基于RS和GIS的漾濞江流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化分析

王劍,徐 美,曾和平,劉 偉,葉 霞

（1.滄州師范學(xué)院,河北 滄州061001;2.昆明理工大學(xué),昆明 650093）

土壤侵蝕是指土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融重力等外營(yíng)力的作用下,被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程[1]。土壤侵蝕作為全球幾大環(huán)境問題之一,已成為全球性的公害,嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展,成為各國(guó)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。早期的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)是通過人工進(jìn)行的土壤侵蝕調(diào)查。近年來,遙感技術(shù)以其高效、準(zhǔn)確、覆蓋范圍大的優(yōu)勢(shì),GIS以其強(qiáng)大的空間處理能力和分析能力,為土壤侵蝕的研究提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。賈俊姝等[2]利用GIS和遙感技術(shù),以遼寧省為例,提出土壤侵蝕強(qiáng)度危險(xiǎn)指數(shù),對(duì)不同土地利用類型和市縣土壤侵蝕強(qiáng)度空間分布進(jìn)行了定量分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)遼寧省土壤侵蝕程度分級(jí)張有全等[3]以北京密云水庫(kù)周邊區(qū)域?yàn)槔?利用遙感、GIS技術(shù)提取土壤侵蝕敏感性因子信息,在GIS、。系統(tǒng)支持下,運(yùn)用主成分分析方法,進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)?？梢?遙感和GIS作為兩大技術(shù)工具,在土壤侵蝕的調(diào)查和監(jiān)測(cè)中,結(jié)合已日益普遍。

本研究在遙感和GIS技術(shù)支持下,以研究區(qū)遙感影像為主要信息源,調(diào)查研究漾濞江流域土壤侵蝕總體狀況,以期為整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕防治、合理規(guī)劃和利用土地資源及生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漾濞江流域?qū)儆跒憸娼?其流域面積達(dá)到4 353 km2,主要包括漾濞縣、洱源縣、劍川縣三縣部分地區(qū)。研究區(qū)兼有滇西高原河谷和滇西北高山峽谷的地貌特征,其中漾濞縣地處點(diǎn)蒼山西側(cè),屬褶皺構(gòu)造地質(zhì),地勢(shì)北高南低,地貌屬于橫斷山系切割山地峽谷區(qū);洱源縣地處“紅河大斷裂帶”的西側(cè),大地形是新生代喜馬拉雅山運(yùn)動(dòng)形成的褶皺帶,地貌類型較復(fù)雜;劍川縣地處橫斷山脈云嶺南段延伸部,多為崇山峻嶺,地勢(shì)西北高東南低,地貌類型復(fù)雜多樣,其中在石寶山有奇特的丹霞地貌。由于地處低緯高原,在低緯度高海拔地理?xiàng)l件綜合影響下,形成了低緯高原季風(fēng)氣候,具有四季溫差小、干濕季分明、光照充足、垂直差異顯著的氣候特點(diǎn)。植被和土壤的垂直分帶比較明顯,土壤主要以棕壤、紅壤、紫色土等土壤類型為主;植被類型主要包括常綠闊葉林、落葉闊葉林、云南松林、華山松林等。近年來,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件逐步完善,工業(yè)經(jīng)濟(jì)得到了很快發(fā)展,土地利用狀況發(fā)生了明顯的變化,同時(shí)隨著國(guó)家相關(guān)政策的實(shí)施,水土保持生態(tài)建設(shè)步伐明顯加快,水土流失惡化趨勢(shì)得到初步控制,土壤侵蝕狀況發(fā)生了明顯變化。

2 研究方法

2.1 資料收集

遙感影像選用1990年的TM影像和2001年的ETM影像,分辨率為30 m。常規(guī)資料主要包括:研究區(qū)1∶10萬地形圖、1∶5萬DEM 圖、來源于地方政府部門的行政區(qū)劃圖、部分縣原有的土地利用現(xiàn)狀圖、土壤侵蝕圖等圖件資料以及野外土地利用調(diào)查所獲得的GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)(以備解譯和檢驗(yàn)精度使用)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

以遙感處理軟件(ERDAS IMAGINE)為處理平臺(tái),采用視窗采點(diǎn)模式,校正方程采用2次多項(xiàng)式,重采樣采用最鄰近內(nèi)插法,對(duì)遙感影像進(jìn)行幾何校正,誤差控制在1.5個(gè)像元以內(nèi),然后進(jìn)行鑲嵌、融合、增強(qiáng)、裁剪等處理,確定遙感解譯影像,采用多步驟分類法,通過影像分層、監(jiān)督分類和圖層合并等步驟,進(jìn)而生成研究區(qū)1990年和2001年1∶10萬土地利用現(xiàn)狀圖[4-6]。

利用ARCVIEW軟件將DEM圖轉(zhuǎn)為等高線圖層,轉(zhuǎn)為SHAPEFILE格式,再利用ARCINFO軟件將其轉(zhuǎn)為COVERAGE格式,并建立拓?fù)?然后通過ARCTIN 、TINLAT TICE、LAT TICEPOLY 等相關(guān)命令,參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007,將坡度分為六級(jí) ,按 ≤5°、5°～8°、8°～ 15°、15°～ 25°、25°～ 35°、＞35°分級(jí),生成研究區(qū)坡度圖。

利用ERDAS軟件,對(duì)兩期影像進(jìn)行NDVI提取,通過Modeler模塊生成植被蓋度柵格數(shù)據(jù),參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007,將植被蓋度分為五級(jí),按≤30%、30%～45%、45%～60%、60%～75%、＞75%分級(jí),生成研究區(qū)的1990年、2001年植被蓋度圖。

2.3 土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)確定

本研究參照中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL190-2007)規(guī)定的水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)判別模型,并在此基礎(chǔ)上增加了微度侵蝕類型,確定了土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo),將土壤侵蝕強(qiáng)度分為6級(jí):微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈。在ArcGIS軟件中,將土地利用圖、植被覆蓋度圖、坡度圖進(jìn)行空間疊加,打開其屬性表,通過查詢功能確定各斑塊的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí),最后進(jìn)行斑塊間的同類合并,獲得研究區(qū)1990年和2001年土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布圖(圖1)。

圖1 漾濞江流域1990年,2001年土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布圖

2.4 土壤侵蝕量估算

土壤侵蝕量是指某一地區(qū)年流失土壤總量。楊子生等[7-8]在對(duì)金沙江流域的土壤侵蝕變化研究結(jié)合我國(guó)水利部制定的《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》,制定出適合于該流域的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本研究參考其土壤侵蝕研究的計(jì)算方法,制定了本研究區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕面積變化

對(duì)1990年和2001年的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布圖(圖1)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到表2,從中可看出:1990-2001年,輕度以上的土壤侵蝕面積從275 867.24 hm2減少到247 282.09 hm2;輕度以上的各土壤侵蝕強(qiáng)度面積隨著土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的增加,侵蝕面積依次遞減:輕度侵蝕＞中度侵蝕＞強(qiáng)烈侵蝕＞極強(qiáng)烈侵蝕＞劇烈侵蝕;從所占的面積比例來看,微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕構(gòu)成研究區(qū)主要的侵蝕強(qiáng)度類型,1999年、2001年其面積分別占到整個(gè)研究區(qū)的95.285%、95.364%。

表2 漾濞江流域1990年、2001年土壤侵蝕強(qiáng)度面積變化

3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度變化

(1)土壤侵蝕強(qiáng)度總體變化。對(duì)照表2,從土壤侵蝕面積變化絕對(duì)量來說,微度侵蝕和輕度侵蝕變化最明顯,微度侵蝕面積增加28 585.14 hm2,輕度侵蝕面積減少了28 247.35 hm2,中度侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕呈現(xiàn)不同程度的凈增加;從土壤侵蝕面積變化比例絕對(duì)值來看,微度侵蝕＞輕度侵蝕＞劇烈侵蝕＞強(qiáng)烈侵蝕＞極強(qiáng)烈侵蝕＞中度侵蝕,其中微度侵蝕、輕度侵蝕和劇烈侵蝕變化比例較大;盡管劇烈侵蝕變化比例較大,但變化的絕對(duì)量較小,只有10.66 hm2,1990年和2001年占有量分別只有93.12 hm2和103.77 hm2,只占到整個(gè)研究區(qū)的0.021%和0.024%。

(2)不同等級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度間轉(zhuǎn)化。在 ARC/INFO中將1990年和2001年土壤侵蝕現(xiàn)狀圖層進(jìn)行疊加,得到土壤侵蝕強(qiáng)度間的轉(zhuǎn)化情況,對(duì)不同轉(zhuǎn)化類型所對(duì)應(yīng)的面積進(jìn)行排序,如表3所示,確定整個(gè)研究區(qū)主導(dǎo)土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)化類型。

表3 漾濞江流域1990-2001年土壤侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)化類型與面積

從表3看出,發(fā)生轉(zhuǎn)化的面積達(dá)到153 247.77 hm2,占整個(gè)研究區(qū)總面積的35.205%;從各個(gè)類型間的轉(zhuǎn)化情況來看,主要是微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕間的轉(zhuǎn)化,共占到研究區(qū)總面積的30.028%,構(gòu)成了整個(gè)研究區(qū)侵蝕強(qiáng)度轉(zhuǎn)化的主要類型,其中輕度侵蝕轉(zhuǎn)化為微度侵蝕的面積占到了12.725%。

3.3 土壤侵蝕量變化

依據(jù)表1,對(duì)1990年和2001年研究區(qū)土壤侵蝕 量進(jìn)行了估算(表4)。

表4 漾濞江流域1990年、2001年土壤侵蝕強(qiáng)度的土壤侵蝕量和侵蝕模數(shù)

從總體水平來看:整個(gè)研究區(qū)侵蝕量和侵蝕模數(shù)都在減小,侵蝕量由1990年的7 967 560.11 t減少到2001年的 7 526 463.32 t,侵蝕模數(shù)由 1 830.37 t/(km2?a)降低到1 729.04 t/(km2?a);對(duì)照表1,可以看出整個(gè)研究區(qū)1990年和2001年土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)均為輕度侵蝕,年平均侵蝕模數(shù)均介于500～2 500 t/(km2?a),總體上并不嚴(yán)重;從單個(gè)的侵蝕強(qiáng)度等級(jí)來看:無論1990年還是2001年,除微度侵蝕外,各等級(jí)土壤侵蝕量均隨著侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的增加而減少;輕度侵蝕、中度侵蝕和強(qiáng)烈侵蝕構(gòu)成了整個(gè)研究區(qū)侵蝕量的主要來源,其中1990年占到總侵蝕量的90.028%,2001年占到總侵蝕量的88.208%。

利用GIS軟件,將研究區(qū)兩期土地利用圖和土壤侵蝕圖疊加,分別統(tǒng)計(jì)1990年、2001年耕地、林地、草地土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)面積分布情況,并依據(jù)表1計(jì)算耕地、林地、草地的土壤侵蝕模數(shù),發(fā)現(xiàn)林地、草地侵蝕模數(shù)均介于500～2 500 t/(km2?a),侵蝕模數(shù)在減小,屬于輕度侵蝕;耕地的侵蝕模數(shù)介于2 500～5 000 t/(km2?a),侵蝕模數(shù)在增加,分別為3 247.42,3 288.11 t/(km2?a),屬于中度侵蝕,鑒于此,必須將耕地侵蝕治理放在首位,積極實(shí)施“坡改梯”工程,尤其在經(jīng)濟(jì)效益低下的坡耕地區(qū)實(shí)施退耕還林(草)工程顯得非常重要。

4 結(jié)論

(1)1990-2001年,整個(gè)研究區(qū)輕度以上的土壤侵蝕面積、總侵蝕模數(shù)、總侵蝕量,均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì),這表明整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕狀況總體上朝著良性方向發(fā)展,水土保持措施和生態(tài)建設(shè)的水保效益已初見成效,土壤侵蝕的治理工作已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

(2)從1990年和2001年單年的年變化來看,輕度以上的各土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積和各自所產(chǎn)生的侵蝕量均隨著侵蝕強(qiáng)度的增加而逐漸減小,呈現(xiàn)出:輕度侵蝕＞中度侵蝕＞強(qiáng)度侵蝕＞極強(qiáng)度侵蝕＞劇烈侵蝕的關(guān)系;從各土壤侵蝕強(qiáng)度類型所占的面積比例來看,微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕是研究區(qū)主要的侵蝕強(qiáng)度類型;從各等級(jí)侵蝕強(qiáng)度所產(chǎn)生侵蝕量來看,輕度侵蝕、中度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕是研究區(qū)主要的侵蝕強(qiáng)度類型。

(3)整個(gè)研究區(qū)的土壤侵蝕并不是十分嚴(yán)重,年平均侵蝕模數(shù)為輕度侵蝕。整個(gè)研究區(qū)1990年輕度侵蝕和中度侵蝕所產(chǎn)生的侵蝕量占到總侵蝕量的75.46%,2001年輕度侵蝕和中度侵蝕所產(chǎn)生的侵蝕量占到研究區(qū)總侵蝕量的73.13%,從水土保持的角度出發(fā),目前要加快輕度侵蝕和中度侵蝕的治理工作,尤其耕地侵蝕的控制工作。

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