RS和 GIS技術支持下的昌都縣土壤侵蝕評估

宮奎方,范建容,張定容,尼瑪占堆,格桑卓瑪

(1.西藏自治區水土保持局,西藏拉薩 850000;2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都 610041)

RS和 GIS技術支持下的昌都縣土壤侵蝕評估

宮奎方1,范建容2,張定容1,尼瑪占堆1,格桑卓瑪1

(1.西藏自治區水土保持局,西藏拉薩 850000;
2.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都 610041)

RS;GIS;土壤侵蝕;侵蝕模數;昌都縣

運用RS和GIS技術對昌都縣境內的降水、土壤、地形地貌、植被覆蓋以及水土保持措施等數據進行處理,選用修正的通用土壤流失方程定量計算土壤侵蝕模數并對其空間分布規律進行分析,得出結論:昌都縣年土壤流失量850.81萬 t,平均土壤侵蝕模數 789 t/(km2?a),分布規律是以扎曲為界西部地區的侵蝕強度大于東部,河流沿岸以及東北和西南部的部分區域侵蝕較嚴重。

土壤侵蝕現狀及其發展趨勢直接或間接地影響著糧食生產安全、社會經濟發展和群眾生活水平的提高,已成為全世界普遍關注的重要環境問題之一。掌握各地的土壤侵蝕現狀是制定經濟發展規劃和設計水保措施的前提,為此近年來我國相關部門在各地開展了大量的土壤侵蝕調查工作。水力侵蝕作為土壤侵蝕的重要形式,其侵蝕量和分布面積占土壤侵蝕的比重均較大[1]。隨著科學技術的不斷發展以及數據源的多樣化和完整化,RS和 GIS技術在宏觀把握水力侵蝕現狀[2]和預測其發展趨勢方面得到了廣泛應用。本文選用修正的通用土壤流失方程,采用 RS和GIS技術計算西藏自治區昌都縣在水力作用下的土壤侵蝕模數并研究其分布規律。

1 研究區概況

昌都縣位于西藏自治區東部,介于東經 96°07′— 97°09′、北緯 30°06′— 32°30′之間,總面積 10 652 km2,東與江達縣、貢覺縣為鄰,南與察雅縣、八宿縣毗連,西與類烏齊縣交界,北與青海省玉樹縣和囊謙縣接壤;地處橫斷山脈西北部、青藏高原東南部的邊緣地帶,地勢北高南低,東西呈W形,最高海拔5 460 m,最低海拔 3 125m,平均海拔 4 300m;因處在三河一江(昂曲、扎曲、色曲、瀾滄江)地區,地形復雜多樣、切割明顯、險峰峻嶺、溝壑縱橫;屬中緯度地區,受地形影響高原寒溫帶季風性氣候混雜。昌都縣是川、滇入藏之門戶,境內水資源、動植物資源豐富,迫切需要開展土壤侵蝕監測和生態環境保護工作。

2 研究方法

2.1 數據處理

西藏地域遼闊,研究區內氣象站和水文站數量較少,利用傳統的插值方法計算得到的降水量數據與實際情況偏差較大。為了提高計算精度,選用美國NASA網站免費提供的 2008年空間分辨率 0.25°×0.25°、時間分辨率 3 h的 TRMM 3B42降水量數據,用 IDL程序讀出后再用 GIS軟件轉化為 grid格式;利用昌都縣土壤類型圖、土壤成分分布圖等獲取土壤信息;采用國家科學數據共享網分辨率 30m的 DEM數據,運用 GIS軟件從中提取地形因子;選用 2009年 1月 2日成像的分辨率 30m的TM遙感影像分析土壤侵蝕現狀,并從中提取NDVI數據計算植被覆蓋度。

2.2 土壤侵蝕模數計算

選用修正的通用土壤流失方程計算研究區的土壤侵蝕模數,計算公式為

式中:M為土壤侵蝕模數,t/(km2?a);R為降雨侵蝕力因子,MJ?mm/(km2? h?a);K為土壤可蝕性因子,t? km2? h/(km2?MJ?mm);LS為坡長坡度因子;B為生物措施因子;E為工程措施因子;T為耕作措施因子。

經實地調查和長期驗證,采用該模型的計算結果可以較好地反映研究區的土壤流失狀況。

2.3 模型因子的確定

2.3.1 降雨侵蝕力因子(R)

采用 2008年空間分辨率 0.25°×0.25°、時間分辨率 3 h的TRMM 3B42降水量數據作為降雨侵蝕力因子計算的數據源[3]。章文波等人[4]的研究成果表明采用日雨量計算降雨侵蝕力的精度最高。降雨侵蝕力因子是以次降雨總動能(E)與最大 30min雨強(I30)的乘積 EI30為基礎計算的[5]。由于次降雨過程觀測資料獲取困難,在利用日雨量資料估算降雨侵蝕力時采用半月時段為步長,在合并日雨量后給出了降雨侵蝕力的簡易算法模型[6],對 1年內 24個半月時段降雨侵蝕力求和得到年降雨侵蝕力

式中:Mi為第 i個半月時段的降雨侵蝕力值,MJ?mm/(hm2?h);k為該半月時段內的天數,d;Dj為該半月時段內第 j天的侵蝕性日降水量,mm,根據昌都縣的降水特征,要求日降水量≥10 mm否則以 0計;α和 β為待定參數,采用日降水量估算;Pd10為日降水量≥10mm的日平均降水量,mm;Py10為日降水量≥10 mm的年平均降水量,mm。

2.3.2 土壤可蝕性因子(K)

土壤可蝕性因子的計算采用 1990年 Williams等人[7]在侵蝕—生產力影響評價模型(EPIC)中給出的土壤可蝕性因子計算方法,計算公式為

式中:SAN、SIL、CLA、C為土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有機碳含量所占百分比;SN1=1-SAN/100。

公式中各參數可從研究區土壤普查資料及補充采樣分析資料中的土壤類型、成土母質、土層位置等相關信息中獲取。值得注意的是,公式(3)要求的土壤顆粒分析標準為美國制,而本研究采用的土壤普查數據中土壤顆粒分析采用的是國際制,因此必須先把國際制轉換為美國制,再進行土壤可蝕性(K)計算。

2.3.3 坡度坡長因子(LS)

坡度坡長因子要分坡度因子和坡長因子兩步計算,其中坡長因子的計算公式為

結合研究區分辨率30m的 DEM數據,運用ArcGIS軟件的空間運算功能計算坡度因子,水文分析模塊計算坡長因子,坡長因子(L)和坡度因子(S)相乘可得到坡度坡長因子(LS)的數值。

2.3.4 生物措施因子(B)、工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)

生物措施因子(B)是在相同的土壤、坡度和降雨條件下,地表覆蓋物為某一特定作物或植被時的土壤流失量與耕種過后連續休閑土地的土壤流失量的比值[8]。生物措施因子的取值介于 0～1之間,取值原則是將基本沒有土壤侵蝕危險的地區賦值為 0,最容易受到侵蝕的地區(裸地等)賦值為 1,其余按照侵蝕程度進行 0～1之間的線性插值。參考其他專家研究成果[9],研究區旱坡地的生物措施因子值為 0.31,水域、居民地、裸巖為 0。分析研究區植被覆蓋度圖,得到林地的生物措施因子值為 0.005～0.050、灌木林地 0.020～0.070、草地 0.010～0.050。研究區群眾通常采取順坡耕作,工程措施主要為坡改梯,參考《全國土壤侵蝕普查技術細則》水平梯地的工程措施因子值為 0.25,順坡耕作值為 1。把生物、工程和耕作措施因子相乘可得到措施因子的綜合數值。

3 結果與分析

3.1 模型各因子的分布特征

根據相關數據資料和上述計算方法,獲得了修正的通用土壤流失方程中各因子的數值。各因子在研究區的空間分布特點:降雨侵蝕力因子的空間分布規律與降雨規律基本一致,其最大值、最小值、平均值分別為 916、273、500MJ? mm/(km2? h?a);西北部地區的降雨侵蝕力數值較大,尤其是北部的嘎瑪鄉和約巴鄉的降雨侵蝕力數值均大于 750MJ?mm/(km2?h?a);降雨侵蝕力較小的區域主要集中在縣域中部的妥壩鄉和南部的若巴鄉、卡若鎮。土壤可蝕性因子最小值、最大值、平均值分別為 1、326、267 t? km2? h/(km2? MJ? mm);其空間分布規律表現為以扎曲為界西部大于東部,尤其是扎曲、色曲河谷兩岸以及昂曲和瀾滄江附近區域的土壤可蝕性因子數值較大。坡度坡長因子最小值為 0,最大值為 1 581,平均值為 16;以平均值分布面積較大,最大值和最小值分布面積較小,其中河谷附近區域數值較高,東部靠近縣界部分區域數值較低。生物、工程、耕作措施因子的綜合數值主要取決于生物措施因子,其數值介于 0～0.25之間,平均值為 0.03;其空間分布規律與土地利用、植被覆蓋度分布規律相似,其中林地和高覆蓋度草地的數值較小,耕地及低覆蓋度草地、灌木林地的數值較大,尤其是縣境東北部的面達鄉和西南部的若巴鄉數值較大。

3.2 土壤侵蝕模數分布規律

將各因子的值帶入修正的通用土壤流失方程(式 1),分析研究區的土壤侵蝕模數分布規律。經計算,研究區土壤侵蝕模數最大值為 1 177 t/(km2?a),在地形平坦的區域和河流湖泊、裸巖、沼澤等地類范圍內基本不會發生侵蝕,在植被覆蓋較好的林區土壤侵蝕模數的計算結果也接近 0。昌都縣平均土壤侵蝕模數為 789 t/(km2?a),年土壤流失量為 850.81萬 t。從整體情況看,在研究區以扎曲為界,西部地區的土壤侵蝕強度大于東部(面達鄉除外),這與 R、K、LS因子的分布特征基本一致;東北部的面達鄉和拉多鄉北部以及西南部的若巴鄉西北部土壤侵蝕強度較大,這與措施因子的分布特征基本一致。同時,河流沿岸地區的土壤侵蝕模數也相對較大。

針對研究區的土壤侵蝕模數分布規律,對于西部河流密集、小流域數量較多的區域建議加強土壤侵蝕監測,結合地形地貌特征修建水土保持工程,預防土壤侵蝕的發生和加劇;對于東南部和西北部植被稀疏的區域應結合實地情況,采取生物措施,選育鄉土樹、草種,加快生態恢復,減少土壤侵蝕;針對耕地面積有限和土壤侵蝕嚴重的狀況,建議加強現代農業知識普及和推廣,鼓勵農民采取科學的耕作措施,減少土壤肥力流失,在保障作物產量的同時保護耕地資源。

[1]王思遠,劉紀遠,張增祥,等.不同土地利用背景下土壤侵蝕空間分布規律研究[J].水土保持學報,2001,15(3):48-51.

[2]范建容,柴宗新,劉淑珍,等.基于 RS和 GIS的四川省李子溪流域土壤侵蝕動態變化[J].水土保持學報,2001,15(4):26-28.

[3]嚴冬,范建容,郭芬芬,等.西藏地區降水侵蝕力時空分布研究[J].水土保持通報,2010,30(4):17-21.

[4]章文波,謝云,劉寶元.中國降雨侵蝕力空間變化特征[J].山地學報,2003,21(1):33-40.

[5]WischmeierW H.A rainfall erosion index for a universal soil loss equation[J].Soil Science Society of America Journal,1959,23(3):246-249.

[6]章文波,付金生.不同類型雨量資料估算降雨侵蝕力[J].資源科學,2003,25(1):35-41.

[7]Williams,J R.The erosion-productivity impact calculator(EPIC)model:a case history[J].Philosophical Transactions:Biological Sciences,1990(329):421-428.

[8]馬超飛,馬建文,布和敖斯爾.USLE模型中植被覆蓋因子的遙感數據定量估算[J].水土保持通報,2001,21(4):6-9.

[9]王萬忠,焦菊英.中國的土壤侵蝕因子定量評價研究[J].水土保持通報,1996,16(5):1-20.

S157.1

A

1000-0941(2011)05-0051-03

國家科技支撐計劃項目(2007BAC06B06—01)資助項目

宮奎方(1978—),男,貴州威寧縣人,工程師,學士,主要從事水土保持監測及管理工作。

2011-01-15

(責任編輯 李楊楊)