基于RS和GIS的漾濞江流域土壤侵蝕動態變化分析

王劍,徐 美,曾和平,劉 偉,葉 霞

（1.滄州師范學院,河北 滄州061001;2.昆明理工大學,昆明 650093）

土壤侵蝕是指土壤及其母質在水力、風力、凍融重力等外營力的作用下,被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1]。土壤侵蝕作為全球幾大環境問題之一,已成為全球性的公害,嚴重威脅著人類的生存與發展,成為各國普遍關注的熱點問題之一。早期的土壤侵蝕監測是通過人工進行的土壤侵蝕調查。近年來,遙感技術以其高效、準確、覆蓋范圍大的優勢,GIS以其強大的空間處理能力和分析能力,為土壤侵蝕的研究提供了強大的技術支撐。賈俊姝等[2]利用GIS和遙感技術,以遼寧省為例,提出土壤侵蝕強度危險指數,對不同土地利用類型和市縣土壤侵蝕強度空間分布進行了定量分析,實現了對遼寧省土壤侵蝕程度分級張有全等[3]以北京密云水庫周邊區域為例,利用遙感、GIS技術提取土壤侵蝕敏感性因子信息,在GIS、。系統支持下,運用主成分分析方法,進行土壤侵蝕強度分級。可見,遙感和GIS作為兩大技術工具,在土壤侵蝕的調查和監測中,結合已日益普遍。

本研究在遙感和GIS技術支持下,以研究區遙感影像為主要信息源,調查研究漾濞江流域土壤侵蝕總體狀況,以期為整個研究區土壤侵蝕防治、合理規劃和利用土地資源及生態建設提供依據。

1 研究區概況

漾濞江流域屬于瀾滄江水系,其流域面積達到4 353 km2,主要包括漾濞縣、洱源縣、劍川縣三縣部分地區。研究區兼有滇西高原河谷和滇西北高山峽谷的地貌特征,其中漾濞縣地處點蒼山西側,屬褶皺構造地質,地勢北高南低,地貌屬于橫斷山系切割山地峽谷區;洱源縣地處“紅河大斷裂帶”的西側,大地形是新生代喜馬拉雅山運動形成的褶皺帶,地貌類型較復雜;劍川縣地處橫斷山脈云嶺南段延伸部,多為崇山峻嶺,地勢西北高東南低,地貌類型復雜多樣,其中在石寶山有奇特的丹霞地貌。由于地處低緯高原,在低緯度高海拔地理條件綜合影響下,形成了低緯高原季風氣候,具有四季溫差小、干濕季分明、光照充足、垂直差異顯著的氣候特點。植被和土壤的垂直分帶比較明顯,土壤主要以棕壤、紅壤、紫色土等土壤類型為主;植被類型主要包括常綠闊葉林、落葉闊葉林、云南松林、華山松林等。近年來,農業生產條件逐步完善,工業經濟得到了很快發展,土地利用狀況發生了明顯的變化,同時隨著國家相關政策的實施,水土保持生態建設步伐明顯加快,水土流失惡化趨勢得到初步控制,土壤侵蝕狀況發生了明顯變化。

2 研究方法

2.1 資料收集

遙感影像選用1990年的TM影像和2001年的ETM影像,分辨率為30 m。常規資料主要包括:研究區1∶10萬地形圖、1∶5萬DEM 圖、來源于地方政府部門的行政區劃圖、部分縣原有的土地利用現狀圖、土壤侵蝕圖等圖件資料以及野外土地利用調查所獲得的GPS點數據(以備解譯和檢驗精度使用)。

2.2 數據預處理

以遙感處理軟件(ERDAS IMAGINE)為處理平臺,采用視窗采點模式,校正方程采用2次多項式,重采樣采用最鄰近內插法,對遙感影像進行幾何校正,誤差控制在1.5個像元以內,然后進行鑲嵌、融合、增強、裁剪等處理,確定遙感解譯影像,采用多步驟分類法,通過影像分層、監督分類和圖層合并等步驟,進而生成研究區1990年和2001年1∶10萬土地利用現狀圖[4-6]。

利用ARCVIEW軟件將DEM圖轉為等高線圖層,轉為SHAPEFILE格式,再利用ARCINFO軟件將其轉為COVERAGE格式,并建立拓撲,然后通過ARCTIN 、TINLAT TICE、LAT TICEPOLY 等相關命令,參照中華人民共和國行業標準SL190-2007,將坡度分為六級 ,按 ≤5°、5°～8°、8°～ 15°、15°～ 25°、25°～ 35°、＞35°分級,生成研究區坡度圖。

利用ERDAS軟件,對兩期影像進行NDVI提取,通過Modeler模塊生成植被蓋度柵格數據,參照中華人民共和國行業標準SL190-2007,將植被蓋度分為五級,按≤30%、30%～45%、45%～60%、60%～75%、＞75%分級,生成研究區的1990年、2001年植被蓋度圖。

2.3 土壤侵蝕強度等級確定

本研究參照中華人民共和國水利行業標準《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190-2007)規定的水力侵蝕強度分級判別模型,并在此基礎上增加了微度侵蝕類型,確定了土壤侵蝕強度分級指標,將土壤侵蝕強度分為6級:微度、輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈。在ArcGIS軟件中,將土地利用圖、植被覆蓋度圖、坡度圖進行空間疊加,打開其屬性表,通過查詢功能確定各斑塊的土壤侵蝕強度等級,最后進行斑塊間的同類合并,獲得研究區1990年和2001年土壤侵蝕強度等級分布圖(圖1)。

圖1 漾濞江流域1990年,2001年土壤侵蝕強度等級分布圖

2.4 土壤侵蝕量估算

土壤侵蝕量是指某一地區年流失土壤總量。楊子生等[7-8]在對金沙江流域的土壤侵蝕變化研究結合我國水利部制定的《土壤侵蝕分類分級標準》,制定出適合于該流域的土壤侵蝕強度分級標準,本研究參考其土壤侵蝕研究的計算方法,制定了本研究區的土壤侵蝕強度分級標準(表1)。

表1 土壤侵蝕強度分級標準

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕面積變化

對1990年和2001年的土壤侵蝕強度等級分布圖(圖1)進行統計得到表2,從中可看出:1990-2001年,輕度以上的土壤侵蝕面積從275 867.24 hm2減少到247 282.09 hm2;輕度以上的各土壤侵蝕強度面積隨著土壤侵蝕強度等級的增加,侵蝕面積依次遞減:輕度侵蝕＞中度侵蝕＞強烈侵蝕＞極強烈侵蝕＞劇烈侵蝕;從所占的面積比例來看,微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕構成研究區主要的侵蝕強度類型,1999年、2001年其面積分別占到整個研究區的95.285%、95.364%。

表2 漾濞江流域1990年、2001年土壤侵蝕強度面積變化

3.2 土壤侵蝕強度變化

(1)土壤侵蝕強度總體變化。對照表2,從土壤侵蝕面積變化絕對量來說,微度侵蝕和輕度侵蝕變化最明顯,微度侵蝕面積增加28 585.14 hm2,輕度侵蝕面積減少了28 247.35 hm2,中度侵蝕、極強烈侵蝕和劇烈侵蝕呈現不同程度的凈增加;從土壤侵蝕面積變化比例絕對值來看,微度侵蝕＞輕度侵蝕＞劇烈侵蝕＞強烈侵蝕＞極強烈侵蝕＞中度侵蝕,其中微度侵蝕、輕度侵蝕和劇烈侵蝕變化比例較大;盡管劇烈侵蝕變化比例較大,但變化的絕對量較小,只有10.66 hm2,1990年和2001年占有量分別只有93.12 hm2和103.77 hm2,只占到整個研究區的0.021%和0.024%。

(2)不同等級土壤侵蝕強度間轉化。在 ARC/INFO中將1990年和2001年土壤侵蝕現狀圖層進行疊加,得到土壤侵蝕強度間的轉化情況,對不同轉化類型所對應的面積進行排序,如表3所示,確定整個研究區主導土壤侵蝕強度轉化類型。

表3 漾濞江流域1990-2001年土壤侵蝕強度轉化類型與面積

從表3看出,發生轉化的面積達到153 247.77 hm2,占整個研究區總面積的35.205%;從各個類型間的轉化情況來看,主要是微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕間的轉化,共占到研究區總面積的30.028%,構成了整個研究區侵蝕強度轉化的主要類型,其中輕度侵蝕轉化為微度侵蝕的面積占到了12.725%。

3.3 土壤侵蝕量變化

依據表1,對1990年和2001年研究區土壤侵蝕 量進行了估算(表4)。

表4 漾濞江流域1990年、2001年土壤侵蝕強度的土壤侵蝕量和侵蝕模數

從總體水平來看:整個研究區侵蝕量和侵蝕模數都在減小,侵蝕量由1990年的7 967 560.11 t減少到2001年的 7 526 463.32 t,侵蝕模數由 1 830.37 t/(km2?a)降低到1 729.04 t/(km2?a);對照表1,可以看出整個研究區1990年和2001年土壤侵蝕強度等級均為輕度侵蝕,年平均侵蝕模數均介于500～2 500 t/(km2?a),總體上并不嚴重;從單個的侵蝕強度等級來看:無論1990年還是2001年,除微度侵蝕外,各等級土壤侵蝕量均隨著侵蝕強度等級的增加而減少;輕度侵蝕、中度侵蝕和強烈侵蝕構成了整個研究區侵蝕量的主要來源,其中1990年占到總侵蝕量的90.028%,2001年占到總侵蝕量的88.208%。

利用GIS軟件,將研究區兩期土地利用圖和土壤侵蝕圖疊加,分別統計1990年、2001年耕地、林地、草地土壤侵蝕強度等級面積分布情況,并依據表1計算耕地、林地、草地的土壤侵蝕模數,發現林地、草地侵蝕模數均介于500～2 500 t/(km2?a),侵蝕模數在減小,屬于輕度侵蝕;耕地的侵蝕模數介于2 500～5 000 t/(km2?a),侵蝕模數在增加,分別為3 247.42,3 288.11 t/(km2?a),屬于中度侵蝕,鑒于此,必須將耕地侵蝕治理放在首位,積極實施“坡改梯”工程,尤其在經濟效益低下的坡耕地區實施退耕還林(草)工程顯得非常重要。

4 結論

(1)1990-2001年,整個研究區輕度以上的土壤侵蝕面積、總侵蝕模數、總侵蝕量,均呈現出減小的趨勢,這表明整個研究區土壤侵蝕狀況總體上朝著良性方向發展,水土保持措施和生態建設的水保效益已初見成效,土壤侵蝕的治理工作已經取得了一定的進展。

(2)從1990年和2001年單年的年變化來看,輕度以上的各土壤侵蝕強度等級的面積和各自所產生的侵蝕量均隨著侵蝕強度的增加而逐漸減小,呈現出:輕度侵蝕＞中度侵蝕＞強度侵蝕＞極強度侵蝕＞劇烈侵蝕的關系;從各土壤侵蝕強度類型所占的面積比例來看,微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕是研究區主要的侵蝕強度類型;從各等級侵蝕強度所產生侵蝕量來看,輕度侵蝕、中度侵蝕和強度侵蝕是研究區主要的侵蝕強度類型。

(3)整個研究區的土壤侵蝕并不是十分嚴重,年平均侵蝕模數為輕度侵蝕。整個研究區1990年輕度侵蝕和中度侵蝕所產生的侵蝕量占到總侵蝕量的75.46%,2001年輕度侵蝕和中度侵蝕所產生的侵蝕量占到研究區總侵蝕量的73.13%,從水土保持的角度出發,目前要加快輕度侵蝕和中度侵蝕的治理工作,尤其耕地侵蝕的控制工作。

[1]王禮先.水土保持學[M].北京:中國林業出版社,1995.

[2]賈俊姝,計文琦,周心澄,等.基于GIS和 RS技術的遼寧省土壤侵蝕強度空間分析[J].西北林學院學報,2009,24(4):46-49.

[3]張有全,宮輝力,趙文吉.基于遙感與GIS的土壤侵蝕強度快速估測方法[J]生態學報,2007,16(1):102-107.

[4]樊紅,詹小國.ARC/INFO應用與開發技術[M].武昌:武漢大學出版社,1995.

[5]樊紅,翟建軍.ARCVIEW GIS應用與開發技術[M].武昌:武漢大學出版社,2003.

[6]黨安榮,王曉棟,陳曉峰,等.ERDAS IMAGINE遙感圖像處理方法[M].北京:清華大學出版社,1995.

[7]楊子生,賀一梅,李云輝,等.近40年來金沙江南岸干熱河谷區的土地利用變化及其土壤侵蝕治理研究:以云南賓川縣為例[J].地理科學進展,2004,23(2):16-26.

[8]楊子生,劉彥隨,Liang Luohui,等.金沙江下游近40年來土壤侵蝕變化:以云南彝良為例[J].山地學報,2005,23(2):144-152.