段文秀

(德州學院，山東 德州253023)

隨著人口的劇增和經(jīng)濟的發(fā)展，我國的水土流失問題日益嚴峻。水土流失破壞了土地資源，使土地肥力下降，并造成了水體富營養(yǎng)化，成為嚴重的全球性的經(jīng)濟、環(huán)境問題之一[1]。我國學者在水土流失機理研究和防治方面做了大量工作，如李月臣等[2]以USLE和GIS為基礎進行了三峽庫區(qū)(重慶段)土壤侵蝕敏感性的綜合評價，楊娟等[3]結合USLE與GIS對臥龍流域土壤侵蝕進行了模擬。洱海是云南白族人民的母親湖，但針對其流域日趨嚴重的土壤侵蝕問題的研究目前尚未深入開展。鑒于此，本研究以洱海流域為研究對象，在運用“3S”技術對已有資料進行分析的基礎上，應用USLE模型估算其土壤侵蝕量及侵蝕面積，制作出土壤侵蝕強度分級圖，并匯總計算出各類土壤侵蝕強度區(qū)域面積以確定水土保持重點區(qū)域，為流域水土流失綜合防治提供了理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)地形數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)預處理

1.1 研究區(qū)概況

洱海位于云南省大理白族自治州中部，屬瀾滄江流域黑惠江支流天然湖泊，是白族人民的母親湖，控制流域面積2 565 km2。流域內有耕地4.30萬hm2，年均氣溫15.7℃，年均降水量976.7 mm，其中西南部年均降水量1 000—1 200 mm、東北部700—900 mm，降水主要集中在每年的5—10月份，期間降水量占年降水量的84% ～92%，主汛期6—9月份的降水量占年降水量的66% ～77%，形成了干濕季節(jié)分明的氣候特點[4]。

1.2 流域范圍的確定

本研究在ArcGIS軟件支持下使用研究區(qū)DEM提取洱海流域范圍[5]，具體流程如圖1所示。

圖1 洱海流域范圍提取流程

1.3 遙感數(shù)據(jù)處理

在水土保持研究中，應用的數(shù)據(jù)源主要有遙感影像、各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)及調查數(shù)據(jù)等。本研究選用Landsat-5 TM遙感數(shù)據(jù)，運用Erdas軟件進行數(shù)據(jù)預處理[6]。具體流程如圖2所示。

圖2 遙感圖像處理流程

2 土壤侵蝕模型建立方法介紹

本研究應用國際上通用的USLE模型，其形式簡單，所需參數(shù)較易獲得，且因子的解釋具有物理意義，是目前預測土壤侵蝕量使用最為廣泛的方法。其表達式為

2.1 降雨侵蝕力因子(R)

降雨侵蝕力表達式為

式中:R為多年平均降雨侵蝕力，m·t·cm/(hm2·h·a);P為年降雨量，mm;I60、I1440分別為年均最大60、1 440 min降雨量，mm[7]。研究中由于資料缺乏，假設各地I60和I1440的值相同，得到洱海流域多年平均R=5.439P0.564。

2.2 土壤可蝕性因子(K)

據(jù)楊子生等[8]1999年研究成果，采用的兩種主要土壤可蝕性因子K值見表1。

表1 滇東北典型地區(qū)土壤可蝕性因子K值

2.3 地形因子(LS)

地形因子表達式為

式中:Lhill為侵蝕坡面的坡長，m;β為坡度，(°);m為經(jīng)驗分段函數(shù)值，計算方法如下[9]

式中:αhill為地面坡度，(°)。

2.4 植被覆蓋因子(C)

植被覆蓋因子是以植被覆蓋度為變量計算得到的數(shù)值。C值的計算式為[10]

式中:f為植被覆蓋度;NDVI為所求像元的植被指數(shù);NDVImin、NDVImax分別為研究區(qū)內NDVI的最小值、最大值。

2.5 水土保持措施因子(P)

本研究參考以往研究成果并結合當?shù)赝恋乩眉稗r事活動情況，假設各處的水土保持措施相同。

3 1989—2006年洱海流域土壤侵蝕狀況分析

3.1 洱海流域土壤侵蝕動態(tài)總體分析

對洱海流域1989年1月、2001年1月、2001年8月和2006年12月4個典型時期遙感影像進行解譯，結合通用土壤流失方程得到洱海流域18年來各個不同時期的土壤侵蝕狀況。根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)[11]，在GIS支持下統(tǒng)計得出18年來研究區(qū)土壤侵蝕等級分布情況?？傮w上看:1989—2006年輕度侵蝕面積有較大幅度的下降，占總侵蝕面積的比例由13.89%減至6.47%，年均下降0.41%;中度侵蝕面積有較大幅度的上升，占總侵蝕面積的比例由6.49%增至14.04%，年均上升0.42%;其他侵蝕強度變化均較小，其中微度和極強烈侵蝕面積均小幅增加(年均分別上升0.028%和0.001 7%)，而強烈和劇烈侵蝕面積均小幅減少(年均分別下降0.005%和0.026%)。

3.2 洱海流域土壤侵蝕動態(tài)縱向分析

洱海流域1989年1月、2001年1月和2006年12月3個時期的土壤侵蝕狀況如表2所示。由表2可知，1989年微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積分別為951.48、323.45、151.15和110.48 km2，分別占總侵蝕面積的40.85%、13.89%、6.49%和4.74%，與之相比，2006年輕度侵蝕面積有較大幅度的減少(172.77 km2)，中度侵蝕面積有較大幅度增加(175.75 km2)，中度以上的侵蝕面積增幅較大。

為掌握各種侵蝕強度之間的數(shù)量轉換及時空變化動態(tài)，在ArcView軟件支持下，利用其空間分析擴展模塊Spatial Analysis功能，對1989—2006年時間序列的土壤侵蝕強度分級分別進行交叉列表統(tǒng)計，得到土壤侵蝕強度的轉化矩陣(表3)，從而分析不同土壤侵蝕強度與面積的變化過程。

表2 洱海流域不同時期土壤侵蝕強度面積變化 km2

表3 洱海流域1989—2006年土壤侵蝕強度動態(tài)變化轉化矩陣 km2

由表3可知:1989—2006年的18年間，洱海流域微度侵蝕主要向中度侵蝕轉化，面積為22.20 km2;輕度侵蝕主要向中度侵蝕轉化，面積為123.53 km2，是18年中轉化面積最大的;中度侵蝕主要轉化為微度侵蝕，面積為2.36 km2;強烈侵蝕主要向中度侵蝕轉化，面積為9.68 km2;極強烈侵蝕主要向劇烈侵蝕轉化，面積為7.56 km2;劇烈侵蝕主要向中度侵蝕轉化，面積為22.91 km2。

從以上分析可知，1989—2006年各種侵蝕強度的面積均有所變化?？傮w分析該時段的轉化情況可知:微度、中度和極強烈侵蝕面積呈增加趨勢，且中度侵蝕增幅較大;輕度侵蝕面積有較大幅減少，強烈和劇烈侵蝕面積有小幅減少。中度以上的侵蝕面積增幅較大，即總體上侵蝕加劇了，侵蝕加劇的主要原因是1989—2006年間植被覆蓋度下降了。

3.3 洱海流域土壤侵蝕動態(tài)橫向分析

表4是洱海流域2001年1月和2001年8月的土壤侵蝕狀況。由表4可知:2001年1月微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積分別為955.99、147.53、324.30和106.60 km2，分別占總侵蝕面積的41.12%、6.35%、13.95%和4.58%，與之相比，2001年8月侵蝕狀況變化不大，除極強烈、劇烈侵蝕面積稍有減少外， 其余侵蝕面積均稍有增加。

表4 洱海流域2001年1月和2001年8月不同侵蝕強度變化 km2

同樣，對2001年1月和2001年8月的土壤侵蝕強度分級進行交叉列表統(tǒng)計，得到土壤侵蝕強度的轉化矩陣(表5)。

表5 洱海流域2001年1月和8月土壤侵蝕強度動態(tài)變化轉化矩陣 km2

由表5可知:從2001年1月(冬季)到8月(夏季)，微度侵蝕主要由中度侵蝕轉化而來，面積為8.03 km2;輕度侵蝕主要由中度侵蝕轉化而來，面積為11.10 km2;中度侵蝕主要是由劇烈侵蝕轉化而來，面積為12.05 km2;強烈侵蝕主要由極強烈侵蝕轉化而來，面積為9.45 km2;極強烈侵蝕主要由劇烈侵蝕轉化而來，面積為15.59 km2;劇烈侵蝕主要是由極強烈侵蝕轉化而來，面積為12.28 km2。

該轉化矩陣表明，2001年1月和8月各種侵蝕強度的面積均有所變化?？傮w分析其轉化情況可以得出如下認識:微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積呈增加趨勢但增幅均不大;極強烈和劇烈侵蝕面積呈減少趨勢，且后者減幅相應大一些;中度以上侵蝕面積減幅較大，即總體上侵蝕減弱了。以上變化主要是由于一年內從冬季到夏季植被覆蓋度上升所致。

3.4 土壤侵蝕強度變化速率分析

土壤侵蝕強度變化速率可定量描述一定時段內某種侵蝕強度變化的速度，有利于比較土壤侵蝕強度變化的差異和預測未來土壤侵蝕變化趨勢。其表達式為

式中:Ua和Ub分別為研究初期和末期某種侵蝕強度的數(shù)量;T為研究時段長，若以年為量度則LC為年均變化率。

綜合分析洱海流域1989—2006年土壤侵蝕強度與面積年均變化率可知:中度侵蝕年變化率最大，為6.46%;其次為輕度、強烈、劇烈和微度侵蝕，年均變化率分別為 -2.97%、-0.11%、-0.10%和0.056%;極強烈侵蝕年均變化率最小，為0.020%。

4 結語

本研究運用GIS和USLE，分析了1989—2006年洱海流域土壤侵蝕動態(tài)變化，研究表明，各種侵蝕強度面積均有所變化，具體變化是:

(1)1989—2006年，微度、中度和極強烈侵蝕面積呈增加趨勢，且中度侵蝕面積增幅較大(6.49%—14.04%);輕度侵蝕面積呈較大幅度的減少(13.89%—6.47%);強烈和劇烈侵蝕面積小幅度減少(年均分別下降0.005%、0.026%);中度以上侵蝕面積增幅較大。

(2)2001年冬、夏季相比，微度、輕度、中度和強烈侵蝕面積呈增加趨勢但增幅均不大;極強烈和劇烈侵蝕面積減少，且后者減幅相應大些。

(3)18年來，微度、輕度、強烈和劇烈侵蝕多轉化為中度侵蝕，面積分別為22.20、123.53、9.68、22.91 km2;中度侵蝕多轉化為微度侵蝕，面積為2.36 km2;極強烈侵蝕多轉化為劇烈侵蝕，面積為7.56 km2;中度侵蝕年變化率最大(6.46%)，極強烈侵蝕年變化率最小(0.020%)。

[1]林涓涓.基于3S的流域土壤侵蝕敏感性及其動態(tài)監(jiān)測研究[D].福州:福州大學，2006.

[2]李月臣，劉春霞，趙純勇，等.三峽庫區(qū)(重慶段)土壤侵蝕敏感性評價及其空間分異特征[J].生態(tài)學報，2009，29(2):788-796.

[3]楊娟，葛劍平.基于GIS和USLE的臥龍地區(qū)小流域土壤侵蝕預報[J].清華大學學報:自然科學版，2006，46(9):1526-1529.

[4]唐佳.基于GIS和RS洱海流域的土地覆蓋/利用變化[D].成都:四川農業(yè)大學，2010.

[5]湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統(tǒng)空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社，2006.

[6]楊昕，湯國安，鄧鳳東，等.ERDAS遙感數(shù)字圖像處理實驗教程[M].北京:科學出版社，2009.

[7]王萬忠，焦菊英.中國的土壤侵蝕因子定量評價研究[J].水土保持通報，1996，16(5):1-20.

[8]楊子生.滇東北山區(qū)坡耕地土壤可蝕性因子[J].山地學報，1999，17(z1):10-15.

[9]張照錄，崔繼紅.基于柵格 GIS土壤侵蝕地形因子的提取算法[J].計算機工程，2006，32(5):226-228.

[10]徐涵秋，陳本清.廈門市植被變化的遙感動態(tài)分析[J].地球信息科學，2003，5(2):105-108.

[11]SL 190—2007，土壤侵蝕分類分級標準[S].