漾濞江流域土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng)

1、    漾濞江流域土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng)         摘要：采用3S(RS、GIS、GPS)技術(shù)手段，獲取漾濞江流域土地利用空間數(shù)據(jù)，采用地理信息系統(tǒng)空間分析與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析相結(jié)合的方法，對(duì)漾濞江流域土地利用圖進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換和地圖代數(shù)運(yùn)算，形成具有復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的新的柵格數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，獲得研究時(shí)段內(nèi)土地利用變化的轉(zhuǎn)移矩陣以及各地類的土壤侵蝕數(shù)據(jù)。通過對(duì)不同土地利用類型的土壤侵蝕程度及其變化進(jìn)行分析確認(rèn)，結(jié)果表明：耕地、林地和草地對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度變化的影響較大，土地利

2、用類型向林地、草地類型的轉(zhuǎn)化有利于減輕土壤侵蝕強(qiáng)度，而向耕地類型的轉(zhuǎn)化則加重土壤侵蝕強(qiáng)度。關(guān)鍵詞：漾濞江流域，土地利用，土壤侵蝕效應(yīng)，3S技術(shù)近年來(lái)，土地利用土地覆被變化(LUCC)的環(huán)境效應(yīng)研究成為L(zhǎng)UCC領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外較早的研究主要集中在區(qū)域土地利用土地覆被變化的氣候和水文效應(yīng)方面。而最近開展的研究集中在區(qū)域土地利用土地覆被變化與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和碳循環(huán)、生態(tài)效應(yīng)、洪水、陸地碳沉積、水鹽平衡的關(guān)系等方面。以大流域?yàn)檠芯繉?duì)象進(jìn)行土地利用及其變化對(duì)土壤侵蝕的影響研究，探討同時(shí)空土地利用及其變化的土壤侵蝕效應(yīng)機(jī)理是此類研究的核心，也是難點(diǎn)。本文擬在這一領(lǐng)域作進(jìn)一步探索。土壤侵蝕效應(yīng)是環(huán)境效

3、應(yīng)的一種。土壤侵蝕的產(chǎn)生與地形、土壤質(zhì)地、氣候和土地利用地表覆蓋等有密切關(guān)系。在一個(gè)確定的研究區(qū)域和時(shí)間尺度內(nèi)，地形、土壤質(zhì)地、氣候因素相對(duì)穩(wěn)定，而土地利用地表覆蓋則容易產(chǎn)生變化，尤其在人為干擾強(qiáng)度較大的地方。因此，研究土地利用地表覆蓋變化的土壤侵蝕效應(yīng)在理論上具有重要意義。漾濞江流域?yàn)闉憸娼?，屬小流域范疇。在其綜合利用規(guī)劃中，已建和將建的水電站分布有14級(jí)之多。因此流域內(nèi)土壤侵蝕狀況及其變化將對(duì)漾濞江流域及其下游河段的泥沙含量和水電站的使用效率及安全產(chǎn)生巨大影響。本文采用3S技術(shù)手段，以定量方法對(duì)漾濞江流域土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng)展開研究，為小流域的合理開發(fā)和生態(tài)治理提供科學(xué)依據(jù)。1

4、研究區(qū)概況與資料來(lái)源1.1 研究區(qū)的確定及其自然地理概況研究區(qū)邊界依自然流域(集水區(qū))而定，以等比例數(shù)字高程模型(DEM)和相應(yīng)比例尺的水系圖為底圖，在相關(guān)GIS軟件支持下準(zhǔn)確描繪獲得。流域面積為435288hm2。區(qū)內(nèi)兼有滇西高原河谷和滇西北高山峽谷的地貌特征。在低緯度高海拔地理?xiàng)l件綜合影響下，形成了低緯高原季風(fēng)氣候，具有四季溫差小、干濕季分明、光照充足、垂直差異顯著的氣候特點(diǎn)。土壤類型主要以紫色土(系統(tǒng)分類名：紫色濕潤(rùn)雛形土)、棕壤(系統(tǒng)分類名：簡(jiǎn)育濕潤(rùn)雛形土)、紅壤(系統(tǒng)分類名：富鋁濕潤(rùn)富鐵土)、水稻土(系統(tǒng)分類名：潛育水耕人為土)為主，其中紫色土、紅壤和水稻土在海拔14002800m分

5、布，為研究區(qū)的人類活動(dòng)中心，土地利用變化主要集中在這一區(qū)域；棕壤則分布在海拔2800m以上，該區(qū)受人類干擾較少，以針闊混交林等自然植被為主。研究區(qū)涉及60萬(wàn)人口，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主。1.2 資料來(lái)源(1)TM和ETM影像。選用1990年11月7日的TM影像和2001年11月26日的ETM影像作為土地利用實(shí)地資料的信息來(lái)源，分辨率為30m。以與之匹配的相應(yīng)比例數(shù)字地形圖為幾何校正數(shù)據(jù)源。(2)以來(lái)源于地方政府部門的研究區(qū)內(nèi)不同時(shí)期的土地利用和植被分布背景資料作為衛(wèi)星影像解譯的參考底圖。(3)衛(wèi)星影像解譯所需地面控制點(diǎn)(GCP)由野外考察實(shí)時(shí)獲取。(4)土壤侵蝕資料采用水利部頒布的土壤侵蝕強(qiáng)度

6、計(jì)算方法，以衛(wèi)星影像30m分辨率為精度標(biāo)準(zhǔn)，分別獲取2個(gè)研究時(shí)段部頒標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過疊加分析獲取研究時(shí)段的土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)。2 研究方法運(yùn)用野外實(shí)地獲取的GPS地面控制點(diǎn)，結(jié)合收集的參考用土地利用和植被底圖，對(duì)研究區(qū)1990年和2001年的衛(wèi)星影像進(jìn)行解譯，從而獲取研究區(qū)2個(gè)研究時(shí)段的土地利用GIS數(shù)據(jù)。根據(jù)土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程和大理州土地利用現(xiàn)狀分類系統(tǒng)，并考慮遙感影像的解譯精度，將研究區(qū)土地利用類型分為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居民及工礦用地和未利用地6個(gè)類型。土地利用數(shù)據(jù)分析主要從土地利用類型數(shù)量變化、程度變化、土地利用類型間的相互轉(zhuǎn)化3個(gè)方面入手。運(yùn)用土地利用變化轉(zhuǎn)移矩

7、陣、綜合土地利用動(dòng)態(tài)度、土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)分析說(shuō)明研究區(qū)土地利用變化的土壤侵蝕效應(yīng)。3個(gè)指數(shù)的計(jì)算方法為：(1)土地利用變化轉(zhuǎn)移矩陣：能夠反映各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化定量關(guān)系，它的確定可根據(jù)地圖代數(shù)原理，對(duì)1990年和2001年2期土地利用GIS數(shù)據(jù)Ak和Ak+1，采用地圖代數(shù)方法Cij=Akij×10+Ak+1ij(土地利用類型<10時(shí)適用)，求得由1990年到2001年的土地利用類型轉(zhuǎn)化分布圖，據(jù)此進(jìn)一步求得反映土地利用類型的轉(zhuǎn)移矩陣，以此分析土地利用的時(shí)空變化。(2)綜合土地利用動(dòng)態(tài)度：可表達(dá)研究區(qū)一定時(shí)間范圍內(nèi)土地利用類型及其數(shù)量變化情況，它綜合考慮研究時(shí)段內(nèi)土地利用類型

8、間的轉(zhuǎn)換，著眼于變化的過程而不是變化的結(jié)果，從而反映區(qū)域土地利用變化的劇烈程度，在不同空間尺度上找出土地利用變化的熱點(diǎn)區(qū)域，其表達(dá)式為：式(1)中，Li為監(jiān)測(cè)開始時(shí)i類土地利用類型面積，hm2；Li-j是監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)i類土地利用類型轉(zhuǎn)化為非i類土地利用類型面積的絕對(duì)值，hm2；T為監(jiān)測(cè)時(shí)段長(zhǎng)，a。(3)土地侵蝕強(qiáng)度指數(shù)：依據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190-96土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在GIS軟件支持下獲取研究區(qū)與衛(wèi)星影像相同分辨率的土壤侵蝕強(qiáng)度GIS數(shù)據(jù)。通過計(jì)算各土地利用地塊上的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)Ej來(lái)反映其土壤侵蝕程度。Ej越大，表明土壤侵蝕越強(qiáng)，反之則越弱，其表達(dá)式為：式(2)中，Ej為j單

9、元的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)；Ci為j單元i類土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)值；Ai為j單元i類土壤侵蝕面積，hm2；Sj為j單元所占的土地面積，hm2；n為j單元土壤侵蝕的類型總數(shù)。為了方便統(tǒng)計(jì)分析，將Ej擴(kuò)大100倍。其中，Ci值視微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕、劇烈侵蝕等級(jí)的不同分別取值為1、2、3、4、5、6。選用中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL190-96土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算方法。該標(biāo)準(zhǔn)中涉及的指標(biāo)數(shù)據(jù)均可以與土地利用數(shù)據(jù)源的時(shí)空尺度同步獲取，并且可以在GIS軟件中實(shí)現(xiàn)，從而解決了以往研究中存在的土地利用及其變化與土壤侵蝕強(qiáng)度及其變化的時(shí)空尺度不一致的問題，實(shí)現(xiàn)了2者

10、之間的時(shí)空聯(lián)動(dòng)。利用GIS軟件的空間疊加功能，將土地利用變化數(shù)據(jù)與土壤侵蝕變化數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，生成土地利用變化土壤侵蝕強(qiáng)度變化數(shù)據(jù)層。在疊加過程中保留各疊加數(shù)據(jù)的原始完整柵格屬性，由此得到各用地類型發(fā)生變化地塊上具體的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)及其變化值。分別統(tǒng)計(jì)各用地類型向其他類型轉(zhuǎn)移時(shí)其土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)的變化數(shù)據(jù)，從而建立起土地利用及其變化與土壤侵蝕強(qiáng)度及其變化之間的定量研究關(guān)系。3 結(jié)果與討論3.1 土地利用及其變化研究區(qū)1990-2001年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣見表1。2001年，研究區(qū)耕地面積為60028hm2，占研究區(qū)總面積的13.79%；林地面積為324802hm2，占74.62%；草地面積為40

11、684hm2，占9.35%；水域面積為4717hm2，占1.08%；城鄉(xiāng)居民及工礦用地4265hm2，占0.98%；未利用地為792hm2，占0.18%。與1990年的土地利用類型相比，2001年城鄉(xiāng)居民及工礦用地增加是整個(gè)研究區(qū)土地利用變化最為顯著的特點(diǎn)，共增加了1291hm2，增加比例為43.41%；草地面積大幅度減少，達(dá)到4015hm2，減少比例為8.98%；林地面積增加2791hm2，增加比例為0.87%；耕地面積變化不顯著，減少了271hm2，減少比例為0.45%；水域面積增加204hm2，增加比例為4.52%；未利用地沒有變化?？傮w上，整個(gè)研究區(qū)土地利用變化速度較快，綜合土地利用動(dòng)

12、態(tài)度指數(shù)達(dá)到0.77。轉(zhuǎn)化幅度較大的土地利用類型及其轉(zhuǎn)化方向?yàn)椋焊刂饕D(zhuǎn)化為林地和草地，少量轉(zhuǎn)化為水域；林地主要轉(zhuǎn)化為草地和耕地；草地主要轉(zhuǎn)化為林地和耕地；水域主要轉(zhuǎn)化為耕地，少量轉(zhuǎn)化為草地；而城鄉(xiāng)居民及工礦用地則主要由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，另外有少量林地和草地也轉(zhuǎn)化為城鄉(xiāng)居民及工礦用地。3.2 土壤侵蝕強(qiáng)度及其變化研究區(qū)1990、2001年土壤侵蝕強(qiáng)度與面積分布見表2。在研究的時(shí)間尺度內(nèi)，微度侵蝕、輕度侵蝕和中度侵蝕是研究區(qū)的主要侵蝕強(qiáng)度類型，1990、2001年其面積分別占整個(gè)研究區(qū)的95.29%、95.37%；強(qiáng)度、極強(qiáng)度和劇烈侵蝕類型較少，不到5%。1990年到2001年，研究區(qū)輕度以上土壤

13、侵蝕面積從275866hm2減少到247281hm2，輕度以上土壤侵蝕面積隨著侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的增加依次遞減，其面積從大到小排列順序?yàn)椋狠p度侵蝕>中度侵蝕>強(qiáng)度侵蝕>極強(qiáng)度侵蝕>劇烈侵蝕。 從整個(gè)研究區(qū)各土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)在19902001年面積的變化量來(lái)看，微度侵蝕和輕度侵蝕面積絕對(duì)量變化最明顯。微度侵蝕面積增加28585hm2，所占比例增幅為6.57百分點(diǎn)；輕度侵蝕面積減少了28247hm2。中度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕面積呈現(xiàn)不同程度的凈增加。從土壤侵蝕面積所占比例變化絕對(duì)值來(lái)看，以微度侵蝕和輕度侵蝕面積比例變化較大。盡管強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕的面積

14、有所變化，但其所占比例的變化卻很小。運(yùn)用獲得的數(shù)據(jù)，參考金沙江流域土壤侵蝕變化研究中的計(jì)算方法，對(duì)1990年和2001年研究區(qū)土壤侵蝕量和平均侵蝕模數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。由表3可知，研究區(qū)侵蝕量和侵蝕模數(shù)都在減小，侵蝕量由1990年的7967561t減少到2001年的7526462t，侵蝕模數(shù)由1830t·km-2·a-1降低到1729t·km-2·a-1。在研究的時(shí)間尺度內(nèi)，微度、中度、極強(qiáng)度和劇烈侵蝕的侵蝕量有所增加，尤以微度侵蝕所占比例增加幅度最大，達(dá)1.49百分點(diǎn)；以輕度侵蝕的侵蝕量所占比例減少最多，減幅達(dá)4.31百分點(diǎn)；輕度、中度和強(qiáng)度侵蝕是

15、整個(gè)研究區(qū)侵蝕量的主要來(lái)源，1990年為總侵蝕量的90.03%，2001年為總侵蝕量的88.21%。總體來(lái)看，研究區(qū)輕度以上土壤侵蝕面積、總侵蝕模數(shù)、總侵蝕量在研究時(shí)間尺度內(nèi)部分呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，而微度侵蝕面積有了大幅度增加；同時(shí)輕度侵蝕轉(zhuǎn)化為微度侵蝕趨勢(shì)最明顯，表明研究區(qū)土壤侵蝕狀況總體上朝著良性的方向發(fā)展，采取的水土保持措施和生態(tài)建設(shè)的水保效益已初見成效，土壤侵蝕的治理工作已經(jīng)取得了一定進(jìn)展；從侵蝕強(qiáng)度類型的分布來(lái)看，輕度和中度侵蝕所產(chǎn)生的侵蝕量占總侵蝕量比例最大，表明研究區(qū)目前的治理重點(diǎn)是要加快輕度和中度侵蝕的治理工作。3.3 土地利用變化引起的土壤侵蝕效應(yīng)通過對(duì)每個(gè)土地利用類型及其變化與

16、土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)在空間上的定位，利用GIS柵格屬性表數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)每類土地利用類型變化時(shí)土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)(Ej)的相應(yīng)變化，來(lái)定量分析土地利用變化引起的土壤侵蝕效應(yīng)的變化。因城鄉(xiāng)居民及工礦用地；未利用地未發(fā)生轉(zhuǎn)出現(xiàn)象，侵蝕強(qiáng)度指數(shù)沒有發(fā)生變化，所以分析只涉及研究區(qū)的耕地、林地、草地和水域變化區(qū)4個(gè)單元。這4個(gè)單元變化所引起的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)變化見表4。侵蝕強(qiáng)度變化主要發(fā)生在水域到耕地、水域到草地的轉(zhuǎn)化過程中，侵蝕強(qiáng)度指數(shù)均呈增加趨勢(shì)，但轉(zhuǎn)化面積很小，對(duì)整個(gè)研究區(qū)土壤侵蝕影響不大。4 結(jié)論(1)運(yùn)用SL190-96土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的土壤侵蝕強(qiáng)度計(jì)算方法，較好地解決了土地利用與土壤侵蝕強(qiáng)度變化研究中的時(shí)空一致性問題。同時(shí)土地利用及其變化與土壤侵蝕強(qiáng)度及其變化間的定量研究結(jié)果也較好地反映了研究區(qū)的變化狀況。(2)研究區(qū)土地利用類型的轉(zhuǎn)化以耕地和林地間的相互轉(zhuǎn)化對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度變化影響最大?？傮w上看，耕地向林地、草地的轉(zhuǎn)化，草地向林地的轉(zhuǎn)化減輕了土壤侵蝕的程度，其中以耕地向林地、草地的轉(zhuǎn)化表現(xiàn)最明顯；林地轉(zhuǎn)化為耕地、草地轉(zhuǎn)化為耕地、林地轉(zhuǎn)化為草地加劇了土壤侵蝕的程度，前兩者表現(xiàn)最為顯著。(3)研究結(jié)果反映出