基于遙感技術的苕溪流域水土流失動態監測研究

周巧稚,張玉剛,杜 婧,尤炎煌

(太湖流域管理局 太湖流域水土保持監測中心站，上海 200434)

水土流失是全球性的生態環境問題之一，其強度與區域土地利用、地形地貌、植被狀況等密切相關。開展土地利用、植被覆蓋、水土保持措施、土壤侵蝕等監測，掌握水土流失強度、面積與分布特征，對于指導區域水土流失綜合治理、貫徹落實生態文明決策部署具有重要意義[1]。本研究以苕溪流域為研究對象，基于2020年2 m分辨率多源衛星遙感影像，采用資料收集、遙感監測、野外調查、模型計算和統計分析相結合的方法，重點圍繞土地利用、地形坡度、植被覆蓋、水土保持措施、土壤侵蝕等開展監測，分析評價流域水土流失狀況，以期為流域水土保持宏觀決策和生態環境建設提供參考。

1 研究區概況

苕溪流域涉及浙江省杭州市的臨安區、余杭區和湖州市的安吉縣、長興縣、德清縣、湖州市城區，流域面積5 755.72 km2。苕溪水系分為東、西兩支，分別發源于天目山南麓和北麓，在湖州匯合，東、西苕溪長分別為150、143 km。苕溪水系是太湖上游最大水系，地處流域內暴雨區，入湖水量約占太湖總水量的50%。苕溪輸沙為太湖泥沙的主要來源，占入湖總沙量的86.2%。流域內地勢自西南向東北逐步下降，海拔從1 500 m遞減至3 m左右，形成西南部為低山丘陵、東北部為河網平原的基本地貌分布格局，山丘和平原面積分別占總面積的88%和12%。流域屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和濕潤、雨熱同期、日照充足、雨量充沛，年均氣溫16.5 ℃，年無霜期24 d。年均降水量1 141.6 mm，主要集中在汛期(5—9月)，期間降水量約占全年的75%，年均陸上水面蒸發量800～900 mm。土壤共有8類19個亞類，其中紅壤和黃棕壤為地帶性土壤。植被種類復雜，典型地帶性植被為常綠、落葉闊葉林。

苕溪流域是“兩山”理念的發源地，也是浙江省“千萬工程”的重要策源地和實踐地。近年來，流域內各縣市區政府積極開展生態清潔小流域建設，推進土地綜合整治，將水土流失治理與美麗鄉村建設、水源地保護有機結合，有效改善了生態環境和人民生產生活條件。

2 研究方法

2.1 資料收集

本研究主要應用的基礎資料有遙感影像、降水資料、土壤資料、地形資料、土地利用數據、水土保持重點工程及生產建設項目資料等，詳見表1。

2.2 遙感解譯與專題信息提取

選取2 m分辨率的多源衛星遙感影像，在對遙感影像進行輻射校正、正射糾正及融合、鑲嵌等預處理的基礎上，根據影像色調、紋理等特征，結合外業調查，以縣級行政區為基本統計單元，建立土地利用和水土保持措施解譯標志。

在室內采用人工目視解譯的方式，形成土地利用和水土保持措施初步解譯成果。利用水土保持野外調查信息采集系統和無人機等設備對解譯成果及時進行野外復核驗證，實地記錄研究區土地利用類型、水土保持措施情況、植被覆蓋狀況、水土流失強度等信息，補充建立解譯標志，修正解譯成果。

2.3 土壤侵蝕計算與評價

采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)，七因子專題數據疊加分析，計算土壤侵蝕模數，其公式為

A=R·K·L·S·B·E·T

式中：A為土壤侵蝕模數，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)；L、S為坡長和坡度因子，無量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

表1 基礎資料

依據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)，判定每個柵格的土壤侵蝕強度等級，進行水土流失面積統計。本研究采用的技術路線見圖1。

圖1 技術路線

3 結果與分析

3.1 土地利用

土地利用通過改變植被覆蓋、土壤性質、徑流速率、地形條件等，導致侵蝕發生及泥沙攔截能力的變化，進而影響侵蝕產沙[2]。不同的土地利用方式對土壤侵蝕的發育有著不同的影響，土地利用的變化直接影響著土壤侵蝕強度的變化。監測結果顯示，2020年苕溪流域土地利用結構中，林地面積最大，為3 503.81 km2，占土地總面積的60.88%；其次是建設用地和耕地，面積分別為646.52、630.30 km2，分別占11.23%、10.95%；園地和水域及水利設施用地次之，面積分別為417.33、341.36 km2，分別占7.25%、5.93%；草地、交通運輸用地、其他土地面積最小，分別為132.19、83.93、0.28 km2。

3.2 地形坡度

坡度影響著水流速度及徑流量、入滲量的大小，從而影響地表侵蝕的方式和強度。當地表坡度小于臨界坡度時，在一定范圍內隨著坡度的增加，徑流速度加快，入滲量減少，徑流的沖刷能力加大，土壤流失量增加。由監測結果可知，按坡度級分，苕溪流域耕地主要分布在≤2°坡度級，該坡度級耕地面積為534.76 km2，占不同坡度級耕地(耕地面積中除梯田面積外)總面積的88.41%；2°～6°、6°～15°、15°～25°坡度級耕地面積分別為32.63、23.68、9.12 km2，占比分別為5.39%、3.92%、1.51%；25°以上陡坡耕地面積4.65 km2，占比為0.77%。不同坡度級耕地水土流失總面積為32.91 km2，主要發生在6°～15°以及15°～25°坡度級的坡耕地上，其水土流失面積分別為13.99、8.44 km2。從不同坡度級耕地水土流失面積占相應耕地面積比例來看，15°～25°及25°以上陡坡耕地占比較高，分別占本級耕地面積的92.54%、96.34%。

3.3 植被覆蓋

植被通過截留作用削減雨強和雨量，借助枯枝落葉層涵蓄水分、調節徑流，同時其根系可固結土體，提高土壤抗蝕性、抗沖性，從而抑制土壤侵蝕的發生。根據監測結果，苕溪流域的園、林、草地的二級類中有林地面積最大，其面積為2 962.08 km2，占土地總面積的51.46%；其次是其他林地和茶園，面積分別為414.27、257.58 km2，占比分別為7.20%、4.48%。按植被覆蓋度分，苕溪流域園、林、草地以高覆蓋(≥75%)為主，面積為3 067.36 km2，占園、林、草地總面積的75.68%；中高覆蓋(60%～75%)面積584.83 km2，占比14.43%；中覆蓋(45%～60%)面積260.61 km2，占比6.43%；中低覆蓋(30%～45%)面積102.32 km2，占比2.52%；低覆蓋(<30%)面積38.21 km2，占比0.94%。苕溪流域超九成的園、林、草地植被覆蓋度大于60%，良好的植被覆蓋有效保持了水土，為減輕水土流失、改善生態環境創造了條件。

3.4 水土保持措施

相關研究表明，通過水土保持植物措施、工程措施、農業耕作措施相結合的綜合治理方式，可以充分發揮土壤蓄水保土的作用，有效控制水土流失。監測結果表明，苕溪流域2020年造林、封育等植物措施面積分別為5.51、10.05 km2，主要分布在湖州市安吉縣。工程措施中，梯田面積為25.87 km2，主要分布在湖州市安吉縣、德清縣，杭州市臨安區；坡面小型蓄排工程7.42 km，主要分布在湖州市安吉縣。

3.5 水土流失面積及分布

2020年，苕溪流域水土流失面積304.45 km2(全部為水力侵蝕)，占土地總面積的5.29%。按照水土流失強度等級劃分，輕度、中度、強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積分別為247.70、37.87、15.89、2.65、0.34 km2，占水土流失總面積的81.36%、12.44%、5.22%、0.87%、0.11%；水土流失以輕度侵蝕為主，強烈及以上侵蝕面積僅占總流失面積的6.20%。

從空間分布來看，苕溪流域水土流失主要分布在安吉縣中北部和長興縣東南部。從不同土地利用類型水土流失面積來看，苕溪流域水土流失主要發生在茶園、人為擾動用地、其他林地及旱地，面積分別為89.29、54.83、38.93、32.91 km2，分別占水土流失面積的29.33%、18.01%、12.79%、10.81%。

2020年苕溪流域極強烈及以上水土流失面積統計見表2。由表2可知，苕溪流域極強烈及以上水土流失面積為2.99 km2，主要分布在建設用地、園地和耕地，其中：建設用地極強烈侵蝕均分布在人為擾動用地地類上，集中在湖州市吳興區和杭州市臨安區；園地極強烈及以上侵蝕均分布在茶園地類上，集中在湖州市德清縣；耕地極強烈侵蝕主要分布在15°～25°坡耕地上，劇烈侵蝕主要分布在25°以上陡坡耕地上。

表2 2020年苕溪流域極強烈及以上水土流失面積 km2

2020年苕溪流域人為擾動用地地塊數量為6 358個，面積為154.54 km2，占土地總面積的2.68%。人為擾動用地中有水土流失面積54.83 km2，占其面積的35.48%，主要分布在湖州市長興縣、安吉縣和杭州市臨安區，其中輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕面積分別為26.23、15.59、11.99、1.02 km2。與2019年相比，2020年流域新增人為擾動用地地塊數量2 014個、面積25.58 km2，有水土流失面積11.08 km2，占新增人為擾動用地面積的43.32%，其中輕度、中度、強烈、極強烈侵蝕面積分別為5.43、2.30、3.27、0.08 km2。

為了進一步分析苕溪流域土壤侵蝕空間轉移情況，將2019、2020年苕溪流域土壤侵蝕圖進行疊加計算，得到2019—2020年苕溪流域土壤侵蝕轉移矩陣，見表3。

表3 2019—2020年苕溪流域土壤侵蝕轉移矩陣 km2

由表3可知，相比于2019年，2020年苕溪流域水土流失面積減少14.88 km2，減幅4.66%。按侵蝕強度分，輕度、極強烈侵蝕面積分別減少了15.15、3.88 km2，而中度、強烈、劇烈侵蝕面積則略有增加。此外，土壤侵蝕強度未發生變化的區域面積為5 512.73 km2，由低強度向高強度轉移的面積為116.26 km2，由高強度向低強度轉移的面積為126.73 km2。總體來說，苕溪流域2019—2020年整體呈現由高強度侵蝕向低強度侵蝕轉移的趨勢。

4 結 論

根據苕溪流域水土流失動態監測結果，苕溪流域土地利用以林地、建設用地和耕地為主，分別占土地總面積的60.88%、11.23%、10.95%，耕地主要分布在≤2°坡度級，植被覆蓋狀況良好，超九成的園、林、草地植被覆蓋度大于60%。2020年流域水土流失總面積304.45 km2，侵蝕強度以輕度侵蝕為主，水土流失主要分布在茶園、人為擾動用地、其他林地及旱地上，其中極強烈及以上侵蝕主要分布在人為擾動用地、茶園和坡耕地等；整體來看，土壤侵蝕強度改善的區域面積大于加劇的區域面積，水土流失狀況有所好轉。