地理國情監測在秦嶺山地土壤侵蝕中的應用

馬鵬剛，林 璐，王 爽，胡炳方

（1.國家測繪地理信息局第二地形測量隊，陜西 西安 710100）

地理國情監測在秦嶺山地土壤侵蝕中的應用

馬鵬剛1，林 璐1，王 爽1，胡炳方1

（1.國家測繪地理信息局第二地形測量隊，陜西 西安 710100）

利用國情監測成果，分析了2010～2014年秦嶺山地丹江流域土地利用類型變化特征，并探討了土地利用類型方式轉變對流域土壤侵蝕的影響。結果表明，微度侵蝕和輕度侵蝕面積在波動中呈減少趨勢；中度侵蝕至劇烈侵蝕面積呈上升趨勢，在一定程度上，流域的侵蝕狀況加劇。土壤侵蝕較嚴重的土地利用類型是耕地和裸地。

土地利用變化；土壤侵蝕；土壤保持量

地理國情普查與監測是從空間角度綜合反映國家（省、市）的自然、經濟、人文狀況，具體包括土地資源、環境、農業、森林和濕地、地震、水文、海洋、礦產資源、交通等。土壤侵蝕是土壤或成土母質在外力作用下被破壞剝蝕、搬運和沉積的過程。它將破壞土地、減低土壤肥力、加劇干旱發展、淤積抬高河床、加劇洪澇災害，危害極其嚴重。我國屬于全球范圍內土壤侵蝕比較嚴重的國家，人地矛盾突出，地理國情普查和監測技術可以更好地觀測我國土壤侵蝕現狀，預測未來發展趨勢，進而采取相應的保護措施，以期為實現秦嶺丹江流域土地資源的優化配置，有效控制土壤侵蝕，提供科學決策依據。

1 流域概況

秦嶺山地地區屬于丹江流域，氣候為亞熱帶向暖溫帶過渡型，具有南北過渡的植被和氣候特點，林地較多，主要植被類型為暖溫帶落葉闊葉林；年平均氣溫由北向南、由西向東遞增，多年平均氣溫為11～14℃。受氣候和地形的影響，流域年平均降水量為743.50 mm，降水分布不均勻。區域內土壤以黃褐土、棕壤、黃棕壤、紫色土等為主；土薄石多，陡坡耕種較普遍，若不加保護土層極易流失殆盡而失去利用價值。秦嶺地區是我國重要水源保護地，也是國家南水北調中線工程重要的水源之一（圖1、2）。

圖1 丹江流域某段地表覆蓋圖

圖2 丹江流域某段海拔圖

2 研究方法

2.1 土地利用變化及土壤侵蝕強度指數

遙感影像通過大氣校正、幾何校正和正射校正，輔以30 m DEM、高精度參考影像庫和野外高精度GPS點數據，利用ENVI和Erdas軟件平臺進行監督分類和人工采集，輸出分類圖像。根據《全國第一次地理國情普查采集內容與指標》，只采集到二級類。

土壤侵蝕強度指數考慮了土地利用類型所占的面積，可更有效地對各用地類型的土壤侵蝕強度的貢獻情況進行把握[1]。當各土地利用類型轉化時其土壤侵蝕強度指數亦隨之發生變化。將研究區兩個時期土地利用圖轉化為30 m×30 m 柵格圖層，采用ArcGIS10.0疊加分析功能，對各土地利用類型變化及土地侵蝕強度指數進行空間定位，計算土地利用變化轉移矩陣和土壤侵蝕強度指數，并利用柵格屬性表數據，統計各類土地利用變化時土壤侵蝕強度指數相應變化數據，從而得到2010年、2014年土地利用類型轉化與土壤侵蝕強度的定量關系。計算公式如下：

式中，Ej為第j單元的土壤侵蝕強度指數；Ci為第j單元第i類型土壤侵蝕強度分級值；Ai為第j單元第i類型土壤侵蝕所占面積；Sj為第j單元所占的土地面積；n為第j單元土壤侵蝕的類型總數。根據水利部頒布的SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》，土壤侵蝕強度劃分為微度、輕度、中度、重度、極重度和劇烈侵蝕，各等級土壤侵蝕強度分級值分別為1、2、3、4、5、6[2]。

2.2 InVEST模型計算原理

植被不僅能夠減緩地塊土壤侵蝕，還對上游地區土壤侵蝕物有一定的攔截作用[3]。采用USLE方程計算土壤保持量時，忽略了植被的持留作用。InVEST土壤保持模型以柵格單元為計算方式[4]，根據每個植被像元捕獲及持留土壤侵蝕物的能力，計算像元中被下游地區植被所攔截的土壤侵蝕量。此外，對于有大中型水庫的流域，在建造水庫時為了避免泥沙淤積，會設計水庫死庫容，該空間可沉淀泥沙和減少清淤成本，對于流域的土壤保持具有一定作用[5-7]。計算過程如下：

1）計算基于地貌和氣候條件的潛在土壤流失量：

2）采用通用USLE方程計算植被覆蓋以及實施土地管理措施流域的實際土壤侵蝕量：

式中，Rx為降雨侵蝕力；Kx為土壤可蝕性；LSx為坡度-坡長因子；Cx為植被覆蓋因子；Px為管理因子。

3）InVEST模型中土壤保持量包含兩部分：泥沙持留量，用上坡來沙量與泥沙持留率乘積表示（式（4））；因植被覆蓋和水土保持措施而減少的土壤侵蝕量，以潛在與實際侵蝕的差值表示：

式中，SEx為柵格x的持留率；USLEy為上坡柵格y產生的泥沙量；SEz為上坡柵格的泥沙持留量；SEDRETxD為柵格x土壤保持量。

4）對于有大中型水庫的流域，為避免高估流域土壤保持量，應當減去水庫死庫容的土壤保持量。模型采用以下計算方式：

式中，SEDRET_drx為水庫清淤條件下的柵格x實際土壤保持量；1.26為沉積物密度的常量，單位為t/m3；dr_deadvol為流域水庫死庫容；dr_time為水庫剩余壽命；contrib為流域柵格單元數量[4]。

表1 2010年、2014年土壤侵蝕等級面積統計

3 統計結果與分析

3.1 不同土地利用格局下的土壤侵蝕及其變化

2010～2014年流域整體處于微度侵蝕和輕度侵蝕級別（表1）。5 a間微度侵蝕和輕度侵蝕面積在波動中呈減少趨勢；中度侵蝕至劇烈侵蝕面積呈上升趨勢，表明在一定程度上，流域的侵蝕狀況加劇。表2統計了研究區5 a間不同土地利用類型各土壤侵蝕等級的面積變化。林地：微度侵蝕的面積先減后增，總體減少，是流域微度侵蝕面積減少的原因之一。灌叢：各等級侵蝕面積變化在波動中上升，是流域中度侵蝕面積增加的主要原因。草地：各級別變化幅度均較小，除微度侵蝕面積總體減少外，輕度侵蝕至劇烈侵蝕面積均有不同程度的增加。耕地：微度侵蝕至中度侵蝕面積持續下降，是流域微度侵蝕、輕度侵蝕面積減少的最主要原因；重度侵蝕至劇烈侵蝕面積整體增加。裸地：各級別侵蝕面積均減少。綜上所述，對中度侵蝕以上侵蝕強度面積貢獻率最大的地類是灌叢和耕地，林地重度侵蝕、極重度侵蝕面積較小，且基本不發生劇烈侵蝕。2010～2014年流域各地類中度以上侵蝕級別面積基本呈現出在先增后減中上升的趨勢。

3.2 各土地利用類型轉變與土壤侵蝕效應的關系

表3統計了各地類發生轉化時其土壤侵蝕強度指數的變化過程。研究區主要發生變化的地類為耕地及裸地，因此由土地利用類型變化引起的土壤侵蝕變化主要發生在耕地變化區和裸地變化區。在耕地變化區，侵蝕強度指數降低最明顯的是耕地轉為林地、水域及居民區過程，分別由172.88下降至105.63、98.32及107.56；耕地轉為灌叢、草地及裸地均呈增加趨勢，耕地大面積轉為灌叢是該流域土壤侵蝕加劇的主要原因。在裸地變化區，由裸地轉為其他地類時侵蝕強度指數均呈下降趨勢。與耕地一致，裸地轉為林地、水域及居民區時，下降最為明顯。

表3 各土地類型變化區的土壤侵蝕強度指數（Ej）變化

在林地變化區，侵蝕強度指數變化最明顯的是從林地向草地及耕地轉化；在灌叢變化區，灌叢向耕地轉化其侵蝕強度指數由113.42增加至154.85，灌叢向草地及居民區轉化時侵蝕強度指數均呈減少趨勢；在草地變化區，轉化為林地時，其侵蝕強度指數下降最為明顯；在水域變化區，水域轉為裸地時，侵蝕強度指數由99.08大幅增加至187.56；居民區未發生轉出現象，其內部侵蝕強度指數基本無變化。上述土地類型雖轉化面積較小，對整個研究區土壤侵蝕影響不大，但為秦嶺山地丹江流域土地資源的優化配置，有效控制土壤侵蝕，提供了科學依據。

4 結 語

2010～2014年，秦嶺山地丹江流域耕地和裸地呈大幅下降趨勢，其他地類有不同幅度的增加。從土壤侵蝕分級來看，流域主要處于微度和輕度侵蝕級別，林地占有該流域面積的絕對優勢是其直接原因；但仍有較大侵蝕面積屬中度以上侵蝕且均有增加趨勢，盡管增加面積較小，但其對水土流失的影響不容忽視。

流域的土壤侵蝕狀況與土地利用格局有密切的聯系。根據秦嶺山地丹江流域不同時期土壤侵蝕強度指數變化，比較各類土地類型轉化面積大小可知：對土壤侵蝕程度起到減輕作用的土地類型轉化為耕地轉為林地、裸地轉為林地以及裸地自身面積大幅減少；而耕地與灌叢間的相互轉化加劇了土壤侵蝕的程度，其中灌叢轉為耕地程度更為嚴重。研究表明，保護現有林地，將坡耕地恢復為林地是秦嶺山地丹江流域植被保護、減少土壤侵蝕的必要措施。

[1] 周平,蒙吉軍.鄂爾多斯市1988～2000年土壤水力侵蝕與土地利用時空變化關系[J].自然資源學報,2009,24(10)：1 706-1 717

[2] 高楊,呂寧,薛重生,等.不同區域土地利用與土壤侵蝕空間關系研究[J].中國水土保持,2006,33(11)：21-23,58

[3] 柳長順,齊實,史明昌.土地利用變化與土壤侵蝕關系的研究進展[J].水土保持學報,2001,15(增刊1)：10-13

[4] 喻鋒,李曉兵,陳云浩,等.皇甫川流域土地利用變化與土壤侵蝕評價[J].生態學報,2006(6)：1 947-1 956

[5] 趙克玉,陳義琦,丁利民.二龍山水庫排沙減淤技術的研究[J].泥沙研究,1995(2)：57-63

[6] 劉書榜，馮東玲.魚嶺水庫泥沙淤積成因分析及排沙減淤措施[J].西北水資源與水工程,2002,13(2)：46-48,51

[7] 陳龍,謝高地,裴廈,等.瀾滄江流域生態系統土壤保持功能及其空間分布[J].應用生態學報,2012,23(8)：2 249-2 256

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：B

：1672-4623（2016）11-0024-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.009

馬鵬剛，碩士，工程師，主要從事航空攝影測量、國情變化監測等研究。

2015-06-04。