典型巖溶區(qū)水土流失動態(tài)監(jiān)測研究

(1.貴州師范學院地理與旅游學院，貴州 貴陽550018；貴州師范大學南方喀斯特研究院，貴州 貴陽550001) (2.貴州師范學院，貴州 貴陽 550018)

引 言

水土流失是指在水力、風力、重力等外營力作用下，水土資源和土地生產(chǎn)力的破壞和損失，包括土壤侵蝕和水的流失[1-2]。在巖溶地區(qū)，由于巖溶生態(tài)環(huán)境的復雜性、脆弱性和差異性決定了巖溶地區(qū)水土流失的特殊性[3]。巖溶地區(qū)成土速度慢，土層淺薄，水土流失造成基巖逐漸裸露而形成石漠化，水土流失成為喀斯特地區(qū)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，喀斯特地區(qū)土壤侵蝕防治尤為重要[4]。近年來，中國巖溶區(qū)土壤侵蝕研究得到快速發(fā)展，研究成果集中在：水土流失的理論研究[5]、土壤流失方程[6]、巖溶區(qū)水土流失等級劃分及評價標準[7]、地下流失特征及比重定量研究[8-9]、3S技術(shù)在區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查中的應用[10]、區(qū)域水土流失特征[11]、水土流失治理措施[12]、定位監(jiān)測與評價[13]等。水土流失是一個長期且動態(tài)的過程，長時間動態(tài)監(jiān)測巖溶區(qū)的水土流失的動態(tài)變化、全面分析水土流失類型轉(zhuǎn)變規(guī)律，及時提出針對性的治理措施，對于巖溶區(qū)的水土流失治理更具實際意義。論文選擇典型巖溶區(qū)安順市為研究對象，運用3S技術(shù)，提取各項水土流失專題因子，生成水土流失等級分布圖，研究1995-2015年水土流失變化特征及不同階段水土流失階段差異性，為巖溶區(qū)水土流失及石漠化治理提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

安順市位于貴州省中西部，東經(jīng)105°13′-106°34′，北緯25°21′-26°28′，是世界上典型的喀斯特地貌集中地區(qū)。境內(nèi)山巒起伏，地勢高低不平，海拔高度主體分布在500-1800m。最高海拔1850m。安順市屬典型的高原型濕潤亞熱帶季風氣候，雨量充沛，年平均降雨量1360mm，年平均氣溫14℃，歷史最高氣溫34.3℃，最低氣溫-7.6℃，年平均相對濕度80%，年平均風速2.4m/s。根據(jù)2015年第六次全國人口普查，全市常住人口為231.35萬人，人口出生率為12.44‰，自然增長率為5.75‰。

2 技術(shù)路線

因巖溶區(qū)水土流失過程中可以流失土壤量遠遠小于非巖溶區(qū)，在非巖溶區(qū)，水土流失以坡面流失為主，但巖溶區(qū)水土流失方式與非巖溶區(qū)有很大差異，使用土壤流失強度標準對于巖溶區(qū)的水土流失等級的判定顯然不合適，因此需采用巖溶區(qū)界定標準[14]，巖溶區(qū)采用《巖溶地區(qū)水土流失綜合治理技術(shù)標準》中水土流失等級劃分標準[15]，非巖溶地區(qū)采用全國《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)[16]，分別依據(jù)界定標準將研究區(qū)水土流失等級判定為微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕6類。根據(jù)標準中影響因子分別提取專題因子圖層，采用1995年的分辨率為30m的TM影像，2010年分辨率為10m的ALOS影像，2015年分辨率為8m的資源三號衛(wèi)星影像作為研究的基礎(chǔ)性資料。通過計算機自動分類、遙感解譯和人機相互解譯，分別提取植被覆蓋度和土地利用圖，利用安順市1:50000地形圖生成研究區(qū)坡度圖，根據(jù)研究區(qū)1:50000地質(zhì)圖提取巖性圖，根據(jù)研究區(qū)1:50000石漠化等級圖提取基巖裸露率5個專題圖層。將所有專題圖層在GIS中空間疊加到一個圖層，按照分級標準界定生成安順市1995年、2010年、2015年水土流失分級圖。通過1995-2015年三個階段水土流失變化情況進行對比研究分析變化，探究其變化規(guī)律。

3 水土流失評定因子獲取

3.1 土地利用類型

本次研究通過人機相互互譯方式對研究區(qū)的土地利用類型進行提取，按照巖溶水土流失區(qū)界定標準劃分土地利用類型為旱地、水田、水域、建設用地等。運用ERDAS軟件對1995年TM影像、2010年ALOS影像、2015年的資源三號衛(wèi)星影像進行分層信息分析，結(jié)合外業(yè)建立的解譯標志和分類系統(tǒng)對影像進行分層分類。使用分層分類法可以減少因為同物異譜或異物同譜現(xiàn)象使得分類精度不高而產(chǎn)生的誤差和判定錯誤[17-18]，通過分層分析和人工解譯結(jié)合的方式得到土地利用專題圖。

3.2 地形坡度

采用建立的數(shù)字地面高程模型，在GIS支持下利用專門的算法提取坡度。以研究區(qū)1:5萬地形圖作為底圖，矢量化生成DEM數(shù)據(jù)，以15m為單元格計算研究區(qū)的坡度[19]。

3.3 植被綜合蓋度

植被覆蓋度是評判一片區(qū)域的植被群落保持水土的能力的重要指標，也是水土流失等級判定的重要評判因子之一。利用植被指數(shù)與植被覆蓋度的關(guān)系，建立了使用植被指數(shù)估算植被覆蓋度的模型[20]。利用歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)，根據(jù)像元二分模型，一個像元的NDVI值是由兩部分構(gòu)成，一個是綠色植被部分所貢獻的信息NDVIveg，另外一個是無植被覆蓋部分所貢獻的信息NDVIsoil，將歸一化植被指數(shù)(NDVI)帶入公式就可以計算出植被綜合蓋度：

Vc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

3.4 基巖裸露率

基巖裸露率計算采用遙感反演獲取[15]，基于多光譜遙感影像的裸巖率計算方法將單個像元作為計算分析的基本單元，每個像元的裸巖率取值范圍為0～100%。在喀斯特地區(qū)，除建設用地、水域外，其他區(qū)域的土地覆被構(gòu)成均可分成3大類：植被、土壤和巖石。因此，在多光譜遙感影像的裸巖率計算方法為在單位面積內(nèi)的基礎(chǔ)上，如果植被覆蓋度達到X%，土壤裸露率達到Y(jié)%，則基石裸露率為(1-X%-Y%)。可用數(shù)學公式表示如下：

BRp=(1-BSp- Fc)100%

其中：BRp代表基巖裸露率，BSp代表土壤裸露率，F(xiàn)c代表植被覆蓋度，利用像元二分模型計算植被覆蓋度，通過應用裸土指數(shù)(BI)，參照使用NDVI估算植被覆蓋度的方法計算土壤裸露率。

圖1 安順市土壤侵蝕圖2010年(左)、2015年(右)

4 結(jié)果分析

4.1 安順市水土流失現(xiàn)狀及其構(gòu)成

基于獲取的2015年遙感數(shù)據(jù)和各項水土流失評定因子數(shù)據(jù)，得出安順市2015年水土流失現(xiàn)狀圖，統(tǒng)計分析各個等級水土流失面積。由表1可以看出，安順市土壤侵蝕等級以微度侵蝕為主，微度土壤侵蝕面積達到6818.71km2，占全市總面積的74.4%。水土流失面積(輕度侵蝕及以上等級)為2352.02 km2，占安順市總面積的25.6%，各種水土流失等級中，輕度侵蝕面積最大，面積為1183.62km2，占總面積的12.9%；劇烈侵蝕面積35.65km2，占全市總面積的0.40%。隨著等級升高，各種水土流失面積逐漸減少，水土流失等級呈金字塔狀。

表1 安順市2015年各縣區(qū)土壤侵蝕統(tǒng)計表

安順市水土流失空間分布有較大差異，南部和西北部水土流失等級較高，水土流失強弱受地形巖性影響大，南部區(qū)域河流切割嚴重，坡度較大，水土流失明顯高于其他域。非巖溶區(qū)水土流失等級高于巖溶區(qū)。巖溶區(qū)因圖層淺薄，土壤總量比非巖溶區(qū)少，水土流失量反而比非巖溶區(qū)小。從各縣區(qū)水土流失面積分析，紫云縣土壤侵蝕最為嚴重，面積達到674.54 km2,面積最小的平壩縣土壤侵蝕面積為152.77 km2。從各縣區(qū)水土流失發(fā)生率對比分析，紫云縣水土流失發(fā)生率最高，達到30.2%，

圖2 安順市2015年各區(qū)縣土壤侵蝕構(gòu)成圖

其次是關(guān)嶺縣、鎮(zhèn)寧縣和普定縣，水土流失發(fā)生率介于20%-30%之間，西秀區(qū)和平壩縣水土流失發(fā)生率分別只有15.7%和15.6%。

4.2 安順市2010-2015年水土流失變化

分別統(tǒng)計分析安順市2010年、2015年各種水土流失面積，對比分析安順市5年間水土流失的動態(tài)變化。從表2可以看出，安順市2010年水土流失面積為2722.07 km2，占安順市總面積的29.7%，2015年水土流失面積為2352.02 km2，5年間水土流失面積減少了370.05km2，每年減少水土流失面積74.01km2，年變化率為-13.6%。各種水土流失中，微度侵蝕面積增加最大，達到370.07 km2，輕度侵蝕面積增加228.24km2，其他各種水土流失面積在都在減少，其中，面積減少最大的為強烈侵蝕，達到289.64 km2，其次是極強烈侵蝕和輕度侵蝕，中度侵蝕面積變化最小，只有29.23 km2。從統(tǒng)計表可以看出，強烈侵蝕和極強烈侵蝕面積大面積減少，說明安順市水土流失形勢明顯好轉(zhuǎn)，高等級水土流失逐漸向低等級水土流失轉(zhuǎn)變。

表2 安順市2010、2015年土壤侵蝕變化表

4.3 2010-2015年各縣區(qū)水土流失變化

為分析安順市各縣區(qū)5年間水土流失變化，對比分析各縣區(qū)2010年、2015年水土流失面積變化。從表3和圖3可以看出，2010-2015年間，安順市所有縣區(qū)水土流失面積都減少，其中紫云縣水土流失減少面積最大，減少了113.66km2，西秀區(qū)水土流失面積減少最小，只有14.35km2，總體上水土流失面積基數(shù)越大，減少的面積越多，而平壩縣水土流失面積基數(shù)雖然較小，但是5年間減少了59.42km2，減少面積顯著。從水土流失減少比例分析，鎮(zhèn)寧縣水土流失面積下降了6.3個百分點，平壩縣、紫云縣水土流失面積下降比例每年也超過一個百分點，西秀區(qū)下降的比例最小，水土流失面積比例5年間只下降了0.8個百分點。

表3 2010-2015各縣區(qū)水土流失面積統(tǒng)計表

從各個縣區(qū)各種水土流失等級變化分析，微度侵蝕面積都呈增長趨勢，微度侵蝕面積增長最大為紫云縣，增長面積為113.66km2。輕度侵蝕平壩縣和普定縣面積減少，其余各縣面積增加，其中鎮(zhèn)寧縣面積變化最大，中度和強烈侵蝕基本都是面積減少，其中關(guān)嶺縣面積變化最大，普定縣變化較小。極強烈及劇烈侵蝕只有平壩縣和普定縣面積有細微增長，其余各縣面積都減少，其中鎮(zhèn)寧縣、紫云縣和關(guān)嶺縣面積減少顯著，而平壩縣、普定縣和西秀區(qū)幾乎沒有變化。從各縣區(qū)各種等級水土流失面積變化可以看出，水土流失等級基數(shù)較高的縣區(qū)如鎮(zhèn)寧縣、紫云縣5年間水土流失面積變化主要集中在高等級水土流失，而水土流失等級基數(shù)較低的縣區(qū)如西秀區(qū)、平壩縣高等級水土流失面積變化較小，主要集中在中、輕度水土流失。

圖3 安順市2010-2015年各縣區(qū)各等級土壤侵蝕面積變化圖

5 結(jié)論

本文通過對安順市2010-2015年水土流失變化情況進行分析，對比研究水土流失的區(qū)域性變化，研究結(jié)果表明：

安順市土壤侵蝕等級以微度侵蝕為主， 2015年微度土壤侵蝕面積達到6818.71km2，水土流失面積為2352.02 km2，占安順市總面積的25.6%，安順市水土流失空間分布中南部和西北部水土流失等級較高，水土流失強弱受地形巖性影響大，非巖溶區(qū)水土流失等級高于巖溶區(qū)，各縣區(qū)中紫云縣土壤侵蝕最為嚴重。

安順市2010-2015年水土流失面積減少了370.05km2，每年減少水土流失面積74.01km2，年變化率為-13.6%。微度侵蝕面積增加最大，達到370.07 km2，中度以上侵蝕類型面積等呈下降趨勢，強烈侵蝕和極強烈侵蝕大面積減少，安順市水土流失形勢明顯好轉(zhuǎn)。2010-2015年間，安順市所有縣區(qū)水土流失面積都在減少，其中紫云縣水土流失減少面積最大，減少了113.66km2。

論文研究了安順市2010-2015年水土流失動態(tài)變化，但因遙感影像分辨率限制，未能獲取研究區(qū)2010年前高分辨率水土流失狀況，研究的時間間隔較短，不能反映出安順市水土流失的長期動態(tài)變化。同時，巖溶地區(qū)土層淺薄，雖然安順市2010-2015年水土流失面積減少，等級降低，但是也有可能是巖溶區(qū)部分區(qū)域達到無土可流的狀態(tài)導致的水土流失等級下降，因此，安順市水土流失防治工作仍需高度重視，保護珍貴的水土資源。