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        基于RUSLE模型的南京市2006—2014年水土侵蝕時(shí)空分布特征

        2017-11-15 11:43:48邵方澤張慧繆旭波
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年17期
        關(guān)鍵詞:水土流失南京市

        邵方澤++張慧++繆旭波

        摘要:以江蘇省南京市為研究對(duì)象,基于地形、土壤、降水、植被覆蓋、土地利用等數(shù)據(jù),結(jié)合RUSLE模型,分析南京市2006—2014年水土侵蝕時(shí)空分布特征。結(jié)果表明,南京市水土流失量逐漸減小,2006、2010、2014年分別為 1 410萬(wàn)、1 130萬(wàn)、1 110萬(wàn)t,城市及山丘邊緣植被覆蓋差的地區(qū)侵蝕強(qiáng)度較大;水土保持工作取得一定成效,但人類活動(dòng)仍能增加部分地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度,2006—2010年侵蝕強(qiáng)度降低面積為632.16 km2,增大面積為348.95 km2;2010—2014年,侵蝕強(qiáng)度降低面積為493.40 km2,增大面積為253.39 km2;南京市建設(shè)用地、水域、林地、水田受侵蝕強(qiáng)度小,旱地、園地、喬木綠地、草地、裸地受侵蝕強(qiáng)度大,是水土保持工作的重點(diǎn),南京市生態(tài)環(huán)境逐漸變好,2006—2010年旱地、園地、喬木綠地、草地受侵蝕強(qiáng)度有所下降。

        關(guān)鍵詞:南京市;水土流失;RULSE模型;水土侵蝕;時(shí)空分布特征;侵蝕強(qiáng)度

        中圖分類號(hào): S157文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2017)17-0264-05

        收稿日期:2016-04-29

        基金項(xiàng)目:國(guó)家公益性行業(yè)(環(huán)保)科研專項(xiàng)(編號(hào):201209029-1)。

        作者簡(jiǎn)介:邵方澤(1988—),男,江蘇連云港人,碩士,主要從事生態(tài)保護(hù)與管理研究。E-mail:sfz01134@163.com。

        通信作者:張慧,博士,研究員,主要從事生態(tài)承載力、生態(tài)安全、生態(tài)規(guī)劃研究,E-mail:zhnies@126.com;繆旭波,碩士,研究員,主要從事環(huán)境保護(hù)研究,E-mail:mxb@nies.org。土壤發(fā)育是復(fù)雜而漫長(zhǎng)的過(guò)程,一旦被破壞會(huì)難以恢復(fù)[1]。目前,水土流失是重要的全球性環(huán)境問(wèn)題,是生態(tài)環(huán)境惡化的體現(xiàn),導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降,抬高河床加劇洪澇災(zāi)害,制約經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注[2-4]。研究水土流失理論及水土流失現(xiàn)狀對(duì)水土的流失治理有一定的指導(dǎo)意義,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水土侵蝕做了大量的試驗(yàn)研究,采用侵蝕針?lè)ā⑹聚櫡ǘ糠治隽怂亮魇У难葑冞^(guò)程[5-6]。然而傳統(tǒng)調(diào)查方法不具有實(shí)效性,特別是在大區(qū)域尺度下,難以確定水土流失的動(dòng)態(tài)變化情況。近年來(lái)“3S”技術(shù)的成熟與發(fā)展,克服了傳統(tǒng)研究方法中對(duì)地理信息獲取的困難,“3S”技術(shù)以其能快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取、處理空間信息及模擬地理過(guò)程的優(yōu)勢(shì),使得水土流失評(píng)估更加高效,特別是土壤流失預(yù)報(bào)方面發(fā)展了包括通用土壤流失方程(USLE)、水蝕預(yù)報(bào)模型(WEPP)、荷蘭土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型(LISEM)、歐洲水蝕預(yù)報(bào)(EROSEM)等[7-8]。劉寶元等結(jié)合我國(guó)的地貌特征,對(duì)美國(guó)水土通用模型(ULSE)進(jìn)行了修改,建立了適合我國(guó)坡面的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,目前?guó)內(nèi)學(xué)者主要基于修訂的RUSLE模型結(jié)合我國(guó)土壤侵蝕特征分析我國(guó)不同地區(qū)水土流失特征[9-12]。

        中國(guó)是水土流失最嚴(yán)重的國(guó)家之一,每年約50億t泥沙流入江河湖海[13]。南京市生態(tài)環(huán)境很脆弱,近幾年較快的城市擴(kuò)張及較大的土地利用變化對(duì)水土侵蝕產(chǎn)生了很大的影響。本研究基于修訂過(guò)的RUSLE土壤侵蝕模型,采用“3S”技術(shù)評(píng)估南京市2006—2014年水土流失格局時(shí)空分布及動(dòng)態(tài)變化特征,為水土保持規(guī)劃制定提供科學(xué)依據(jù),使防治措施更加具有針對(duì)性。

        1研究區(qū)域概況

        南京市位于118°22′~119°14′E、32°45′~33°43′N(圖1),地處長(zhǎng)江下游江蘇省西南部,面積6 597 km2。研究區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均溫度16 ℃,夏季最高氣溫 38 ℃,冬季最低氣溫-8 ℃,夏季濕熱,冬季干冷,四季分明。年平均降雨117 d,降水量1 106.5 mm,降水四季分配不均。地質(zhì)構(gòu)造屬于揚(yáng)子臺(tái)褶帶,北部以平原為主,南部以低丘山地為主,東西長(zhǎng)江貫通。境內(nèi)有長(zhǎng)江、淮河、太湖三大水系,分別占南京市國(guó)土總面積的95.49%、1.95%、2.56%。本地區(qū)的水資源不夠豐富,年平均水資源總量為28億m3,其中地表水資源22億m3,地下水資源6億m3。南京市是中國(guó)重要的綜合性工業(yè)生產(chǎn)基地,人口密度大,隨著城市的不斷擴(kuò)張,生態(tài)環(huán)境和水土流失問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,治理難度越來(lái)越大。

        2研究方法

        2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

        本研究逐日降水站點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)(http://cdc.nmic.cn/home.do)提供的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集,為保證數(shù)據(jù)一致性和完整性,對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)與控制,剔除缺測(cè)、漏測(cè)及異常數(shù)據(jù),選取南京市及其周邊11個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)。南京市土地利用數(shù)據(jù)基于《全國(guó)生態(tài)環(huán)境10年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評(píng)估項(xiàng)目》的2005、2010年解譯結(jié)果,結(jié)合條帶號(hào)120、38的2006年5月20日美國(guó)陸地衛(wèi)星系列的第5顆衛(wèi)星(Landsat5)、2014年6月11日美國(guó)陸地衛(wèi)星系列的第8顆衛(wèi)星(Landsat8)遙

        感影像解譯獲得。遙感影像和高程數(shù)據(jù)(DEM)來(lái)自地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.giscloud.cn),其中DEM為平臺(tái)中的航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命數(shù)據(jù)(SRTM),分辨率為 90 m。土壤數(shù)據(jù)來(lái)自由聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)和維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所(IIASA)構(gòu)建的世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(kù)(HWSD),空間分辨率為1 km。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)提供的植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1(http://ladsweb.nascon.nasa.gov/),時(shí)間分辨率為16 d,空間分辨率為250 m。

        2.2水土流失方程

        本研究采用改進(jìn)的土壤流失方程(RUSLE)對(duì)南京市水土流失分布情況進(jìn)行評(píng)估,其計(jì)算公式為[14]

        A=f·R·K·L·S·C·P。endprint

        式中:A為單位面積和時(shí)間上的土壤流失量,t/(km2·年);f為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)100,用于將A的單位由t/(hm2·年)轉(zhuǎn)換為t/(km2·年);R為降水及徑流侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·年);K為土壤侵蝕性因子,t·h/(MJ·mm);L為坡長(zhǎng)因子;S為坡度因子;C為地表植被覆蓋因子;P為水土保持措施因子。

        3研究區(qū)RUSLE因子計(jì)算

        3.1降水侵蝕力因子R

        降水侵蝕力因子R是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下降水對(duì)土壤剝離、搬運(yùn)侵蝕的能力,是造成水土流失的首要因子,與降水量、降水動(dòng)能、最大時(shí)段降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)等有關(guān)[15]。1958年,Wischmeier在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出基于侵蝕性總動(dòng)能和最大30 min雨強(qiáng)的降水侵蝕力因子(R)經(jīng)典算法,又將經(jīng)典算法得到的R值與降水量進(jìn)行回歸分析,得到簡(jiǎn)便的R值經(jīng)驗(yàn)公式[16]。經(jīng)驗(yàn)公式克服了經(jīng)典公式中短時(shí)降水資料難以獲得的問(wèn)題,公式考慮了年降水總量和降水年內(nèi)的變化,能較準(zhǔn)確地反映出區(qū)域降水對(duì)土壤侵蝕的影響。本研究估算降水蝕力因子R值時(shí)采用基于多年月降水量、年均降水量建立的經(jīng)驗(yàn)公式為

        R=∑12i=1{1.735×10[1.5×lg(p2i/p-0.818 8)]}。

        式中:p為多年平均降水量,mm;pi為各月平均降水量,mm。

        通過(guò)南京市及周邊11個(gè)站點(diǎn)的逐日降水?dāng)?shù)據(jù),計(jì)算2003—2006、2007—2010、2011—2014年期間的年平均降水量、各月平均降水量,分別作為2006、2010、2014年的p、pi值,通過(guò)以上公式計(jì)算各站點(diǎn)3期降水侵蝕力因子R,在ArcGIS10.2中進(jìn)行IDW空間插值、裁切,得到2006、2010、2014年90 m空間分辨率的降水侵蝕力柵格圖層。

        3.2土壤可蝕性因子K

        土壤可蝕性因子K能反映土壤侵蝕作用的敏感性,用來(lái)評(píng)價(jià)土壤抗蝕、抗沖能力[17]。與土壤侵蝕性有關(guān)的理化性質(zhì)較多,包括有機(jī)質(zhì)含量、緊實(shí)度、土壤的顆粒組成、滲透率等[18]。學(xué)者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究,發(fā)展了多個(gè)具有代表性的模型,包括侵蝕/生產(chǎn)力影響模型EPIC公式、Shirazi公式等[9,19]。本研究估算土壤可蝕性因子K值時(shí),采用比較成熟、成本低、穩(wěn)定性好的EPIC方法。公式為

        K={0.2+0.3exp-0.025 6SAN1-SIL100}×SILCLA+SIL0.3×1.0-0.25CC+exp(3.72-0.95C)×1.0-0.7SN1SN1+exp(-5.51+22.9SN1)。

        式中:SAN為沙粒含量,%;SIL為粉沙含量,%,CLA為黏粒含量,%;C為土壤有機(jī)碳含量,%;SN1=1-SAN/100。

        3.3坡度坡長(zhǎng)因子LS

        地形是影響土壤侵蝕的重要因子,決定了地表徑流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[17]。RULSE模型中主要考慮了2個(gè)地形因子,分別為坡長(zhǎng)L、坡度S,反映地形地貌對(duì)土壤侵蝕的影響。坡度越大,土壤越容易被剝離及搬運(yùn);坡長(zhǎng)越長(zhǎng),則侵蝕面就越大,侵蝕強(qiáng)度越大。本研究使用Wischmeier和Smith提出的坡長(zhǎng)因子計(jì)算方法,劉寶元等建立的適用于中國(guó)土壤流失方程CSLE模型的坡度因子公式。LS公式如下[9,20]:

        L=(λ22.13)m;

        m=β/(1+β);

        β=(sinθ/0.089 6)/[3(sinθ)0.8+0.56];

        S=10.8sinθ+0.03θ<5°

        16.8sinθ-0.505°≤θ<10°

        21.9sinθ-0.96θ≥10°。

        式中:L為坡長(zhǎng)因子;λ為像元坡長(zhǎng);m為坡長(zhǎng)指數(shù);β為細(xì)溝侵蝕與細(xì)溝間侵蝕的比值;θ為坡度;S為坡度因子。

        3.4植被覆蓋與管理因子C

        植被覆蓋在減少水土流失中起著重要作用,茂盛的植被可以降低降水對(duì)土壤的直接剝離作用,還可以攔截徑流,保存水分,減少地面沖刷。植被覆蓋與土壤侵蝕有較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,RULSE模型中的植被覆蓋因子C可以通過(guò)計(jì)算植被覆蓋度獲得,植被覆蓋度一般是指植被在地面的垂直投影占地表面積的比例,本研究通過(guò)時(shí)間分辨率為16 d的模型產(chǎn)品數(shù)據(jù),計(jì)算南京市2006、2010、2014年平均歸一化植被指數(shù)NDVI值。參照譚炳香等的算法計(jì)算植被覆蓋度[21],其公式如下:

        fc=NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin。

        式中:fc為植被覆蓋度,%;NDVI為歸一化植被指數(shù);NDVImax為研究區(qū)NDVI最大值;NDVImin為研究區(qū)NDVI最小值。

        參照蔡崇法等的方法[22],計(jì)算植被覆蓋因子C。

        C=1fc=0

        0.650 8-0.343 6lg(fc)0

        0fc>78.3%。

        式中:C為植被覆蓋與管理因子值,無(wú)量綱,取值范圍為 0~1。

        3.5水土保持措施因子P

        水土保持措施因子P值是指采取水土保持措施下土壤流失量與順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值,P值取值范圍為0~1,P=0表示該區(qū)域采取水土保護(hù)措施后不發(fā)生水土侵蝕;P=1表示該區(qū)域未采取水土保持措施。水土保持措施通常有等高耕作、等高帶狀種植、水平條和修梯田等,目前P因子獲取的研究較少,通?;谕恋乩脤?duì)P因子進(jìn)行賦值,參照前人的研究成果[23-25],為南京市各種土地利用類形的P因子進(jìn)行賦值(表1)。

        4結(jié)果與分析

        4.1土壤侵蝕分布與變化

        在ArcGIS10.2中將各因子轉(zhuǎn)換為90 m分辨率的柵格圖層,根據(jù)RUSLE模型計(jì)算南京市2006—2014年水土流失量可以發(fā)現(xiàn),2006—2014年南京市生態(tài)環(huán)境有所改善,水土保持工作取得一定成效,統(tǒng)計(jì)得出南京市2006、2010、2014年水土流失量逐漸減小,依次為1 410萬(wàn)、1 130萬(wàn)、1 110萬(wàn)t,南

        4.2土壤侵蝕強(qiáng)度的空間變化

        對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖層進(jìn)一步疊加分析,得出2006—2010年和2010—2014年土壤侵蝕強(qiáng)度等級(jí)的轉(zhuǎn)移矩陣(表3、表4)。2006—2010年共有632.18 km2地區(qū)侵蝕強(qiáng)度降低,348.95 km2地區(qū)侵蝕強(qiáng)度增大。微度土壤侵蝕的面積增加較多,輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈分別有458.62、31.59、16.24、18.90、62.30 km2轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒍取8叩燃?jí)土壤侵蝕強(qiáng)度向低等級(jí)轉(zhuǎn)換面積較多的情況還包括 19.79 km2中度轉(zhuǎn)換為輕度,9.56 km2強(qiáng)烈轉(zhuǎn)換為中度,8.49 km2極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈以及5.97 km2劇烈轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)烈。這些區(qū)域等級(jí)降低主要原因是加強(qiáng)了水土流失治理工作,包括封山育林,采用合理的耕作方式等;其次是土地利用變化所致,城市擴(kuò)張使得城市邊緣的土地變成不易被侵蝕的建設(shè)用地,山丘邊沿退耕還林,裸地綠化后變成林地或草地,這些植被增加降低了土壤侵蝕的敏感性。同時(shí)微度轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈的面積分別為234.56、10.95、7.73、12.47、35.75 km2,另外侵蝕強(qiáng)度增加面積較大的情況包括22.22 km2輕度轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸龋?.23 km2中度轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)烈,6.71 km2強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)烈以及5.23 km2極強(qiáng)烈轉(zhuǎn)變?yōu)閯×?,侵蝕強(qiáng)度的增加主要源于采取消極耕作方式,亂砍濫伐,林地草地退化等。

        4.3土壤侵蝕與土地利用的關(guān)系

        土地利用類型與土壤侵蝕有一定的相關(guān)性,土地利用改變是導(dǎo)致水土流失的重要原因,不合理的土地利用會(huì)改變土壤的理化性質(zhì)、植被覆蓋度、地表粗糙度,改變土壤侵蝕方式、增加土壤侵蝕強(qiáng)度。分別統(tǒng)計(jì)不同土地利用類型中各等級(jí)土壤侵蝕強(qiáng)度的面積及比例可以發(fā)現(xiàn),南京市水域及建設(shè)用地土壤侵蝕強(qiáng)度最小,微度比例均大于95%,主要原因是土壤被水體保護(hù),水域受降水直接侵蝕較小,水域多處于地勢(shì)低洼地區(qū),因此很多水域是水土流失的匯集場(chǎng)所(表5)。建設(shè)用地多是房屋或水泥路面,一般不具備侵蝕條件,因此整體受侵蝕程度很小。林地和水田受侵蝕程度較小,微度比例均大于60%,原因是林地植被覆蓋較好,高大茂盛樹(shù)木可以減小雨水動(dòng)能,降低雨水對(duì)土壤的剝離作用,同時(shí)有一定蓄水保土能力,而水田本身具有較好的水土保持能力。旱地、園地、喬木綠地、草地侵蝕強(qiáng)度較大,其中2006、2010、2014年旱地輕度及以上面積比例分別達(dá)到71.69%、63.17%、56.89%,旱地受人為干擾影響大,在耕作時(shí)會(huì)破壞土壤緊實(shí)度,且地表植被稀疏,如果不采用合理的耕作方式,土壤容易被侵蝕,南京市旱地面積較大,是水土保持治理的重要區(qū)域。園地、喬木綠地植被稀疏和草地退化導(dǎo)致土壤侵蝕程度較大。裸地因沒(méi)有植被保護(hù),侵蝕強(qiáng)度最高,2006、2010、2014年劇烈面積比例分別為46.77%、55.03%、53.76%,水土流失嚴(yán)重。從2006—2014年各土地利用土壤侵蝕強(qiáng)度變化來(lái)看,旱地、園地、喬木綠地、草地侵蝕強(qiáng)度均有不同程度的降低,水土保持工程措施效果明顯,建設(shè)用地、水域、林地、水田侵蝕強(qiáng)度變化較小,而2010年和2014年裸土的侵蝕強(qiáng)度均大于2006年,因工程建設(shè)等引起的土壤裸露地區(qū)應(yīng)及時(shí)采取生態(tài)修復(fù)措施。

        5結(jié)論

        南京市各種土地利用中建設(shè)用地和水域受到侵蝕程度最小,林地和水田較小,裸土最容易受到侵蝕,旱地、園地、喬木綠地、草地土壤侵蝕強(qiáng)度高,受人類活動(dòng)干擾大,是水土保持治理的重點(diǎn),2006—2014年土壤侵蝕強(qiáng)度逐漸下降,其中旱地貢獻(xiàn)最大。

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