杜書立, 付 微, 趙 軍, 張興義
(中國(guó)科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所院 黑土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150081)
東北黑土區(qū)是世界上4大片黑土區(qū)之一,是中國(guó)最主要的糧食生產(chǎn)基地之一。東北黑土區(qū)開(kāi)發(fā)雖只有百余年[1],但由于受到降雨、徑流、地形、地表植被、人類活動(dòng)、土地利用類型以及耕作管理等眾多因素的影響,土壤侵蝕嚴(yán)重,主要表現(xiàn)在坡耕地黑土層被剝蝕而變薄,侵蝕溝縱橫造成土地支離破碎[2-5]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),黑土區(qū)每年流失掉的黑土總量達(dá)1×108~2×108m3,其中流失的氮磷鉀養(yǎng)分就相當(dāng)于數(shù)百萬(wàn)噸化肥,土壤中有機(jī)質(zhì)含量比開(kāi)墾前下降了近1/2[6-7]。黑土區(qū)侵蝕溝已經(jīng)達(dá)到2.5×105條余,侵蝕耕地5.9×105hm2以上[1]。東北黑土區(qū)的土壤侵蝕問(wèn)題已引起了廣泛的關(guān)注,近年來(lái),國(guó)家和地方逐步加大防治力度[8-10]。GIS與RS已成為當(dāng)前國(guó)家和區(qū)域水土流失普查的主要手段,剛完成的“第一次全國(guó)水利普查”中的全國(guó)水土保持普查就是主要借助GIS與RS技術(shù)[11-12]。利用空間數(shù)據(jù),對(duì)侵蝕區(qū)進(jìn)行整體水土保持規(guī)劃、水土流失治理和效益評(píng)價(jià),為直觀認(rèn)識(shí)水土流失危害和科學(xué)防治提供了重要手段。GIS具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和管理決策功能,通過(guò)預(yù)測(cè)水土流失,宏觀范圍上直觀地體現(xiàn)出侵蝕現(xiàn)狀,并且可以分析不同類型的數(shù)據(jù),連接不同的模型形式,從而建立合理的GIS評(píng)價(jià)模型[13]。同時(shí)GIS具有非常人性化的可視界面,非常有利于相關(guān)人員進(jìn)行深入分析以及正確決策。
選取東北黑土區(qū)松嫩平原中心地帶海倫市光榮村作為研究區(qū),光榮村土壤侵蝕區(qū)域多分布在耕地區(qū)域,在東北黑土區(qū)土壤侵蝕和水土流失表現(xiàn)上具有代表性。結(jié)合ArcGIS,SuperMap和SuperObject等軟件,建立土壤侵蝕預(yù)警和決策支持系統(tǒng),旨在為黑土區(qū)水土流失綜合治理提供數(shù)字化平臺(tái)。
松嫩平原黑土區(qū)光榮村位于黑龍江省海倫市,地理坐標(biāo)為47°20′N,127°48′E。耕地面積450 hm2,占總土地面積的85.1%,農(nóng)田地塊723塊,面積0.3~7 hm2不等,主要種植作物為大豆和玉米[14]。光榮村示范區(qū)地貌類型為平川漫崗地,土壤類型為黑土,土層較厚,平均厚度46.6 cm左右;土壤有機(jī)質(zhì)含量平均約為48.4 g/kg;當(dāng)前土壤肥力總體比較肥沃,但侵蝕強(qiáng)度大,面蝕和溝蝕均嚴(yán)重,且仍處于發(fā)展趨勢(shì)。
土壤侵蝕方程是本系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)前人的研究以及參考眾多參考文獻(xiàn),選擇張憲奎等[15-18]在RUSLE模型基礎(chǔ)上建立的黑龍江省土壤流失方程作為土壤侵蝕方程,具體形式如下:
A=R×K×L×S×C×P
(1)
式中:A——單位面積多年平均土壤流失量〔t/(hm2·a)〕;R——降雨侵蝕力因子(J/m2);K——土壤可蝕性因子〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕;L——坡長(zhǎng)(m);S——坡度(%);C——植被與經(jīng)營(yíng)管理因子;P——水土保持措施因子。
根據(jù)張憲奎等[18]的研究,降雨侵蝕力因子R為:
R=EI
(2)
式中:E——一次降雨中某時(shí)段降雨量產(chǎn)生的動(dòng)能(J/m2);I——某時(shí)段降雨強(qiáng)度(cm/h)。利用1980年以來(lái)海倫地區(qū)的降水?dāng)?shù)據(jù),運(yùn)用張憲奎等的方法,計(jì)算得出R=1 225.5(J/m2)。
試驗(yàn)區(qū)光榮村地處黑土帶的中心區(qū)域,根據(jù)張憲奎等[18]的計(jì)算,黑土區(qū)土壤可蝕性因子為K=0.26 〔(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)〕。
對(duì)于地形因子LS,國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多種不同的計(jì)算方法[19-23]。本文使用ArcGIS軟件,根據(jù)光榮實(shí)驗(yàn)區(qū)的DEM數(shù)據(jù)計(jì)算坡長(zhǎng)因子L和坡度因子S。
植被與經(jīng)營(yíng)管理因子C是RUSLE中最重要的因子,RUSLE用次因子法計(jì)算各種土地利用方式的特定C值是建立在植物冠層、雨滴降落高度、地表覆蓋度和糙度、根量及前茬土地利用方式、土壤前期含水量等基礎(chǔ)之上,從而提供更靈活的能描述種植制度和保土耕作措施或牧草輪作等的C值估計(jì)方法[24]。根據(jù)光榮地區(qū)的實(shí)際種植作物以及其他植被情況,結(jié)合張憲奎等[18]的研究結(jié)果,我們選取植被與經(jīng)營(yíng)管理因子C分別為0.262 6(大豆)、0.257 8(玉米)、0.06(林地)和0.15(草地)。
水土保持措施因子P,是指不同的土壤侵蝕治理措施下,農(nóng)地土壤流失量與順坡耕作農(nóng)地土壤流失量之比值。根據(jù)張憲奎等[18]的研究,我們選取P因子的數(shù)值為1(順坡壟)和0.029(橫坡壟),而在林地與草地地類中,并不存壟向,各種地表植被的生長(zhǎng)方式以及位置分布是不符合壟向分布的,因此在分布上對(duì)水土保持并沒(méi)有很好的效果,所以林地和草地的水土保持措施因子P值均為1。
以地塊為基本單元逐個(gè)調(diào)查近3 a來(lái)的降雨強(qiáng)度、頻率以及種植作物,將調(diào)查結(jié)果整理并編碼,建立空間檢索,關(guān)聯(lián)到專家知識(shí)庫(kù)。同樣以地塊為基本單元,對(duì)地塊的相應(yīng)信息進(jìn)行采集,包括土壤類型、土地利用類型、壟向、坡向以及土壤中氮磷鉀等重要養(yǎng)分的含量等。
首先,利用ArcGIS軟件對(duì)空間分辨率為2.5 m的 ALOS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯得到土地利用圖,同時(shí)進(jìn)行矢量化,并與實(shí)地采集土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)和其他調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)[14]。然后,根據(jù)光榮村的DEM,利用ArcGIS軟件計(jì)算光榮試驗(yàn)區(qū)各地塊的實(shí)際坡長(zhǎng)。根據(jù)張憲奎等[18]建立的黑龍江省土壤流失方程作為土壤侵蝕模型,將地類、坡度、坡長(zhǎng)等進(jìn)行分類整理。地類分為耕地、林地、草地以及非農(nóng)業(yè)用地,由于侵蝕溝侵蝕嚴(yán)重,在修復(fù)前無(wú)法進(jìn)行利用,因此,將侵蝕溝作為獨(dú)立的一個(gè)類型,不歸于其他地類之中;坡度根據(jù)>0.5°,0.5°~2°,2°~3°,3°~4°,4°~5°,5°~6°,6°~7°以及>7°分級(jí);坡長(zhǎng)根據(jù)<100,100~200,200~500及>500 m分級(jí);對(duì)于耕地,作物壟向也是土壤侵蝕的重要因素,壟向分為橫坡壟和順坡壟,作為農(nóng)田土壤侵蝕的重要因子。根據(jù)以上分級(jí),去掉不存在的組合部分,共將光榮村試驗(yàn)區(qū)所有地塊分為34類,作為侵蝕管理單元模塊,從而制定不同的治理措施。表1中列出了這34類不同組合的具體組合形式,即34類地塊各自的地類、坡度范圍、坡長(zhǎng)范圍以及壟向。附圖5根據(jù)表1中的不同組合,將光榮村的34類地塊賦以不同的顏色,從而進(jìn)行分類管理和治理。
表1 光榮村土壤侵蝕管理地塊組合及各因子范圍
可視化二次開(kāi)發(fā)是現(xiàn)今GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)的主要發(fā)展方向。GIS的軟件平臺(tái)與可視化二次開(kāi)發(fā)軟件相結(jié)合,具有很強(qiáng)的應(yīng)用性,不僅快速方便,而且易于各個(gè)平臺(tái)之間的移植。本文是以超圖公司的SuperMap Object為GIS基礎(chǔ)軟件,利用Visual Basic語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)程序,二者相集成的開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)。
空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行分離式儲(chǔ)存,通過(guò)關(guān)鍵字段進(jìn)行連接調(diào)用。為了方便屬性數(shù)據(jù)的編輯和更新,將屬性數(shù)據(jù)置于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之中??臻g數(shù)據(jù)中包括光榮實(shí)驗(yàn)區(qū)的地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)等,并且利用ALOS影像數(shù)據(jù)解譯得到光榮村的地塊數(shù)據(jù);屬性數(shù)據(jù)主要包括一些實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)等。分別對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行整理:空間數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、矢量化,并且分類;屬性數(shù)據(jù)按照相同格式進(jìn)行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。屬性數(shù)據(jù)可以通過(guò)SQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)而進(jìn)行屬性數(shù)據(jù)查詢等,并且可以通過(guò)二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言與空間圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行交互性操作。屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用完全在后臺(tái)執(zhí)行,圖形和屬性數(shù)據(jù)的查詢與維護(hù)在同界面下實(shí)現(xiàn)。
4.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 光榮示范區(qū)土壤侵蝕預(yù)警決策支持系統(tǒng)是用于為不同土壤條件和不同侵蝕強(qiáng)度下的土壤侵蝕綜合治理的GIS管理平臺(tái)。具體目標(biāo)是:實(shí)現(xiàn)直觀的可視化的地塊信息查看,主要是包括侵蝕影響因子和土壤養(yǎng)分信息并且提供相應(yīng)地塊的侵蝕強(qiáng)度;為管理者提供宏觀決策分析平臺(tái),使管理者能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行維護(hù),數(shù)據(jù)更新、查詢、分析;為農(nóng)民用戶提供根據(jù)不同侵蝕情況而制定的侵蝕綜合治理措施,如生物措施,工程措施,合理施肥等。
4.1.2 系統(tǒng)框架 由于使用者層次和專業(yè)不一,因此系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)時(shí)注重以用戶為主,界面整潔、易懂,操作簡(jiǎn)單,人性化強(qiáng)。
對(duì)于空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),采用分離的方式進(jìn)行儲(chǔ)存,之后在VB中編寫接口,調(diào)用ODBC與數(shù)據(jù)庫(kù)源進(jìn)行連接,之后再利用RDO和SQL進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)查看。主要包括數(shù)據(jù)輸入和輸出,數(shù)據(jù)顯示,空間數(shù)據(jù)的分析,專題圖制作,系統(tǒng)配置與維護(hù),數(shù)據(jù)庫(kù),侵蝕治理措施等模塊(見(jiàn)圖1)。
圖1 土壤侵蝕預(yù)警和決策支持系統(tǒng)集成過(guò)程
在進(jìn)行系統(tǒng)功能和界面設(shè)計(jì)時(shí),以方便實(shí)用為原則,系統(tǒng)界面簡(jiǎn)潔,具有較好的實(shí)用性。
(1)地圖基本操作。具有基本的GIS功能,包括放大、縮小、自由縮放、移動(dòng)和全圖顯示。這些功能直觀,且便于操作,適合不同人群使用。
(2)地形查詢。地塊的坡度范圍是侵蝕強(qiáng)度的重要指標(biāo),通過(guò)地形狀況功能,可以清晰簡(jiǎn)易地顯示出各個(gè)不同坡度范圍的地塊,同時(shí)對(duì)于已經(jīng)形成的侵蝕溝也會(huì)重點(diǎn)標(biāo)注,這樣非常有助于使用者快速定位不同侵蝕強(qiáng)度的地塊和侵蝕溝位置。
(3)侵蝕預(yù)警與治理功能。侵蝕預(yù)警和治理功能是本系統(tǒng)的重點(diǎn),主要是利用張憲奎等[18]在RUSLE模型基礎(chǔ)上建立的黑龍江省土壤流失方程作為土壤侵蝕方程為驅(qū)動(dòng),進(jìn)行侵蝕模數(shù)計(jì)算,之后根據(jù)《黑土區(qū)水土流失綜合防治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[25]進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度分級(jí),并且根據(jù)不同的侵蝕強(qiáng)度制定綜合治理方案。
土壤侵蝕預(yù)警功能模塊中主要包括地塊狀況、地塊信息、侵蝕預(yù)警、綜合治理方案、效益評(píng)估等功能。本系統(tǒng)針對(duì)2個(gè)層次的用戶。第一是管理者,他們有宏觀分析和決策的能力,可以利用該平臺(tái)對(duì)區(qū)域水土流失情況的變化進(jìn)行分析和管理。第二是農(nóng)戶,他們可以利用該系統(tǒng)平臺(tái),了解自家的地塊水土流失的狀況,在耕作時(shí)應(yīng)該采取哪些措施更有利于達(dá)到保水保肥、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。針對(duì)不同的用戶,操作系統(tǒng)側(cè)重不同,但盡量簡(jiǎn)單化,采取觸摸點(diǎn)擊的的方式操作。輸出的結(jié)果也盡量簡(jiǎn)單易懂。
4.3.1 管理者應(yīng)用平臺(tái) 該系統(tǒng)結(jié)合不同地塊的坡長(zhǎng)、坡度、土地利用方式、土壤性狀和種植管理等具體信息,進(jìn)行土壤侵蝕分類分級(jí)。土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí),系統(tǒng)以年平均侵蝕模數(shù)為判別指標(biāo),在缺少侵蝕模數(shù)實(shí)測(cè)資料時(shí),根據(jù)有關(guān)侵蝕方式(面蝕、溝蝕)的判別指標(biāo)進(jìn)行[25]。該區(qū)域共形成了34種不同地形地貌、侵蝕強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分等組合方案,當(dāng)管理者用戶選中地塊時(shí),即會(huì)在預(yù)警提示窗口中顯示出其侵蝕模數(shù)以及侵蝕強(qiáng)度等具體信息,讓使用者直觀地感受到耕種地塊所處水土流失危害的程度。例如,當(dāng)管理者要對(duì)分類號(hào)為27的地塊進(jìn)行分析和管理時(shí),點(diǎn)擊地塊分類號(hào)為27的地塊,系統(tǒng)即會(huì)提示此地塊平均坡度為3.78°,坡度范圍3°~4°,侵蝕模數(shù)為44.3 t/(hm2·a),介于36~48 t/(hm2·a),屬于土壤侵蝕極強(qiáng)烈區(qū)域,達(dá)到嚴(yán)重預(yù)警。系統(tǒng)同時(shí)會(huì)給出相應(yīng)的治理措施如工程措施:修筑坡?tīng)钐萏?,坡頂種植水保林,林側(cè)挖節(jié)流溝;耕作措施:沿坡?tīng)钐萏餀M坡起壟、秋起壟、秋雙層深施肥、垅底深松,另增加根茬、有機(jī)質(zhì)還田等措施的綜合治理模式;生物措施:沿坡每隔50 m修一條寬1~2 m的生物隔離帶,可選種多年生牧草、多年生經(jīng)濟(jì)植物(如石刁柏、胡枝子等)。
對(duì)分類號(hào)為3的地塊進(jìn)行分析和管理時(shí),如上例操作,系統(tǒng)會(huì)提示該地塊坡度范圍為2~3°,屬中度侵蝕區(qū),極易成為侵蝕嚴(yán)重區(qū)域,提示具體的治理措施:工程措施需采取農(nóng)田防護(hù)林體系和耕作措施,按國(guó)家和省級(jí)防護(hù)林體系標(biāo)準(zhǔn)營(yíng)造農(nóng)田防護(hù)林,減輕風(fēng)蝕、水蝕的侵害;耕作措施中主要采取橫坡起壟、秋起壟、秋雙層深施肥、垅底深松,另增加根茬、有機(jī)質(zhì)還田等措施的綜合治理模式;暫時(shí)還不需要生物措施。
對(duì)于侵蝕溝的治理,用戶需選中第33類地塊,系統(tǒng)會(huì)提示該地塊為侵蝕溝區(qū),并提出預(yù)警。系統(tǒng)針對(duì)溝沿、溝底和溝坡3個(gè)重點(diǎn)部位提出治理措施,如溝沿治理中包括沿溝造林或者播撒一些根系發(fā)達(dá),固土能力強(qiáng)的灌木或草本植物,并禁止放牧、取土等人為活動(dòng),以防止人為破壞;溝底治理中有修筑谷坊,之后種植根系發(fā)達(dá)、根蘗力強(qiáng)、枝葉繁茂、耐水濕的樹(shù)種等措施;溝坡治理中包括造林、修建梯田等措施。總之,針對(duì)34種不同類別的土壤侵蝕區(qū),系統(tǒng)都分別組合了以往專家的知識(shí)和水土流失治理的標(biāo)準(zhǔn)方案,可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同類別進(jìn)行分析和綜合治理。
4.3.2 農(nóng)戶應(yīng)用平臺(tái) 農(nóng)戶的應(yīng)用主要是獲得地塊土壤侵蝕的信息,綜合治理的決策方案和指導(dǎo),達(dá)到保水保肥,提高土壤肥力和作物產(chǎn)量的目的。為了方便農(nóng)民用戶使用,我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種方式進(jìn)入系統(tǒng):(1)農(nóng)戶直接在圖上找到自家地塊點(diǎn)擊進(jìn)入,得到自家地塊的詳細(xì)信息; (2)由于農(nóng)民的知識(shí)和對(duì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用有限,一般的漢語(yǔ)拼音都難以輸入,所以為了方便農(nóng)戶的使用,我們對(duì)每個(gè)農(nóng)戶承包的地塊都進(jìn)行了編號(hào),這樣農(nóng)戶在使用時(shí)輸入自家的編號(hào)即可進(jìn)入自家地塊,獲得相應(yīng)的地塊信息。主要包括:面積、土壤養(yǎng)分狀況、肥力等級(jí)、地塊坡長(zhǎng)、平均坡度、前幾年種植信息、產(chǎn)量等信息。并得到根據(jù)農(nóng)戶自家的自然條件,地形地貌,土壤養(yǎng)分的作物種植指導(dǎo),如坡度較大的區(qū)域,系統(tǒng)提示改順坡壟為橫坡壟,以及如何起壟,是否還應(yīng)該種植生物隔離帶,施肥的方案選擇,增施有機(jī)肥和化肥的用量以及施肥方法等。如點(diǎn)擊農(nóng)戶高大海家,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出地塊信息、養(yǎng)分信息和建議概況3個(gè)窗體。養(yǎng)分信息窗口中提示高大海家地塊堿解氮含量偏高,有效磷含量低,速效鉀含量低;地塊信息窗口提示農(nóng)戶高大海家地塊的主要信息,包括地類代碼、農(nóng)戶姓名、坡度等;在建議概況窗口中,針對(duì)種植作物大豆,有以下推薦施肥方案:建議施尿素30~31.5 kg/hm2,二胺108 kg/hm2,50%硫酸鉀75 kg/hm2。之后提示施肥方法:氮肥、磷肥和鉀肥作為底肥全部一次性施入。
根據(jù)使用功能的不同,只有管理者和設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行系統(tǒng)的更新。通過(guò)進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù),以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和更新,并且可以進(jìn)行治理方案更新和升級(jí),重新制定,根據(jù)不同要求對(duì)專題圖的制作以及進(jìn)行一些空間分析工作的更新等。
應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用,為管理者提供了到農(nóng)戶地塊的,可以定量分析的水土流失綜合治理分析平臺(tái),促進(jìn)了農(nóng)村信息化,農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理的進(jìn)程。通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)的工程指導(dǎo)、生物指導(dǎo)和耕作種植指導(dǎo),使得水土流失的綜合治理取得了很大的成效,農(nóng)戶在應(yīng)用中方便快捷,在保水保肥提高作物產(chǎn)量上有一定程度的改進(jìn)。
(1)能將土壤侵蝕和土壤養(yǎng)分信息綜合在一起,為農(nóng)戶耕作提供決策方案,提高了土地保水保肥的能力。
(2)利用遙感數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合,在GIS平臺(tái)上生成以地塊為基本單元的侵蝕治理單元圖。方便管理者和農(nóng)戶使用。
(3)充分利用當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期田間定位試驗(yàn)研究成果和歷年收集數(shù)據(jù),結(jié)合張憲奎等[8]提出的黑龍江省土壤侵蝕方程,建立土壤侵蝕模型,非常符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,實(shí)用性很高。
(4)采用GIS平臺(tái)與可視化編程語(yǔ)言二者相集成的開(kāi)發(fā)方式,具有較好的可移植性、可擴(kuò)展性;調(diào)用空間數(shù)據(jù)庫(kù)和土壤侵蝕模型庫(kù),實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同地塊不同侵蝕強(qiáng)度,提出相應(yīng)的治理措施。用戶界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、友好,易于操作。
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