李和平，郭海祥

（1.貴州省第一測(cè)繪院,貴州 貴陽 550025；2.貴州省基礎(chǔ)地理信息中心,貴州 貴陽 550004）

貴州省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能時(shí)空分布演變研究

李和平1，郭海祥2

（1.貴州省第一測(cè)繪院,貴州 貴陽 550025；2.貴州省基礎(chǔ)地理信息中心,貴州 貴陽 550004）

在地理信息系統(tǒng)（GIS）與遙感（RS）技術(shù)支持下，以貴州省2000年、2005年和2010年3個(gè)時(shí)期的Landsat TM遙感影像、日降雨數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和土壤等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)修正土壤流失方程式（RUSLE）計(jì)算分析了貴州省近10 a來生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能時(shí)空分布格局及變化特征。研究表明，2000年～2010年間，現(xiàn)實(shí)侵蝕模數(shù)分別為1 320．34 t·km-2·a-1、1 255．76 t·km-2·a-1和854．23 t·km-2·a-1，森林生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量降低了0．89×108t·a-1，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量降低了2．82×108t·a-1，草地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量降低了0．28×108t·a-1，果園生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量降低了0．04×108t·a-1，濕地生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量降低了0．09×108t·a-1。

貴州??；生態(tài)系統(tǒng)；土壤保持功能；GIS；RS

土壤保持是生態(tài)系統(tǒng)提供的重要調(diào)節(jié)服務(wù)功能之一，日益受到重視，而土壤侵蝕量化研究方法的發(fā)展，為生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能研究提供了很好的方法基礎(chǔ)。已有多位專家學(xué)者在此方面作過研究[1,2]

貴州省作為西南喀斯特典型生態(tài)脆弱區(qū)，土壤侵蝕嚴(yán)重。在土壤侵蝕強(qiáng)度大的背景下，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境建設(shè)的首要問題就是土壤侵蝕的防治。研究貴州省生態(tài)系統(tǒng)的土壤侵蝕和土壤保持規(guī)律對(duì)當(dāng)?shù)赝寥狼治g防治和實(shí)現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)與重建具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

貴州地貌屬于中國(guó)西南部高原山地，境內(nèi)地勢(shì)西高東低，平均海拔在1 100 m左右。全省地貌可分為高原、山地、丘陵和盆地4種基本類型，其中92．5%為山地和丘陵,氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候。

2 評(píng)價(jià)方法、數(shù)據(jù)預(yù)處理及技術(shù)路線

2.1 評(píng)價(jià)方法

本文采用修正后的通用土壤流失模型進(jìn)行土壤侵蝕量和保持量的定量計(jì)算，表達(dá)式如下：

式中，Ar為單位面積現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕量；Ap為單位面積潛在土壤侵蝕量；Ac為單位面積土壤保持量，單位均為t/(hm2·a)；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長(zhǎng)因子（無量綱）；S為坡度因子（無量綱）；C為植被覆蓋因子（無量綱）；P為水土保持措施因子（無量綱）。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1） 將30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS10．1的平臺(tái)下進(jìn)行邊界裁剪得到研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，并重采樣為90 m×90 m的柵格數(shù)據(jù)。

2）將貴州省1︰150萬土壤類型圖按照空間分辨率重采樣為90 m×90 m的柵格數(shù)據(jù)。

3）對(duì)研究區(qū)3個(gè)時(shí)段的Landsat TM遙感影像在Ecognition8．0平臺(tái)下進(jìn)行分類，得到研究區(qū)3個(gè)時(shí)段的土地利用類型圖。

4）在ERDAS9．2平臺(tái)下計(jì)算研究區(qū)3個(gè)時(shí)段的NDVI值和植被覆蓋度。

5）應(yīng)用降雨侵蝕力日降雨模型計(jì)算降雨侵蝕力R值，并插值生成90 m×90 m的柵格數(shù)據(jù)。

6）將數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Albers投影方式，以便進(jìn)行空間疊加計(jì)算。

7）數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為柵格形式。

2.3 技術(shù)路線

研究中利用土地利用類型數(shù)據(jù)來計(jì)算植被覆蓋與管理因子C值和水土保持措施因子P值。利用貴州省30 m分辨率DEM計(jì)算坡度S因子和坡長(zhǎng)L因子。根據(jù)《貴州土壤志》查找出貴州省各類土壤的機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)和NPK含量，計(jì)算得出土壤可蝕因子K值。由日降雨數(shù)值經(jīng)計(jì)算得降雨侵蝕力R值，然后再進(jìn)行克里金插值分析得到降雨侵蝕力分布圖。利用計(jì)算出的各因子進(jìn)行研究區(qū)3個(gè)時(shí)段的土壤侵蝕量和潛在土壤侵蝕量的計(jì)算，并進(jìn)一步分析研究區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的時(shí)空變化和土壤保持功能價(jià)值的動(dòng)態(tài)變化研究。技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

3 模型因子量化

3.1 降雨侵蝕力R值的計(jì)算

R值反映降雨引起土壤流失的潛在能力。研究中收集到多年平均日數(shù)據(jù)，計(jì)算模型如下：

計(jì)算出R值，利用R值進(jìn)行插值分析得到3個(gè)時(shí)期的降雨侵蝕力分布圖。

3.2 土壤可蝕性因子K值的計(jì)算

采用模型計(jì)算法來獲取K值。在《貴州省土壤志》中可獲取沙粒、粉粒、粘粒和有機(jī)質(zhì)含量。采用侵蝕/生產(chǎn)力影響模型EPIC計(jì)算K值：

式中，SAN、SIL、CLA和C分別是砂粒、粉粒、粘粒和有機(jī)碳含量（%），SN1=1-SAN/100。

利用上述模型計(jì)算貴州省各類土壤的K值，通過插值分析可得到土壤可蝕性因子分布圖。

3.3 坡度坡長(zhǎng)LS因子的計(jì)算

LS值提取的是地形因子，包括坡長(zhǎng)因子L和坡度因子S。根據(jù)Wisch Meier和Smith得出的關(guān)系式，得到貴州省LS值的空間分布：

式中，l為坡長(zhǎng)；θ為坡度。

3.4 植被覆蓋與管理因子C值的計(jì)算

C值反映了不同地面植被覆蓋狀況對(duì)土壤侵蝕的影響，它與土地利用類型和覆蓋度等關(guān)系密切。利用蔡崇法等通過坡面產(chǎn)沙與植被覆蓋度相關(guān)關(guān)系的研究，建立了C值與植被覆蓋度c之間的回歸方程[3,4]：

在貴州省范圍內(nèi)水田、水體和建設(shè)用地不會(huì)產(chǎn)生水土流失，C值為0。裸巖已無土可蝕，C值為0。裸土地的C值則為1。經(jīng)插值分析得到貴州省3個(gè)時(shí)期C值分布圖。

3.5 水土保持措施因子P值的計(jì)算

根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況對(duì)P因子進(jìn)行賦值[5-8]。對(duì)于貴州而言，水田基本已梯田化，其他地類幾乎無保持措施。有林地、疏林地、草地、裸巖和裸地均視為沒有任何水土保持措施，取值為1。而對(duì)于無水土流失的地類取值為0。經(jīng)插值分析得到貴州省3個(gè)時(shí)期P值分布圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 生態(tài)系統(tǒng)劃分

依據(jù)貴州省3個(gè)時(shí)期的土地利用類型圖。將貴州省生態(tài)系統(tǒng)類型劃分為森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、果園生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、城市生態(tài)系統(tǒng)、其他生態(tài)系統(tǒng)。在ArcGIS10．1平臺(tái)下制作3個(gè)時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)分布圖,并統(tǒng)計(jì)出3個(gè)時(shí)期各生態(tài)系統(tǒng)類型的面積，如表1。

4.2 貴州省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能的時(shí)空分布及其變化分析

在地理信息系統(tǒng)的支持下，編制空間分布圖以及統(tǒng)計(jì)3個(gè)時(shí)期各生態(tài)系統(tǒng)的潛在土壤侵蝕量、現(xiàn)實(shí)侵蝕量和土壤保持量，如圖2、表2～表4所示。

表1 貴州省3個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)類型及面積統(tǒng)計(jì)表

表2 貴州省2000年不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤侵蝕和土壤保持

表3 貴州省2005年不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤侵蝕和土壤保持

表4 貴州省2010年不同生態(tài)系統(tǒng)類型土壤侵蝕和土壤保持

圖2 2000年～2010年貴州省土壤保持量分布圖

4.2.1 貴州省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量的時(shí)間變化總體特征

圖3 貴州省3個(gè)時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量

總體來說，貴州省3個(gè)時(shí)段的生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量大小依次為森林生態(tài)系統(tǒng)＞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)＞草地生態(tài)系統(tǒng)＞果園生態(tài)系統(tǒng)＞濕地生態(tài)系統(tǒng)＞城市生態(tài)系統(tǒng)＞其他生態(tài)系統(tǒng)。由此可以得出，貴州省土壤保持量主要是由森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)和果園生態(tài)系統(tǒng)所貢獻(xiàn)，其中森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮的作用最大。

4.2.2 貴州省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量的空間變化總體特征

由3個(gè)時(shí)期的土壤保持量分布圖可以得出,貴州省生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能在空間上存在差異，同一類型的生態(tài)系統(tǒng)其土壤保持功能在空間上也存在差異。

從2000年到2005年，各生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)侵蝕量和潛在侵蝕量都減小，如表2～表4所示，因此土壤保持量也相對(duì)減少。其生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能空間分布情況與2000年大致相同，只是各等級(jí)的土壤保持量所占面積比例有所變動(dòng)，各等級(jí)占全省的面積分別為0．73%、5,58%、7．23%、7．41%、13．13%和65．90%。

從2005年到2010年，同樣因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)侵蝕量和潛在侵蝕量比2005年減少， 2010年全省的土壤保持量也相對(duì)減少，土壤保持能力的空間分布情況也發(fā)生較大的變化。土壤保持能力在以下的柵格主要呈零星分布，主要生態(tài)系統(tǒng)類型是濕地和城市生態(tài)系統(tǒng)，占全省面積的1．25%。土壤保持能力在500～2 500和2 500～5 000以內(nèi)的柵格主要分布在中部的安順、貴陽，西北部的畢節(jié)、北部遵義，東南部的黔東南等地勢(shì)較平緩的區(qū)域，分別占8．66%和9．65%。土壤保持能力在和以內(nèi)的柵格無明顯的區(qū)域分布特征，在全省范圍內(nèi)森林、農(nóng)田、草地、果園生態(tài)系統(tǒng)廣泛分布，分別占全省面積的9．16%和16．9%。土壤保持能力在空間分布特別明顯，主要分布在東南部的黔東南、西部六盤水、東部銅仁和北部遵義等植被覆蓋度較高的區(qū)域，占全省面積的54．35%。

5 結(jié) 語

1）在GIS與RS支持下，以修正的通用土壤流失方程RUSLE為模型，根據(jù)貴州省的實(shí)際情況分別分析和計(jì)算了模型中的各個(gè)因子。通過模型計(jì)算出了貴州省2000年、2005年、2010年3個(gè)時(shí)期的現(xiàn)實(shí)侵蝕模數(shù)（現(xiàn)實(shí)侵蝕模數(shù)=土壤侵蝕總量/總面積）分別 為和由2000年貴州省水土流失公告中得到2000年的現(xiàn)實(shí)侵蝕模數(shù)為與本文中計(jì)算的2000年數(shù)值相當(dāng)，說明通過此方法計(jì)算大范圍的土壤侵蝕模數(shù)是可行的。

2）按照中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)SL190-2007頒發(fā)的水蝕區(qū)土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，2000年、2005年和2010年土壤侵蝕總面積分別為79 360．29 km2、72 645．99 km2和59 934．03 km2，分別占貴州省總面積的45．05%、41．24%和34．01%。由此可以看出，2000年～2010年間，貴州省現(xiàn)實(shí)土壤侵蝕呈現(xiàn)變好的趨勢(shì)。

3）3個(gè)時(shí)段各生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持量均表現(xiàn)為：森林生態(tài)系統(tǒng)＞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)＞草地生態(tài)系統(tǒng)＞果園生態(tài)系統(tǒng)＞濕地生態(tài)系統(tǒng)＞城市生態(tài)系統(tǒng)＞其他生態(tài)系統(tǒng)。而引起生態(tài)系統(tǒng)土壤保持量變化的主要原因包括各生態(tài)系統(tǒng)類型面積的變化、所處的地形、土壤分布情況、降雨情況。其中降雨情況和生態(tài)系統(tǒng)類型面積的變化占主導(dǎo)因素。

[1] 歐陽志云,王效科,苗鴻．中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值研究[J]．生態(tài)學(xué)報(bào),1999,19(5):607-613

[2] 肖寒,歐陽志云,趙景柱,等．海南島生態(tài)系統(tǒng)土壤保持空間分布特征及生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估[J]．生態(tài)學(xué)報(bào),2000,20(4):552-558

[3] 蔡崇法,丁樹文,史志華,等．應(yīng)用USLE模型與地理信息系統(tǒng)IDRISI預(yù)測(cè)小流域土壤侵蝕量的研究[J]．水土保持學(xué)報(bào),2000,14(2):19-24

[4] 陳晉,陳云浩,何春陽,等．基于土地覆蓋分類的植被覆蓋率估算亞像元模型與應(yīng)用[J]．遙感學(xué)報(bào),2001,5(6):416-422

[5] 楊子生．云南省金沙江流域土壤流失方程研究[J]．山地學(xué)報(bào),2002,20(增刊):1-9

[6] 楊廣斌,李亦秋,安裕倫．基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的貴州土壤侵蝕敏感性評(píng)價(jià)及其空間分異[J]．中國(guó)巖溶,2006,25(1):74-78

[7] 楊廣斌．基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)的喀斯特山區(qū)土壤侵蝕研究[D]．貴陽:貴州師范大學(xué),2004

[8] 許月卿,邵曉梅．基于GIS和RUSLE的土壤侵蝕量計(jì)算——以貴州省貓?zhí)恿饔驗(yàn)槔齕J]．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(4):67-71

P208

B

1672-4623（2014）04-0081-04

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.04.028

李和平，工程師，研究方向?yàn)檫b感影像應(yīng)用。

2014-05-22。