地理國(guó)情監(jiān)測(cè)在秦嶺山地土壤侵蝕中的應(yīng)用

馬鵬剛，林 璐，王 爽，胡炳方

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710100）

地理國(guó)情監(jiān)測(cè)在秦嶺山地土壤侵蝕中的應(yīng)用

馬鵬剛1，林 璐1，王 爽1，胡炳方1

（1.國(guó)家測(cè)繪地理信息局第二地形測(cè)量隊(duì)，陜西 西安 710100）

利用國(guó)情監(jiān)測(cè)成果，分析了2010～2014年秦嶺山地丹江流域土地利用類型變化特征，并探討了土地利用類型方式轉(zhuǎn)變對(duì)流域土壤侵蝕的影響。結(jié)果表明，微度侵蝕和輕度侵蝕面積在波動(dòng)中呈減少趨勢(shì)；中度侵蝕至劇烈侵蝕面積呈上升趨勢(shì)，在一定程度上，流域的侵蝕狀況加劇。土壤侵蝕較嚴(yán)重的土地利用類型是耕地和裸地。

土地利用變化；土壤侵蝕；土壤保持量

地理國(guó)情普查與監(jiān)測(cè)是從空間角度綜合反映國(guó)家（省、市）的自然、經(jīng)濟(jì)、人文狀況，具體包括土地資源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、森林和濕地、地震、水文、海洋、礦產(chǎn)資源、交通等。土壤侵蝕是土壤或成土母質(zhì)在外力作用下被破壞剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程。它將破壞土地、減低土壤肥力、加劇干旱發(fā)展、淤積抬高河床、加劇洪澇災(zāi)害，危害極其嚴(yán)重。我國(guó)屬于全球范圍內(nèi)土壤侵蝕比較嚴(yán)重的國(guó)家，人地矛盾突出，地理國(guó)情普查和監(jiān)測(cè)技術(shù)可以更好地觀測(cè)我國(guó)土壤侵蝕現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)而采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以期為實(shí)現(xiàn)秦嶺丹江流域土地資源的優(yōu)化配置，有效控制土壤侵蝕，提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 流域概況

秦嶺山地地區(qū)屬于丹江流域，氣候?yàn)閬啛釒蚺瘻貛н^渡型，具有南北過渡的植被和氣候特點(diǎn)，林地較多，主要植被類型為暖溫帶落葉闊葉林；年平均氣溫由北向南、由西向東遞增，多年平均氣溫為11～14℃。受氣候和地形的影響，流域年平均降水量為743.50 mm，降水分布不均勻。區(qū)域內(nèi)土壤以黃褐土、棕壤、黃棕壤、紫色土等為主；土薄石多，陡坡耕種較普遍，若不加保護(hù)土層極易流失殆盡而失去利用價(jià)值。秦嶺地區(qū)是我國(guó)重要水源保護(hù)地，也是國(guó)家南水北調(diào)中線工程重要的水源之一（圖1、2）。

圖1 丹江流域某段地表覆蓋圖

圖2 丹江流域某段海拔圖

2 研究方法

2.1 土地利用變化及土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)

遙感影像通過大氣校正、幾何校正和正射校正，輔以30 m DEM、高精度參考影像庫(kù)和野外高精度GPS點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用ENVI和Erdas軟件平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)督分類和人工采集，輸出分類圖像。根據(jù)《全國(guó)第一次地理國(guó)情普查采集內(nèi)容與指標(biāo)》，只采集到二級(jí)類。

土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)考慮了土地利用類型所占的面積，可更有效地對(duì)各用地類型的土壤侵蝕強(qiáng)度的貢獻(xiàn)情況進(jìn)行把握[1]。當(dāng)各土地利用類型轉(zhuǎn)化時(shí)其土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)亦隨之發(fā)生變化。將研究區(qū)兩個(gè)時(shí)期土地利用圖轉(zhuǎn)化為30 m×30 m 柵格圖層，采用ArcGIS10.0疊加分析功能，對(duì)各土地利用類型變化及土地侵蝕強(qiáng)度指數(shù)進(jìn)行空間定位，計(jì)算土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣和土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)，并利用柵格屬性表數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各類土地利用變化時(shí)土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)相應(yīng)變化數(shù)據(jù)，從而得到2010年、2014年土地利用類型轉(zhuǎn)化與土壤侵蝕強(qiáng)度的定量關(guān)系。計(jì)算公式如下：

式中，Ej為第j單元的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)；Ci為第j單元第i類型土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)值；Ai為第j單元第i類型土壤侵蝕所占面積；Sj為第j單元所占的土地面積；n為第j單元土壤侵蝕的類型總數(shù)。根據(jù)水利部頒布的SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，土壤侵蝕強(qiáng)度劃分為微度、輕度、中度、重度、極重度和劇烈侵蝕，各等級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)值分別為1、2、3、4、5、6[2]。

2.2 InVEST模型計(jì)算原理

植被不僅能夠減緩地塊土壤侵蝕，還對(duì)上游地區(qū)土壤侵蝕物有一定的攔截作用[3]。采用USLE方程計(jì)算土壤保持量時(shí)，忽略了植被的持留作用。InVEST土壤保持模型以柵格單元為計(jì)算方式[4]，根據(jù)每個(gè)植被像元捕獲及持留土壤侵蝕物的能力，計(jì)算像元中被下游地區(qū)植被所攔截的土壤侵蝕量。此外，對(duì)于有大中型水庫(kù)的流域，在建造水庫(kù)時(shí)為了避免泥沙淤積，會(huì)設(shè)計(jì)水庫(kù)死庫(kù)容，該空間可沉淀泥沙和減少清淤成本，對(duì)于流域的土壤保持具有一定作用[5-7]。計(jì)算過程如下：

1）計(jì)算基于地貌和氣候條件的潛在土壤流失量：

2）采用通用USLE方程計(jì)算植被覆蓋以及實(shí)施土地管理措施流域的實(shí)際土壤侵蝕量：

式中，Rx為降雨侵蝕力；Kx為土壤可蝕性；LSx為坡度-坡長(zhǎng)因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為管理因子。

3）InVEST模型中土壤保持量包含兩部分：泥沙持留量，用上坡來(lái)沙量與泥沙持留率乘積表示（式（4））；因植被覆蓋和水土保持措施而減少的土壤侵蝕量，以潛在與實(shí)際侵蝕的差值表示：

式中，SEx為柵格x的持留率；USLEy為上坡柵格y產(chǎn)生的泥沙量；SEz為上坡柵格的泥沙持留量；SEDRETxD為柵格x土壤保持量。

4）對(duì)于有大中型水庫(kù)的流域，為避免高估流域土壤保持量，應(yīng)當(dāng)減去水庫(kù)死庫(kù)容的土壤保持量。模型采用以下計(jì)算方式：

式中，SEDRET_drx為水庫(kù)清淤條件下的柵格x實(shí)際土壤保持量；1.26為沉積物密度的常量，單位為t/m3；dr_deadvol為流域水庫(kù)死庫(kù)容；dr_time為水庫(kù)剩余壽命；contrib為流域柵格單元數(shù)量[4]。

表1 2010年、2014年土壤侵蝕等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用格局下的土壤侵蝕及其變化

2010～2014年流域整體處于微度侵蝕和輕度侵蝕級(jí)別（表1）。5 a間微度侵蝕和輕度侵蝕面積在波動(dòng)中呈減少趨勢(shì)；中度侵蝕至劇烈侵蝕面積呈上升趨勢(shì)，表明在一定程度上，流域的侵蝕狀況加劇。表2統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)5 a間不同土地利用類型各土壤侵蝕等級(jí)的面積變化。林地：微度侵蝕的面積先減后增，總體減少，是流域微度侵蝕面積減少的原因之一。灌叢：各等級(jí)侵蝕面積變化在波動(dòng)中上升，是流域中度侵蝕面積增加的主要原因。草地：各級(jí)別變化幅度均較小，除微度侵蝕面積總體減少外，輕度侵蝕至劇烈侵蝕面積均有不同程度的增加。耕地：微度侵蝕至中度侵蝕面積持續(xù)下降，是流域微度侵蝕、輕度侵蝕面積減少的最主要原因；重度侵蝕至劇烈侵蝕面積整體增加。裸地：各級(jí)別侵蝕面積均減少。綜上所述，對(duì)中度侵蝕以上侵蝕強(qiáng)度面積貢獻(xiàn)率最大的地類是灌叢和耕地，林地重度侵蝕、極重度侵蝕面積較小，且基本不發(fā)生劇烈侵蝕。2010～2014年流域各地類中度以上侵蝕級(jí)別面積基本呈現(xiàn)出在先增后減中上升的趨勢(shì)。

3.2 各土地利用類型轉(zhuǎn)變與土壤侵蝕效應(yīng)的關(guān)系

表3統(tǒng)計(jì)了各地類發(fā)生轉(zhuǎn)化時(shí)其土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的變化過程。研究區(qū)主要發(fā)生變化的地類為耕地及裸地，因此由土地利用類型變化引起的土壤侵蝕變化主要發(fā)生在耕地變化區(qū)和裸地變化區(qū)。在耕地變化區(qū)，侵蝕強(qiáng)度指數(shù)降低最明顯的是耕地轉(zhuǎn)為林地、水域及居民區(qū)過程，分別由172.88下降至105.63、98.32及107.56；耕地轉(zhuǎn)為灌叢、草地及裸地均呈增加趨勢(shì)，耕地大面積轉(zhuǎn)為灌叢是該流域土壤侵蝕加劇的主要原因。在裸地變化區(qū)，由裸地轉(zhuǎn)為其他地類時(shí)侵蝕強(qiáng)度指數(shù)均呈下降趨勢(shì)。與耕地一致，裸地轉(zhuǎn)為林地、水域及居民區(qū)時(shí)，下降最為明顯。

表3 各土地類型變化區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)（Ej）變化

在林地變化區(qū)，侵蝕強(qiáng)度指數(shù)變化最明顯的是從林地向草地及耕地轉(zhuǎn)化；在灌叢變化區(qū)，灌叢向耕地轉(zhuǎn)化其侵蝕強(qiáng)度指數(shù)由113.42增加至154.85，灌叢向草地及居民區(qū)轉(zhuǎn)化時(shí)侵蝕強(qiáng)度指數(shù)均呈減少趨勢(shì)；在草地變化區(qū)，轉(zhuǎn)化為林地時(shí)，其侵蝕強(qiáng)度指數(shù)下降最為明顯；在水域變化區(qū)，水域轉(zhuǎn)為裸地時(shí)，侵蝕強(qiáng)度指數(shù)由99.08大幅增加至187.56；居民區(qū)未發(fā)生轉(zhuǎn)出現(xiàn)象，其內(nèi)部侵蝕強(qiáng)度指數(shù)基本無(wú)變化。上述土地類型雖轉(zhuǎn)化面積較小，對(duì)整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕影響不大，但為秦嶺山地丹江流域土地資源的優(yōu)化配置，有效控制土壤侵蝕，提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

2010～2014年，秦嶺山地丹江流域耕地和裸地呈大幅下降趨勢(shì)，其他地類有不同幅度的增加。從土壤侵蝕分級(jí)來(lái)看，流域主要處于微度和輕度侵蝕級(jí)別，林地占有該流域面積的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)是其直接原因；但仍有較大侵蝕面積屬中度以上侵蝕且均有增加趨勢(shì)，盡管增加面積較小，但其對(duì)水土流失的影響不容忽視。

流域的土壤侵蝕狀況與土地利用格局有密切的聯(lián)系。根據(jù)秦嶺山地丹江流域不同時(shí)期土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)變化，比較各類土地類型轉(zhuǎn)化面積大小可知：對(duì)土壤侵蝕程度起到減輕作用的土地類型轉(zhuǎn)化為耕地轉(zhuǎn)為林地、裸地轉(zhuǎn)為林地以及裸地自身面積大幅減少；而耕地與灌叢間的相互轉(zhuǎn)化加劇了土壤侵蝕的程度，其中灌叢轉(zhuǎn)為耕地程度更為嚴(yán)重。研究表明，保護(hù)現(xiàn)有林地，將坡耕地恢復(fù)為林地是秦嶺山地丹江流域植被保護(hù)、減少土壤侵蝕的必要措施。

[1] 周平,蒙吉軍.鄂爾多斯市1988～2000年土壤水力侵蝕與土地利用時(shí)空變化關(guān)系[J].自然資源學(xué)報(bào),2009,24(10)：1 706-1 717

[2] 高楊,呂寧,薛重生,等.不同區(qū)域土地利用與土壤侵蝕空間關(guān)系研究[J].中國(guó)水土保持,2006,33(11)：21-23,58

[3] 柳長(zhǎng)順,齊實(shí),史明昌.土地利用變化與土壤侵蝕關(guān)系的研究進(jìn)展[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(增刊1)：10-13

[4] 喻鋒,李曉兵,陳云浩,等.皇甫川流域土地利用變化與土壤侵蝕評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2006(6)：1 947-1 956

[5] 趙克玉,陳義琦,丁利民.二龍山水庫(kù)排沙減淤技術(shù)的研究[J].泥沙研究,1995(2)：57-63

[6] 劉書榜，馮東玲.魚嶺水庫(kù)泥沙淤積成因分析及排沙減淤措施[J].西北水資源與水工程,2002,13(2)：46-48,51

[7] 陳龍,謝高地,裴廈,等.瀾滄江流域生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能及其空間分布[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2012,23(8)：2 249-2 256

P23

：B

：1672-4623（2016）11-0024-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.009

馬鵬剛，碩士，工程師，主要從事航空攝影測(cè)量、國(guó)情變化監(jiān)測(cè)等研究。

2015-06-04。