基于遙感技術(shù)的苕溪流域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究

周巧稚,張玉剛,杜 婧,尤炎煌

(太湖流域管理局 太湖流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，上海 200434)

水土流失是全球性的生態(tài)環(huán)境問題之一，其強(qiáng)度與區(qū)域土地利用、地形地貌、植被狀況等密切相關(guān)。開展土地利用、植被覆蓋、水土保持措施、土壤侵蝕等監(jiān)測(cè)，掌握水土流失強(qiáng)度、面積與分布特征，對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域水土流失綜合治理、貫徹落實(shí)生態(tài)文明決策部署具有重要意義[1]。本研究以苕溪流域?yàn)檠芯繉?duì)象，基于2020年2 m分辨率多源衛(wèi)星遙感影像，采用資料收集、遙感監(jiān)測(cè)、野外調(diào)查、模型計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法，重點(diǎn)圍繞土地利用、地形坡度、植被覆蓋、水土保持措施、土壤侵蝕等開展監(jiān)測(cè)，分析評(píng)價(jià)流域水土流失狀況，以期為流域水土保持宏觀決策和生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況

苕溪流域涉及浙江省杭州市的臨安區(qū)、余杭區(qū)和湖州市的安吉縣、長興縣、德清縣、湖州市城區(qū)，流域面積5 755.72 km2。苕溪水系分為東、西兩支，分別發(fā)源于天目山南麓和北麓，在湖州匯合，東、西苕溪長分別為150、143 km。苕溪水系是太湖上游最大水系，地處流域內(nèi)暴雨區(qū)，入湖水量約占太湖總水量的50%。苕溪輸沙為太湖泥沙的主要來源，占入湖總沙量的86.2%。流域內(nèi)地勢(shì)自西南向東北逐步下降，海拔從1 500 m遞減至3 m左右，形成西南部為低山丘陵、東北部為河網(wǎng)平原的基本地貌分布格局，山丘和平原面積分別占總面積的88%和12%。流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤、雨熱同期、日照充足、雨量充沛，年均氣溫16.5 ℃，年無霜期24 d。年均降水量1 141.6 mm，主要集中在汛期(5—9月)，期間降水量約占全年的75%，年均陸上水面蒸發(fā)量800～900 mm。土壤共有8類19個(gè)亞類，其中紅壤和黃棕壤為地帶性土壤。植被種類復(fù)雜，典型地帶性植被為常綠、落葉闊葉林。

苕溪流域是“兩山”理念的發(fā)源地，也是浙江省“千萬工程”的重要策源地和實(shí)踐地。近年來，流域內(nèi)各縣市區(qū)政府積極開展生態(tài)清潔小流域建設(shè)，推進(jìn)土地綜合整治，將水土流失治理與美麗鄉(xiāng)村建設(shè)、水源地保護(hù)有機(jī)結(jié)合，有效改善了生態(tài)環(huán)境和人民生產(chǎn)生活條件。

2 研究方法

2.1 資料收集

本研究主要應(yīng)用的基礎(chǔ)資料有遙感影像、降水資料、土壤資料、地形資料、土地利用數(shù)據(jù)、水土保持重點(diǎn)工程及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目資料等，詳見表1。

2.2 遙感解譯與專題信息提取

選取2 m分辨率的多源衛(wèi)星遙感影像，在對(duì)遙感影像進(jìn)行輻射校正、正射糾正及融合、鑲嵌等預(yù)處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)影像色調(diào)、紋理等特征，結(jié)合外業(yè)調(diào)查，以縣級(jí)行政區(qū)為基本統(tǒng)計(jì)單元，建立土地利用和水土保持措施解譯標(biāo)志。

在室內(nèi)采用人工目視解譯的方式，形成土地利用和水土保持措施初步解譯成果。利用水土保持野外調(diào)查信息采集系統(tǒng)和無人機(jī)等設(shè)備對(duì)解譯成果及時(shí)進(jìn)行野外復(fù)核驗(yàn)證，實(shí)地記錄研究區(qū)土地利用類型、水土保持措施情況、植被覆蓋狀況、水土流失強(qiáng)度等信息，補(bǔ)充建立解譯標(biāo)志，修正解譯成果。

2.3 土壤侵蝕計(jì)算與評(píng)價(jià)

采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)，七因子專題數(shù)據(jù)疊加分析，計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，其公式為

A=R·K·L·S·B·E·T

式中：A為土壤侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S為坡長和坡度因子，無量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

表1 基礎(chǔ)資料

依據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)，判定每個(gè)柵格的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)，進(jìn)行水土流失面積統(tǒng)計(jì)。本研究采用的技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用

土地利用通過改變植被覆蓋、土壤性質(zhì)、徑流速率、地形條件等，導(dǎo)致侵蝕發(fā)生及泥沙攔截能力的變化，進(jìn)而影響侵蝕產(chǎn)沙[2]。不同的土地利用方式對(duì)土壤侵蝕的發(fā)育有著不同的影響，土地利用的變化直接影響著土壤侵蝕強(qiáng)度的變化。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，2020年苕溪流域土地利用結(jié)構(gòu)中，林地面積最大，為3 503.81 km2，占土地總面積的60.88%；其次是建設(shè)用地和耕地，面積分別為646.52、630.30 km2，分別占11.23%、10.95%；園地和水域及水利設(shè)施用地次之，面積分別為417.33、341.36 km2，分別占7.25%、5.93%；草地、交通運(yùn)輸用地、其他土地面積最小，分別為132.19、83.93、0.28 km2。

3.2 地形坡度

坡度影響著水流速度及徑流量、入滲量的大小，從而影響地表侵蝕的方式和強(qiáng)度。當(dāng)?shù)乇砥露刃∮谂R界坡度時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著坡度的增加，徑流速度加快，入滲量減少，徑流的沖刷能力加大，土壤流失量增加。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，按坡度級(jí)分，苕溪流域耕地主要分布在≤2°坡度級(jí)，該坡度級(jí)耕地面積為534.76 km2，占不同坡度級(jí)耕地(耕地面積中除梯田面積外)總面積的88.41%；2°～6°、6°～15°、15°～25°坡度級(jí)耕地面積分別為32.63、23.68、9.12 km2，占比分別為5.39%、3.92%、1.51%；25°以上陡坡耕地面積4.65 km2，占比為0.77%。不同坡度級(jí)耕地水土流失總面積為32.91 km2，主要發(fā)生在6°～15°以及15°～25°坡度級(jí)的坡耕地上，其水土流失面積分別為13.99、8.44 km2。從不同坡度級(jí)耕地水土流失面積占相應(yīng)耕地面積比例來看，15°～25°及25°以上陡坡耕地占比較高，分別占本級(jí)耕地面積的92.54%、96.34%。

3.3 植被覆蓋

植被通過截留作用削減雨強(qiáng)和雨量，借助枯枝落葉層涵蓄水分、調(diào)節(jié)徑流，同時(shí)其根系可固結(jié)土體，提高土壤抗蝕性、抗沖性，從而抑制土壤侵蝕的發(fā)生。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，苕溪流域的園、林、草地的二級(jí)類中有林地面積最大，其面積為2 962.08 km2，占土地總面積的51.46%；其次是其他林地和茶園，面積分別為414.27、257.58 km2，占比分別為7.20%、4.48%。按植被覆蓋度分，苕溪流域園、林、草地以高覆蓋(≥75%)為主，面積為3 067.36 km2，占園、林、草地總面積的75.68%；中高覆蓋(60%～75%)面積584.83 km2，占比14.43%；中覆蓋(45%～60%)面積260.61 km2，占比6.43%；中低覆蓋(30%～45%)面積102.32 km2，占比2.52%；低覆蓋(<30%)面積38.21 km2，占比0.94%。苕溪流域超九成的園、林、草地植被覆蓋度大于60%，良好的植被覆蓋有效保持了水土，為減輕水土流失、改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造了條件。

3.4 水土保持措施

相關(guān)研究表明，通過水土保持植物措施、工程措施、農(nóng)業(yè)耕作措施相結(jié)合的綜合治理方式，可以充分發(fā)揮土壤蓄水保土的作用，有效控制水土流失。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，苕溪流域2020年造林、封育等植物措施面積分別為5.51、10.05 km2，主要分布在湖州市安吉縣。工程措施中，梯田面積為25.87 km2，主要分布在湖州市安吉縣、德清縣，杭州市臨安區(qū)；坡面小型蓄排工程7.42 km，主要分布在湖州市安吉縣。

3.5 水土流失面積及分布

2020年，苕溪流域水土流失面積304.45 km2(全部為水力侵蝕)，占土地總面積的5.29%。按照水土流失強(qiáng)度等級(jí)劃分，輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積分別為247.70、37.87、15.89、2.65、0.34 km2，占水土流失總面積的81.36%、12.44%、5.22%、0.87%、0.11%；水土流失以輕度侵蝕為主，強(qiáng)烈及以上侵蝕面積僅占總流失面積的6.20%。

從空間分布來看，苕溪流域水土流失主要分布在安吉縣中北部和長興縣東南部。從不同土地利用類型水土流失面積來看，苕溪流域水土流失主要發(fā)生在茶園、人為擾動(dòng)用地、其他林地及旱地，面積分別為89.29、54.83、38.93、32.91 km2，分別占水土流失面積的29.33%、18.01%、12.79%、10.81%。

2020年苕溪流域極強(qiáng)烈及以上水土流失面積統(tǒng)計(jì)見表2。由表2可知，苕溪流域極強(qiáng)烈及以上水土流失面積為2.99 km2，主要分布在建設(shè)用地、園地和耕地，其中：建設(shè)用地極強(qiáng)烈侵蝕均分布在人為擾動(dòng)用地地類上，集中在湖州市吳興區(qū)和杭州市臨安區(qū)；園地極強(qiáng)烈及以上侵蝕均分布在茶園地類上，集中在湖州市德清縣；耕地極強(qiáng)烈侵蝕主要分布在15°～25°坡耕地上，劇烈侵蝕主要分布在25°以上陡坡耕地上。

表2 2020年苕溪流域極強(qiáng)烈及以上水土流失面積 km2

2020年苕溪流域人為擾動(dòng)用地地塊數(shù)量為6 358個(gè)，面積為154.54 km2，占土地總面積的2.68%。人為擾動(dòng)用地中有水土流失面積54.83 km2，占其面積的35.48%，主要分布在湖州市長興縣、安吉縣和杭州市臨安區(qū)，其中輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕面積分別為26.23、15.59、11.99、1.02 km2。與2019年相比，2020年流域新增人為擾動(dòng)用地地塊數(shù)量2 014個(gè)、面積25.58 km2，有水土流失面積11.08 km2，占新增人為擾動(dòng)用地面積的43.32%，其中輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕面積分別為5.43、2.30、3.27、0.08 km2。

為了進(jìn)一步分析苕溪流域土壤侵蝕空間轉(zhuǎn)移情況，將2019、2020年苕溪流域土壤侵蝕圖進(jìn)行疊加計(jì)算，得到2019—2020年苕溪流域土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣，見表3。

表3 2019—2020年苕溪流域土壤侵蝕轉(zhuǎn)移矩陣 km2

由表3可知，相比于2019年，2020年苕溪流域水土流失面積減少14.88 km2，減幅4.66%。按侵蝕強(qiáng)度分，輕度、極強(qiáng)烈侵蝕面積分別減少了15.15、3.88 km2，而中度、強(qiáng)烈、劇烈侵蝕面積則略有增加。此外，土壤侵蝕強(qiáng)度未發(fā)生變化的區(qū)域面積為5 512.73 km2，由低強(qiáng)度向高強(qiáng)度轉(zhuǎn)移的面積為116.26 km2，由高強(qiáng)度向低強(qiáng)度轉(zhuǎn)移的面積為126.73 km2。總體來說，苕溪流域2019—2020年整體呈現(xiàn)由高強(qiáng)度侵蝕向低強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

根據(jù)苕溪流域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，苕溪流域土地利用以林地、建設(shè)用地和耕地為主，分別占土地總面積的60.88%、11.23%、10.95%，耕地主要分布在≤2°坡度級(jí)，植被覆蓋狀況良好，超九成的園、林、草地植被覆蓋度大于60%。2020年流域水土流失總面積304.45 km2，侵蝕強(qiáng)度以輕度侵蝕為主，水土流失主要分布在茶園、人為擾動(dòng)用地、其他林地及旱地上，其中極強(qiáng)烈及以上侵蝕主要分布在人為擾動(dòng)用地、茶園和坡耕地等；整體來看，土壤侵蝕強(qiáng)度改善的區(qū)域面積大于加劇的區(qū)域面積，水土流失狀況有所好轉(zhuǎn)。