内蒙古科尔沁右翼中旗土壤侵蚀特征研究

1、内蒙古科尔沁右翼中旗土壤侵蚀特征研究 分类号 S157.1 学校代码 10129 U D C631.4学 号 20092040095 内蒙 古科 尔沁 右翼 中旗 土壤 侵蚀 特征 研究 Study on Characteristics of Soil Erosion in the Right-Wing Central Banner of Kerqin Region申 请 人 :吴 伟 学科 门类 :管 理学学科 专业 :土 地资 源管 理 研究 方向 :土 地利 用整 治与 保护 指导 教师 :张 武文 教授论文 提交 日期 :二 ?一 二年 五月 摘 要土壤侵蚀是我国目前所面临的重要环境问

2、题之一。近年来科尔沁右翼中旗 在地形、 降水、 气温等自然因素及人为活动的影响下, 土壤侵蚀 情况日趋 严重。 本文通过运用 修正通用流失方程式(RUSLE ) ,对研究区内进行了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度因子、 植被覆盖与管理因子 以及水土保持措施因子 的提取, 计算出研究区土壤侵蚀模数, 对侵蚀强度进行分级, 分析 了研 究区侵蚀现状 , 并在以上计算结果基础上, 又 对不同植被覆盖度、 不同坡度、 不同海 拔高程 以及不同土地利用情况 下的土壤侵蚀特征进行了分析。 得出以下结论: 1. 研究区内土壤侵蚀 强 度 以 轻 度 侵 蚀 和 微 度 侵 蚀 为 主 , 每年的土壤流失量为

3、1881.65 万 t , 其中 轻度侵蚀对年土壤流失量贡 献率最大 。2. 苏木 (镇) 侵蚀量分析中,巴 仁 哲 里 木 镇 侵 蚀 量 最 大 , 每 年 侵 蚀 量 为 325.96 万 t , 占 研 究 区 年 均 总 侵 蚀 量 的17.37% , 全旗整体表现出 自 东向南, 自西向 北方向 上侵蚀量逐渐增加的趋势。3. 研究区存在着 随植被覆盖度增高 侵蚀强度降低的趋势, 当植被覆盖度大于 30% 时, 植被水土保持能力逐渐体现 ,侵蚀强度逐渐降低 。4. 海拔高度小于 200m 时,侵蚀以微度侵蚀为主, 随着海拔高度的增加, 侵蚀 强度 逐渐加深 , 海拔高度大于 400m

4、 时, 侵蚀强度向剧烈侵蚀演变 。5. 在不同坡度下对侵蚀强 度特征分析的结果表明, 随着坡度的增加, 侵蚀 强度也在向剧烈演变 , 其中斜坡类型 对总侵蚀量贡献率最大, 应在水土保持措施实施过程中着重考虑该坡度类型 。6. 不同 土地利用类型下土壤侵蚀特征 表现为:草地 侵 蚀强 度 最大 , 其他 土 地利 用 类型 侵 蚀强度 从 大 到小 排 序为 林 地耕地未利用地 水域、 建设用地 , 建议在后续治理 过程中, 增加坡度大于 15°地区的造林、 种草力度 。关键词 :科尔沁右翼中旗 ; 土壤侵蚀; 侵蚀量;侵蚀 特征Study on Characteristics of

5、Soil Erosion in the Right-Wing Central Banner of Kerqin RegionAbstract In china, Soil erosion is one of the important environmental issues that must be facedIn recent years, the Right-Wing Central Banner of Kerqin Region under the influence of topography, precipitation, temperature and human activit

6、ies, soil erosion is becoming more serious. This article by using the RUSLE, extracted the rainfall erosivity, soil erodibility, slope factor of slope length, vegetation cover and management factor, and soil and water conservation measures factor. By this measures, the soil erosion modulus can be ca

7、lculated, then grading the erosion intensity, and analyzing on erosion situation of study area. On the basis of the above analysis, the research analyzes erosion characteristics in different vegetation coverage, slopes, elevation and different land use situation. Conclusions are drawn as follows: 1.

8、 Slight erosion and light erosion is main soil erosion intensity in study area. The annual soil loss account is 18.8165 million tons, and light erosion has greatest contribution rate in annual soil loss account. 2. Erosion analysis on Hematoxylin town, the result is the town of Baren Zhe Li Mu has g

9、reatest annual erosion amount and the amount is 3.2596 million tons, it accounted for 17.37% of the study area Erosion. The whole area showed a gradual increase situation that the south-easterly direction to the northwest. 3. The erosion characteristics is the degree of vegetation cover get increasi

10、ng, the erosion degree get lower, when the vegetation coverage is greater than 30%, vegetation soil and water conservation capacity is gradually reflected, and the erosion intensity get be decreased 4. When the altitude less than 200m, erosion to slightly eroded mainly, as the altitude increases, th

11、e degree of erosion gradually deepened. When the altitudes is greater than 400m, the erosion intensity get be more severe. 5. Results show that the erosion of the strength erosion characteristics under different slope types, with the increase of the slope, the degree of erosion is also evolved to se

12、vere and the ramp has the greatest contribution to gross erosion, so, during the implementation of water conservation measures, the local government should focus on considering this slope type. 6. Characteristics of soil erosion that under different land use types as follows: the grass has great ero

13、sion intensity, and under other land use types, erosion intensity order from largest to smallest is woodland cropland unused land water, land for construction, recommended follow-up the process of governance, the government should be increase the forest and grass planting efforts of the area of slop

14、e greater than 15 °Key words: Right-Wing Central Banner of Kerqin Region; Soil erosion; Erosion amount; Erosion characteristicsDirected by: Prof. Zhang Wuwen Applicant for Master degree: Wu Wei Land Resource Management College of Ecology and Environment ,Inner Mongolia Agricultural University ,

15、Hohhot 010018 ,China目 录1 引言1 1.1 选题背景与选题意义. 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 国外研究现状 2 经验统计模型2 物理过程模型2 国外各侵蚀因子的研究3 1.2.2 国内研究现状 4 经验统计模型4 物理过程模型5 国内各侵蚀因子的研究6 1.3 研究方案 6 1.3.1 研究目标6 1.3.2 研究内容7 1.3.3 技术路线7 1.3.4 模型的选择. 7 1.3.5 基础数据来源及处理. 9 2 研究区概况 9 2.1 地理位置 9 2.2

16、地形地貌. 10 2.3 气候10 2.4 土壤11 2.5 水系11 2.6 植被11 2.7 社会经济. 11 2.8 土壤侵蚀状况12 3 结果与分析. 12 3.1 降雨侵蚀力因子. 12 3.1.1 研究区内多年平均降雨空间差异性分析. 13 3.1.2 降雨侵蚀力的计算14 3.2 土壤可蚀性因子. 16 3.2.1 土壤类型 17 3.2.2 土壤可蚀性因子的计算. 17 3.3 坡长坡度因子. 20 3.3.1 坡度因子的提取 22 3.3.2 坡长因子的提取 22 3.4 植被覆盖和管理因子24 3.4.1 遥感影像来源与处理. 24 3.4.2 植被覆盖和管理因子的计算25

17、 3.5 水土保持措施因子 26 3.6 模型运算 27 3.7 侵蚀强度分级. 27 3.8 研究区侵蚀现状. 28 3.8.1 研究区总体侵蚀侵蚀现状28 3.8.2 研究区内各苏木(镇)侵蚀现状 31 3.9 研究区土壤侵蚀特征32 3.9.1 不同植被覆盖度下土壤侵蚀特征 32 3.9.2 不同坡度下土壤侵蚀特征34 3.9.3 不同海拔高度下土壤侵蚀特征. 36 3.9.4 不同土地利用类型下土壤侵蚀特征37 4 结论与讨论. 38 4.1 结论38 4.2 讨论39 致 谢41 参 考 文 献42 作 者 简 介47插图和附 表清单1 图 1 技术路线 图8 2 图 2 科右中旗

18、地理位置 图10 3 图 3 气象站点 位图12 4 图 4 研究区多 年平均降 雨量分布 图 13 5 图 5 研究区降 雨侵蚀力 分布图. 16 6 图 6 研究区土 壤类型分 布图 17 7 图 7 研究区土 壤可蚀性K 值图. 19 8 图 8 坡长坡度 因子提取 流程图. 21 9 图 9 研究区 DEM 图21 10图 10 ARC 程序 运行界面 24 11图 11 研究区 坡度坡长 因 子图24 12图 12 研究区 植被覆盖 度图. 26 13图 13 研究区 植被覆盖 与管理因 子图27 14图 14 研究区 水土保持 措施因子 图. 28 15图 15 研究区 土壤侵蚀

19、模数. 29 16图 16 研究区 土壤侵蚀 强度分布 图. 3017表 1 研究区基 础数据及 处理方法 9 18表 2 年平均降 雨量表 13 19表 3 各气象站 降雨侵蚀 力15 20表 4 美国制与 国际制分 级标准对 比 18 21表 5 研究区各 土壤类型K 因子值19 22表 6 栅格单元 编码表 22 23表 7 土壤侵蚀 分类分级 标准 28 24表 8 研究区各 侵蚀强度 情况 31 25表 9 研究区内 各苏木( 镇)土壤 侵蚀量32 26表 10 不同植 被覆盖度 下各土壤 侵蚀强度 面积 比例33 27表 11 不同植 被覆盖度 下年均土 壤侵蚀量 及侵 蚀强度指数

20、33 28表 12 坡度分 级标准. 34 29表 13 不同坡 度类型下 土壤侵蚀 强度面积 比例 34 30表 14 不同坡 度类型下 年均土壤 侵蚀量及 侵蚀 强度指数. 35 31表 15 不同海 拔高度下 土壤侵蚀 强度面积 比例 36 32表16 不同海 拔高度下 年均土壤 侵蚀量 及 侵蚀 强度指数. 37 33表17 不同土 地利用类 型下土壤 侵蚀强度 面积 比例及侵蚀 强度指数 38 34表18 三种土 地利用类 型下坡度 组成情况. 38 内蒙古农业 大学硕士 学位论文 1 1 引 言 1.1 选题背 景与选题意义 土壤侵蚀Soil Erosion 指的是在水力、风力、冻

21、融和重力作用下,土壤、土壤母1-2质及其它地面组成物质被破坏、剥蚀、迁移和沉积的全过程 。目前, 土壤侵蚀是我国 乃至全球范围内 所面临的重要环境问题之一 。 目前, 土壤侵蚀的危害主要表现在:(1 )破坏生态环境 ,致使 水土资源 恶化。 (2) 土壤侵蚀过程导致 植物所需的养分 大量 流失, 土地生产力 降低 、 从而进一步 影响农牧业生产。(3 ) 由于侵蚀产生的大量泥沙经搬运堆积后, 淤塞河流 、 水库并抬高河床 、 降低 了河流的泄洪 能力 。 就诱发土壤侵蚀的原因来说, 一方面是自然因 素, 另一方 面则是人为因素, 纵观人类发展史与侵蚀研究进展历程,人类的毁林滥牧活动已成为导致土

22、壤侵蚀的主要驱动力。 同世界其他国家相比, 中国是土壤侵蚀较为严重的国家之一。据 2000 年第二次2水土流失遥感调查及相关数据显示, 全国水土 流失面积达 355.56 万 km , 占国土面积2 2的 37.42% ,其中水蚀面积为 164.88 万 km ,风 蚀面积为 190.67 万 km ,冻融侵蚀面23-4积为 126.98 万 km 。由于人口持续增加,人 类对自然资源的需求越来越高,更是加剧了土壤侵蚀 活动。 如何合理的治理土壤侵 蚀、 正确的开展水土保持工 作, 受到了有关部门 的高度 关注。1991 年七届全国人大常委会第 20 次会议审议通过了 中华人5民共和国水土保持

23、法 ,成为中国第一部专业 水土保持 技术法规 ;2005 2007 年中国水利部、 中国科学院和中国工程院联合在全国范围内开展了 “水土流失与生态安全科学考察 ” 工作, 准确的调查出全国侵蚀状况, 为后续土壤侵蚀 防治、 加强生态环境6建设提供了 重要的 科学依据 。2011 年,我国提出“十二五规划” ,将生态保护与修复作为重要任务。同年,由水利部牵头,在全国范围内开展了第一次水利普查工作,在引用 3S (RS 、GIS 、GPS ) 技术的基础上 , 进 一步对国内土壤侵蚀 状况 进行了普查,以达到掌握土壤侵蚀的分布、 面积和强度的目标, 为国家水土保持生态建设提供决策依据 。 科尔沁右

24、翼中旗位于大兴安岭南麓, 畜牧业是区内 最主要 的生产方式 。在地形、降水、 气温等 诸多自然因素及人为活 动的影响 下, 土壤侵蚀 情况较为复杂 , 而且侵蚀类型复杂多样, 侵蚀强度 空间差异性明显 , 全区土壤 侵蚀面积 广, 为生态建设、 生态7恢复 工作带来 很大的难度 。 特别是建国 以来 随着人口的 不断 增长, 当地 对自然界的环境 需求 持续增加 。 随着经济的发展, 当地 乱砍滥伐、 毁林开荒 现象屡禁不止, 不合理的耕作 方式 得不到有效改善 , 加之近几年 森林火灾 发生频率高, 以及 不断增多的 工业 开发建设项目,对自然生态环境的不良影响愈演愈烈。 长期以来, 区域土

25、壤侵蚀 定量评价研究以及评价方法的探索是土壤侵蚀评价 研究的基础。 为此, 本文采用土壤侵蚀模型对研究 区内进行土壤侵蚀评价并探索研究区内土壤侵蚀 强度 与地形、 植被覆盖 、 土地利用 之 间的 内在联系 , 从而为后期治理决策提供 理论 支持 。 同时该研究对于完善区域土壤侵蚀模型也具有 一定的借鉴 意义。2 内 蒙古科尔 沁右翼中 旗土 壤侵蚀特征 研究 国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 土壤侵蚀评价 研究历程 经历了定性评价、半定量评价、定量评 价三个 重要阶段。早在 20 世纪 40 年代, 一些研究者 在土壤侵蚀 定量化的 分析与 研究上进行了大量的研究工作 , 为土壤侵蚀

26、评价奠定了坚实的理论基 础。 其中, 在土壤侵蚀定量研究 尺度上8可分为坡面 地块 、小流域、区域 三个层次 。 长期以来,受到研究经费及研究技术9的局限, 现有的研究工作主要集中在前两个层次上 。 据文献记载, 目前 国外 进行土壤侵蚀 定量评价 的模型有: USLEUniverse Soil Loss 10 11Equation 、WEPP the Water Erosion Prediction Project 、ANSWERS Areal Nonpoint 12 Source Watershed Environment Response simulation 、EPIC Erosion

27、 /Productivity Impact Calculator 、CREAMSChemical Runoff and Erosion Form Agricultural13-15Management System 、LISEM Limberg Soil Erosion Model 等。 根据模型的建模思想与统计 方法, 可将模型分为经验统计模型与物理 过程模型。 经验统计模型 在 经验统计 模型中以美国于 1959 年提出的通 用土壤流失方程式USLE 为代表,该方程于 1965 年由美国农业部正式发表在 农业手册(282 号) 上。USLE 全面考虑了影响土壤侵蚀的 因素,

28、通过 对降雨侵蚀力、 土壤可蚀性、 坡度坡长、 作物覆盖和水土保持措施五个侵蚀因子的 计算, 从而对土壤侵蚀情况进行定量分析 。USLE 所涉及的研究材料丰富、 且研究覆盖 区域广泛, 具 有较强的实用性 与准确性, 因而在世界16范围内得到了 水土保持研究者的 广泛认可并得以 推广 。 之后 , 经过二十多年的发展,在大量实践基础上, 美国农业部 又对 USLE 做 了比较大的修正, 命名为修正土壤流失方程式RUSLE , 并于 1994 年由 SCS 确定为官 方的土壤保持预报和规划工 具。 RUSLE在后续的发展与完善过程中, 将遥感数据引入到模型 因子的计算 , 增加了计算结果的准确性

29、, 减少了人为操作的主观性, 同时使 RUSLE 更具有动态性、 开放性, 极大的推动了土壤侵蚀产沙预报的发展。 物理过程模型 随着科技的进步,20 世纪 80 年代, 尤其是随 着 USLE 的提出和完善, 美国农业部于 1986 年组织农 业局、林业局、水保局及 土地管理局四个部门,进行了土壤侵蚀预报 WEPP Water Erosion Prediction Project 的研究工作,于 1995 年发布了第一个官17方版本 。WEPP 主要子模型包括:气候模拟CLIGEN 、地表水文、亚地表水文、水分平衡、 土壤分离、 泥沙运移和沉积、 植物 生长、 残茬分解、 地表水

30、流、 细沟侵蚀和细沟间侵蚀、沟底水流过程、沟蚀、汇流、积水条件等。由于 WEPP 模型涉及众18多的子模型和参数, 因此模型的实用性受到限 制 。 于是美国农业部又开发一些对基内蒙古农业 大学硕士 学位论文 3 础数据要求较低的物理 过程侵蚀模型,如 AGNPS 、ANSWERS 、EPIC 、SWAT 等。此时, 许多国家的一些物理模型也纷纷出现, 如美国的 CREAMS 、 欧洲的 EUROSEM 、19荷兰的 LISEM 等模型 。以上种种模型,都是 从不同角度描述侵蚀产沙过程衍生出来的,他们的出现,将侵蚀产沙模型逐步推向 更为严谨的研究领域 。 国外各侵蚀因子的研究 1

31、降雨侵蚀力因子 降雨侵 蚀力R 的定义 为: 降雨 可能引 起的 土 壤侵蚀 的潜 在能力 ,是 定量评 价一个地区水土流失的重要背景参数。 土壤侵蚀与区域气候因素中的降雨量、 降雨强度及降雨类型等 密切相关, 而降雨侵蚀力 因子可准确的 体现降雨 情况对土壤侵蚀潜在影响程度。 国外对降雨侵蚀力R 的研究开展较早, 美国学 者 Wischmeier 与 smith 于 1958 年发现降雨的总动能E 及其 30min 最大雨强I30 的乘积与土壤流失量有着紧密的联20系,将降雨侵蚀力的表达式定义为 REI30 。 同年,Wischmeier 以 8000 多个径流小区资料为基础,证明了降雨侵蚀

32、理论的正确性,以此为根据在 1959 年明确提出降雨侵蚀力指标 EI30 ,并 拟定了侵 蚀性降雨 标 准,将侵蚀性 降雨定义 为 :一次 降雨量21大于等于 12.7mm 或该次降 雨 15min 中内降雨 量为 6.4mm 。 此后, 一些国家一直沿22用该理论,并作为各种土壤侵蚀模型中的一个重要参数 。 2 土壤可蚀性因子 土壤可蚀性 K 值是一项评价土壤降雨侵蚀力 分离冲蚀和搬运难易程度的指标。国外学者 普遍 认为土壤可蚀性不仅与土壤的化学性质有关还与土壤的颗粒组成、 团聚体的稳定性、 有机质含量、 渗透率、 紧实度、 粘土矿物的性质存在重要联系。Bennet在 1926 年研究 出土

33、壤硅铁铝率与土壤侵蚀的 关系,并 以此为基础 提出了相应的分级标准。1931 年 Middleton 指出土壤浸湿热的大小与土壤 侵蚀率的高低成正比。1935年 Bouyousos 则研究了土壤质地与侵蚀程度的定量关系, 得出土壤中粉砂粒含量与粘粒含量比率大小与土壤可蚀性成正比。 这些研究都系统阐述了土壤理化性质与土壤可23蚀 性 的 关系 , 对土 壤 的可 蚀 性研 究 具有 重 要意义 。 研 究模 型 主要 有 Wischmeier 、24Williams 的土壤可蚀性因子模型。 3 坡度坡长因子 在通用方程式(USLE )中,地形因子坡长 (L )和坡度(S )与土壤侵蚀程度存在 着

34、 密切 的 关系 。 在因 子计 算 过程 中, 可 以单独 对 坡长 (L )坡 度 (S )进 行 计算 ,也可将 LS 作为一个因子计算,国 外学 者 McCool 等在 1987 年提出了坡度因子(S )与坡长因子(L )的计算公式: S10.8sin0.03 ?5.14 ° S16.8sin0.50 5.14 °4 内 蒙古科尔 沁右翼中 旗土 壤侵蚀特征 研究 mL?式中 S 表示坡度因子 ; 为地面坡度(在 DEM 中计算获取) ;L 为坡长因子 ;为水平投影 坡长 ;m 为坡度指数 。在 1977 年 Foster 等人提出了 m 值的计算公式: m1式中

35、为细沟侵蚀 与细沟间侵蚀的比率 ,在 Foster 研究的基础上,McCool 提出25-26了 的计算公式 : 0.8? (sin/ 0.0896 ) / 3.0 sin0.56?在此研究基础上,Van Remortel R 于 2001 年 在 Arcgis9.3 平台上基于 DEM 编写27了 AML 语言用于提 取 LS 因子 。 4 植被覆盖因子 28国外学者 smith 于 1941 年首次将种植制度 (C ) 与水土保持措施 (P ) 引入土壤29侵蚀方程式 。1947 年 Musgrave 在 smith 的 研究基础上进一步 将植物覆盖、田间管理和 水土保持这三个因子综合考虑

36、作为一个因子进行计算 。1978 年 Wischmeie 通过大量实验研究计算, 得出植被覆盖与田间管理是相互作用不可分开这一重要结论, 并建议在进行侵蚀计算时将两个因子合并。 随着土壤侵蚀模型 的不断 发展与完善, 覆盖30与田间管理因子C 成为模型计算中的一个重要 因子 。 1965 年版的 USLE 在观测数据的基础上,给 出了主要农作物和耕作制度下的土31壤流失比率表 。在实践与应用过程中,RUSLE 改良了估计林地、草地、建筑用地32等 C 值的 计算方法 。即 只要 C 值区域在其应 用范围内, 就可根据 RUSLE 提供的方法准确 计算出 C 值。1.2.2 国内研究现状 上 世

37、纪 20 年代末, 受 国外土壤侵蚀研究 的影响 , 我国开始土壤侵蚀科学的研究,33-37至今 已有 90 多年的 研究历史 。我国土壤侵 蚀研究在发展历程主要分为三个 阶段,第一阶段为土壤侵蚀定位观测与试验阶段(20 世纪 20 年代20 世纪 50 年代后期) ,第二阶段为以流域为单元的综合治理的 试验阶段(20 世纪 50 年代后期20 世纪 80年代后期) ,第三阶段为区域水土保持与生态环境建设发展阶段(20 世纪 90 年代以38-39来) 。在国内土壤侵蚀学科发展 过程中 , 学者 们根据我国的侵蚀环境特征侵蚀机理, 在已有的国外侵蚀预报模型基础上进行 了 一系列 修改、 完善,

38、 研究出多种适于我国的侵蚀预报模型。 经验统计模型 20 世纪 80 年代以来美国 的 USLE 和 RUSLE 方 程在我国得到广泛应用,并根据各地实际情况进行修正。内蒙古农业 大学硕士 学位论文 5 国内学者 在坡面经验 模型和 USLE 形式的基础 上 , 结合我国 当地的地貌特征, 根据 实验观测 , 参考或直接使用 USLE 计算出土 壤侵蚀的各种影响因子 。 在已有的对 侵蚀 因子的 定量 研究中,降雨径流因子、地形因子(坡度、坡长) 的研究都 较为成熟,而 关于 植被因子 和水土保持 措施因子 则鲜有研究成果 。 国内众多经验统计 模型中, 比40 41较有代表性的

39、是江忠善 和刘宝元 的经验侵 蚀模型, 其中 比较有代表性的是 刘宝元建立的中国土壤流失方程 CSLE (Chinese Soil Loss Equation),该模型可以用于计算42坡面上多年平均土壤流失量 。 CSLE 的基本形式为: MRKLSBE ?T 2 式中:M?年平均土壤流失量(t ?kma); 2R?降雨侵蚀力因子(MJmm ?hmha); 2 2K?土壤可蚀性因子(thmh ?hm ?MJmm); LS?坡长坡度因子(无量纲) ; B?生物措施因子 (无量纲) ; E?工程措施因子 (无量纲) ; T?耕作措施因子(无量纲) 。 在流域侵蚀产沙经验统计模型中, 由于试验观测资

40、料 存在显著 差异, 模型中所考虑的土壤侵蚀影响因素 也 有所不同, 但 最主要 是 从水文、 气象、 下垫面 等因素进行 考43虑。 比较有代表性的流域侵蚀产沙经验模型主 要有以下 4 个: 江忠善 研究得出的次44暴雨流域产沙公式、 范瑞瑜 建立的黄河中游 地区小流域土壤侵蚀预报模型、 金争平45 46建立 的 适用于不同条件的若干泥沙预报方程 、 以及李钜章 针对黄河中游地区研究出的侵蚀变权模型。 物理 过程模型 我国的物理过程模型研究起步的比较晚,在坡地物理成因模型的研究成果主要47有:牟金泽 等 根据黄土丘陵沟壑观测 资料建 立的黄土丘 陵地区土 壤侵蚀 模型 王礼48

41、 49先等 从侵蚀的水动力学原理出发得出了坡地 侵蚀的数学模型 , 段建南 针对我国干旱、半干旱地区的实际情况 , 应用微机技术 ,建 立 的 坡耕地土壤侵蚀过程数学模型50SLEMSEP 。在 流 域物 理成 因模 型 上 的主 要研 究成果 有: 谢树 楠 基于泥沙 运动力学51基本理论建立的流域模型 。 包为民 提出的大 流域水沙耦合模拟物理概念模型 , 汤立52群 基于 流域水沙产生、 输移、 沉积过程的基 本原理 建立的 模型, 其中 包括径流模型和泥沙模型 。 我国物理过程模型在研究与建立过程中存在诸多问题, 在研究尺度上以及侵蚀模型中各因子的统计都存在较大的限制, 无法在国内大范

42、围推广应用, 使得模型的实际应用与参考价值不高,这些原因都制约着我国土壤侵蚀学科的发展。6 内 蒙古科尔 沁右翼中 旗土 壤侵蚀特征 研究 国内各侵蚀因子的研究 1 降雨侵蚀力因子 在 Wischmeier 研究理论的基础上,国内学者 对侵蚀性降雨量的定义各有不同,53江忠善等 根据黄土地区降雨径流资 料,认为 单次降雨大于 10mm 即为侵蚀性降雨。54赵富海和赵宏夫 确定张家口的侵蚀性降雨标 准为单次降雨量大于 12.5mm 或 30min55或 4.8mm?h 。 计算降雨侵蚀力的经典方法需 要连续记录降雨过程的资料, 鉴于资料的 获取难度56 57 58 59 60-6

43、1和计算过程的复杂性, 宁丽丹 、章文波 、 郭新波 、谢云 、王万忠 等国内学者 纷纷 尝试采用气象站整编的不同类型的降雨资料计算降雨侵蚀力, 利用日降雨数62 63据建立了估算降雨 侵蚀力的简便算法; 而周伏 建 、 张建国 则应用月降雨 量整编资料, 建立 了估算降雨侵蚀力的简易模型。 在以 上降雨侵蚀力计算方法中, 以利用日降雨量 计算得到的降水侵蚀力 最为精确。 2 土壤可蚀性因子 在国外研究的基础上, 国内学者根据土壤性质 评价土壤可蚀性 、 用仪器测定、 小区法测定、数学模型和图解法求取土壤可蚀性 K 值上开展了大量研究。在国内已有的研究中主要利用 修正 USLE 模型进 行实测

44、 和采用 修正诺谟公 式 进行估算土 壤可蚀64-67性因子 K 值 。3 坡度坡长因子 在运用 USLE 侵蚀模型的基础上,国内学者对 坡度(S )坡 长(L )因子的研究68主要 有 : 根据不同的坡面环境对坡度 (S ) 坡长 (L ) 因子计算的修正。 江忠善 ,杨69 70子生 , 杨艳生 , 刘宝元 等依据观测资料分 别提出了不同的坡度 (S ) 坡长 (L)计算模型。张宏鸣,杨勤科等根据 Van Remortel 对坡度(S )坡长(L )的计算方法编写的 ARC 宏语言,并结合采用 D8(8 个不同 方向)算法设计出 C+.net 程序计算提71取坡度坡长因子,计算效率明显提高

45、 。 4 植被覆盖因子 我国 在早期 土壤植被覆盖和管理因子的研究中, 普遍借助地面调查分级赋值 进行研究。 随着 3S 科学技术的发展 ,遥感技术 逐渐在植被 覆盖和 管理因子的研究中得到72-74广泛应用 , 例如利用遥感影像监督分类结合野外调查, 获得研究区植被覆盖分类 ;利用混合像元分解技 术,研究归一 化植被指数 (NDVI )与植被覆盖和 管理因子的线75-76形关系 。1.3 研究方案 1.3.1 研究目标 本研究选定兴安盟科尔沁右翼中旗为研究区, 通过收集气象、 土壤、 遥感、 地形内蒙古农业 大学硕士 学位论文 7 等资料, 采用修正通用土壤流失方程式 (RUSLE ) ,

46、对研究区进行土壤侵蚀的定量与定性评价, 并在此基础上对研究区内的土壤侵蚀特征进行分析。 在填补兴安盟地区土壤侵蚀评价研 究空白的同时, 也能为科右中旗地区土壤侵蚀治理与水土保持工作提供依据。1.3.2 研究内容 根据研究目标,研究内容包括以下几个方面: 1 利用气象资料,提 取降雨侵蚀力 因子;对土壤 图进行数字化,提 取土壤可蚀性因子; 采用研究区内地形图进行数字高程的 建立, 提取坡长坡度因子; 在 TM 遥感影像 的资料 基础上,提取植被覆盖与管理因子 ,并对研究区土地利用类型进行分类 。 2 基于 用 RUSLE 模型,将各侵蚀因子进行 栅格计算, 获得研究区年均 土壤侵蚀量。然后根据

47、水 利部颁布的 土壤侵蚀分类 分级标准 (SL190-2007 ) 对研究区 土壤侵蚀 模数 进行 分级处理 ,得到科右中旗土壤侵蚀强度分布图。 3 对研究区侵蚀现状 进 行分析,并 在此基础上研 究该地区的土壤侵 蚀特征,内容包括植被、 坡度、高程 等条件对侵蚀影像的总体特征分析。1.3.3 技术路线 具体技术路线如图 1 所示。1.3.4 模型的选择 本 项 研 究 采用 土 壤通 用 流 失方 程 式(RUSLE )对 研 究 区 进行 土 壤侵 蚀 的 定量 计算。RUSLE 自从上世纪八十年产生后,在全 球范围内得到了极大的普及。近些年随着科学技术的发展与人类对水土保持工作的重视,R

48、USLE 不断的进行完善,成为了现今重要的经验性模型, 同时在 RS 、GIS 的参与下,RUSLE 模型更具有动态性与开放性,研究精度也在很大范围得到了提高。 RUSLE 表达式为: A fRKLSCP (1 ) 2 2式中:A?年平均土壤流失量 (t?kma);R?降雨侵蚀力因子 (MJmm?hm2 2ha); K?土壤可蚀性因子 (thmh?hmMJmm); LS? 坡长坡度因子 (无量纲) ;C? 植被覆盖与管理因子 (无量纲) ;P?水土保持措施因子 (无量纲) ;f?224.2,美制转国际制常数。 8 内 蒙古科尔 沁右翼中 旗土 壤侵蚀特征 研究 遥感数据 非遥感数据 TM 影像

49、处理 土壤图、 土壤志 日降雨资料 DEM 图 植被指数 土壤类型、 质地 植被覆盖度 土地利用图 植被覆盖与 水土保持措 土壤可蚀性 降雨侵蚀力 坡长坡度 管理 因子C 施因子 P 因子 K 因子 R 因子 LS 土壤侵蚀模 数计算 土壤侵蚀强 度分级 侵蚀特征分 析 图 1 技 术 路 线 图 Fig1Technology Roadmap内蒙古农业 大学硕士 学位论文 9 1.3.5 基础数据来源及处理 本项研究所用的降雨资料来源于研究区内及周边共计 10 个气象站 1980 至 2010近 30 年的逐日降雨资料; 土壤类型资料为 1992 年内蒙古自治区土壤普查办公室与内蒙古自治区土壤

50、肥料工作站联合编制的内蒙古自治区土壤图, 土壤质地与有机质含量资料来源于 内蒙古土壤 , 该书由内蒙古第二次 土壤普查编委会编写; 研究区 DEM图与 2010 年 TM 遥感影像均下载于国际科学数据服务平台,该平台由中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心建设并运行维护,数据源为国际原始数据。 数据处理中主要用到的软件包括:Arcgis9.3 、Arc info workstation9.3 、ENVI4.1 、Excel 、 MATLAB7.0 。 鉴于对每一个侵蚀因子在 Arcgis9.3 软件下进行栅格计算时的准确性,本研究对每一张参与计算的栅格图采取格式统一 、 坐标系统 一, 栅格

51、格式为 GRID , 分辨率为25m ,投影系统定为 UTM_WGS84_51N 。表1 研 究区 基础 数据 及处 理方 法 Tab1Basic data and processing methods of study area 比例尺/数据类型 格式 处理方法 用途 分辨率 降雨资料 XLS excel 统计 计算降雨侵 蚀力 全区土壤图 1:150 万 TIFF 裁剪、矢量 化 得到土壤类 型资料 得到土壤质 地及有机 质资内蒙古土壤 料 获得研究区 DEM , 计算 坡90m GRID DEM 图 拼接、裁剪 长坡度 几何纠正、 直方图匹TM 影像 30m TIFF 获得归一化 植被指数 配、裁剪、 镶嵌2 研究区概况 2.1 地理位置 科尔沁右翼中旗 (以 下称科右中旗 ) 位于大兴 安岭 南麓 (图 2) , 地处著名的科尔沁草原腹地, 隶属于内蒙古自治区兴安盟。 全旗人口 25.13 万, 其中蒙古族人口占83.17% , 是 全 国