基于GIS技術(shù)分析不同土地利用對(duì)土壤侵蝕的影響,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文

基于GIS技術(shù)分析不同土地利用對(duì)土壤侵蝕的影響,農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)科學(xué)論文土壤侵蝕引起土地退化、土壤肥力下降、泥沙淤積和生態(tài)環(huán)境惡化等問(wèn)題,被視為世界三大環(huán)境問(wèn)題之一.它的產(chǎn)生包括氣候、地形等自然因素和土地利用等人為因素共同作用下而構(gòu)成,查軒等學(xué)者通過(guò)分析坡度坡向等地形因子及植被與土壤侵蝕關(guān)系,得出土壤侵蝕很大程度上取決于植被因素,坡度坡向與高度也是不可忽視的因素[1-3],邸利和王晗等學(xué)者通過(guò)研究土地利用與土壤侵蝕關(guān)系,分析出土地利用變化及類型對(duì)土壤侵蝕影響較大[4-5].土壤侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)空經(jīng)過(guò),若氣象條件一樣,土地利用的類型組成、空間配置等土地利用格局就成為土壤侵蝕的主控因子之一[6].土地利用/覆蓋會(huì)引起眾多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,在生態(tài)環(huán)境脆弱的山地生態(tài)系統(tǒng)愈加顯著[7].文中選取地處亞熱帶山區(qū),且具有典型性和代表性的粵北山區(qū)的樂(lè)昌市廊田鎮(zhèn)南部山區(qū)作為研究對(duì)象,在GIS與RS技術(shù)支持下,對(duì)不同土地利用/覆蓋背景下的土壤侵蝕狀況進(jìn)行分析,進(jìn)而能夠更好的把握土地利用/覆蓋與土壤侵蝕的關(guān)系,為研究土地利用類型對(duì)土壤侵蝕的影響等提供根據(jù),以便有效治理粵北山區(qū)的土壤侵蝕等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題和為區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)根據(jù).1材料與研究方式方法1.1研究區(qū)大概情況研究區(qū)位于廣東樂(lè)昌市東南部,三面臨山,武江河一級(jí)支流廊田河貫穿北部,總面積為4748.34hm,東連仁化縣,南接曲江區(qū)、與長(zhǎng)來(lái)鎮(zhèn)、樂(lè)城和五山鎮(zhèn)相鄰,是粵北地區(qū)兩省五縣九鎮(zhèn)物質(zhì)溝通集散地之一(圖1).山地丘陵面積廣,平原狹小,地勢(shì)從東南部向西北部遞減,地形破碎,地處中亞熱帶季風(fēng)氣候,年均氣溫19.6℃,降雨量1500mm,降水量的年內(nèi)變化也較大,降水年內(nèi)分配呈現(xiàn)弱雙峰式分布,降雨集中,降雨強(qiáng)度大.由于特殊的氣候地形地貌,為此研究區(qū)的土地利用類型主要以林地和耕地為主.1.2數(shù)據(jù)來(lái)源為了細(xì)致地反映亞熱帶山地土地利用類型與土壤侵蝕的關(guān)系情況,文中選取分辨率為10m的2018aSPOT多光譜影像圖作為土地利用類型和土壤侵蝕信息獲取的基本資料,并以研究區(qū)1:1萬(wàn)地形圖為基礎(chǔ)底圖,利用R2V軟件進(jìn)行數(shù)字化并標(biāo)高程值,以Arcgis9.3為依托,利用等高線生成DEM圖,再進(jìn)行提取坡度圖、坡向圖等地形因子,并且結(jié)合野外考察資料等為輔助分析資料.1.3土地利用信息的提取土地利用類型數(shù)據(jù)是通過(guò)遙感影像圖進(jìn)行目視判讀獲取.在判讀經(jīng)過(guò)中,充分利用地形地貌圖等輔助數(shù)據(jù),并進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證.根據(jù)研究區(qū)的土地利用類型特征、野外實(shí)地調(diào)查土地利用現(xiàn)在狀況、遙感分類的技術(shù)及二調(diào)土地利用類型分類標(biāo)準(zhǔn),確定研究區(qū)的土地利用類型劃分為耕地、園地、林地、草地、城鎮(zhèn)村及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他用地等8類型,解譯出的土地利用類型(圖2),并對(duì)各項(xiàng)土地利用類型的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1).1.4土壤侵蝕信息提取土壤侵蝕數(shù)據(jù)根據(jù)(全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查技術(shù)規(guī)程〕,并對(duì)研究區(qū)域的自然地理資料進(jìn)行收集、整理,結(jié)合流域的土壤類型、降雨、利用地形坡度、植被覆蓋度、土地利用等相關(guān)資料,結(jié)合野外調(diào)查資料,建立研究區(qū)地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù).華而不實(shí)植被覆蓋度先通過(guò)ERDASIMAGINE9.2中的NDVI(歸一化的植被指數(shù)),再進(jìn)行建模生成植被覆蓋度圖,研究區(qū)平均植被覆蓋度為58.38%,屬于中覆蓋區(qū),接近于高覆蓋(圖3).土壤侵蝕圖的提取,首先需要對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行分級(jí),土壤侵蝕強(qiáng)度根據(jù)水利部制定的全國(guó)第二次土壤侵蝕遙感調(diào)查土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(SL190-96)劃分為6個(gè)等級(jí)[8].根據(jù)水力侵蝕標(biāo)準(zhǔn),將土地利用、坡度和植被覆蓋度進(jìn)行編碼,生成土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖(圖4),并對(duì)各類土壤侵蝕面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2).2結(jié)果與分析2.1土地利用現(xiàn)在狀況從土地利用類型現(xiàn)在狀況圖來(lái)看,土地利用主要以林地和耕地為主,占總比例的60.51%和30.79%,其它用地僅僅8.7%.林地主要集中分布于東部和南部地區(qū),而耕地集中分布于西北部地區(qū),其他土地利用類型分布相對(duì)較為分散,詳細(xì)各種土地利用面積和比例狀況(表1).2.2土壤侵蝕程度土壤侵蝕程度分為無(wú)明顯侵蝕(微度侵蝕)、輕度侵蝕、中度侵蝕、強(qiáng)度侵蝕、極強(qiáng)度侵蝕和劇烈侵蝕共六種.由于無(wú)明顯侵蝕是屬于可允許侵蝕范圍之內(nèi),土壤侵蝕包括輕度侵蝕及以上的等級(jí),土壤侵蝕面積達(dá)1167.24hm,占總面積比重為24.58%,華而不實(shí)輕度侵蝕面積為772.43hm,占總侵蝕面積比重為66.17%,中度侵蝕為21.11%,強(qiáng)度及以上的為12.72%.研究區(qū)土壤侵蝕狀況(表2).2.3不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況利用ArcGis9.3中Arctoolbox工具中的空間overlay分析功能,將土地利用圖與土壤侵蝕圖進(jìn)行空間疊置,對(duì)不同土地利用狀況下的土壤侵蝕進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3).從表3能夠看出不同土地利用類型的土壤侵蝕絕對(duì)面積.除極強(qiáng)度侵蝕面積耕地最大外,林地的侵蝕面積均為最大,由林地本身所占的土地利用面積比例最大決定.從絕對(duì)面積來(lái)看,土地利用類型的面積大小一定程度上與土壤侵蝕面積大小呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,林地和耕地面積最大,其土壤侵蝕絕對(duì)面積也最大.但土壤侵蝕絕對(duì)面積只能反映量的大小,不能反映土壤侵蝕程度.為此,采用土壤侵蝕率(土壤侵蝕面積占該土地利用面積的百分?jǐn)?shù))來(lái)反映土壤侵蝕程度大小.研究區(qū)平均土壤侵蝕率為24.58%,華而不實(shí)城鎮(zhèn)村與工礦用地土壤侵蝕率高達(dá)42.21%,其次為其他土地(主要為裸土地)40.11%.草地(39.85%)、交通運(yùn)輸用地(33.93%)與耕地(28.48%)的土壤侵蝕率均高于平均土壤侵蝕率.林地(20.57%)、園地(24.08%)和水域及水利設(shè)施用地(24.42%)土壤侵蝕率低于平均土壤侵蝕率(表4和圖5).2.3不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況利用ArcGis9.3中Arctoolbox工具中的空間overlay分析功能,將土地利用圖與土壤侵蝕圖進(jìn)行空間疊置,對(duì)不同土地利用狀況下的土壤侵蝕進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3).從表3能夠看出不同土地利用類型的土壤侵蝕絕對(duì)面積.除極強(qiáng)度侵蝕面積耕地最大外,林地的侵蝕面積均為最大,由林地本身所占的土地利用面積比例最大決定.從絕對(duì)面積來(lái)看,土地利用類型的面積大小一定程度上與土壤侵蝕面積大小呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,林地和耕地面積最大,其土壤侵蝕絕對(duì)面積也最大.但土壤侵蝕絕對(duì)面積只能反映量的大小,不能反映土壤侵蝕程度.為此,采用土壤侵蝕率(土壤侵蝕面積占該土地利用面積的百分?jǐn)?shù))來(lái)反映土壤侵蝕程度大小.研究區(qū)平均土壤侵蝕率為24.58%,華而不實(shí)城鎮(zhèn)村與工礦用地土壤侵蝕率高達(dá)42.21%,其次為其他土地(主要為裸土地)40.11%.草地(39.85%)、交通運(yùn)輸用地(33.93%)與耕地(28.48%)的土壤侵蝕率均高于平均土壤侵蝕率.林地(20.57%)、園地(24.08%)和水域及水利設(shè)施用地(24.42%)土壤侵蝕率低于平均土壤侵蝕率(表4和圖5).土壤侵蝕程度能反映土壤侵蝕比重,但不能反映土壤侵蝕的強(qiáng)烈程度,為此引入土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)來(lái)反映不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度.土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù)是反映土壤侵蝕強(qiáng)度的一個(gè)綜合指標(biāo),選用楊存建等[9]提出的土壤侵蝕綜合指數(shù),該指標(biāo)的大小反映土壤受侵蝕的嚴(yán)重程度,可用土壤侵蝕的綜合指數(shù)(INDEX)來(lái)表示,其計(jì)算如下:式中:Wij代表第i類第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)值;Aij代表第i類第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的面積比重.不同土壤侵蝕類型的不同強(qiáng)度等級(jí)的分級(jí)值劃分如下:土壤侵蝕中的輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)和劇烈的分級(jí)值分別為2,4,6,8,10;分級(jí)值越高表示對(duì)土壤侵蝕的綜合指數(shù)的奉獻(xiàn)越大.根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù),計(jì)算出不同土地利用方式的土壤侵蝕綜合強(qiáng)度指數(shù)(表5和圖6).式中:Wij代表第i類第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)值;Aij代表第i類第j級(jí)的土壤侵蝕強(qiáng)度的面積比重.不同土壤侵蝕類型的不同強(qiáng)度等級(jí)的分級(jí)值劃分如下:土壤侵蝕中的輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)和劇烈的分級(jí)值分別為2,4,6,8,10;分級(jí)值越高表示對(duì)土壤侵蝕的綜合指數(shù)的奉獻(xiàn)越大.根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度綜合指數(shù),計(jì)算出不同土地利用方式的土壤侵蝕綜合強(qiáng)度指數(shù)(表5和圖6).和1.08.土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)最小的的為林地,僅僅為0.58,與林地土壤侵蝕率及土壤侵蝕強(qiáng)度較低均相關(guān).土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)與土壤侵蝕率和強(qiáng)度存在相關(guān)關(guān)系.對(duì)圖5和圖6進(jìn)行比擬,可以以發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕率與土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)大致一樣,但部分存在差異,如城鎮(zhèn)村與工礦用地的土壤侵蝕率最高,但土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)僅僅排第三.土壤侵蝕強(qiáng)度更能反映土壤侵蝕狀況及強(qiáng)度.3討論基于亞熱帶山地的較高植被覆蓋度(58.38%)和山地土地利用(以林地為主60.51%),以亞熱帶山地土地利用與土壤侵蝕關(guān)系為研究切入點(diǎn),從土壤侵蝕率與土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)分析不同土地利用類型的土壤侵蝕狀況.研究區(qū)平均土壤侵蝕率為24.58%,不同土地利用類型的土壤侵蝕率大小:城鎮(zhèn)村與工礦用地其他土地草地交通運(yùn)輸用地耕地水域及水利設(shè)施用地園地林地,不同土地利用類型對(duì)地外表擾動(dòng)不同,是造成植被覆蓋度差異的重要因素,植被覆蓋度是決定土壤侵蝕強(qiáng)弱的重要因素.不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)大小:其他土地草地城鎮(zhèn)村與工礦用地水域及水利設(shè)施用地耕地交通運(yùn)輸用地園地林地,土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)更能反映土壤侵蝕的強(qiáng)烈程度.土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)與土壤侵蝕率和強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系.亞熱帶山地土地利用與土壤侵蝕研究,盡管在野外勘查的基礎(chǔ)上,結(jié)合GIS與RS技術(shù)進(jìn)行土地利用與土壤侵蝕提取與統(tǒng)計(jì),但在詳細(xì)確定土壤侵蝕強(qiáng)度時(shí),顯得理由還不夠充分,還是以定性為主.因而應(yīng)增加定量檢測(cè)土壤侵蝕方面的數(shù)據(jù).因而建立合適亞熱帶山區(qū)不同尺度的土壤侵蝕模型,是實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕定量化的前提和基礎(chǔ).野外勘查經(jīng)過(guò)中,發(fā)現(xiàn)亞熱帶山區(qū)部分種植純桉樹(shù)等樹(shù)種.純桉林林下草灌退化,僅剩心土,構(gòu)成遠(yuǎn)看青山在,近看水土流的空中綠化現(xiàn)象,雖植被覆蓋度高,但林下水土流失較為嚴(yán)重.空中綠化現(xiàn)象是分析土壤侵蝕時(shí)值得進(jìn)一步考慮的問(wèn)題.亞熱帶山區(qū)土壤侵蝕率與土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)較高,提出應(yīng)優(yōu)化土地利用構(gòu)造,發(fā)展以林業(yè)為基礎(chǔ)的大農(nóng)業(yè),充分利于山區(qū)的優(yōu)勢(shì),選擇適宜的土地利用/覆被類型,開(kāi)展多種經(jīng)營(yíng),加大水土保持的力度,建設(shè)生態(tài)文明.4結(jié)論以多種信息源為基礎(chǔ),利用GIS和RS技術(shù),了解土壤侵蝕強(qiáng)度及分布特征,并通過(guò)與土地利用類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析,得出不同土地利用類型的土壤侵蝕強(qiáng)度與分布特征.(1)土地利用以高覆度的林地為主,土壤侵蝕率24.58%,根據(jù)侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),侵蝕強(qiáng)度以輕度為主,占總侵蝕面積的66.17%.林地和耕地土壤侵蝕面積最大,這與其本身所占比重大相關(guān),并不能反映有林地和耕地的土壤侵蝕強(qiáng)度.(2)選用土壤侵蝕率與土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)作為土壤侵蝕強(qiáng)度大小的指標(biāo).不同土地利用類型的土壤侵蝕率:城鎮(zhèn)村與工礦用地其他土地草地交通運(yùn)輸用地耕地水域及水利設(shè)施用地園地林地.土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)大小:其他土地草地城鎮(zhèn)村與工礦用地水域及水利設(shè)施用地耕地交通運(yùn)輸用地園地林地.土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)與土壤侵蝕率和強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系,但土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)更能反映土壤侵蝕的強(qiáng)烈程度.(3)土地利用/覆被是造成土壤侵蝕的重要原因之一,優(yōu)化土地利用構(gòu)造是土壤侵蝕的治理的重要途徑.針對(duì)土壤侵蝕率與土壤侵蝕強(qiáng)度指數(shù)較大,應(yīng)加強(qiáng)粵北山區(qū)水土流失治理力度和治理強(qiáng)度,必須遏制邊治理、邊毀壞的情況發(fā)生,加大水土保持監(jiān)督力度.以下為參考文獻(xiàn)[1]查軒,唐克麗,張科利,等.植被對(duì)土壤特性及土壤侵蝕的影響研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1992,6(2):52~58.[2]陳世發(fā),查軒.紅壤典型小流域土壤侵蝕與地形高度關(guān)系研究[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,31(6):74~78.[3]查軒,黃少燕,陳世發(fā).退化紅壤地土壤侵蝕與坡度坡向的關(guān)系-基于GIS的研究[J].自然災(zāi)禍學(xué)報(bào),2018,19(2):32~39.[4]邸利,張仁陟,張富,等.基于RS和GIS的定西市安寧區(qū)土地利用變化與土壤侵蝕研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2018,25(2):40~45.[5]王晗,侯甬堅(jiān).1631-1911年黃土丘陵溝壑區(qū)小流域土地利用及其對(duì)水土流失的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(10):30~