防護(hù)林空間密度分布與水土流失強(qiáng)度關(guān)系分析

劉 婷，張大偉，張忠輝，何懷江，羅 也，包廣道

(吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130033)

防護(hù)林是以發(fā)揮防護(hù)效應(yīng)為基本經(jīng)營(yíng)目的的森林總稱[1]，通常由天然林和人工林組成[2]，通過(guò)構(gòu)建與經(jīng)營(yíng)，使其具有防護(hù)或生態(tài)服務(wù)功。

能[3]通過(guò)選取合適樹種與栽種模式，能夠在一定程度上有效降低水土流失強(qiáng)度?，F(xiàn)有關(guān)于防護(hù)林的研究主要為功能經(jīng)營(yíng)區(qū)[4]、樹種選擇[5]、模式配置[6，7]與效益評(píng)價(jià)[8，9]等，針對(duì)空間密度與水土流失強(qiáng)度關(guān)系的研究較少。水土流失在一定程度上制約了德惠市經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展，同時(shí)也帶來(lái)了環(huán)境的加劇惡化。為此，本文利用遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)格法對(duì)防護(hù)林空間密度分布與水土流失強(qiáng)度進(jìn)行分析，探討不同防護(hù)林空間密度對(duì)水土流失強(qiáng)度的影響，以期為今后防護(hù)林的營(yíng)建提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 研究區(qū)概況

德惠市位于松遼平原腹地，吉林省中北部，地處125°14′～126°28′E，43°32′～44°45′N(圖1)。境內(nèi)河道屬松花江水系，地勢(shì)由西南向東北傾斜，地形地貌為丘陵、臺(tái)地、川地和沙地，呈波狀起伏，平均海拔205 m，屬北溫帶大陸性季風(fēng)半濕潤(rùn)氣候區(qū)，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季溫和涼爽，冬季漫長(zhǎng)寒冷少降雪，災(zāi)害種類多，頻率高，季節(jié)性強(qiáng)，危害大，以洪澇、干旱、低溫冷害為主。平均氣溫4.9 ℃，平均氣溫年較差18.2 ℃。平均日照時(shí)數(shù)2 432.9 h。平均降水520 mm，多集中在4—9月。全年無(wú)霜期143 d。土壤類型以黑土、草甸土、黑鈣土和沖積土為主。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

德惠市盛產(chǎn)玉米、水稻、大豆、高粱，是國(guó)家重點(diǎn)商品糧基地，除江河兩岸及荒坡地帶有少量成片天然植被，絕大部分土地被開(kāi)墾，植被覆蓋率呈現(xiàn)不斷下降趨勢(shì)。地質(zhì)災(zāi)害種類以不穩(wěn)定斜坡為主，主要威脅基本農(nóng)田，水土流失較為嚴(yán)重，阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展，并給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成一定危害。于中華人民共和國(guó)成立初期開(kāi)展防護(hù)林營(yíng)造活動(dòng)，1978年開(kāi)始三北防護(hù)林工程建設(shè)，經(jīng)過(guò)多年建設(shè)與管理，取得了很好效果，為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮積極作用與影響。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)采用0.8 m分辨率的GF-2衛(wèi)星影像以及15 m分辨率的Landsat8-OLI衛(wèi)星影像作為主要數(shù)據(jù)源。為確保影像清晰以及耕地與防護(hù)林易區(qū)分，選取云量覆蓋率少于有影像總面積5 %且獲取時(shí)間介于五月中旬至六月上旬之間的數(shù)據(jù)。通過(guò)ENVI5.5遙感處理軟件，對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正以及圖像融合等預(yù)處理工作。

1.2.2水土流失數(shù)據(jù)

①R因子采用國(guó)家氣象局共享的站點(diǎn)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)克里格插值法生成的柵格數(shù)據(jù)；②LS因子采用ASTER網(wǎng)站提供的30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)；③K因子采用吉林省土壤類型專題圖。

1.2.3外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)

檢驗(yàn)數(shù)據(jù)采用2016年6月15日至2016年6月18日采集的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)。

圖2 防護(hù)林分布Fig.2 Distribution of shelter forests

1.3 研究方法

1.3.1 防護(hù)林提取

由于植被對(duì)于不同波段表現(xiàn)出不同的光譜特性，可見(jiàn)光紅波段表現(xiàn)出強(qiáng)吸收，近紅外波段表現(xiàn)出高透射。植被指數(shù)是利用遙感手段監(jiān)測(cè)地面植物狀態(tài)的一種方法[10]。植被指數(shù)是將可見(jiàn)光紅波段與近紅外波段進(jìn)行不同方式組合，從而簡(jiǎn)單、有效地對(duì)地表植被狀況進(jìn)行定量和定性評(píng)價(jià)。差值植被指數(shù)(DVI)對(duì)土壤背景的變化極為敏感，能較好地反映植被覆蓋度和生長(zhǎng)狀況差異[11]。

計(jì)算公式為：DVI=DNNIR-DNR

(1)

其中:DNNIR為近紅外波段輻射亮度值；

DNR為紅波段輻射亮度值。

在ENVI5.3平臺(tái)下，首先計(jì)算研究區(qū)的差值植被指數(shù)(DVI)，通過(guò)選取600的分割閾值快速提取防護(hù)林信息，再輔助30 m分辨率的Landsat8-OLI做掩膜去除建設(shè)用地中林地的干擾信息，最終得到德惠市防護(hù)林信息分布圖(圖2)。根據(jù)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，準(zhǔn)確率為87.2 %，符合分類精度要求。

1.3.2防護(hù)林空間密度計(jì)算

防護(hù)林空間密度分布選取空間分析中常用的網(wǎng)格法[12]，在ArcGIS 10.5平臺(tái)下利用矢量工具生成500 m×500 m大小的網(wǎng)格，通過(guò)計(jì)算研究區(qū)單位面積內(nèi)防護(hù)林面積所占比例，從而獲得防護(hù)林空間密度分布數(shù)據(jù)。通過(guò)網(wǎng)格裁剪研究區(qū)內(nèi)的防護(hù)林分布數(shù)據(jù)，利用屬性表中Field Calculate工具計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)防護(hù)林所占面積比，將新增面積比字段重新生成柵格數(shù)據(jù)，從而得到研究區(qū)防護(hù)林空間密度分布圖。

圖3 防護(hù)林空間密度分布Fig.3 Distribution of spatial density of shelter forests

1.3.3 水土流失強(qiáng)度計(jì)算與精度驗(yàn)證

土壤侵蝕定量模型主要分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型[13,14]、概念模型[15]和物理模型[16]。本文選取應(yīng)用效果較好的USLE模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算公式為[17]：

A=R·K·L·S·C·P

(2)

其中:A為土壤流失量t·hm-2·a-1；

R為降雨侵蝕力MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；

K為土壤可蝕性t·hm-2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；

L為坡長(zhǎng)；

S為坡度；

C為植被覆蓋與管理；

P為水土保持措施。

根據(jù)以上方法得到德惠市水土流失強(qiáng)度圖(圖4)。利用已有野外調(diào)查數(shù)據(jù)和遙感影像，采取隨機(jī)選取特征樣本的方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明總體精度達(dá)到83.6 %，滿足研究精度需要。

圖4 水土流失強(qiáng)度Fig.4 Soil erosion intensity

2 結(jié)果與分析

2.1有無(wú)防護(hù)林區(qū)域水土流失強(qiáng)度

通過(guò)營(yíng)建防護(hù)林可在一定程度上減少水土流失發(fā)生，同時(shí)又能夠涵養(yǎng)水土，保護(hù)土地資源[18]。通過(guò)統(tǒng)計(jì)德惠市每個(gè)格網(wǎng)內(nèi)防護(hù)林的空間密度數(shù)據(jù)和水土流失強(qiáng)度數(shù)據(jù)，網(wǎng)格內(nèi)防護(hù)林空間密度為0值時(shí)，無(wú)防護(hù)林分布的水土流失強(qiáng)度與有防護(hù)林分布的網(wǎng)格內(nèi)水土流失強(qiáng)度的最大值、最小值、平均值與標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。發(fā)現(xiàn)有防護(hù)林分布的網(wǎng)格水土流失強(qiáng)度的平均值比無(wú)防護(hù)林分布的網(wǎng)格低788，平均值高近93 %。有防護(hù)林分布的網(wǎng)格內(nèi)水土流失強(qiáng)度總體明顯強(qiáng)于無(wú)防護(hù)林分布的網(wǎng)格。

表1 有無(wú)防護(hù)林分布對(duì)水土流失強(qiáng)度的影響

表2 不同防護(hù)林空間密度與水土流失強(qiáng)度關(guān)系

2.2 不同防護(hù)林空間密度下水土流失強(qiáng)度

為研究不同防護(hù)林空間密度對(duì)水土流失的影響，將研究區(qū)有防護(hù)林分布的網(wǎng)格以0.02的間隔劃分。由于防護(hù)林空間密度大于0.1區(qū)間的網(wǎng)格數(shù)量很少，因此，將其與0.08～0.10區(qū)間合并為一個(gè)等級(jí)，將研究區(qū)共分為五個(gè)等級(jí)，計(jì)算各防護(hù)林空間密度等級(jí)下的水體流失強(qiáng)度的最大值、最小值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，見(jiàn)表2。

從表2中可以看出，水土流失強(qiáng)度的平均值隨防護(hù)林空間密度等級(jí)的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)防護(hù)林空間密度等級(jí)為3級(jí)，即防護(hù)林空間密度在0.04～0.06之間時(shí)，水土流失強(qiáng)度的平均值達(dá)到最小值，為0，隨后水土流失強(qiáng)度再次提高并相對(duì)趨于平穩(wěn)，這表明當(dāng)防護(hù)林空間密度小于0.04時(shí)，防護(hù)林過(guò)于稀疏，未能對(duì)水土流失起到較好的防護(hù)作用，當(dāng)防護(hù)林空間密度大于0.06時(shí)，防護(hù)林對(duì)水土流失強(qiáng)度的將再具有正面的積極作用。通過(guò)表2可知，德惠市防護(hù)林空間密度分布較不合理，其中無(wú)防護(hù)林分布的網(wǎng)格達(dá)到9 071個(gè)，占總網(wǎng)格數(shù)的68.2 %；防護(hù)林空間密度過(guò)大的網(wǎng)格數(shù)為124個(gè)，占總網(wǎng)格數(shù)的0.01 %。

3 結(jié)論與討論

本文選取高分二號(hào)與Landsat 8-OLI遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過(guò)差值植被指數(shù)提取德惠市防護(hù)林信息，在網(wǎng)格法下生成防護(hù)林空間密度數(shù)據(jù)。結(jié)合利用USLE模型計(jì)算得到的水土流失強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析德惠市防護(hù)林空間密度與水土流失強(qiáng)度的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)有防護(hù)林分布的網(wǎng)格水土流失強(qiáng)度低于無(wú)防護(hù)林分布的網(wǎng)格，二者具有顯著差異，相差788，表明德惠市防護(hù)林可降低水土流失強(qiáng)度，起到明顯的防護(hù)作用。不同防護(hù)林空間密度對(duì)水土流失強(qiáng)度的影響不同，水土流失強(qiáng)度隨防護(hù)林空間密度的增加呈先減弱后上升的趨勢(shì)，當(dāng)防護(hù)林空間密度達(dá)到0.04～0.06時(shí)，水土流失強(qiáng)度值最低，說(shuō)明防護(hù)林空間密度在0.04～0.06時(shí)，防護(hù)林具有最佳的防護(hù)效益，為最佳空間密度。德惠市防護(hù)林空間密度配置不合理，無(wú)防護(hù)林與防護(hù)林空間密度過(guò)大的網(wǎng)格總數(shù)為9 195個(gè)，占總網(wǎng)格數(shù)的69.1 %。