賴家明，周廣華，胡庭興，楊武年

（1.成都理工大學 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都610059；2.四川農(nóng)業(yè)大學 林學院，四川 雅安625014）

土壤侵蝕是土地退化的根本原因，也是導致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素。我國是世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一，土壤侵蝕面積高達4.92×106km2，占國土總面積的51.2%［1］。土壤侵蝕導致土地資源衰減、土壤肥力下降、庫塘湖泊淤積等一系列危害［2－4］。森林具有較強的水土保持效能，森林植被在保護土壤，遏制土壤侵蝕方面起著重要作用。

川西林區(qū)是我國第二大天然林區(qū)——西南林區(qū)的主體部分，是生物多樣性富集區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)［5］，而且是長江、黃河的源頭地區(qū)、也是長江上游地區(qū)極為重要的水土保持區(qū)域，因此成為我國天然林保護工程的核心區(qū)域。區(qū)域地貌以高山、深切峽谷為主，降雨集中，強度大，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的幾率較大［6］。同時，由于長期對天然林的采伐，川西地區(qū)的森林遭到嚴重破壞，加劇了水土流失，山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。有關(guān)研究表明，川西地區(qū)森林覆蓋率從50年代的30%下降到80年代的18.8%［7］；50年代水土流失面積不到20%，到80年代已經(jīng)達到了34%。石培禮等［8］的研究表明，川西地區(qū)天然林的生態(tài)服務(wù)功能總價值達4.69×109USD／a，其中生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益分別占77.51%，17.10%和5.39%。這說明川西林區(qū)在長江上游乃至全國生態(tài)安全建設(shè)中具有重要的地位和作用。

天然林保護工程是我國投資大、涉及面廣、影響程度深的生態(tài)工程。到目前，天然林保護工程已實施10a余，工程建設(shè)成效如何？是否達到預(yù)期的目標？這些是天然林保護工程效益監(jiān)測亟待回答的問題。為了克服常規(guī)監(jiān)測方法的缺點，并進行土壤侵蝕時空變化的大尺度研究，近年來，許多學者運用3S技術(shù)進行了土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測研究［9－11］。但目前大多數(shù)研究主要集中在北方黃土高原和丘陵地區(qū)，對于川西林區(qū)的研究還較少。基于此，本文以川西地區(qū)天然林為研究對象，利用RS和GIS技術(shù)研究了實施天然林保護工程前后土壤侵蝕強度的動態(tài)變化，分析了天然林保護工程的水土保持效果，為天然林保護工程的宏觀管理決策提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以四川省甘孜州道孚縣甲斯孔林場為研究區(qū)，該區(qū)位于川西林區(qū)的核心地帶，也是天然林保護工程的重點區(qū)域，地理位置為東經(jīng)100°38′—101°03′，北緯30°44′—31°06′，地處青藏高原東南緣的鮮水河斷裂帶，是典型的高山峽谷與丘狀高原過渡地帶，海拔分布在2 800～5 100m，面積約67 493hm2。氣候?qū)俦眮啛釒Т箨懶愿咴撅L氣候，年平均降雨量578mm。森林植被較豐富，主要分布樹種有冷杉（Abies fabri）、云杉（Picea asperata）、樺木（Betula）和高山櫟（Quercus semecarpifolia）等。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集 收集了甲斯孔林場1989，1999年的TM影像和2007年SPOT 5遙感影像數(shù)據(jù)以及道孚縣土壤、降水數(shù)據(jù)和研究區(qū)1∶50 000地形圖。

1.2.2 遙感影像的預(yù)處理 基于ENVI 4.7遙感圖像處理軟件平臺，利用地形圖，采用控制點法對2007年的SPOT 5遙感影像進行精確配準，總體誤差控制在1個像元以內(nèi)。以SPOT 5影像作為基準影像，基于像素坐標實現(xiàn)TM影像與SPOT影像的配準處理。利用定標系數(shù)對遙感影像進行輻射定標，利用戴昌達等［12］人提出的直方圖法進行大氣校正，完成各時相遙感影像的預(yù)處理。

1.2.3 土壤侵蝕強度指標及權(quán)重 根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》［13］，并參考《水土保持技術(shù)規(guī)范》［14］和《應(yīng)用遙感技術(shù)編制全國土壤侵蝕圖技術(shù)工作細則》［15］的規(guī)定，采用分組參考指標確定土壤侵蝕強度?？紤]各個因素的不同重要性，選擇對土壤侵蝕影響較大的加權(quán)降雨量、坡度、坡長、溝谷密度、土地利用類型、植被覆蓋度和土壤質(zhì)地7個因子作為土壤侵蝕定量評價的指標（表1）。由于研究區(qū)沒有相關(guān)的土壤侵蝕研究設(shè)施，因此，本研究采用張金英等［16］確定的土壤侵蝕評價因素權(quán)重值（表2）。

表1 因子分級標準

表2 評價因素因子權(quán)重

1.2.4 土壤侵蝕強度的綜合評價及等級 其計算公式［16］為：

式中：Y——土壤侵蝕綜合分值；Yi——某一評價因子土壤侵蝕影響等級相應(yīng)作用分值；Wi——該評價因子權(quán)重。分別計算得1989，1999和2007年研究區(qū)土壤侵蝕強度分級表。土壤侵蝕強度等級劃分如表3所示。

表3 土壤侵蝕強度劃分

1.2.5 評價因素因子的提取

（1）降雨量。根據(jù)道孚縣氣象局的觀測數(shù)據(jù)，繪制研究區(qū)降雨量分布圖，并生成降水量柵格圖。

（2）坡度、坡長和溝谷密度。用由研究區(qū)地形圖直接獲取的等高線和高程數(shù)據(jù)建立DEM模型，利用ArcGIS的3D分析功能從DEM模型中提取研究區(qū)坡度柵格圖；利用ArcGIS的水文分析工具提取負地形河網(wǎng)，并采用把負地形累計流量圖與實際光照暈渲圖疊加比較的方法提取坡長；溝谷密度的提取采用賀奮琴等［17］提出的方法。

（3）土地利用類型。利用監(jiān)督分類法對影像進行分類，確定研究區(qū)土地利用類型，再結(jié)合森林資源分布圖以及現(xiàn)場調(diào)查資料，對分類結(jié)果進行修正，得到1989，1999和2007年研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖。

（4）植被覆蓋度。植被覆蓋度指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比。在ENVI軟件中提取研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)（NDVI），利用常用的歸一化植被指數(shù)與植被覆蓋度的換算關(guān)系式得到植被覆蓋度分布圖，其計算公式［18］為：

式中：fc——植被覆蓋度；NDVI——所求像元的植被指數(shù)；NDVImin，NDVImax——研究區(qū)內(nèi) NDVI的最小值、最大值。

（5）土壤質(zhì)地。根據(jù)道孚縣土地利用圖、地形資料以及實地調(diào)查資料，制作研究區(qū)土壤質(zhì)地分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

由表4可以看出，在3個時期中各地類面積最大的均是灌木林地，面積排序均處于首位，占林場總面積的比例均接近50.00%。面積變化明顯的地類有針葉林地、采伐跡地和幼林地。1989年針葉林面積比例為22.70%，1999年下降到18.51%，到2007年又上升到19.00%，面積比例呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢；1989年采伐跡地面積比例為0.52%，1999年上升為3.26%，到2007年采伐跡地全部恢復(fù)；幼林地的面積比例則一直呈上升勢頭，到2007年達到3.36%?？偟闹脖桓采w度從1989年的71.39%下降到1999年的67.88%，到2007年提高到72.02%，表現(xiàn)為先下降后上升的變化趨勢。出現(xiàn)這些變化的原因是1999年前，研究區(qū)針葉林被采伐，沒能及時更新造林，所以針葉林地和采伐跡地此消彼長，各自面積比例出現(xiàn)波動，而1998年實施天然林保護工程，全面禁伐天然林，針葉林地和采伐跡地此長彼消，面積比例變化與天保工程實施前呈相反趨勢。草地、農(nóng)耕地和裸地等其余地類面積占林場總面積的比例依次變減小，且各自在3個時期中的比例保持相對穩(wěn)定，均無明顯變化。

表4 甲斯孔林場1989，1999和2007年各地類面積統(tǒng)計

2.2 土壤侵蝕強度的時間變化

由土壤侵蝕強度統(tǒng)計表（表5）可以看出，3個時期數(shù)據(jù)中，微度侵蝕區(qū)面積比例依次為9.32%，7.42%和7.35%，呈現(xiàn)漸次減??；輕度侵蝕區(qū)域面積比例為31.67%，33.23%和33.24%，變動不明顯；中度侵蝕區(qū)面積比例由1989年的46.63%下降到1998年的44.62%，然后在2007年達到46.3%，又有所回升；強度侵蝕區(qū)域面積比例先升后降，從12.38%上升到14.73%，又下降到13.11%。總體來看，1989—1998年研究區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)惡化狀態(tài)，輕度侵蝕和強度侵蝕區(qū)域面積都在增大，其根本原因是大面積的采伐天然林導致森林植被破壞，加劇了水土流失。天然林禁伐后，1998—2007強度侵蝕區(qū)域面積擴張趨勢得到有效控制，面積比例從14.73%下降到13.1%，下降了1.63%，降幅不大，其主要原因是天保工程生態(tài)效應(yīng)在時間上存在滯后。另一不能忽視的客觀原因是研究區(qū)特殊的立地條件對植被恢復(fù)十分不利，這也從另一方面說明，生態(tài)恢復(fù)與重建是一個漫長的過程，天然林保護政策還有待于持續(xù)堅持。

表5 土壤侵蝕強度統(tǒng)計

2.3 土壤侵蝕強度的空間變化

從土壤侵蝕強度分布圖（附圖14），可以看出，植被覆蓋率高的區(qū)域，侵蝕強度較低；強度侵蝕區(qū)主要分布于林場邊緣的高海拔巖石裸露地帶，其根本原因是這些區(qū)域自然環(huán)境條件差，特別是植被覆蓋度低，土層瘠薄，存在水土流失易發(fā)的客觀條件。對這些特殊地帶生態(tài)保護措施的制定和實施應(yīng)體現(xiàn)極強的針對性才能達到理想的效果。

3 結(jié)論

本研究以RS和GIS為技術(shù)平臺，研究了川西天保工程區(qū)近20a間土壤侵蝕強度的動態(tài)變化。結(jié)果表明，在天然林保護工程實施前10a（1989—1998年），研究區(qū)微度和中度侵蝕區(qū)面積減小，而輕度和強度侵蝕區(qū)面積都在增加，說明微度和中度侵蝕分別向輕度和強度侵蝕轉(zhuǎn)移，土壤狀況整體上處于惡化趨勢。天然林保護工程實施之后9a（1998—2007年），強度侵蝕區(qū)面積下降，中度侵蝕區(qū)面積上升，表明水土保持狀況趨于好轉(zhuǎn)，土壤狀況惡化趨勢得到反轉(zhuǎn)，但改善幅度不夠明顯。

在研究土壤侵蝕強度變化時，采用影響因子的加權(quán)疊加評價法只能用作宏觀的監(jiān)測分析，而不能精確計算具體的土壤侵蝕量，這是在缺乏完整的影響因子觀測資料的情況下而采用的。因此，在將來的研究中，需要進一步建立一定數(shù)量的定位觀測站，對天然林保護區(qū)的土壤侵蝕變化進行詳細觀測，以獲得長期觀測數(shù)據(jù)，建立各天然林保護區(qū)的土壤侵蝕量的遙感反演模型，提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性和效率。

［1］ 李嘉俊，許有鵬，桑銀江，等.GIS支持下的土壤侵蝕態(tài)變化研究［J］.南京大學學報：自然科學版，2005，41（3）：297-303.

［2］ 王經(jīng)武，王娟.水土保持是生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主體［J］.水土保持研究，2000，7（3）：11-12.

［3］ 王文娟，張樹文，李穎，等.近50年三江平原土地利用／覆被變化及土壤侵蝕分析［J］.中國科學院研究生院學報，2008，25（4）：493-502.

［4］ Wei Wei，Chen Liding，F(xiàn)u Bojie.The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi-arid loess hilly area，China［J］.Journal of Hydrology，2007，335（3）：247-258.

［5］ 劉慶.亞高山針葉林生態(tài)學研究［M］.成都：四川大學出版社，2002：14-15.

［6］ 李承彪.四川森林生態(tài)研究［M］.成都：四川科學技術(shù)出版社，1990：55-67.

［7］ 達鳳全.四川啟動天然林資源保護工程后亟待解決的問題［J］.生態(tài)經(jīng)濟，1999（5）：64-67.

［8］ 石培禮，李文華，何維明，等.川西天然林生態(tài)服務(wù)功能的經(jīng)濟價值［J］.山地學報，2002，20（1）：75-79.

［9］ 徐雅莉，武紅敢，馬曉明，等.基于遙感和GIS技術(shù)的土壤侵蝕量估算研究：以澄江太陽山地區(qū)為例［J］.遙感信息，2010（3）：65-69.

［10］ 賈俊姝，陳金蓮，高欣，等.基于RUSLE的大通縣土壤侵蝕量估算［J］.西北林學院學報，2012，27（2）：56-51.

［11］ 吳楠，何方，姚孝友，等.基于RS和GIS的淮河上游山丘區(qū)土地利用方式與土壤侵蝕強度的研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)大學學報，2007，34（4）：589-595.

［12］ 戴昌達，胡德永.TM影像用于1∶5萬專題調(diào)查制圖可行性及關(guān)鍵技術(shù)［J］.遙遙感技術(shù)與應(yīng)用，1991，6（2）：13-20.

［13］ 中華人民共和國水利部.土壤侵蝕分類分級標準［S］.SL190-2007，2008.

［14］ 中華人民共和國建設(shè)部.水土保持技術(shù)規(guī)范［S］.GB50433-2008，2008.

［15］ 中華人民共和國水利部.應(yīng)用遙感技術(shù)編制全國土壤侵蝕圖技術(shù)工作細則［S］.1984.

［16］ 張金英，葛京鳳，于江海.基于RS和GIS的河北太行山區(qū)土壤侵蝕強度研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2006（6）：6391-6395.

［17］ 賀奮琴，何政偉，尹建忠，等.RS和GIS在攀枝花山區(qū)土壤侵蝕研究中的應(yīng)用［J］.中國水土保持，2006（7）：46-47.

［18］ 韓月嬌，劉航.基于ENVI的阜新山區(qū)植被覆蓋度的提取研究［J］.雞西大學學報，2012，12（5）：39-40.