李 盟， 方 瑞， 樂(lè) 峰， 吳 芳， 張 雪

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局， 江蘇 南京 210029; 2.江蘇省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站, 江蘇 南京 210012)

水土流失是指在水力、風(fēng)力、重力及凍融等自然營(yíng)力和人類活動(dòng)作用下，水土資源和土地生產(chǎn)能力的破壞和損失。長(zhǎng)期以來(lái)，水土流失都是中國(guó)面臨的頭號(hào)生態(tài)問(wèn)題，所以水土保持也是中國(guó)一貫堅(jiān)持的基本國(guó)策之一。水土流失監(jiān)測(cè)工作可以快速、準(zhǔn)確提供土壤侵蝕強(qiáng)度、水土流失分布狀況以及動(dòng)態(tài)變化情況，也可為水土流失治理提供必要的科學(xué)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，水土流失監(jiān)測(cè)的手段也開始從傳統(tǒng)的地面觀測(cè)轉(zhuǎn)向遙感監(jiān)測(cè)，因其宏觀性、時(shí)效性強(qiáng)，且以一定間隔重復(fù)的特點(diǎn)，逐漸成為區(qū)域尺度下水土流失定量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的核心手段。基于RS和GIS的水土流失定量監(jiān)測(cè)，就是將RS和GIS相結(jié)合，利用航空、衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)獲得區(qū)域內(nèi)的土地利用、植被覆蓋和水土保持工程措施實(shí)施情況，另外再計(jì)算坡度坡長(zhǎng)因子、降雨因子和土壤可蝕性因子，結(jié)合CSLE方程逐個(gè)計(jì)算出各像元的水土流失量，最終獲得區(qū)域內(nèi)的流失總量。本研究以RS和GIS技術(shù)為支撐，結(jié)合中國(guó)土壤流失方程CSLE，選擇徐州市銅山區(qū)和連云港市贛榆區(qū)作為研究區(qū)，利用2015年度高分1號(hào)遙感影像，首次對(duì)江蘇省省級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)(簡(jiǎn)稱“兩區(qū)”)代表區(qū)縣進(jìn)行了水土流失定量監(jiān)測(cè)，以期能為水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)方法和理論支持。

1 研究區(qū)概況

1.1 徐州市銅山區(qū)

徐州市銅山區(qū)位于江蘇省西北部，地處東經(jīng)116°43′—117°42′，北緯34°01′—34°35′(圖1)，北部與山東省微山縣、棗莊市為鄰，南部與西南部接安徽省宿州市、靈璧縣、蕭縣，東部與徐州市邳州市、睢寧縣交界，西北部與徐州市豐縣、沛縣毗鄰，該區(qū)東西長(zhǎng)64.5 km，南北長(zhǎng)61.5 km。區(qū)內(nèi)年平均氣溫13.9 ℃，全年平均日照時(shí)數(shù)約2 300 h，年平均無(wú)霜期約210 d，年平均降水量832 mm，全年以偏東風(fēng)為主，平均風(fēng)速2.7 m/s左右，土壤最大凍結(jié)深度為0.3 m。區(qū)內(nèi)西北部、東南部系廢黃河堤下沖積平原，地勢(shì)平坦、河道縱橫、田園平整，自西向東緩傾。東北、西南和東南部分地區(qū)為丘陵地區(qū)，分布有700余座山頭，屬魯中南沂蒙山區(qū)南緣的剝蝕殘丘，海拔高程50～200 m，平均坡度小于9°，山體矮小、高低不平、不成山脈。京杭大運(yùn)河橫貫區(qū)境北部，廢黃河自西而東穿越區(qū)境，構(gòu)成“三片平原三片山，黃河故道一高灘”的地貌特征。銅山區(qū)屬銅邳低山崗地農(nóng)田防護(hù)土壤保持區(qū)，區(qū)內(nèi)何橋鎮(zhèn)、黃集鎮(zhèn)、鄭集鎮(zhèn)、馬坡鎮(zhèn)、劉集鎮(zhèn)、柳新鎮(zhèn)、單集鎮(zhèn)、房村鎮(zhèn)、銅山街道、大彭鎮(zhèn)、拾屯街道屬于江蘇省省級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，漢王鎮(zhèn)、三堡街道、伊莊鎮(zhèn)、徐莊鎮(zhèn)、茅村鎮(zhèn)、柳泉鎮(zhèn)、利國(guó)街道、利國(guó)鎮(zhèn)、新區(qū)街道、張集鎮(zhèn)屬于江蘇省省級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)[1]。

1.2 連云港市贛榆區(qū)

連云港市贛榆區(qū)地處江蘇山東兩省交界，中心地理坐標(biāo)為東經(jīng)119°18′，北緯34°50′(圖2)，東濱黃海的海州灣，北臨山東省日照市，西靠山東省臨沂市，南接連云港市區(qū)和東海縣。贛榆區(qū)屬暖溫帶半潤(rùn)濕季風(fēng)氣候區(qū)，夏季盛行偏南風(fēng)，氣候炎熱多雨；冬季帶有大陸性氣候特征，盛行偏北風(fēng)，氣候寒冷干燥。區(qū)內(nèi)多年平均氣溫13.9 ℃，多年平均降水量913.70 mm，多年平均風(fēng)速2.8 m/s，歷年最大凍土深度31 cm，最大積雪深度19 cm。區(qū)內(nèi)地形由西北向東南傾斜，依次為山嶺、平原和沿海，各占全區(qū)總面積的1/3左右。低山丘陵海拔主要在10～400 m左右，山體單薄，山坡坡度在20～35°左右，沿海海積平原高程0.5～3 m，低山和海積平原之間的過(guò)渡帶為隴崗?fù)莸睾秃雍逊e平原。贛榆區(qū)屬連云港低山丘陵土壤保持農(nóng)田防護(hù)區(qū)，區(qū)內(nèi)沙河鎮(zhèn)、城頭鎮(zhèn)、柘汪鎮(zhèn)屬于江蘇省省級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)，班莊鎮(zhèn)、黑林鎮(zhèn)、石橋鎮(zhèn)、金山鎮(zhèn)、塔山鎮(zhèn)、厲莊鎮(zhèn)屬于江蘇省省級(jí)水土流失重點(diǎn)治理區(qū)[1]。

圖1 徐州市銅山區(qū)水土流失分區(qū)

圖2 連云港市贛榆區(qū)水土流失分區(qū)

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及調(diào)查方法

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本研究采用由水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心提供的2015年度高分1號(hào)遙感影像(2 m分辨率)作為主要遙感數(shù)據(jù)，采用Landsat-8OLI遙感影像(30 m分辨率)作為輔助遙感數(shù)據(jù)以補(bǔ)充不足。數(shù)字高程模型(DEM)、行政界線、歷年降雨資料由江蘇省水利網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心提供，其中DEM為1∶1萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)分幅，tif格式；行政界線采用shp格式；降雨資料選擇區(qū)域內(nèi)代表雨量站，時(shí)間區(qū)間為1978—2014年。

2.2 調(diào)查方法

2.2.1 遙感解譯 本研究對(duì)銅山區(qū)和贛榆區(qū)的總國(guó)土面積以4%的密度抽樣，獲取了133個(gè)調(diào)查單元，范圍是1 km×1 km的方格。在建立解譯標(biāo)志的基礎(chǔ)上，利用GIS采用人機(jī)交互解譯判讀方法對(duì)調(diào)查單元進(jìn)行遙感解譯，根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010-2007)》對(duì)調(diào)查單元的土地利用情況進(jìn)行分析。

2.2.2 野外復(fù)核 遙感解譯工作完成后，在自查、互查的基礎(chǔ)上，開展解譯成果實(shí)地野外復(fù)核工作。野外驗(yàn)證采用抽樣調(diào)查的方法進(jìn)行，并在空間上均勻分布，解譯結(jié)果抽取不少于總面積的5%進(jìn)行核查，對(duì)核查對(duì)象5%～10%的樣本進(jìn)行實(shí)地驗(yàn)證，最終確定每個(gè)調(diào)查單元各地塊的具體信息，包括土地利用類型、水土保持措施等。

3 水土流失量計(jì)算

3.1 數(shù)學(xué)模型

本研究結(jié)合第一次全國(guó)水利普查水土保持情況調(diào)查的技術(shù)要求，采用中國(guó)土壤流失方程(CSLE)來(lái)計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)。

A=R·K·LS·B·E·T

(1)

式中：A——土壤侵蝕模數(shù)〔t/(hm2·A)〕；R——降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；k——土壤可蝕性因子 〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；L——坡長(zhǎng)因子(無(wú)量綱)；S——坡度因子(無(wú)量綱)；B——植被蓋度與植物措施因子(無(wú)量綱)；E——工程措施因子(無(wú)量綱)；T——耕作措施因子(無(wú)量綱)。

3.2 水土流失影響因子提取

3.2.1 降雨侵蝕力因子R降雨主要由降雨量、平均降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等特征值來(lái)反映。降雨侵蝕力因子R是一項(xiàng)評(píng)價(jià)降雨引起的土壤分離和搬運(yùn)的動(dòng)力指標(biāo)，受降雨量、降雨強(qiáng)度的綜合影響，反映了降雨對(duì)土壤侵蝕的潛在能力[2]。本研究降雨量資料較為充分，故首先計(jì)算2015年各降雨觀測(cè)站點(diǎn)全年24個(gè)半月降雨侵蝕力平均值及各降雨觀測(cè)站點(diǎn)降雨侵蝕力多年平均值，再利用克里金插值法進(jìn)行空間插值，得出銅山區(qū)和贛榆區(qū)降雨侵蝕力空間分布。

(2)

(3)

3.2.2 土壤可蝕性因子K土壤可蝕性因子K是一項(xiàng)評(píng)價(jià)土壤被降雨侵蝕力分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的指標(biāo)[3]，主要由土壤的機(jī)械組成、粒級(jí)含量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤結(jié)構(gòu)級(jí)別和土壤滲透級(jí)別等土壤性狀決定[4]，反映了土壤對(duì)侵蝕外營(yíng)力剝蝕和搬運(yùn)的敏感性，是影響土壤侵蝕的內(nèi)在因素。本研究直接采用第一次全國(guó)水利普查水土保持情況調(diào)查計(jì)算的銅山區(qū)和贛榆區(qū)土壤可蝕性因子值[5]。

3.2.3 地形因子LS地形地貌特征對(duì)土壤侵蝕的影響集中表現(xiàn)在坡長(zhǎng)和坡度兩方面，因此，一般用坡長(zhǎng)(L)和坡度(S)因子估算地形因素對(duì)土壤侵蝕的影響[2]。LS因子表示的是，在其他條件相同的情況下，某一特定坡長(zhǎng)(L)和坡度(S)的坡面上土壤流失量與標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)典型坡面上土壤流失量的比值[6]。

本研究利用銅山區(qū)和贛榆區(qū)1∶1萬(wàn)DEM，根據(jù)RUSLE的改進(jìn)坡長(zhǎng)和坡度因子算式[7-8]，提取計(jì)算LS因子。

L=(λ/22.13)m

(4)

θ——坡度角(°)；λ——水平坡長(zhǎng)(m)。

(5)

式中：S——坡度因子(無(wú)量綱)；θ——坡度角(°)。

3.2.4 植被蓋度與植物措施因子B本研究主要運(yùn)用兩種方式，即不同土地利用類型直接賦值和遙感提取技術(shù)，來(lái)獲取銅山區(qū)和贛榆區(qū)的植被蓋度與植物措施因子B值。

(1) 不同土地利用類型賦值。依據(jù)第一次全國(guó)水利普查水土保持情況調(diào)查研究成果及相關(guān)文獻(xiàn)資料，若調(diào)查單元土地利用類型為耕地、住宅用地、工礦倉(cāng)儲(chǔ)用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地，在調(diào)查不同土地利用類型水土保持植物措施的前提下，可直接通過(guò)表1給B因子賦值。

表1 不同土地利用類型B因子賦值

(2) 遙感提取。若調(diào)查單元土地利用類型為園地、林地和草地，則依托遙感影像數(shù)據(jù)，采用歸一化植被指數(shù)(NDVI)進(jìn)行植被蓋度的提取計(jì)算。

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(6)

式中：NDVI——植被覆蓋指數(shù)(無(wú)量綱)； NIR——近紅外波段；R——紅外波段。通過(guò)公式變換得出如下公式：

fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(7)

式中：fc——植被蓋度(%)； NDVIsoil——裸露地表或無(wú)植被覆蓋象元的NDVI值(無(wú)量綱)；NDVIveg——完全被植被覆蓋象元的NDVI值(無(wú)量綱)。

最終得出B因子計(jì)算公式：

(8)

式中：B——植被蓋度與植物措施因子(無(wú)量綱)；fc——植被蓋度(%)。

3.2.5 工程措施因子E本研究主要參考第一次全國(guó)水利普查水土保持情況調(diào)查研究成果及相關(guān)文獻(xiàn)資料，在調(diào)查不同土地利用類型水土保持工程措施的前提下，直接給工程措施因子E賦值(表2)。

表2 不同土地利用類型E因子賦值

3.2.6 耕作措施因子T耕作措施因子T是指采用專門措施后的土壤流失量與采用順坡種植時(shí)的土壤流失量的比值[15]。

通常包含于這一因子中的專門措施有:等高耕作、等高帶狀種植、輪作、間作與套種等，這些措施可以有效提高土壤的抗蝕能力。本研究主要參考第一次全國(guó)水利普查水土保持情況調(diào)查研究成果，對(duì)不同的耕作措施因子T直接賦值(表3)。

表3 不同土地利用類型T因子賦值

4 結(jié)果分析

4.1 水土流失現(xiàn)狀

通過(guò)計(jì)算，首先獲取133個(gè)調(diào)查單元的7個(gè)水土流失影響因子值，再根據(jù)銅山區(qū)和贛榆區(qū)全區(qū)不同土地利用類型的面積，采用面積加權(quán)計(jì)算出不同土地利用類型的7個(gè)因子平均值，進(jìn)而計(jì)算出各調(diào)查單元的土壤侵蝕模數(shù)，再根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，獲取各單元的土壤侵蝕強(qiáng)度，最后通過(guò)面積加權(quán)的方式得到銅山區(qū)和贛榆區(qū)水土流失面積和強(qiáng)度情況。截止到2015年，銅山區(qū)和贛榆區(qū)水土流失現(xiàn)狀詳見表4。由表4可知，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，銅山區(qū)水土流失面積1 917.82 km2，輕度以上流失面積175.76 km2，占總流失面積的9.16%;贛榆區(qū)水土流失面積1511.2 km2，輕度以上流失面積131.95 km2，占總流失面積的8.73%。從縱向角度相比，銅山區(qū)和贛榆區(qū)的水土流失情況均以微度侵蝕為主，流失面積遠(yuǎn)高于其他侵蝕強(qiáng)度，水土流失待治理面積僅分別占該區(qū)流失面積的9.16%和8.73%;從橫向角度相比，銅山區(qū)除輕度、中度流失面積略低于贛榆區(qū)以外，其他強(qiáng)度水土流失面積均明顯高于贛榆區(qū)，水土流失總面積也高出406.62 km2。近幾年來(lái)，銅山區(qū)境內(nèi)開發(fā)力度較大，大批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目上馬開工，對(duì)原地貌擾動(dòng)較為劇烈，加之丘陵崗地的地貌特性，造成了當(dāng)前銅山區(qū)的水土流失狀況。

表4 代表縣區(qū)水土流失現(xiàn)狀 km2

4.2 水土流失動(dòng)態(tài)變化情況

銅山區(qū)和贛榆區(qū)2011年水利普查與2015年本研究調(diào)查水土流失動(dòng)態(tài)變化情況對(duì)比詳見表5?？梢钥闯觯~山區(qū)2011—2015年共減少輕度以上水土流失面積為30.73 km2，除極強(qiáng)烈和劇烈的侵蝕面積有較大幅度增加外，輕度、中度、強(qiáng)烈均有明顯下降。

近年來(lái)，銅山區(qū)水土流失治理力度較大，實(shí)施了蔡丘小流域等綜合治理工程，同時(shí)還專門成立了水土保持監(jiān)督機(jī)構(gòu)，針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持開展監(jiān)督執(zhí)法，這一系列工作對(duì)改善銅山區(qū)的水土流失起到了積極作用。同時(shí)也要看到，極強(qiáng)烈和劇烈侵蝕的面積增加較多，盡管有可能是因?yàn)楸狙芯糠椒ㄕ{(diào)查單元圖斑上圖面積變小，突出了侵蝕程度較嚴(yán)重的調(diào)查單元所致，但在待治理水土流失面積中所占比例也達(dá)到了30.8%，所以相關(guān)工作仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。贛榆區(qū)2011—2015年共減少輕度以上水土流失面積30.75 km2，除輕度、劇烈侵蝕面積略有增加外，其他侵蝕強(qiáng)度均有不同程度的減少，其中強(qiáng)烈侵蝕面積減少最多，達(dá)到28.16 km2;輕度侵蝕在待治理水土流失面積中所占比例最大，達(dá)到73.6%。2013—2015年，贛榆區(qū)連續(xù)3 a分別實(shí)施了青口河小流域、蘆山小流域和泊船山小流域水土保持綜合治理項(xiàng)目，對(duì)緩解當(dāng)?shù)厮亮魇?、改善生態(tài)環(huán)境有著積極地推動(dòng)作用。

5 結(jié) 論

本研究以中國(guó)土壤流失方程(CSLE)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS軟件，結(jié)合遙感影像和DEM數(shù)據(jù)，分析了江蘇省省級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)代表縣徐州市銅山區(qū)和連云港市贛榆區(qū)的水土流失時(shí)間和空間變化，進(jìn)行了水土流失定量監(jiān)測(cè)。與2011年開展的全國(guó)第一次水利普查水土保持情況調(diào)查所采用的技術(shù)方法相比: ①本研究運(yùn)用遙感監(jiān)測(cè)加調(diào)查單元野外復(fù)核的方法，以高分辨率遙感影像為信息源，來(lái)確定調(diào)查單元的土地利用狀況和水土保持措施;水利普查直接采用人工野外調(diào)查的方法劃分圖斑。前者消除了后者的人工誤差，在工作精度上得到了提高。 ②本研究選擇了4%的調(diào)查單元抽樣密度，高于水利普查1%的密度，基本覆蓋了銅山區(qū)和贛榆區(qū)的全部行政區(qū)域，更加具有代表性，也提高了插值計(jì)算結(jié)果的可靠性。 ③本研究調(diào)查單元圖斑的上圖面積(1 000 m2)要小于水利普查，避免了某一調(diào)查單元中小圖斑被大圖斑合并的狀況。今后，該研究方法通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化因子取值和土壤流失方程參數(shù)選取，能為江蘇省水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供高效可行的技術(shù)方法。