寧夏南部地區(qū)水土流失遙感定量研究

張永杰

（寧夏萬天晟科技有限公司，寧夏 銀川 750021）

土壤侵蝕是指水或風的影響使土壤顆粒脫離和移除。這種情況逐漸發(fā)生，導致土壤惡化、遷移，最后在其他地方沉淀下來。土壤侵蝕不僅是地球表面最常見的地理現(xiàn)象，也是造成土壤肥力流失和土地退化的主要原因。由于水土流失和地表徑流造成的土壤惡化在世界范圍內越來越嚴重。因此，緩解此類問題將有助于恢復當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)[1]。土壤對生態(tài)系統(tǒng)至關重要，因為它可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對土壤保護也至關重要。例如植被的樹冠和根系可以減少雨滴和表面徑流的侵蝕作用。土壤會有更高的抗侵蝕能力，可以留住更多營養(yǎng)物質，從而降低損失[2]。

寧夏南部地區(qū)是黃河上游的重要生態(tài)屏障[3]，也是平原地區(qū)的重要資源。為保障寧夏南部地區(qū)的生態(tài)安全，應在該地區(qū)開展土壤侵蝕的定量研究。因此該研究采用USLE模型，充分考慮了植被覆蓋的季節(jié)性變化和土壤的理化性質。用科學的方法，對寧夏南部地區(qū)土壤侵蝕的定量評估[4]。通過研究該地區(qū)的土壤侵蝕和相關的生態(tài)服務價值，為土壤侵蝕控制及生態(tài)產(chǎn)品價值轉換實現(xiàn)路徑提供參考。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)位于寧夏南部地區(qū)（35°14′N-36°31′N，105°19′E-106°57′E），面積10370.15km2，如圖1所示。地處黃土高原的西北邊緣，是典型的大陸性氣候，區(qū)域降水差異大。年平均日照時數(shù)2518.2 小時，年平均氣溫6.1℃，年平均降水量492.2mm，年蒸發(fā)量1753.2mm，研究區(qū)呈南高北低之勢。海拔大部分在1320～2942m，地形起伏大，溝壑縱橫。地表水主要以清水河、涇河、葫蘆河、祖厲河幾大河流為主，年平均徑流量7.28 億m3。

圖1 研究區(qū)域地理位置圖

1.2 遙感影像

該研究獲得了3 個階段的Landsat8 OLI 圖像，覆蓋了研究區(qū)域。這3 個階段三景數(shù)據(jù)（130，37；130，38；和130，39），空間分辨率為30m，時間階段為2013年12月、2014年6月和2015年2月。所有圖像的云層覆蓋率都小于3%。遙感圖像從美國地質調查局網(wǎng)站下載。

1.3 氣象數(shù)據(jù)

該研究選擇了研究區(qū)域內和附近的8 個氣象站。收集了各氣象站的月度和年度平均降雨量。雨量數(shù)據(jù)從1980年到2013年，跨度達34年。氣象數(shù)據(jù)從中國氣象局獲得。

1.4 其他數(shù)據(jù)

除了遙感圖像和氣象輻射數(shù)據(jù)外，還獲得了其他數(shù)據(jù)，包括DEM、土壤類型、植被類型、土地利用狀況以及研究區(qū)域內土壤的物理和化學性質。DEM 數(shù)據(jù)從美國地質調查局的網(wǎng)站上下載。DEM 的分辨率為30 米。有關土壤類型、物理和化學性質、植被類型和土地利用狀況的數(shù)據(jù)來自國土科學研究院。

1.5 研究方法

土壤保持量是生態(tài)系統(tǒng)保持土壤能力的一個指標。可以通過從同一地點的潛在土壤侵蝕量中減去實際土壤侵蝕量來測量。實際土壤侵蝕量是指被侵蝕的土壤的數(shù)量。潛在土壤侵蝕量是指在沒有植被覆蓋或土地管理的情況下被侵蝕的土壤量。土壤侵蝕的實際量可以用USLE 方程直接計算。可以通過取消USLE 方程中的植被覆蓋和管理因子C和土壤保持因子P來計算潛在量。

2 結果分析

2.1 土壤保護的結果分析

研究區(qū)的土壤侵蝕強度是參照《土壤侵蝕分類與分級標準》（SL 190—2007）進行分級的[5]。該標準規(guī)定了水土流失強度的分級模式和土壤侵蝕強度的分級標準。參照這種分級標準，根據(jù)土壤侵蝕強度確定土壤侵蝕的實際水平，同時得到土壤侵蝕強度的分級圖（圖2）。

圖2 土壤侵蝕強度的分級圖

統(tǒng)計結果見表1，研究區(qū)微度侵蝕的總面積為2457.30km2，占總研究面積的23.70%。平均侵蝕模數(shù)為4.57t/（km2·a），而每年的土壤侵蝕量為1.12 萬t。輕度侵蝕區(qū)的總面積為1762.44 km2，占研究區(qū)的17.00%，平均侵蝕模數(shù)為1418.30 t/（km2·a），而每年的土壤侵蝕量為249.98 萬t。受中度侵蝕的區(qū)域面積為1895.24 km2，占研究區(qū)的18.28%。該區(qū)的平均侵蝕模數(shù)為3398.89t/（km2·a），而每年的土壤侵蝕量為644.19 萬t。強烈侵蝕的區(qū)域面積為3139.55km2，占研究區(qū)域的30.27%。該區(qū)的平均侵蝕模數(shù)為6067.87t/（km2·a），而年侵蝕量為1904.93 萬t。極強烈侵蝕區(qū)的總面積為1115.82 km2，占研究面積的10.75%，而該區(qū)的平均侵蝕模數(shù)為10784.13g/（km2），年土壤侵蝕量為1203.31萬t。

表1 研究區(qū)土壤侵蝕強度分級統(tǒng)計

研究區(qū)的主要水土流失形式是強烈侵蝕，水土流失面積占整個研究區(qū)的30.27%。水力侵蝕面積為10370.15km2。潛在和實際的土壤侵蝕量以及研究區(qū)的土壤保持量，可以通過公式（1）～公式（3）進一步計算。

式中：Ts為實際土壤侵蝕量，t；Tq為潛在土壤侵蝕量，t；T為土壤保持量，t，S為面積，hm2。通過將研究區(qū)每個單位像素的土壤侵蝕模數(shù)乘以單個像素的面積，寧夏南部地區(qū)的實際土壤侵蝕量（Ts）估計達到4003.53 萬t，而潛在土壤侵蝕量估計達到6838.16 萬t，土壤保持量（T）經(jīng)計算達到2834.63 萬t。

2.2 土壤固定的價值

土壤具有吸收和保存營養(yǎng)物質的能力。這種保肥能力主要是通過在土壤腔體表面吸附分子養(yǎng)分來實現(xiàn)的，但不改變養(yǎng)分的物質結構。這種通過物理吸附來保肥的方法有助于防止養(yǎng)分被浸出，同時使養(yǎng)分在土壤中呈現(xiàn)出一定的濃度梯度。為衡量生態(tài)系統(tǒng)的土壤固定價值，通常根據(jù)體積密度和土壤厚度將研究區(qū)的土壤保持總量轉化為土地面積。該土地面積表示生態(tài)系統(tǒng)中水土保持功能固定的土地面積，并采用機會成本法計算土地面積將產(chǎn)生的年收入，如公式（4）所示。

式中：Vg為研究區(qū)域內生態(tài)系統(tǒng)的土壤固定值；T為土壤保護總量；h為土層厚度；v為單位面積土地的年收入。

土壤保持量為28.3463t。參照《土壤侵蝕分類與分級標準》（SL 190—2007），土壤體積密度（Pb）為1.35 g/cm3。此外，該地區(qū)的平均土壤厚度估計為50cm。寧夏南部地區(qū)的土地覆蓋類型主要為林地、草地和耕地。此外，單位面積土地的年收入（v）是根據(jù)1999年中國林業(yè)收入的研究結果估算的，約為50000 元/（km2·a）。經(jīng)計算研究區(qū)域內生態(tài)系統(tǒng)的土壤固定值為209.97 億元。

水土流失會對河流、湖泊、水庫等產(chǎn)生淤積作用，會削弱該地區(qū)的蓄水能力，破壞寧夏南部地區(qū)的水源涵養(yǎng)功能。就寧夏南部地區(qū)而言，遏制水土流失就等于增加寧夏南部地區(qū)的蓄水能力。根據(jù)以往對中國主要流域水土流失造成的土壤流失和泥沙堆積方向和運動的研究結果表明，水土流失產(chǎn)生的土壤流失有24%將沉積在水庫和河流的底部，33%滯留在河道中，而37%最終進入海洋[6]。用工程和技術方法對研究區(qū)域內沉積在水庫和河流中的淤泥的疏浚成本進行測量，以評估生態(tài)系統(tǒng)中清淤的價值損失。為計算清淤成本，該文參考了《森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估規(guī)范》中規(guī)定的水庫清淤的工程成本，該成本為6.11元/m3。經(jīng)計算得到，寧夏南部地區(qū)的泥沙減少值預計達到43.39 億元。

由于研究區(qū)土壤保護的生態(tài)服務價值巨大，有必要提高該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境質量。在研究區(qū)的低海拔地區(qū)，建設水電站、砍伐森林、修建公路和鐵路、開采礦砂等人類活動可能導致植被惡化，從而導致水土流失[7]。建議如下：應該不斷推出一系列的生態(tài)恢復和重建項目，以促進生態(tài)環(huán)境的恢復。此外，需要適當限制人類活動，如建造水電站、人為因素造成的森林砍伐、修建公路和鐵路、開采礦砂等。

3 結論

從研究結果來看，寧夏南部地區(qū)的實際水土流失量為4003.53 萬t，水土保持量為2834.63 萬t。研究區(qū)的主要土壤侵蝕強度等級為強烈侵蝕，面積為3139.35km2，占研究區(qū)的30.27%，主要集中分布在研究區(qū)的東部。研究區(qū)總體的土壤固定價值達到253.36 億元。總的來說，應持續(xù)推進水土流失綜合治理，加強資源、生態(tài)和環(huán)境的統(tǒng)籌，不斷提升區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務功能和價值。降雨量對土壤侵蝕有主導性影響，研究區(qū)的土壤保持量（T）為2834.63 萬t，生態(tài)系統(tǒng)服務價值為209.97 億元。RS 和GIS 技術能夠快速估算。然而，這種評估含有相當大的不確定性。目前還很難用經(jīng)驗模型來揭示寧夏南部地區(qū)土壤侵蝕的物理過程。