宮奎方,范建容,張定容,尼瑪占堆,格桑卓瑪

(1.西藏自治區(qū)水土保持局,西藏拉薩 850000;2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都 610041)

RS和 GIS技術(shù)支持下的昌都縣土壤侵蝕評(píng)估

宮奎方1,范建容2,張定容1,尼瑪占堆1,格桑卓瑪1

(1.西藏自治區(qū)水土保持局,西藏拉薩 850000;
2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都 610041)

RS;GIS;土壤侵蝕;侵蝕模數(shù);昌都縣

運(yùn)用RS和GIS技術(shù)對(duì)昌都縣境內(nèi)的降水、土壤、地形地貌、植被覆蓋以及水土保持措施等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,選用修正的通用土壤流失方程定量計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)并對(duì)其空間分布規(guī)律進(jìn)行分析,得出結(jié)論:昌都縣年土壤流失量850.81萬 t,平均土壤侵蝕模數(shù) 789 t/(km2?a),分布規(guī)律是以扎曲為界西部地區(qū)的侵蝕強(qiáng)度大于東部,河流沿岸以及東北和西南部的部分區(qū)域侵蝕較嚴(yán)重。

土壤侵蝕現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢直接或間接地影響著糧食生產(chǎn)安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和群眾生活水平的提高,已成為全世界普遍關(guān)注的重要環(huán)境問題之一。掌握各地的土壤侵蝕現(xiàn)狀是制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃和設(shè)計(jì)水保措施的前提,為此近年來我國相關(guān)部門在各地開展了大量的土壤侵蝕調(diào)查工作。水力侵蝕作為土壤侵蝕的重要形式,其侵蝕量和分布面積占土壤侵蝕的比重均較大[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)據(jù)源的多樣化和完整化,RS和 GIS技術(shù)在宏觀把握水力侵蝕現(xiàn)狀[2]和預(yù)測其發(fā)展趨勢方面得到了廣泛應(yīng)用。本文選用修正的通用土壤流失方程,采用 RS和GIS技術(shù)計(jì)算西藏自治區(qū)昌都縣在水力作用下的土壤侵蝕模數(shù)并研究其分布規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

昌都縣位于西藏自治區(qū)東部,介于東經(jīng) 96°07′— 97°09′、北緯 30°06′— 32°30′之間,總面積 10 652 km2,東與江達(dá)縣、貢覺縣為鄰,南與察雅縣、八宿縣毗連,西與類烏齊縣交界,北與青海省玉樹縣和囊謙縣接壤;地處橫斷山脈西北部、青藏高原東南部的邊緣地帶,地勢北高南低,東西呈W形,最高海拔5 460 m,最低海拔 3 125m,平均海拔 4 300m;因處在三河一江(昂曲、扎曲、色曲、瀾滄江)地區(qū),地形復(fù)雜多樣、切割明顯、險(xiǎn)峰峻嶺、溝壑縱橫;屬中緯度地區(qū),受地形影響高原寒溫帶季風(fēng)性氣候混雜。昌都縣是川、滇入藏之門戶,境內(nèi)水資源、動(dòng)植物資源豐富,迫切需要開展土壤侵蝕監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

西藏地域遼闊,研究區(qū)內(nèi)氣象站和水文站數(shù)量較少,利用傳統(tǒng)的插值方法計(jì)算得到的降水量數(shù)據(jù)與實(shí)際情況偏差較大。為了提高計(jì)算精度,選用美國NASA網(wǎng)站免費(fèi)提供的 2008年空間分辨率 0.25°×0.25°、時(shí)間分辨率 3 h的 TRMM 3B42降水量數(shù)據(jù),用 IDL程序讀出后再用 GIS軟件轉(zhuǎn)化為 grid格式;利用昌都縣土壤類型圖、土壤成分分布圖等獲取土壤信息;采用國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)分辨率 30m的 DEM數(shù)據(jù),運(yùn)用 GIS軟件從中提取地形因子;選用 2009年 1月 2日成像的分辨率 30m的TM遙感影像分析土壤侵蝕現(xiàn)狀,并從中提取NDVI數(shù)據(jù)計(jì)算植被覆蓋度。

2.2 土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算

選用修正的通用土壤流失方程計(jì)算研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù),計(jì)算公式為

式中:M為土壤侵蝕模數(shù),t/(km2?a);R為降雨侵蝕力因子,MJ?mm/(km2? h?a);K為土壤可蝕性因子,t? km2? h/(km2?MJ?mm);LS為坡長坡度因子;B為生物措施因子;E為工程措施因子;T為耕作措施因子。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查和長期驗(yàn)證,采用該模型的計(jì)算結(jié)果可以較好地反映研究區(qū)的土壤流失狀況。

2.3 模型因子的確定

2.3.1 降雨侵蝕力因子(R)

采用 2008年空間分辨率 0.25°×0.25°、時(shí)間分辨率 3 h的TRMM 3B42降水量數(shù)據(jù)作為降雨侵蝕力因子計(jì)算的數(shù)據(jù)源[3]。章文波等人[4]的研究成果表明采用日雨量計(jì)算降雨侵蝕力的精度最高。降雨侵蝕力因子是以次降雨總動(dòng)能(E)與最大 30min雨強(qiáng)(I30)的乘積 EI30為基礎(chǔ)計(jì)算的[5]。由于次降雨過程觀測資料獲取困難,在利用日雨量資料估算降雨侵蝕力時(shí)采用半月時(shí)段為步長,在合并日雨量后給出了降雨侵蝕力的簡易算法模型[6],對(duì) 1年內(nèi) 24個(gè)半月時(shí)段降雨侵蝕力求和得到年降雨侵蝕力

式中:Mi為第 i個(gè)半月時(shí)段的降雨侵蝕力值,MJ?mm/(hm2?h);k為該半月時(shí)段內(nèi)的天數(shù),d;Dj為該半月時(shí)段內(nèi)第 j天的侵蝕性日降水量,mm,根據(jù)昌都縣的降水特征,要求日降水量≥10 mm否則以 0計(jì);α和 β為待定參數(shù),采用日降水量估算;Pd10為日降水量≥10mm的日平均降水量,mm;Py10為日降水量≥10 mm的年平均降水量,mm。

2.3.2 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性因子的計(jì)算采用 1990年 Williams等人[7]在侵蝕—生產(chǎn)力影響評(píng)價(jià)模型(EPIC)中給出的土壤可蝕性因子計(jì)算方法,計(jì)算公式為

式中:SAN、SIL、CLA、C為土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有機(jī)碳含量所占百分比;SN1=1-SAN/100。

公式中各參數(shù)可從研究區(qū)土壤普查資料及補(bǔ)充采樣分析資料中的土壤類型、成土母質(zhì)、土層位置等相關(guān)信息中獲取。值得注意的是,公式(3)要求的土壤顆粒分析標(biāo)準(zhǔn)為美國制,而本研究采用的土壤普查數(shù)據(jù)中土壤顆粒分析采用的是國際制,因此必須先把國際制轉(zhuǎn)換為美國制,再進(jìn)行土壤可蝕性(K)計(jì)算。

2.3.3 坡度坡長因子(LS)

坡度坡長因子要分坡度因子和坡長因子兩步計(jì)算,其中坡長因子的計(jì)算公式為

結(jié)合研究區(qū)分辨率30m的 DEM數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcGIS軟件的空間運(yùn)算功能計(jì)算坡度因子,水文分析模塊計(jì)算坡長因子,坡長因子(L)和坡度因子(S)相乘可得到坡度坡長因子(LS)的數(shù)值。

2.3.4 生物措施因子(B)、工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)

生物措施因子(B)是在相同的土壤、坡度和降雨條件下,地表覆蓋物為某一特定作物或植被時(shí)的土壤流失量與耕種過后連續(xù)休閑土地的土壤流失量的比值[8]。生物措施因子的取值介于 0～1之間,取值原則是將基本沒有土壤侵蝕危險(xiǎn)的地區(qū)賦值為 0,最容易受到侵蝕的地區(qū)(裸地等)賦值為 1,其余按照侵蝕程度進(jìn)行 0～1之間的線性插值。參考其他專家研究成果[9],研究區(qū)旱坡地的生物措施因子值為 0.31,水域、居民地、裸巖為 0。分析研究區(qū)植被覆蓋度圖,得到林地的生物措施因子值為 0.005～0.050、灌木林地 0.020～0.070、草地 0.010～0.050。研究區(qū)群眾通常采取順坡耕作,工程措施主要為坡改梯,參考《全國土壤侵蝕普查技術(shù)細(xì)則》水平梯地的工程措施因子值為 0.25,順坡耕作值為 1。把生物、工程和耕作措施因子相乘可得到措施因子的綜合數(shù)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型各因子的分布特征

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)資料和上述計(jì)算方法,獲得了修正的通用土壤流失方程中各因子的數(shù)值。各因子在研究區(qū)的空間分布特點(diǎn):降雨侵蝕力因子的空間分布規(guī)律與降雨規(guī)律基本一致,其最大值、最小值、平均值分別為 916、273、500MJ? mm/(km2? h?a);西北部地區(qū)的降雨侵蝕力數(shù)值較大,尤其是北部的嘎瑪鄉(xiāng)和約巴鄉(xiāng)的降雨侵蝕力數(shù)值均大于 750MJ?mm/(km2?h?a);降雨侵蝕力較小的區(qū)域主要集中在縣域中部的妥壩鄉(xiāng)和南部的若巴鄉(xiāng)、卡若鎮(zhèn)。土壤可蝕性因子最小值、最大值、平均值分別為 1、326、267 t? km2? h/(km2? MJ? mm);其空間分布規(guī)律表現(xiàn)為以扎曲為界西部大于東部,尤其是扎曲、色曲河谷兩岸以及昂曲和瀾滄江附近區(qū)域的土壤可蝕性因子數(shù)值較大。坡度坡長因子最小值為 0,最大值為 1 581,平均值為 16;以平均值分布面積較大,最大值和最小值分布面積較小,其中河谷附近區(qū)域數(shù)值較高,東部靠近縣界部分區(qū)域數(shù)值較低。生物、工程、耕作措施因子的綜合數(shù)值主要取決于生物措施因子,其數(shù)值介于 0～0.25之間,平均值為 0.03;其空間分布規(guī)律與土地利用、植被覆蓋度分布規(guī)律相似,其中林地和高覆蓋度草地的數(shù)值較小,耕地及低覆蓋度草地、灌木林地的數(shù)值較大,尤其是縣境東北部的面達(dá)鄉(xiāng)和西南部的若巴鄉(xiāng)數(shù)值較大。

3.2 土壤侵蝕模數(shù)分布規(guī)律

將各因子的值帶入修正的通用土壤流失方程(式 1),分析研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)分布規(guī)律。經(jīng)計(jì)算,研究區(qū)土壤侵蝕模數(shù)最大值為 1 177 t/(km2?a),在地形平坦的區(qū)域和河流湖泊、裸巖、沼澤等地類范圍內(nèi)基本不會(huì)發(fā)生侵蝕,在植被覆蓋較好的林區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算結(jié)果也接近 0。昌都縣平均土壤侵蝕模數(shù)為 789 t/(km2?a),年土壤流失量為 850.81萬 t。從整體情況看,在研究區(qū)以扎曲為界,西部地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度大于東部(面達(dá)鄉(xiāng)除外),這與 R、K、LS因子的分布特征基本一致;東北部的面達(dá)鄉(xiāng)和拉多鄉(xiāng)北部以及西南部的若巴鄉(xiāng)西北部土壤侵蝕強(qiáng)度較大,這與措施因子的分布特征基本一致。同時(shí),河流沿岸地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)也相對(duì)較大。

針對(duì)研究區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)分布規(guī)律,對(duì)于西部河流密集、小流域數(shù)量較多的區(qū)域建議加強(qiáng)土壤侵蝕監(jiān)測,結(jié)合地形地貌特征修建水土保持工程,預(yù)防土壤侵蝕的發(fā)生和加劇;對(duì)于東南部和西北部植被稀疏的區(qū)域應(yīng)結(jié)合實(shí)地情況,采取生物措施,選育鄉(xiāng)土樹、草種,加快生態(tài)恢復(fù),減少土壤侵蝕;針對(duì)耕地面積有限和土壤侵蝕嚴(yán)重的狀況,建議加強(qiáng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)知識(shí)普及和推廣,鼓勵(lì)農(nóng)民采取科學(xué)的耕作措施,減少土壤肥力流失,在保障作物產(chǎn)量的同時(shí)保護(hù)耕地資源。

[1]王思遠(yuǎn),劉紀(jì)遠(yuǎn),張?jiān)鱿?等.不同土地利用背景下土壤侵蝕空間分布規(guī)律研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(3):48-51.

[2]范建容,柴宗新,劉淑珍,等.基于 RS和 GIS的四川省李子溪流域土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(4):26-28.

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S157.1

A

1000-0941(2011)05-0051-03

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAC06B06—01)資助項(xiàng)目

宮奎方(1978—),男,貴州威寧縣人,工程師,學(xué)士,主要從事水土保持監(jiān)測及管理工作。

2011-01-15

(責(zé)任編輯 李楊楊)