基于3s技術的土地利用變化與土壤侵蝕分布研究皇甫川流域土地利用變化與土壤侵蝕評價

基于3s技術的土地利用變化與土壤侵蝕分布研究皇甫川流域土地利用變化與土壤侵蝕評價

地球表層系統(tǒng)最重要的景觀特征是土地利用和土壤覆蓋。土地利用和覆蓋的變化與生態(tài)環(huán)境的安全水平密切相關。作為區(qū)域生態(tài)安全的重要影響因子,土壤侵蝕是導致土地資源退化、生態(tài)系統(tǒng)受損的主要原因,這種影響在世界范圍內由于土地利用/覆蓋變化強度的加劇而日益凸現(xiàn)。由此可見,土地利用/覆蓋變化與土壤侵蝕密切相關:土地利用/覆蓋變化改變原有地表植被類型及其覆蓋度和微地形,從而影響土壤侵蝕的動力和抗侵蝕阻力系統(tǒng),成為土壤侵蝕的誘發(fā)和強化因素,在區(qū)域土壤侵蝕的發(fā)展中起重要作用;土壤侵蝕的加劇反過來又限制土地利用的方式和結構,導致土地生產(chǎn)力退化,進一步激化人地矛盾。因此,有必要深入研究土地利用變化與土壤侵蝕時空動態(tài)分異規(guī)律。在土壤侵蝕與土地利用變化的交叉研究上,傳統(tǒng)的徑流小區(qū)法最早被用于研究不同土地利用類型的水土流失特征(如地表徑流系數(shù)、土壤侵蝕模數(shù)、有機質流失量等),并以此來決定土壤侵蝕模型各侵蝕因子在不同土地利用類型下的賦值。如阮伏水在福建花崗巖坡地的土壤侵蝕試驗結果表明,香根草帶間作和牧草覆蓋等土地利用方式相比于松耕具有良好的水土保持效益,而在利用USLE進行土壤侵蝕預測時未擾動自然裸露坡地的地表覆蓋因子取值應在0.1～0.3之間。王本賢等通過野外徑流觀測和有機質流失測定研究了蘇南丘陵區(qū)不同土地利用狀況的蓄水保土功能;傅伯杰等則采用在流域出口建壩觀測和樣地實測的方法,在校正LISEM(LimburgSoilErosionModel)模型的基礎上模擬了不同土地利用方案的水土流失效應。相比之下,土壤侵蝕元素示蹤法可以彌補徑流小區(qū)法不能得到區(qū)域土壤侵蝕空間分異規(guī)律的不足,能獲得不同時間跨度、不同土地利用類型的侵蝕和沉積結果。在此基礎上,楊武德等探討了紅壤坡地不同土地利用方式下土壤侵蝕的時空分布規(guī)律,并相應提出了合理的耕作制度和有效的水土保持措施。此后,隨著RS和GIS技術的興起,對傳統(tǒng)的土地利用/覆蓋變化與土壤侵蝕研究方法產(chǎn)生了巨大的變革。目視解譯作為傳統(tǒng)的遙感信息獲取和解讀方式,能最直接地獲取土壤侵蝕和土地利用/覆蓋的空間數(shù)據(jù)。據(jù)此王思遠等在對TM影響目視判讀的基礎上對我國不同土壤侵蝕下的土地利用類型、不同地貌特征下的土壤侵蝕狀況、不同土地利用結構下的土壤侵蝕進行了分析,基于GIS定量總結了我國不同土地利用背景下的土壤侵蝕空間分布規(guī)律。類似的方法在其它區(qū)域土地利用和土壤侵蝕的關系研究中得到了廣泛地應用。然而,該方法與元素示蹤法一樣,其缺陷在于無法和侵蝕因子結合,因而不能用于侵蝕動態(tài)監(jiān)測以及預報模型的建立。因此,基于“3S”的土壤侵蝕經(jīng)驗模型、土壤侵蝕遙感信息模型等逐漸受到廣泛地關注,模型的應用越來越趨向于信息的遙感獲取、非遙感數(shù)據(jù)的數(shù)字處理和GIS的時空綜合模擬,再加上土地利用/覆蓋分類及變化監(jiān)測的技術體系日趨成熟,使得土壤侵蝕與土地利用/覆蓋變化的交叉研究得到了從定性到定量、從靜態(tài)到動態(tài)、從單一描述到綜合評價、從單尺度到多尺度的迅速發(fā)展。本文在“3S”技術的支持下采用通用USLE模擬皇甫川流域近十幾年來土壤侵蝕的動態(tài)變化,在此基礎上分析流域內不同土地利用條件下土壤侵蝕規(guī)律,著重討論土地利用格局變化對區(qū)域土壤侵蝕可能產(chǎn)生的影響,從而為科學地組織人類有序活動、減輕流域土壤侵蝕提供科學決策依據(jù)。1水土流失及土地利用類型皇甫川流域位于E110.3°～111.2°、N39.2°～39.9°之間,地跨鄂爾多斯高原與黃土高原,總面積約為3240km2?；矢Υ饔驅贉貛О敫珊荡箨懶詺夂?年平均氣溫6.2～7.2℃;年平均降雨量在379～420mm之間,主要集中在夏季,6～8月份的降雨量占總降水量的61%。流域內砒砂巖大面積裸露,原生植被破壞殆盡,再加上較大的地勢高差和較強的暴雨沖刷導致水土流失十分嚴重,年平均向黃河輸送約0.5×108t泥沙,深刻影響著當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)條件。土壤母質類型為砒砂巖土類、黃土類、風沙土類、沖積土類,分別占流域面積的39.8%、41.3%、17.0%、1.9%,土壤類型相應為栗鈣土、黃綿土、風沙土、草甸土和潮土,其中大部分屬于易侵蝕類型,這也決定了該區(qū)的土壤侵蝕比較強烈。皇甫川流域屬于農(nóng)牧交錯帶,主要的土地利用類型為耕地、草地和林地,形成了以草地利用為主、耕地鑲嵌、小片林地星散分布、侵蝕溝網(wǎng)嵌套的土地利用格局。其中,流域中西部和北部的人口較為稀少又有大面積連片分布的天然草地,適合于開展草地畜牧業(yè);而東南部人口相對稠密,具備了開展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力資源,加之地形破碎、土地開墾程度高,經(jīng)濟發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主。耕地主要集中在沙圪堵、納林與府谷三鄉(xiāng),其中坡耕地占到耕地總面積的46%,但大多數(shù)坡耕地土壤含水量差、淋溶作用強、土壤肥力低、平均單產(chǎn)低。2數(shù)據(jù)和方法2.1流域110萬土壤類型圖及遙感影像特征本研究采用的基礎數(shù)據(jù)包括:流域1∶5萬的數(shù)字高程模型(DEM);1960～2000年流域各氣象站點觀測資料;流域1∶10萬土壤類型圖;流域1∶10萬土壤質地圖和遙感影像等。其中遙感數(shù)據(jù)是1987年和2000年每年3月25日、7月4日和11月20日的TM影像,空間分辨率為30m。各基礎圖件經(jīng)過幾何配準和數(shù)據(jù)重采樣后,統(tǒng)一校正到能與TM影像配合套準(RMS≤0.5像元),即柵格單元大小為30m×30m。2.2aij轉移矩陣可以全面而又具體地刻畫區(qū)域土地利用變化的結構特征與各類用地類型變化的方向,其數(shù)學形式為:Aij=∣∣∣∣∣∣A11A21?An1A12A22?An2????A1nA2n?Ann∣∣∣∣∣∣Aij=|A11A12?A1nA21A22?A2n????An1An2?Ann|式中,Aij是指k時期的i種土地利用類型轉變?yōu)閗+1時期j種土地利用類型的面積。轉移矩陣的意義在于它不僅可以反映研究期初、研究期末的土地利用類型結構,同時還可以反映研究時段內各土地利用類型的轉移變化情況,便于了解研究期初各類型土地的流失去向以及研究期末各土地利用類型的來源與構成。2.3土壤侵蝕動態(tài)模擬方法2.3.1地形坡度對重力侵蝕的影響黃土高原地表破碎且降雨集中,水蝕起著關鍵的作用,尤其是短時強降雨對地表的片蝕、溝蝕非常嚴重。另外由于地表破碎,由陡坡崩塌等造成的重力侵蝕也起著極為重要的作用,與水蝕相互復合,也是造成本區(qū)強烈溝蝕的重要動力。前人的研究成果表明:水蝕和重力侵蝕約占皇甫川流域土壤侵蝕總量的83%。相對而言,皇甫川流域的風蝕等其它侵蝕的作用較弱,所以本文對風蝕等侵蝕部分不做考慮。土壤水蝕計算采用美國的USLE方程。對皇甫川流域五分地溝的實地觀測結果表明:當?shù)匦纹露刃∮?5°時,相對于水蝕,重力侵蝕可以忽略不計;只有當?shù)匦纹露却笥?5°時,重力侵蝕才顯著增大,此時重力侵蝕值約為水蝕值的30%。因此,皇甫川流域土壤侵蝕模型的表達式為:E={R?K?L?S?C?P/0.831.3?R?K?L?S?C?P/0.83θ≤35°θ>35°E={R?Κ?L?S?C?Ρ/0.83θ≤35°1.3?R?Κ?L?S?C?Ρ/0.83θ>35°式中,E為年均土壤侵蝕量(t·hm-2a-1);R為降雨侵蝕力因子(MJ·mm·hm-2·h-1·a-1);K為土壤可蝕性因子(t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1);LS為地形因子,其中L為坡長因子,S為坡度因子;C為地表覆蓋因子;P為水土保持措施因子。2.3.2年平均植被蓋度模型參數(shù)的計算和賦值詳見表1。其中,R因子是通過建立流域降雨量與降雨侵蝕力的回歸模型并結合Kriging內插法來獲得的1;在C因子的計算過程中,考慮到流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動基本上是與自然降水同步的,植被覆蓋狀況與自然降水有密切相關,所以選擇各時段的平均Fournier指數(shù)作為加權平均因子,在利用針對TM遙感影像的亞像元模型計算3、7、11月份植被蓋度的基礎上求算年平均植被蓋度。在V的計算式中,V1、V2、V3分別表示3、7、11月份的植被蓋度;Pi和P分別是月降水量和年降水量;O、M、A、Jn、Jl、S、J和D分別代表10月、3月、4月、6月、7月、1月和12月。2.3.3模型參數(shù)設置和計算利用流域降雨、土壤質地、土壤類型及地形圖等專題圖件,輸入計算機中建立或生成研究所需的專題圖層,然后充分利用RS、GIS軟件(ERDASIMAGINE8.5和ArcInfo8.3)強大的圖層疊加和模型運算等功能,最終完成模型參數(shù)值和土壤侵蝕量的計算。具體的計算流程見圖1。3結果與分析3.1主要流域土地利用的時空分布圖2給出了皇甫川流域1987年和2000年土地利用的空間格局。由于對1987年和2000年流域土地利用分類的過程完全一樣,根據(jù)數(shù)據(jù)的獲取情況,僅對2000年的分類結果利用野外GPS數(shù)據(jù)進行精度評價,以代表整個土地利用變化監(jiān)測過程的精度。結果表明,其總精度達到75.39%,Kappa系數(shù)為0.68,能夠滿足研究要求。從圖中可以看出,草地的格局變化最為顯著,其在1987年的土地利用中占有絕對優(yōu)勢,主要分布在流域的北部和中東部;到2000年,由于長期的人類活動(包括草地的開墾、過牧、灌叢化等)以及自然環(huán)境惡化的綜合影響,西北部的草地部分被灌叢和耕地所取代,東北部的草地大部分轉變?yōu)楣鄥病⒘值睾蜕车?而中西部的草地則基本上損失殆盡,主要為灌叢所占據(jù)。裸砒砂巖在1987年集中分布在流域南部皇甫川兩岸,并散布于各級溝道的溝坡;通過十多年流域一、二期重點治理(如大面積發(fā)展沙棘等),到2000年裸砒砂巖面積大幅度縮減,主要為灌叢、林地和耕地替代,其中陜西境內皇甫川兩岸的裸砒砂巖治理效果顯著,只有零星分布。耕地面積也快速增長,其空間位置的變化主要是以河道和水域為依托向四周擴張,其中以流域北部的灌叢和草地、南部的裸砒砂巖和灌叢、東南部的灌叢的轉化最為明顯。林地變化幅度不大,流域中西部的整片林地的面積略有減小,而在東北部地區(qū)將有小片林地出現(xiàn)。1987年在流域北部、沙圪堵附近和東南部有3片沙地成片分布,到2000年北部和沙圪堵附近的沙地面積驟減,東南部的沙地則大部被治理成草地。灌叢在1987年主要分布在流域東南部,在2000年已經(jīng)向中西部和西北部得到了大面積的擴展。另外,城鎮(zhèn)用地和水體的面積在原有格局的基礎上也稍有增減。從1987年到2000年,流域土地利用數(shù)量發(fā)生了顯著的變化(表2和表3)。灌叢、耕地、林地和城鎮(zhèn)用地比例均有不同程度的增長,分別由1987年的25.88%、5.96%、3.54%和0.03%增加到2000年的34.23%、11.09%、6.80%和0.09%。其中,城鎮(zhèn)用地面積擴大幅度最為劇烈,相比1987年增長了2倍多;而灌叢的增加幅度雖然只為32.27%,但其絕對增加的面積卻是最大的,達到了270.57km2。在此期間,由于流域人口增長了16.3%,直接導致了耕地的猛增,耕地面積增加了166.33km2,到2000年占據(jù)了流域總面積的11.09%;與此同時,城市化進程和經(jīng)濟發(fā)展也推動了城鎮(zhèn)用地的劇烈擴張。草地由1987年的35.60%減少到2000年的27.08%,縮減幅度雖然只為23.95%,但由于其面積占絕對優(yōu)勢,因而極大地影響到了流域的生態(tài)環(huán)境,究其原因則是強烈的人類不合理的土地利用方式大面積地破壞草地,進而使之轉化為沙地或者使得砒砂巖裸露。水體由1987年的8.07%減至2000年的2.87%,縮減幅度為64.46%,共減少了168.63km2,這種現(xiàn)象對流域的植被恢復以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等都極為不利,可以預計愈發(fā)嚴重的人-水、畜-水矛盾將成為阻礙當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展、社會安定和生態(tài)恢復的瓶頸性因素。從土地利用各類型相互轉化來看,城鎮(zhèn)用地主要是由水體、灌叢和沙地轉變而來,其中灌叢被占用最多,而對耕地的占用相對較少,說明當?shù)刂匾暩乇Ｗo的同時卻把城鎮(zhèn)用地的需求轉移到灌叢和水體等上面;林地面積增加105.50km2,灌叢對其貢獻最大,其次是草地和裸砒砂巖,反映了20世紀80年代以來小流域綜合治理大力發(fā)展林果業(yè)的成果,其中草地和灌叢上主要栽種經(jīng)濟林,裸砒砂巖則以生態(tài)林為主;沙地的治理效果也非常明顯,其中有近100.42km2的沙地被治理成了草地,而對裸砒砂巖的治理基本上灌、草措施為主,同時加強耕作措施的維護。3.2土壤侵蝕評價3.2.1流域土壤侵蝕強度圖3給出了2000年流域USLE中各侵蝕因子的空間分布,將各因子代入USLE方程連乘,繼而得到基于柵格的流域土壤侵蝕模數(shù)圖(1987年土壤侵蝕模擬過程同上)。結果顯示,流域1987年和2000年的土壤侵蝕模數(shù)分別為16160.72t/km2和13943.32t/km2。在此基礎上,根據(jù)水利部頒布的《(SLl90-96)土壤侵蝕分類分級標準》進行土壤侵蝕強度的劃分,得到流域的土壤侵蝕強度圖(圖4),并統(tǒng)計了不同時期流域各土壤侵蝕等級的面積(表4)。從圖4和表6可以看出,從1987年到2000年,微度侵蝕和輕度侵蝕的面積分別由1066.28km2和558.90km2增加到了1546.13km2和704.70km2,其中微度侵蝕的增長幅度達到14.81%;中度侵蝕一直到劇烈侵蝕的面積都呈減少趨勢,其中除劇烈侵蝕外其余侵蝕等級的縮減比例都在5%以上;從空間上看,流域南部地區(qū)極強度侵蝕和劇烈侵蝕的面積顯著減少,顯示了當?shù)厮亮魇ЬC合治理的良好成效。究其原因,則是由于隨著皇甫川流域一期及二期一階段水土流失重點治理的開展,以林地、灌叢措施為主的植被恢復取得了良好的效果,土地利用格局變化劇烈,其中林地、灌叢所占比例大幅度上升而裸砒砂巖和沙地面積減少,同時耕地的開墾和耕作也注重了水土保持措施的加強,使得自上而下系統(tǒng)完善的綜合措施防護體系水土保持功能顯著,從而使整個流域的年土壤侵蝕模數(shù)相比1987年減少了近2220t/km2。但是也應看到,2000年土壤侵蝕模數(shù)仍遠高于流域的土壤允許侵蝕臨界值(即3700～6300t/km2),在今后較長的時間內,流域的土壤侵蝕仍將維持在較高的水平上,其對生態(tài)安全的威脅不可小視。3.2.2土地利用類型的動態(tài)變化從流域不同土地利用類型的年平均土壤侵蝕模數(shù)來看(表5),2000年沙地的侵蝕模數(shù)比1987年增加了近3892t/km2,其余類型則呈現(xiàn)下降趨似,其中裸砒砂巖減少了近3500t/km2,其次為灌叢和林地,分別比1987年減少了640.99t/km2和444.99t/km2,草地則減少了397.96t/km2。此外,在6種不同土地利用類型之間,同一年份內土壤侵蝕模數(shù)的大小順序基本保持為裸砒砂巖>沙地>耕地>草地>林地>灌叢,表明林地、灌叢措施是流域植被恢復和減少土壤侵蝕的首選,草地減小土壤侵蝕的效果也比較明顯,而沙地尤其是分布面積較廣的裸砒砂巖則是土壤侵蝕綜合治理的難題和關鍵。表6給出了1987年和2000年流域各土地利用類型中各侵蝕等級面積分布的統(tǒng)計情況。從中可以看出,對于林地、灌叢、草地和耕地4種類型,從面積分配上看主要處于微度侵蝕到中度侵蝕的水平;而沙地和裸砒砂巖則相反,其大部分均處于極強度侵蝕和劇烈侵蝕的狀況,是控制流域整體土壤侵蝕狀況的關鍵類型。從變化趨勢上看,林地、灌叢、草地和耕地在此3a間對應的微度侵蝕面積均呈明顯的增長趨勢,灌叢增加最大,其次為草地和耕地,林地最小,其中灌叢2000年的微度侵蝕面積比1987年增加了272.73km2,占據(jù)了流域總面積的近三分之一;林地、灌叢和草地的輕度侵蝕面積的變化趨勢是先增大、后減小,而耕地與此相反;對于中度侵蝕到劇烈侵蝕面積的變化,除林地的劇烈侵蝕面積在2000年稍有反彈外,林地、灌叢、草地和耕地都基本上保持逐年減少的態(tài)勢,由于這4種土地利用類型在上述4種侵蝕等級上所占的面積比例不大,因而對土壤侵蝕的影響并不明顯。此外,沙地和裸砒砂巖在中度侵蝕一直到劇烈侵蝕上的面積都保持遞減趨勢,其中劇烈侵蝕面積分別從1987年的92.60km2和414.68km2減少到2000年的69.62km2和382.38km2。上述分析結果表明,隨著侵蝕強度的增加,林地、灌叢、草地和耕地的侵蝕面積在逐漸減少,而沙地和裸砒砂巖的侵蝕面積在逐漸增加,說明長期以來皇甫川流域按當?shù)赝寥狼治g特點進行分類型區(qū)的綜合水保防治取得了良好的成效。3.2.3長川流域土壤侵蝕模數(shù)由于研究區(qū)水文數(shù)據(jù)的限制,選取皇甫川流域的子流域——長川流域(流域面積為523.77km2)來檢驗基于“3S”技術的土壤侵蝕模擬的精度。在長灘水文站(位于流域出口)1987年汛期逐日平均懸移質輸沙率數(shù)據(jù)(表7)的基礎上,統(tǒng)計得到長川流域當年的年輸沙量為2.81×106t,又根據(jù)黃土高原地區(qū)土壤侵蝕的特點(即坡面土壤侵蝕產(chǎn)沙的輸移比約為1),可計算出長川流域1987年土壤侵蝕模數(shù)的實測值為5364.95t/km2;而長川流域1987年土壤侵蝕模數(shù)的模擬值則通過利用該流域邊界對皇甫川流域土壤侵蝕模數(shù)圖進行切割來獲取,其值為6923.01t/km2。比較1987年長川流域土壤侵蝕的實測值和模擬值可以看出,本文采用的土壤侵蝕“3S”模擬方法的精度達到了70.96%。4土地利用變化的土壤侵蝕評價的應用前景分析(1)土地利用變化是導致流域土壤侵蝕變化、乃至影響區(qū)域生態(tài)安全的重要因素,通過對模擬和預測的土地利用變化進行定量的土壤侵蝕評價,可以為土地資源利用和管理、水土保持綜合治理提供決策依據(jù)。本文在“3S”技術的支持下,揭示了皇甫川流域近十多年來土地利用格局的變化,同時又采用通用土壤侵蝕模型對不同土地利用格局下的土壤侵蝕變化進行了定量評價(1987年流域土壤侵蝕模擬精度達到70.96%),完善了土地利用變化的土壤侵蝕評價技術體系,具有廣闊的應用前景。(2)從1987年到2000年,皇甫川流域土地利用變化的總體態(tài)勢是:城鎮(zhèn)用地、林地、耕地和灌叢的面積逐漸增加,其增加速率依次減小;水體、草地、沙地和裸砒砂巖面積逐漸減小,其中水體縮減的幅度最大。表明近十幾年來,流域土地利用格局持續(xù)承受著來自