寧夏南部地區(qū)水土流失遙感定量研究

張永杰

（寧夏萬(wàn)天晟科技有限公司，寧夏 銀川 750021）

土壤侵蝕是指水或風(fēng)的影響使土壤顆粒脫離和移除。這種情況逐漸發(fā)生，導(dǎo)致土壤惡化、遷移，最后在其他地方沉淀下來(lái)。土壤侵蝕不僅是地球表面最常見(jiàn)的地理現(xiàn)象，也是造成土壤肥力流失和土地退化的主要原因。由于水土流失和地表徑流造成的土壤惡化在世界范圍內(nèi)越來(lái)越嚴(yán)重。因此，緩解此類問(wèn)題將有助于恢復(fù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)[1]。土壤對(duì)生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要，因?yàn)樗梢跃S持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)土壤保護(hù)也至關(guān)重要。例如植被的樹(shù)冠和根系可以減少雨滴和表面徑流的侵蝕作用。土壤會(huì)有更高的抗侵蝕能力，可以留住更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而降低損失[2]。

寧夏南部地區(qū)是黃河上游的重要生態(tài)屏障[3]，也是平原地區(qū)的重要資源。為保障寧夏南部地區(qū)的生態(tài)安全，應(yīng)在該地區(qū)開(kāi)展土壤侵蝕的定量研究。因此該研究采用USLE模型，充分考慮了植被覆蓋的季節(jié)性變化和土壤的理化性質(zhì)。用科學(xué)的方法，對(duì)寧夏南部地區(qū)土壤侵蝕的定量評(píng)估[4]。通過(guò)研究該地區(qū)的土壤侵蝕和相關(guān)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值，為土壤侵蝕控制及生態(tài)產(chǎn)品價(jià)值轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)路徑提供參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于寧夏南部地區(qū)（35°14′N-36°31′N，105°19′E-106°57′E），面積10370.15km2，如圖1所示。地處黃土高原的西北邊緣，是典型的大陸性氣候，區(qū)域降水差異大。年平均日照時(shí)數(shù)2518.2 小時(shí)，年平均氣溫6.1℃，年平均降水量492.2mm，年蒸發(fā)量1753.2mm，研究區(qū)呈南高北低之勢(shì)。海拔大部分在1320～2942m，地形起伏大，溝壑縱橫。地表水主要以清水河、涇河、葫蘆河、祖厲河幾大河流為主，年平均徑流量7.28 億m3。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

1.2 遙感影像

該研究獲得了3 個(gè)階段的Landsat8 OLI 圖像，覆蓋了研究區(qū)域。這3 個(gè)階段三景數(shù)據(jù)（130，37；130，38；和130，39），空間分辨率為30m，時(shí)間階段為2013年12月、2014年6月和2015年2月。所有圖像的云層覆蓋率都小于3%。遙感圖像從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站下載。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

該研究選擇了研究區(qū)域內(nèi)和附近的8 個(gè)氣象站。收集了各氣象站的月度和年度平均降雨量。雨量數(shù)據(jù)從1980年到2013年，跨度達(dá)34年。氣象數(shù)據(jù)從中國(guó)氣象局獲得。

1.4 其他數(shù)據(jù)

除了遙感圖像和氣象輻射數(shù)據(jù)外，還獲得了其他數(shù)據(jù)，包括DEM、土壤類型、植被類型、土地利用狀況以及研究區(qū)域內(nèi)土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)。DEM 數(shù)據(jù)從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的網(wǎng)站上下載。DEM 的分辨率為30 米。有關(guān)土壤類型、物理和化學(xué)性質(zhì)、植被類型和土地利用狀況的數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)土科學(xué)研究院。

1.5 研究方法

土壤保持量是生態(tài)系統(tǒng)保持土壤能力的一個(gè)指標(biāo)?？梢酝ㄟ^(guò)從同一地點(diǎn)的潛在土壤侵蝕量中減去實(shí)際土壤侵蝕量來(lái)測(cè)量。實(shí)際土壤侵蝕量是指被侵蝕的土壤的數(shù)量。潛在土壤侵蝕量是指在沒(méi)有植被覆蓋或土地管理的情況下被侵蝕的土壤量。土壤侵蝕的實(shí)際量可以用USLE 方程直接計(jì)算?？梢酝ㄟ^(guò)取消USLE 方程中的植被覆蓋和管理因子C和土壤保持因子P來(lái)計(jì)算潛在量。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤保護(hù)的結(jié)果分析

研究區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度是參照《土壤侵蝕分類與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007）進(jìn)行分級(jí)的[5]。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了水土流失強(qiáng)度的分級(jí)模式和土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。參照這種分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度確定土壤侵蝕的實(shí)際水平，同時(shí)得到土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)圖（圖2）。

圖2 土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)圖

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1，研究區(qū)微度侵蝕的總面積為2457.30km2，占總研究面積的23.70%。平均侵蝕模數(shù)為4.57t/（km2·a），而每年的土壤侵蝕量為1.12 萬(wàn)t。輕度侵蝕區(qū)的總面積為1762.44 km2，占研究區(qū)的17.00%，平均侵蝕模數(shù)為1418.30 t/（km2·a），而每年的土壤侵蝕量為249.98 萬(wàn)t。受中度侵蝕的區(qū)域面積為1895.24 km2，占研究區(qū)的18.28%。該區(qū)的平均侵蝕模數(shù)為3398.89t/（km2·a），而每年的土壤侵蝕量為644.19 萬(wàn)t。強(qiáng)烈侵蝕的區(qū)域面積為3139.55km2，占研究區(qū)域的30.27%。該區(qū)的平均侵蝕模數(shù)為6067.87t/（km2·a），而年侵蝕量為1904.93 萬(wàn)t。極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)的總面積為1115.82 km2，占研究面積的10.75%，而該區(qū)的平均侵蝕模數(shù)為10784.13g/（km2），年土壤侵蝕量為1203.31萬(wàn)t。

表1 研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)的主要水土流失形式是強(qiáng)烈侵蝕，水土流失面積占整個(gè)研究區(qū)的30.27%。水力侵蝕面積為10370.15km2。潛在和實(shí)際的土壤侵蝕量以及研究區(qū)的土壤保持量，可以通過(guò)公式（1）～公式（3）進(jìn)一步計(jì)算。

式中：Ts為實(shí)際土壤侵蝕量，t；Tq為潛在土壤侵蝕量，t；T為土壤保持量，t，S為面積，hm2。通過(guò)將研究區(qū)每個(gè)單位像素的土壤侵蝕模數(shù)乘以單個(gè)像素的面積，寧夏南部地區(qū)的實(shí)際土壤侵蝕量（Ts）估計(jì)達(dá)到4003.53 萬(wàn)t，而潛在土壤侵蝕量估計(jì)達(dá)到6838.16 萬(wàn)t，土壤保持量（T）經(jīng)計(jì)算達(dá)到2834.63 萬(wàn)t。

2.2 土壤固定的價(jià)值

土壤具有吸收和保存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力。這種保肥能力主要是通過(guò)在土壤腔體表面吸附分子養(yǎng)分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但不改變養(yǎng)分的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種通過(guò)物理吸附來(lái)保肥的方法有助于防止養(yǎng)分被浸出，同時(shí)使養(yǎng)分在土壤中呈現(xiàn)出一定的濃度梯度。為衡量生態(tài)系統(tǒng)的土壤固定價(jià)值，通常根據(jù)體積密度和土壤厚度將研究區(qū)的土壤保持總量轉(zhuǎn)化為土地面積。該土地面積表示生態(tài)系統(tǒng)中水土保持功能固定的土地面積，并采用機(jī)會(huì)成本法計(jì)算土地面積將產(chǎn)生的年收入，如公式（4）所示。

式中：Vg為研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的土壤固定值；T為土壤保護(hù)總量；h為土層厚度；v為單位面積土地的年收入。

土壤保持量為28.3463t。參照《土壤侵蝕分類與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（SL 190—2007），土壤體積密度（Pb）為1.35 g/cm3。此外，該地區(qū)的平均土壤厚度估計(jì)為50cm。寧夏南部地區(qū)的土地覆蓋類型主要為林地、草地和耕地。此外，單位面積土地的年收入（v）是根據(jù)1999年中國(guó)林業(yè)收入的研究結(jié)果估算的，約為50000 元/（km2·a）。經(jīng)計(jì)算研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的土壤固定值為209.97 億元。

水土流失會(huì)對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)等產(chǎn)生淤積作用，會(huì)削弱該地區(qū)的蓄水能力，破壞寧夏南部地區(qū)的水源涵養(yǎng)功能。就寧夏南部地區(qū)而言，遏制水土流失就等于增加寧夏南部地區(qū)的蓄水能力。根據(jù)以往對(duì)中國(guó)主要流域水土流失造成的土壤流失和泥沙堆積方向和運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)果表明，水土流失產(chǎn)生的土壤流失有24%將沉積在水庫(kù)和河流的底部，33%滯留在河道中，而37%最終進(jìn)入海洋[6]。用工程和技術(shù)方法對(duì)研究區(qū)域內(nèi)沉積在水庫(kù)和河流中的淤泥的疏浚成本進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)中清淤的價(jià)值損失。為計(jì)算清淤成本，該文參考了《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》中規(guī)定的水庫(kù)清淤的工程成本，該成本為6.11元/m3。經(jīng)計(jì)算得到，寧夏南部地區(qū)的泥沙減少值預(yù)計(jì)達(dá)到43.39 億元。

由于研究區(qū)土壤保護(hù)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值巨大，有必要提高該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。在研究區(qū)的低海拔地區(qū)，建設(shè)水電站、砍伐森林、修建公路和鐵路、開(kāi)采礦砂等人類活動(dòng)可能導(dǎo)致植被惡化，從而導(dǎo)致水土流失[7]。建議如下：應(yīng)該不斷推出一系列的生態(tài)恢復(fù)和重建項(xiàng)目，以促進(jìn)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。此外，需要適當(dāng)限制人類活動(dòng)，如建造水電站、人為因素造成的森林砍伐、修建公路和鐵路、開(kāi)采礦砂等。

3 結(jié)論

從研究結(jié)果來(lái)看，寧夏南部地區(qū)的實(shí)際水土流失量為4003.53 萬(wàn)t，水土保持量為2834.63 萬(wàn)t。研究區(qū)的主要土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)為強(qiáng)烈侵蝕，面積為3139.35km2，占研究區(qū)的30.27%，主要集中分布在研究區(qū)的東部。研究區(qū)總體的土壤固定價(jià)值達(dá)到253.36 億元?？偟膩?lái)說(shuō)，應(yīng)持續(xù)推進(jìn)水土流失綜合治理，加強(qiáng)資源、生態(tài)和環(huán)境的統(tǒng)籌，不斷提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和價(jià)值。降雨量對(duì)土壤侵蝕有主導(dǎo)性影響，研究區(qū)的土壤保持量（T）為2834.63 萬(wàn)t，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為209.97 億元。RS 和GIS 技術(shù)能夠快速估算。然而，這種評(píng)估含有相當(dāng)大的不確定性。目前還很難用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)揭示寧夏南部地區(qū)土壤侵蝕的物理過(guò)程。