水土保持環(huán)境指標(biāo)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

薛明

摘要：本文基于筆者多年從事水土保持的相關(guān)研究，以水土保持環(huán)境指標(biāo)遙感監(jiān)測(cè)為研究對(duì)象，論文首先選取植被因子，地形地貌因子，土壤質(zhì)地，水文氣象，土地利用，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等作為水土保持環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)，進(jìn)而重點(diǎn)探討了植被因子的遙感監(jiān)測(cè)方法，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：水土保持 遙感監(jiān)測(cè) 環(huán)境因子 指標(biāo)

中圖分類號(hào)：P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（b）-0176-02

水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇的出發(fā)點(diǎn)和最終歸宿均為水土保持監(jiān)測(cè)的內(nèi)容。如前所述，水土保持監(jiān)測(cè)主要包括兩部分內(nèi)容，即土壤侵蝕監(jiān)測(cè)和水土保持治理監(jiān)測(cè)。土壤侵蝕監(jiān)測(cè)核心內(nèi)容即監(jiān)測(cè)土壤侵蝕類型、范圍、程度、強(qiáng)度等信息，水土保持治理監(jiān)測(cè)則監(jiān)測(cè)水土保持治理措施內(nèi)容及治理措施對(duì)于減緩、抑制流失的發(fā)展所起的作用，即水土保持成效監(jiān)測(cè)，如治理前后土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化、環(huán)境因子、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子等的變化，通過(guò)定量指標(biāo)來(lái)監(jiān)測(cè)這些變化。兩者相輔相成，其中土壤侵蝕監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)變化為后者水土保持監(jiān)測(cè)提供了侵蝕變化的信息，兩部分內(nèi)容的監(jiān)測(cè)又都體現(xiàn)在對(duì)于一系列地表環(huán)境要素、氣候要素和人為活動(dòng)因子的監(jiān)測(cè)，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中水土流失現(xiàn)狀的監(jiān)測(cè)與水土流失治理的監(jiān)測(cè)是密不可分的，可以用同一指標(biāo)體系。

水土保持監(jiān)測(cè)從影響土壤侵蝕、反映水土保持成效的自然環(huán)境因子、人類影響因子（如土地利用、開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目等）、土壤侵蝕狀況、治理措施監(jiān)測(cè)和治理成效等五個(gè)方面建立其指標(biāo)體系。

環(huán)境因素是直接影響區(qū)域土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)因子或抑制因子，也是水土保持治理成效的客觀反映，是水土保持監(jiān)測(cè)首要考慮的指標(biāo)因子。這其中包括自然環(huán)境因子和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境因子。

自然環(huán)境因素是土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展的潛在條件，由其引起的地表侵蝕過(guò)程為自然侵蝕（地質(zhì)侵蝕），是地質(zhì)歷史時(shí)期地貌自然演化的過(guò)程。自從人類在地球上出現(xiàn)以來(lái)，就不斷以各種活動(dòng)對(duì)自然界施加影響，正常侵蝕的自然過(guò)程受到人為活動(dòng)的干擾和越來(lái)越劇烈的影響，使土壤侵蝕現(xiàn)象由自然侵蝕狀態(tài)轉(zhuǎn)化為加速侵蝕狀態(tài)。人類活動(dòng)可以通過(guò)改變某些自然因素來(lái)改變侵蝕力與抗蝕力的大小對(duì)比關(guān)系，使得土壤侵蝕加劇或者達(dá)到水土保持兩種截然不同的結(jié)果。

氣候、地形、土壤、地質(zhì)和植被等是影響土壤侵蝕的主要自然因素和水土保持成效的客觀表現(xiàn)，而土地利用則代表了人類作用于地表的結(jié)果，同時(shí)表現(xiàn)為水土保持治理的積極因素和加劇土壤侵蝕的消極因素兩個(gè)方面。而選擇上述環(huán)境因子建立水土保持監(jiān)測(cè)指標(biāo)，需要考慮其時(shí)空尺度表達(dá)，不同時(shí)間與空間分辨率決定了地質(zhì)地貌演化、氣候變化、植被與土壤形成與演化等自然過(guò)程的信息描述，也決定了各因素的空間分布格局、人口數(shù)量變化與分布、土地利用、工程建設(shè)等人類活動(dòng)過(guò)程、形式、范圍和強(qiáng)度等評(píng)價(jià)的精度與可信度。因此環(huán)境因子指標(biāo)的選取和研究尺度均圍繞上述內(nèi)容展開(kāi)。

1 植被因子

作為地理環(huán)境重要組成部分的植被，與一定的氣候、地貌、土壤條件相適應(yīng)，受多種因素控制，對(duì)地理環(huán)境的依賴性最大，對(duì)其它因素的變化反映也最敏感。利用遙感所獲得的植被信息來(lái)分析影像上并非直接記錄的、隱含在植被冠層以下的其它信息，如水土流失、區(qū)域環(huán)境演變遺留的痕跡等是選擇植被的主要原因。而對(duì)于小流域水土保持措施，無(wú)論是生物措施還是農(nóng)業(yè)措施，其直接治理成效均表現(xiàn)于植被變化上。而植被是土壤侵蝕的抑制因子，也是最為關(guān)鍵的水土保持可控制因子。在進(jìn)行植被指標(biāo)選擇之前，首先需要明確植被的水土保持功能及其機(jī)理，從而在此基礎(chǔ)上能夠選擇反映植被類型及其結(jié)構(gòu)的適當(dāng)?shù)倪b感量化指標(biāo)。

關(guān)于不同類型及結(jié)構(gòu)的植被水土保持功能對(duì)比分析方面，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。主要是基于徑流小區(qū)、小流域?qū)嵉赜^測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)研究不同植被類型及其結(jié)構(gòu)的減水減沙效益，如陳廉潔（1991）根據(jù)三年的徑流小區(qū)實(shí)測(cè)資料研究了烏江中下游余慶等三縣人工林的水土保持功能，結(jié)果表明兩層結(jié)構(gòu)（如喬——草和灌——草型）的水土保持效益優(yōu)于單層喬木型，喬灌草三層結(jié)構(gòu)的水土保持效益最好。黃承標(biāo)等（1991）以桂西北山區(qū)的龍勝、田林等四縣的人工林為研究對(duì)象，從1982年到1989年，觀測(cè)對(duì)比了不同植被種群的地表徑流，結(jié)果是針葉林>闊葉林或針闊混交林，分析原因是植被對(duì)地表徑流的影響是由植被的樹(shù)冠群體或植物群體、枯枝落葉層和土壤層的綜合效能決定的。這種綜合效能呈現(xiàn)出闊葉林或針闊混交林>針葉林的規(guī)律。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)研究植被類型及結(jié)構(gòu)的減水減沙效益，形成植被的水土保持功能的基本認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，隨著植被水土保持功能研究的深入，開(kāi)始深入到植被內(nèi)部各個(gè)垂直層次來(lái)揭示植被水土保持功能的內(nèi)在機(jī)理。主要體現(xiàn)于喬、灌、草和枯枝落葉層等垂直結(jié)構(gòu)上。研究表明，喬木層對(duì)土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)在冠層對(duì)雨滴的攔截而降低雨滴的動(dòng)能，從而抑制了濺蝕。余新曉（1988）認(rèn)為喬木層對(duì)降雨動(dòng)能的削弱有兩部分組成：一是林冠截留作用削減降雨動(dòng)能；二是林冠緩沖作用減弱降雨侵蝕能量。灌木層和草本層與喬木層一樣對(duì)降雨有截留作用。枯枝落葉層的截留量與其自身的蓄積量、分解程度和持水能力有關(guān)?？葜β淙~層削減的降雨動(dòng)能也可以分為截留作用減弱的降雨動(dòng)能和透過(guò)枯枝落葉層所削弱的降雨動(dòng)能。前者為大氣降雨總動(dòng)能的5.6%～13.0%，平均為9.1%，后者可將透過(guò)喬木層、灌木草本層的降雨動(dòng)能全部削減（韋紅波，2001）。除此之外，枯枝落葉層降低坡面徑流速度，降低了沖刷能量，同時(shí)由于降低了徑流速度，從而增加了在坡面上滯留時(shí)間，增加了下滲時(shí)間；更為重要的是，表層凋落物和腐殖質(zhì)的積累，使得土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成和土壤孔隙度等土壤理化特性得到改善，增加土壤的下滲率。

2 地形地貌因子

地形主要包括坡度、坡長(zhǎng)、坡形和所在部位。一般而言，在降雨、土壤和土地利用基本一致時(shí)，地形越復(fù)雜水上流失越嚴(yán)重。前人試驗(yàn)資料表明，同樣都是耕地，由于坡度和所在部位不同，在同樣降雨、耕種條件下水土流失差異很大（倪晉仁，2002）。

（1）DEM。

數(shù)字高程模型（DEM）是表征區(qū)域地形地貌的參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)它也是生成與土壤侵蝕密切相關(guān)的其它地形參數(shù)的重要數(shù)據(jù)源。

（2）坡度。

坡度與土壤侵蝕方式關(guān)系密切，坡度指標(biāo)不僅是影響土壤侵蝕的主要地形因子，而且坡度大小也是決定面蝕或溝蝕為主導(dǎo)的關(guān)鍵因子。一般在坡度很緩時(shí)主要以面蝕為主，而隨著坡度增加，則發(fā)生細(xì)溝、淺溝侵蝕，當(dāng)坡度增大到一定程度時(shí)，則以切溝、沖溝為主。倪晉仁等（2002）通過(guò)研究黃土坡面細(xì)溝發(fā)育特征，表明面蝕在整個(gè)侵蝕過(guò)程中的貢獻(xiàn)隨坡面坡度的增大而迅速減??；在緩坡坡面上面蝕作用遠(yuǎn)較溝蝕作用為大，但在陡坡坡面上則明顯較溝蝕作用為小。

（3）溝壑密度。

在不考慮重力侵蝕的情況下，坡面的總侵蝕量為面蝕量和溝蝕量總和。面蝕主要發(fā)生在植被較差、有一定坡度和沒(méi)有防護(hù)措施的坡耕地或荒坡上。隨著坡長(zhǎng)增加，地表徑流逐漸匯集成股流，沖刷力增大，在細(xì)溝侵蝕基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展為切溝、沖溝、支溝、干溝直至成為河流，形成蛛絲密布的徑流網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成千溝萬(wàn)壑的地貌景觀。溝蝕的主要形式為溝頭前進(jìn)、溝床下切和溝壁擴(kuò)張。

將面蝕和溝蝕分離之后，就可以對(duì)面蝕和溝蝕過(guò)程進(jìn)行獨(dú)立的研究，并對(duì)不同的侵蝕過(guò)程采用相應(yīng)的防治措施。植被覆蓋度、土地利用、土壤質(zhì)地和坡度等是影響面蝕的主要因子，而溝壑密度則是表征和影響溝蝕的主要指標(biāo)。它反映了一定區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的溝谷的數(shù)量特性，通常以每平方公里的溝谷總長(zhǎng)度（公里）為度量單位。溝壑密度對(duì)土壤侵蝕的影響主要表現(xiàn)于，它提供了臨空面，溝壑密度愈大，地表受降雨、徑流的沖刷力和被侵蝕的面積愈大；同時(shí)它也改變了降雨的動(dòng)能，溝壑密度愈大，降雨徑流的沖刷力和侵蝕力就愈大，并且易觸發(fā)重力產(chǎn)沙。

溝壑的發(fā)育和深化過(guò)程反映地表土壤侵蝕過(guò)程的結(jié)果和土壤侵蝕強(qiáng)度，特別是水力侵蝕研究的關(guān)鍵要素；反之溝壑發(fā)生過(guò)程的停滯也表明了水土保持治理的成效，尤其是溝頭防護(hù)工程措施等的成效等。因此溝壑密度既是表征土壤溝蝕結(jié)果的定量指標(biāo)、是評(píng)價(jià)水土保持治理成效的地形地貌因子之一，也是影響土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展的客觀因子。

3 土壤質(zhì)地

土壤質(zhì)地是支配土壤特性的根源，因其組成土粒大小和不同質(zhì)地土粒的含量不同，可引起不同土壤理化性，如粘著性、可塑性、保水力、抗蝕性、通透性、離子交換能量及緩沖作用等性質(zhì)。在此選擇土壤類型圖作為土壤質(zhì)地的度量指標(biāo)。

4 水文氣象

氣候因素是影響土壤侵蝕的主要外營(yíng)力，對(duì)于水蝕而言主要是降雨徑流，在此降雨、風(fēng)場(chǎng)信息、水文數(shù)據(jù)是重要的水文氣象參數(shù)。主要指標(biāo)要素為汛期降雨量、日風(fēng)速風(fēng)向及頻率、流域年輸沙模數(shù)等。

5 土地利用

地球表層系統(tǒng)最突出的景觀標(biāo)志就是土地利用與土地覆被。土地利用/覆被變化被逐漸意識(shí)到是推動(dòng)環(huán)境變化的重要驅(qū)動(dòng)因子（Turneretal，1994）。人類活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境的擾動(dòng)作用主要體現(xiàn)在對(duì)土地覆蓋的改變，因此土地利用是表征人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕干擾程度的良好指標(biāo)。如毀林開(kāi)荒、陡坡耕種、減小植被覆蓋度等人類農(nóng)業(yè)生活活動(dòng)，以及開(kāi)采礦石、煤礦、廢渣廢料堆放等開(kāi)發(fā)建設(shè)直接加劇了土壤侵蝕。其中耕作過(guò)程雖然增加了土壤空隙度，但也破壞了土壤結(jié)構(gòu)，減弱了土壤的耐沖性，直接促進(jìn)土壤侵蝕。同時(shí)，小流域治理措施也看作是土地利用方式，包含于土地利用中，如退耕還草、開(kāi)墾梯田、封山育林等措施，通過(guò)土地利用指標(biāo)量化了人類活動(dòng)的擾動(dòng)或作用結(jié)果。

6 社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

相對(duì)于流域環(huán)境因子指標(biāo)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)主要包括小流域人口、勞力、人口密度、人口素質(zhì)、人均土地、耕地面積、人均耕地、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)人均年產(chǎn)值、農(nóng)民人均年收入、糧食總產(chǎn)量、糧食單產(chǎn)、人均占有糧、人均居住面積等社會(huì)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。

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