撫仙湖流域土壤侵蝕遙感監測

馬驪馳, 王金亮, 李石華,， 周峻松， 金寶軒

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 昆明 650500; 2.云南省基礎地理信息中心, 昆明 650034)

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撫仙湖流域土壤侵蝕遙感監測

馬驪馳1, 王金亮1, 李石華1,2， 周峻松2， 金寶軒2

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 昆明 650500; 2.云南省基礎地理信息中心, 昆明 650034)

為了有效保護撫仙湖流域生態環境安全，推進其可持續發展，對撫仙湖流域土壤侵蝕情況進行遙感監測研究。采用“3S”技術與野外實地調查相結合的方法，以云南省第一次全國地理國情普查成果為基礎，基于通用水土流失方程(USLE)模型，估算撫仙湖流域1974—2014年的水土流失量，并探討流域土壤侵蝕強度的時空分布及變化規律。研究發現：(1) 撫仙湖流域土壤侵蝕強度在很大程度上受降雨量的影響；(2) 土壤侵蝕量總體呈現出波動上升下降再上升的趨勢。不同強度土壤侵蝕量的變化表明其水土流失經歷了先加劇后緩解的變化過程，流域部分敏感區土壤侵蝕程度不斷加劇；(3) 流域水土流失的空間分布具有一致性，水土流失最嚴重的區域基本分布在撫仙湖的東西兩岸以及南岸的部分區域。

土壤侵蝕; 遙感監測; USLE模型; 生態環境; 撫仙湖流域

撫仙湖在行政區劃上歸屬于云南省玉溪市，介于玉溪市澄江、江川和華寧3縣的結合處。撫仙湖地理位置特殊，屬南盤江水系，較星云湖、杞麓湖、陽宗海和滇池這幾大滇中湖泊來說，處于較中心的位置。另外撫仙湖具有良好的自然條件，就國內來說，面積較其更大，水質較其更好的深水型淡水湖泊寥寥無幾。撫仙湖由于其獨特的地理位置和良好的自然基礎，對滇中地區具有極其重要的意義，尤其是諸如昆明、玉溪等較發達城市。撫仙湖不僅對滇中地區的生態環境系統平衡與否產生著重要的影響，還具有氣候調節、防洪防汛、提供工農業及生活用水和運輸旅游等多功能作用，也正因為如此，相關部門對撫仙湖流域的生態環境變化高度重視，基于云南省第一次全國地理國情普查的撫仙湖流域生態環境保護動態監測等項目工作也相繼開展起來。流域土壤侵蝕變化對其生態環境產生一定的影響，是生態環境監測工作的重要內容之一。目前國內外在流域侵蝕方面的研究技術日趨成熟，且已取得了較大的進展，隨著不同類型的土壤侵蝕模型的相繼面世，日新月異的GIS和RS技術也以其獨特的優勢在土壤侵蝕研究中得到廣泛應用。GIS技術強大的空間數據分析運算能力和RS快捷迅速獲取多源現勢性數據的能力逐漸使其成為土壤侵蝕研究的一種先進有效的技術手段之一[1-5]。土壤侵蝕模型與“3S”技術的結合，不僅使復雜的土壤侵蝕各動力因子之間的關系變得更加簡單明晰，還為土壤侵蝕遙感監測的定量化研究提供了一個新的發展方向[6-8]。21世紀以來，撫仙湖流域土壤侵蝕相關研究陸續開展，黃東峰等[9]基于DEM對撫仙湖流域土壤侵蝕進行綜合分析，發現其侵蝕方式具有明顯垂直分帶性，侵蝕強度受土壤類型、植被覆蓋和地形因子的影響。王林等[10-11]對流域水土流失與入湖污染負荷量進行調查，并對其生態脆弱性進行了分析研究。張秀敏等[12]開展撫仙湖流域生態資源環境安全問題識別調查，其中也包括了對其土壤侵蝕的調查。

撫仙湖流域土壤侵蝕變化是影響湖泊生態安全與流域生態環境變化的重要因素之一，目前隨著城鎮建設與旅游業等的發展，撫仙湖流域生態環境產生了極大的變化，各種生態問題日益突現，而水土流失逐漸成為撫仙湖流域主要的環境問題之一。開展撫仙湖流域土壤侵蝕遙感監測研究，不僅能為小流域水土流失防治提供一定的依據，更重要的是能為流域監管部門提供生態決策依據。本文以撫仙湖流域為研究區，采用地理信息技術與野外實地調查相結合的方法，以土壤侵蝕定量評價模型為核心，通過模型因子算式逐個計算各像元的年土壤侵蝕量，最后估算1974—2014年該流域水土流失總量，并對流域土壤各侵蝕強度的分布及變化規律進行定量化研究，為加強撫仙湖流域水土流失監測工作，制定水土流失防治措施和水土保持生態環境建設提供依據。

1　研究區概況

撫仙湖隸屬于云南省玉溪市行政轄區內，位于滇中5大湖群的中心位置，跨澄江、江川和華寧3縣，距昆明市東南部60 km，24°21′28″—24°38′00″N，102°49′12″—102°57′26″E。構造盆地是形成流域內地勢四周高中間低，東西兩岸地勢較陡峭，呈北東走向的重要原因，其走向與構造線基本一致。流域內最高點位于梁王山上，海拔為2 820 m，流域總面積675 km2左右。氣候類型為中亞熱帶半濕潤季風氣候，具有干、濕季分明的顯著特點，雨季降雨量較大，平均雨量為800～1 100 mm。受碳酸鹽巖、砂巖、紫色沙巖等成土母質的影響，流域內土壤類型主要為紅壤、棕壤、紫色土和水稻土4個類型，其中紅壤面積最大，占總面積的61%。撫仙湖流域因其獨特的地形特點、降雨條件和開發建設項目較多等特點，具有易于發生水土流失的客觀條件。

近年來，隨著社會經濟的快速發展，特別是撫仙湖流域旅游業的發展、生態建設項目的開展和水土保持工程的實施，流域內土壤侵蝕情況不斷發生著變化，對流域的生態環境產生了一定的影響。在撫仙湖流域開展土壤侵蝕遙感定量研究，具有極其重要的生態建設與經濟建設的意義。

2　數據與方法

2.1數據的選擇與預處理

數據源主要包括：(1) 地理國情普查數據；(2) 基礎地理信息數據；(3) 歷史遙感影像數據；(4) 專題資料。

地理國情普查數據成果包括地表覆蓋分類結果，分別為林地、耕地、園地、草地、房屋建筑(區)、構筑物、人工堆掘地、荒漠與裸露地表、道路以及水域10大類，覆蓋整個撫仙湖流域范圍，現勢性為2012年。基礎地理信息數據包括1∶25 000分幅的0.5 m分辨率DOM數據，10 m格網間距的DEM數據和1∶10 000地形數據。歷史遙感影像資料如表1所示。專題資料主要包括撫仙湖流域二次土地調查數據、氣象數據、土壤調查數據和法規、政策、文獻等文檔資料。

統一多源數據地理坐標、投影坐標以及高程基礎，進行幾何、輻射校正，并進行數據拼接裁剪處理，使之符合本研究的數據需求。地理國情普查成果數據經過裁剪、合并等數據處理后，作為本研究除2012年份外其余年份地表覆蓋分類的基礎參考數據，并開展其余年份地表覆蓋類型進行人工目視解譯工作，最終獲取1974—2012年撫仙湖流域土地利用數據。由DEM數據可提取坡度、坡長等土壤侵蝕因子值，由專題資料可制作年降雨量分布圖等。

2.2土壤侵蝕強度分等定級標準

本研究區水土流失強度分級是以中國水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標準SL190—96為標準，根據侵蝕量將流域內分為微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈5個不同等級。需要注意的是，依據此標準，低于土壤允許流失量5 t/(hm2·a)的區域視為微度土壤侵蝕區，即認為是非水土流失區。

表1　歷史遙感影像數據情況

2.3主要技術流程

利用多波段多時相的多源遙感數據，云南省第一次國情普查成果數據和降雨、土壤等專題資料，基于水土流失通用方程(USLE)，提取水土流失影響因子，估算流域內水土流失量。在水土流失分等定級的基礎上生成水土流失強度分布圖，通過各年份水土流失強度分布圖的疊加分析，對流域水土流失動態變化進行分析。

3　土壤侵蝕遙感定量監測

3.1土壤侵蝕模型

水土流失通用方程(USLE)是水土流失估算中普遍采用的計算模型，我國很多專家學者早已使用該方程對我國東北、華北以及閩南等地區的水土流失情況進行估算，具有適用性、推廣性較強等特點[13-15]，USLE的模型表達式是由6個因子連乘的形式組成，表達式為[16]：

A=R·K·L·S·C·P

(1)式中：A——單位面積年水土流失量[t/(hm2·a)]；R——降雨侵蝕力因子(J/m2)；K——土壤可蝕性因子(t/hm2)；L，S——坡長、坡度因子，無量綱；C——植被與經營管理因子，無量綱；P——水土保持措施因子，無量綱。

3.2土壤侵蝕因子

3.2.1R因子的估算R因子又稱降雨侵蝕力因子，是一項依據降雨量定量表征降雨引起雨滴濺蝕以及地表徑流對水土流失綜合效應的動力指標，是土壤侵蝕的最主要的加速因子。其經典算法是由Wischmeier[17]提出的EI30法，但由于此算法有所需數據難獲取、模擬過程較困難等缺陷，該方法的推廣應用受到很大的限制，因此在本研究中采用了Wischmeier改進后的簡易算法進行降雨侵蝕力因子R的計算：

(2)

式中：Pi——月降雨量(mm)；P——年降雨量(mm)。

基于云南省玉溪市氣象站獲取的流域內測站降雨數據，運用反距離權重法對流域降雨進行插值處理，分別獲得年、月降雨量分布柵格圖，再利用R因子計算公式進行降雨侵蝕力因子估算。

3.2.2K因子估算K因子又稱土壤侵蝕力因子，是一項與地表土壤機械組成和化學性質相關的，用以反映土壤對地表徑流量與徑流速率滯留和滲透的影響以及對降雨侵蝕的敏感性的指標，目前對K值的計算方法主要包括諾謨圖法、公式計算法和查表法3種。由于土壤機械組成較難測定，本研究中采用了具有普遍適用性的查表法，基于此法進行土壤侵蝕力因子估算所需的數據包括土壤質地和土壤有機質含量，依據撫仙湖流域土壤類型圖以及云南省農田分等定級基礎數據獲取土壤質地和有機質含量信息，再根據相應的土壤質地和有機質含量，計算K值(表2)[18]。

表2　通用土壤流失方程中土壤可蝕性因子K值　t/hm2

3.2.3LS因子估算LS因子即為坡長坡度因子，是一項反映地形地貌因素對土壤侵蝕產生影響的指標，坡長坡度因子被認為是土壤侵蝕的加速因子之一，在最初測算其因子值時，對LS的計算做了一個標準定義，即在各方面條件都相同的情況下，某一個給定坡度坡長的坡面上的土壤流失量與標準徑流小區典型坡面上產生的土壤流失量的比值，即為坡長坡度因子的值。由于此方法涉及到大量繁雜的計算和實測數據，考慮到研究區實際情況，本研究中LS的計算方法按照Wischmeier等[17]提出的程序，應用改進型坡長坡度因子算法來計算研究區不同坡段范圍的LS因子值，具體公式如下：

L=(λ/22.13)m

(3)

m=β/(1+β)

(4)

(5)

式中：λ——柵格大小；m——坡度指數；θ——坡度(%)。

不同坡度等級對土壤侵蝕會產生不同的影響，根據坡度等級的不同，采用分段計算坡度因子的方法，緩坡采用McCool坡度公式，陡坡采用Liu的坡度計算公式，合并后分段坡度計算公式為[19-20]：

(6)

式中：α——坡度(°)。最終通過LS=L·S計算出撫仙湖流域LS值圖。

3.2.4CP因子估算CP因子是植被覆蓋因子和水土保持措施因子的合稱。C因子反映所有植被覆蓋對土壤侵蝕產生的綜合影響，包括保水保土的能力等，植被覆蓋區的土壤流失量與非植被覆蓋區的土壤流失量的比值即為C因子值。P因子反映水土保持措施對土壤侵蝕產生的綜合影響，包括治理成效等，一般來說，采取水土保持區的土壤流失量與相應未實施該措施的順坡種植時的土壤流失量的比值即為P因子值。

這兩個因子能對土壤侵蝕的發生產生阻礙作用，是降雨侵蝕動力的重要抑制因子，C，P因子的值域一般在0～1變化，值的大小能反映出植被覆蓋和水土保持措施對土壤侵蝕的抑制作用的強弱。區域內沒有土壤侵蝕發生時，也就是植被覆蓋完全發揮抑制作用時，一般把C值視為0，相反區域內植被覆蓋的抑制作用完全失效時，把C值視為1；同樣區域內采取水保措施后沒有發生土壤侵蝕現象，一般把P值視為0，相反區域內未采取任何水保措施，P值則為1。C，P值的計算一般采用賦值法，本研究中基于云南省第一次全國地理國情普查成果中撫仙湖流域土地利用現狀，參考相關研究者的研究，根據土地利用類型確定C，P值，需要注意的是，水體和建筑用地由于不會產生水土流失現象，所以將C，P值確定為0，表3為C，P值表[21]。除建設用地與水域以外，裸地的植被覆蓋度是各土地利用類型中最低的，植被對土壤侵蝕產生的抑制作用最弱，失效的可能性最大，因此C值最高，旱地次之，園地最低。而草地林地因其自然屬性較少采取水保措施，因而P值較高。C，P值的確定是依據土地利用現狀和當地農田經營情況的調查，并結合了前人的研究經驗，較為合理。

表3　各土地利用類型C，P因子取值

3.3流域土壤侵蝕量的計算

運用GIS的空間數據處理功能，可計算出流域內每個像元的土壤侵蝕量。統一各因子值圖的坐標系統和像元大小，按上述各因子計算方法計算出各因子值圖，按照USLE模型計算公式，利用柵格計算器將各因子值圖連乘，最后得到撫仙湖流域1974—2014年7期土壤侵蝕量圖，并按其強度進行土壤侵蝕分等定級，得到各等級土壤侵蝕分布圖。

4　結果與分析

基于USLE模型計算可得到1974—2014年共7期撫仙湖流域不同強度土壤侵蝕分布情況，如圖1所示。將從水土流失總面積、各等級水土流失變化趨勢、極強烈與劇烈侵蝕變化情況以及水土流失空間變化差異4方面對撫仙湖流域水土流失情況進行深入研究。

4.1水土流失總面積變化趨勢

通過對撫仙湖流域1974—2014年7期水土流失總面積結果數據進行統計，可作出流域水土流失總面積變化趨勢圖，如圖2所示。

從撫仙湖流域水土流失總面積變化趨勢圖中可以看出，自1974年以來的40年內，撫仙湖水土流失總面積變化呈現出以下特征：(1) 流域內水土流失面積總體在330～380 km2波動，絕大部分年份均在330～370 km2變化，只有1990年前后水土流失面積突破了380 km2；(2) 1974—1990年，水土流失程度加劇，變化線呈上升趨勢，1990年流域內水土流失面積超過380 km2，達到最大值；(3) 自1990年之后，流域內水土流失程度逐漸減輕，有緩慢好轉的趨勢；(4) 2014年水土流失較之前的減輕情況又有所反彈，輕微加劇。

圖1　不同年份土壤侵蝕強度

圖2　1974-2014年撫仙湖流域水土流失總面積變化趨勢

4.2各等級水土流失變化趨勢

通過對撫仙湖流域1974—2014年7期不同等級強度水土流失面積結果數據進行統計，可得出流域水土流失各等級面積變化趨勢圖，如圖3所示。

圖3　1974-2014年撫仙湖流域各等級水土流失變化趨勢

從撫仙湖流域各等級水土流失變化趨勢圖中可以看出，自1974年以來的40年內，撫仙湖各等級水土流失變化呈現出以下特征：(1) 微度侵蝕基本呈現出先下降后上升的趨勢，表明水土流失程度經歷了先加劇后緩解的變化過程；(2) 輕度侵蝕變化基本呈現出下降—上升交替波動的趨勢；(3) 中度侵蝕和強烈侵蝕面積變化在總體上呈現出一致性，表現為先上升后下降的大趨勢；(4) 極強烈侵蝕和劇烈侵蝕除1990—2000年有小幅度下降波動外，在總體上呈上升趨勢。

4.3極強烈與劇烈侵蝕變化情況

通過對撫仙湖流域1974—2014年7期極強烈侵蝕與劇烈侵蝕面積和結果數據進行統計，可作出流域極強烈和劇烈侵蝕面積變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4　1974-2014年撫仙湖流域極強烈與劇烈侵蝕面積變化趨勢

從圖4中可以看出：(1) 撫仙湖流域水土流失最嚴重的極強烈侵蝕與劇烈侵蝕面積總體上呈波動上升趨勢；(2) 雖然在1990—2000年和2006—2012年有所降低，但其總面積是逐漸增加的，并在2014年達到最高值；(3) 極強烈與劇烈侵蝕面積增加幅度有所減小，2012—2014年增加幅度遠不如2000—2006年增加大，但另一方面2012—2014年短短兩年極強烈與劇烈侵蝕面積增加了18.07 km2，2000—2006年6年增加了25.11 km2，前者增加速度是遠高于后者的。

4.4水土流失空間變化差異

撫仙湖流域涉及澄江、華寧和江川3個縣14個鄉的部分區域，總體來看，1974—2014年撫仙湖流域水土流失的空間分布具有一致性，隨著時間的推移，部分區域水土流失程度逐漸加劇。40年來，撫仙湖流域水土流失最嚴重的區域基本分布在撫仙湖的東西兩岸以及南岸的部分區域，而撫仙湖北岸城鎮集中，有很大一部分區域是無水土流失區，其余大部分區域均有不同程度的水土流失現象。具體來看，路居鎮東北部、青龍鎮西北部、海口鎮西南部、龍街鎮中部水土流失程度最嚴重。路居鎮東部、右所鎮東部及東南東北部大部分地區、九村鎮西南少部分地區水土流失比較嚴重。除南岸小部分地區，北岸城鎮集中區外和東西岸極小區域水土流失程度最輕外，其余地區都有不同程度的水土流失現象。

5　結 論

(1) 綜合考慮影響流域土壤侵蝕的因素，最易產生變化且變化幅度最大的因素是降雨量，1990年撫仙湖流域降雨量為1 036～1 192 mm，居7年年降雨量之首，2012年降雨量為670～805 mm，為7年最低，通過降雨量與土壤侵蝕量的回歸分析可以發現，其相關系數R2達到了0.89，屬于高度正相關，因此撫仙湖流域土壤侵蝕強度在很大程度上受降雨量的影響，降雨量大且降雨集中的年份流域內土壤侵蝕程度加劇，在較干旱的年份流域內土壤侵蝕程度有所緩解。

(2) 由土壤侵蝕總面積變化和各等級強度變化可以看出，撫仙湖流域土壤侵蝕程度總體上經歷了先加劇后緩解的階段，1974—1990年由于城市建設開發、環境破壞等人為因素和降雨量加劇等自然因素的影響，部分輕度侵蝕區域轉為中度和強烈侵蝕區，導致土壤侵蝕面積總體增加。1990—2012年降雨量維持在一個相對較低的程度，更重要的一點是流域環境治理取得一定成效，土壤侵蝕程度逐漸好轉。多年來撫仙湖流域采取水土流失綜合治理措施，成效顯著，水土流失逐漸減弱，生態環境得到了一定的改善。

(3) 1974—2014年撫仙湖流域水土流失最嚴重的區域基本分布在撫仙湖的東西兩岸以及南岸的部分區域。具體來看，路居鎮東北部、青龍鎮西北部、海口鎮西南部、龍街鎮中部水土流失程度最嚴重。

(4) 流域內極強烈和劇烈侵蝕區域面積總體呈現出波動上升的趨勢，所占比由1974年的0.01%增至2014年的10.44%。雖然水土流失在總體上已經逐漸減弱，但水土流失極其嚴重區域面積卻有所增加，因此開展小流域水土流失重點區域防治工作依然十分必要。

撫仙湖流域土壤侵蝕強度在很大程度上受降雨量的影響，降雨多的年份土壤侵蝕較嚴重，而降雨較少的年份土壤侵蝕也相對較輕，維持撫仙湖流域生態系統的平衡，有利于降低極端劇烈氣候發生的概率，是流域水土流失防治的對策之一。多年來撫仙湖流域采取水土流失綜合治理措施，成效顯著，水土流失逐漸減弱，生態環境得到了一定的改善，但部分敏感區水土流失情況依然不容樂觀。因此開展小流域水土流失重點區域防治工作依然十分必要，相關部門對流域強化治理保護、改善生態環境的措施應繼續推進，持續關注成效，在小流域綜合治理中不斷引進新觀念、新方法，及時完善現行辦法中的不足之處，尤其要注重對近岸區域的城市建設和旅游開發進行一定的限制和保護。

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Remote Sensing Monitoring of Soil Erosion in Fuxianhu Lake Basin

MA Lichi1, WANG Jinliang1, LI Shihua1,2, Zhou Junsong2, Jin Baoxuan2

(1.CollegeofTourismandGeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming650500,China; 2.YunnanProvincialGeomaticsCentre,Kunming650034,China)

In order to effectively ensure the safety of Fuxianhu Lake Basin ecological environment and promote its sustainable development, the situation of soil erosion of Fuxianhu Lake Basin was studied by means of remote sensing monitoring. The soil erosion amount of Fuxianhu Lake Basin during the period from 1974 to 2014 was estimated by using method of combination of 3S technology and field investigation and based on achievements of general survey of the first national geographical conditions in Yunnan Province and USLE model, and the spatiotemporal distribution and change rule of soil erosion intensity in this basin were discussed. The results showed that: (1) the soil erosion intensity in Fuxianhu Lake Basin was greatly influenced by rainfall; (2) the amount of soil erosion presented a trend of fluctuation increase, decline and then rise, and different intensities of soil erosion changes showed that the soil erosion had experienced the changing processes of initial intensification and later slightness, soil erosion degree was intensifying in some sensitive area of in the basin; (3) the spatial distribution of soil erosion in the basin had the consistency, the most serious soil erosion area of the basin distributed on both sides of the East and West, and parts of the south region.

soil erosion; remote sensing monitoring; USLE model; ecological environment; Fuxianhu Lake Basin

2015-05-15

2015-06-05

國家測繪地理信息局地理國情監測示范項目“撫仙湖流域生態環境動態監測”(測國土函[2014]35號);國家自然科學基金項目(41561048);云南省中青年學術技術帶頭人培養項目(2008PY056)

馬驪馳(1990—),女,云南文山縣人,碩士研究生,研究方向為資源環境信息系統。E-mail:773750300@qq.com

王金亮(1963—),男,云南武定縣人,教授,主要從事資源環境遙感研究。E-mail:wang_jinliang@hotmail.com

S157

A

1005-3409(2016)03-0065-06