窟野河流域土壤侵蝕時空變化分析

陳云生 劉真真

（河南大學環境與規劃學院，河南 開封 475004）

土壤侵蝕是發生在特定時空條件下的土體遷移過程，是世界范圍內最重要的土地退化問題［1］。當前，土壤侵蝕已成為全球性的公害，嚴重威脅著人類的生存與發展。我國是世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一［2］。的土壤流失帶走了土壤中各種養分，不利于農作物及植被的生長，甚至導致本地區土壤的荒漠化。防治土壤侵蝕、改善生態環境、實現人與自然協調和資源—環境—社會經濟可持續發展，已成為全世界普遍關注的重大環境問題和人類生存發展的重要問題［3］。隨著地球信息科學的進步與發展，“3S”技術成為土壤侵蝕研究的有效工具［4］。

隨著國內外學者對土壤侵蝕評估方法的研究，土壤侵蝕機理也不斷得到了新的認識［5］。從經驗統計模型［6-9］到物理過程模型［10-12］，再到分布式模型［13-17］，豐富了土壤侵蝕領域的研究。土壤侵蝕強度的分級標準包括直接定量計算土壤侵蝕量的指標和間接反映土壤侵蝕的指標。定量研究可以求出具體的土壤侵蝕量，但對結果精度驗證比較困難，特別是在研究大區域甚至是全國尺度時，驗證的困難更大。間接的指標綜合法采用坡度、植被覆蓋度等指標，結合GIS可以快速提取土壤信息對土壤侵蝕風險進行評估；同時，在大尺度范圍上對土壤侵蝕進行評估時，可以將間接的指標綜合法作為判別依據，定量指標作為參考數據對結果進行驗證。水利部部頒標準“土壤侵蝕分類分級標準SL190-96”是我國水土保持部門最常用的一種評價土壤侵蝕風險的方法。1999年-2001年，在此基礎上，采用TM影像進行第二次全國土壤侵蝕遙感調查，印證了該方法的可實用性［18］。

隨著遙感技術的迅速發展，遙感影像大面積重復觀測，影像更新時間短等優點，被廣泛應用在土壤侵蝕研究中。本文利用2011年兩景TM-30m多光譜影像數據，根據水利部部頒標準，采用指標綜合法研究窟野河流域土壤侵蝕風險現狀，求出隨不同坡度、高度帶中土壤侵蝕分布情況，為管理部門治理提供參考依據。

1 研究區概況和數據

1.1 研究區概況

1.2 數據

窟野河黃河中游的一條主要支流，發源于內蒙古自治區東定溝，流經內蒙古、陜西2省區5縣（旗、市），于陜西省神木縣沙峁頭村注入黃河。流域面積8 706km2，海拔800～1300m，地勢呈西北高、東南低。神木縣以上多為風沙土，風沙下部多為砒砂巖，神木以下主要被黃土覆蓋，地表植被稀少。流域屬干旱半干旱大陸性氣候，受大陸季風影響較大，夏季降水集中，流域多年平均降水量415mm，降水時空分布極不均勻，6～9月降水量占年降水量的75%～81%，最大月降水量出現在7、8兩月，降水量占年降水量的50%～60%。空間上，流域內降水量東多西少、南多北少。

窟野河水系結構簡單，兩岸支流短小，主要由烏蘭木倫河、悖牛川河等匯集而成?？咭昂恿饔?0年平均徑流量5 995億m3，地下徑流約占28%，徑流主要來源于降水補給。流域多年平均輸沙量0.9587億噸，是水土流失異常嚴重的地區之一［19］。

影像選擇2011年7月22日兩景Landsat TM多光譜數據，空間分辨率為30m。地形數據選用美國航天局（NASA）推出的最新的ASTER GDEM（先進星載熱發射和反射輻射儀全球數字高程模型），空間分辨率為30m。

其他輔助數據有研究區邊界和解譯標志等。外業調查內容包括土地利用類型、地質地貌、地形、土壤類型等信息，建立地面信息與影像光譜信息之間的關聯，為影像解譯提供參考依據。

2 方法

2.1 土壤侵蝕評價

土壤侵蝕是在降水和徑流等外營力作用下的水土流失，主要依賴于降水、植被覆蓋、地形等［20］。在植被覆蓋度低的山區，連續性的降水或短時間的暴雨很容易形成坡面匯流導致水土流失，良好的植被覆蓋能減緩水對土壤的沖刷，減少水土流失量。土壤侵蝕風險可定義為區域環境變化在這些因子上的響應，侵蝕風險高的區域容易發生土壤侵蝕［21］，本文采用水利部部頒標準“土壤侵蝕分類分級標準SL190-96”如表1。

表1 水力侵蝕強度分級參考指標

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在地面的垂直投影面積占研究區總面積的百分比。像元二分模型是一種簡單實用的遙感估算模型，本文選用像元二分法模型計算植被覆蓋度。NDVI代表歸一化的植被指數，比值處理可以檢測植被的生長狀態和消除部分輻射誤差。NDVI也可以反映地表植被，用NDVI計算植被覆蓋度。計算之前需要去除NDVI的異常值，利用各種土地利用類型的掩膜文件，在一定置信度范圍內求出各種土地利用類型的純土壤和純植被的NDVI值，然后將NDVI值帶入公式計算植被覆蓋度。利用野外采樣點實測值對結果進行檢驗，校正，得出能反映真實植被覆蓋的信息。

利用類型是自然界和人類活動相互作用的結果，不同的土地利用類型也對土壤侵蝕產生影響。本文利用外業采集的數據建立解譯標志，采用監督分類對影像進行分類，結合人工目視解譯，提取研究區的土地利用信息。坡度也是影響土壤侵蝕的重要因子，本文利用ASTER GDEM數據提取研究區的坡度數據。

2.2 空間格局分析

將研究區的侵蝕風險結果與地形數據相疊加，從中揭示土壤侵蝕在空間上的分布及變化情況，進而更深入地發現其分布變化規律。文章從坡度和高度兩個方面來展開分析。①在坡度方面，嚴格按照部頒標準坡度分為6個帶，然后與侵蝕風險結果進行疊加，從中發現不同坡度帶中侵蝕狀況；②在高程方面，在850m與1 450m之間以150m為間距，將高程分為6個帶，然后與侵蝕風險結果進行疊加，從中發現不同高程帶中侵蝕狀況。

3 結果

3.1 土壤侵蝕風險

根據影像解譯出的數據做出植被覆蓋度圖和土地利用圖，如a、b所示，以及由DEM數據制作的研究區坡度圖，如c所示，按照部頒標準對數據進行處理，然后對三個因子數據進行疊置分析，求出研究區的土壤侵蝕風險圖，如d所示。

根據研究區土壤侵蝕各等級面積如表2所示：2011年窟野河流域土壤侵蝕風險整體不高，侵蝕面積為5 849km2，占流域總面積的66.47%；輕度侵蝕和中度侵蝕面積分別為2 713.29km2和2 846km2，兩者占流域面積的63.18%。極強度侵蝕和劇烈侵蝕的面積占流域面積比例很小，分別為0.41%和0.03%。

表2 研究區各侵蝕等級面積

3.2 空間格局分析

通過將土壤侵蝕強度結果與地形數據進行疊加分析，求出不同坡度、高度帶所對應的面積。根據面積多少判斷土壤侵蝕在空間上的變化情況。根據部頒標準將研究區的坡度分為6個帶，然后與土壤侵蝕風險結果相疊加得出不同坡度對應的土壤侵蝕面積。以850m、1 000m、1 150m、1 300m、14 50m為界限將高程分為6個帶，然后與土壤侵蝕風險結果相疊加得出不同高度帶對應的土壤侵蝕面積。

表3 窟野河流域2011年各坡度帶內侵蝕風險分布情況（km2）

如表3所示，坡度小于5°的侵蝕面積最小，為0 km2；坡度在 8°～15°的地區，侵蝕面積最大，為 2 550.65km2；占侵蝕面積的43.61%，坡度在5°～25°的地區面積總共為5 594.59km2，占侵蝕面積的95.65%。有59.38%的輕度侵蝕發生在5°～8°的地區；55.82%的中度侵蝕發生在8°～15°的地區；69.17%的強度侵蝕發生在15°～25°的地區；65.16%的極強度侵蝕發生在25°～35°的地區；100%的劇烈侵蝕發生在大于35°的地區，但面積較少，面積只有3.01km2。

如表4所示，高程小于850m的地區侵蝕面積最小，為45.17km2，占流域總侵蝕面積的0.77%；高程在1 150m～1 300m之間的地區侵蝕面積最大為2 325.59km2，占流域總侵蝕面積的39.73%；小于1 300m的地區，侵蝕面積隨高程的增加而增大，高程在1 150m～1 450m的地區，侵蝕風險較高，侵蝕面積為4 077.03km2，占流域總侵蝕面積的69.7%。

表4 窟野河流域2011年各高程帶內侵蝕風險分布情況（km2）

4 結論

本文采用水利部部頒利用窟野河流域的坡度，植被覆蓋和土地利用類型三個指標，結合RS和GIS技術，對窟野河流域侵蝕風險進行評估，比實測方法省時省力。利用野外實測樣本對得出的侵蝕風險結果進行驗證，對比分析得出研究區的解譯精度為91.42%。由于樣本采集時間與所用的影像數據之間有時間差，導致有些樣本點的侵蝕強度不能被正確評估，今后在樣本的選擇上要盡量選擇人類活動少的地方。

通過對坡度帶和高程帶內侵蝕風險強度進行分析發現：①在高程帶內，高程在1 150m～1450m的地區侵蝕較其他地區集中；小于1 300m的地區，隨著高程增加，侵蝕狀況迅速增大；大于1 300m的地區，侵蝕狀況逐漸降低，在這些地區受人類活動影響較小，植被生長好，侵蝕風險較其他地區低。②在8°～15°坡度帶內，侵蝕面積比重最大，侵蝕風險也最高；坡度小于15°的地區，隨坡度的變緩，發生侵蝕的風險也降低，侵蝕風險沒有隨坡度呈正相關關系，而是受多種影響因子共同作用的結果。

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（感謝地球系統科學數據共享平臺—黃河下游科學數據共享平臺的數據支持）