農(nóng)墾區(qū)土壤侵蝕及生態(tài)效益監(jiān)測項(xiàng)目技術(shù)方案

農(nóng)墾區(qū)土壤侵蝕及生態(tài)效益監(jiān)測項(xiàng)目技術(shù)方案總體實(shí)施方案查閱國內(nèi)外土壤侵蝕模型相關(guān)文獻(xiàn)，研究土壤侵蝕模型，并根據(jù)模型運(yùn)行要求，收集新疆兵團(tuán)五期（80年代至今）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)，成果數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料等，結(jié)合兩次野外調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)，以一期（2010年）數(shù)據(jù)為例，提取模型所需相關(guān)因子進(jìn)行模型試運(yùn)行，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析；基于成功運(yùn)行的土壤侵蝕模型，開發(fā)模型軟件，應(yīng)用于其他四期的土壤侵蝕監(jiān)測中；以五期多源遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取農(nóng)墾區(qū)界線及土地利用類型，分析其變化規(guī)律，并與提取的相應(yīng)時(shí)期的土壤侵蝕結(jié)果對比，分析農(nóng)墾區(qū)對土壤侵蝕的影響狀況。綜合各種相關(guān)資料，選取研究示范區(qū)水土保持生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)，建立指標(biāo)體系，并提取五期水土保持生態(tài)效益指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)時(shí)期的水土保持措施情況，分析水土保持生態(tài)效益的變化規(guī)律，從而完成項(xiàng)目工作報(bào)告。技術(shù)流程土壤風(fēng)蝕定量監(jiān)測土壤風(fēng)蝕模型選取與修正通過對國內(nèi)外文獻(xiàn)的大量查閱，發(fā)現(xiàn)國外模型中沒有一種適合研究區(qū)特點(diǎn)的模型，繼而轉(zhuǎn)向國內(nèi)研究，近年來，隨著國內(nèi)學(xué)者在野外風(fēng)蝕觀測、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M和數(shù)學(xué)模型理論研究方面的不斷積累和努力，國內(nèi)學(xué)者站在我國自身角度也提出了不少模型，最終基于中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所提出的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)上，選擇了該模型的大田推廣模型。該模型是通過各類地表在不同植被和風(fēng)力條件下計(jì)算土壤風(fēng)蝕模數(shù)的估算方法。具體說，是將非風(fēng)蝕地表類型（如水體、道路、城鎮(zhèn)用地等）以外的易風(fēng)蝕地表劃分為耕地、林（草）地（包含退耕地）、沙地三大類，分別針對不同地表類型估算土壤風(fēng)蝕量。原模型共分為三個(gè)子模型，耕地模型，林草地模型和沙地模型，分別為：（1）耕地模型（2）林草地模型（3）沙地模型結(jié)合研究區(qū)概況和風(fēng)蝕影響因素的綜合分析，對三個(gè)子模型分別進(jìn)行了修正。由于研究區(qū)極端干旱農(nóng)墾區(qū)的氣候特點(diǎn)和耕作制度（耕地采用引水灌溉方法），加入土壤含水量因子（根據(jù)土壤含水率等級，對土壤含水量因子賦值），對風(fēng)蝕起到阻礙作用；不同的土地利用類型中，土壤質(zhì)地（粒徑大于0.84mm，則對風(fēng)蝕起到阻礙作用，根據(jù)粒徑含量的百分比進(jìn)行S因子的賦值（0-1之間））不同，對風(fēng)蝕的阻礙作用也不同，故加入；干旱農(nóng)墾區(qū)為保護(hù)性農(nóng)田，在農(nóng)田田埂周圍種植防護(hù)林，對風(fēng)蝕同樣起到阻礙作用，在公路兩邊，設(shè)計(jì)草方格等沙障措施，對風(fēng)蝕起到阻礙作用，故加入P因子（根據(jù)防護(hù)林和沙障對風(fēng)蝕的影響強(qiáng)度和影響范圍，給P因子賦值）。修正后的土壤風(fēng)蝕定量模型仍然由三個(gè)模型公式組成，分別為耕地模型、林草地模型和沙地模型。具體模型公式如下：（1）耕地模型修正后為：式中：為耕地模型區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/hm2·a]；是大于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速（指氣象站統(tǒng)計(jì)的整點(diǎn)風(fēng)速）；為風(fēng)蝕活動(dòng)發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為Ui的累積時(shí)間（min）；第一個(gè)風(fēng)速（大于臨界侵蝕風(fēng)速）等級為5.0-6.0m/s，取平均值5.5m/s，第二個(gè)風(fēng)速等級為6.0-7.0m/s，取平均值6.5m/s，……。是最大風(fēng)速（指氣象站統(tǒng)計(jì)的整點(diǎn)風(fēng)速）；a1、b1、c1為與土壤類型有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，暫取-9.208、0.018、1.955；為尺度修訂系數(shù)，約為0.0018；A為風(fēng)速修訂系數(shù)，計(jì)算耕地模型區(qū)風(fēng)蝕模數(shù)時(shí)需要利用當(dāng)?shù)貧庀笳居涗浀娘L(fēng)速資料，風(fēng)洞軸線風(fēng)速與氣象站10米觀測高度測定的風(fēng)速有一定的差距，因此應(yīng)將氣象站記錄的風(fēng)速換算為風(fēng)洞軸線風(fēng)速，在假定風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)動(dòng)力相似得到保證的前提下，A是與下墊面有關(guān)的風(fēng)速修訂系數(shù)。（2）林草地模型修正后為：式中：為林草地模型區(qū)林草地土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/hm2·a]；是大于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速（指氣象站統(tǒng)計(jì)的整點(diǎn)風(fēng)速）；為風(fēng)蝕活動(dòng)發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為的累積時(shí)間（min）；為為尺度修訂系數(shù)，約為0.0018；A為風(fēng)速修訂系數(shù)；a2、b2、c2為與土壤類型有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，暫取2.4869、-0.0014、-54.9472。（3）沙地模型修正后為：式中：為沙地模型區(qū)土壤風(fēng)蝕模數(shù)[t/hm2·a]；是大于臨界侵蝕風(fēng)速的第j級風(fēng)速（指氣象站統(tǒng)計(jì)的整點(diǎn)風(fēng)速）；沙地=5.5m/s；為風(fēng)蝕活動(dòng)發(fā)生月份內(nèi)風(fēng)速為的累積時(shí)間（min）。為尺度修訂系數(shù)，約為0.0018，A為風(fēng)速修訂系數(shù)；VC為植被覆蓋度（%）；a3、b3、c3為與土壤類型有關(guān)的常數(shù)項(xiàng)，暫取6.1689、-0.0743、-27.9613。關(guān)于修正模型的說明：第一，所采用的風(fēng)蝕模型沒有考慮地形的作用。在風(fēng)蝕過程中，地形的作用遠(yuǎn)不如在水蝕過程中那樣顯著。第二，所采用的風(fēng)蝕模型沒有考慮林地和草地的區(qū)別，即將林、草地風(fēng)蝕模數(shù)按相同的風(fēng)蝕模數(shù)計(jì)算。第三，模型將除沙地以外的未利用地作為相當(dāng)植被蓋度下的林（草）地處理。修正后的模型更能反映干旱農(nóng)墾區(qū)風(fēng)蝕的特點(diǎn)，能更準(zhǔn)確真實(shí)地反映其風(fēng)蝕狀況，提高模型在極端干旱農(nóng)墾區(qū)的計(jì)算精度。根據(jù)模型運(yùn)行特點(diǎn)，將模型區(qū)總共劃分為四大類，分別為耕地模型區(qū)，林草地模型區(qū)（包含未利用地，不包含沙地），沙地模型區(qū)和非風(fēng)蝕地表模型區(qū)。但通常在河流水面、灘涂、水庫水面、建筑用地、坑塘水面、農(nóng)田利用地等非風(fēng)蝕地表類型，往往是風(fēng)沙堆積和沙塵沉降的區(qū)域，幾乎不會發(fā)生風(fēng)蝕，其土壤風(fēng)蝕量可視為零，故可采用GIS的空間分析功能，將以上地表類型摳除，使其不參與風(fēng)蝕量計(jì)算中，一方面提高了模型運(yùn)算的效率，另一方面也提高了模型計(jì)算精度，因此本報(bào)告中將只討論耕地模型區(qū)、林草地模型區(qū)和沙地模型區(qū)三種類型。野外調(diào)查野外調(diào)查共分三次第一次（野外調(diào)查為主）：2010年10月28日至2010年11月17日，按照隨機(jī)抽樣的方式，產(chǎn)生13個(gè)抽樣單元，對新疆兵團(tuán)農(nóng)一師墾區(qū)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查，包括土壤特性、土壤含水量、樣區(qū)內(nèi)的植被蓋度及高度情況、作物高度及作物殘茬高度、連續(xù)觀測記錄每月測釬高度變化情況。第二次（野外調(diào)查為主）:2011年4月9日至2011年6月17日，按照隨機(jī)抽樣的方式，產(chǎn)生48個(gè)抽樣單元，對新疆兵團(tuán)農(nóng)一師墾區(qū)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查，包括周圍地表狀況、土地利用、植被蓋度、土壤含水量、土壤質(zhì)地、地表粗糙度、風(fēng)蝕措施等。第三次（資料收集為主）：2011年7月-2012年6月包括各團(tuán)年鑒資料、各團(tuán)氣象數(shù)據(jù)、各團(tuán)團(tuán)志資料、土地利用變化。數(shù)據(jù)預(yù)處理1、數(shù)據(jù)源獲取1）遙感影像數(shù)據(jù)（1）1976年左右的LandsatMSS數(shù)據(jù)（8、9、10月）（2）1990年左右數(shù)據(jù)（LandsatTM）（7、8、9、10月）（3）2000年左右數(shù)據(jù)（LandsatETM）（6、8、9、10月）（4）2006年左右數(shù)據(jù)（LandsatETM）（5、6、9、10月）（5）2006年SPOT數(shù)據(jù)（7，8月份）（6）2010年HJ數(shù)據(jù)（3-6月份和9-11月份）2）矢量數(shù)據(jù)（1）2006年土地利用數(shù)據(jù)（人工數(shù)字化結(jié)果）（2）2006年植被蓋度數(shù)據(jù)（人工數(shù)字化結(jié)果）（3）2006年土壤侵蝕數(shù)據(jù)（人工數(shù)字化結(jié)果）（4）農(nóng)一師團(tuán)界數(shù)據(jù)3）野外調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)（1）1976、1990、2000、2006和2010年一團(tuán)和五團(tuán)氣象數(shù)據(jù)（2）2010和2011年風(fēng)蝕模型因子野外監(jiān)測數(shù)據(jù)（地表粗糙度、土壤質(zhì)地、植被蓋度、土壤含水量、風(fēng)蝕措施）4）新疆兵團(tuán)農(nóng)一師年鑒與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)2、數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)收集包括所有應(yīng)用于項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，遙感數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料等。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括文檔資料整理，信息統(tǒng)計(jì)，空間數(shù)據(jù)信息的屬性信息檢查修正，投影信息統(tǒng)一，遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理等。五期遙感數(shù)據(jù)（1976、1990、2000、2006和2010年）經(jīng)過幾何校正或正射校正，波段疊加，輻射定標(biāo)，反射率計(jì)算，植被指數(shù)計(jì)算，拼接，裁剪進(jìn)行預(yù)處理；氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)一師年鑒通過手工錄入計(jì)算機(jī)，得到電子版數(shù)據(jù)；2010和2011年風(fēng)蝕模型因子野外監(jiān)測數(shù)據(jù)（地表粗糙度、土壤質(zhì)地、植被蓋度、土壤含水量、風(fēng)蝕措施）經(jīng)過處理后錄入計(jì)算機(jī)得到電子版，再在ArcGIS中建立相應(yīng)字段并為整個(gè)研究區(qū)所有土地利用類型賦值。土壤風(fēng)蝕定量模型因子提取需要提取的土壤風(fēng)蝕模型因子有風(fēng)力因子，土壤含水量因子，土壤質(zhì)地因子，植被蓋度因子，地表粗糙度因子，風(fēng)蝕措施因子等。土地利用類型圖人工目視解譯五期遙感影像圖獲得。風(fēng)力因子計(jì)算為了對氣象站逐日4次（2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)）觀測的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)進(jìn)行空間內(nèi)插和外推計(jì)算。首先采用線性插值的方法，得到24小時(shí)整點(diǎn)風(fēng)速估計(jì)值，然后按1m/s間隔統(tǒng)計(jì)全年≥5m/s的各等級風(fēng)速的累積時(shí)間。根據(jù)公式（Ⅰ）計(jì)算相鄰兩個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻的風(fēng)速：（Ⅰ）式中：t1、t2—逐日4次風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)表中相鄰兩個(gè)風(fēng)速記錄的時(shí)刻（2時(shí)、8時(shí)、14時(shí)、20時(shí)）；t—t1～t2之間的整點(diǎn)時(shí)間；Ui—與ti相對應(yīng)的整點(diǎn)風(fēng)速（m/s）；Ut1—與t1相對應(yīng)的風(fēng)速（m/s）；Ut2—與t2相對應(yīng)的風(fēng)速（m/s）；按1m/s間隔統(tǒng)計(jì)全年≥5m/s（5.0～5.9m/s、6.0～6.9m/s、7.0～7.9m/s、……最高風(fēng)速統(tǒng)計(jì)到該氣象站點(diǎn)記錄到的最大風(fēng)速）的各等級風(fēng)速的累積時(shí)間。如統(tǒng)計(jì)全年5.0～5.9m/s風(fēng)速發(fā)生的頻數(shù)，每次代表1小時(shí)，按下式換算為該等級風(fēng)速的累積時(shí)間。累積時(shí)間=頻數(shù)×1hr/次×60min/hr為便于計(jì)算，介于5.0～5.9m/s的風(fēng)速等級取平均值U＝5.5m/s，6.0～6.9m/s的風(fēng)速等級取平均值U＝6.5m/s，依此類推。考慮到風(fēng)力因子在空間上的變化是漸進(jìn)的，即風(fēng)速和風(fēng)向在空間上是逐漸變化的，相鄰氣象站之間的風(fēng)速和風(fēng)向變化呈逐漸過渡關(guān)系?；谝陨显恚\(yùn)用距離倒數(shù)算法自主開發(fā)程序進(jìn)行空間插值，并將每個(gè)氣象站點(diǎn)作為空間上的一個(gè)點(diǎn)，生成1976、1990、2000、2006和2010年3～6月和9～11月的每月不同風(fēng)力等級風(fēng)速累計(jì)時(shí)間的30m分辨率柵格圖。土壤含水量因子計(jì)算對于2010年土壤含水量因子的計(jì)算，可根據(jù)野外實(shí)測根據(jù)公式（Ⅱ）計(jì)算土壤含水量(Ⅱ)式中：m0—烘干空鋁盒質(zhì)量（g）；m1—烘干前鋁盒及土樣質(zhì)量（g）；m2—烘干后鋁盒及土樣質(zhì)量（g）；對于1976年、1990年、2000年和2006年的土壤含水量推算，采用如下估算方法：由于塔里木盆地平原農(nóng)業(yè)區(qū)為干旱區(qū)，原始土壤多為荒漠土，普遍含鹽，這里年降水量通常小于100mm，年蒸發(fā)量2200-2900mm，農(nóng)業(yè)全部依靠灌概，是典型的干早灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤含水量影響因素較多，主要有氣象（特別是日照數(shù)和降雨量）、作物、土壤質(zhì)地、灌溉田間管理，但在本研究中，只考慮灌溉、蒸散發(fā)和降雨量三個(gè)主要因素。依據(jù)是否灌溉，首先將土地利用類型圖分成兩大類，一種為非灌溉土壤，一種為灌溉土壤。因?yàn)檠芯繀^(qū)域范圍較大，不可能對每年每月每天每個(gè)點(diǎn)的土壤含水量進(jìn)行實(shí)地測定，因此考慮采用氣候資料，通過降雨、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，關(guān)鍵在于蒸散發(fā)的計(jì)算，它是水量平衡中的重要參數(shù)，對模型參數(shù)優(yōu)選結(jié)果和模擬精度的影響很大。對于非灌溉土壤類型（主要有有林地、水土保持林、天然草地、荒草地、鹽堿地、裸土地、裸巖石礫地、固定沙地、半固定沙地和流動(dòng)沙地十類），只考慮降水和蒸發(fā)對其土壤含水量的影響。對于灌溉土壤類型（主要有灌溉水田、水澆地、果園和人工草地四類），只考慮降水、蒸發(fā)和灌溉三個(gè)主要因素對土壤含水量的影響。少量降雨對土壤含水量影響不大，但降雨量較大時(shí)，在短時(shí)間（一般持續(xù)1-2天）對土壤水分影響比較明顯。而灌溉通常情況下則可以持續(xù)7天左右。據(jù)以上分析，土壤含水量因子提取流程圖如下：圖2-1土壤含水量因子提取流程圖（1）對于非灌溉性土壤，首先根據(jù)平均氣溫，找出氣溫與蒸發(fā)量之間的關(guān)系，通過擬合回歸，關(guān)系式如下：ET=49.158*EXP(0.0835*T)（式中：ET為蒸發(fā)量，T為平均氣溫，單位為℃，ET單位為mm）。由此得出蒸發(fā)量，然后根據(jù)2010年的降水量、蒸發(fā)量和實(shí)測土壤含水量值，通過線性擬合回歸，得到關(guān)系式如下：y=0.0183x1-0.0009x2+1.2771，（式中：y表示土壤含水量，x1表示降水量，x2表示蒸發(fā)量，所有值的單位均為mm）。（2）對于灌溉性土壤，以2010年降雨量、蒸發(fā)量和灌溉量作為自變量，土壤含水量作為因變量，擬合回歸公式如下：y=0.1216x1-0.0248x2+0.0100x3+6.7640，（式中：y表示土壤含水量，x1表示降雨量，x2表示蒸發(fā)量，x3表示灌溉量）。土壤質(zhì)地因子計(jì)算土壤中粒徑小于0.84mm的顆粒最容易發(fā)生風(fēng)蝕（Chepil，1955）。在衡量不同土地利用類型的抗風(fēng)蝕能力時(shí)，值越大表明該土地利用類型的土壤抗風(fēng)蝕能力越強(qiáng)。通過對野外調(diào)查監(jiān)測過程中選取的幾種具有代表性的土地利用類型的土樣，通過環(huán)刀法沿S型取五處表層（0-5cm深度內(nèi)）土壤，進(jìn)行取樣分析，用20目手動(dòng)土壤篩篩選出小于0.84mm土壤顆粒，然后用天平稱重，從而得到其土壤粒徑組成情況以及不同土地利用類型的不可蝕性顆粒（>0.84mm）所占質(zhì)量百分比。式中：m1—不可蝕性顆粒的質(zhì)量（g）；m—土樣質(zhì)量（g）；地表粗糙度因子計(jì)算地表粗糙度Z0是耕地模型運(yùn)行必不可少的因子。隨著作物的生長，高度和蓋度會發(fā)生變化，其地表粗糙度值也會相應(yīng)發(fā)生變化，在水澆地（棉花）、小麥和新墾地三種土地利用類型下于2010年3-6月和9-11月進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。對于2010年地表粗糙度的計(jì)算，采用如下方法：先對風(fēng)速求平均，再根據(jù)公式（Ⅲ）得到下墊面地表粗糙度。（Ⅲ）其中，Z1,Z2為兩個(gè)觀測高度，V1,V2為兩個(gè)觀測高度上的風(fēng)速。對于1976年、1990年、2000年和2006年的地表粗糙度，采用作物高度估算的方法。首先通過野外調(diào)查實(shí)測，結(jié)合研究區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)狀況，記錄主要作物（棉花、水稻、玉米、小麥）每月生長高度。然后對每月作物的高度求平均，估測每月作物平均高度。查閱《空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度》文獻(xiàn)，得知植被覆蓋地表的空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度公式，其中玉米地表粗糙度Z0=0.025*H^(1.1)，其他作物地表粗糙度Z0=0.04*H^(1.417)。參考第一次全國水利普查不同下墊面粗糙度值，耙平無壟農(nóng)田地表粗糙度為0.06，留茬無壟農(nóng)田地表粗糙度為0.18，通過對研究區(qū)調(diào)查和分析，水稻（10月至次年3月）、棉花（11月至次年3月）、玉米（10月至次年4月）、小麥（9月至10月）收割后均留茬，水稻和棉花在4月上旬至中旬留茬，4月中旬至下旬翻耕，故地表粗糙度取兩者平均，確定為0.12。植被蓋度因子計(jì)算包括五期（1976、1990、2000、2006和2010年）遙感數(shù)據(jù)的幾何校正或正射校正，波段疊加，輻射定標(biāo)，反射率計(jì)算，植被指數(shù)計(jì)算，拼接，裁剪，植被蓋度計(jì)算，地表覆蓋因子計(jì)算等。植被蓋度因子（C）描述了植被對土壤風(fēng)蝕的影響。C因子代表了農(nóng)作物、土地覆蓋、生物量、干擾土特性等因子，主要反映植被、作物對土壤侵蝕量的影響，C因子都小于或等于1，其相對變化范圍較其它因子大。在植被蓋度提取預(yù)處理工作完成以后，我們選擇歸一化差分植被指數(shù)（NDVI）反演植被蓋度的方法。首先需要計(jì)算歸一化植被指數(shù)，該指數(shù)是近紅外波段與紅光波段反射率比值的一種變換形式，即：（IV）具體的處理過程中會出現(xiàn)NDVI大于1和小于-1的情況，故在ERDAS中建模，CONDITIONAL{(ndvi<-1)-1,(ndvi>1)1,(-1=<ndvi<=1)ndvi)}，將大于1的數(shù)據(jù)改為1，小于-1的數(shù)據(jù)改為-1。然后，通過基于植被指數(shù)的方法來反演植被蓋度，其常用方法為——像元二分法，公式(V)計(jì)算植被蓋度。（V）式中，NDVImax和NDVImin為純植被與純土壤的植被指數(shù)；NDVI為待求象元的植被指數(shù)。在此，通過NDVI直方圖（可由ERDAS影像窗口中的attribute導(dǎo)出統(tǒng)計(jì)）確定植被整個(gè)生長季NDVI的最大值和最小值，分別為NDVImax和NDVImin。最大植被指數(shù)和最小植被指數(shù)的確定，非常關(guān)鍵，其精度將影響到研究區(qū)植被蓋度提取的準(zhǔn)確性，在實(shí)際操作過程中，由于3~6和9~11月植被長勢變化較大，因而反映到植被蓋度反演圖像中的亮度最亮和亮度最低的位置以及范圍就會有所不同，為保證驗(yàn)證精度，我們通過野外實(shí)地調(diào)查并拍照的方法，找到最亮像元和最暗像元所在位置，根據(jù)其當(dāng)?shù)刂脖桓采w度的實(shí)際情況確定出NDVImax和NDVImin。模型運(yùn)行要求每個(gè)月的植被蓋度數(shù)據(jù)，對于遙感數(shù)據(jù)資料不全的1976年、1990年、2000年和2006年植被蓋度因子的計(jì)算，采用2010年各月植被蓋度數(shù)據(jù)為參考，為不同地物類型計(jì)算蓋度平均值，并根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)，為不同地物類型賦平均值作為該月份的研究區(qū)域的植被蓋度數(shù)據(jù)。通過前四期相應(yīng)月份的植被蓋度數(shù)據(jù)與2010年相應(yīng)月份植被蓋度數(shù)據(jù)的映射，得到前四期各月的植被蓋度數(shù)據(jù)。風(fēng)蝕措施因子計(jì)算風(fēng)蝕措施因子就是指為有效防止土壤風(fēng)蝕，所采取的措施，主要分為兩大類人工措施和自然措施。風(fēng)蝕措施包括工程措施、林草措施和保護(hù)性耕作措施；對于風(fēng)沙地區(qū)工程措施主要采用機(jī)械沙障和化學(xué)固沙等方法；林草措施即生物措施，主要是通過造林、種草以及封山育林、育草等措施，提高植被覆蓋率；保護(hù)性耕作措施較常見的有帶狀間作、溝壟耕作、深耕免耕、留茬覆蓋、豆科牧草種植，如苜蓿等，從而改良土壤結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕能力。新疆兵團(tuán)農(nóng)一師墾區(qū)地處塔克拉瑪干沙漠北緣，根據(jù)野外調(diào)查和搜集資料總結(jié)出新疆兵團(tuán)農(nóng)一師墾區(qū)采取的防治土壤風(fēng)蝕措施包括經(jīng)濟(jì)林、農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)、護(hù)路林、防風(fēng)固沙林、沙漠公路兩側(cè)機(jī)械沙障、溝壟耕作措施、地膜覆蓋措施、帶狀間作措施、作物留茬、深耕和種植豆科牧草11種風(fēng)蝕措施。參照國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和研究，為每種風(fēng)蝕措施類型確定其估算值，并給每種土地利用類型賦相應(yīng)的風(fēng)蝕措施值，從而將風(fēng)蝕措施因子面域化。土壤風(fēng)蝕模型運(yùn)行圖2-2土壤風(fēng)蝕模型運(yùn)行方式針對修正后的土壤風(fēng)蝕定量模型中不同模型參數(shù)特點(diǎn)，進(jìn)行大量野外調(diào)查、取樣分析以及實(shí)地風(fēng)蝕量監(jiān)測，并通過新疆兵團(tuán)農(nóng)一師大風(fēng)和沙塵暴天氣歷史資料分析，確立風(fēng)蝕發(fā)生時(shí)段為3-6月和9-11月，從而為下一步模型修正結(jié)果的驗(yàn)證、模型尺度修正系數(shù)的調(diào)整，以及各風(fēng)蝕影響因子的提取奠定基礎(chǔ)。由于遙感數(shù)據(jù)資料的限制，模型運(yùn)行步長設(shè)置為以月為時(shí)間尺度，三個(gè)子模型分別計(jì)算3-6月和9-11月的月土壤風(fēng)蝕模數(shù)，累加得到年土壤風(fēng)蝕模數(shù)，最后乘以各自模型區(qū)的面積，從而計(jì)算出整個(gè)農(nóng)墾區(qū)的年土壤風(fēng)蝕量。土壤風(fēng)蝕模型驗(yàn)證本研究選取的土壤風(fēng)蝕模型主要是對各類地表土壤風(fēng)蝕模數(shù)的估算，修正后能夠預(yù)報(bào)新疆地區(qū)不同風(fēng)力、不同植被狀況下的月土壤風(fēng)蝕量，進(jìn)而預(yù)報(bào)不同年份的土壤風(fēng)蝕量。具體說，是將易風(fēng)蝕地表劃分為耕地、林草地、沙地三大類，分別針對不同地表類型估算土壤風(fēng)蝕量。為了對修正模型的適用性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過野外調(diào)查通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，研究區(qū)氣象、水文、土壤數(shù)據(jù)，用土壤風(fēng)蝕模型計(jì)算出每月的土壤風(fēng)蝕量，將研究區(qū)2010年土壤風(fēng)蝕模型計(jì)算結(jié)果和2010年野外調(diào)查實(shí)際測量的月土壤風(fēng)蝕量進(jìn)行對比分析。通過模擬結(jié)果與2010年實(shí)際測量的月土壤風(fēng)蝕量的對比分析，來驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確度。土壤風(fēng)蝕動(dòng)態(tài)變化分析以五期多源遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取研究區(qū)界線及種植類型，分析其變化規(guī)律，與提取的相應(yīng)時(shí)期土壤侵蝕結(jié)果對比分析，分析其對土壤侵蝕的影響狀況，并結(jié)合野外實(shí)測數(shù)據(jù)與土壤風(fēng)蝕模型運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)因子動(dòng)態(tài)變化、土壤風(fēng)蝕模數(shù)和風(fēng)蝕強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化情況。墾區(qū)建設(shè)對土壤侵蝕影響研究結(jié)合野外實(shí)測數(shù)據(jù)與土壤風(fēng)蝕模型運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)，分析研究區(qū)5期墾區(qū)的面積變化與土壤風(fēng)蝕的變化，總結(jié)墾區(qū)建設(shè)對土壤侵蝕影響變化規(guī)律。水土保持生態(tài)效益評價(jià)研究區(qū)水土保持及荒漠化防治概況兵團(tuán)墾區(qū)水土保持的具體治理工作主要為防風(fēng)治沙、防洪治水、改良鹽堿地三大方面。表現(xiàn)在以下幾方面：(1)防風(fēng)治沙體系趨于完善，防護(hù)范圍不斷擴(kuò)大；(2)防洪護(hù)岸，河道整治力度不斷加大；(3)改良鹽堿地技術(shù)提高，防止鹽堿化措施加強(qiáng)（資料來源于《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持規(guī)劃-報(bào)批稿》）。兵團(tuán)自成立以來，在原有的荒漠戈壁上營造450萬hm2的綠洲生態(tài)系統(tǒng)，極大地改善了兵團(tuán)墾區(qū)范圍內(nèi)水土流失狀況，綠洲生態(tài)系統(tǒng)的建成有效地阻止了風(fēng)沙對人類的侵害，阻止洪水對人類的威脅，為兵團(tuán)的建設(shè)發(fā)展?fàn)I造了良好的生態(tài)環(huán)境。2000-2010年水土保持治理措施規(guī)劃中提出：新增治理措施面積87.04萬hm2，其中新建改造農(nóng)田防護(hù)林5.4萬hm2，新建改造防風(fēng)固沙林15.6萬hm2，新建經(jīng)濟(jì)林2.64萬hm2，人工種草0.6萬hm2，改良草場3萬hm2，鹽堿地改良17.9萬hm2，退耕還林(草)5.2萬hm2，封禁36.02萬hm2，其它措施0.68萬hm2。工程措施有護(hù)岸工程200km，小型水保工程360處（資料來源于《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水土保持規(guī)劃-報(bào)批稿》）。水土保持生態(tài)效益及評價(jià)的意義生態(tài)效益是水土流失治理綜合效益的重要組成部分，是生物種群能力、物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率及維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定能力的反映。水土保持生態(tài)效益是指水土保持對人類和生態(tài)環(huán)境在有序結(jié)構(gòu)維持和動(dòng)態(tài)平衡保持方面輸出效益之和，包括控制土壤侵蝕、改良土壤、調(diào)節(jié)氣候，涵養(yǎng)水源，減少災(zāi)害、保存物種、改善水資源環(huán)境條件等。水土流失生態(tài)效益綜合表現(xiàn)為：保持水土，改善生態(tài)環(huán)境，增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、承載力，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)、社會效益的增加。進(jìn)行生態(tài)效益的綜合評價(jià)，可以考察水土流失治理及荒漠化防治綜合目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度。生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建1、生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)選取原則（1）地理區(qū)域性差異原則；（2）主導(dǎo)因素原則；（3）具體指標(biāo)的可操作性原則；（4）具體指標(biāo)的不可替代性原則。根據(jù)研究區(qū)水土流失及荒漠化的發(fā)生條件、發(fā)展程度及治理情況，選取最能反映研究區(qū)水土保持及荒漠化防治的效益作用的指標(biāo)。2、水土保持生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系（1）耕地面積占區(qū)域總面積百分比耕地面積占區(qū)域總面積百分比=耕地（水澆地和灌溉水田）面積/研究區(qū)域總面積（2）林草覆蓋率林草覆蓋率=林草（林地、草地、園地）面積/研究區(qū)域總面積（3）鹽堿化面積百分比鹽堿地面積百分比=鹽堿地（重度鹽堿、中度鹽堿、輕度鹽堿）面積/研究區(qū)域總面積（4）沙化面積百分比沙化面積百分比=荒漠化土地（沙地、鹽堿地和裸巖石礫地）/研究區(qū)域總面積（5）沙塵暴日數(shù)風(fēng)沙日包括浮塵日、揚(yáng)沙日和沙塵暴日。是荒漠化治理后減少就地起沙、荒漠化程度減輕的顯著指標(biāo)。和災(zāi)害風(fēng)降低率、土壤風(fēng)蝕量減少率等相關(guān)因子相比，后者適用的尺度偏小，數(shù)據(jù)獲取困難。本報(bào)告采用沙塵暴日數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)。（數(shù)據(jù)來源于：18:81/scbweb/index.htm）（6）土壤風(fēng)蝕模數(shù)土壤風(fēng)蝕模數(shù)的大小直觀地反映了土壤的風(fēng)蝕程度。土壤風(fēng)蝕模數(shù)的大小可由耕地、林草地、沙地經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算得到。（7）風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比=受風(fēng)蝕土地面積（處水庫、坑塘水面外的土地面積）/區(qū)域土地總面積表2-1水土保持生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)體系目標(biāo)層（A）制約層（B）指標(biāo)層（C）水土保持生態(tài)效益（A）維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性（B1）耕地面積占區(qū)域總面積百分比（C11）林草覆蓋率（C12）改良土壤功能（B2）鹽堿化面積百分比（C21）沙化面積百分比（C22）防沙治沙功能（B3）沙塵暴日數(shù)（C31）土壤風(fēng)蝕模數(shù)（C32）土壤風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比（C33）評價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定由于各指標(biāo)因子在指標(biāo)體系中的作用不同，對于生態(tài)環(huán)境狀況影響程度的有差異性，為了區(qū)分其對系統(tǒng)影響的差異性，常采用加權(quán)評價(jià)法。迄今為止，對權(quán)重的確定問題已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，有以研究人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷為主來確定權(quán)重的，也有用各種數(shù)學(xué)方法來確定權(quán)重，本研究報(bào)告主要是采用層次分析方法（AHP）來確定縣級生態(tài)狀況的各評價(jià)參數(shù)的權(quán)重，咨詢有關(guān)專家意見，構(gòu)成判斷矩陣，獲得各層指標(biāo)權(quán)數(shù)及隨機(jī)一致性率值。1、層次分析法概述層次分析法（AHP（AnalyticHierarchyProcess））：是由美國匹茲堡大學(xué)教授T.LSaaty最早提出的一種定性與定量分析結(jié)合的多目標(biāo)評價(jià)決策方法。它將決策者對復(fù)雜系統(tǒng)的評價(jià)思維過程數(shù)學(xué)化，其基本思路是決策者通過把復(fù)雜問題分解為若干層次和要素，在各要素之間簡單地進(jìn)行比較、判斷和計(jì)算，然后再轉(zhuǎn)為對這些元素的整體權(quán)重進(jìn)行排序判斷，最后確立各元素的權(quán)重。該方法的原理和應(yīng)用步驟如下：（1）構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型之前，首先要對研究的對象進(jìn)行系統(tǒng)分析，根據(jù)既定目標(biāo)把所考慮的因素按其屬性層次化、條理化，構(gòu)造系統(tǒng)的層次模型。一般的決策層次分析模型可以分為三層，即最高層、中間層和最底層。最高層是目標(biāo)層，代表要解決問題的預(yù)期目標(biāo)或理想結(jié)果；中間層是準(zhǔn)則層（也稱為條件層），是對上層目標(biāo)的具體化和度量，對下層而言，則是用來評價(jià)各種備選方案的優(yōu)劣；最底層是方案層，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方案、方法和途徑。（2）構(gòu)造判斷矩陣各個(gè)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定在綜合評價(jià)中占有非常重要的位置，權(quán)重的大小對評估結(jié)果十分重要，它反映了各指標(biāo)的相對重要性。其含義為:在縱向上，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重反映了該指標(biāo)變化對生態(tài)綜合效益變化所起作用的大小；在橫向上，評價(jià)指標(biāo)權(quán)重表示了該指標(biāo)在同一評價(jià)指標(biāo)層次中所處的地位，權(quán)重確定的合理與否將直接影響評判結(jié)果。依據(jù)層次分析法，請教有關(guān)從事該領(lǐng)域的專家，結(jié)合新疆兵團(tuán)中現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。判斷矩陣中的標(biāo)度值依據(jù)Saaty提出的1-9及其倒數(shù)作為衡量尺度的標(biāo)度方法給出。表2-2層次分析法評價(jià)指標(biāo)重要程度標(biāo)度值及其含義標(biāo)度含義1表示第i個(gè)因素與第j個(gè)因素的影響相同3表示第i個(gè)因素比第j個(gè)因素的影響稍強(qiáng)5表示第i個(gè)因素比第j個(gè)因素的影響強(qiáng)7表示第i個(gè)因素比第j個(gè)因素的影響明顯強(qiáng)9表示第i個(gè)因素比第j個(gè)因素的影響絕對地強(qiáng)2、4、6、8表示第i個(gè)因素相對于第j個(gè)因素的影響介于上述兩個(gè)相鄰等級之間倒數(shù)設(shè)因素i與因素j比較得判斷，則因素j與因素i的重要性之比為ɑji=1/ɑij（3）層次單排序?qū)哟螁闻判蛑饕?jì)算判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量和特征根，即計(jì)算滿足：(1)由矩陣?yán)碚摽芍?，式中為判斷矩陣唯一非零的最大特征根，為其所對?yīng)的特征向量，則式3-1可改寫為：(2)式（3-2）的解經(jīng)過歸一化處理后，即為同一層次各因素對于上一層次某一準(zhǔn)則相對重要性的排序權(quán)重。a、權(quán)重的計(jì)算1）設(shè)一與判斷矩陣同階的正規(guī)化初始向量，例如：；2）對于3）令4）對于預(yù)先給定的精度，當(dāng)成立時(shí)則停止計(jì)算，取，即為所求的特征向量。否則繼續(xù)進(jìn)行第二步計(jì)算。最后取(3)b、計(jì)算一致性指標(biāo)，檢查判斷思維的一致性當(dāng)判斷矩陣A的階數(shù)為1或2時(shí)，判斷矩陣總是一致的。當(dāng)判斷矩陣A的階數(shù)大于2時(shí)，計(jì)算一致性指標(biāo)=(4)是一致性或判斷可靠性的度量，為了度量不同階的判斷矩陣是否具有滿意的一致性，還要引入判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值，對于1～12階判斷矩陣的值如下表所示。表2-3多階判斷矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值矩陣階數(shù)123456789101112000.580.9021.411.451.491.511.54計(jì)算一致性比例：當(dāng)時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。（4）層次總排序?yàn)榱说玫竭f階層次結(jié)果中每層次中所有元素相對于總目標(biāo)的相對權(quán)重，需把前一步計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，已計(jì)算出總排序的相對權(quán)重，并進(jìn)行層次和結(jié)構(gòu)一致性檢驗(yàn)。因此，要由上至下逐層進(jìn)行，最后得出最低層次元素，即決策方案優(yōu)先順序的相對權(quán)重和整個(gè)遞階層次模型的判斷一致性。2、研究區(qū)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算（1）構(gòu)建層次模型如上表2-1所示。（2）構(gòu)建判斷矩陣表2-4A-B判斷矩陣計(jì)算表后者前者維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性改良土壤功能防沙治沙功能一致性比維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性1.00000.33330.25000.0707改良土壤功能3.00001.00000.3333防沙治沙功能4.00003.00001.0000表2-5B1-C判斷矩陣計(jì)算表后者前者農(nóng)墾區(qū)面積占區(qū)域總面積百分比林草覆蓋面積一致性比耕地面積占區(qū)域總面積百分比1.00000.25000.0000林草覆蓋面積4.00001.0000表2-6B2-C判斷矩陣計(jì)算表后者前者風(fēng)蝕期平均土壤濕度鹽堿地面積占區(qū)域總面積百分比荒漠化土地面積占區(qū)域總面積百分比一致性比鹽堿化面積占區(qū)域總面積百分比3.00001.00000.50000.0000沙化土地面積占區(qū)域總面積百分比3.00002.00001.0000表2-7B3-C判斷矩陣計(jì)算表后者前者沙塵暴日數(shù)土壤風(fēng)蝕模數(shù)土壤風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比一致性比沙塵暴日數(shù)1.00000.20002.00000.0279土壤風(fēng)蝕模數(shù)5.00001.00006.0000土壤風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比0.50000.16671.0000（3）權(quán)重計(jì)算表2-8水土保持生態(tài)效益評價(jià)指標(biāo)權(quán)重匯總表目標(biāo)層（A）制約層（B）指標(biāo)層（C）水土保持生態(tài)效益（A）維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性（B1）(0.1172)耕地面積占區(qū)域總面積百分比（C11）(0.0234)林草覆蓋率（C12）(0.0938)改良土壤功能（B2）(0.2684)鹽堿地面積百分比（C21）(0.1342)沙化面積百分比（C22）(0.1342)防沙治沙功能（B3）(0.6144)沙塵暴日數(shù)（C31）(0.1058)土壤風(fēng)蝕模數(shù)（C32）(0.446)土壤風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比（C33）(0.0627)評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化由于本文選取的評價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的量綱不同，即具體的數(shù)據(jù)單位不同，無法進(jìn)行比較，必須對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法有多種，在本文中采用極差化處理。具體計(jì)算公式如下：式中：、分別為觀測值的最大值和最小值。評價(jià)指標(biāo)中鹽堿地面積百分比、荒漠化面積百分比和沙塵暴日數(shù)、土壤風(fēng)蝕模數(shù)、和土壤風(fēng)蝕面積占區(qū)域總面積百分比都為負(fù)向指標(biāo)，因此在進(jìn)行同量綱化處理之前需對其進(jìn)行同向化處理，本報(bào)告采用的是倒數(shù)法。綜合評價(jià)模型選擇由單項(xiàng)評價(jià)值計(jì)算綜合評價(jià)值的方法及綜合評價(jià)的方法有很多，常用的有計(jì)分法、指數(shù)法、功效系數(shù)法等，本報(bào)告采用加權(quán)指數(shù)法計(jì)算：其中，為單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重；為標(biāo)準(zhǔn)化后的單項(xiàng)指標(biāo)值。評價(jià)等級劃分1、等級劃分結(jié)果將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)作用分值乘以對應(yīng)的權(quán)重，逐級分層次計(jì)算，最后可得到水土保持生態(tài)效益的綜合指數(shù)得分。綜合指數(shù)得分多少與水土保持及荒漠化治理效益水平呈正相關(guān)，得分越高，治理效益越好。根據(jù)研究，可以把效益分析結(jié)果可以劃分為5個(gè)不同的等級及其相對應(yīng)的綜合指數(shù)見表。表2-9水土保持生態(tài)效益等級劃分表水土保持生態(tài)效益等級劃分綜合指數(shù)得分優(yōu)0.8-1良0.6-0.8中0.4-0.6較差0.2-0.4差0-0.22、等級說明對于已經(jīng)劃分的評價(jià)等級結(jié)果，其不同的等級反映了不同的荒漠化治理效益。表2-10水土保持生態(tài)效益分級級別優(yōu)良中較差差0.8-10.6-0.80.4-0.60.2-0.40-0.2狀態(tài)和治理前相比，生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定，鹽堿化和荒漠化土地基本消失。風(fēng)蝕面積小、強(qiáng)度弱。和治理前相比，生態(tài)系統(tǒng)基本穩(wěn)定，鹽堿化和荒漠化土地大部分消失，風(fēng)蝕面積相對較小、強(qiáng)度較弱。和治理前相比，生態(tài)系統(tǒng)極趨于穩(wěn)定，荒漠化和鹽堿化土地得到有效治理，風(fēng)蝕面積減小、強(qiáng)度減弱。和治理前相比，生態(tài)系統(tǒng)尚不穩(wěn)定，土地荒漠化和鹽堿化較為嚴(yán)重，風(fēng)蝕面積較大、強(qiáng)度較強(qiáng)。