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        基于USLE的延安市水土流失敏感性評價(jià)

        2020-12-16 06:38:50韓株桃
        農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2020年23期
        關(guān)鍵詞:評價(jià)

        韓株桃

        (陜西省長安大學(xué)土地工程學(xué)院,陜西 西安 710000)

        引言

        隨著我國推進(jìn)新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快,平衡好生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系,推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展成為我國現(xiàn)階段最重要的任務(wù)之一。在當(dāng)前我國面臨的生態(tài)環(huán)境治理問題中,水土流失依然是制約我國經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要難題。水土流失敏感性,是指區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)水土流失生態(tài)過程發(fā)生的可能性以及程度[1]。我國地域廣闊,經(jīng)緯跨度大,無論是從氣候、地形、植被和土壤等自然條件,還是從人口密度、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等社會條件上講,區(qū)域與區(qū)域間的差異都十分巨大。因此,在進(jìn)行水土流失敏感性評價(jià)時(shí),就要做到對水土流失通用方程的靈活運(yùn)用,結(jié)合我國國情,對評價(jià)因子進(jìn)行合理選擇。鑒于此,本文以水土流失通用方程(USLE)為基礎(chǔ),根據(jù)陜北黃土高原延安市的地域特征,選擇適合該地區(qū)的水土流失敏感性評價(jià)因子并對各個(gè)因子的水土流失敏感性進(jìn)行等級劃分,再根據(jù)各因子在水土流失過程中的實(shí)際影響程度大小,確定各因子在區(qū)域綜合水土流失敏感性評價(jià)中的權(quán)重占比,建立水土流失敏感性評價(jià)指標(biāo)體系,利用GIS軟件的空間分析和數(shù)據(jù)處理功能,通過多因素綜合評價(jià)的方法,實(shí)現(xiàn)對延安市的水土流失敏感性評價(jià)。根據(jù)評價(jià)結(jié)果,分析出延安市的水土流失敏感性程度以及其在空間上的分布規(guī)律,并據(jù)此針對該區(qū)域的水土流失方面的防范和治理提出合理、科學(xué)的參考建議。

        1 研究區(qū)概況

        延安市位于陜西省北部、陜北黃土高原丘陵溝壑區(qū),總面積約為3.7037萬km2,約占陜北黃土高原面積的40%,共管轄2區(qū)11縣。地形以黃土高原和丘陵為主,在經(jīng)歷了長時(shí)間的自然侵蝕以及受到人類活動(dòng)影響的雙重作用下,該地區(qū)逐漸演變成黃土塬、梁、峁與溝壑縱橫的地貌景觀。全區(qū)地勢西北高東南低,平均海拔1200m左右。延安市屬于黃河水系,全區(qū)年平均清水徑流總量為13.38億m3。該區(qū)域?qū)俑咴箨懶约撅L(fēng)氣候,其北部大部分屬半干旱地區(qū),南部基本上為半濕潤地區(qū)。延安市的土壤類型主要有黃綿土、粘化黑壚土、淤沙土、鹽堿土、灰褐森林土、褐土等。延安市有著豐富的礦產(chǎn)資源,是我國重要的能源基地之一。根據(jù)延安市統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù),截至2018年,延安市累計(jì)實(shí)施退耕還林面積71.83萬hm2,延安森林覆蓋率大于46%。整體看來,延安市的植被覆蓋較好,但南北部以及中南部的植被覆蓋則比較差,土地利用類型以耕地為主。

        2 數(shù)據(jù)來源與處理

        2.1 數(shù)據(jù)來源

        本文中的高程數(shù)據(jù)和歸一化植被指數(shù),從地理空間數(shù)據(jù)云下載;土壤數(shù)據(jù),由寒區(qū)和旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫提供;遙感影像和土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù),來源于中科院資源與環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心;氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)提供;其它統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于延安市人民政府官網(wǎng)、延安市自然資源局官網(wǎng)以及延安市統(tǒng)計(jì)局官網(wǎng)。

        2.2 數(shù)據(jù)處理

        以Landsat TM/ETM遙感影像為主要數(shù)據(jù)源,通過人工目視解譯得到土地利用數(shù)據(jù);使用DEM數(shù)據(jù)提取坡度、斜坡長度等地形數(shù)據(jù);根據(jù)每個(gè)氣象點(diǎn)的緯度和經(jīng)度信息,利用ArcGIS的克里金空間插值方法將研究區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格圖像數(shù)據(jù);在ArcGIS中將所有柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一為30m大小的分辨率。

        3 水土流失敏感性評價(jià)

        3.1 水土流失單因子敏感性評價(jià)

        根據(jù)水土流失通用方程(USLE)的研究思路,考慮到延安市的基本情況,本文選擇降水侵蝕力因子R、土壤可蝕性因子K、地形坡度因子LS、溝壑密度、坡耕地因子和土地利用/覆被因子C共計(jì)6個(gè)因子為評價(jià)指標(biāo)、以30m×30m的柵格為評價(jià)單元對延安市水土流失敏感性單因子進(jìn)行評價(jià)。

        3.1.1 降水侵蝕力因子

        降水作為引起水土流失的主要?dú)夂蛞蛩兀窃斐伤亮魇У闹饕?qū)動(dòng)力。本文收集2017年延安市13個(gè)氣象站的逐月降水統(tǒng)計(jì)資料,通過研究王萬忠、焦菊英的《中國的土壤侵蝕因子定量評價(jià)研究》[2],比對文中所討論的多種對降雨侵蝕力的計(jì)算方法,本文選擇劉秉正所提出的渭北地區(qū)年R的估算公式[3]:

        (1)

        根據(jù)所得的延安市13個(gè)氣象站所測得的逐月降水量得出降水侵蝕力R值,通過克里金空間內(nèi)插法,制作出延安地區(qū)降水侵蝕力R值空間分布圖。

        3.1.2 土壤可蝕性因子

        在水土流失敏感性評價(jià)中,對土壤可蝕性因子的研究方法主要有2種,基于土壤類型的可蝕性計(jì)算方法,基于土壤質(zhì)地的土壤可蝕性的簡易評估[4]。本文通過Williams提出的K值計(jì)算公式[5],以收集到的延安市土壤類型及土壤屬性數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過ArcGIS生成延安市土壤可蝕性K值柵格圖層,制作延安市土壤可蝕性空間分布圖。

        3.1.3 坡耕地因子

        水土流失通用方程(USLE):

        A=R·K·LS·C·P[6]

        (2)

        式中,C為是作物經(jīng)營管理因子,P為水土保持措施因子。

        其對水土流失機(jī)制研究的思路可提示,將耕地僅作為土地利用/覆被類型下的一個(gè)類型因子去對一個(gè)區(qū)域的水土流失情況進(jìn)行評價(jià)是不全面的,因?yàn)楦丶捌湫问绞侨祟惢顒?dòng)和自然條件相互影響下產(chǎn)生的,不能只從人為因素的角度上將其用作水土流失評價(jià)的一個(gè)因子,還應(yīng)該表現(xiàn)出其自然屬性的一面。因此,本文將坡耕地作為一個(gè)單獨(dú)的評價(jià)因子,對其在水土流失過程中的影響程度進(jìn)行研究分析。本文依據(jù)中國農(nóng)業(yè)區(qū)劃委員會提出的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》對坡耕地在水土流失方面的分類依據(jù),結(jié)合延安市DEM數(shù)據(jù)提取出的坡度信息,建立延安市坡耕地因子敏感性評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)并制作出延安市坡耕地空間分布圖。

        3.1.4 坡度坡長因子

        從水土流失的定義來看,降水是水土流失的觸發(fā)因子,降水侵蝕能力與降雨徑流的動(dòng)能密切相關(guān),徑流動(dòng)能又被地形所影響。坡度和坡長2個(gè)因子能夠?qū)Φ匦蔚孛策M(jìn)行較為準(zhǔn)確地描述。在對地形因子進(jìn)行研究時(shí),將坡度和坡長2個(gè)參數(shù)綜合在一起,能夠更好地對地形因子進(jìn)行評價(jià)。本文選擇張科利等以坡長20m、寬度5m、坡度10°為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)進(jìn)行研究所提出的LS簡便計(jì)算公式[7]:

        (3)

        以延安市的DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用ArcGIS的空間分析功能提取出坡度和坡長,在柵格計(jì)算器中計(jì)算出LS,生成延安市地形因子空間分布圖。

        3.1.5 溝壑密度因子

        在對延安市的水土流失敏感性進(jìn)行評價(jià)時(shí),溝壑密度是不可忽視的一個(gè)地形因素。目前,對溝壑密度的調(diào)查方法主要有方格網(wǎng)法、小班號法和水文網(wǎng)絡(luò)法。本文使用基于DEM的水文坡面流模擬方法[8],根據(jù)溝壑密度的計(jì)算公式;

        (4)

        利用ArcGIS軟件以延安市DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對延安市的溝壑密度值進(jìn)行提取計(jì)算,將提取所得的延安地區(qū)13個(gè)縣區(qū)的溝壑密度數(shù)據(jù)利用空間內(nèi)插的方法,制作出延安市溝壑密度空間分布圖。

        3.1.6 土地利用/覆被類型因子

        在水土流失通用方程中,C表示的是作物經(jīng)營管理因子。根據(jù)定義,C值表示的是在特定條件下耕種作物土地與連續(xù)休閑的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上水土流失量的比值。考慮到研究數(shù)據(jù)和方法的局限性以及研究的可行性,同時(shí)聯(lián)想到不同土地利用/地表覆被與水土流失的關(guān)系,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn),本文將作物經(jīng)營管理因子C引申為土地利用/地表覆被因子。在現(xiàn)實(shí)生活中,水土流失的程度不僅與自然狀態(tài)下植被的類型有關(guān),還和人類活動(dòng)造成的地表覆蓋(土地利用)類型有關(guān),以上2種因素皆可對土壤的結(jié)構(gòu)和形態(tài)產(chǎn)生影響,從而改變水土流失程度。將2017年延安市土地利用/覆被類型按照各類型對水土流失的相對影響程度大小進(jìn)行分級,制作出延安市土地利用/覆被類型敏感性空間分布圖。

        通過對R、K、LS、溝壑密度因子的計(jì)算結(jié)果并依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)建立各單因子評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)[9],得到延安市水土流失敏感性評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1。根據(jù)分級結(jié)果制作出各影響因子的敏感度空間分布圖,如圖1。

        表1 水土流失敏感性單因子分級標(biāo)準(zhǔn)

        圖1 水土流失單因子敏感性空間分布圖

        3.2 水土流失敏感性綜合性評價(jià)

        考慮到在水土流失過程中,各個(gè)影響因子對該過程產(chǎn)生的影響大小存在差異,還需要科學(xué)合理地確定各個(gè)影響因子對于敏感性的權(quán)重。本文采用AHP層次分析法,通過邁實(shí)層次分析法軟件,計(jì)算出各個(gè)單因子對水土流失程度造成的影響中的權(quán)重大小。

        以延安市水土流失敏感性評價(jià)指標(biāo)體系為目標(biāo)層A,氣候、土壤、地形、土地利用/覆被為4個(gè)指標(biāo)層,降雨侵蝕力R、土壤可蝕性K、坡度和坡長LS、溝壑密度、坡耕地、地表覆被為措施層,如圖2。根據(jù)指標(biāo)相對重要性進(jìn)行兩兩比較,建立評價(jià)因子比較矩陣,計(jì)算得出各單因子權(quán)重大小,見表2。

        圖2 延安市水土流失敏感性評價(jià)指標(biāo)體系

        表2 單因子權(quán)重大小

        將各個(gè)單因子敏感性評價(jià)的結(jié)果通過ArcGIS軟件的柵格計(jì)算功能,按照各個(gè)因子在水土流失過程中對水土流失強(qiáng)度影響的大小(權(quán)重)進(jìn)行疊加計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為延安市水土流失綜合敏感性指數(shù),其計(jì)算公式為[10]:

        SSj=∑CijWi

        (5)

        式中,SSj表示的是空間單元j上的綜合水土流失敏感性指數(shù),Cij表示的是空間單元j上第i類評價(jià)因子的敏感性賦值,Wi表示第i類水土流失評價(jià)因子的權(quán)重,其中i的取值為1~6(共有6個(gè)評價(jià)因子)。

        根據(jù)得到的計(jì)算結(jié)果,參考相關(guān)規(guī)范以及先前的研究成果建立延安市水土流失敏感性評價(jià)分級指標(biāo)體系,對綜合水土敏感性指數(shù)進(jìn)行等級劃分并賦值,見表3,制作出延安市水土流失敏感性綜合評價(jià)圖,如圖3。

        表3 水土流失綜合敏感性分級標(biāo)準(zhǔn)

        圖3 水土流失綜合敏感性

        4 結(jié)果分析與建議

        4.1 水土流失敏感性空間格局分析

        從空間分布上看,延安市北部和南部的局部地區(qū)水土流失敏感性等級較高,東南和西南部分水土流失敏感性等級較低,中度敏感區(qū)域所占面積最大,大部分地區(qū)不同水平的水土流失敏感性交織分布。北部地區(qū)受到自然因素影響較高,包括植被覆蓋度不如南部地區(qū)、地形起伏較大、土壤可蝕性較高等,水土流失敏感性較南部地區(qū)高,應(yīng)該重點(diǎn)保護(hù)。中度敏感區(qū)域、高度敏感和極敏感區(qū)域主要集中在洛川縣、延長縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)和子長縣的北部;輕度敏感區(qū)域主要分布在富縣、甘泉縣黃陵縣、黃龍縣和宜川縣;不敏感區(qū)域則以位于東南部的黃龍縣分布最為廣泛。

        4.2 水土流失潛在危險(xiǎn)度評價(jià)

        水土流失潛在危險(xiǎn)度主要用于衡量在生態(tài)系統(tǒng)平衡被破壞后出現(xiàn)的土壤侵蝕的危險(xiǎn)程度。其對水土流失危險(xiǎn)程度的描述有2個(gè)方面:通過計(jì)算水土流失區(qū)域當(dāng)前侵蝕速率,預(yù)測該區(qū)域土壤層承受的侵蝕年限(抗蝕年限),實(shí)現(xiàn)對水土流失造成的土壤和土地資源的破壞嚴(yán)重性的評估和預(yù)測;評估和預(yù)測研究區(qū)域被侵蝕區(qū)域侵蝕強(qiáng)度加重的可能性大小和未被(無明顯)侵蝕區(qū)域出現(xiàn)水土流失的可能性大小。因此,對延安市進(jìn)行水土流失潛在危險(xiǎn)度進(jìn)行研究和評價(jià),有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)該地區(qū)潛在的水土流失問題,對維持或恢復(fù)地區(qū)生態(tài)平衡具有重要意義。

        根據(jù)水土流失潛在危險(xiǎn)度計(jì)算公式[11]:

        (6)

        式中,SEPDI為水土流失潛在危險(xiǎn)程度,M為全區(qū)域不同敏感性等級的面積,從1~5分別對應(yīng)不敏感區(qū)域面積、輕度敏感區(qū)域面積、中度敏感區(qū)域面積、高度敏感區(qū)域面積和極敏感區(qū)域面積。計(jì)算結(jié)果一般在1~9,SEPDI的值越大,說明該地區(qū)的水土流失潛在危險(xiǎn)程度越高。

        根據(jù)式(6),延安市水土流失潛在危險(xiǎn)程度的值約為3.045,計(jì)算結(jié)果表明,受自然地理因素的影響延安市的水土流失潛在危險(xiǎn)程度較高。

        4.3 水土流失治理意見

        本文根據(jù)延安市水土流失敏感性綜合評價(jià)的結(jié)果,提出以下水土流失治理意見。

        對于水土流失敏感性等級較高的區(qū)域,如子長縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)北部、延川縣和延長縣的西側(cè)、黃龍縣的南部等地區(qū),各有關(guān)部門、企業(yè)在經(jīng)濟(jì)開發(fā)和項(xiàng)目建設(shè)時(shí),要遵循生態(tài)優(yōu)先的原則,充分考慮對周圍水土保持的影響。

        在坡耕地因子水土流失敏感性較高地區(qū)中,坡耕地面積較大的子長縣、志丹縣、安塞區(qū)、寶塔區(qū)、富縣,水土流失的治理應(yīng)該根據(jù)坡耕地的類型進(jìn)行差別治理。在坡耕地較為平緩的地區(qū),可以推行繼續(xù)耕作的相關(guān)措施。如,選擇種植秸稈類可以有效改善土壤質(zhì)量的農(nóng)作物,改坡耕地為梯田等;在坡度較大的坡耕地區(qū)域,可實(shí)行等高耕作,壟溝種植等措施,此外,在該類區(qū)域,退耕還林措施較難施行,可選擇種植草坪、果樹,或是輔以培地埂,挖水平溝,修水平臺地等工程強(qiáng)化措施后再進(jìn)行造林。

        在溝壑密度敏感性較高、地表較為破碎的區(qū)域,如志丹縣、安塞區(qū)、延長縣、洛川縣和吳旗縣等地區(qū),可采取相應(yīng)的固溝、護(hù)坡和保塬措施,如建壩、修建水庫、營造防護(hù)林、封坡育草等。

        自20世紀(jì)末開始,延安市積極響應(yīng)國家號召,實(shí)施退耕還林還草等工程。實(shí)踐證明,通過實(shí)施該項(xiàng)工程,延安市的植被指數(shù)得到顯著提高,生態(tài)環(huán)境狀況逐漸提升,水土流失綜合治理程度提高25%以上[12]。但由于城市化進(jìn)程的加快,以延安市市區(qū)為代表的部分地區(qū)的植被有一定程度退化[13]。因此,為了保障高水平的人民生活和高質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,還需將各項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)工程作為長期堅(jiān)持的工作。

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