不同比例尺流域土壤侵蝕評(píng)估及其尺度效應(yīng)研究

1、 206 應(yīng)用基礎(chǔ) 與工程科學(xué)學(xué)報(bào) 表 3 不同比例尺下紙坊溝流域各侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的面積百分比 (% T able 3 A rea propo tion of each g rades of so il ero sion intensity for Zh ifanggou basin at d ifferen t sca les(% 微度 1級(jí) 1 20萬 1 5 萬 1 1 萬 0 . 0 21 . 7 20 . 3 輕度 2級(jí) 10 . 4 16 . 0 17 . 6 中度 3級(jí) 47 . 4 32 . 4 27 . 5 強(qiáng)度 4級(jí) 42 . 2 20 . 1 19 . 8 極強(qiáng)度 5級(jí) 0

2、. 0 9. 8 10 . 4 劇烈 6級(jí) 0. 0 0. 0 4. 4 V o.l 19 由表 3 可見 , 紙坊溝流域不同比例尺下的評(píng)估結(jié)果中 , 面積分布最廣的均為 3 級(jí)中度 侵蝕. 1 20萬比例尺下土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)較為集中 , 只有輕度、 中度和強(qiáng)度 3 種土壤侵蝕 強(qiáng)度等級(jí)類型; 在 1 5 萬和 1 1 萬尺度 , 土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)類型明顯增多 , 出現(xiàn)了微度、 極 強(qiáng)度和劇烈等侵蝕強(qiáng)度類型, 而中度和強(qiáng)度侵蝕的面積百分比大大減少. 因此, 隨著比例 尺的增加, 同一區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度分布呈現(xiàn)多樣性的特征 , 這與小比例尺下體現(xiàn)概況、 大 比例尺下顯現(xiàn)細(xì)節(jié)的直觀特征是相符合的 .

3、 2 . 2 不同比例尺流域土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)估的尺度效應(yīng) 基于多比例尺紙坊溝流域的土壤侵蝕評(píng)估結(jié)果, 根據(jù)式 ( 2 計(jì)算得到 , 紙坊溝流域在 1 20 萬、 1 5 萬以及 1 1 萬比例尺下的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布特征指數(shù) H 分別為 1 . 04 、 1 . 33 和 2 . 42 . 紙坊溝流域不同比例尺下的土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布特征指數(shù) H 隨著比例尺的增大 而增大 , 1 5 萬和 1 1 萬比例尺下的 H 值較 1 20 萬有較大增幅, 說明大比例尺下評(píng)估結(jié) 果中土壤侵蝕強(qiáng)度不同等級(jí)之間面積分配的均勻性遠(yuǎn)高于小比例尺水平 , 評(píng)估結(jié)果中對(duì) 次要強(qiáng)度等級(jí)類型的描述能力增強(qiáng), 評(píng)估結(jié)果所

4、包含的信息量也增多 . 因此, 選用小比例 尺對(duì)研究區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估會(huì)造成強(qiáng)度等級(jí)類型多樣性信息的損失, 從而使得 評(píng)估結(jié)果呈現(xiàn)均質(zhì)化特征 , 這與 1 20萬比例尺下僅包含微度、 輕度和中度 3 種土壤侵蝕 強(qiáng)度等級(jí), 而 1 5 萬和 1 1 萬比例尺下分別有 5 種和 6 種土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的情況相一 致 . 相比表 3 數(shù)據(jù)量過大, 分布特征指數(shù) H 則可以更為直觀地描述不同比例尺下評(píng)估結(jié) 果中土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布的均質(zhì)性 特征, 同時(shí)還可以反映評(píng)估 結(jié)果所包含信息量的 大小. 2 . 3 不同環(huán)境因子對(duì)土壤侵蝕評(píng)估的影響 紙坊溝流域不同比例尺流域土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)估的尺度效應(yīng)是氣

5、候、 地形、 土壤和植 被 /土 地利用等多個(gè)環(huán)境因子綜合影響下的結(jié)果, 為了篩選出對(duì)土壤侵蝕評(píng)估影響最大的 環(huán)境因子, 利用情景分析法 , 計(jì)算得到了地形、 植被和土壤各環(huán)境因子比例尺由 1 1 萬變 為 1 5萬和 1 20 萬時(shí), 較 1 1 萬比例尺下的紙坊溝流域土壤侵蝕評(píng)估結(jié)果的誤差平均 增幅, 結(jié)果如圖 4 所示 . 由圖 4 可見, 各因子比例尺由 1 1 萬變?yōu)?1 20萬所產(chǎn)生的誤差增幅均高于由 1 1 萬 變?yōu)?1 5 萬的變化幅度 , 在地形、 植被和土壤 3 個(gè)因子中, 當(dāng)比例尺由 1 1 萬變?yōu)?1 5 萬 和 1 20萬時(shí), 侵蝕評(píng)估結(jié)果因地形因子數(shù)據(jù)比例尺的改變所

6、產(chǎn)生的誤差增幅均為最大, 地形因子對(duì)紙坊溝流域土壤侵蝕評(píng)估的影響最大. 紙坊溝流域?qū)儆谇鹆隃羡謪^(qū), 該區(qū)域溝多溝密、 地形破碎度高 , 地表起伏大, 地形特征 Supp lem ent 楊 琴等 : 不同比例尺流域土壤侵蝕評(píng)估及其尺度效應(yīng)研究 207 變異明 顯. 隨 著 地形 因 子 數(shù)據(jù) 源 DEM 分辨率的降低, 紙坊溝局部地 區(qū)的地形特征被掩蓋 , 造成地形失 真 , 導(dǎo)致該區(qū)域溝多溝密的地形破 碎信息喪失 , 具體表現(xiàn)為描述地形 破碎程 度的溝壑 密度結(jié)果 的大幅 降低. 同時(shí), 低精度 DEM 還會(huì)導(dǎo)致 大量陡坡信息的消失 , 坡度呈現(xiàn)平 緩化特征. 上述分析表明, DEM 數(shù) 據(jù)

7、精度 的降低不 利于土壤 侵蝕強(qiáng) 度的評(píng)估. 因此, 在土壤侵蝕評(píng)估尺度效 應(yīng)研究中, 建議優(yōu)先考慮地形因子 比例尺 的改變對(duì) 土壤侵蝕 評(píng)估的 影響. 圖 4 單一環(huán)境因子比例 尺改變較 1 1 萬紙坊溝流域 土壤侵蝕評(píng)估結(jié)果 的誤差平均增幅 F ig . 4 A verage g row th ra te o f error for each env ironm enta l due to propo rtiona l sca le changes compared w ith 1 10 000 in Zh ifanggou Basin 3 結(jié)論 本 文以黃河 流域中具 有典型 地貌特征的

8、紙坊溝小流域?yàn)檠芯繉?duì)象 , 利用土壤侵蝕快速評(píng)估法得到了該區(qū)域在 1 20 萬、 1 5 萬以及 1 1 萬 3 種不同比例尺下的土壤侵蝕強(qiáng)度結(jié)果 . 通過計(jì)算土壤侵蝕強(qiáng)度等 級(jí)分布特征指數(shù) H 和情景分析法 , 研究得到土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布的均質(zhì)性特征隨比例 尺改變的變化規(guī)律, 以及不同環(huán)境因子 (如地形、 植被、 土壤等 比例尺改變對(duì)土壤侵蝕評(píng) 估產(chǎn)生的影響, 如下所述: ( 1 紙坊溝流域不同比例尺下的評(píng)估結(jié)果中 , 面積分布最廣的均為中度侵蝕, 比例尺 越大, 評(píng)估結(jié)果所包含的最小圖斑數(shù)越多 , 當(dāng)比例尺由 1 20 萬變?yōu)?1 1 萬 , 評(píng)估結(jié)果的 最小圖斑數(shù)由 3 個(gè)增加到 89

9、8 個(gè) ; ( 2 當(dāng)比例尺由 1 20 萬變?yōu)?1 1 萬, 土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)分布特征指數(shù) H 由 1 . 04 增 加為 2 . 42, 土壤侵蝕強(qiáng)度不同等級(jí)之間面積分配的均勻性趨于增加, 評(píng)估結(jié)果所包含的 信息量也增多; ( 3 保持其它因子不變的情況下 , 僅分別替換 1 1 萬、 1 5萬和 1 20 萬 3 種比例尺下 的 DEM、 土壤類型以及土地利用數(shù)據(jù), 地形因子數(shù)據(jù)比例尺的改變對(duì)紙坊溝流域土壤侵 蝕評(píng)估的影響最明顯 , 1 5 萬和 1 20 萬比例尺下的地形因子 , 使侵蝕強(qiáng)度等級(jí)結(jié)果的誤 差分別增加了 18 . 1 % 和 23 . 3 % . 因此在土壤侵蝕評(píng)估尺度效

10、應(yīng)研究中, 建議優(yōu)先考慮地 形因子比例尺的改變對(duì)土壤侵蝕評(píng)估的影響. 在獲取研究區(qū)域更多比例尺數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 , 利用本文描述的尺度研究方法體系, 能夠 對(duì)研究區(qū)域土壤侵蝕相關(guān)環(huán)境因子的尺度效應(yīng)進(jìn)行深入詳實(shí)的分析, 從而為土壤侵蝕治 理與水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù). 208 應(yīng)用基礎(chǔ) 與工程科學(xué)學(xué)報(bào) V o.l 19 參考文獻(xiàn) 1 2 3 4 5 K irkbyM J , I m eson A C, Bergkam p G, et a. l S caling up processes and m odels from the f ield p lot to th e w atershed and

11、reg ional areas J . Journ al of Soil and W ater Con servation , 1996, 5 : 391 -396 d eV ente J , Poesen J . Pred ict ing soi l erosion and sed i m en t yield at th e basin scale : scale issues and sem i quan titative m odels J . Earth -Science R eview s , 2005 , 71 : 95-125 Easton Z M, Fuka D R, W a

12、lter M T, et a. l Re -conceptualizing th e so il and w ater assess m en t tool( S W AT m odel to p red ict runoff from variab le source areas J . Journal of H ydrology, 2008, 348 , (3 -4 : 279-291 R aclot D, A lb ergel J . R unoff and w ater eros ion m od elling using W EPP on a M ed iterranean cu l

13、t ivated catch m en t J . Phys ics and C hem istry of the E arth , 2006, 31( 17 : 1038 -1047 王 飛 , 李 銳 , 楊勤科 , 等. 水土流失研究中尺度效應(yīng)及其機(jī)理分析 J. 水土保持學(xué)報(bào) , 2003, 17( 2 : 167 -169 W ang Fe, i L iRu , i Y ang Q inke, et a. l E ffect of scale and its m ech an ism in so il and w ater loss research J . Journal of So

14、 il and W ater C onservati ion , 2003 , 17 ( 2 : 167-169 6 李紅艷, 薛 安 , 韓 鵬 . 基于尺度分析的流域土壤侵蝕評(píng)估進(jìn)展與探討 J . 人民黃河 , 2007, 29( 5 : 50 -51, 63 L iH ongyan , X ue A n, H an Peng. R eview on soil erosion assess m en t of basin based on scale ana lysis J . Y ellow R iver , 2007 , 29 ( 5 : 50 -51 , 63 7 楊勤科, 趙牡丹

15、, 劉詠梅 , 等 . DEM 與區(qū)域土壤侵蝕地形因子研究 J . 地理信息世界 , 2009 , ( 1 : 25-31 , 45 Y ang Q ink e , Zhao M ud an , Liu Y ongm e, i et a. l A pp lication of DEM s in regional soil eros ion m od eling J . G eom at ics W orld , 2009 , ( 1 : 25 -31 , 45 8 劉新華, 張曉萍 , 楊勤科 , 等 . 不同尺度下影響水土流失地形因子 指標(biāo)的分析 與選取 J . 西北農(nóng)林 科技大學(xué) 學(xué) 報(bào)

16、( 自然科學(xué)版 , 2004 , 32( 6 : 107 -111 L iu X inhu a , Zhang X iaoping, Y ang Q inke , et a.l A nalys is and select ion of topograph ical ind ices influencing so il loss on d ifferent scales J . Jou rnal of N orthw est S ci tech U n iversity of A gricu ltu re and Fores try( N atural S cien ce Ed ition ,

17、2004 , 32 ( 6 : 107-111 9 湯國(guó)安, 陳 楠 , 劉詠梅 , 等 . 黃土丘陵溝壑區(qū) 1 1 萬及 1 5 萬 比例尺 D E M 地 形信息容 量對(duì)比 J . 水土保持 通 報(bào), 2001 , 21 ( 2 : 34-36 Tang Gu oan, Chen N an, L iu Y ongm e, i et a.l A com parison on digital terrain m odels of d if feren t scales in Loess H ill and G u lly area J . Bu llet in of Soil andW ate

18、r Con servation , 2001 , 21( 2 : 34 -36 10 趙幫元 , 喻權(quán)剛 , 馬紅斌 , 等 . 不同比例尺數(shù)字高程模型在水土保持信息提取中的應(yīng)用分 析 J . 中國(guó)水土保 持 , 2004 , 2: 33-35 Zh ao Bangyuan , Y u Q uangang, M aH ongb in, et a.l A nalys is on app lication of d igital elevation m odel w ith d ifferen t sca les in in for m ation collection of soil and w

19、 ater conservat ion J. Soil and W ater Con servation Ch ina, 2004 , 2 : 33 -35 11 12 R ensch ler C S, H arbor J . S oil erosion assessm ent tools from po int to region al scales -the role of geom orphologists in land m anagem en t research and i m p lem en tat ion J . G eom orphology, 2002, 47( 2 -4

20、 : 189 -209 邱 揚(yáng) , 傅伯杰 . 異質(zhì)景觀中水土流失的空間變異與尺度變異 J . 生態(tài)學(xué)報(bào), 2004 , 24 ( 2 : 330-337 Q iu Y ang, Fu Bo jie. Sp at ial variat ion and scale variation in soil and w ater loss in heterogen eous landscape: A review J . A cta E cologica S in ica , 2004, 24( 2 : 330-337 13 倪晉仁 , 方 圓 . 濕地泥 沙環(huán) 境動(dòng) 態(tài)評(píng) 估方法 及其 應(yīng)用 研究 6

21、65 -669 N i J inren, Fang Y uan. D ynam ic environm en tal assessm ent for w et land sed i m en ts C ircum stant iae , 2000, 20 ( 6 : 665-669 14 15 16 N i J R, L i Y K. A pproach to soil erosion assess m en t in ter m s of land -use structu re changes J . Journal of Soil and W ater Con servation , 2

22、003 , 58 : 158-169 Liu R Z, N i J R, B orthw ick A l istair G L, et a. l R ap id zon at ion of ab rupt m ass movem en t h azard . Part J . G eomorphology, 2006, 80 : 226 -235 倪晉仁 , 李秀霞 . 基于最小圖斑的土壤侵蝕快速評(píng)估方法 J . 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào) , 2007 , 15 ( 4 : 425-434 N i J inren, L i X iuxia . R ap id assess m en t of s

23、o il erosion based on m in i m um polygon s J . Jou rnal of Basic Science and Engin eering, 2007 , 15 ( 4 : 425-434 17 N i J R, Li X X, Borthw ick A G L. Soil eros ion assess m en t based on m in i m um polygons in theY ellow R iver B as in , C h ina : A ppl icat ion s ( Theory J . A cta S cien tiae

24、 ( 理論 J . 環(huán) 境科 學(xué)學(xué) 報(bào), 2000, 20 ( 6 : Supp lem ent 楊 琴等 : 不同比例尺流域土壤侵蝕評(píng)估及其尺度效應(yīng)研究 209 J . G eomorphology, 2008, 93 : 233 -252 18 李秀霞 . 基于最小圖斑的流域土壤侵蝕快速評(píng)估模型與應(yīng)用 D . 北京 : 北京 大學(xué)環(huán)境科學(xué) 與工程學(xué)院博士 論 文, 2008 L i X iuxia . R apid so il eros ion assess m en t m odel based on m in i m um polygons for w atersh ed and it

25、s applicat ions D . Bei jing C ollege of Env iron m en tal Science and Engin eering , Pek ing U n iversity , 2008 19 20 21 Shannon C E. A mathem atical theory of comm unicat ion J . The Bell System Techn ical Jou rna, l 1948 , 27 : 379-423 Shannon C E. The m athem atical th eory of comm un icat ion

26、. In : The m athem atical th eory of comm unicat ion M . U r b ana, Illinois : U n iversity of Ill inois Saaty T L. The an alytic h ierarchy p rocess M . N ew Y ork : M cG raw-H il, l 1980 Soil Erosion A ssessm ent under Various Scales and Scale Effects YANG Q in, SUN Jinshu, i L I T ianhong ( K ey

27、Laboratory ofW ater and Sed i m en t S cience , M in is try of Educat ion, Pek ing U n iversity , Beij ing 100871 , Ch ina Abstract Soil erosio n in tensity o f Zhifanggou basin , a sm all sub - catchm ent of Y ellow R iver basin , w as assessed w ith rap id so il erosion assessm ent m ode, l under

28、three proportiona l sca les o f 1 200 000 , 1 50 000 and 1 10 000 respect iv e ly based on unit o f m in i mu m po ly gon . So il erosion scale effect w as perfor m ed by com paring and analyzing a variety o f so il erosion assessm ent results under different env ironm ental factors o f d ifferent p

29、roportional sca les , then quantitative stud ies for the in f lu ence of sing le environm enta l factor w ere perform ed w ith scenario ana lysis m e th od . The assessm ent results ind icates the average in tensity erosion owns the broadest d istribution in area . W hen the propo rtional sca le changed from 1 200 000 to 1 10 000 , the num ber o f m ini m um polygons in the assess m ent results increased from 3 to 898, and rank ing d istribution e ig en index increased from 1 . 04