基于多源信息的土壤侵蝕敏感性及其生態(tài)環(huán)境效應研究——以朱溪河小流域為例.pdf

1、土壤侵蝕是危及人類生存與發(fā)展的主要環(huán)境問題之一，長期以來，土壤侵蝕及其引起的生態(tài)環(huán)境問題備受重視。基于“3S”技術，以小流域為單元進行土壤侵蝕敏感性及環(huán)境效應的研究，可以定量識別土壤侵蝕的敏感區(qū)域，進而探索土壤侵蝕空間分布規(guī)律和評價流域治理效益，對水土保持規(guī)劃與監(jiān)測具有重要意義。 朱溪河小流域作為全國30條典型監(jiān)測小流域之一，土壤侵蝕呈現出復雜化、多樣化特征。本研究以朱溪河小流域為例，綜合運用ArcGIS、ERDAS IMAGI

2、NE、ENVI等軟件，“3S”技術集成，輔以景觀格局分析、地統(tǒng)計分析方法，傳統(tǒng)方法與新技術相結合、理論分析與野外實測相結合、定量評價與定性描述相結合，以深化流域侵蝕敏感性分異研究。 本研究的主要成果包括：基于地形數據、SPOT5遙感數據、ASTER遙感數據及相關實測資料等多源信息，提取地形、土壤、土地利用、崩崗等空間數據，反演植被蓋度、地表溫度等數據，構建大比例尺、高精度小流域多源空間數據集；在此基礎上，借鑒通用土壤侵蝕方程原理

3、，構建土壤侵蝕敏感性評價指標體系，探究流域侵蝕敏感性空間分布格局及其成因機制，實現對朱溪河小流域侵蝕敏感性的定量評價；針對不同侵蝕敏感性分區(qū)，對小流域熱環(huán)境、土壤環(huán)境、植物群落等展開生態(tài)環(huán)境效應研究，并探究相應的小流域水土保持型生境優(yōu)化策略的實踐與應用。通過多學科交叉、多源數據集成、多技術組合應用，旨在促進流域安全建設與區(qū)域入地和諧，實現治理與開發(fā)雙贏，尋求一條社會、經濟、生態(tài)效益相結合相促進的小流域可持續(xù)發(fā)展道路。 土壤侵蝕是

4、嚴重影響環(huán)境的全球性問題之一，由于土壤侵蝕引起的環(huán)境退化已嚴重威脅人類的生存與發(fā)展。一百多年來，福建省長汀縣河田鎮(zhèn)一直是聞名全國的南方丘陵紅壤強度侵蝕區(qū)，也是亞熱帶花崗巖丘陵區(qū)水蝕荒漠化的一個典型代表，是福建省重點土壤侵蝕治理的試點。由于種種原因，長期嚴重的土壤侵蝕造成了當地整個生態(tài)環(huán)境的持續(xù)惡化，也制約當地的經濟發(fā)展。近20年來，歷經幾次大規(guī)模治理，尤其自2000年起，福建省委、省政府將“以長汀為重點的水土流失綜合治理”列入為民辦實事

5、項目之一，給予重點資金扶持，新一輪的大規(guī)模土壤侵蝕治理使河田鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境狀況得到較大程度的改善。 朱溪河小流域是我國亞熱帶花崗巖紅壤侵蝕區(qū)的典型代表。1940年，設立“土壤保肥試驗區(qū)”；1995年，被列為全國水土保持生態(tài)環(huán)境建設“十百千”示范小流域；2000年，被列入省委省政府為民辦實事項目首批重點治理的三個小流域之一；2007年，被列入全國30條典型小流域進行土壤侵蝕監(jiān)測。 本研究在借鑒相關研究成果的基礎上，以朱溪河小流

6、域為典型案例，多學科交叉，多數據集成，多種技術方法綜合運用，定性與定量研究相結合，對多尺度多源數據進行整合，構建小流域空間數據集，在此基礎上，系統(tǒng)地分析流域土壤侵蝕敏感性空間格局、作用機制、環(huán)境效應以及相關的小流域水土保持型生境優(yōu)化模式，以期為流域水土保持工作的進一步開展提供決策依據。 本研究各章節(jié)主要內容如下： 緒論部分，主要概述了研究背景與研究意義，總結了國內外土壤侵蝕、土壤侵蝕敏感性、土壤侵蝕生態(tài)環(huán)境效應等相關研究

7、進展，并從中歸結目前所存在的問題和發(fā)展趨勢，同時還闡述了研究內容、研究方法和技術路線。 第1章為研究區(qū)概況。(1)介紹研究區(qū)自然環(huán)境和社會經濟概況：(2)介紹研究區(qū)的侵蝕成因、狀況，以及多年來的治理歷程與成效。 第2章為小流域多源數據集成。(1)利用1:1萬地形圖提取DEM數據，并生成坡度、坡向等數據；(2)基于SPOT5影像，制定土地利用分類體系，建立地類目視解譯標志信息，進行遙感識別，生成土地利用現狀數據庫；(3)利

8、用崩崗調查數據，繪制崩崗分布數據；(4)借助MATLAB實現不同土壤質地的插值轉換，根據EPIC模型求算土壤可蝕性數據；并參照福建省第二次土壤普查數據、長汀土壤類型圖等資料，繪制朱溪河小流域土壤類型圖；(5)在ENVI4.2環(huán)境下，利用SPOT5影像，基于線性混合像元模型，經最小噪聲變換、像元純凈指數計算、N維可視化分析、端元提取、線性光譜分離技術等實現朱溪河小流域植被景觀格局的定量遙感反演；(6)借助ENVI4.2和ArcGIS9.0

9、軟件，應用熱紅外遙感理論與技術，基于ASTER影像反演朱溪河小流域地表溫度空間分布格局；(7)參照土壤分級指標，利用分類決策樹模型，采用三要素法(坡度、土地利用類型、植被蓋度)提取朱溪河小流域土壤侵蝕數據?；谒占幕A圖件、統(tǒng)計資料、遙感影像等信息，綜合運用GIS、RS、GPS技術，采集并驗證小流域地形、土地利用、崩崗、土壤、植被蓋度、地表溫度、土壤侵蝕等數據，最終集成朱溪河小流域多源空間數據平臺。 第3章為小流域土壤侵蝕敏

10、感性評價。(1)在USLE基礎上，遵循主導因素、科學性、可行性、定量定性相結合原則，參考相關研究，確定土壤侵蝕敏感性的評價因子為降雨侵蝕力、地形坡度、土壤類型、植被蓋度和土地利用，制定朱溪河小流域土壤侵蝕影響因子對侵蝕敏感性評價的等級和標準；(2)在小流域多源空間數據集的基礎上，憑借GIS軟件強大的空間分析功能，參照分級標準，歸類合并，按敏感性級別從低到高賦值1、3、5、7、9，分別繪制降雨侵蝕因子、地形坡度因子、土壤類型因子、植被蓋度

11、因子和土地利用因子對土壤侵蝕的敏感性分布圖；(3)在單因子評價基礎上，通過專家評價法確定各因子的權重系數，利用ArcGIS9.0軟件統(tǒng)一投影坐標系和柵格大小，對5個單因子評價結果進行加權運算、分級制圖，最終得到朱溪河小流域土壤侵蝕敏感性綜合評價圖；(4)土壤侵蝕敏感性評價結果分析：①所占面積比例為：敏感>輕度敏感>高度敏感>不敏感>極敏感；②土壤侵蝕敏感性景觀格局呈現出一定的破碎化現象，輕度敏感、敏感、高度敏感受人類的干擾程度較大，極敏

12、感高度分散分布，零星散落在遠離居民點的地表裸落處、山脊山頂或崩崗發(fā)育處，流域整體景觀結構組成復雜化，具有較高的異質性，呈現景觀不均勻分布的態(tài)勢和生態(tài)系統(tǒng)相對不穩(wěn)定的特征；③流域侵蝕敏感性方向分布橢圓呈北東東-南西西走向，侵蝕敏感性大致自西向東增大，南北向則表現出“U”形的變化趨勢；④各評價因子對土壤侵蝕的作用程度存在較大差異，尤以地形坡度因子最為明顯：⑤與土壤侵蝕現狀圖相比較，反映出朱溪河小流域侵蝕敏感性分級結果與流域多年土壤侵蝕狀況相

13、一致，而局部區(qū)域存有差異，則主要是由于人為活動的干擾作用。 第4章為小流域土壤侵蝕生態(tài)環(huán)境效應與優(yōu)化策略。(1)熱環(huán)境效應：隨侵蝕敏感性的增加，小流域地表溫度的變化呈現出遞增的態(tài)勢；(2)土壤環(huán)境效應：隨敏感性的增大，土壤的抗侵蝕能力減弱，容易板結，保肥供肥能力降低，土壤養(yǎng)分含量減少，大部分高侵蝕敏感區(qū)域處于嚴重缺氮、磷、鉀狀態(tài)，同時細菌、真菌及放線菌等土壤微生物數量呈遞減趨勢。(3)植物群落效應：隨敏感性級別的升高，喬灌草層的