來 隨著人口的 不斷 增長, 當?shù)?對自然界的環(huán)境 需求 持續(xù)增加 。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展, 當?shù)?亂砍濫伐、 毀林開荒 現(xiàn)象屢禁不止, 不合理的耕作 方式 得不到有效改善 , 加之近幾年 森林火災 發(fā)生頻率高, 以及 不斷增多的 工業(yè) 開發(fā)建設(shè)項目,對自然生態(tài)環(huán)境的不良影響愈演愈烈。 長期以來, 區(qū)域土

25、壤侵蝕 定量評價研究以及評價方法的探索是土壤侵蝕評價 研究的基礎(chǔ)。 為此, 本文采用土壤侵蝕模型對研究 區(qū)內(nèi)進行土壤侵蝕評價并探索研究區(qū)內(nèi)土壤侵蝕 強度 與地形、 植被覆蓋 、 土地利用 之 間的 內(nèi)在聯(lián)系 , 從而為后期治理決策提供 理論 支持 。 同時該研究對于完善區(qū)域土壤侵蝕模型也具有 一定的借鑒 意義。2 內(nèi) 蒙古科爾 沁右翼中 旗土 壤侵蝕特征 研究 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 土壤侵蝕評價 研究歷程 經(jīng)歷了定性評價、半定量評價、定量評 價三個 重要階段。早在 20 世紀 40 年代, 一些研究者 在土壤侵蝕 定量化的 分析與 研究上進行了大量的研究工作 , 為土壤侵蝕

26、評價奠定了堅實的理論基 礎(chǔ)。 其中, 在土壤侵蝕定量研究 尺度上8可分為坡面 地塊 、小流域、區(qū)域 三個層次 。 長期以來,受到研究經(jīng)費及研究技術(shù)9的局限, 現(xiàn)有的研究工作主要集中在前兩個層次上 。 據(jù)文獻記載, 目前 國外 進行土壤侵蝕 定量評價 的模型有: USLEUniverse Soil Loss 10 11Equation 、WEPP the Water Erosion Prediction Project 、ANSWERS Areal Nonpoint 12 Source Watershed Environment Response simulation 、EPIC Erosion

27、 /Productivity Impact Calculator 、CREAMSChemical Runoff and Erosion Form Agricultural13-15Management System 、LISEM Limberg Soil Erosion Model 等。 根據(jù)模型的建模思想與統(tǒng)計 方法, 可將模型分為經(jīng)驗統(tǒng)計模型與物理 過程模型。 經(jīng)驗統(tǒng)計模型 在 經(jīng)驗統(tǒng)計 模型中以美國于 1959 年提出的通 用土壤流失方程式USLE 為代表,該方程于 1965 年由美國農(nóng)業(yè)部正式發(fā)表在 農(nóng)業(yè)手冊(282 號) 上。USLE 全面考慮了影響土壤侵蝕的 因素,

28、通過 對降雨侵蝕力、 土壤可蝕性、 坡度坡長、 作物覆蓋和水土保持措施五個侵蝕因子的 計算, 從而對土壤侵蝕情況進行定量分析 。USLE 所涉及的研究材料豐富、 且研究覆蓋 區(qū)域廣泛, 具 有較強的實用性 與準確性, 因而在世界16范圍內(nèi)得到了 水土保持研究者的 廣泛認可并得以 推廣 。 之后 , 經(jīng)過二十多年的發(fā)展,在大量實踐基礎(chǔ)上, 美國農(nóng)業(yè)部 又對 USLE 做 了比較大的修正, 命名為修正土壤流失方程式RUSLE , 并于 1994 年由 SCS 確定為官 方的土壤保持預報和規(guī)劃工 具。 RUSLE在后續(xù)的發(fā)展與完善過程中, 將遙感數(shù)據(jù)引入到模型 因子的計算 , 增加了計算結(jié)果的準確性

29、, 減少了人為操作的主觀性, 同時使 RUSLE 更具有動態(tài)性、 開放性, 極大的推動了土壤侵蝕產(chǎn)沙預報的發(fā)展。 物理過程模型 隨著科技的進步,20 世紀 80 年代, 尤其是隨 著 USLE 的提出和完善, 美國農(nóng)業(yè)部于 1986 年組織農(nóng) 業(yè)局、林業(yè)局、水保局及 土地管理局四個部門,進行了土壤侵蝕預報 WEPP Water Erosion Prediction Project 的研究工作,于 1995 年發(fā)布了第一個官17方版本 。WEPP 主要子模型包括:氣候模擬CLIGEN 、地表水文、亞地表水文、水分平衡、 土壤分離、 泥沙運移和沉積、 植物 生長、 殘茬分解、 地表水

30、流、 細溝侵蝕和細溝間侵蝕、溝底水流過程、溝蝕、匯流、積水條件等。由于 WEPP 模型涉及眾18多的子模型和參數(shù), 因此模型的實用性受到限 制 。 于是美國農(nóng)業(yè)部又開發(fā)一些對基內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè) 大學碩士 學位論文 3 礎(chǔ)數(shù)據(jù)要求較低的物理 過程侵蝕模型,如 AGNPS 、ANSWERS 、EPIC 、SWAT 等。此時, 許多國家的一些物理模型也紛紛出現(xiàn), 如美國的 CREAMS 、 歐洲的 EUROSEM 、19荷蘭的 LISEM 等模型 。以上種種模型,都是 從不同角度描述侵蝕產(chǎn)沙過程衍生出來的,他們的出現(xiàn),將侵蝕產(chǎn)沙模型逐步推向 更為嚴謹?shù)难芯款I(lǐng)域 。 國外各侵蝕因子的研究 1

31、降雨侵蝕力因子 降雨侵 蝕力R 的定義 為: 降雨 可能引 起的 土 壤侵蝕 的潛 在能力 ,是 定量評 價一個地區(qū)水土流失的重要背景參數(shù)。 土壤侵蝕與區(qū)域氣候因素中的降雨量、 降雨強度及降雨類型等 密切相關(guān), 而降雨侵蝕力 因子可準確的 體現(xiàn)降雨 情況對土壤侵蝕潛在影響程度。 國外對降雨侵蝕力R 的研究開展較早, 美國學 者 Wischmeier 與 smith 于 1958 年發(fā)現(xiàn)降雨的總動能E 及其 30min 最大雨強I30 的乘積與土壤流失量有著緊密的聯(lián)20系,將降雨侵蝕力的表達式定義為 REI30 。 同年,Wischmeier 以 8000 多個徑流小區(qū)資料為基礎(chǔ),證明了降雨侵蝕

32、理論的正確性,以此為根據(jù)在 1959 年明確提出降雨侵蝕力指標 EI30 ,并 擬定了侵 蝕性降雨 標 準,將侵蝕性 降雨定義 為 :一次 降雨量21大于等于 12.7mm 或該次降 雨 15min 中內(nèi)降雨 量為 6.4mm 。 此后, 一些國家一直沿22用該理論,并作為各種土壤侵蝕模型中的一個重要參數(shù) 。 2 土壤可蝕性因子 土壤可蝕性 K 值是一項評價土壤降雨侵蝕力 分離沖蝕和搬運難易程度的指標。國外學者 普遍 認為土壤可蝕性不僅與土壤的化學性質(zhì)有關(guān)還與土壤的顆粒組成、 團聚體的穩(wěn)定性、 有機質(zhì)含量、 滲透率、 緊實度、 粘土礦物的性質(zhì)存在重要聯(lián)系。Bennet在 1926 年研究 出土

33、壤硅鐵鋁率與土壤侵蝕的 關(guān)系,并 以此為基礎(chǔ) 提出了相應的分級標準。1931 年 Middleton 指出土壤浸濕熱的大小與土壤 侵蝕率的高低成正比。1935年 Bouyousos 則研究了土壤質(zhì)地與侵蝕程度的定量關(guān)系, 得出土壤中粉砂粒含量與粘粒含量比率大小與土壤可蝕性成正比。 這些研究都系統(tǒng)闡述了土壤理化性質(zhì)與土壤可23蝕 性 的 關(guān)系 , 對土 壤 的可 蝕 性研 究 具有 重 要意義 。 研 究模 型 主要 有 Wischmeier 、24Williams 的土壤可蝕性因子模型。 3 坡度坡長因子 在通用方程式(USLE )中,地形因子坡長 (L )和坡度(S )與土壤侵蝕程度存在 著

34、 密切 的 關(guān)系 。 在因 子計 算 過程 中, 可 以單獨 對 坡長 (L )坡 度 (S )進 行 計算 ,也可將 LS 作為一個因子計算,國 外學 者 McCool 等在 1987 年提出了坡度因子(S )與坡長因子(L )的計算公式: S10.8sin0.03 ?5.14 ° S16.8sin0.50 5.14 °4 內(nèi) 蒙古科爾 沁右翼中 旗土 壤侵蝕特征 研究 mL?式中 S 表示坡度因子 ; 為地面坡度(在 DEM 中計算獲取) ;L 為坡長因子 ;為水平投影 坡長 ;m 為坡度指數(shù) 。在 1977 年 Foster 等人提出了 m 值的計算公式: m1式中

35、為細溝侵蝕 與細溝間侵蝕的比率 ,在 Foster 研究的基礎(chǔ)上,McCool 提出25-26了 的計算公式 : 0.8? (sin/ 0.0896 ) / 3.0 sin0.56?在此研究基礎(chǔ)上,Van Remortel R 于 2001 年 在 Arcgis9.3 平臺上基于 DEM 編寫27了 AML 語言用于提 取 LS 因子 。 4 植被覆蓋因子 28國外學者 smith 于 1941 年首次將種植制度 (C ) 與水土保持措施 (P ) 引入土壤29侵蝕方程式 。1947 年 Musgrave 在 smith 的 研究基礎(chǔ)上進一步 將植物覆蓋、田間管理和 水土保持這三個因子綜合考慮

36、作為一個因子進行計算 。1978 年 Wischmeie 通過大量實驗研究計算, 得出植被覆蓋與田間管理是相互作用不可分開這一重要結(jié)論, 并建議在進行侵蝕計算時將兩個因子合并。 隨著土壤侵蝕模型 的不斷 發(fā)展與完善, 覆蓋30與田間管理因子C 成為模型計算中的一個重要 因子 。 1965 年版的 USLE 在觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,給 出了主要農(nóng)作物和耕作制度下的土31壤流失比率表 。在實踐與應用過程中,RUSLE 改良了估計林地、草地、建筑用地32等 C 值的 計算方法 。即 只要 C 值區(qū)域在其應 用范圍內(nèi), 就可根據(jù) RUSLE 提供的方法準確 計算出 C 值。1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 上 世

37、紀 20 年代末, 受 國外土壤侵蝕研究 的影響 , 我國開始土壤侵蝕科學的研究,33-37至今 已有 90 多年的 研究歷史 。我國土壤侵 蝕研究在發(fā)展歷程主要分為三個 階段,第一階段為土壤侵蝕定位觀測與試驗階段(20 世紀 20 年代20 世紀 50 年代后期) ,第二階段為以流域為單元的綜合治理的 試驗階段(20 世紀 50 年代后期20 世紀 80年代后期) ,第三階段為區(qū)域水土保持與生態(tài)環(huán)境建設(shè)發(fā)展階段(20 世紀 90 年代以38-39來) 。在國內(nèi)土壤侵蝕學科發(fā)展 過程中 , 學者 們根據(jù)我國的侵蝕環(huán)境特征侵蝕機理, 在已有的國外侵蝕預報模型基礎(chǔ)上進行 了 一系列 修改、 完善,

38、 研究出多種適于我國的侵蝕預報模型。 經(jīng)驗統(tǒng)計模型 20 世紀 80 年代以來美國 的 USLE 和 RUSLE 方 程在我國得到廣泛應用,并根據(jù)各地實際情況進行修正。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè) 大學碩士 學位論文 5 國內(nèi)學者 在坡面經(jīng)驗 模型和 USLE 形式的基礎(chǔ) 上 , 結(jié)合我國 當?shù)氐牡孛蔡卣? 根據(jù) 實驗觀測 , 參考或直接使用 USLE 計算出土 壤侵蝕的各種影響因子 。 在已有的對 侵蝕 因子的 定量 研究中,降雨徑流因子、地形因子(坡度、坡長) 的研究都 較為成熟,而 關(guān)于 植被因子 和水土保持 措施因子 則鮮有研究成果 。 國內(nèi)眾多經(jīng)驗統(tǒng)計 模型中, 比40 41較有代表性的

39、是江忠善 和劉寶元 的經(jīng)驗侵 蝕模型, 其中 比較有代表性的是 劉寶元建立的中國土壤流失方程 CSLE (Chinese Soil Loss Equation),該模型可以用于計算42坡面上多年平均土壤流失量 。 CSLE 的基本形式為: MRKLSBE ?T 2 式中:M?年平均土壤流失量(t ?kma); 2R?降雨侵蝕力因子(MJmm ?hmha); 2 2K?土壤可蝕性因子(thmh ?hm ?MJmm); LS?坡長坡度因子(無量綱) ; B?生物措施因子 (無量綱) ; E?工程措施因子 (無量綱) ; T?耕作措施因子(無量綱) 。 在流域侵蝕產(chǎn)沙經(jīng)驗統(tǒng)計模型中, 由于試驗觀測資

40、料 存在顯著 差異, 模型中所考慮的土壤侵蝕影響因素 也 有所不同, 但 最主要 是 從水文、 氣象、 下墊面 等因素進行 考43慮。 比較有代表性的流域侵蝕產(chǎn)沙經(jīng)驗模型主 要有以下 4 個: 江忠善 研究得出的次44暴雨流域產(chǎn)沙公式、 范瑞瑜 建立的黃河中游 地區(qū)小流域土壤侵蝕預報模型、 金爭平45 46建立 的 適用于不同條件的若干泥沙預報方程 、 以及李鉅章 針對黃河中游地區(qū)研究出的侵蝕變權(quán)模型。 物理 過程模型 我國的物理過程模型研究起步的比較晚,在坡地物理成因模型的研究成果主要47有:牟金澤 等 根據(jù)黃土丘陵溝壑觀測 資料建 立的黃土丘 陵地區(qū)土 壤侵蝕 模型 王禮48

41、 49先等 從侵蝕的水動力學原理出發(fā)得出了坡地 侵蝕的數(shù)學模型 , 段建南 針對我國干旱、半干旱地區(qū)的實際情況 , 應用微機技術(shù) ,建 立 的 坡耕地土壤侵蝕過程數(shù)學模型50SLEMSEP 。在 流 域物 理成 因模 型 上 的主 要研 究成果 有: 謝樹 楠 基于泥沙 運動力學51基本理論建立的流域模型 。 包為民 提出的大 流域水沙耦合模擬物理概念模型 , 湯立52群 基于 流域水沙產(chǎn)生、 輸移、 沉積過程的基 本原理 建立的 模型, 其中 包括徑流模型和泥沙模型 。 我國物理過程模型在研究與建立過程中存在諸多問題, 在研究尺度上以及侵蝕模型中各因子的統(tǒng)計都存在較大的限制, 無法在國內(nèi)大范

42、圍推廣應用, 使得模型的實際應用與參考價值不高,這些原因都制約著我國土壤侵蝕學科的發(fā)展。6 內(nèi) 蒙古科爾 沁右翼中 旗土 壤侵蝕特征 研究 國內(nèi)各侵蝕因子的研究 1 降雨侵蝕力因子 在 Wischmeier 研究理論的基礎(chǔ)上,國內(nèi)學者 對侵蝕性降雨量的定義各有不同,53江忠善等 根據(jù)黃土地區(qū)降雨徑流資 料,認為 單次降雨大于 10mm 即為侵蝕性降雨。54趙富海和趙宏夫 確定張家口的侵蝕性降雨標 準為單次降雨量大于 12.5mm 或 30min55或 4.8mm?h 。 計算降雨侵蝕力的經(jīng)典方法需 要連續(xù)記錄降雨過程的資料, 鑒于資料的 獲取難度56 57 58 59 60-6

43、1和計算過程的復雜性, 寧麗丹 、章文波 、 郭新波 、謝云 、王萬忠 等國內(nèi)學者 紛紛 嘗試采用氣象站整編的不同類型的降雨資料計算降雨侵蝕力, 利用日降雨數(shù)62 63據(jù)建立了估算降雨 侵蝕力的簡便算法; 而周伏 建 、 張建國 則應用月降雨 量整編資料, 建立 了估算降雨侵蝕力的簡易模型。 在以 上降雨侵蝕力計算方法中, 以利用日降雨量 計算得到的降水侵蝕力 最為精確。 2 土壤可蝕性因子 在國外研究的基礎(chǔ)上, 國內(nèi)學者根據(jù)土壤性質(zhì) 評價土壤可蝕性 、 用儀器測定、 小區(qū)法測定、數(shù)學模型和圖解法求取土壤可蝕性 K 值上開展了大量研究。在國內(nèi)已有的研究中主要利用 修正 USLE 模型進 行實測

44、 和采用 修正諾謨公 式 進行估算土 壤可蝕64-67性因子 K 值 。3 坡度坡長因子 在運用 USLE 侵蝕模型的基礎(chǔ)上,國內(nèi)學者對 坡度(S )坡 長(L )因子的研究68主要 有 : 根據(jù)不同的坡面環(huán)境對坡度 (S ) 坡長 (L ) 因子計算的修正。 江忠善 ,楊69 70子生 , 楊艷生 , 劉寶元 等依據(jù)觀測資料分 別提出了不同的坡度 (S ) 坡長 (L)計算模型。張宏鳴,楊勤科等根據(jù) Van Remortel 對坡度(S )坡長(L )的計算方法編寫的 ARC 宏語言,并結(jié)合采用 D8(8 個不同 方向)算法設(shè)計出 C+.net 程序計算提71取坡度坡長因子,計算效率明顯提高

45、 。 4 植被覆蓋因子 我國 在早期 土壤植被覆蓋和管理因子的研究中, 普遍借助地面調(diào)查分級賦值 進行研究。 隨著 3S 科學技術(shù)的發(fā)展 ,遙感技術(shù) 逐漸在植被 覆蓋和 管理因子的研究中得到72-74廣泛應用 , 例如利用遙感影像監(jiān)督分類結(jié)合野外調(diào)查, 獲得研究區(qū)植被覆蓋分類 ;利用混合像元分解技 術(shù),研究歸一 化植被指數(shù) (NDVI )與植被覆蓋和 管理因子的線75-76形關(guān)系 。1.3 研究方案 1.3.1 研究目標 本研究選定興安盟科爾沁右翼中旗為研究區(qū), 通過收集氣象、 土壤、 遙感、 地形內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè) 大學碩士 學位論文 7 等資料, 采用修正通用土壤流失方程式 (RUSLE ) ,

46、對研究區(qū)進行土壤侵蝕的定量與定性評價, 并在此基礎(chǔ)上對研究區(qū)內(nèi)的土壤侵蝕特征進行分析。 在填補興安盟地區(qū)土壤侵蝕評價研 究空白的同時, 也能為科右中旗地區(qū)土壤侵蝕治理與水土保持工作提供依據(jù)。1.3.2 研究內(nèi)容 根據(jù)研究目標,研究內(nèi)容包括以下幾個方面: 1 利用氣象資料,提 取降雨侵蝕力 因子;對土壤 圖進行數(shù)字化,提 取土壤可蝕性因子; 采用研究區(qū)內(nèi)地形圖進行數(shù)字高程的 建立, 提取坡長坡度因子; 在 TM 遙感影像 的資料 基礎(chǔ)上,提取植被覆蓋與管理因子 ,并對研究區(qū)土地利用類型進行分類 。 2 基于 用 RUSLE 模型,將各侵蝕因子進行 柵格計算, 獲得研究區(qū)年均 土壤侵蝕量。然后根據(jù)

47、水 利部頒布的 土壤侵蝕分類 分級標準 (SL190-2007 ) 對研究區(qū) 土壤侵蝕 模數(shù) 進行 分級處理 ,得到科右中旗土壤侵蝕強度分布圖。 3 對研究區(qū)侵蝕現(xiàn)狀 進 行分析,并 在此基礎(chǔ)上研 究該地區(qū)的土壤侵 蝕特征,內(nèi)容包括植被、 坡度、高程 等條件對侵蝕影像的總體特征分析。1.3.3 技術(shù)路線 具體技術(shù)路線如圖 1 所示。1.3.4 模型的選擇 本 項 研 究 采用 土 壤通 用 流 失方 程 式(RUSLE )對 研 究 區(qū) 進行 土 壤侵 蝕 的 定量 計算。RUSLE 自從上世紀八十年產(chǎn)生后,在全 球范圍內(nèi)得到了極大的普及。近些年隨著科學技術(shù)的發(fā)展與人類對水土保持工作的重視,R

48、USLE 不斷的進行完善,成為了現(xiàn)今重要的經(jīng)驗性模型, 同時在 RS 、GIS 的參與下,RUSLE 模型更具有動態(tài)性與開放性,研究精度也在很大范圍得到了提高。 RUSLE 表達式為: A fRKLSCP (1 ) 2 2式中:A?年平均土壤流失量 (t?kma);R?降雨侵蝕力因子 (MJmm?hm2 2ha); K?土壤可蝕性因子 (thmh?hmMJmm); LS? 坡長坡度因子 (無量綱) ;C? 植被覆蓋與管理因子 (無量綱) ;P?水土保持措施因子 (無量綱) ;f?224.2,美制轉(zhuǎn)國際制常數(shù)。 8 內(nèi) 蒙古科爾 沁右翼中 旗土 壤侵蝕特征 研究 遙感數(shù)據(jù) 非遙感數(shù)據(jù) TM 影像

49、處理 土壤圖、 土壤志 日降雨資料 DEM 圖 植被指數(shù) 土壤類型、 質(zhì)地 植被覆蓋度 土地利用圖 植被覆蓋與 水土保持措 土壤可蝕性 降雨侵蝕力 坡長坡度 管理 因子C 施因子 P 因子 K 因子 R 因子 LS 土壤侵蝕模 數(shù)計算 土壤侵蝕強 度分級 侵蝕特征分 析 圖 1 技 術(shù) 路 線 圖 Fig1Technology Roadmap內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè) 大學碩士 學位論文 9 1.3.5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源及處理 本項研究所用的降雨資料來源于研究區(qū)內(nèi)及周邊共計 10 個氣象站 1980 至 2010近 30 年的逐日降雨資料; 土壤類型資料為 1992 年內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤普查辦公室與內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤

50、肥料工作站聯(lián)合編制的內(nèi)蒙古自治區(qū)土壤圖, 土壤質(zhì)地與有機質(zhì)含量資料來源于 內(nèi)蒙古土壤 , 該書由內(nèi)蒙古第二次 土壤普查編委會編寫; 研究區(qū) DEM圖與 2010 年 TM 遙感影像均下載于國際科學數(shù)據(jù)服務(wù)平臺,該平臺由中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心科學數(shù)據(jù)中心建設(shè)并運行維護,數(shù)據(jù)源為國際原始數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)處理中主要用到的軟件包括:Arcgis9.3 、Arc info workstation9.3 、ENVI4.1 、Excel 、 MATLAB7.0 。 鑒于對每一個侵蝕因子在 Arcgis9.3 軟件下進行柵格計算時的準確性,本研究對每一張參與計算的柵格圖采取格式統(tǒng)一 、 坐標系統(tǒng) 一, 柵格

51、格式為 GRID , 分辨率為25m ,投影系統(tǒng)定為 UTM_WGS84_51N 。表1 研 究區(qū) 基礎(chǔ) 數(shù)據(jù) 及處 理方 法 Tab1Basic data and processing methods of study area 比例尺/數(shù)據(jù)類型 格式 處理方法 用途 分辨率 降雨資料 XLS excel 統(tǒng)計 計算降雨侵 蝕力 全區(qū)土壤圖 1:150 萬 TIFF 裁剪、矢量 化 得到土壤類 型資料 得到土壤質(zhì) 地及有機 質(zhì)資內(nèi)蒙古土壤 料 獲得研究區(qū) DEM , 計算 坡90m GRID DEM 圖 拼接、裁剪 長坡度 幾何糾正、 直方圖匹TM 影像 30m TIFF 獲得歸一化 植被指數(shù) 配、裁剪、 鑲嵌2 研究區(qū)概況 2.1 地理位置 科爾沁右翼中旗 (以 下稱科右中旗 ) 位于大興 安嶺 南麓 (圖 2) , 地處著名的科爾沁草原腹地, 隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟。 全旗人口 25.13 萬, 其中蒙古族人口占83.17% , 是 全 國