張喜旺,吳炳方

（1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院,河南開封475004;2.中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所,北京 100101）

土壤侵蝕是發(fā)生在特定時(shí)空條件下的土體遷移過(guò)程,是世界范圍內(nèi)最重要的土地退化問(wèn)題[1]。它通過(guò)影響農(nóng)作物產(chǎn)量、土壤結(jié)構(gòu)以及水質(zhì)[2-3]而劇烈地影響著環(huán)境,并直接影響著人們的生活;通過(guò)對(duì)江河、庫(kù)塘、湖泊的淤積影響著人類的安全[4-5]。此外,侵蝕導(dǎo)致土壤以CO2、CH4的形式向大氣中散射有機(jī)碳,從而影響全球變暖[6],而全球變暖又反過(guò)來(lái)增強(qiáng)土壤侵蝕率[7]。而對(duì)侵蝕問(wèn)題的適當(dāng)評(píng)估非常依賴于空間、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和文化之間的相互聯(lián)系[8]。

隨著人們對(duì)土壤侵蝕機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入,研究模型從經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型發(fā)展到物理過(guò)程模型;隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,各種新的技術(shù)也不斷得到應(yīng)用,如元素示蹤[9-11]、多時(shí)相DEM[12-13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]等。雖然定量方法可以給出具體的侵蝕量,但其主要困難在于結(jié)果的驗(yàn)證與標(biāo)定,而且精確的測(cè)量通常非常昂貴、耗時(shí),且標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備也很難獲取[15],所以定性的方法仍然被廣泛使用。定性方法中指標(biāo)綜合方法是綜合多個(gè)影響因子,按照特定的規(guī)則評(píng)估土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn),因其受人為因素干擾較少,并且與GIS技術(shù)結(jié)合可以快速高效地進(jìn)行土壤侵蝕監(jiān)測(cè)。侵蝕影響因子中,植被覆蓋、坡度、土壤和土地利用/土地覆蓋等都是非常重要的土壤侵蝕影像因子,常用于土壤侵蝕評(píng)價(jià)[16-18]。例如“土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-96”是我國(guó)水土保持部門最常用的一種評(píng)價(jià)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的方法,采用植被覆蓋、坡度與植被覆蓋三個(gè)因子的綜合判讀進(jìn)行侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。1999-2001年,在此方法的基礎(chǔ)上利用TM影像進(jìn)行第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查[19]。

遙感具有大面積重復(fù)觀測(cè)能力[20-21],可以深刻地了解地表的特征及其變化[22],已經(jīng)成為區(qū)域土壤侵蝕研究的重要數(shù)據(jù)源。本文利用2004年SPOT5-10 m多光譜數(shù)據(jù),按照指標(biāo)綜合方法SL190-96評(píng)價(jià)研究區(qū)域2004年土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀,并與第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,研究密云水庫(kù)上游土壤侵蝕的變化,同時(shí)分析不同高程帶與坡度帶的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)空間格局情況,為管理部門進(jìn)行土壤侵蝕治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域 位于東經(jīng) 115°24′-117°35′,北緯40°19′-41°38′,涉及密云、懷柔 、延慶、興隆 、欒平、赤城、豐寧、沽源和崇禮等9個(gè)縣(部分)。研究區(qū)面積約為15 388 km2,位于北京市北大約80 km。

地貌以丘陵為主,地勢(shì)西北高,東南低,東南部多低山丘陵。潮、白兩河順勢(shì)而下,河網(wǎng)呈樹枝狀。該區(qū)位于歐亞大陸東部中緯度地區(qū),屬大陸性季風(fēng)氣候,四季分明。冬季受蒙古高壓控制,寒冷干燥,夏季受海洋氣團(tuán)影響,盛行東南季風(fēng),年內(nèi)氣溫變化顯著,流域降水量主要集中在6-9月。區(qū)內(nèi)分布最廣的為褐土,遍布150～1 000 m的低山丘陵,面積占流域的60.3%。棕壤分布于海拔600 m(陰坡)至1 000 m(陽(yáng)坡)以上中低山,占總面積的34.4%。草甸土分布在潮、白兩河河谷,占總面積的1.9%,多已開墾為耕作土壤。栗鈣土分布在壩根一帶,占總面積的2.2%,是重要的牧業(yè)用地。

1.2 數(shù)據(jù)

本文影像為10景SPOT5(2004年)多光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù),完全覆蓋研究區(qū),空間分辨率10 m。輔助數(shù)據(jù)有研究區(qū)界線、1∶5萬(wàn)DEM 數(shù)據(jù)、2000年土壤侵蝕圖(第二次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查數(shù)據(jù)),用以提高數(shù)據(jù)處理精度,改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。2000年土壤侵蝕是全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查數(shù)據(jù),在國(guó)內(nèi)普遍得到承認(rèn),可以作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù);而選擇2004年是因?yàn)楹Ｎ㈨?xiàng)利用該年的遙感數(shù)據(jù)對(duì)前期治理成果進(jìn)行監(jiān)測(cè),因此也是比較典型的時(shí)間,所以我們選擇這兩年數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

為了建立解譯標(biāo)志,分兩組對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行為期15天的調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容主要有土地利用/土地覆蓋類型、植被覆蓋狀況、地貌特征、地形信息、水土流失狀況等,建立地面信息與影像光譜信息、紋理信息以及輔助數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián),為信息提取提與結(jié)果驗(yàn)證提供參考。

1.3 土壤侵蝕評(píng)價(jià)

土壤侵蝕是在降雨和徑流等外營(yíng)力作用下的水土流失,強(qiáng)降雨與有限植被覆蓋的結(jié)合導(dǎo)致侵蝕過(guò)程發(fā)生在有一定坡度的可蝕性土壤上[23]。土壤侵蝕的影響因子主要包括降雨、植被覆蓋、地形等[24]。降雨的強(qiáng)度、歷時(shí)與頻率影響土壤侵蝕量,是水土流失的外營(yíng)力。土壤的組分與粘合力決定著土地表面的可侵蝕性,可以間接地通過(guò)土地覆蓋來(lái)表示。因此侵蝕風(fēng)險(xiǎn)可定義為區(qū)域環(huán)境變化在這些因子上的響應(yīng)[25-26]。水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)“土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-96”(如表1)給出了各侵蝕等級(jí)的定義,所使用的指標(biāo)包括植被覆蓋度、坡度和土地覆蓋,將土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)分為6類。

表1 水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)參考指標(biāo)

植被覆蓋度是衡量地表水土流失狀況的一個(gè)最重要指標(biāo),是計(jì)算土壤侵蝕的必要參數(shù),指植被冠層在地面上的垂直投影面積所在的百分比。本文采用像元二分模型計(jì)算植被覆蓋度。其中NDVI是比值植被指數(shù)的歸一化,比值處理可以部分消除與太陽(yáng)高度角、衛(wèi)星觀測(cè)角、地形、云/陰影和大氣條件有關(guān)的輻照度條件變化(大氣程輻射)等的影響,同時(shí)使因遙感器定標(biāo)衰退對(duì)單波段的影響從10%～30%降到的0～6%,并減輕地表二向反射和大氣效應(yīng)造成的角度影響[27]。又由于NDVI可以很好地反映地表植被,可以利用NDVI代替假設(shè)中的光譜信息,從而計(jì)算植被覆蓋度,計(jì)算時(shí)首先去除不理想極值的干擾,在置信區(qū)間內(nèi)選取純土壤和純植被的NDVI值。利用實(shí)測(cè)值進(jìn)行檢驗(yàn),校正相關(guān)參數(shù),使計(jì)算值能反映真實(shí)的植被覆蓋信息。

在土壤侵蝕研究中坡度是一個(gè)重要的地形因子,本文通過(guò)數(shù)字化研究區(qū)1∶5萬(wàn)的地形圖建立數(shù)字高程模型(DEM)。通過(guò)ERDAS軟件在柵格數(shù)字高程模型的基礎(chǔ)上提取研究區(qū)坡度信息。土地利用與人類活動(dòng)密切相關(guān),是影響土壤侵蝕的主要因素之一。通過(guò)實(shí)地調(diào)查建立研究區(qū)的土地利用解譯標(biāo)志,利用面向?qū)ο蟮姆诸愜浖Cognition對(duì)影像進(jìn)行解譯并進(jìn)行人工修改。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕

植被覆蓋度以15%,30%,45%,60%,75%為間隔制作專題圖,如附圖 4a。坡度以 5°,8°,15°,25°,35°為間隔制作專題圖,如附圖4b。土地利用圖如附圖4c所示。將植被覆蓋度、坡度和土地利用按照表1進(jìn)行交叉疊置分析,同時(shí)根據(jù)實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù),充分分析土壤環(huán)境、氣候環(huán)境、植被環(huán)境、物質(zhì)文化環(huán)境以及地形地貌的基礎(chǔ)上,進(jìn)行人機(jī)交互,形成土壤侵蝕現(xiàn)狀圖,如附圖4d。從侵蝕圖可以看出2004年密云水庫(kù)土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)整體較低,大部分地區(qū)處于微度和輕度侵蝕;沒(méi)有劇烈侵蝕,極強(qiáng)度侵蝕也很少;中度和強(qiáng)度侵蝕主要分布在赤城縣和豐寧縣。

2.2 土壤侵蝕變化分析

2000年與2004年土壤侵蝕各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)對(duì)比如表2所示。

2000年土壤侵蝕數(shù)據(jù)是全國(guó)第二次遙感調(diào)查結(jié)果,所利用的方法也是水利部部頒標(biāo)準(zhǔn),與本文所用方法一致,因此研究結(jié)果具有可比性。從表2可知,密云水庫(kù)上游地區(qū)的微度侵蝕面積從7 652.19 km2(占總面積49.72%)增加到7 736.29 km2(占總面積50.27%),微度以上侵蝕面積從7 738.23 km2(占總面積 50.28%)減少到 7 654.13 km2(占總面積49.73%),說(shuō)明從整體上來(lái)看,區(qū)域的侵蝕狀況有所好轉(zhuǎn);但極強(qiáng)度侵蝕面積卻從0增加到6.68 km2,劇烈侵蝕面積從0增加到了0.03 km2。研究區(qū)內(nèi)雖然土壤侵蝕面積減小了84.10 km2,但出現(xiàn)了極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕。說(shuō)明研究區(qū)侵蝕狀況整體趨于好轉(zhuǎn)的同時(shí),部分區(qū)域存在惡化現(xiàn)象,且比較明顯。在以前的治理中,考慮的因素不夠周全,致使出現(xiàn)嚴(yán)重的土壤侵蝕,雖然這些嚴(yán)重惡化的面積占總面積的比例很小。

2.3 土壤侵蝕空間分布

土壤侵蝕是在一定環(huán)境背景下發(fā)生的,對(duì)土壤侵蝕發(fā)生的環(huán)境背景及其空間格局進(jìn)行分析有利于進(jìn)行水土保持,制定土壤侵蝕防治策略,并檢驗(yàn)其實(shí)施的成效[28]。侵蝕面積是檢驗(yàn)一個(gè)地區(qū)侵蝕狀況的重要指標(biāo),根據(jù)水利部部頒標(biāo)準(zhǔn),微度等級(jí)以上的面積之積為侵蝕面積。本文將高程以500,800,1 100,1 400,1 700 m 為界限將高程分為6帶;以5°,8°,15°,25°,35°為界限將坡度分為6帶。通過(guò)分析各帶內(nèi)的侵蝕狀況,了解研究區(qū)內(nèi)的侵蝕風(fēng)險(xiǎn)空間格局,計(jì)算結(jié)果見表3-4。

表2 兩期土壤侵蝕數(shù)據(jù)對(duì)比表

表3 2004年各高程帶內(nèi)侵蝕分布情況

如表3所示,6個(gè)高程帶中大于1 700 m的高程帶侵蝕面積最小,230.54 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的3.01%;其次是1 400～1 700 m高程帶,侵蝕面積860.70 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的11.25%;第三是小于500 m高程帶,侵蝕面積1 004.61 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的13.13%;500～800 m高程帶侵蝕面積最大,1 955.88 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的25.55%。一個(gè)規(guī)律是,從500 m開始向上侵蝕呈遞減趨勢(shì)。

表4 2004年各坡度帶內(nèi)侵蝕分布情況

如表4所示,小于5°高程帶侵蝕面積最小,19.18 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的0.25%;其次為5°～ 8°高程帶侵蝕面積296.15 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的3.87%;第三為大于35°帶,侵蝕面積384.61 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的5.03%;最大侵蝕面積出現(xiàn)在15°～25°坡度帶,面積3 325.56 km2,占研究區(qū)總侵蝕面積的43.45%。

3 結(jié)論

研究表明采用水利部部頒標(biāo)準(zhǔn)可以方便快速地進(jìn)行土壤侵蝕評(píng)價(jià),通過(guò)與GIS的結(jié)合將幾個(gè)土壤侵蝕指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)疊加處理可以減少大量的人力物力。本文基于2004年的SPOT5遙感影像,對(duì)密云水庫(kù)上游地區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕評(píng)價(jià),并利用449個(gè)野外調(diào)查樣點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證,通過(guò)分析樣點(diǎn)位置的侵蝕強(qiáng)度是否被正確評(píng)估,而確定解譯精度(92.38%),最后與全國(guó)第二次遙感調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)侵蝕面積雖然有所減少,但卻出現(xiàn)了極強(qiáng)度和劇烈侵蝕,說(shuō)明很有可能在前期的侵蝕治理中考慮的因素不全面,因此在今后的治理中要更加注重侵蝕變化趨勢(shì)及其空間分布格局。

通過(guò)對(duì)不同高程帶與坡度帶的分析發(fā)現(xiàn):(1)高程帶中,從500 m開始向上,侵蝕情況逐漸遞減。因?yàn)楦叱淘礁?越不易受到人類干擾,自然植被生長(zhǎng)就更旺盛;另外,隨著高程的增加,易侵蝕性土壤也在減少,即使沒(méi)有植被也不會(huì)形成侵蝕。(2)隨著坡度增加,發(fā)生侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加,然而在研究區(qū)侵蝕面積比例最大的坡度帶卻是15°～25°帶,說(shuō)明侵蝕并不總是隨坡度呈正相關(guān),是各種因子綜合影響的結(jié)果。

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