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    基于GIS的富陽市水土流失空間背景特征分析

    2011-05-30 03:29:42王小明鐘紹柱周本智曹永慧
    關(guān)鍵詞:富陽市坡向坡度

    王小明,鐘紹柱,周本智,曹永慧,王 剛

    (1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 亞熱帶林業(yè)研究所,浙江 富陽 311400;2.浙江省富陽市水利局,浙江 富陽 311400)

    水土流失是中國(guó)主要的生態(tài)環(huán)境問題之一,對(duì)區(qū)域的生態(tài)安全有很大的影響。研究水土流失與環(huán)境因子的定量關(guān)系對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。土壤侵蝕一直是遙感、地理信息系統(tǒng)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域,國(guó)內(nèi)外運(yùn)用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)在水土流失研究方面已做了許多工作,也取得了顯著成效[1-4]。水土流失過程極其復(fù)雜,影響因素眾多。在無法獲取年平均侵蝕模數(shù)的情況下,可以利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù),結(jié)合地形數(shù)據(jù),通過對(duì)分析不同區(qū)域地形地貌、土地利用和土壤類型等地理環(huán)境因子與水土流失的相關(guān)關(guān)系,從而確定水土流失強(qiáng)度級(jí)別[5-8]。如今,生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)之間的矛盾已越發(fā)突出。地理環(huán)境因子與水土流失的關(guān)系一直是人們研究的重要內(nèi)容。近年來,地理信息系統(tǒng)技術(shù)的高速發(fā)展使定量計(jì)算大區(qū)域范圍的土壤侵蝕成為可能[9-12]。采用遙感圖像和地理信息系統(tǒng)相結(jié)合的方法,通過地理信息系統(tǒng)空間分析模塊可以深入研究土壤侵蝕與各種地理因子之間的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的信息挖掘和新知識(shí)的生成[13]。然而,當(dāng)前利用地理信息系統(tǒng)、遙感與地理環(huán)境因子在縣域尺度上進(jìn)行水土流失空間背景特征的定量研究并不多見。為此,筆者以浙江省富陽市為研究區(qū)域,通過遙感影像和野外調(diào)查進(jìn)行信息采集,在地理信息系統(tǒng)支持下建立流域環(huán)境數(shù)據(jù)庫,將水土流失強(qiáng)度分布圖與流域環(huán)境因子實(shí)施空間疊加分析,從而進(jìn)行研究區(qū)水土流失的空間背景特征及原因的定量評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)研究。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)設(shè)在浙江省富陽市。富陽位于浙江省西北部,富春江橫貫市境中部,流程52.0 km,全市河流均屬富春江水系。 地理坐標(biāo)為 29°44′~ 30°12′N, 119°25′~ 120°19′E,總面積 1831.2 km2。 地貌以“兩山夾江”為特點(diǎn),平均海拔為300.5 m,東南部和西北部多山,中部多丘陵,江河兩岸、溪谷兩旁為河谷平原。境內(nèi)最高海拔為1067.6 m,最低海拔6.0 m。主要有紅壤、黃壤、石灰?guī)r土、潮土、水稻土等5個(gè)土類,13個(gè)土屬42個(gè)土種。富陽市地處北亞熱帶南緣,年平均氣溫為16.1℃,≥10℃積溫5100.0℃,年平均無霜期232.0 d,年平均日照總時(shí)數(shù)1995.0 h。水土流失的主要影響因子包括自然因素(地形、降水、土壤和植被)和人為因素(植被破壞、不合理開墾和開礦)兩大方面。由于研究區(qū)人口密度高,土地集約化經(jīng)營(yíng)程度高,對(duì)丘陵山地人為干擾較強(qiáng),再加上森林植被質(zhì)量不高,存在水土流失現(xiàn)象,局部滑坡和泥石流等自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。

    1.2 研究數(shù)據(jù)及方法

    1.2.1 研究數(shù)據(jù) 本研究中,選用陸地衛(wèi)星7增強(qiáng)型專題繪圖儀(Landsat 7 ETM)+7個(gè)波段的遙感影像(2006年),富陽市1∶5萬土地利用類型圖(2006年)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)(1∶5萬)、富陽市1∶5萬土壤圖(1989年)。利用地理信息系統(tǒng)軟件ArcGIS,將上述圖件掃描,數(shù)字化,建庫。

    1.2.2 因子提取 ①海拔、坡度坡向圖:運(yùn)用ArcGIS軟件和DEM生成研究區(qū)海拔、坡度和坡向圖。②植被覆蓋度制圖:由于研究區(qū)植被覆蓋率高達(dá)68.5%,對(duì)于植被旺盛、覆蓋度高的地區(qū)可采用歸一化植被指數(shù)法(NDVI)計(jì)算研究區(qū)植被覆蓋度[14], 計(jì)算公式如下: fc= (INDV-INDVmin)/(INDVmax-INDVmix)。 ③土地利用和土壤類型圖:直接由研究區(qū)1∶5萬土地利用類型圖和1∶5萬土壤圖矢量化后獲得。④水文地貌分類圖:根據(jù)流域水文地貌條件,結(jié)合海拔和坡度等地形因子,利用空間分析方法把流域劃分為平原、丘陵、山地和臺(tái)地等生態(tài)區(qū)域[15-17]。柵格計(jì)算時(shí)統(tǒng)一采用25 m×25 m。此外,所有數(shù)據(jù)均采用統(tǒng)一的Krasovsky_1940_Transverse_Mercator投影進(jìn)行空間計(jì)算。

    1.2.3 利用已有的數(shù)據(jù),制作研究區(qū)水土流失強(qiáng)度圖 按照全國(guó)水土流失類型區(qū)的劃分,富陽市的水土流失狀況,主要是水力侵蝕,其表現(xiàn)形式主要是坡面面蝕。除了水力侵蝕這一表現(xiàn)形式以外,在部分山區(qū)有滑坡、崩塌等重力侵蝕。利用研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖、植被覆蓋度和坡度圖及表1中的指標(biāo),對(duì)研究區(qū)各土地斑塊進(jìn)行水土流失強(qiáng)度分級(jí)。并通過野外考察修正,得到研究區(qū)水土流失強(qiáng)度圖(圖1),并統(tǒng)計(jì)不同地理環(huán)境因子水土流失程度的分布面積[7,18]。

    1.2.4 水土流失與地理環(huán)境因子的相關(guān)分析 海拔高度、坡度、坡向、土地利用、土壤類型等地形和地貌因子是水土流失產(chǎn)生的重要影響因素[19]。為了獲取水土流失與上述地理因子的相關(guān)性,將研究區(qū)水土流失強(qiáng)度圖分布分別與海拔、坡度、坡向和土地利用類型圖分級(jí)疊加,得出研究區(qū)水土流失與地理環(huán)境因子相關(guān)性表格(表2~7)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 水土流失的總體特征

    統(tǒng)計(jì)表明:研究區(qū)水土流失面積達(dá)13.9萬hm2,占總土地面積的76.36%。其中,以輕度和中度水土流失為主,占水土流失總面積的94.95%。強(qiáng)度及其以上程度的水土流失較少,僅占研究區(qū)總面積的3.85%。

    表1 水蝕定量判別因子匹配模型Table1 Matching model of quantitative discriminant factors of soil erosion

    2.2 水土流失與地貌類型的關(guān)系

    研究區(qū)地貌圖與水土流失強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加分析(表2)。結(jié)果表明,水土流失主要發(fā)生在丘陵和山地,分別占侵蝕總面積的58.35%和38.31%。丘陵區(qū)中度及其以上程度的水土流失面積均顯著的高于其他各地貌類型的侵蝕面積,表明丘陵區(qū)是研究區(qū)水土流失的主要地貌類型。原因在于,丘陵區(qū)由于水熱等自然條件較好,交通便利,香榧Torreya grandis‘Merrillii’,山核桃 Carya cathayensis,板栗 Castanea mollissima等主要干水果和毛竹Phyllostachys pubescens的苗木和果蔬等特色農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)均布局于此,人為干擾強(qiáng)度較大,造成一定程度的土壤侵蝕。

    圖1 研究區(qū)水土流失強(qiáng)度分布圖Figure1 Spatial distribution of soil erosion

    表2 研究區(qū)水土流失與地貌類型的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Table2 Related feature tables between soil erosion and terrain

    2.3 水土流失與坡度坡向的關(guān)系

    用坡度坡向圖與水土流失強(qiáng)度分布圖分別疊加,得到它們之間的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)(表3和表4),發(fā)現(xiàn)水土流失主要集中在15°~35°的坡度上,其侵蝕面積占到了85.33%,其中坡度為25°~35°的侵蝕面積最大,達(dá)到58.04%。該區(qū)域多為土層淺薄的陡坡,土地利用方式為園地,主要種植茶葉Camellia sinensis,果樹和苗木培育等生產(chǎn)活動(dòng),加之坡地開墾等不合理經(jīng)營(yíng)活動(dòng),造成部分丘陵山地產(chǎn)生水土流失,局部地方比較嚴(yán)重。研究區(qū)內(nèi)丘陵山地多,其面積要占總土地面積的70.00%,地面坡度大,地形破碎;年降水量大,日最大降水量可達(dá)100~200mm。由此可見:坡度與水土流失關(guān)系密切,坡度越大,水土流失越劇烈。35°以上區(qū)域水土流失僅占4.54%,主要原因在于35°以上陡坡區(qū)域均為生態(tài)保護(hù)區(qū),森林覆蓋率高,人為活動(dòng)少,基本沒有生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)發(fā)生。

    在坡向方面,水土流失主要發(fā)生在陽坡,其侵蝕面積占到57.23%,其次為半陽坡和半陰坡,分別占21.27%和20.76%,陰坡與平緩地基本沒有水土流失。結(jié)果表明,坡向與水土流失關(guān)系密切。南坡由于水熱條件優(yōu)越,最適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng),大部分的農(nóng)業(yè)活動(dòng)都首選陽坡,這是導(dǎo)致水土流失集中在陽坡發(fā)生的主要原因。

    表3 研究區(qū)水土流失與坡度的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Table3 Related feature tables between soil erosion and slope

    表4 研究區(qū)水土流失與坡向的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Table4 Related feature tables between soil erosion and aspect

    2.4 水土流失與高程的關(guān)系

    研究區(qū)水土流失與高程圖疊加得到表5的相關(guān)數(shù)據(jù)??梢钥吹胶0卧降停亮魇г斤@著,水土流失主要發(fā)生在500 m以下區(qū)域,占水土流失總面積的94.57%。其中200 m以下區(qū)域強(qiáng)度和極強(qiáng)度水土流失面積分別比200~500 m區(qū)域多2898.63 hm2和227.77 hm2,500 m以上區(qū)域水土流失比例很小,原因在于,500 m以上區(qū)域由于海拔較高,交通不便,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本較高,人為活動(dòng)較少。森林覆蓋率高等原因,所以水土流失較小。

    表5 研究區(qū)水土流失與高程的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Table5 Related feature tables between soil erosion and elevation

    2.5 水土流失與土壤類型和土地利用的關(guān)系

    研究區(qū)土壤類型圖和土地利用現(xiàn)狀圖與水土流失強(qiáng)度圖進(jìn)行疊加分析(表6和表7)。結(jié)果表明:水土流失主要發(fā)生在黃泥土上,占侵蝕總面積的49.40%,其次為紅泥土,占17.64%。研究區(qū)黃泥土中度及其以上程度的水土流失面積在各土壤類型中均顯著的高于其他各土壤類型的侵蝕面積,表明黃泥土是研究區(qū)水土流失的主要土壤類型[20-21]。

    土地利用類型與水土流失關(guān)系密切。研究區(qū)水土流失主要發(fā)生在有林地和灌草地,兩者占水土流失總面積的88.30%,水土流失程度以中輕度為主。研究區(qū)雖然森林覆蓋率雖高(68.4%),但森林整體質(zhì)量不高,林分單位面積平均蓄積量?jī)H為29.9 m3·hm-2,遠(yuǎn)低于浙江省的平均水平40.5 m3·hm-2;樹種以馬尾松Pinus massoniana,杉木Cunninghamia lanceolata等針葉樹種為主,針葉林共占有林地總面積的52.5%。研究區(qū)灌木林和竹林面積較大,分別占有林地面積22.0%和19.1%。這些類型植被的持水固土、涵養(yǎng)水源等生態(tài)功能較弱;而蓄水保土功能比較強(qiáng)的闊葉林面積只占有林地總面積的9.7%。加之坡地開墾等不合理經(jīng)營(yíng)活動(dòng),造成部分山地水土流失較重。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示:研究區(qū)76.85%的強(qiáng)度及其以上程度水土流失發(fā)生在園地,表明研究區(qū)園地水土流失較嚴(yán)重。其原因在于研究區(qū)毛竹,香榧,山核桃,楊梅Myrica rubra,板栗和茶葉等經(jīng)濟(jì)作物集約化經(jīng)營(yíng)程度較高,人為干擾強(qiáng)烈,此外還存在因營(yíng)林不當(dāng)造成的水土流失。

    表6 研究區(qū)水土流失與土壤類型的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Table6 Related feature tables between soil erosion and soil type

    表7 研究區(qū)水土流失與土地利用的相關(guān)特征統(tǒng)計(jì)Table7 Related feature tables between soil erosion and landuse

    3 結(jié)論與討論

    水土流失表現(xiàn)出明顯的空間分異特征:水土流失主要發(fā)生在海拔500 m以下區(qū)域,占水土流失總面積的94.57%。其中200 m以下區(qū)域強(qiáng)度和極強(qiáng)度水土流失面積分別比200~500 m區(qū)域多2898.6和227.8 hm2,500 m以上區(qū)域水土流失比例很小。坡度與水土流失關(guān)系密切,水土流失主要集中在15°~35°的坡度上,其侵蝕面積占到了85.33%,其中坡度為25°~35°的侵蝕面積最大,達(dá)到58.04%。研究區(qū)水土流失對(duì)坡向選擇性較高,水土流失主要發(fā)生在南坡,其侵蝕面積占到57.23%。

    水土流失與其空間背景特征關(guān)系密切。研究區(qū)水土流失主要發(fā)生在有林地和灌草地,兩者占水土流失總面積的88.30%,水土流失程度以中輕度為主。園地水土流失較嚴(yán)重,76.85%的強(qiáng)度及其以上程度水土流失發(fā)生在園地。黃泥土是研究區(qū)水土流失的主要土壤類型,占侵蝕總面積的49.40%。研究表明:研究區(qū)水土流失較嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在人類活動(dòng)頻繁,植被覆蓋較低,地形坡度較大的江河沿岸的低山丘陵地區(qū)。丘陵和山地的水土流失面積分別占侵蝕總面積的58.35%和38.31%。

    本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)部分由遙感解譯得到,遙感數(shù)據(jù)本身存在誤差必然會(huì)影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[22]。土壤侵蝕是各種自然和社會(huì)因素綜合作用的結(jié)果,地形地貌、土壤和植被是造成水土流失的地理環(huán)境因子,土地利用方式及人類不合理的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是造成水土流失的直接原因。受研究數(shù)據(jù)和手段的限制,本研究?jī)H對(duì)研究區(qū)人為干擾強(qiáng)度作定性的討論,缺乏定量化的結(jié)果,未能更準(zhǔn)確的反映研究區(qū)土壤侵蝕的成因,但是研究區(qū)水土流失與地理環(huán)境因子的關(guān)系仍然在圖表中得到了充分體現(xiàn),因此,本研究對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)展能夠起到一定的指導(dǎo)作用。

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