基于rs和gis的鄱阳湖流域土壤侵蚀空间分布研究

基于rs和gis的鄱阳湖流域土壤侵蚀空间分布研究

0研究区地貌背景及土地流失方程流域是自然洪水线周围的区域。同时，由于自然和人为过程，不同地理因素的空间分布存在复杂的空间分布，这对研究自然地理因素和过程之间的相互作用具有重要意义。由于被侵蚀的土壤是各种营养物质的载体,随雨水冲刷进入水中,所以估算土壤侵蚀是流域非点源污染模拟的基础和重要组成部分。准确估算土壤侵蚀可以有效地指导水土保持规划和优化水土资源利用。鄱阳湖位于江西省北部,长江中下游交接处南岸,是中国最大的淡水湖泊,承接赣江、抚河、信江、饶河及修水五大河之水,是一个天然吞吐型、季节性湖泊。鄱阳湖以其巨大的容积,成为江西省的集水盆,是连接江西省内外的重要航运枢纽,也是长江水量的巨大调节器,被誉为中国的最后一盆“清水”。通过对2000年鄱阳湖流域ETM+影像土地利用/覆盖类型数据进行统计,鄱阳湖流域土地利用类型以林地(54.1%)为主,其次为农用地(27.2%)、草地(10.3%)、水体(3.9%)、建筑用地和未用地(5.4%)。鄱阳湖流域属亚热带湿润季风气候,降水丰富,流域内降雨径流时空分布不均,变化明显具有明显的季节性和区域性。由于水土流失,近年来湖内年平均淤积量达1200多万t,湖底淤积高达3mm,调蓄功能逐步变小。鄱阳湖流域三面环山,且由5个子流域与环鄱阳湖区围成的面积16万km2。本研究区域未包括鄱阳湖流域北部江西省外的饶河子流域上游和鄱阳湖区部分区域,研究区域面积约为15.6万km2。USLE(universalsoillossequation)是美国自20世纪50年代起在洛基山以东地区收集到的10000多个天然径流小区试验资料为基础建立的,用于定量农地或草地坡面年平均土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型。美国农业部282号和537号农业手册于1965年和1978年先后刊出由Wischmeier和Smith提出并改进的的通用土壤流失方程(USLE),经后人不断的改进,丰富了各因子的实际意义,形成了RUSLE版本。随后,许多研究分别针对土壤流失方程的降雨侵蚀力因子、地形因子、土壤可蚀性因子和植被与作物管理因子等进行改进和快速计算。通用土壤流失方程也在许多区域已经广泛应用,并得到不断的改进。目前,许多国家都相继以通用土壤流失方程为基本形式,根据气候、土壤及经营管理等具体情况进行相应的修正,建立适合于各自国家或地区的土壤流失方程,如刘宝元参照美国通用土壤流失方程形式建立了中国土壤流失方程(chinesesoillossequation,CSLE)。而将通用土壤流失方程应用在鄱阳湖这样的大型流域的研究尚为少见。鄱阳湖流域土地利用类型和土壤类型分布空间差异性大,流域受人类活动影响剧烈,这些因素对流域土壤侵蚀产生了很大的影响。随着环鄱阳湖区生态经济区建设上升为国家战略,流域内经济活动日益加剧,随着城市化进程发展,产业布局和用地结构的调整,对流域内水土保持面临重大挑战。鄱阳湖流域作为长江流域防洪减灾、生态环境改善的重要组成部分,其水土保持和生态环境建设问题更加重要。尽管师哲等通过统计数据分析了鄱阳湖土壤流失现状和保护措施,樊哲文等通过统计数据和遥感解译的土壤侵蚀图研究土壤侵蚀对土地利用变化的效应,还未见将土壤流失方程(USLE)应用于鄱阳湖这种大型流域,对土壤侵蚀影响各因子进行定量估算。本研究拟在空间信息技术(RS和GIS)的辅助下,将USLE应用于鄱阳湖流域对土壤侵蚀各因子的计算,定量研究1990和2000年土地利用/覆盖和气象要素的变化对鄱阳湖流域土壤流失方程各因子取值和土壤侵蚀变化的影响。通过研究鄱阳湖流域土壤侵蚀变化趋势,分析土壤流失的特点和影响因素,针对鄱阳湖地区水土流失的危害和存在的问题,提出水土保持措施与对策,为流域生态环境保护提供参考。1usle模型与土壤侵蚀的估计1.1土地利用/覆盖类型本研究收集了覆盖鄱阳湖流域的1990年和2000年前后的LandsatTM和ETM+影像,首先利用江西省1∶25万基础地理信息数据的数字线划图(DLG)对遥感影像进行校正,并进行影像配准与镶嵌,通过对遥感数字影像解译,获得鄱阳湖流域1990年和2000年的土地利用/覆盖图,分类精度为79.29%,详细数据处理过程与质量控制见本课题组研究成果,根据土壤流失量计算的需要,将其进行适当的分类调整,并采样到90m分辨率,于是将鄱阳湖土地利用/覆盖类型分为水体、林地、居民地、水田、草地、旱地、裸地和未利用地8种类型。降雨数据采用覆盖鄱阳湖流域的17个气象站的雨量数据,均匀分布在江西省各市区,用来计算土壤流式方程中的降雨侵蚀力因子。鄱阳湖流域土壤类型图采用全国第二次土壤调查的1∶400万土壤类型图通过流域边界裁剪得到,鄱阳湖流域主要土壤类型包括有红壤、黄棕壤、红壤性土、紫色土、棕壤、黄壤、潮泥田和黄泥土8种类型。地形数据采用美国宇航局NASA提供的SRTM数据,空间分辨率为90m,通过ESRI公司的ArcHydro工具进行流域提取,然后利用获取的鄱阳湖流域地形计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)和坡长。1.2主要一般因子通用土壤流失方程(USLE)全面地考虑了自然要素对土壤侵蚀的影响,并综合体现在降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、地形因子、植被与作物管理因子和土壤保持措施因子。USLE具有较强的实用性,它的一般表达式为式中,A为年土壤侵蚀量,表示单位面积坡地片蚀和细沟侵蚀的年平均侵蚀量,t/hm2;R为降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(hm2·h);K为土壤可蚀性因子,表示为标准小区下单位降雨侵蚀力形成单位面积的土壤流失量,t·h/(MJ·mm);L为坡长因子;S为坡度因子,通常将坡长因子L和坡度因子S合并为LS来考虑;C为植被与作物管理因子;P为土壤保持措施因子。1.2.1改进的fog指数法降雨侵蚀力因子R值与降雨量、降雨强度、降雨历时、雨滴大小及雨滴下降速度有关,它反映了降雨对土壤的潜在侵蚀能力。降雨侵蚀力难以直接测定,在此借鉴Fournie在1960年提出的流域降雨侵蚀力指数,后来被美国粮食与农业组织(FAO)加以改进为如下方程式中,Fmod为改进后的傅里叶指数,ri为第i月降雨量;P为年降雨量。把改进后的Fournier指数相加发现与降雨侵蚀力因子R成正比线性相关关系式中,R为降雨侵蚀力因子;a和b为气候带决定的常数,参考文献[16-17]分别研究了江西泰和县与三江平原的a和b取值,本研究中,鄱阳湖流域计算降雨侵蚀力因子R时a和b分别取4.17和-152,选取鄱阳湖流域17个气象站的降雨数据计算得到每个站点的R值,并对其进行克里金插值,得到1990年和2000年降雨侵蚀力因子R值的分布(见图1)。1.2.2侵蚀力因子k的测定土壤可蚀性是指土壤对侵蚀应力分离和搬运作用的敏感程度。通用土壤流失方程中的土壤侵蚀性因子K是指标准小区单位降雨侵蚀力因子的土壤流失量。土壤可蚀性因子K的大小与土壤质地、土壤有机质含量有较高的相关性。本文结合全国第二次土壤调查的1∶400万的鄱阳湖流域土壤类型数据,根据文献对土壤可蚀性的研究结果,并计算了不同土壤类型的可蚀性因子K值,经过单位换算,鄱阳湖流域8种土壤可蚀性因子K取值见表1。1.2.3相同的坡长单位面积土壤流失量的比较坡度因子S是指在其他条件相同的情况下,任意坡度下的单位面积土壤流失量与标准小区坡度下单位面积土壤流失量之比。坡长因子L是指在其他条件相同的情况下,任意坡长的单位面积土壤流失量与标准坡长单位面积土壤流失量之比。DunnandHickey在1998年综述了利用DEM计算LS因子的方法,本文采用VanRemortel在2004年改进了的Hickey于2000年提出的基于DEM的方法,该方法充分利用计算资源而不牺牲精度,因此针对大区域的研究,提高了计算速度。鄱阳湖流域坡度坡长因子LS取值范围为0~121。1.2.4地面保护时c值植被与作物管理因子C是在相同的土壤、地形和降雨条件下,某一特定作物或植被情况下土壤流失量与连续休闲的土地土壤流失量的比值,反映了植被对地表的保护作用,完全没有植被保护的裸露地面C值取最大值1.0,地面得到良好保护时,C值取0.001,C值介于[0.001,1]之间。研究表明,C因子要受到诸如植被、作物种植顺序、生产力水平、生长季长短、栽培措施、作物残余管理、降雨时间分布等众多因素控制,这使得对C因子直接计算往往难以进行。C因子主要体现了植被与作物管理因子对土壤侵蚀的综合作用,其值大小最主要还是取决于具体的植被覆盖、耕作管理措施,因此C因子取值主要与土地利用类型有关。本文在对流域耕作管理制度的调查基础上,结合有关C因子的研究报道,根据江西省土地利用现状,确定各种土地利用类型的平均C因子值(见表2)。1.2.5表土保持措施因子p值土壤保持措施因子P是表示采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值,一般无任何水土保持措施的土地类型P值为1。国内确定P值的顶用方法少有报道,实际计算中一般通过对比的方法求出某些水土保持措施下的P值,但不同地区的误差较大。土壤保持措施因子P被认为是USLE方程中最难确定的因子,因此,只能粗略估算P值。本文在对水土保持现状调查的基础上,利用ESRI公司的ArcGIS从流域DEM计算出百分比坡度,再将土地利用类型和坡度进行叠置分析,确定鄱阳湖流域土壤保持措施因子P值。P值与坡度和土地利用类型之间的关系见表3。通过对鄱阳湖流域土地利用图和坡度图进行叠置,并将不同的类型的图斑设置为相应的P值,鄱阳湖流域土壤保持措施因子P值范围在0.11~1.0之间,平均值为0.35。2土壤侵蚀模数分析为研究鄱阳湖流域土壤侵蚀变化趋势,并对未来土壤侵蚀量进行预测,本文分别利用上述方法估算了1990年和2000年的鄱阳湖流域土壤侵蚀量,并计算单位面积内的土壤在单位时间内的侵蚀量,即土壤侵蚀模数,分析10年来鄱阳湖流域土壤侵蚀变化情况。本研究在计算过程中,参考文献,综合考虑研究区域的各种自然气象条件,假设从1990年到2000年之间土壤可蚀性因子K与坡度坡长因子LS保持不变,即考虑研究区域内土壤类型和地形在该时段内保持不变。2.1土壤侵蚀分别考虑1990和2000年土地利用和降雨气象资料,计算植被与作物管理因子C、土壤保持措施因子P和降雨侵蚀力因子R值,利用USLE模型,分别估算了1990和2000年鄱阳湖流域土壤侵蚀分布(见图2)。通过对鄱阳湖流域1990和2000年土壤侵蚀量估算发现,环鄱阳湖区土壤侵蚀较弱,侵蚀较严重的区域主要分布在赣江上游,信江上游,抚河上中游和修水上游;大部分侵蚀区域的土壤侵蚀模数集中在0~200t/(km2·a)之间,和200~2500t/(km2·a)之间。参考水利部颁发的土壤侵蚀强度分类分级标准,并结合鄱阳湖流域的实际情况,按以下规则进行土壤侵蚀强度等级划分:Ⅰ级微度侵蚀平均侵蚀模数小于200t/(km2·a);Ⅱ级轻度侵蚀平均侵蚀模数200~2500t/(km2·a);Ⅲ级中度侵蚀平均侵蚀模数2500~5000t/(km2·a);Ⅳ级强度侵蚀平均侵蚀模数5000~8000t/(km2·a);Ⅴ级极强度侵蚀平均侵蚀模数8000~15000t/(km2·a);Ⅵ级剧烈侵蚀平均侵蚀模数大于15000t/(km2·a)。根据这种分级规则,将鄱阳湖流域1990和2000年土壤侵蚀进行等级划分,并统计各等级侵蚀面积与侵蚀量(见表4)。从土壤侵蚀面积来看,鄱阳湖流域从1990年到2000年微度侵蚀所占面积比例在增加,面积分别占总侵蚀面积的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,增幅为1.22%。而轻度侵蚀面积所占比例减少了1.12%,减少了1736.50km2,减幅达8.83%。中度侵蚀面积在减少,而中度侵蚀以上侵蚀强度的侵蚀面积都是在减少。可见鄱阳湖流域从侵蚀范围上呈现中度侵蚀向强度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀转移的迹象。从土壤侵蚀量来看,鄱阳湖流域从1990年到2000年,微度侵蚀、极强度侵蚀和剧烈侵蚀量在增加,而轻度侵蚀和中度侵蚀在减少,可见鄱阳湖流域2000年土壤侵蚀在由中强度等级向低等级或高等级侵蚀等级转化,土壤侵蚀量向两极方向移动,鄱阳湖流域水土保持措施需在大范围内实施。鄱阳湖流域土壤侵蚀量主要贡献是轻度侵蚀和中度侵蚀,其侵蚀量之和从1990年到2000年所占侵蚀量比例都从58.16%减少到51.20%,轻度侵蚀和中度侵蚀面积之和所占的比例从14.31%降到13.12%,可以看出在这10a间,该区域产沙量贡献较大的侵蚀在减少,对水土保持起到了积极的作用。而在鄱阳湖流域极强度侵蚀和剧烈侵蚀在加剧,土壤侵蚀量增长较快,因此在鄱阳湖流域保持中强度侵蚀不增加的前提下,极强度侵蚀区与剧烈侵蚀区是预防和加强侵蚀整治、水土保持规划的重点区域。因此整个鄱阳湖流域在1990和2000年大范围的土地经受了微度侵蚀和轻度侵蚀,其侵蚀范围之和都在90%以上,相应的土壤侵蚀量仅占侵蚀总量的43.97%和39.46%。而鄱阳湖流域产沙量的贡献主要集中于轻度侵蚀和中度侵蚀,1990年和2000年其土壤侵蚀量之和所占比例减少了7.04%,然而极强度侵蚀和剧烈侵蚀对土壤侵蚀量的贡献是不可忽视的。鄱阳湖流域土壤侵蚀总量从1990年的1.74亿t增加到2000年的1.85亿t,增长幅度达6.3%。2.2不同流域土壤侵蚀量年际变化将估算的鄱阳湖流域土壤侵蚀量分布按照五大子流域进行空间统计,结合流域面积,计算鄱阳湖流域五大子流域:抚河流域、赣江流域、饶河流域、信江流域和修水流域1990和2000年的土壤侵蚀总量和土壤侵蚀模数,参照中国行业标准给出的参考土壤体积质量,将土壤侵蚀模数折算成土壤平均流失厚度(见表5)。对照表5,从鄱阳湖流域的五大流域土壤侵蚀量的年际变化来看,从1990年到2000年抚河流域、赣江流域、饶河流域和信江流域土壤侵蚀量都在增加,其中以信江流域侵蚀量增幅最大,达到25.43%,从各子流域土壤侵蚀量的增幅看,抚河流域、赣江流域和信江流域都增加了20%,可见土壤侵蚀量比较严重。而修水流域土壤侵蚀量减少了631.90万t,减幅达29.01%,相对于其他流域,修水流域土壤保持较好。按照土壤侵蚀模数,1990年和2000年鄱阳湖流域五大子流域土壤侵蚀等级都属于Ⅱ级轻度侵蚀。根据土壤体积密度,计算了不同土壤侵蚀模数对应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达1.22mm,而到2000年,平均流失厚度增加到1.53mm,增幅达25.4%。若信江流域按照这个速度继续侵蚀,经过80多年后,整个信江流域将被侵蚀掉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虽小于1mm,其侵蚀强度不容忽视。2.2土壤侵蚀因子c、p因子的影响为研究鄱阳湖流域土壤侵蚀变化影响,分别统计了1990年和2000年通过遥感影像分类后的各种土地利用类型变化情况(见表6)。从表6中可以看出,草地、水田和湿地在减少,尤其是湿地从1990年的2466.02km2减少到2000年的1391.66km2,减少了43.57%,而建筑用地在大面积的增加,由1990年的2970.85km2增加到2000年的4403.68km2,增幅达48.23%。同时林地覆盖面积也增加了3.25%。在通用土壤流失方程中,土地利用类型的转变直接影响着植被与作物管理因子C和土壤保持措施因子P的取值,因此土地利用/覆盖变化直接影响着土壤侵蚀强度。由于USLE模型的参数因子中,如坡度坡长因子LS、土壤可蚀性因子K、降雨侵蚀因子R由于地形、土壤和气象因素属于自然因素,在短期内不会发生太大变化,无需变动。植被与作物管理因子C和土壤保持措施因子P通常决定着土壤侵蚀模数的高低,而且也是认为活动可以控制的因素,因此,C和P因子也成为衡量水土保持方案好坏,进行水土保持规划的依据。常用减少土壤侵蚀的方法有2种:坡改梯田或退耕还林,坡改梯田至少可以减少土壤侵蚀量的67%,退耕可将C因子从0.63降至0.014或0.003,尽管P因子可能从0.33升至0.80,其增幅相对于C因子的降幅可忽略,因此退耕还林可以减少土壤侵蚀量的90%以上。显然采用坡改梯田的措施效果有限,且大部分现有的陡坡耕作都采用等高耕作,因此退耕还林是较为可取的。在鄱阳湖流域,对于旱地,在条件适宜区域,最好改种经济效益高水土保持功能强的水田,对于坡耕地最好坡改梯或等高耕种,当坡度大于25°时坚决退耕还林。同时,要保护有林地和高密度草地,防止退化为疏林地和较低覆盖度的草地,甚至转化为裸地、裸岩,反之,最好对裸地、裸岩、草地,疏林地等侵蚀能力高的地类进行生态恢复,使其恢复成水土保持功能强的土地利用/覆盖类型。为了研究2个年份土壤侵蚀空间分布变化,将1990和2000年土壤侵蚀分布图进行叠置分析,计算了鄱阳湖流域2000年相对于1990年土壤侵蚀增幅,图3即为土壤侵蚀量增幅空间分布图。从图3可以看出,鄱阳湖流域2000年相对于1990年土壤侵蚀量呈现负增长的区域主要集中在鄱阳湖流域的北部和东南地区,而其他区域只有零星的点缀着负增长区。增幅最大的区域主要集中在鄱阳湖流域南部赣江上游和流域东部地区。将土壤侵蚀量增加幅度分布与1990年和2000年通用土壤流失