黃河流域水土流失遙感監(jiān)測中土地利用現(xiàn)狀分類體系構(gòu)建

高云飛, 李智廣, 劉曉燕

(1.黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 陜西 西安 710021;2.水利部 水土保持監(jiān)測中心 北京 100053; 3.黃河水利委員會, 河南 鄭州 450003)

中國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，水土流失現(xiàn)在是中國面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。據(jù)調(diào)查[1]顯示，截止到20世紀(jì)末，中國水土流失總面積達(dá)4.85×106km2，占中國國土總面積的51.1%。降雨和下墊面是影響水土流失的主要因素，下墊面因素又包含土地利用、植被、土壤、地形等因子[2-3]。其中土地利用類型是反映下墊面狀況的主要指標(biāo)之一，也是流域水土流失狀況(水土流失量、流失面積和分布等) 評價(jià)的核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不同土地利用類型的水土流失規(guī)律、水土保持效益及分析評價(jià)方法都存在顯著差異[4-5]。中國的水土保持監(jiān)測明確提出按土地利用類型說明土地利用情況[6]。目前黃河流域水土流失遙感監(jiān)測主要是沿用《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2007)，尚未根據(jù)工作的需要建立相應(yīng)的土地利用現(xiàn)狀分類體系。

基于此，本研究基于水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[7]，并根據(jù)水土流失遙感監(jiān)測評價(jià)的實(shí)際需要，構(gòu)建了黃河流域水土流失遙感監(jiān)測的土地利用分類體系，并驗(yàn)證了用該分類體系進(jìn)行水土流失評價(jià)的合理性，旨在為黃河流域水土流失評價(jià)提供依據(jù)。

1 現(xiàn)有分類體系

1984年發(fā)布的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了《土地利用現(xiàn)狀分類及含義》。其土地利用現(xiàn)狀分類采用兩級系統(tǒng)，8個Ⅰ級類，46個Ⅱ級類，并可按實(shí)際情況進(jìn)行Ⅲ,Ⅳ級分類。1989年頒發(fā)的《城鎮(zhèn)地籍調(diào)查規(guī)程》規(guī)定了《城鎮(zhèn)土地分類及含義》，將全國城鎮(zhèn)土地采用兩級分類，城鎮(zhèn)土地分為10個Ⅰ級類，24個Ⅱ級類。2007年發(fā)布了《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)，采用Ⅰ,Ⅱ級兩個層次的分類體系，共分12個Ⅰ級類，56個Ⅱ級類，標(biāo)志著中國土地利用現(xiàn)狀分類第一次擁有了全國統(tǒng)一的國家標(biāo)準(zhǔn)[8]。

2011年，第一次全國水利普查水土保持普查以《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2007)為主，參考1984年制訂的《土地利用現(xiàn)狀調(diào)查技術(shù)規(guī)程》，制定了野外調(diào)查單元土地利用現(xiàn)狀分類表，采用土地利用現(xiàn)狀分類Ⅱ級系統(tǒng)，包括耕地、園地、林地、草地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地和其他土地8個Ⅰ級類型以及17個Ⅱ級類型[9]。

2015年，中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所在編制1∶10萬比例尺土地利用現(xiàn)狀圖時(shí)，采用土地利用現(xiàn)狀分類Ⅱ級系統(tǒng)，包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地6個Ⅰ級類型以及25個Ⅱ級類型[10]。

2015年形成了全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項(xiàng)目參考標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測需求，制定了水土流失重點(diǎn)區(qū)域土地利用統(tǒng)計(jì)表，包括8個Ⅰ級類型以及24個Ⅱ級類型[11]。

2 存在問題

《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)中的“土地利用類型”是根據(jù)土地利用的地域差異劃分的反映土地用途、性質(zhì)及其分布規(guī)律的基本地域單位，而不是反映水土流失特點(diǎn)的土地資源單元。水土流失遙感監(jiān)測與其他行業(yè)部門關(guān)注土地利用類型的側(cè)重點(diǎn)不同，沿用既有分類標(biāo)準(zhǔn)沒有突出梯田、淤地壩、在建開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目等對水土流失影響較大的地類。同時(shí)，單獨(dú)劃分居民點(diǎn)、水域、裸巖等水土流失輕微的地類，大大降低了監(jiān)測效率。對水土流失監(jiān)測沿用既有的土地利用分類體系主要存在以下幾個方面的問題。

(1) 部分地類劃分過粗，其內(nèi)部水土流失差異顯著。從水土流失角度而言，部分地類內(nèi)部實(shí)際上又包含著幾個子地類，各子地類之間水土流失狀況差異很大，現(xiàn)有土地利用分類體系中沒有進(jìn)一步細(xì)分。既有分類體系中將耕地劃分為一個Ⅰ級類，坡耕地、梯田和平原旱地等地類作為耕地的Ⅱ級類。耕地的水土流失主要影響因素是坡度。坡耕地水土流失嚴(yán)重，梯田和平原旱地水土流失輕微，梯田、坡耕地、平原旱地三者水土流失差異顯著劃分為一個地類不能有效地評價(jià)水土流失狀況。

(2) 部分地類劃分過細(xì)，各地類之間評價(jià)指標(biāo)方法一致或水土流失差異很小。從水土流失評價(jià)角度來看，部分地類之間采用的水土流失評價(jià)指標(biāo)方法一致或水土流失狀況差異很小，沒有必要進(jìn)一步細(xì)分。如在《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010-2007)中，Ⅰ級類中的林地、草地及對應(yīng)Ⅱ級類中的6個Ⅱ級類，按照標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級時(shí)，參考的指標(biāo)均為覆蓋度和坡度；Ⅱ級類中的城鎮(zhèn)居民點(diǎn)、農(nóng)村居民點(diǎn)和Ⅰ級類中的交通運(yùn)輸用地、公共管理與公共服務(wù)用地等，水土流失都很輕微。各地類單獨(dú)劃分對評價(jià)水土流失狀況意義不大，沿用既有分類體系開展水土流失監(jiān)測工作，大大降低了監(jiān)測效率。

(3) 部分特定的水土流失監(jiān)測對象沒有體現(xiàn)。部分黃河流域特定的水土流失監(jiān)測對象，如黃土高原的淤地壩，是黃河流域主要的水土保持措施之一，人民治黃70 a(1946—2015年)以來，累計(jì)攔減泥沙9.54×109t[12]，防治水土流失效果十分顯著，但沒有體現(xiàn)在目前的土地利用分類體系中。

(4) 沒有必要進(jìn)行多個層次的劃分。土地利用現(xiàn)狀分類中使用了Ⅰ,Ⅱ級類等多個層次來劃分，在進(jìn)行水土流失評價(jià)的時(shí)候，主要考慮的是坡度、植被覆蓋度等因素，而不考慮每一種地類的具體類別，故在利用既有土地利用分類體系進(jìn)行水土流失監(jiān)測評價(jià)時(shí)，只需將土地利用劃分為一個層次即可。

3 材料與方法

3.1 構(gòu)建原則

遵循以下原則構(gòu)建黃河流域水土流失遙感監(jiān)測的土地利用現(xiàn)狀分類體系：

(1) 科學(xué)性原則。以不同地類水土流失的差異為出發(fā)點(diǎn)，能夠較為客觀和真實(shí)的反映水土流失機(jī)理和來源，能體現(xiàn)人類活動強(qiáng)度等，保證各地類間的獨(dú)立性。

(2) 可行性原則。構(gòu)建的土地利用現(xiàn)狀分類體系，要滿足遙感基礎(chǔ)數(shù)據(jù)易獲取，技術(shù)方法易推廣，經(jīng)費(fèi)、人員等具有可操作性。對于劃分可行性差的地類，在本次分類體系中暫不單列。

(3) 完整性原則。要充分考慮黃河流域土地利用現(xiàn)狀，保證與水土流失相關(guān)的主要土地利用類型全覆蓋。

3.2 構(gòu)建方法

依據(jù)以上原則，基于土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[4]的應(yīng)用需求，根據(jù)土壤侵蝕要素及特點(diǎn)，參考既有土地利用分類體系，構(gòu)建了黃河流域水土流失遙感監(jiān)測土地利用現(xiàn)狀分類體系，包括坡耕地、梯田、林草地、在建工礦用地、淤地壩、沙地和其他用地7個類型(詳見表1)。以下對這7個類型進(jìn)行詳細(xì)說明：

(1) 坡耕地是指分布在5°以上坡面的旱地，平整度差、跑水、跑肥、跑土、作物產(chǎn)量低。坡耕地在黃河流域分布較廣，是黃河流域水土流失的主要來源地之一。截至1999年，黃河流域僅山西段15°以上坡面的耕地有6 170 km2[13]。

(2) 梯田指在山區(qū)沿等高線方向修筑的條狀階臺式田地，是黃河流域主要的水保工程措施之一，水土保持作用顯著，分布廣、數(shù)量多。截至2015年，黃河流域梯田面積為5.50×104km2，約占水土流失面積的12%。梯田的水土保持作用不僅僅局限于梯田自身，當(dāng)流域的梯田比大于35%～40%后，流域減沙可穩(wěn)定在90%左右[14]。

(3) 林草地指以生長喬木、竹類、果樹、灌木和草本植物的用地，包括及地表土質(zhì)覆蓋、基本無灌草覆蓋(覆蓋度<5%)的用地。黃河流域林草地分布面積廣，是水土流失的主要來源地之一。不同林草地水土流失的強(qiáng)弱主要體現(xiàn)在郁閉度/覆蓋度、坡度上的差異，可通過遙感影像、DEM等其他數(shù)據(jù)進(jìn)一步區(qū)分。

(4) 在建開發(fā)用地指正在建設(shè)的交通運(yùn)輸、工礦、住宅、商服等用地。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，這類用地的面積增加很快。在建設(shè)過程中，對原地表和生態(tài)環(huán)境破壞較大，水土流失往往十分嚴(yán)重，是水土保持監(jiān)督監(jiān)測的重點(diǎn)。

(5) 淤地壩指在黃土高原各級溝道中，以攔泥淤地為目的而修建的壩工建筑物，是黃河流域特有的主要水保工程措施之一。淤地壩攔減泥沙的效果十分顯著，受遙感影像判讀限制，本分類中的淤地壩主要指總庫容≥1.0×105m3的中型壩和骨干壩。截至2011年底，此類淤地壩約有16 920萬座[15]。

(6) 沙地指地表為沙覆蓋、基本無植被的用地。這類用地風(fēng)蝕嚴(yán)重，在黃河流域分布較廣，在標(biāo)準(zhǔn)[4]中，針對風(fēng)蝕沙地，有明確的分級規(guī)定，需單獨(dú)列出。

(7) 其他用地指無水土流失或水土流失輕微的土地利用類型。包括原有分類體系中的水田、水澆地和分布在5°以下坡面的旱地，水域和水利設(shè)施用地，已建成的居民點(diǎn)、工礦、交通用地，設(shè)施農(nóng)用地、鹽堿地、沼澤地、裸巖等。該類型無水土流失或水土流失輕微，不需要單獨(dú)劃分。

表1 黃河流域水土流失遙感監(jiān)測土地利用監(jiān)測分類體系

4 結(jié)果與分析

基于2012年資源3號2.1 m分辨率的全色波段與5.8 m多光譜波段融合后的影像，按照全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項(xiàng)目土地利用分類體系，采用人機(jī)交互式判讀的方式，解譯形成了黃河流域準(zhǔn)格爾旗、吳起縣、永靖縣、定西市安定區(qū)和洛寧縣5個水土流失重點(diǎn)縣的土地利用成果。結(jié)合對應(yīng)區(qū)域的植被覆蓋度和坡度數(shù)據(jù)，參考土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)[7]，對土壤侵蝕狀況進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)成果已正式發(fā)布[16]。

采用本文構(gòu)建的土地利用分類體系，對5個縣的土地利用成果重新進(jìn)行分類，形成新的土地利用成果。典型縣既有分類體系[11]和本研究分類體系的不同土地利用類型的圖斑數(shù)對比如表2所示。5縣所采用的本研究的分類體系較原分類成果的圖斑數(shù)明顯大大減少，5縣的總圖斑數(shù)平均減少59.98%。其中，吳起縣總圖斑數(shù)減少最多，達(dá)到73.49%，安定區(qū)總圖斑數(shù)減少最少，也達(dá)到33.40%。

表2 研究區(qū)典型縣的2個分類體系的土地利用類型圖斑數(shù)對比 個

注：既有分類體系中的其他用地為該分類體系下除坡耕地、梯田、林草地、在建開發(fā)用地、淤地壩、沙地以外的所有地類。

基于新的土地利用分類體系，重新評價(jià)土壤侵蝕狀況(植被覆蓋度、坡度數(shù)據(jù)相同)。坡耕地和林草地類型，按表3進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分級。沙地類型結(jié)合對應(yīng)區(qū)域的植被覆蓋度數(shù)據(jù)，按表4進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度分級。在建開發(fā)用地類型結(jié)合野外調(diào)查數(shù)據(jù)確定。梯田、淤地壩和其他用地類型按微度賦值。

表3 研究區(qū)水力侵蝕強(qiáng)度分級參考指標(biāo)

表4 研究區(qū)風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度分級指標(biāo)

基于2個土地利用分類體系，得到的土壤侵蝕面積、各等級土壤侵蝕強(qiáng)度和分布結(jié)果一致，表明本文提出的土地利用分類體系在進(jìn)行流域尺度水土流失評價(jià)時(shí)是可行的。在流域尺度水土流失評價(jià)以人機(jī)交互式判讀為主的現(xiàn)行解譯方式下，應(yīng)用本研究的土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)，將大大提高水土流失遙感監(jiān)測效率。

5 討論與結(jié)論

(1) 本研究以黃河流域不同地類水土流失的差異為出發(fā)點(diǎn)，按照科學(xué)性、可行性和完整性原則，根據(jù)水土流失監(jiān)測評價(jià)的需求和特點(diǎn)，參考國家土地利用現(xiàn)狀分類標(biāo)準(zhǔn)和水利部頒布的土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了黃河流域水土流失遙感監(jiān)測土地利用現(xiàn)狀分類體系，包括坡耕地、梯田、林草地、在建開發(fā)用地、淤地壩、沙地和其他用地7個類型。

(2) 對5個典型縣分別按照既有和本研究所構(gòu)建的土地利用分類體系進(jìn)行了土壤侵蝕評價(jià)，評價(jià)結(jié)果表明，在獲取同等精度水土流失評價(jià)結(jié)果的同時(shí)，大大提高黃河流域水土流失遙感監(jiān)測的效率，對全國及大區(qū)域尺度的水土流失遙感監(jiān)測也具有較高的參考價(jià)值。

(3) 水土流失遙感監(jiān)測的土地利用分類分級體系與獲取土地利用后采用的評價(jià)模型密切相關(guān)，本文建立的土地利用分類體系適用于土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)中的評價(jià)規(guī)定，在應(yīng)用其他模型評價(jià)時(shí)，還需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

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