窟野河流域土壤侵蚀时空变化分析

陈云生 刘真真

（河南大学环境与规划学院，河南 开封 475004）

土壤侵蚀是发生在特定时空条件下的土体迁移过程，是世界范围内最重要的土地退化问题［1］。当前，土壤侵蚀已成为全球性的公害，严重威胁着人类的生存与发展。我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一［2］。的土壤流失带走了土壤中各种养分，不利于农作物及植被的生长，甚至导致本地区土壤的荒漠化。防治土壤侵蚀、改善生态环境、实现人与自然协调和资源—环境—社会经济可持续发展，已成为全世界普遍关注的重大环境问题和人类生存发展的重要问题［3］。随着地球信息科学的进步与发展，“3S”技术成为土壤侵蚀研究的有效工具［4］。

随着国内外学者对土壤侵蚀评估方法的研究，土壤侵蚀机理也不断得到了新的认识［5］。从经验统计模型［6-9］到物理过程模型［10-12］，再到分布式模型［13-17］，丰富了土壤侵蚀领域的研究。土壤侵蚀强度的分级标准包括直接定量计算土壤侵蚀量的指标和间接反映土壤侵蚀的指标。定量研究可以求出具体的土壤侵蚀量，但对结果精度验证比较困难，特别是在研究大区域甚至是全国尺度时，验证的困难更大。间接的指标综合法采用坡度、植被覆盖度等指标，结合GIS可以快速提取土壤信息对土壤侵蚀风险进行评估；同时，在大尺度范围上对土壤侵蚀进行评估时，可以将间接的指标综合法作为判别依据，定量指标作为参考数据对结果进行验证。水利部部颁标准“土壤侵蚀分类分级标准SL190-96”是我国水土保持部门最常用的一种评价土壤侵蚀风险的方法。1999年-2001年，在此基础上，采用TM影像进行第二次全国土壤侵蚀遥感调查，印证了该方法的可实用性［18］。

随着遥感技术的迅速发展，遥感影像大面积重复观测，影像更新时间短等优点，被广泛应用在土壤侵蚀研究中。本文利用2011年两景TM-30m多光谱影像数据，根据水利部部颁标准，采用指标综合法研究窟野河流域土壤侵蚀风险现状，求出随不同坡度、高度带中土壤侵蚀分布情况，为管理部门治理提供参考依据。

1 研究区概况和数据

1.1 研究区概况

1.2 数据

窟野河黄河中游的一条主要支流，发源于内蒙古自治区东定沟，流经内蒙古、陕西2省区5县（旗、市），于陕西省神木县沙峁头村注入黄河。流域面积8 706km2，海拔800～1300m，地势呈西北高、东南低。神木县以上多为风沙土，风沙下部多为砒砂岩，神木以下主要被黄土覆盖，地表植被稀少。流域属干旱半干旱大陆性气候，受大陆季风影响较大，夏季降水集中，流域多年平均降水量415mm，降水时空分布极不均匀，6～9月降水量占年降水量的75%～81%，最大月降水量出现在7、8两月，降水量占年降水量的50%～60%。空间上，流域内降水量东多西少、南多北少。

窟野河水系结构简单，两岸支流短小，主要由乌兰木伦河、悖牛川河等汇集而成。窟野河流域50年平均径流量5 995亿m3，地下径流约占28%，径流主要来源于降水补给。流域多年平均输沙量0.9587亿吨，是水土流失异常严重的地区之一［19］。

影像选择2011年7月22日两景Landsat TM多光谱数据，空间分辨率为30m。地形数据选用美国航天局（NASA）推出的最新的ASTER GDEM（先进星载热发射和反射辐射仪全球数字高程模型），空间分辨率为30m。

其他辅助数据有研究区边界和解译标志等。外业调查内容包括土地利用类型、地质地貌、地形、土壤类型等信息，建立地面信息与影像光谱信息之间的关联，为影像解译提供参考依据。

2 方法

2.1 土壤侵蚀评价

土壤侵蚀是在降水和径流等外营力作用下的水土流失，主要依赖于降水、植被覆盖、地形等［20］。在植被覆盖度低的山区，连续性的降水或短时间的暴雨很容易形成坡面汇流导致水土流失，良好的植被覆盖能减缓水对土壤的冲刷，减少水土流失量。土壤侵蚀风险可定义为区域环境变化在这些因子上的响应，侵蚀风险高的区域容易发生土壤侵蚀［21］，本文采用水利部部颁标准“土壤侵蚀分类分级标准SL190-96”如表1。

表1 水力侵蚀强度分级参考指标

植被覆盖度是指植被（包括叶、茎、枝）在地面的垂直投影面积占研究区总面积的百分比。像元二分模型是一种简单实用的遥感估算模型，本文选用像元二分法模型计算植被覆盖度。NDVI代表归一化的植被指数，比值处理可以检测植被的生长状态和消除部分辐射误差。NDVI也可以反映地表植被，用NDVI计算植被覆盖度。计算之前需要去除NDVI的异常值，利用各种土地利用类型的掩膜文件，在一定置信度范围内求出各种土地利用类型的纯土壤和纯植被的NDVI值，然后将NDVI值带入公式计算植被覆盖度。利用野外采样点实测值对结果进行检验，校正，得出能反映真实植被覆盖的信息。

利用类型是自然界和人类活动相互作用的结果，不同的土地利用类型也对土壤侵蚀产生影响。本文利用外业采集的数据建立解译标志，采用监督分类对影像进行分类，结合人工目视解译，提取研究区的土地利用信息。坡度也是影响土壤侵蚀的重要因子，本文利用ASTER GDEM数据提取研究区的坡度数据。

2.2 空间格局分析

将研究区的侵蚀风险结果与地形数据相叠加，从中揭示土壤侵蚀在空间上的分布及变化情况，进而更深入地发现其分布变化规律。文章从坡度和高度两个方面来展开分析。①在坡度方面，严格按照部颁标准坡度分为6个带，然后与侵蚀风险结果进行叠加，从中发现不同坡度带中侵蚀状况；②在高程方面，在850m与1 450m之间以150m为间距，将高程分为6个带，然后与侵蚀风险结果进行叠加，从中发现不同高程带中侵蚀状况。

3 结果

3.1 土壤侵蚀风险

根据影像解译出的数据做出植被覆盖度图和土地利用图，如a、b所示，以及由DEM数据制作的研究区坡度图，如c所示，按照部颁标准对数据进行处理，然后对三个因子数据进行叠置分析，求出研究区的土壤侵蚀风险图，如d所示。

根据研究区土壤侵蚀各等级面积如表2所示：2011年窟野河流域土壤侵蚀风险整体不高，侵蚀面积为5 849km2，占流域总面积的66.47%；轻度侵蚀和中度侵蚀面积分别为2 713.29km2和2 846km2，两者占流域面积的63.18%。极强度侵蚀和剧烈侵蚀的面积占流域面积比例很小，分别为0.41%和0.03%。

表2 研究区各侵蚀等级面积

3.2 空间格局分析

通过将土壤侵蚀强度结果与地形数据进行叠加分析，求出不同坡度、高度带所对应的面积。根据面积多少判断土壤侵蚀在空间上的变化情况。根据部颁标准将研究区的坡度分为6个带，然后与土壤侵蚀风险结果相叠加得出不同坡度对应的土壤侵蚀面积。以850m、1 000m、1 150m、1 300m、14 50m为界限将高程分为6个带，然后与土壤侵蚀风险结果相叠加得出不同高度带对应的土壤侵蚀面积。

表3 窟野河流域2011年各坡度带内侵蚀风险分布情况（km2）

如表3所示，坡度小于5°的侵蚀面积最小，为0 km2；坡度在 8°～15°的地区，侵蚀面积最大，为 2 550.65km2；占侵蚀面积的43.61%，坡度在5°～25°的地区面积总共为5 594.59km2，占侵蚀面积的95.65%。有59.38%的轻度侵蚀发生在5°～8°的地区；55.82%的中度侵蚀发生在8°～15°的地区；69.17%的强度侵蚀发生在15°～25°的地区；65.16%的极强度侵蚀发生在25°～35°的地区；100%的剧烈侵蚀发生在大于35°的地区，但面积较少，面积只有3.01km2。

如表4所示，高程小于850m的地区侵蚀面积最小，为45.17km2，占流域总侵蚀面积的0.77%；高程在1 150m～1 300m之间的地区侵蚀面积最大为2 325.59km2，占流域总侵蚀面积的39.73%；小于1 300m的地区，侵蚀面积随高程的增加而增大，高程在1 150m～1 450m的地区，侵蚀风险较高，侵蚀面积为4 077.03km2，占流域总侵蚀面积的69.7%。

表4 窟野河流域2011年各高程带内侵蚀风险分布情况（km2）

4 结论

本文采用水利部部颁利用窟野河流域的坡度，植被覆盖和土地利用类型三个指标，结合RS和GIS技术，对窟野河流域侵蚀风险进行评估，比实测方法省时省力。利用野外实测样本对得出的侵蚀风险结果进行验证，对比分析得出研究区的解译精度为91.42%。由于样本采集时间与所用的影像数据之间有时间差，导致有些样本点的侵蚀强度不能被正确评估，今后在样本的选择上要尽量选择人类活动少的地方。

通过对坡度带和高程带内侵蚀风险强度进行分析发现：①在高程带内，高程在1 150m～1450m的地区侵蚀较其他地区集中；小于1 300m的地区，随着高程增加，侵蚀状况迅速增大；大于1 300m的地区，侵蚀状况逐渐降低，在这些地区受人类活动影响较小，植被生长好，侵蚀风险较其他地区低。②在8°～15°坡度带内，侵蚀面积比重最大，侵蚀风险也最高；坡度小于15°的地区，随坡度的变缓，发生侵蚀的风险也降低，侵蚀风险没有随坡度呈正相关关系，而是受多种影响因子共同作用的结果。

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（感谢地球系统科学数据共享平台—黄河下游科学数据共享平台的数据支持）