窟野河流域土壤侵蝕時空變化分析

陳云生 劉真真

（河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475004）

土壤侵蝕是發(fā)生在特定時空條件下的土體遷移過程，是世界范圍內(nèi)最重要的土地退化問題［1］。當(dāng)前，土壤侵蝕已成為全球性的公害，嚴(yán)重威脅著人類的生存與發(fā)展。我國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一［2］。的土壤流失帶走了土壤中各種養(yǎng)分，不利于農(nóng)作物及植被的生長，甚至導(dǎo)致本地區(qū)土壤的荒漠化。防治土壤侵蝕、改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)和資源—環(huán)境—社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，已成為全世界普遍關(guān)注的重大環(huán)境問題和人類生存發(fā)展的重要問題［3］。隨著地球信息科學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展，“3S”技術(shù)成為土壤侵蝕研究的有效工具［4］。

隨著國內(nèi)外學(xué)者對土壤侵蝕評估方法的研究，土壤侵蝕機(jī)理也不斷得到了新的認(rèn)識［5］。從經(jīng)驗統(tǒng)計模型［6-9］到物理過程模型［10-12］，再到分布式模型［13-17］，豐富了土壤侵蝕領(lǐng)域的研究。土壤侵蝕強(qiáng)度的分級標(biāo)準(zhǔn)包括直接定量計算土壤侵蝕量的指標(biāo)和間接反映土壤侵蝕的指標(biāo)。定量研究可以求出具體的土壤侵蝕量，但對結(jié)果精度驗證比較困難，特別是在研究大區(qū)域甚至是全國尺度時，驗證的困難更大。間接的指標(biāo)綜合法采用坡度、植被覆蓋度等指標(biāo)，結(jié)合GIS可以快速提取土壤信息對土壤侵蝕風(fēng)險進(jìn)行評估；同時，在大尺度范圍上對土壤侵蝕進(jìn)行評估時，可以將間接的指標(biāo)綜合法作為判別依據(jù)，定量指標(biāo)作為參考數(shù)據(jù)對結(jié)果進(jìn)行驗證。水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)“土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)SL190-96”是我國水土保持部門最常用的一種評價土壤侵蝕風(fēng)險的方法。1999年-2001年，在此基礎(chǔ)上，采用TM影像進(jìn)行第二次全國土壤侵蝕遙感調(diào)查，印證了該方法的可實用性［18］。

隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，遙感影像大面積重復(fù)觀測，影像更新時間短等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在土壤侵蝕研究中。本文利用2011年兩景TM-30m多光譜影像數(shù)據(jù)，根據(jù)水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)，采用指標(biāo)綜合法研究窟野河流域土壤侵蝕風(fēng)險現(xiàn)狀，求出隨不同坡度、高度帶中土壤侵蝕分布情況，為管理部門治理提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)

窟野河黃河中游的一條主要支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)東定溝，流經(jīng)內(nèi)蒙古、陜西2省區(qū)5縣（旗、市），于陜西省神木縣沙峁頭村注入黃河。流域面積8 706km2，海拔800～1300m，地勢呈西北高、東南低。神木縣以上多為風(fēng)沙土，風(fēng)沙下部多為砒砂巖，神木以下主要被黃土覆蓋，地表植被稀少。流域?qū)俑珊蛋敫珊荡箨懶詺夂颍艽箨懠撅L(fēng)影響較大，夏季降水集中，流域多年平均降水量415mm，降水時空分布極不均勻，6～9月降水量占年降水量的75%～81%，最大月降水量出現(xiàn)在7、8兩月，降水量占年降水量的50%～60%。空間上，流域內(nèi)降水量東多西少、南多北少。

窟野河水系結(jié)構(gòu)簡單，兩岸支流短小，主要由烏蘭木倫河、悖牛川河等匯集而成。窟野河流域50年平均徑流量5 995億m3，地下徑流約占28%，徑流主要來源于降水補(bǔ)給。流域多年平均輸沙量0.9587億噸，是水土流失異常嚴(yán)重的地區(qū)之一［19］。

影像選擇2011年7月22日兩景Landsat TM多光譜數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m。地形數(shù)據(jù)選用美國航天局（NASA）推出的最新的ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型），空間分辨率為30m。

其他輔助數(shù)據(jù)有研究區(qū)邊界和解譯標(biāo)志等。外業(yè)調(diào)查內(nèi)容包括土地利用類型、地質(zhì)地貌、地形、土壤類型等信息，建立地面信息與影像光譜信息之間的關(guān)聯(lián)，為影像解譯提供參考依據(jù)。

2 方法

2.1 土壤侵蝕評價

土壤侵蝕是在降水和徑流等外營力作用下的水土流失，主要依賴于降水、植被覆蓋、地形等［20］。在植被覆蓋度低的山區(qū)，連續(xù)性的降水或短時間的暴雨很容易形成坡面匯流導(dǎo)致水土流失，良好的植被覆蓋能減緩水對土壤的沖刷，減少水土流失量。土壤侵蝕風(fēng)險可定義為區(qū)域環(huán)境變化在這些因子上的響應(yīng)，侵蝕風(fēng)險高的區(qū)域容易發(fā)生土壤侵蝕［21］，本文采用水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)“土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)SL190-96”如表1。

表1 水力侵蝕強(qiáng)度分級參考指標(biāo)

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占研究區(qū)總面積的百分比。像元二分模型是一種簡單實用的遙感估算模型，本文選用像元二分法模型計算植被覆蓋度。NDVI代表歸一化的植被指數(shù)，比值處理可以檢測植被的生長狀態(tài)和消除部分輻射誤差。NDVI也可以反映地表植被，用NDVI計算植被覆蓋度。計算之前需要去除NDVI的異常值，利用各種土地利用類型的掩膜文件，在一定置信度范圍內(nèi)求出各種土地利用類型的純土壤和純植被的NDVI值，然后將NDVI值帶入公式計算植被覆蓋度。利用野外采樣點實測值對結(jié)果進(jìn)行檢驗，校正，得出能反映真實植被覆蓋的信息。

利用類型是自然界和人類活動相互作用的結(jié)果，不同的土地利用類型也對土壤侵蝕產(chǎn)生影響。本文利用外業(yè)采集的數(shù)據(jù)建立解譯標(biāo)志，采用監(jiān)督分類對影像進(jìn)行分類，結(jié)合人工目視解譯，提取研究區(qū)的土地利用信息。坡度也是影響土壤侵蝕的重要因子，本文利用ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取研究區(qū)的坡度數(shù)據(jù)。

2.2 空間格局分析

將研究區(qū)的侵蝕風(fēng)險結(jié)果與地形數(shù)據(jù)相疊加，從中揭示土壤侵蝕在空間上的分布及變化情況，進(jìn)而更深入地發(fā)現(xiàn)其分布變化規(guī)律。文章從坡度和高度兩個方面來展開分析。①在坡度方面，嚴(yán)格按照部頒標(biāo)準(zhǔn)坡度分為6個帶，然后與侵蝕風(fēng)險結(jié)果進(jìn)行疊加，從中發(fā)現(xiàn)不同坡度帶中侵蝕狀況；②在高程方面，在850m與1 450m之間以150m為間距，將高程分為6個帶，然后與侵蝕風(fēng)險結(jié)果進(jìn)行疊加，從中發(fā)現(xiàn)不同高程帶中侵蝕狀況。

3 結(jié)果

3.1 土壤侵蝕風(fēng)險

根據(jù)影像解譯出的數(shù)據(jù)做出植被覆蓋度圖和土地利用圖，如a、b所示，以及由DEM數(shù)據(jù)制作的研究區(qū)坡度圖，如c所示，按照部頒標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后對三個因子數(shù)據(jù)進(jìn)行疊置分析，求出研究區(qū)的土壤侵蝕風(fēng)險圖，如d所示。

根據(jù)研究區(qū)土壤侵蝕各等級面積如表2所示：2011年窟野河流域土壤侵蝕風(fēng)險整體不高，侵蝕面積為5 849km2，占流域總面積的66.47%；輕度侵蝕和中度侵蝕面積分別為2 713.29km2和2 846km2，兩者占流域面積的63.18%。極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕的面積占流域面積比例很小，分別為0.41%和0.03%。

表2 研究區(qū)各侵蝕等級面積

3.2 空間格局分析

通過將土壤侵蝕強(qiáng)度結(jié)果與地形數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，求出不同坡度、高度帶所對應(yīng)的面積。根據(jù)面積多少判斷土壤侵蝕在空間上的變化情況。根據(jù)部頒標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)的坡度分為6個帶，然后與土壤侵蝕風(fēng)險結(jié)果相疊加得出不同坡度對應(yīng)的土壤侵蝕面積。以850m、1 000m、1 150m、1 300m、14 50m為界限將高程分為6個帶，然后與土壤侵蝕風(fēng)險結(jié)果相疊加得出不同高度帶對應(yīng)的土壤侵蝕面積。

表3 窟野河流域2011年各坡度帶內(nèi)侵蝕風(fēng)險分布情況（km2）

如表3所示，坡度小于5°的侵蝕面積最小，為0 km2；坡度在 8°～15°的地區(qū)，侵蝕面積最大，為 2 550.65km2；占侵蝕面積的43.61%，坡度在5°～25°的地區(qū)面積總共為5 594.59km2，占侵蝕面積的95.65%。有59.38%的輕度侵蝕發(fā)生在5°～8°的地區(qū)；55.82%的中度侵蝕發(fā)生在8°～15°的地區(qū)；69.17%的強(qiáng)度侵蝕發(fā)生在15°～25°的地區(qū)；65.16%的極強(qiáng)度侵蝕發(fā)生在25°～35°的地區(qū)；100%的劇烈侵蝕發(fā)生在大于35°的地區(qū)，但面積較少，面積只有3.01km2。

如表4所示，高程小于850m的地區(qū)侵蝕面積最小，為45.17km2，占流域總侵蝕面積的0.77%；高程在1 150m～1 300m之間的地區(qū)侵蝕面積最大為2 325.59km2，占流域總侵蝕面積的39.73%；小于1 300m的地區(qū)，侵蝕面積隨高程的增加而增大，高程在1 150m～1 450m的地區(qū)，侵蝕風(fēng)險較高，侵蝕面積為4 077.03km2，占流域總侵蝕面積的69.7%。

表4 窟野河流域2011年各高程帶內(nèi)侵蝕風(fēng)險分布情況（km2）

4 結(jié)論

本文采用水利部部頒利用窟野河流域的坡度，植被覆蓋和土地利用類型三個指標(biāo)，結(jié)合RS和GIS技術(shù)，對窟野河流域侵蝕風(fēng)險進(jìn)行評估，比實測方法省時省力。利用野外實測樣本對得出的侵蝕風(fēng)險結(jié)果進(jìn)行驗證，對比分析得出研究區(qū)的解譯精度為91.42%。由于樣本采集時間與所用的影像數(shù)據(jù)之間有時間差，導(dǎo)致有些樣本點的侵蝕強(qiáng)度不能被正確評估，今后在樣本的選擇上要盡量選擇人類活動少的地方。

通過對坡度帶和高程帶內(nèi)侵蝕風(fēng)險強(qiáng)度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：①在高程帶內(nèi)，高程在1 150m～1450m的地區(qū)侵蝕較其他地區(qū)集中；小于1 300m的地區(qū)，隨著高程增加，侵蝕狀況迅速增大；大于1 300m的地區(qū)，侵蝕狀況逐漸降低，在這些地區(qū)受人類活動影響較小，植被生長好，侵蝕風(fēng)險較其他地區(qū)低。②在8°～15°坡度帶內(nèi)，侵蝕面積比重最大，侵蝕風(fēng)險也最高；坡度小于15°的地區(qū)，隨坡度的變緩，發(fā)生侵蝕的風(fēng)險也降低，侵蝕風(fēng)險沒有隨坡度呈正相關(guān)關(guān)系，而是受多種影響因子共同作用的結(jié)果。

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（感謝地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺—黃河下游科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺的數(shù)據(jù)支持）