水土保持環境指標遙感監測技術研究

薛明

摘要：本文基于筆者多年從事水土保持的相關研究，以水土保持環境指標遙感監測為研究對象，論文首先選取植被因子，地形地貌因子，土壤質地，水文氣象，土地利用，社會經濟指標等作為水土保持環境監測指標，進而重點探討了植被因子的遙感監測方法，全文是筆者長期工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：水土保持 遙感監測 環境因子 指標

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（b）-0176-02

水土保持監測指標選擇的出發點和最終歸宿均為水土保持監測的內容。如前所述，水土保持監測主要包括兩部分內容，即土壤侵蝕監測和水土保持治理監測。土壤侵蝕監測核心內容即監測土壤侵蝕類型、范圍、程度、強度等信息，水土保持治理監測則監測水土保持治理措施內容及治理措施對于減緩、抑制流失的發展所起的作用，即水土保持成效監測，如治理前后土壤侵蝕動態變化、環境因子、社會經濟因子等的變化，通過定量指標來監測這些變化。兩者相輔相成，其中土壤侵蝕監測的動態變化為后者水土保持監測提供了侵蝕變化的信息，兩部分內容的監測又都體現在對于一系列地表環境要素、氣候要素和人為活動因子的監測，所以在實際監測過程中水土流失現狀的監測與水土流失治理的監測是密不可分的，可以用同一指標體系。

水土保持監測從影響土壤侵蝕、反映水土保持成效的自然環境因子、人類影響因子（如土地利用、開發建設項目等）、土壤侵蝕狀況、治理措施監測和治理成效等五個方面建立其指標體系。

環境因素是直接影響區域土壤侵蝕的驅動因子或抑制因子，也是水土保持治理成效的客觀反映，是水土保持監測首要考慮的指標因子。這其中包括自然環境因子和社會經濟環境因子。

自然環境因素是土壤侵蝕發生、發展的潛在條件，由其引起的地表侵蝕過程為自然侵蝕（地質侵蝕），是地質歷史時期地貌自然演化的過程。自從人類在地球上出現以來，就不斷以各種活動對自然界施加影響，正常侵蝕的自然過程受到人為活動的干擾和越來越劇烈的影響，使土壤侵蝕現象由自然侵蝕狀態轉化為加速侵蝕狀態。人類活動可以通過改變某些自然因素來改變侵蝕力與抗蝕力的大小對比關系，使得土壤侵蝕加劇或者達到水土保持兩種截然不同的結果。

氣候、地形、土壤、地質和植被等是影響土壤侵蝕的主要自然因素和水土保持成效的客觀表現，而土地利用則代表了人類作用于地表的結果，同時表現為水土保持治理的積極因素和加劇土壤侵蝕的消極因素兩個方面。而選擇上述環境因子建立水土保持監測指標，需要考慮其時空尺度表達，不同時間與空間分辨率決定了地質地貌演化、氣候變化、植被與土壤形成與演化等自然過程的信息描述，也決定了各因素的空間分布格局、人口數量變化與分布、土地利用、工程建設等人類活動過程、形式、范圍和強度等評價的精度與可信度。因此環境因子指標的選取和研究尺度均圍繞上述內容展開。

1 植被因子

作為地理環境重要組成部分的植被，與一定的氣候、地貌、土壤條件相適應，受多種因素控制，對地理環境的依賴性最大，對其它因素的變化反映也最敏感。利用遙感所獲得的植被信息來分析影像上并非直接記錄的、隱含在植被冠層以下的其它信息，如水土流失、區域環境演變遺留的痕跡等是選擇植被的主要原因。而對于小流域水土保持措施，無論是生物措施還是農業措施，其直接治理成效均表現于植被變化上。而植被是土壤侵蝕的抑制因子，也是最為關鍵的水土保持可控制因子。在進行植被指標選擇之前，首先需要明確植被的水土保持功能及其機理，從而在此基礎上能夠選擇反映植被類型及其結構的適當的遙感量化指標。

關于不同類型及結構的植被水土保持功能對比分析方面，相關學者進行了大量的研究。主要是基于徑流小區、小流域實地觀測數據，來研究不同植被類型及其結構的減水減沙效益，如陳廉潔（1991）根據三年的徑流小區實測資料研究了烏江中下游余慶等三縣人工林的水土保持功能，結果表明兩層結構（如喬——草和灌——草型）的水土保持效益優于單層喬木型，喬灌草三層結構的水土保持效益最好。黃承標等（1991）以桂西北山區的龍勝、田林等四縣的人工林為研究對象，從1982年到1989年，觀測對比了不同植被種群的地表徑流，結果是針葉林>闊葉林或針闊混交林，分析原因是植被對地表徑流的影響是由植被的樹冠群體或植物群體、枯枝落葉層和土壤層的綜合效能決定的。這種綜合效能呈現出闊葉林或針闊混交林>針葉林的規律。

根據觀測數據研究植被類型及結構的減水減沙效益，形成植被的水土保持功能的基本認識基礎上，隨著植被水土保持功能研究的深入，開始深入到植被內部各個垂直層次來揭示植被水土保持功能的內在機理。主要體現于喬、灌、草和枯枝落葉層等垂直結構上。研究表明，喬木層對土壤侵蝕的影響主要表現在冠層對雨滴的攔截而降低雨滴的動能，從而抑制了濺蝕。余新曉（1988）認為喬木層對降雨動能的削弱有兩部分組成：一是林冠截留作用削減降雨動能；二是林冠緩沖作用減弱降雨侵蝕能量。灌木層和草本層與喬木層一樣對降雨有截留作用。枯枝落葉層的截留量與其自身的蓄積量、分解程度和持水能力有關。枯枝落葉層削減的降雨動能也可以分為截留作用減弱的降雨動能和透過枯枝落葉層所削弱的降雨動能。前者為大氣降雨總動能的5.6%～13.0%，平均為9.1%，后者可將透過喬木層、灌木草本層的降雨動能全部削減（韋紅波，2001）。除此之外，枯枝落葉層降低坡面徑流速度，降低了沖刷能量，同時由于降低了徑流速度，從而增加了在坡面上滯留時間，增加了下滲時間；更為重要的是，表層凋落物和腐殖質的積累，使得土壤水穩性團聚體的形成和土壤孔隙度等土壤理化特性得到改善，增加土壤的下滲率。

2 地形地貌因子

地形主要包括坡度、坡長、坡形和所在部位。一般而言，在降雨、土壤和土地利用基本一致時，地形越復雜水上流失越嚴重。前人試驗資料表明，同樣都是耕地，由于坡度和所在部位不同，在同樣降雨、耕種條件下水土流失差異很大（倪晉仁，2002）。

（1）DEM。

數字高程模型（DEM）是表征區域地形地貌的參數指標，同時它也是生成與土壤侵蝕密切相關的其它地形參數的重要數據源。

（2）坡度。

坡度與土壤侵蝕方式關系密切，坡度指標不僅是影響土壤侵蝕的主要地形因子，而且坡度大小也是決定面蝕或溝蝕為主導的關鍵因子。一般在坡度很緩時主要以面蝕為主，而隨著坡度增加，則發生細溝、淺溝侵蝕，當坡度增大到一定程度時，則以切溝、沖溝為主。倪晉仁等（2002）通過研究黃土坡面細溝發育特征，表明面蝕在整個侵蝕過程中的貢獻隨坡面坡度的增大而迅速減小；在緩坡坡面上面蝕作用遠較溝蝕作用為大，但在陡坡坡面上則明顯較溝蝕作用為小。

（3）溝壑密度。

在不考慮重力侵蝕的情況下，坡面的總侵蝕量為面蝕量和溝蝕量總和。面蝕主要發生在植被較差、有一定坡度和沒有防護措施的坡耕地或荒坡上。隨著坡長增加，地表徑流逐漸匯集成股流，沖刷力增大，在細溝侵蝕基礎上，逐漸發展為切溝、沖溝、支溝、干溝直至成為河流，形成蛛絲密布的徑流網絡，構成千溝萬壑的地貌景觀。溝蝕的主要形式為溝頭前進、溝床下切和溝壁擴張。

將面蝕和溝蝕分離之后，就可以對面蝕和溝蝕過程進行獨立的研究，并對不同的侵蝕過程采用相應的防治措施。植被覆蓋度、土地利用、土壤質地和坡度等是影響面蝕的主要因子，而溝壑密度則是表征和影響溝蝕的主要指標。它反映了一定區域內所產生的溝谷的數量特性，通常以每平方公里的溝谷總長度（公里）為度量單位。溝壑密度對土壤侵蝕的影響主要表現于，它提供了臨空面，溝壑密度愈大，地表受降雨、徑流的沖刷力和被侵蝕的面積愈大；同時它也改變了降雨的動能，溝壑密度愈大，降雨徑流的沖刷力和侵蝕力就愈大，并且易觸發重力產沙。

溝壑的發育和深化過程反映地表土壤侵蝕過程的結果和土壤侵蝕強度，特別是水力侵蝕研究的關鍵要素；反之溝壑發生過程的停滯也表明了水土保持治理的成效，尤其是溝頭防護工程措施等的成效等。因此溝壑密度既是表征土壤溝蝕結果的定量指標、是評價水土保持治理成效的地形地貌因子之一，也是影響土壤侵蝕發生發展的客觀因子。

3 土壤質地

土壤質地是支配土壤特性的根源，因其組成土粒大小和不同質地土粒的含量不同，可引起不同土壤理化性，如粘著性、可塑性、保水力、抗蝕性、通透性、離子交換能量及緩沖作用等性質。在此選擇土壤類型圖作為土壤質地的度量指標。

4 水文氣象

氣候因素是影響土壤侵蝕的主要外營力，對于水蝕而言主要是降雨徑流，在此降雨、風場信息、水文數據是重要的水文氣象參數。主要指標要素為汛期降雨量、日風速風向及頻率、流域年輸沙模數等。

5 土地利用

地球表層系統最突出的景觀標志就是土地利用與土地覆被。土地利用/覆被變化被逐漸意識到是推動環境變化的重要驅動因子（Turneretal，1994）。人類活動對自然環境的擾動作用主要體現在對土地覆蓋的改變，因此土地利用是表征人類農業生產活動對土壤侵蝕干擾程度的良好指標。如毀林開荒、陡坡耕種、減小植被覆蓋度等人類農業生活活動，以及開采礦石、煤礦、廢渣廢料堆放等開發建設直接加劇了土壤侵蝕。其中耕作過程雖然增加了土壤空隙度，但也破壞了土壤結構，減弱了土壤的耐沖性，直接促進土壤侵蝕。同時，小流域治理措施也看作是土地利用方式，包含于土地利用中，如退耕還草、開墾梯田、封山育林等措施，通過土地利用指標量化了人類活動的擾動或作用結果。

6 社會經濟指標

相對于流域環境因子指標，社會經濟指標主要包括小流域人口、勞力、人口密度、人口素質、人均土地、耕地面積、人均耕地、農業產值、農業人均年產值、農民人均年收入、糧食總產量、糧食單產、人均占有糧、人均居住面積等社會統計指標。

參考文獻

[1] 張喜旺，凌峰，李曉松，等.永定河治理區土壤侵蝕時空變化分析[J].測繪科學.

[2] 于國茂，劉越，艷燕，等.2000～2008年內蒙古中部地區土壤風蝕危險度評價[J].地理科學，2011（12）.