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        基于遙感的水土流失長時序監(jiān)測分析

        2023-02-08 02:57:48雷少華韓丹妮
        江蘇水利 2023年1期

        雷少華,徐 春,韓丹妮,金 秋,耿 韌

        (南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

        土壤侵蝕是我國生態(tài)安全面臨的主要問題之一,可導(dǎo)致水系泥沙淤積、水利系統(tǒng)運(yùn)行效率降低甚至癱瘓,因此開展土壤侵蝕長時序連續(xù)監(jiān)測研究十分必要。

        與傳統(tǒng)方法相比,遙感技術(shù)憑借快速、實(shí)時、低成本、大面積監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn),已成為土壤侵蝕監(jiān)測的重要方式[1-2]。梁文廣等[3]和馬力等[4]利用2000、2008、2014年遙感數(shù)據(jù)提取的植被與作物覆蓋因子對南京市進(jìn)行了水土流失監(jiān)測,認(rèn)為輕度及以上水土流失區(qū)域是水土流失治理的重點(diǎn);邵方澤等[5]基于遙感技術(shù),利用改進(jìn)的土壤流失方程(RUSLE),認(rèn)為南京市2006、2010、2014年水土流失主要發(fā)生在城市及山丘邊緣植被覆蓋度較低的區(qū)域;郭賡等[6]研究了南京市土地利用變化對土壤侵蝕的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)87%以上的土壤侵蝕量動態(tài)變化集中在林地與耕地;楊德菲等[7]基于Landsat遙感衛(wèi)星影像提取了南京市植被信息,認(rèn)為2017年植被覆蓋面積比2009年降低了8.6%;林杰等[8]通過耦合葉面積指數(shù)、植被覆蓋管理措施因子與137Cs同位素示蹤技術(shù),表明抵抗土壤侵蝕能力較弱區(qū)域面積持續(xù)升高,從1988年到2013年,升高面積占南京市總面積的3.88%~5.02%。

        然而由于基礎(chǔ)資料的缺乏,現(xiàn)有研究多基于某一特定時相遙感數(shù)據(jù),將植被覆蓋或降雨侵蝕力等因子在多年時間跨度內(nèi)預(yù)設(shè)為某一固定值,缺少對區(qū)域土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展等中間過程的逐年監(jiān)測。同時,高歌等[9]和余寒等[10]分析了過去50余年逐日降雨資料,認(rèn)為每年侵蝕性的降水量、侵蝕性降雨日數(shù)動態(tài)變化大,年際差異大,導(dǎo)致利用多年平均降雨侵蝕力結(jié)果計(jì)算逐年土壤侵蝕強(qiáng)度的不確定性增大。

        因此,本研究以南京市為例,通過對長時間序列遙感數(shù)據(jù)中土地利用、植被覆蓋度等信息的挖掘,構(gòu)建基于遙感衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)的降雨侵蝕力本地化方法,進(jìn)而揭示區(qū)域土壤侵蝕時空變化特征,為水土保持精細(xì)化監(jiān)測提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        江蘇省南京市下轄鼓樓區(qū)、玄武區(qū)、建鄴區(qū)、秦淮區(qū)、棲霞區(qū)、雨花臺區(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)、江寧區(qū)、溧水區(qū)、高淳區(qū)11個區(qū)。地貌以低山、丘陵、崗地和平原洲地為主,四季分明,夏季雨熱同期,冬季低溫少雨,2001—2020年平均降水量約為1 090 mm,平均氣溫15.5℃。轄內(nèi)以黃棕壤為主,廣泛分布于南北低山丘陵和崗地,耕作土壤主要為水稻土。自然植被包括針葉林、落葉闊葉林、落葉與常綠闊葉混交林、竹林等。

        1.2 研究方法

        1.2.1 土壤侵蝕計(jì)算

        中國土壤流失方程綜合考慮了多因子的影響,原理如下:

        式中:A為土壤侵蝕模數(shù),t/(hm2·a);R為降雨侵蝕力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);K為土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);LS、B、E、T分別為坡長坡度因子、生物措施因子、工程措施因子、耕作措施因子,無量綱。

        1.2.2 統(tǒng)計(jì)與分析方法

        根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL190—2007),南京市土壤微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕分級的土壤侵蝕模數(shù)(單位:t/(hm2·a))判定范圍分別為<500,500~2500,2 500~5 000,5 000~8 000,8 000~15 000,>15 000。

        選取應(yīng)用廣泛的決定系數(shù)(R2)進(jìn)行年際趨勢與擬合魯棒性分析,R2越大表示年際趨勢越明顯或擬合魯棒性越好。選取平均絕對百分比誤差(MAPE)評價模型的精確度,MAPE越小表明模型精度越高。

        1.2.3 逐年降雨侵蝕力計(jì)算

        降雨侵蝕力計(jì)算如下:

        2001—2020年逐月1 km分辨率降雨量柵格數(shù)據(jù)根據(jù)英國East Anglia大學(xué)氣候研究所與WorldClim發(fā)布的全球氣候數(shù)據(jù)集,通過Delta空間降尺度生成,使用496個獨(dú)立氣象觀測點(diǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后結(jié)果可信。該柵格數(shù)據(jù)按照年度累加后得到年降水量柵格,根據(jù)公式(5),重采樣后生成30 m空間分辨率的逐年降雨侵蝕力數(shù)據(jù)。

        1.2.4 逐年生物措施與植被覆蓋度計(jì)算

        利用30 m分辨率Landsat遙感數(shù)據(jù)區(qū)分了耕地、林地、草地、水、裸地和建設(shè)用地6種土地利用類型,驗(yàn)證總精度約80%。耕地、水域、裸地、建設(shè)用地B分別賦值為1、0、1、0.01。林地和草地B值與低山丘陵崗地(LS>2)植被覆蓋度根據(jù)《2021年度水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)指南》方法計(jì)算得到。

        1.2.5 其他因子計(jì)算

        南京市30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺,鑲嵌、填洼后,利用GIS水文分析工具提取LS因子。土壤可蝕性因子選用全國第一次水利普查水土保持情況普查成果。南京市溧水區(qū)和高淳區(qū)同屬沿江平原丘陵水田旱三熟二熟區(qū),其耕地T賦值0.338;其他地區(qū)同屬江淮平原麥稻兩熟兼旱三熟區(qū),其耕地T賦值0.392。南京市水土保持工程措施主要有造林和梯田2種。其中梯田面積一共8.48 km2,占南京市總面積的比例不足0.13%,且布局分散,難以在30 m分辨率尺度下解譯,E統(tǒng)一按1賦值處理。

        2 結(jié)果分析

        2.1 南京市土壤侵蝕面積時空變化特征

        根據(jù)2018年江蘇省水土保持公報(bào),南京市輕度及以上水土流失面積為386.13 km2,本研究計(jì)算同年水土流失面積343.57 km2,MAPE為11.02%,檢驗(yàn)精度較高,表明該算法可用于2001—2020年南京市長時間序列的土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測分析。

        2001—2020年,南京市微度侵蝕面積5 564.85 km2,占全市總面積的84.50%(圖1)。輕度及以上水土流失面積350.08 km2,占全市總面積的5.31%。其中輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)列、劇烈侵蝕面積為242.44 km2、53.40 km2、24.76 km2、19.90 km2和9.58 km2,分別占水土流失面積的69.25%、15.25%、7.07%、5.68%和2.74%。

        圖1 南京及各轄區(qū)2001—2020年土壤侵蝕動態(tài)監(jiān)測柱狀圖

        在年際變化上,南京市輕度及以上水土流失面積波動較大。其中2003年、2009—2010年、2015年水土流失面積相對較大,2003年為研究期內(nèi)最大。2001年、2004年、2013年及2019年水土流失面積相對較小,2013年為研究期內(nèi)最小。

        在空間分布上,下轄各區(qū)水土流失面積從大到小依次為江寧區(qū)、溧水區(qū)、浦口區(qū)、六合區(qū)、高淳區(qū)、棲霞區(qū)、雨花臺區(qū)、玄武區(qū)、鼓樓區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)。從水土流失面積占各區(qū)面積比例看,從大到小依次為江寧區(qū)、溧水區(qū)、浦口區(qū)、棲霞區(qū)、玄武區(qū)、雨花臺區(qū)、六合區(qū)、鼓樓區(qū)、高淳區(qū)、秦淮區(qū)、建鄴區(qū)。秦淮區(qū)和建鄴區(qū)水土流失面積均低于0.3 km2,小于區(qū)總面積的1%,且2001—2020年間建鄴區(qū)水土流失全部為輕度侵蝕;江寧區(qū)、溧水區(qū)、浦口區(qū)水土流失面積較大,約占區(qū)面積的6.2%~7.6%。其中,2013年各級水土流失面積較小,但該年溧水區(qū)水土流失面積最大。在總體水土流失面積較大年份(2003年、2009—2010年、2015年),江寧區(qū)水土流失占該區(qū)面積比例分別為6.27%、13.63%、13.99%,面積也同期較其他區(qū)最大。

        整體而言,南京市2011—2020年水土流失面積平均為311.74 km2,較2001—2010年均值下降了超過20%,區(qū)域生態(tài)環(huán)境明顯改善。

        2.2 南京市土壤侵蝕變化歸因分析

        如圖2(a)和(b)所示,南京市2001—2020年降水量介于800~1 400 mm,平均為1 090 mm,降雨侵蝕力介于3 100~8 100 MJ·mm/(hm2·h·a),平均為5 150 MJ·mm/(hm2·h·a)。2003年、2010年、2015—2016年降水量及降雨侵蝕力相對較大,2015—2016年降雨強(qiáng)度大、暴雨量最多,因此降雨侵蝕力也最大;2001年、2004年、2012年及2019年降水量及降雨侵蝕力因子相對較小。

        圖2 南京市2001—2020年降水量、降雨侵蝕力、低山丘陵崗地區(qū)域植被覆蓋度變化趨勢和建設(shè)用地占比

        2001—2020年逐年降水量隨著年份有先增加后減小的趨勢。年均降水量為1 115 mm,較2001—2010年增加了5.5%,但同期降雨侵蝕力均值由4 849 MJ·mm/(hm2·h·a)增加到5 455 MJ·mm/(hm2·h·a),增加了12.5%。

        圖2(c)顯示南京市LS>2的低山丘陵崗地區(qū)域植被覆蓋度介于66.55%~77.72%,平均為73.77%,逐年植被覆蓋度有隨年份先下降后升高的趨勢(R2=0.26)。同時,根據(jù)圖2(d)土地利用類型提取結(jié)果,2001—2020年南京市建設(shè)用地面積占比從10.68%上升到了20.85%,面積增長約95%,表示南京市內(nèi)開發(fā)建設(shè)活動不斷加劇。隨著生態(tài)為基發(fā)展方針的確立,南京市開展了礦山生態(tài)修復(fù)、環(huán)境整治等工程,增大了綠化面積,提高了區(qū)域植被覆蓋度,水土保持工作取得一定成效。因此,2008—2020年,低山丘陵崗地區(qū)域植被覆蓋度隨年份有增大趨勢(R2=0.54)。

        2001—2020年,南京市水土流失面積與降水量及降雨侵蝕力大小關(guān)系較為密切(R2=0.49),與逐年植被覆蓋度有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.16),相較而言,降雨侵蝕力是驅(qū)動年際水土流失面積變化的主要因素。

        3 結(jié)論

        基于衛(wèi)星遙感降雨數(shù)據(jù)的年降雨侵蝕力計(jì)算方法精度較高,可為無雨量站降雨資料區(qū)提供土壤侵蝕強(qiáng)度監(jiān)測思路和方法。

        2001—2020年,南京市輕度及以上水土流失面積平均值為350.08 km2,但時空差異大,布局分散。近10年南京市水土保持工作取得一定成效,水土流失面積下降超過了20%,區(qū)域生態(tài)環(huán)境明顯改善。南京市水土流失防治面臨自然和人為雙重壓力,但降雨侵蝕力是驅(qū)動年際水土流失面積變化的關(guān)鍵因素。隨著南京市城市化進(jìn)程不斷加劇,要更加注意防范人為水土流失。

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