贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

曾曉強(qiáng)

(江西環(huán)宇城設(shè)計(jì)有限公司，江西 宜春 336000)

0 前 言

第二次全國水利普查表明中國水土流失面積達(dá)273.69萬km2，是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一[1]。其中南方地區(qū)由于豐富降水，高強(qiáng)度土地利用與破碎化地貌，導(dǎo)致林下侵蝕，崩塌侵蝕廣泛分布，流失面積達(dá)13.12萬km2[2]。水土流失易引發(fā)水體污染、地質(zhì)災(zāi)害、土壤資源與植被退化，進(jìn)而威脅自然環(huán)境與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。贛南地區(qū)為紅壤侵蝕典型區(qū)，近30 a來該地推行了退耕還林、飛播造林、林下補(bǔ)植、立體農(nóng)業(yè)改造等生態(tài)措施，使得區(qū)域整體水土流失強(qiáng)度得到有效控制[3]。為對贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，劃分不同級(jí)別的水土流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。本文通過水土流失方程(ULSE)提取7個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)因子，建立基于因子分析的水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，對贛南地區(qū)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行空間區(qū)劃，旨在探究贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)分布，為該區(qū)水土保持工作開展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

贛南地處贛江上游，位于東南沿海向內(nèi)陸過渡帶，地理位置位為113°54′～116°38′E，24°29′～27°09′N，區(qū)域面積39 379.64 km2。區(qū)域?qū)倌戏角鹆辍⑽湟纳缴较担貏葑运闹芟蛑斜辈績A斜，海拔介于18～2 061 m，地貌以山地(61.28%)、丘陵(21.89%)、盆地(16.83%)為主。全區(qū)屬贛江水系，干流自南而北流過，域內(nèi)溪流密集、徑流豐富。該地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫潤、水熱充分，平均氣溫介于19.1～20.8 ℃，多年平均降水量為1 318.9 mm。土壤為亞熱帶紅壤，質(zhì)地黏重、孔隙度小、易侵蝕。研究區(qū)土壤侵蝕可分為林下侵蝕、崩崗侵蝕和坡耕地侵蝕等類型，以中度侵蝕強(qiáng)度為主，具有復(fù)雜空間異質(zhì)性特點(diǎn)。

2 研究方法

2.1 ULSE方程與水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子

通用土壤流失方程(Universal soil loss equation，ULSE)采用數(shù)學(xué)模型直觀量化區(qū)域土壤流失量與環(huán)境因子之間的關(guān)系[3]:

A=R·K·L·S·C·P

(1)

式中：A為特定環(huán)境下單位面積內(nèi)年平均土壤流失量，t/ha；R為單位降雨的侵蝕力，MJ·mm/(ha·h)；K為土壤可蝕性因子；L、S分別為地形因子坡長和坡度；C為植被覆蓋和經(jīng)營管理因子，表征地表覆被對土壤侵蝕的抑制能力；P為水土保持措施。雖然該模型被廣泛運(yùn)用于定量研究區(qū)域水土流失，然而在我國南方地區(qū)往往被低估[4]。這是由于USLE方程中的環(huán)境變量表達(dá)并不具化，通常同一個(gè)環(huán)境因子往往具有多相性表達(dá)。鑒于此，本文基于ULSE方程和文獻(xiàn)[2]等人的研究成果，確定區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子依次為坡度(Slope)、坡長(SL)、地形濕度指數(shù)(TWI)、徑流動(dòng)力指數(shù)(SPI)、NDVI、植被覆蓋度(C)、葉面積指數(shù)(LAI)、降雨量(RF)、土壤可侵蝕性(EROS)等10個(gè)指標(biāo)因子。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因子數(shù)據(jù)來源

本研究主要采用氣象數(shù)據(jù)、GEO DEM與哨兵2號(hào)(Sentinel-2)遙感影像數(shù)據(jù)。其中，氣象數(shù)據(jù)為中國科學(xué)資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供，該數(shù)據(jù)基于全國2000個(gè)氣象站點(diǎn)2000—2012年間平均降水量(RF)統(tǒng)計(jì)值，采用專業(yè)氣象插值軟件Anuslin生成，其空間分辨率為500 m，能夠較好描述研究區(qū)水土流失動(dòng)力來源。

DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，其空間分辨率為30 m，能夠描述區(qū)域微地貌特征。基于該數(shù)據(jù)，提取區(qū)域Slope、SL、TWI、SPI地形因子，具體提取過程如下: DEM數(shù)據(jù)導(dǎo)入Arcmap→convertion tools→from raster→raster to ascii→SIMDTA平臺(tái)→terrain analysis tools[5]。

Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)是歐空局發(fā)射的較高分辨率的遙感衛(wèi)星，其可見光波段優(yōu)于10 m，能精細(xì)呈現(xiàn)地表覆被差異。利用ENVI5.3軟件的bandmath工具提取NDVI、覆蓋度(C)、LAI等植被結(jié)構(gòu)參數(shù)。處理過程為: Sentinel-2數(shù)據(jù)導(dǎo)入ENVI5.3中，利用flash模塊進(jìn)行輻射校正，再利用spectral index工具提取LAI和NDVI，其值覆蓋度C利用差分函數(shù)提取。

EROS由中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心提供，其空間分辨率為1 000 m。為便于空間分析與計(jì)算，先將各指標(biāo)因子進(jìn)行空間重投影，設(shè)置其坐標(biāo)系為 UTM-1984-50N，空間分辨率為30 m。然后以研究區(qū)1∶5000比例尺的矢量邊界為基礎(chǔ)，對各個(gè)因子進(jìn)行裁剪提取。

2.3 水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

各風(fēng)險(xiǎn)因子對水土流失產(chǎn)生起著不同程度作用，為直觀認(rèn)識(shí)單因子的影響力，采用因子分析的方法計(jì)算9個(gè)水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重wi(i為風(fēng)險(xiǎn)因子序列)，因子分析過程詳見有關(guān)文獻(xiàn)[6]。由于風(fēng)險(xiǎn)因子分屬不同量綱，因此需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其中植被指數(shù)如LAI、NDVI和C因子水土對風(fēng)險(xiǎn)來說是負(fù)向因子，因此采用最小值方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其他正向因子采用最大值法，從而得到歸一化風(fēng)險(xiǎn)因子矩陣[Xij](j為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)單元，以像素為單元)。在此基礎(chǔ)，運(yùn)用綜合指數(shù)法將風(fēng)險(xiǎn)因子歸一化值與權(quán)重聯(lián)立，得到風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型:Rij=Xij×wi，其值介于[0,1]，值越大表明風(fēng)險(xiǎn)越高。依據(jù)等分法原理，將區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分為3級(jí)，R∈(0,0.33]為低風(fēng)險(xiǎn)不安全；R∈(0.33，0.67] 為中風(fēng)險(xiǎn)；R∈(0.67,1]為高風(fēng)險(xiǎn)。本文在SPSS21軟件進(jìn)行因子分析以計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，并利用Arcgis10.6平臺(tái)完成侵蝕風(fēng)險(xiǎn)制圖[7-8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子空間特征

SL是計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)的必須參數(shù)，其表征了局部地形的產(chǎn)流、集水能力，對土體顆粒剝離運(yùn)移具有重要作用。研究區(qū)SL值介于之間0.01～1.54，空間平均值為0.42，并呈帶狀沿著山勢分布，中間溝谷地為低值區(qū)。贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子空間分布見圖1。TWI和SPI描述了地表產(chǎn)流匯聚能力，是徑流侵蝕過程重要參數(shù)之一，前者值域?yàn)?0.81～69.54，后者范圍介于0.01～0.82。Slope是高程的函數(shù)，通常與DEM存在顯著相關(guān)性，研究區(qū)二者間的相關(guān)系數(shù)為0.46，在P>0.05達(dá)到統(tǒng)計(jì)顯著性意義。

圖1 贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子空間分布圖

NDVI、LAI和C能反映區(qū)域植被長勢，具有空間一致性分布。降水柵格顯示，區(qū)域RF介于1 391～1 714 mm，空間平均值為1 524 mm，空間呈現(xiàn)自南向北減少分布。研究區(qū)EROS介于10.49～41.26之間，平均值為23.82，土壤性質(zhì)屬于中度易蝕。

利用Arcgis軟件中圖層的屬性分析功能，統(tǒng)計(jì)了上述風(fēng)險(xiǎn)因子在30 m柵格像素水平上的基本特征。可知其變異系數(shù)依次為:TWI(89.72%)

3.2 贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重

基于因子分析的客觀賦權(quán)法，得到區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)值依次為:C(0.081)

圖2 贛南地區(qū)水土風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重圖

3.3 贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

基于9個(gè)歸一化風(fēng)險(xiǎn)因子的柵格圖層，結(jié)合各風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重，在ArcMap窗口的Spatial Analysis模塊下的Map Algebra工具中建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，運(yùn)行得到區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見圖3。如圖所示，區(qū)域侵蝕風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于0.21～0.79之間，其平均值為0.45。為直觀顯示其侵蝕風(fēng)險(xiǎn)差異性，采用等值法將其劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)所占區(qū)域面積依次為：36.13%、49.61%、14.26%，中度風(fēng)險(xiǎn)為主要特征。

圖3 贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃圖

4 結(jié) 論

本研究利用多源遙感、DEM與氣象數(shù)據(jù)，提取了分辨率為30 m的贛南地區(qū)水土流失敏感因子，并運(yùn)用因子分析法計(jì)算了各因子對區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)的影響，完成區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。結(jié)論如下:

(1) 贛南地區(qū)水土流失風(fēng)險(xiǎn)對環(huán)境因子的敏感性依次為：植被覆蓋度(C) <坡度(SLOPE)

(2) 區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)具有復(fù)雜空間變異性，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)介于0.21～0.79之間，其平均值為0.45，以中風(fēng)險(xiǎn)為主。由于生態(tài)景觀斑塊破碎化和強(qiáng)烈人為活動(dòng)，導(dǎo)致區(qū)域水土流失風(fēng)險(xiǎn)分布異質(zhì)性。