張錦凰， 劉丹強(qiáng)， 姜小三， 卞新民

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 江蘇 南京 210095； 2.商南縣水保站, 陜西 商南 726300；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境信息工程中心, 江蘇 南京 210095)

小流域植被覆蓋與工程措施因子遙感監(jiān)測(cè)研究

張錦凰1， 劉丹強(qiáng)2， 姜小三3， 卞新民1

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 江蘇 南京 210095； 2.商南縣水保站, 陜西 商南 726300；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境信息工程中心, 江蘇 南京 210095)

[目的] 通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江委丹江治理工程重點(diǎn)項(xiàng)目區(qū)西河小流域植被覆蓋與工程措施因子(CP)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)研究，為丹江流域以及長(zhǎng)江上游地區(qū)水土流失定量檢測(cè)、土壤侵蝕綜合防治和評(píng)價(jià)提供科學(xué)的決策依據(jù)。 [方法] 利用2010年丹江流域商南縣西河小流域環(huán)境小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用Erdas軟件對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到影像中各類(lèi)地物植被覆蓋度。利用卜兆宏等水土流失定量遙感監(jiān)測(cè)模型(QRSM模型)植被因子與植被覆蓋度關(guān)系式算法，即用土壤流失量遙感監(jiān)測(cè)植被因子算式開(kāi)展計(jì)算和分析。[結(jié)果] 西河小流域北部治理區(qū)和南部山區(qū)植被覆蓋和工程措施因子值相當(dāng)?shù)?；在河道兩岸有局部區(qū)域出現(xiàn)了植被覆蓋與工程措施因子高值區(qū)，主要是由于該區(qū)域居民房屋建筑和道路建設(shè)破壞了植被；中部人口集中的區(qū)域，治理程度較低，僅有較少區(qū)域出現(xiàn)植被覆蓋集中連片高值區(qū)。 [結(jié)論] 影響水土流失眾多客觀自然因素中植被覆蓋因子的影響最大，另一方面，人類(lèi)過(guò)度開(kāi)發(fā)利用土地資源引起陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，因此研究水土流失應(yīng)綜合考慮地理、自然和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因地制宜，合理規(guī)劃，確保經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和生態(tài)安全。

小流域； 植被覆蓋；CP因子； 遙感監(jiān)測(cè)

文獻(xiàn)參數(shù)： 張錦凰， 劉丹強(qiáng)， 姜小三， 等.小流域植被覆蓋與工程措施因子遙感監(jiān)測(cè)研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(2)：131-136.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.019； Zhang Jinhuang， liu Danqiang， Jiang Xiaosan， et al. Remote Sensing Monitoring of Vegetation Cover and Engineering Measure Factors of Small Watershed[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：131-136.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.019

水土流失程度主要取決于該地區(qū)自然條件和人類(lèi)活動(dòng)的情況及其相互關(guān)系[1]。影響水土流失的自然因素既有包括降雨量和降雨強(qiáng)度等氣候因子、地形地貌因子、土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀所決定的土壤可侵蝕性因子；人為因素主要是人類(lèi)活動(dòng)過(guò)度開(kāi)發(fā)毀林、長(zhǎng)期放牧、未采取保護(hù)性耕作措施等不合理土地資源利用，造成土壤沙化、植被類(lèi)型改變、植被覆蓋嚴(yán)重破壞等。因此，充分認(rèn)識(shí)合理開(kāi)發(fā)利用土地資源和增加地面植被覆蓋度對(duì)土壤綜合治理和生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)，以及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)環(huán)境變化作用機(jī)制是十分重要的[2]。在眾多有關(guān)水土流失方面研究，美國(guó)通用土壤流失量方程USLE模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且應(yīng)用較為廣泛[3]。在所有影響土壤侵蝕的因子中，植被因子C反映了山丘地帶植被覆蓋和農(nóng)作區(qū)田間管理措施與地表植被覆蓋度對(duì)土壤侵蝕量影響[4]。影響植被因子除了植被高度、覆蓋度外，與植被類(lèi)型和枯枝落葉層都有關(guān)系。同時(shí)，植被能夠改善地表土壤結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)和水文性質(zhì)[5]。植被覆蓋因子是影響土壤流失方程眾多因子變化幅度范圍相對(duì)較大的因子，不同地表植被覆蓋狀況對(duì)土壤流失的影響表現(xiàn)出明顯差異。國(guó)內(nèi)有很多學(xué)者應(yīng)用USLE對(duì)水土流失進(jìn)行了定量化研究，卜兆宏等[6-9]在大尺度空間水土流失研究取得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果。雖然各位研究者大都采用USLE模型或結(jié)構(gòu)相似的模型，但對(duì)不同影響因子研究的側(cè)重點(diǎn)各不相同[10]。

常用樣方法和儀器采樣法測(cè)量植被覆蓋度雖然精度較高，但需要大量野外數(shù)據(jù)測(cè)算，既操作不便、成本高，而且人為主觀性太強(qiáng)，很難在大尺度范圍快速提取植被覆蓋度[11-12]。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)高度發(fā)展，3S技術(shù)在土壤侵蝕研究的應(yīng)用得到廣大學(xué)者認(rèn)可，用遙感數(shù)據(jù)資料計(jì)算地面植被覆蓋度，可實(shí)現(xiàn)提取大面積區(qū)域甚至全球植被覆蓋度[13]。應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)資料提取地面植被覆蓋度，進(jìn)一步計(jì)算出植被覆蓋與工程措施CP因子，與其它影響土壤侵蝕因子圖疊加相乘，可快速得到小流域土壤侵蝕量分布圖。西河小流域在丹江流域具有典型代表性，是研究長(zhǎng)江上游地區(qū)小流域水土流失定量監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)條件較好的區(qū)域。

1 研究區(qū)概況

丹江是長(zhǎng)江二級(jí)支流漢江的主要支流，是丹江口水庫(kù)區(qū)主要水源富集區(qū)。丹江發(fā)源于陜西省商縣秦嶺南坡，丹江口庫(kù)區(qū)地勢(shì)北高南低，起伏較大，日照充足，雨量充沛。丹江流域是長(zhǎng)江流域侵蝕強(qiáng)度最大、產(chǎn)沙強(qiáng)度最高的地區(qū)。西河小流域位于商南縣北部，地理位置東徑110°52′16″—110°55′30″，北緯33°29′55″—33°33′50″，總面積39.31 km2，隸屬商南縣城關(guān)鎮(zhèn)管轄。該流域位于秦嶺南坡余脈，地貌類(lèi)型屬中、低土石山區(qū)。土壤以黃棕壤、風(fēng)化砂壤為主，光、熱、水資源充沛，地形地貌復(fù)雜多樣。境內(nèi)氣候?qū)俦眮啛釒У脚瘻貛н^(guò)渡區(qū)，植被類(lèi)型呈現(xiàn)出明顯過(guò)渡性特征，有南方植物在這里繁衍，也有北方植物在這里立地生長(zhǎng)，屬于典型長(zhǎng)江流域山區(qū)氣候。流域內(nèi)喬、灌木品種繁多，植被空間分布差異較大，深山溝道人為活動(dòng)影響較小的坡面植被覆蓋較好，林草覆蓋率在60%以上；居民集中地區(qū)因早期人為開(kāi)荒種地、過(guò)度砍伐林木致使大面積天然林、次生林、灌草植被遭到嚴(yán)重破壞。

2 方法原理與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究材料

收集了商南縣西河小流域1∶1萬(wàn)地形圖3幅，4個(gè)雨量站年逐次降雨自記紙質(zhì)原始資料，商南縣1∶5萬(wàn)2009土地利用圖，土壤圖，西河小流域2010年9月環(huán)境小衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)資料等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

拼接和數(shù)字化處理西河小流域1∶1萬(wàn)地形圖，經(jīng)過(guò)幾何矯正，選用最常用的Kriging插值法，為了達(dá)到與環(huán)境小衛(wèi)星全色波相同的分辨率，插值時(shí)選擇10 m×10 m的分辨率，最后經(jīng)過(guò)高精度DEM查錯(cuò)與精度評(píng)價(jià)，建立研究區(qū)10 m×10 m高精度數(shù)字高程模型(DEM)。以土地利用圖作遙感圖像解譯的參考，矯正解譯遙感圖像，獲得土地利用變化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)資料。首先用ERDAS軟件將西河小流域原始環(huán)境小衛(wèi)星遙感影像二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為*.Image格式，生成的遙感影像矢量文件不包含坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用Arcview軟件Warp模塊對(duì)遙感影像進(jìn)行矢量文件柵格化矯正，檢查各類(lèi)數(shù)據(jù)并入庫(kù)保存，將數(shù)據(jù)保存為ArcGIS shape，coverage，grid文件格式和ERDAS tiff，img文件格式，供后續(xù)軟件運(yùn)行調(diào)用。

2.3CP因子計(jì)算方法與原理

土壤侵蝕研究常用的美國(guó)通用流失方程USLE，涉及山丘植被和農(nóng)區(qū)作物管理植被因子用C來(lái)表示[4]。植被覆蓋因子C是指在相同土壤、坡度坡長(zhǎng)和降雨條件下，有特定植被覆蓋或田間管理?xiàng)l件下土壤流失量與實(shí)施清耕、無(wú)植被覆蓋完全裸露地塊土壤流失量之比，其值在0～1變化，為無(wú)量綱數(shù)值，C值越大說(shuō)明對(duì)應(yīng)地塊土地利用類(lèi)型水土流失越嚴(yán)重。C值在土壤侵蝕諸因子中變化范圍最大，是評(píng)價(jià)植被因子抵抗土壤侵蝕能力大小的重要指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤植被覆蓋與土壤侵蝕量關(guān)系及植被覆蓋C因子算法研究進(jìn)行過(guò)不少探討，張巖等[14]利用大量多年次降雨引起不同植被覆蓋度土壤侵蝕實(shí)測(cè)資料計(jì)算植被覆蓋C因子，影響植被因子因素包括植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、植被冠層高度、有效根密度等參數(shù)[15]。普遍認(rèn)為無(wú)論植被類(lèi)型如何，或降雨條件及其他下墊面條件如何，當(dāng)植被覆蓋度大于70%時(shí)，地表侵蝕量都極其微弱，侵蝕量不足裸地的1%。當(dāng)植被覆蓋度小于10%時(shí)，其減蝕作用基本沒(méi)有反映。植被覆蓋度在10%～70%時(shí)，植被與侵蝕關(guān)系比較復(fù)雜，植被覆蓋度遞增率與水土流失量遞減率不是同一個(gè)數(shù)量級(jí)。

卜兆宏自1990年以來(lái)，按照USLE學(xué)術(shù)思想，在我國(guó)南北方水蝕區(qū)開(kāi)展了土壤流失量及其影響因素周年實(shí)測(cè)，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了水土流失定量遙感監(jiān)測(cè)模型(QRSM)。其模型采用的植被覆蓋度與植被覆蓋C因子之間算式表達(dá)為：

C=0.414 9-0.005 20c1

(1)

C=0.439 99-0.005 78c2

(2)

C=0.450-0.007 86c3

(3)

式中：C——植被因子值；c1——7月份植被覆蓋度(%)；c2——8月份植被覆蓋度(%)；c3——年平均植被覆蓋度(%)。

水土保持措施P因子是指采取某種耕作措施土壤流失量與同等條件無(wú)保護(hù)性耕作措施土壤流失量之比，是無(wú)量綱數(shù)值，取值范圍為0～1。P值取1代表未采取耕作措施順坡種植耕作，P值取0代表采取某種耕作措施未導(dǎo)致土壤流失。水土保持措施P值計(jì)算多以實(shí)地測(cè)算或選用不同地區(qū)采取不同土壤保護(hù)措施已有經(jīng)驗(yàn)值[16]。C和P值均在0～1之間變化，主要反映了植被覆蓋或作物以及管理措施對(duì)土壤流失量的影響。

2.4 遙感圖像解譯與監(jiān)督分類(lèi)

環(huán)境小衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)記錄的光譜信息包含4個(gè)波段通道光譜數(shù)據(jù)，第4，3，2波段光譜范圍0.52～0.89 μm，這3個(gè)通道光譜處在能夠反映地表綠色植被覆蓋狀況光譜特性范圍，可顯著地區(qū)分地表不同植被覆蓋度的差異，把4，3，2這3個(gè)波段光譜信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成*.IDRISI格式。用處理好的地形圖幾何矯正遙感圖像并進(jìn)行矢量化，保存為*.shape面狀矢量圖文件，同樣方式用西河小流域地形圖矯正縣域行政圖獲得*.shape小流域邊界矢量圖。在GIS軟件環(huán)境下將矯正后遙感影像按流域邊界圖裁剪為研究區(qū)*.tiff影像文件，其分辨率精確到每個(gè)像元10 m×10 m。環(huán)境小衛(wèi)星第3波段為可測(cè)量綠色植物反射率紅光波段，根據(jù)第3波段建立樣本區(qū)，用ERDAS軟件實(shí)現(xiàn)遙感影像監(jiān)督分類(lèi)。

2.4.1 決定訓(xùn)練區(qū) 用第3波段作訓(xùn)練區(qū)底圖；每一類(lèi)分類(lèi)訓(xùn)練區(qū)像元數(shù)要超過(guò)3個(gè)；采用屏幕數(shù)字化來(lái)確定訓(xùn)練區(qū)；根據(jù)第3波段不同地區(qū)灰度值按3～5個(gè)單位為一個(gè)區(qū)間建立樣本區(qū)，建立訓(xùn)練區(qū)時(shí)要時(shí)刻檢驗(yàn)底圖灰度值，確保分類(lèi)精度；建立訓(xùn)練區(qū)。

2.4.2 用makesig模塊分析訓(xùn)練區(qū)光譜信息 打開(kāi)訓(xùn)練區(qū)光譜信息分析模塊MAKESIG(Image Processing/Signature Development/MAKESIG)，將訓(xùn)練區(qū)矢量文件和3個(gè)波段柵格影像文件輸入到相應(yīng)位置；點(diǎn)擊“Enter signature file names”，將不同分類(lèi)名稱(chēng)輸入到相應(yīng)位置，生成光譜特征文件。

2.4.3 用sigcomp對(duì)signature文件進(jìn)行檢驗(yàn) 打開(kāi)signature(Image Processing/Signature Development/SIGCOMP)；輸入光譜特征文件*.sig，display type選擇平均值。

2.4.4 用maxlike模塊進(jìn)行最大似然法分類(lèi) 打開(kāi)MAXLIKE模塊(Image Processing/Hard Classifiers/MAXLIKE)，插入光譜特征文件*.sgf，得到西河小流域遙感影像分類(lèi)圖。分類(lèi)的重點(diǎn)是區(qū)分不同的植被覆蓋度，首先對(duì)水體和建筑物建立訓(xùn)練區(qū)，然后根據(jù)第3波段不同地區(qū)灰度值按5～30個(gè)單位為一區(qū)間建立樣本區(qū)，將植被分成12類(lèi)。然后由給定的本底訓(xùn)練樣本對(duì)比矯正后遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)法與最大似然分類(lèi)法交互式混合分類(lèi)，得到影像上各類(lèi)地物植被覆蓋度百分比數(shù)值。通過(guò)上述用ERDAS軟件將環(huán)境小衛(wèi)星影像原始二進(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為Image格式，這時(shí)影像沒(méi)有坐標(biāo)，用西河小流域1∶1萬(wàn)地形圖對(duì)衛(wèi)星影像進(jìn)行幾何矯正，用Arcview軟件Warp模塊進(jìn)行矢量文件對(duì)柵格文件的矯正。用IDRISI軟件對(duì)其進(jìn)行監(jiān)督分類(lèi)，結(jié)合目視解譯法，得到影像上各類(lèi)地物的植被覆蓋度，獲得西河小流域土地利用遙感解譯圖。

2.5 精確計(jì)算水土流失像元因子Ai值

水土流失定量監(jiān)測(cè)方法是在ArcGIS操作平臺(tái)下將降雨侵蝕力R圖、土壤可蝕性K圖、地形因子SL圖、植被覆蓋和工程措施CP圖與數(shù)字高程DEM圖精確配準(zhǔn)疊加，得到水土流失圖每個(gè)像元都包含了像元降雨侵蝕力Ri值、像元土壤可侵蝕性Ki值、像元地形SLi值以及像元CPi值，將各因子圖疊加，利用模型公式即可計(jì)算出每個(gè)像元Ai值。其計(jì)算公式為：

Ai=Ri·Ki·SLi·CPi

(4)

式中：Ai——像元水土流失量;Ri——像元降雨侵蝕力因子;Ki——像元土壤可侵蝕性因子;SLi——像元地形因子;CPi——像元植被覆蓋與工程措施因子。

2.5.1 降雨侵蝕力Ri計(jì)算方法 在西河小流域內(nèi)現(xiàn)有的2個(gè)商南縣氣象站雨量站基礎(chǔ)上，分別在馬槽溝和鸚鵡溝子流域布設(shè)了2個(gè)雨量代表站，詳細(xì)摘讀4個(gè)雨量站全年自計(jì)紙質(zhì)記錄數(shù)據(jù)。以各雨量站點(diǎn)經(jīng)緯度為基礎(chǔ)與DEM精確配準(zhǔn)，生成4個(gè)雨量站點(diǎn)空間分布圖，用降雨侵蝕力計(jì)算公式計(jì)算每個(gè)雨量站點(diǎn)的降雨侵蝕力，然后用內(nèi)插外延插值法給每個(gè)像元Ri賦值，可獲得降雨侵蝕力Ri值圖。降雨侵蝕力計(jì)算公式為：

Rn=0.128PfI30B-0.192I30B

(5)

式中：Rn——年降雨侵蝕力值〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕;Pf——汛期雨量(mm);I30B——I30的年代表值(mm/h)。

2.5.2 土壤可蝕性因子Ki計(jì)算方法 土壤可蝕性因子Ki值的計(jì)算是建立在100多個(gè)土壤剖面點(diǎn)采樣，測(cè)定影響K值的土壤有機(jī)質(zhì)、容重、機(jī)械組成等，利用公式法計(jì)算不同土壤類(lèi)型土壤剖面點(diǎn)土壤K值。然后對(duì)土壤圖不同土壤類(lèi)型與土地利用類(lèi)型圖斑疊加，給相應(yīng)土壤類(lèi)型與土地利用類(lèi)型土壤剖面點(diǎn)賦K值。

土壤K值算法公式為：

(6)

式中：K——土壤可蝕性因子；F，S——土壤粉砂與極細(xì)砂粒、砂粒與細(xì)砂百分含量；a——土壤有機(jī)質(zhì)百分含量(%)；b——土壤結(jié)構(gòu)級(jí)別參數(shù)(以土壤有機(jī)質(zhì)百分含量劃分為1—4級(jí))；c——土壤坡面滲透級(jí)別參數(shù)(按照黏粒含量劃分6個(gè)等級(jí))。

2.5.3 地形因子SLi計(jì)算方法 像元地形因子SLi的計(jì)算方法是基于水往低處流的原理，用水土流失定量遙感監(jiān)測(cè)模型中坡度坡長(zhǎng)專(zhuān)制算式軟件SL.exe逐個(gè)計(jì)算每個(gè)像元的水流方向，在已創(chuàng)建的研究區(qū)數(shù)字高程模型中提取坡度坡長(zhǎng)因子。該算法在微流域坡度坡長(zhǎng)計(jì)算精度達(dá)到96.3%，在中、大流域和縣域推廣應(yīng)用中也具有很高的可靠性。

3 結(jié)果與分析

3.1CP因子值的提取與空間分布

在眾多影響水土流失各類(lèi)因子中，地表植被覆蓋度對(duì)流失量影響最大。因此，植被覆蓋度是地表植被與水土流失量之間關(guān)系最重要的一個(gè)參數(shù)，植被覆蓋度是指單位土地面積植被垂直覆蓋面積所占的百分比，其數(shù)值在0%～100%范圍內(nèi)變動(dòng)。依據(jù)水土流失定量遙感監(jiān)測(cè)模型CP因子算式，當(dāng)公式(1)7月植被覆蓋度c值大于79.7%、公式(2)8月份植被覆蓋度c值大于76.1%、公式(3)年平均植被覆蓋度c值大于57.2%時(shí)，植被因子C的取值為0.001，為地表植被高覆蓋度。當(dāng)?shù)乇硗耆懵稌r(shí)3個(gè)算式中植被覆蓋因子取最大值，3個(gè)算式C的最大取值分別為0.42，0.44，0.45。將土地利用圖按照平地、坡地和山地歸并為3大類(lèi)，然后用3大類(lèi)型土地利用圖切割遙感圖像，獲得遙感圖像土地利用分類(lèi)圖。根據(jù)不同利用類(lèi)型土地周年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、地表植被覆蓋度和土壤流失規(guī)律給不同類(lèi)型遙感影像地類(lèi)賦CP因子值，所獲得的遙感影像數(shù)據(jù)包含小流域地表植被覆蓋C因子與工程措施P因子乘積的CP因子圖。植被覆蓋因子C的數(shù)值與植被類(lèi)型和植被覆蓋度密切相關(guān)，植被因子C值與植被覆蓋度c值成反比關(guān)系。植被因子C值變化范圍在0.001～1.0之間，地表無(wú)任何植被保護(hù)全裸露時(shí)C值為1.0，地表植被未遭到任何破壞或得到很好保護(hù)時(shí)C值為0.001。算式中植被覆蓋度c值在76.1%～0%范圍內(nèi)變動(dòng)，C值變動(dòng)范圍在0～0.45之間。工程措施因子是用來(lái)表示人為地表耕作對(duì)土壤流失量相關(guān)性大小，地表未采取任何保護(hù)措施P值為1，地表得到很好保護(hù)的無(wú)侵蝕區(qū)P值取0。植被覆蓋因子和工程措施因子都是水土流失保護(hù)性抑制因子，均為無(wú)量綱參數(shù)。在研究中將2個(gè)因子圖疊加在一起即為小流域植被覆蓋與工程措施CP因子(附圖5)。從附圖5可以看出，植被覆蓋和工程措施CP因子最低值在西河小流域北部治理區(qū)和南部山區(qū)，CP因子高值區(qū)分布在河道兩岸局部區(qū)域。造成這種布局的原因是南部山區(qū)人口稀少，植被未遭到破壞；北部是丹江治理工程重點(diǎn)項(xiàng)目區(qū)，得到了很好保護(hù)；中部出現(xiàn)集中連片高值區(qū)主要是該區(qū)域人口集中，居民房屋建筑和道路建設(shè)造成了嚴(yán)重破壞，治理程度較低，植被覆蓋稀少的原因。

3.2 西河小流域地面坡度組成

在ArcGIS軟件平臺(tái)Spatial Analyst空間分析工具模塊工作環(huán)境下，分析統(tǒng)計(jì)西河小流域1∶1萬(wàn)數(shù)字高程模型，提取出西河小流域不同坡度面積組成。小于5°緩坡面積為532.2 hm2，占小流域總面積的13.5%；5°～15°較緩坡面積為943.48 hm2，占小流域總面積的24.0%；15°～25°中等坡度面積為930.64 hm2，占小流域總面積的23.7%；25°～35°較陡坡面積為841.81 hm2，占小流域總面積的21.4%；35°以上陡坡面積為682.84 hm2，占小流域總面積的17.4%。其中不同坡度耕地面積百分比(表1)。從西河小流域坡度組成分析統(tǒng)計(jì)得出，超過(guò)25°以上陡坡地面積占小流域總面積的38.78%，是小流域綜合治理重點(diǎn)區(qū)域。耕地面積中大于15°以上坡耕地面積占總耕地面積的45.1%，在今后治理中大于15°坡耕地應(yīng)加大退耕還林還草力度。

表1 西河小流域耕地不同坡度面積分布

3.3 西河小流域土地利用情況

西河小流域土地總面積為3 931.00 hm2，生產(chǎn)用地面積1 080.29 hm2，占總面積的27.5%；生態(tài)用地面積2 611.18 hm2，占總面積的66.4%；居民及交通用地面積239.50 hm2，占總面積的6.1%。農(nóng)業(yè)用地主要分布在中部地區(qū)和河流溝道兩側(cè)，林地大多分布在南部海拔較高偏遠(yuǎn)中低山區(qū)和北部治理區(qū)，居民及交通用地主要分布在河流溝道兩岸。

3.4 西河小流域水土流失情況

小流域水土流失量計(jì)算是將整個(gè)小流域每個(gè)像元水土流失量Ai累加，獲得Ai圖所有像元土壤流失量總和則為整個(gè)小流域年水土流失量。將影響水土流失各因子圖相乘疊加得到的結(jié)果圖就是包含每個(gè)像元都有Ai值的柵格圖像，按照侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柵格像元圖像數(shù)值分級(jí)，可以直觀地觀察到西河小流域水土流失等級(jí)空間分布狀況(附圖6)。

由統(tǒng)計(jì)得出西河小流域水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出(圖1)，西河小流域強(qiáng)度以上水土流失面積占總面積的47.69%，水土流失量占總流失量的56.74%。從圖1中對(duì)比出南北2個(gè)區(qū)域差別，南部未治理山區(qū)作對(duì)照區(qū)，北部重點(diǎn)治理項(xiàng)目區(qū)作對(duì)比區(qū)。從水土流失等級(jí)圖中可明顯看出治理區(qū)與對(duì)照區(qū)水土流失等級(jí)與數(shù)量空間分布規(guī)律，北部治理區(qū)水土流失面積降低到了15%以下，充分說(shuō)明了西河小流域治理區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)成效一目了然。同時(shí)，也可以看出北部地區(qū)溝道兩邊仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)治理。

圖1 西河小流域不同水土流失等級(jí)面積和流失量

4 討論與結(jié)論

在眾多影響水土流失因子中，地表植被覆蓋因子對(duì)侵蝕量影響最大，植被覆蓋因子與植被類(lèi)型和植被覆蓋度密切相關(guān)，植被因子與植被覆蓋度成反比關(guān)系。西河小流域植被覆蓋和工程措施因子最低值在北部治理區(qū)和南部山區(qū)，高值區(qū)分布在河道兩岸局部區(qū)域。其主要原因是南部山區(qū)人口稀少，植被未遭到破壞，北部治理區(qū)植被得到了很好保護(hù)；中部集中連片區(qū)域植被覆蓋和工程措施因子值較高，主要是人口集中，為主要農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，植被遭到嚴(yán)重破壞。從西河小流域水土流失監(jiān)測(cè)結(jié)果可對(duì)比出南北兩個(gè)區(qū)域水土流失等級(jí)與數(shù)量空間分布規(guī)律。南部未治理區(qū)水土流失較嚴(yán)重，北部治理區(qū)水土流失面積降低到了15%以下?？傮w上來(lái)說(shuō)西河小流域水土流失主要發(fā)生在降雨量多、降雨強(qiáng)度大的夏季和秋季，多以山洪形式表現(xiàn)，體現(xiàn)出明顯的季節(jié)性；較陡坡耕地及河道溝谷兩岸水土流失較為嚴(yán)重，而且流失強(qiáng)度大，地域性明顯；盡管北部地區(qū)降雨侵蝕力較大，但治理程度高，植被覆蓋受到很好保護(hù)，南部和中部地區(qū)水土流失明顯高于北部地區(qū)，南北差異較大。

水土流失既有客觀自然因素，也有諸多人為因素，自然因素主要包括降雨量和降雨強(qiáng)度、土壤本身屬性、地形地貌等因素。人為因素主要是人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)地表植被的破壞，以及在耕作過(guò)程中采取保護(hù)措施。引起水土流失是由降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、地形因子和植被覆蓋及工程措施因子綜合作用的結(jié)果。另一方面，人類(lèi)活動(dòng)過(guò)度開(kāi)發(fā)利用土地資源、砍伐森林、不合理耕作措施，導(dǎo)致土壤理化性狀發(fā)生改變，降低了土壤抗擊降雨侵蝕的能力，引起陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化。同時(shí)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展很大程度上導(dǎo)致全球氣候環(huán)境改變，人類(lèi)活動(dòng)成為引起水土流失主導(dǎo)因素。因此，研究小流域水土流失不是單純地考慮自然因素，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況綜合考慮區(qū)域地理、自然和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因地制宜，合理規(guī)劃，確保經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和生態(tài)安全。

[1] 袁仁茂,楊曉燕,李樹(shù)德.水土流失的多因素分析及其防治措施[J].水土保持研究,1999,6(4)：80-85.

[2] 陳百明.試論中國(guó)土地利用和土地覆被變化及其人類(lèi)驅(qū)動(dòng)力研究[J].自然資源,1997,19(2)：31-36.

[3] 李銳, 徐傳早.美國(guó)水土流失預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).水土保持研究[J].1998,5(2)：119-123.

[4] Wischmeier W H, Smith D D. Predicting Rainfall Erosion Losses： A Guide to Conservation Planning [M]. US: United States Department of Agriculture, 1978.

[5] Zha Xuan, Tang Keli, Zhang Keli. The impacts of vegetation on soil characteristics and soil erosion [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1992,6(2): 52-58.

[6] 卜兆宏,孫金莊,周伏建,等.水土流失定量遙感方法及其應(yīng)用的研究[J].土壤學(xué)報(bào),1997,34(3)：235-245.

[7] 胡良軍.基于GIS的區(qū)域水土流失定量評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J].水土保持通報(bào),1998,18(5)：24-27.

[8] 徐天蜀,彭世揆,岳彩榮.基于GIS的小流域土壤侵蝕評(píng)價(jià)研究[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,26(4)：43-46.

[9] 王小丹,鐘祥浩,范建容.西藏水土流失敏感性評(píng)價(jià)及其空間分異規(guī)律[J].地理學(xué)報(bào),2004,59(2)：183-188.

[10] 劉洋,李春陽(yáng).植被因子對(duì)水土流失的影響[J].世界科技研究與發(fā)展,2005,27(5):95-99.

[11] 田靜,閻雨,陳圣波.植被覆蓋率的遙感研究進(jìn)展[J].國(guó)土資源遙感,2004,16(1):1-5.

[12] 章文波,符素華,劉寶元.目估法測(cè)量植被覆蓋度的精度分析[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001,37(3):402-408.

[13] 陳巧,陳永富.QuickBird遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)植被覆蓋度的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,2005,18(4):375-380.

[14] 張巖,劉寶元,史培軍,等.黃土高原土壤侵蝕作物覆蓋因子計(jì)算[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21(7):1050-1056.

[15] 張清春,劉寶元,翟剛.植被與水土流失研究綜述[J].水土保持研究,2002,9(4):96-101.

[16] 郭乾坤,劉寶元,朱少波,等.中國(guó)主要水土保持耕作措施因子[J].中國(guó)水土保持,2013(10):22-26.

Remote Sensing Monitoring of Vegetation Cover and Engineering Measure Factors of Small Watershed

ZHANG Jinhuang1， LIU Danqiang2， JIANG Xiaosan3， BIAN Xinmin1

(1.CollegeofAgronomy,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China; 2.ShangnanWaterConservationStation,Shangnan,Shaanxi726300,China; 3.CenterofResourcesandEnvironmentInformationEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing,Jiangsu210095,China)

[Objective] The remote sensing monitoring research of vegetation cover and engineering factor(CP) in the important engineering projects of Yangtze River Committee on Xihe catchment of the Danjiang basin was conducted to provide scientific basis of comprehensive control and evaluation based on quantitative monitoring of water loss and soil erosion in the Danjiang River basin and the upper reaches of the Yangtze River. [Methods] HJ-A-B satellite image data in 2010 of Xihe catchment, Shangnan County in Danjiang basin were collected and analyzed with Erdas software to get the coverage of different vegetation types. Vegetation factors calculation method that was put forward by Bu Zhaohong, termed as remote sensing monitoring models(QRSM) for soil erosion quantitative was used to get the formula relationship between vegetation factors and vegetation coverage. and to study the vegetation cover factor of Xihe catchment by remote sensing monitoring. [Results] The vegetation cover and engineering measures factor value in the harnessed north area and the southern mountain of Xihe catchment are quite low. Higher values of them can be found sparsely distributed in rive sides. It is mainly because of house and road constructions taking over vegetation. A consecutive higher vegetation cover factor was found in the middle of the Xihe catchment, where though the population is concentrited, the measurement factor is lower. [Conclusion] There are many natural factors affecting soil and water loss, among which the vegetation cover is the greatest one. Human activities should not be neglected, the over-exploitation and utilization of land resources can also change terrestrial ecosystem. Therefore, study of soil and water loss should take into account the geographical, natural and economic development. According to local condition, reasonable planning should be carried out to ensure sustained and stable economic development and ecological security.

small watershed; vegetation cover;CPfactor; remote sensing monitor

2016-11-30

2016-01-26

長(zhǎng)江委員會(huì)丹江治理工程項(xiàng)目“長(zhǎng)江流域上游土壤侵蝕定量計(jì)算檢測(cè)方法研究”(2009112803)

張錦凰(1970—),男(漢族),陜西省佳縣人,博士研究生,高級(jí)講師,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)農(nóng)業(yè)。E-mail:zhangbs8228@126.com。

卞新民(1951—),男(漢族),江蘇省東臺(tái)市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)等方面研究。E-mail:bjxlml@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0131-06

S127, S157.1