基于遙感的陜西省水土流失狀況調(diào)查研究

楊 愷

（陜西省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安 710004）

0 引言

陜西省地處我國西北地區(qū)，位于黃土高原腹地，總土地面積20.56萬km2，地貌類型復(fù)雜多樣，土壤侵蝕類型及形式復(fù)雜多樣，水土流失問題十分嚴(yán)重。以該區(qū)域作為研究對(duì)象來探討土壤侵蝕強(qiáng)度的時(shí)空變化特征,具有較強(qiáng)的代表性。

目前，在水土流失量監(jiān)測方面，土壤侵蝕模數(shù)的確定方法包括：模型法[1-2]、統(tǒng)計(jì)法、同位素法[3]、遙感法等[4]。模型法包括通用土壤流失方程 （USLE）、WEPP（water erosion prediction project）模型等這些方法需要比較完整的各類觀測資料并且在模型率定時(shí)模型參數(shù)的確定比較困難；統(tǒng)計(jì)學(xué)方法需要比較完整的統(tǒng)計(jì)資料，同時(shí)，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法只能用于表述一般性規(guī)律，而對(duì)于突變時(shí)刻的土壤侵蝕監(jiān)測仍存在很大不足；同位素法是根據(jù)同位元素追蹤的方法來測定水土區(qū)域流失量，該方法精度雖高，但大空間尺度的監(jiān)測難以實(shí)現(xiàn)；基于遙感的主要有兩個(gè)途徑一是根據(jù)遙感反演到的土壤屬性，再根據(jù)不用土壤特征對(duì)應(yīng)的侵蝕強(qiáng)度，加以判別，二是通過遙感反演植被覆被狀況進(jìn)行土壤侵蝕判別。從實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐角度出發(fā)，模型方法雖然精度高，適合較大區(qū)域，但需要的參數(shù)多，過程復(fù)雜限制了其行業(yè)應(yīng)用；統(tǒng)計(jì)方法偏重于歷史數(shù)據(jù)的收集，現(xiàn)實(shí)性比較差，而且存在尺度不匹配問題；同位素或站點(diǎn)監(jiān)測法，其精度最高，但耗時(shí)費(fèi)力，且在區(qū)域尺度上無法保證足夠的點(diǎn)位進(jìn)行插值；而通過遙感可以獲取多源多時(shí)相多尺度的地表信息，尤其是在區(qū)域尺度，其直接應(yīng)用與生產(chǎn)是其他方法無法比擬的。其中根據(jù)土壤特征判別，由于土壤本身的物理屬性，其整個(gè)循環(huán)周期長，在年跡間變化不大，而植被特征一方面本身具有保水保土功能，可以很好表征侵蝕程度，同時(shí)其季節(jié)、年跡變化易于監(jiān)測，進(jìn)而更易于表征土壤侵蝕的變化。

本文采取基于遙感等手段，通過土地覆被、地形地貌等信息獲取全省水土流失狀況監(jiān)測結(jié)果，編制陜西土壤侵蝕模數(shù)圖，并分析其時(shí)空分布特征，為陜西省生態(tài)成效評(píng)價(jià)及全省水土保持生態(tài)環(huán)境治理提供決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)源與方法

1.1 數(shù)據(jù)源選取

（1）地形坡度數(shù)據(jù)

地形數(shù)據(jù)使用ASTER GDEM（先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型），該數(shù)據(jù)由美國航天局（NASA）與日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省（METI）聯(lián)合測量，其垂直精度20 m，水平精度30m[5]。本次研究采用于2015年1月6日正式發(fā)布的空間分辨率為30 m的ASTER高程數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用以生成陜西省坡度信息圖層。

（2）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源

本研究所用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以美國陸地衛(wèi)星TM/ETM數(shù)據(jù)、美國國家航空航天局NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù)為主，輔之以中國資源一號(hào)衛(wèi)星（CBERS-1）的CCD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)影像。

1.2 技術(shù)方法

（1）技術(shù)路線

本研究旨在指導(dǎo)陜西省水土保持公報(bào)水土流失狀況監(jiān)測應(yīng)用，為能快速獲取全省范圍內(nèi)大空間尺度水土流失程度及其趨勢分布，水土流失強(qiáng)度等級(jí)的劃分和判讀確定遵照水利部水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007），將水土流失分為6個(gè)等級(jí)。其技術(shù)流程見圖1。

圖1 陜西省水土流失強(qiáng)度遙感監(jiān)測技術(shù)流程圖

（2）地形坡度提取

本次計(jì)算采用30m分辨率DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS軟件對(duì)地面坡度等級(jí)信息進(jìn)行提取，獲得連續(xù)性的地面坡度圖，根據(jù)需要進(jìn)行坡度等級(jí)劃分。根據(jù)水土保持國標(biāo)要求，結(jié)合我省實(shí)際情況，將坡度分為小于 5°、介于 5～8°、介于 8～15°、介于15～25°、25～35°、大于 35°6 個(gè)等級(jí)。

（3）土地利用類型信息提取

本研究全省土地利用數(shù)據(jù)以美國陸地衛(wèi)星TM/ETM數(shù)據(jù)為信息源，輔之以中國資源一號(hào)衛(wèi)星（CBERS-1）的CCD數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)影像，通過監(jiān)督分類結(jié)合人工判讀，提取全省土地利用信息，并以全國1 km土地利用數(shù)據(jù)為參考進(jìn)行土地利用類型確認(rèn)。本研究土地利用分類包含耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)及工礦和居民用地、未利用土地等6個(gè)類別。

（4）植被蓋度信息提取

本研究來源于美國國家航空航天局NASA的EOS/MODIS數(shù)據(jù)，選擇2010~2014年MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品MOD13Q1，時(shí)間分辨率為16 d，空間分辨率為250 m×250m。利用NDVI植被歸一化指數(shù)方法，分析確定陜西省植被覆蓋信息。

（5）水土流失強(qiáng)度確定

本研究水土流失強(qiáng)度判定標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)水利部水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007），在水蝕區(qū)根據(jù)植被覆蓋度、地形坡度和土地利用三個(gè)水土流失因子（以下簡稱“三因子”）確定，判定標(biāo)準(zhǔn)見表1，在風(fēng)蝕區(qū)依據(jù)山地（丘）形態(tài)和植被蓋度進(jìn)行判定，判定標(biāo)準(zhǔn)見表2。水域、居民點(diǎn)及工礦用地和微度侵蝕不參與行政單元侵蝕面積計(jì)算。

表1 面蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 風(fēng)力侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3 結(jié)果驗(yàn)證方法

本研究成果驗(yàn)證主要分為兩個(gè)方面。一是專題信息提取結(jié)果驗(yàn)證；二是水土流失強(qiáng)度判定成果驗(yàn)證。專題信息信息提取結(jié)果驗(yàn)證主要是通過外業(yè)現(xiàn)場樣方核查進(jìn)行核實(shí)，確定土地利用類型和植被蓋度準(zhǔn)確性。水土流失強(qiáng)度判定成果驗(yàn)證方法是利用《2010陜西省年水土保持公報(bào)》水土流失及土壤侵蝕數(shù)據(jù)對(duì)本研究結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，其中《2010陜西省年水土保持公報(bào)》是采用基于河道輸沙量推算流域土壤侵蝕模數(shù)的方法，通過收集全省19條河流62個(gè)水文站點(diǎn)共計(jì)30年河流泥沙觀測資料、864組水庫攔淤泥沙資料以及10425組淤地壩普查資料，計(jì)算出1980~2009年陜西省土壤侵蝕模數(shù)。

2 結(jié)果與討論

本研究對(duì)土地利用和植被覆蓋度信息在外頁選取了2327個(gè)驗(yàn)證單元進(jìn)行驗(yàn)證，正確率達(dá)99%，專題信息處理結(jié)果可信。

對(duì)比陜西省《2010陜西省年水土保持公報(bào)》[6]，兩期土壤侵蝕成果從全省空間尺度上來看，各等級(jí)之間空間分布及趨勢一致。根據(jù)對(duì)比分析，“十二五”期間全省水土流失面積減少2804.07 km2，其中劇烈、極強(qiáng)烈侵蝕面積分別減少了4744、1903 km2，各市統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 陜西省各侵蝕等級(jí)水土流失面積對(duì)比表 單位：km2

圖2 2010年陜西水土保持公報(bào)土壤侵蝕強(qiáng)度圖

此外，研究成果在中小流域空間尺度上與《2010陜西省年水土保持公報(bào)》（圖2和圖3），土壤侵蝕結(jié)果出入較大，筆者認(rèn)為一方面是因?yàn)閮纱谓Y(jié)果的空間尺度不同（2010年公報(bào)是以流域?yàn)閱卧M(jìn)行水沙、淤積推算的，而本因本次研究成果最小圖版精細(xì)到1 km2），難以進(jìn)行空間匹配對(duì)比；另一方面是因?yàn)橥ㄟ^土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007）獲取水土流失強(qiáng)度的方法僅適用于大空間尺度、一般規(guī)律性區(qū)域水土流失強(qiáng)度的確定，針對(duì)不同小空間尺度區(qū)域，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整“三因子”權(quán)重，以期獲取中小流域準(zhǔn)確水土流失強(qiáng)度[7]信息。

圖3 2015年陜西省土壤侵蝕強(qiáng)度圖

3 結(jié)論

本次通過遙感普查全省水土流失狀況顯示，從流域界限來看，渭河流域、漢江流域以及丹江流域大部分為微度侵蝕；延河流域以北是強(qiáng)烈或劇烈的侵蝕類型，以南則是微度或輕度的侵蝕類型。從行政單元來看，劇烈以及極強(qiáng)烈侵蝕的地區(qū)主要集中在陜北地區(qū)，其中以神木、府谷以及榆林延安兩市交接區(qū)域?yàn)橹?；相比較而言，關(guān)中以及陜南的土壤侵蝕情況比較輕微，其中關(guān)中地區(qū)的侵蝕情況最輕。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因主要是：陜北地區(qū)從地形屬于黃土高原區(qū)，土壤的組分為黃土，比較疏松，并且陜北地區(qū)從在風(fēng)蝕以及水蝕兩種侵蝕作用。此外，陜北地區(qū)的植被結(jié)構(gòu)單一，而關(guān)中平原以及陜南秦巴山地的植被覆蓋良好。而靠近內(nèi)蒙古毛烏素沙漠處，土壤侵蝕情況較周圍區(qū)域出現(xiàn)了反常，表現(xiàn)為微度或輕度的侵蝕，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因主要是對(duì)于日益嚴(yán)重地沙塵暴問題，國家對(duì)毛烏素沙漠采取了一系列強(qiáng)有力的治理。此外，關(guān)中地區(qū)的長武和彬縣與周圍相比較亦出現(xiàn)了反常，此處的侵蝕類型為中度以及強(qiáng)烈侵蝕，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于長武縣位于陜西省西北黃土高原丘陵溝壑區(qū)，是渭北與隴東高原結(jié)合部的過渡地帶，并且植被覆蓋率比較低，彬縣位于陜西省西北隴東黃土高原塬梁丘陵溝壑區(qū)，僅南部山區(qū)存有少量的天然次生灌木林，絕大部分為人工植被，控制水土流失的能力較差。

綜上，通過遙感普查獲取水土流失狀況，較其他方法具備時(shí)效性強(qiáng)、技術(shù)成本低、結(jié)果數(shù)據(jù)綜合可比等特點(diǎn)，可對(duì)同一區(qū)域?qū)嵤﹦?dòng)態(tài)監(jiān)測，為進(jìn)一步研究區(qū)域水土流失演變趨勢，針對(duì)性的修復(fù)治理提供數(shù)據(jù)支撐。

[1]Wischmeier,W.H,D.D.Smith.Predicting Rainfall Erosion Losses.Agriculture Handbook 537[J].1978.

[2]Laflen,J.M.,L.J.Lane,and G.R.Foster.WEPP—anext generation of erosion prediction technology.Journal of SoilWater Conservation，1991.46(1):34 38.

[3]Turnage K M,Lee SY,Foss JE,et al.Comparison of soil erosion and deposition rates using radiocesium,RUSLE,and buried soils in dolines in East Tennessee[J].EnvironmentalGeology,1997,29:1-10.

[4]鄭粉莉.王占禮.楊勤科.我國土壤侵蝕科學(xué)研究回顧和展望[J].自然雜志,2008.30(1):12-16

[5]TTachikawa，MKaku,etal.ASTERGlobalDigitalElevation Model Version 2Summary ofvalidation results,Kim Fakultas Sastra Dan Budaya[J].2011

[6]《2006年-2010年陜西省水土保持公報(bào)》,2011.

[7]朱顯謨.有關(guān)黃河中游土壤侵蝕區(qū)劃問題[J].土壤通報(bào),1958;2(1):1-6.