賴家明，周廣華，胡庭興，楊武年

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，四川 雅安625014）

土壤侵蝕是土地退化的根本原因，也是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素。我國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一，土壤侵蝕面積高達(dá)4.92×106km2，占國土總面積的51.2%［1］。土壤侵蝕導(dǎo)致土地資源衰減、土壤肥力下降、庫塘湖泊淤積等一系列危害［2－4］。森林具有較強(qiáng)的水土保持效能，森林植被在保護(hù)土壤，遏制土壤侵蝕方面起著重要作用。

川西林區(qū)是我國第二大天然林區(qū)——西南林區(qū)的主體部分，是生物多樣性富集區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)［5］，而且是長江、黃河的源頭地區(qū)、也是長江上游地區(qū)極為重要的水土保持區(qū)域，因此成為我國天然林保護(hù)工程的核心區(qū)域。區(qū)域地貌以高山、深切峽谷為主，降雨集中，強(qiáng)度大，滑坡、泥石流等自然災(zāi)害發(fā)生的幾率較大［6］。同時(shí)，由于長期對天然林的采伐，川西地區(qū)的森林遭到嚴(yán)重破壞，加劇了水土流失，山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。有關(guān)研究表明，川西地區(qū)森林覆蓋率從50年代的30%下降到80年代的18.8%［7］；50年代水土流失面積不到20%，到80年代已經(jīng)達(dá)到了34%。石培禮等［8］的研究表明，川西地區(qū)天然林的生態(tài)服務(wù)功能總價(jià)值達(dá)4.69×109USD／a，其中生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分別占77.51%，17.10%和5.39%。這說明川西林區(qū)在長江上游乃至全國生態(tài)安全建設(shè)中具有重要的地位和作用。

天然林保護(hù)工程是我國投資大、涉及面廣、影響程度深的生態(tài)工程。到目前，天然林保護(hù)工程已實(shí)施10a余，工程建設(shè)成效如何？是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)？這些是天然林保護(hù)工程效益監(jiān)測亟待回答的問題。為了克服常規(guī)監(jiān)測方法的缺點(diǎn)，并進(jìn)行土壤侵蝕時(shí)空變化的大尺度研究，近年來，許多學(xué)者運(yùn)用3S技術(shù)進(jìn)行了土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測研究［9－11］。但目前大多數(shù)研究主要集中在北方黃土高原和丘陵地區(qū)，對于川西林區(qū)的研究還較少。基于此，本文以川西地區(qū)天然林為研究對象，利用RS和GIS技術(shù)研究了實(shí)施天然林保護(hù)工程前后土壤侵蝕強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化，分析了天然林保護(hù)工程的水土保持效果，為天然林保護(hù)工程的宏觀管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以四川省甘孜州道孚縣甲斯孔林場為研究區(qū)，該區(qū)位于川西林區(qū)的核心地帶，也是天然林保護(hù)工程的重點(diǎn)區(qū)域，地理位置為東經(jīng)100°38′—101°03′，北緯30°44′—31°06′，地處青藏高原東南緣的鮮水河斷裂帶，是典型的高山峽谷與丘狀高原過渡地帶，海拔分布在2 800～5 100m，面積約67 493hm2。氣候?qū)俦眮啛釒Т箨懶愿咴撅L(fēng)氣候，年平均降雨量578mm。森林植被較豐富，主要分布樹種有冷杉（Abies fabri）、云杉（Picea asperata）、樺木（Betula）和高山櫟（Quercus semecarpifolia）等。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集 收集了甲斯孔林場1989，1999年的TM影像和2007年SPOT 5遙感影像數(shù)據(jù)以及道孚縣土壤、降水?dāng)?shù)據(jù)和研究區(qū)1∶50 000地形圖。

1.2.2 遙感影像的預(yù)處理 基于ENVI 4.7遙感圖像處理軟件平臺，利用地形圖，采用控制點(diǎn)法對2007年的SPOT 5遙感影像進(jìn)行精確配準(zhǔn)，總體誤差控制在1個(gè)像元以內(nèi)。以SPOT 5影像作為基準(zhǔn)影像，基于像素坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)TM影像與SPOT影像的配準(zhǔn)處理。利用定標(biāo)系數(shù)對遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)，利用戴昌達(dá)等［12］人提出的直方圖法進(jìn)行大氣校正，完成各時(shí)相遙感影像的預(yù)處理。

1.2.3 土壤侵蝕強(qiáng)度指標(biāo)及權(quán)重 根據(jù)水利部頒布的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》［13］，并參考《水土保持技術(shù)規(guī)范》［14］和《應(yīng)用遙感技術(shù)編制全國土壤侵蝕圖技術(shù)工作細(xì)則》［15］的規(guī)定，采用分組參考指標(biāo)確定土壤侵蝕強(qiáng)度?？紤]各個(gè)因素的不同重要性，選擇對土壤侵蝕影響較大的加權(quán)降雨量、坡度、坡長、溝谷密度、土地利用類型、植被覆蓋度和土壤質(zhì)地7個(gè)因子作為土壤侵蝕定量評價(jià)的指標(biāo)（表1）。由于研究區(qū)沒有相關(guān)的土壤侵蝕研究設(shè)施，因此，本研究采用張金英等［16］確定的土壤侵蝕評價(jià)因素權(quán)重值（表2）。

表1 因子分級標(biāo)準(zhǔn)

表2 評價(jià)因素因子權(quán)重

1.2.4 土壤侵蝕強(qiáng)度的綜合評價(jià)及等級 其計(jì)算公式［16］為：

式中：Y——土壤侵蝕綜合分值；Yi——某一評價(jià)因子土壤侵蝕影響等級相應(yīng)作用分值；Wi——該評價(jià)因子權(quán)重。分別計(jì)算得1989，1999和2007年研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級表。土壤侵蝕強(qiáng)度等級劃分如表3所示。

表3 土壤侵蝕強(qiáng)度劃分

1.2.5 評價(jià)因素因子的提取

（1）降雨量。根據(jù)道孚縣氣象局的觀測數(shù)據(jù)，繪制研究區(qū)降雨量分布圖，并生成降水量柵格圖。

（2）坡度、坡長和溝谷密度。用由研究區(qū)地形圖直接獲取的等高線和高程數(shù)據(jù)建立DEM模型，利用ArcGIS的3D分析功能從DEM模型中提取研究區(qū)坡度柵格圖；利用ArcGIS的水文分析工具提取負(fù)地形河網(wǎng)，并采用把負(fù)地形累計(jì)流量圖與實(shí)際光照暈渲圖疊加比較的方法提取坡長；溝谷密度的提取采用賀奮琴等［17］提出的方法。

（3）土地利用類型。利用監(jiān)督分類法對影像進(jìn)行分類，確定研究區(qū)土地利用類型，再結(jié)合森林資源分布圖以及現(xiàn)場調(diào)查資料，對分類結(jié)果進(jìn)行修正，得到1989，1999和2007年研究區(qū)土地利用現(xiàn)狀圖。

（4）植被覆蓋度。植被覆蓋度指植被冠層的垂直投影面積與土壤總面積之比。在ENVI軟件中提取研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)（NDVI），利用常用的歸一化植被指數(shù)與植被覆蓋度的換算關(guān)系式得到植被覆蓋度分布圖，其計(jì)算公式［18］為：

式中：fc——植被覆蓋度；NDVI——所求像元的植被指數(shù)；NDVImin，NDVImax——研究區(qū)內(nèi) NDVI的最小值、最大值。

（5）土壤質(zhì)地。根據(jù)道孚縣土地利用圖、地形資料以及實(shí)地調(diào)查資料，制作研究區(qū)土壤質(zhì)地分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用變化

由表4可以看出，在3個(gè)時(shí)期中各地類面積最大的均是灌木林地，面積排序均處于首位，占林場總面積的比例均接近50.00%。面積變化明顯的地類有針葉林地、采伐跡地和幼林地。1989年針葉林面積比例為22.70%，1999年下降到18.51%，到2007年又上升到19.00%，面積比例呈現(xiàn)先降后升的變化趨勢；1989年采伐跡地面積比例為0.52%，1999年上升為3.26%，到2007年采伐跡地全部恢復(fù)；幼林地的面積比例則一直呈上升勢頭，到2007年達(dá)到3.36%?？偟闹脖桓采w度從1989年的71.39%下降到1999年的67.88%，到2007年提高到72.02%，表現(xiàn)為先下降后上升的變化趨勢。出現(xiàn)這些變化的原因是1999年前，研究區(qū)針葉林被采伐，沒能及時(shí)更新造林，所以針葉林地和采伐跡地此消彼長，各自面積比例出現(xiàn)波動(dòng)，而1998年實(shí)施天然林保護(hù)工程，全面禁伐天然林，針葉林地和采伐跡地此長彼消，面積比例變化與天保工程實(shí)施前呈相反趨勢。草地、農(nóng)耕地和裸地等其余地類面積占林場總面積的比例依次變減小，且各自在3個(gè)時(shí)期中的比例保持相對穩(wěn)定，均無明顯變化。

表4 甲斯孔林場1989，1999和2007年各地類面積統(tǒng)計(jì)

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度的時(shí)間變化

由土壤侵蝕強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表（表5）可以看出，3個(gè)時(shí)期數(shù)據(jù)中，微度侵蝕區(qū)面積比例依次為9.32%，7.42%和7.35%，呈現(xiàn)漸次減??；輕度侵蝕區(qū)域面積比例為31.67%，33.23%和33.24%，變動(dòng)不明顯；中度侵蝕區(qū)面積比例由1989年的46.63%下降到1998年的44.62%，然后在2007年達(dá)到46.3%，又有所回升；強(qiáng)度侵蝕區(qū)域面積比例先升后降，從12.38%上升到14.73%，又下降到13.11%?？傮w來看，1989—1998年研究區(qū)土壤侵蝕狀況呈現(xiàn)惡化狀態(tài)，輕度侵蝕和強(qiáng)度侵蝕區(qū)域面積都在增大，其根本原因是大面積的采伐天然林導(dǎo)致森林植被破壞，加劇了水土流失。天然林禁伐后，1998—2007強(qiáng)度侵蝕區(qū)域面積擴(kuò)張趨勢得到有效控制，面積比例從14.73%下降到13.1%，下降了1.63%，降幅不大，其主要原因是天保工程生態(tài)效應(yīng)在時(shí)間上存在滯后。另一不能忽視的客觀原因是研究區(qū)特殊的立地條件對植被恢復(fù)十分不利，這也從另一方面說明，生態(tài)恢復(fù)與重建是一個(gè)漫長的過程，天然林保護(hù)政策還有待于持續(xù)堅(jiān)持。

表5 土壤侵蝕強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)

2.3 土壤侵蝕強(qiáng)度的空間變化

從土壤侵蝕強(qiáng)度分布圖（附圖14），可以看出，植被覆蓋率高的區(qū)域，侵蝕強(qiáng)度較低；強(qiáng)度侵蝕區(qū)主要分布于林場邊緣的高海拔巖石裸露地帶，其根本原因是這些區(qū)域自然環(huán)境條件差，特別是植被覆蓋度低，土層瘠薄，存在水土流失易發(fā)的客觀條件。對這些特殊地帶生態(tài)保護(hù)措施的制定和實(shí)施應(yīng)體現(xiàn)極強(qiáng)的針對性才能達(dá)到理想的效果。

3 結(jié)論

本研究以RS和GIS為技術(shù)平臺，研究了川西天保工程區(qū)近20a間土壤侵蝕強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，在天然林保護(hù)工程實(shí)施前10a（1989—1998年），研究區(qū)微度和中度侵蝕區(qū)面積減小，而輕度和強(qiáng)度侵蝕區(qū)面積都在增加，說明微度和中度侵蝕分別向輕度和強(qiáng)度侵蝕轉(zhuǎn)移，土壤狀況整體上處于惡化趨勢。天然林保護(hù)工程實(shí)施之后9a（1998—2007年），強(qiáng)度侵蝕區(qū)面積下降，中度侵蝕區(qū)面積上升，表明水土保持狀況趨于好轉(zhuǎn)，土壤狀況惡化趨勢得到反轉(zhuǎn)，但改善幅度不夠明顯。

在研究土壤侵蝕強(qiáng)度變化時(shí)，采用影響因子的加權(quán)疊加評價(jià)法只能用作宏觀的監(jiān)測分析，而不能精確計(jì)算具體的土壤侵蝕量，這是在缺乏完整的影響因子觀測資料的情況下而采用的。因此，在將來的研究中，需要進(jìn)一步建立一定數(shù)量的定位觀測站，對天然林保護(hù)區(qū)的土壤侵蝕變化進(jìn)行詳細(xì)觀測，以獲得長期觀測數(shù)據(jù)，建立各天然林保護(hù)區(qū)的土壤侵蝕量的遙感反演模型，提高監(jiān)測結(jié)果的可靠性和效率。

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