基于rs和gis的鄱陽湖流域土壤侵蝕空間分布研究

基于rs和gis的鄱陽湖流域土壤侵蝕空間分布研究

0研究區(qū)地貌背景及土地流失方程流域是自然洪水線周圍的區(qū)域。同時，由于自然和人為過程，不同地理因素的空間分布存在復雜的空間分布，這對研究自然地理因素和過程之間的相互作用具有重要意義。由于被侵蝕的土壤是各種營養(yǎng)物質(zhì)的載體,隨雨水沖刷進入水中,所以估算土壤侵蝕是流域非點源污染模擬的基礎(chǔ)和重要組成部分。準確估算土壤侵蝕可以有效地指導水土保持規(guī)劃和優(yōu)化水土資源利用。鄱陽湖位于江西省北部,長江中下游交接處南岸,是中國最大的淡水湖泊,承接贛江、撫河、信江、饒河及修水五大河之水,是一個天然吞吐型、季節(jié)性湖泊。鄱陽湖以其巨大的容積,成為江西省的集水盆,是連接江西省內(nèi)外的重要航運樞紐,也是長江水量的巨大調(diào)節(jié)器,被譽為中國的最后一盆“清水”。通過對2000年鄱陽湖流域ETM+影像土地利用/覆蓋類型數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,鄱陽湖流域土地利用類型以林地(54.1%)為主,其次為農(nóng)用地(27.2%)、草地(10.3%)、水體(3.9%)、建筑用地和未用地(5.4%)。鄱陽湖流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L氣候,降水豐富,流域內(nèi)降雨徑流時空分布不均,變化明顯具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性。由于水土流失,近年來湖內(nèi)年平均淤積量達1200多萬t,湖底淤積高達3mm,調(diào)蓄功能逐步變小。鄱陽湖流域三面環(huán)山,且由5個子流域與環(huán)鄱陽湖區(qū)圍成的面積16萬km2。本研究區(qū)域未包括鄱陽湖流域北部江西省外的饒河子流域上游和鄱陽湖區(qū)部分區(qū)域,研究區(qū)域面積約為15.6萬km2。USLE(universalsoillossequation)是美國自20世紀50年代起在洛基山以東地區(qū)收集到的10000多個天然徑流小區(qū)試驗資料為基礎(chǔ)建立的,用于定量農(nóng)地或草地坡面年平均土壤流失量的一個經(jīng)驗性土壤侵蝕預報模型。美國農(nóng)業(yè)部282號和537號農(nóng)業(yè)手冊于1965年和1978年先后刊出由Wischmeier和Smith提出并改進的的通用土壤流失方程(USLE),經(jīng)后人不斷的改進,豐富了各因子的實際意義,形成了RUSLE版本。隨后,許多研究分別針對土壤流失方程的降雨侵蝕力因子、地形因子、土壤可蝕性因子和植被與作物管理因子等進行改進和快速計算。通用土壤流失方程也在許多區(qū)域已經(jīng)廣泛應用,并得到不斷的改進。目前,許多國家都相繼以通用土壤流失方程為基本形式,根據(jù)氣候、土壤及經(jīng)營管理等具體情況進行相應的修正,建立適合于各自國家或地區(qū)的土壤流失方程,如劉寶元參照美國通用土壤流失方程形式建立了中國土壤流失方程(chinesesoillossequation,CSLE)。而將通用土壤流失方程應用在鄱陽湖這樣的大型流域的研究尚為少見。鄱陽湖流域土地利用類型和土壤類型分布空間差異性大,流域受人類活動影響劇烈,這些因素對流域土壤侵蝕產(chǎn)生了很大的影響。隨著環(huán)鄱陽湖區(qū)生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略,流域內(nèi)經(jīng)濟活動日益加劇,隨著城市化進程發(fā)展,產(chǎn)業(yè)布局和用地結(jié)構(gòu)的調(diào)整,對流域內(nèi)水土保持面臨重大挑戰(zhàn)。鄱陽湖流域作為長江流域防洪減災、生態(tài)環(huán)境改善的重要組成部分,其水土保持和生態(tài)環(huán)境建設(shè)問題更加重要。盡管師哲等通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析了鄱陽湖土壤流失現(xiàn)狀和保護措施,樊哲文等通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感解譯的土壤侵蝕圖研究土壤侵蝕對土地利用變化的效應,還未見將土壤流失方程(USLE)應用于鄱陽湖這種大型流域,對土壤侵蝕影響各因子進行定量估算。本研究擬在空間信息技術(shù)(RS和GIS)的輔助下,將USLE應用于鄱陽湖流域?qū)ν寥狼治g各因子的計算,定量研究1990和2000年土地利用/覆蓋和氣象要素的變化對鄱陽湖流域土壤流失方程各因子取值和土壤侵蝕變化的影響。通過研究鄱陽湖流域土壤侵蝕變化趨勢,分析土壤流失的特點和影響因素,針對鄱陽湖地區(qū)水土流失的危害和存在的問題,提出水土保持措施與對策,為流域生態(tài)環(huán)境保護提供參考。1usle模型與土壤侵蝕的估計1.1土地利用/覆蓋類型本研究收集了覆蓋鄱陽湖流域的1990年和2000年前后的LandsatTM和ETM+影像,首先利用江西省1∶25萬基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)字線劃圖(DLG)對遙感影像進行校正,并進行影像配準與鑲嵌,通過對遙感數(shù)字影像解譯,獲得鄱陽湖流域1990年和2000年的土地利用/覆蓋圖,分類精度為79.29%,詳細數(shù)據(jù)處理過程與質(zhì)量控制見本課題組研究成果,根據(jù)土壤流失量計算的需要,將其進行適當?shù)姆诸愓{(diào)整,并采樣到90m分辨率,于是將鄱陽湖土地利用/覆蓋類型分為水體、林地、居民地、水田、草地、旱地、裸地和未利用地8種類型。降雨數(shù)據(jù)采用覆蓋鄱陽湖流域的17個氣象站的雨量數(shù)據(jù),均勻分布在江西省各市區(qū),用來計算土壤流式方程中的降雨侵蝕力因子。鄱陽湖流域土壤類型圖采用全國第二次土壤調(diào)查的1∶400萬土壤類型圖通過流域邊界裁剪得到,鄱陽湖流域主要土壤類型包括有紅壤、黃棕壤、紅壤性土、紫色土、棕壤、黃壤、潮泥田和黃泥土8種類型。地形數(shù)據(jù)采用美國宇航局NASA提供的SRTM數(shù)據(jù),空間分辨率為90m,通過ESRI公司的ArcHydro工具進行流域提取,然后利用獲取的鄱陽湖流域地形計算土壤流失方程中的地形因子,即坡度的百分率(坡度的正切值)和坡長。1.2主要一般因子通用土壤流失方程(USLE)全面地考慮了自然要素對土壤侵蝕的影響,并綜合體現(xiàn)在降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子、植被與作物管理因子和土壤保持措施因子。USLE具有較強的實用性,它的一般表達式為式中,A為年土壤侵蝕量,表示單位面積坡地片蝕和細溝侵蝕的年平均侵蝕量,t/hm2;R為降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h);K為土壤可蝕性因子,表示為標準小區(qū)下單位降雨侵蝕力形成單位面積的土壤流失量,t·h/(MJ·mm);L為坡長因子;S為坡度因子,通常將坡長因子L和坡度因子S合并為LS來考慮;C為植被與作物管理因子;P為土壤保持措施因子。1.2.1改進的fog指數(shù)法降雨侵蝕力因子R值與降雨量、降雨強度、降雨歷時、雨滴大小及雨滴下降速度有關(guān),它反映了降雨對土壤的潛在侵蝕能力。降雨侵蝕力難以直接測定,在此借鑒Fournie在1960年提出的流域降雨侵蝕力指數(shù),后來被美國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)加以改進為如下方程式中,Fmod為改進后的傅里葉指數(shù),ri為第i月降雨量;P為年降雨量。把改進后的Fournier指數(shù)相加發(fā)現(xiàn)與降雨侵蝕力因子R成正比線性相關(guān)關(guān)系式中,R為降雨侵蝕力因子;a和b為氣候帶決定的常數(shù),參考文獻[16-17]分別研究了江西泰和縣與三江平原的a和b取值,本研究中,鄱陽湖流域計算降雨侵蝕力因子R時a和b分別取4.17和-152,選取鄱陽湖流域17個氣象站的降雨數(shù)據(jù)計算得到每個站點的R值,并對其進行克里金插值,得到1990年和2000年降雨侵蝕力因子R值的分布(見圖1)。1.2.2侵蝕力因子k的測定土壤可蝕性是指土壤對侵蝕應力分離和搬運作用的敏感程度。通用土壤流失方程中的土壤侵蝕性因子K是指標準小區(qū)單位降雨侵蝕力因子的土壤流失量。土壤可蝕性因子K的大小與土壤質(zhì)地、土壤有機質(zhì)含量有較高的相關(guān)性。本文結(jié)合全國第二次土壤調(diào)查的1∶400萬的鄱陽湖流域土壤類型數(shù)據(jù),根據(jù)文獻對土壤可蝕性的研究結(jié)果,并計算了不同土壤類型的可蝕性因子K值,經(jīng)過單位換算,鄱陽湖流域8種土壤可蝕性因子K取值見表1。1.2.3相同的坡長單位面積土壤流失量的比較坡度因子S是指在其他條件相同的情況下,任意坡度下的單位面積土壤流失量與標準小區(qū)坡度下單位面積土壤流失量之比。坡長因子L是指在其他條件相同的情況下,任意坡長的單位面積土壤流失量與標準坡長單位面積土壤流失量之比。DunnandHickey在1998年綜述了利用DEM計算LS因子的方法,本文采用VanRemortel在2004年改進了的Hickey于2000年提出的基于DEM的方法,該方法充分利用計算資源而不犧牲精度,因此針對大區(qū)域的研究,提高了計算速度。鄱陽湖流域坡度坡長因子LS取值范圍為0~121。1.2.4地面保護時c值植被與作物管理因子C是在相同的土壤、地形和降雨條件下,某一特定作物或植被情況下土壤流失量與連續(xù)休閑的土地土壤流失量的比值,反映了植被對地表的保護作用,完全沒有植被保護的裸露地面C值取最大值1.0,地面得到良好保護時,C值取0.001,C值介于[0.001,1]之間。研究表明,C因子要受到諸如植被、作物種植順序、生產(chǎn)力水平、生長季長短、栽培措施、作物殘余管理、降雨時間分布等眾多因素控制,這使得對C因子直接計算往往難以進行。C因子主要體現(xiàn)了植被與作物管理因子對土壤侵蝕的綜合作用,其值大小最主要還是取決于具體的植被覆蓋、耕作管理措施,因此C因子取值主要與土地利用類型有關(guān)。本文在對流域耕作管理制度的調(diào)查基礎(chǔ)上,結(jié)合有關(guān)C因子的研究報道,根據(jù)江西省土地利用現(xiàn)狀,確定各種土地利用類型的平均C因子值(見表2)。1.2.5表土保持措施因子p值土壤保持措施因子P是表示采用專門措施后的土壤流失量與順坡種植時的土壤流失量的比值,一般無任何水土保持措施的土地類型P值為1。國內(nèi)確定P值的頂用方法少有報道,實際計算中一般通過對比的方法求出某些水土保持措施下的P值,但不同地區(qū)的誤差較大。土壤保持措施因子P被認為是USLE方程中最難確定的因子,因此,只能粗略估算P值。本文在對水土保持現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用ESRI公司的ArcGIS從流域DEM計算出百分比坡度,再將土地利用類型和坡度進行疊置分析,確定鄱陽湖流域土壤保持措施因子P值。P值與坡度和土地利用類型之間的關(guān)系見表3。通過對鄱陽湖流域土地利用圖和坡度圖進行疊置,并將不同的類型的圖斑設(shè)置為相應的P值,鄱陽湖流域土壤保持措施因子P值范圍在0.11~1.0之間,平均值為0.35。2土壤侵蝕模數(shù)分析為研究鄱陽湖流域土壤侵蝕變化趨勢,并對未來土壤侵蝕量進行預測,本文分別利用上述方法估算了1990年和2000年的鄱陽湖流域土壤侵蝕量,并計算單位面積內(nèi)的土壤在單位時間內(nèi)的侵蝕量,即土壤侵蝕模數(shù),分析10年來鄱陽湖流域土壤侵蝕變化情況。本研究在計算過程中,參考文獻,綜合考慮研究區(qū)域的各種自然氣象條件,假設(shè)從1990年到2000年之間土壤可蝕性因子K與坡度坡長因子LS保持不變,即考慮研究區(qū)域內(nèi)土壤類型和地形在該時段內(nèi)保持不變。2.1土壤侵蝕分別考慮1990和2000年土地利用和降雨氣象資料,計算植被與作物管理因子C、土壤保持措施因子P和降雨侵蝕力因子R值,利用USLE模型,分別估算了1990和2000年鄱陽湖流域土壤侵蝕分布(見圖2)。通過對鄱陽湖流域1990和2000年土壤侵蝕量估算發(fā)現(xiàn),環(huán)鄱陽湖區(qū)土壤侵蝕較弱,侵蝕較嚴重的區(qū)域主要分布在贛江上游,信江上游,撫河上中游和修水上游;大部分侵蝕區(qū)域的土壤侵蝕模數(shù)集中在0~200t/(km2·a)之間,和200~2500t/(km2·a)之間。參考水利部頒發(fā)的土壤侵蝕強度分類分級標準,并結(jié)合鄱陽湖流域的實際情況,按以下規(guī)則進行土壤侵蝕強度等級劃分:Ⅰ級微度侵蝕平均侵蝕模數(shù)小于200t/(km2·a);Ⅱ級輕度侵蝕平均侵蝕模數(shù)200~2500t/(km2·a);Ⅲ級中度侵蝕平均侵蝕模數(shù)2500~5000t/(km2·a);Ⅳ級強度侵蝕平均侵蝕模數(shù)5000~8000t/(km2·a);Ⅴ級極強度侵蝕平均侵蝕模數(shù)8000~15000t/(km2·a);Ⅵ級劇烈侵蝕平均侵蝕模數(shù)大于15000t/(km2·a)。根據(jù)這種分級規(guī)則,將鄱陽湖流域1990和2000年土壤侵蝕進行等級劃分,并統(tǒng)計各等級侵蝕面積與侵蝕量(見表4)。從土壤侵蝕面積來看,鄱陽湖流域從1990年到2000年微度侵蝕所占面積比例在增加,面積分別占總侵蝕面積的84.75%和85.79%,所占比例增加了1.04%,且2000年比1990年增加了1614.25km2,增幅為1.22%。而輕度侵蝕面積所占比例減少了1.12%,減少了1736.50km2,減幅達8.83%。中度侵蝕面積在減少,而中度侵蝕以上侵蝕強度的侵蝕面積都是在減少?？梢娵蛾柡饔驈那治g范圍上呈現(xiàn)中度侵蝕向強度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕轉(zhuǎn)移的跡象。從土壤侵蝕量來看,鄱陽湖流域從1990年到2000年,微度侵蝕、極強度侵蝕和劇烈侵蝕量在增加,而輕度侵蝕和中度侵蝕在減少,可見鄱陽湖流域2000年土壤侵蝕在由中強度等級向低等級或高等級侵蝕等級轉(zhuǎn)化,土壤侵蝕量向兩極方向移動,鄱陽湖流域水土保持措施需在大范圍內(nèi)實施。鄱陽湖流域土壤侵蝕量主要貢獻是輕度侵蝕和中度侵蝕,其侵蝕量之和從1990年到2000年所占侵蝕量比例都從58.16%減少到51.20%,輕度侵蝕和中度侵蝕面積之和所占的比例從14.31%降到13.12%,可以看出在這10a間,該區(qū)域產(chǎn)沙量貢獻較大的侵蝕在減少,對水土保持起到了積極的作用。而在鄱陽湖流域極強度侵蝕和劇烈侵蝕在加劇,土壤侵蝕量增長較快,因此在鄱陽湖流域保持中強度侵蝕不增加的前提下,極強度侵蝕區(qū)與劇烈侵蝕區(qū)是預防和加強侵蝕整治、水土保持規(guī)劃的重點區(qū)域。因此整個鄱陽湖流域在1990和2000年大范圍的土地經(jīng)受了微度侵蝕和輕度侵蝕,其侵蝕范圍之和都在90%以上,相應的土壤侵蝕量僅占侵蝕總量的43.97%和39.46%。而鄱陽湖流域產(chǎn)沙量的貢獻主要集中于輕度侵蝕和中度侵蝕,1990年和2000年其土壤侵蝕量之和所占比例減少了7.04%,然而極強度侵蝕和劇烈侵蝕對土壤侵蝕量的貢獻是不可忽視的。鄱陽湖流域土壤侵蝕總量從1990年的1.74億t增加到2000年的1.85億t,增長幅度達6.3%。2.2不同流域土壤侵蝕量年際變化將估算的鄱陽湖流域土壤侵蝕量分布按照五大子流域進行空間統(tǒng)計,結(jié)合流域面積,計算鄱陽湖流域五大子流域:撫河流域、贛江流域、饒河流域、信江流域和修水流域1990和2000年的土壤侵蝕總量和土壤侵蝕模數(shù),參照中國行業(yè)標準給出的參考土壤體積質(zhì)量,將土壤侵蝕模數(shù)折算成土壤平均流失厚度(見表5)。對照表5,從鄱陽湖流域的五大流域土壤侵蝕量的年際變化來看,從1990年到2000年撫河流域、贛江流域、饒河流域和信江流域土壤侵蝕量都在增加,其中以信江流域侵蝕量增幅最大,達到25.43%,從各子流域土壤侵蝕量的增幅看,撫河流域、贛江流域和信江流域都增加了20%,可見土壤侵蝕量比較嚴重。而修水流域土壤侵蝕量減少了631.90萬t,減幅達29.01%,相對于其他流域,修水流域土壤保持較好。按照土壤侵蝕模數(shù),1990年和2000年鄱陽湖流域五大子流域土壤侵蝕等級都屬于Ⅱ級輕度侵蝕。根據(jù)土壤體積密度,計算了不同土壤侵蝕模數(shù)對應的土壤平均流失厚度。其中,1990年信江流域土壤平均流失厚度高達1.22mm,而到2000年,平均流失厚度增加到1.53mm,增幅達25.4%。若信江流域按照這個速度繼續(xù)侵蝕,經(jīng)過80多年后,整個信江流域?qū)⒈磺治g掉10mm厚的土壤。除信江流域外,其他流域2000年平均土壤流失厚度雖小于1mm,其侵蝕強度不容忽視。2.2土壤侵蝕因子c、p因子的影響為研究鄱陽湖流域土壤侵蝕變化影響,分別統(tǒng)計了1990年和2000年通過遙感影像分類后的各種土地利用類型變化情況(見表6)。從表6中可以看出,草地、水田和濕地在減少,尤其是濕地從1990年的2466.02km2減少到2000年的1391.66km2,減少了43.57%,而建筑用地在大面積的增加,由1990年的2970.85km2增加到2000年的4403.68km2,增幅達48.23%。同時林地覆蓋面積也增加了3.25%。在通用土壤流失方程中,土地利用類型的轉(zhuǎn)變直接影響著植被與作物管理因子C和土壤保持措施因子P的取值,因此土地利用/覆蓋變化直接影響著土壤侵蝕強度。由于USLE模型的參數(shù)因子中,如坡度坡長因子LS、土壤可蝕性因子K、降雨侵蝕因子R由于地形、土壤和氣象因素屬于自然因素,在短期內(nèi)不會發(fā)生太大變化,無需變動。植被與作物管理因子C和土壤保持措施因子P通常決定著土壤侵蝕模數(shù)的高低,而且也是認為活動可以控制的因素,因此,C和P因子也成為衡量水土保持方案好壞,進行水土保持規(guī)劃的依據(jù)。常用減少土壤侵蝕的方法有2種:坡改梯田或退耕還林,坡改梯田至少可以減少土壤侵蝕量的67%,退耕可將C因子從0.63降至0.014或0.003,盡管P因子可能從0.33升至0.80,其增幅相對于C因子的降幅可忽略,因此退耕還林可以減少土壤侵蝕量的90%以上。顯然采用坡改梯田的措施效果有限,且大部分現(xiàn)有的陡坡耕作都采用等高耕作,因此退耕還林是較為可取的。在鄱陽湖流域,對于旱地,在條件適宜區(qū)域,最好改種經(jīng)濟效益高水土保持功能強的水田,對于坡耕地最好坡改梯或等高耕種,當坡度大于25°時堅決退耕還林。同時,要保護有林地和高密度草地,防止退化為疏林地和較低覆蓋度的草地,甚至轉(zhuǎn)化為裸地、裸巖,反之,最好對裸地、裸巖、草地,疏林地等侵蝕能力高的地類進行生態(tài)恢復,使其恢復成水土保持功能強的土地利用/覆蓋類型。為了研究2個年份土壤侵蝕空間分布變化,將1990和2000年土壤侵蝕分布圖進行疊置分析,計算了鄱陽湖流域2000年相對于1990年土壤侵蝕增幅,圖3即為土壤侵蝕量增幅空間分布圖。從圖3可以看出,鄱陽湖流域2000年相對于1990年土壤侵蝕量呈現(xiàn)負增長的區(qū)域主要集中在鄱陽湖流域的北部和東南地區(qū),而其他區(qū)域只有零星的點綴著負增長區(qū)。增幅最大的區(qū)域主要集中在鄱陽湖流域南部贛江上游和流域東部地區(qū)。將土壤侵蝕量增加幅度分布與1990年和2000年通用土壤流失