洱海流域土壤侵蝕動態(tài)變化研究

段文秀

(德州學院，山東 德州253023)

隨著人口的劇增和經(jīng)濟的發(fā)展，我國的水土流失問題日益嚴峻。水土流失破壞了土地資源，使土地肥力下降，并造成了水體富營養(yǎng)化，成為嚴重的全球性的經(jīng)濟、環(huán)境問題之一[1]。我國學者在水土流失機理研究和防治方面做了大量工作，如李月臣等[2]以USLE和GIS為基礎進行了三峽庫區(qū)(重慶段)土壤侵蝕敏感性的綜合評價，楊娟等[3]結(jié)合USLE與GIS對臥龍流域土壤侵蝕進行了模擬。洱海是云南白族人民的母親湖，但針對其流域日趨嚴重的土壤侵蝕問題的研究目前尚未深入開展。鑒于此，本研究以洱海流域為研究對象，在運用“3S”技術(shù)對已有資料進行分析的基礎上，應用USLE模型估算其土壤侵蝕量及侵蝕面積，制作出土壤侵蝕強度分級圖，并匯總計算出各類土壤侵蝕強度區(qū)域面積以確定水土保持重點區(qū)域，為流域水土流失綜合防治提供了理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)地形數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)預處理

1.1 研究區(qū)概況

洱海位于云南省大理白族自治州中部，屬瀾滄江流域黑惠江支流天然湖泊，是白族人民的母親湖，控制流域面積2 565 km2。流域內(nèi)有耕地4.30萬hm2，年均氣溫15.7℃，年均降水量976.7 mm，其中西南部年均降水量1 000—1 200 mm、東北部700—900 mm，降水主要集中在每年的5—10月份，期間降水量占年降水量的84% ～92%，主汛期6—9月份的降水量占年降水量的66% ～77%，形成了干濕季節(jié)分明的氣候特點[4]。

1.2 流域范圍的確定

本研究在ArcGIS軟件支持下使用研究區(qū)DEM提取洱海流域范圍[5]，具體流程如圖1所示。

圖1 洱海流域范圍提取流程

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理

在水土保持研究中，應用的數(shù)據(jù)源主要有遙感影像、各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)及調(diào)查數(shù)據(jù)等。本研究選用Landsat-5 TM遙感數(shù)據(jù)，運用Erdas軟件進行數(shù)據(jù)預處理[6]。具體流程如圖2所示。

圖2 遙感圖像處理流程

2 土壤侵蝕模型建立方法介紹

本研究應用國際上通用的USLE模型，其形式簡單，所需參數(shù)較易獲得，且因子的解釋具有物理意義，是目前預測土壤侵蝕量使用最為廣泛的方法。其表達式為

2.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨侵蝕力表達式為

式中:R為多年平均降雨侵蝕力，m·t·cm/(hm2·h·a);P為年降雨量，mm;I60、I1440分別為年均最大60、1 440 min降雨量，mm[7]。研究中由于資料缺乏，假設各地I60和I1440的值相同，得到洱海流域多年平均R=5.439P0.564。

2.2 土壤可蝕性因子(K)

據(jù)楊子生等[8]1999年研究成果，采用的兩種主要土壤可蝕性因子K值見表1。

表1 滇東北典型地區(qū)土壤可蝕性因子K值

2.3 地形因子(LS)

地形因子表達式為

式中:Lhill為侵蝕坡面的坡長，m;β為坡度，(°);m為經(jīng)驗分段函數(shù)值，計算方法如下[9]

式中:αhill為地面坡度，(°)。

2.4 植被覆蓋因子(C)

植被覆蓋因子是以植被覆蓋度為變量計算得到的數(shù)值。C值的計算式為[10]

式中:f為植被覆蓋度;NDVI為所求像元的植被指數(shù);NDVImin、NDVImax分別為研究區(qū)內(nèi)NDVI的最小值、最大值。

2.5 水土保持措施因子(P)

本研究參考以往研究成果并結(jié)合當?shù)赝恋乩眉稗r(nóng)事活動情況，假設各處的水土保持措施相同。

3 1989—2006年洱海流域土壤侵蝕狀況分析

3.1 洱海流域土壤侵蝕動態(tài)總體分析

對洱海流域1989年1月、2001年1月、2001年8月和2006年12月4個典型時期遙感影像進行解譯，結(jié)合通用土壤流失方程得到洱海流域18年來各個不同時期的土壤侵蝕狀況。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)[11]，在GIS支持下統(tǒng)計得出18年來研究區(qū)土壤侵蝕等級分布情況?？傮w上看:1989—2006年輕度侵蝕面積有較大幅度的下降，占總侵蝕面積的比例由13.89%減至6.47%，年均下降0.41%;中度侵蝕面積有較大幅度的上升，占總侵蝕面積的比例由6.49%增至14.04%，年均上升0.42%;其他侵蝕強度變化均較小，其中微度和極強烈侵蝕面積均小幅增加(年均分別上升0.028%和0.001 7%)，而強烈和劇烈侵蝕面積均小幅減少(年均分別下降0.005%和0.026%)。

3.2 洱海流域土壤侵蝕動態(tài)縱向分析

洱海流域1989年1月、2001年1月和2006年12月3個時期的土壤侵蝕狀況如表2所示。由表2可知，1989年微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積分別為951.48、323.45、151.15和110.48 km2，分別占總侵蝕面積的40.85%、13.89%、6.49%和4.74%，與之相比，2006年輕度侵蝕面積有較大幅度的減少(172.77 km2)，中度侵蝕面積有較大幅度增加(175.75 km2)，中度以上的侵蝕面積增幅較大。

為掌握各種侵蝕強度之間的數(shù)量轉(zhuǎn)換及時空變化動態(tài)，在ArcView軟件支持下，利用其空間分析擴展模塊Spatial Analysis功能，對1989—2006年時間序列的土壤侵蝕強度分級分別進行交叉列表統(tǒng)計，得到土壤侵蝕強度的轉(zhuǎn)化矩陣(表3)，從而分析不同土壤侵蝕強度與面積的變化過程。

表2 洱海流域不同時期土壤侵蝕強度面積變化 km2

表3 洱海流域1989—2006年土壤侵蝕強度動態(tài)變化轉(zhuǎn)化矩陣 km2

由表3可知:1989—2006年的18年間，洱海流域微度侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為22.20 km2;輕度侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為123.53 km2，是18年中轉(zhuǎn)化面積最大的;中度侵蝕主要轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，面積為2.36 km2;強烈侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為9.68 km2;極強烈侵蝕主要向劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為7.56 km2;劇烈侵蝕主要向中度侵蝕轉(zhuǎn)化，面積為22.91 km2。

從以上分析可知，1989—2006年各種侵蝕強度的面積均有所變化?？傮w分析該時段的轉(zhuǎn)化情況可知:微度、中度和極強烈侵蝕面積呈增加趨勢，且中度侵蝕增幅較大;輕度侵蝕面積有較大幅減少，強烈和劇烈侵蝕面積有小幅減少。中度以上的侵蝕面積增幅較大，即總體上侵蝕加劇了，侵蝕加劇的主要原因是1989—2006年間植被覆蓋度下降了。

3.3 洱海流域土壤侵蝕動態(tài)橫向分析

表4是洱海流域2001年1月和2001年8月的土壤侵蝕狀況。由表4可知:2001年1月微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積分別為955.99、147.53、324.30和106.60 km2，分別占總侵蝕面積的41.12%、6.35%、13.95%和4.58%，與之相比，2001年8月侵蝕狀況變化不大，除極強烈、劇烈侵蝕面積稍有減少外， 其余侵蝕面積均稍有增加。

表4 洱海流域2001年1月和2001年8月不同侵蝕強度變化 km2

同樣，對2001年1月和2001年8月的土壤侵蝕強度分級進行交叉列表統(tǒng)計，得到土壤侵蝕強度的轉(zhuǎn)化矩陣(表5)。

表5 洱海流域2001年1月和8月土壤侵蝕強度動態(tài)變化轉(zhuǎn)化矩陣 km2

由表5可知:從2001年1月(冬季)到8月(夏季)，微度侵蝕主要由中度侵蝕轉(zhuǎn)化而來，面積為8.03 km2;輕度侵蝕主要由中度侵蝕轉(zhuǎn)化而來，面積為11.10 km2;中度侵蝕主要是由劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來，面積為12.05 km2;強烈侵蝕主要由極強烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來，面積為9.45 km2;極強烈侵蝕主要由劇烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來，面積為15.59 km2;劇烈侵蝕主要是由極強烈侵蝕轉(zhuǎn)化而來，面積為12.28 km2。

該轉(zhuǎn)化矩陣表明，2001年1月和8月各種侵蝕強度的面積均有所變化?？傮w分析其轉(zhuǎn)化情況可以得出如下認識:微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積呈增加趨勢但增幅均不大;極強烈和劇烈侵蝕面積呈減少趨勢，且后者減幅相應大一些;中度以上侵蝕面積減幅較大，即總體上侵蝕減弱了。以上變化主要是由于一年內(nèi)從冬季到夏季植被覆蓋度上升所致。

3.4 土壤侵蝕強度變化速率分析

土壤侵蝕強度變化速率可定量描述一定時段內(nèi)某種侵蝕強度變化的速度，有利于比較土壤侵蝕強度變化的差異和預測未來土壤侵蝕變化趨勢。其表達式為

式中:Ua和Ub分別為研究初期和末期某種侵蝕強度的數(shù)量;T為研究時段長，若以年為量度則LC為年均變化率。

綜合分析洱海流域1989—2006年土壤侵蝕強度與面積年均變化率可知:中度侵蝕年變化率最大，為6.46%;其次為輕度、強烈、劇烈和微度侵蝕，年均變化率分別為 -2.97%、-0.11%、-0.10%和0.056%;極強烈侵蝕年均變化率最小，為0.020%。

4 結(jié)語

本研究運用GIS和USLE，分析了1989—2006年洱海流域土壤侵蝕動態(tài)變化，研究表明，各種侵蝕強度面積均有所變化，具體變化是:

(1)1989—2006年，微度、中度和極強烈侵蝕面積呈增加趨勢，且中度侵蝕面積增幅較大(6.49%—14.04%);輕度侵蝕面積呈較大幅度的減少(13.89%—6.47%);強烈和劇烈侵蝕面積小幅度減少(年均分別下降0.005%、0.026%);中度以上侵蝕面積增幅較大。

(2)2001年冬、夏季相比，微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積呈增加趨勢但增幅均不大;極強烈和劇烈侵蝕面積減少，且后者減幅相應大些。

(3)18年來，微度、輕度、強烈和劇烈侵蝕多轉(zhuǎn)化為中度侵蝕，面積分別為22.20、123.53、9.68、22.91 km2;中度侵蝕多轉(zhuǎn)化為微度侵蝕，面積為2.36 km2;極強烈侵蝕多轉(zhuǎn)化為劇烈侵蝕，面積為7.56 km2;中度侵蝕年變化率最大(6.46%)，極強烈侵蝕年變化率最小(0.020%)。

[1]林涓涓.基于3S的流域土壤侵蝕敏感性及其動態(tài)監(jiān)測研究[D].福州:福州大學，2006.

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[4]唐佳.基于GIS和RS洱海流域的土地覆蓋/利用變化[D].成都:四川農(nóng)業(yè)大學，2010.

[5]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社，2006.

[6]楊昕，湯國安，鄧鳳東，等.ERDAS遙感數(shù)字圖像處理實驗教程[M].北京:科學出版社，2009.

[7]王萬忠，焦菊英.中國的土壤侵蝕因子定量評價研究[J].水土保持通報，1996，16(5):1-20.

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[11]SL 190—2007，土壤侵蝕分類分級標準[S].