周伟东,汪小钦,吴佐成,刘亚迪

(福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福建省空间信息工程研究中心,350002,福州)

1988—2013年南方花岗岩红壤侵蚀区长汀县水土流失时空变化

周伟东,汪小钦†,吴佐成,刘亚迪

(福州大学空间数据挖掘与信息共享教育部重点实验室,福建省空间信息工程研究中心,350002,福州)

为动态监测水土流失治理和生态文明建设示范区长汀县近年来的土壤侵蚀的时空变化,利用美国土壤侵蚀流失方程(USLE模型),以1988—2013年9个时期的Landsat系列遥感数据,结合实地考察和地形、土壤、气象水文资料,定量估算福建省长汀县近25年的水土流失变化情况。结果表明:1)长汀县境内水土流失主要以轻度侵蚀为主,水土流失严重区域主要分布在长汀县中部地区以及南部乡镇,以河田镇、濯田镇、三州乡和策武乡等最为严重。2)从1988—2013年遥感动态监测结果来看,水土流失情况总体得到明显的改善;1988—1994年间,水土流失量逐渐增大;1994年水土流失最为严重,1994年后水土流失情况逐年改善,特别是2003年以后,长汀地区植被改善明显,尤其是中部水土流失重灾区,有较显著改善。通过对研究区的动态监测,可掌握长汀县水土流失的变化情况和治理成效,同时为了解长汀县水土流失现状和制订治理方案提供科学根据。

时空变化分析;水土流失;长汀县;USLE;遥感动态监测;花岗岩红壤

花岗岩地区多位于我国南方,主要分布于广东、福建、广西东南部,长江流域的湖南、江西南部、安徽、湖北东部与西南部以及四川局部地区,总面积达23.9万km2[1]。由于花岗岩的岩性特点,加之本区多属亚热带季风性湿润气候,热量丰富,降雨多且集中,因而其上发育着深厚的疏松风化层。该区域又是我国人口最为稠密的地区,受人类对山地的不合理利用的影响,南方花岗岩红壤侵蚀区的生态系统表现出极不稳定性和脆弱性。福建省长汀县是我国南方花岗岩红壤侵蚀区的典型代表,对该地区进行水土保持的研究,具有重要的理论意义和实际推广价值。

20世纪30年代以来,现代的数学模型被引入土壤侵蚀的相关研究,按照土壤侵蚀模型的建模手段和方法可以分为经验统计模型和物理成因模型等[2]。具有代表性的有:USLE[3],RUSLE[4], WEPP[5],EUROSEM[6],ANSWERS[7],CREAMS[8], SWAT[9],GUEST[10],CSLE[11]等。其中通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)被广泛应用。USLE是1959年由美国农业部(USDA)以农业手册的形式颁布执行的,在水土流失预报中引入地形、降雨径流、土壤和植被覆盖度等因子,其中的各个因子的算法和参数可以依据当地的实际情况进行调整,故实用性极强。由于USLE模型的灵活性,国内外研究人员利用USLE模型与3S技术相结合进行水土流失监测,取得一定成果:S.Solano等[12]利用USLE哥斯达黎加流域进行土壤侵蚀估计;S. Schnitzer等[13]利用USLE对中国黄土高原土壤侵蚀进行估计,应用GIS计算数据的参数进行分析;Lu Jianzhong等[14]利用USLE模型对江西省鄱阳湖流域土壤侵蚀变化研究;王娇等[15]利用USLE方程为理论指导,结合遥感影像构建水土流失敏感性评价指标,研究不同地理背景下水土流失空间分布特征。

在水土流失的综合治理过程中,如何及时准确的获取土壤侵蚀强度在面积和空间分布的变化规律,实时掌握当下水土保持工作的治理成效,仍是水土保持工作中亟待解决的重要问题。笔者收集近25年来中等空间分辨率的遥感数据,基于美国土壤侵蚀流失方程(USLE)模型提取福建省长汀县土壤侵蚀信息,形成较长时间序列的水土流失影像因子和水土流失强度数据集,从而快速准确掌握长汀县水土流失的时空变化规律,避免传统监测工作的繁琐,有效地改善传统的调查统计数据严重滞后于水土流失的变化以及生态环境的建设速度的等缺点,为制订水土保持对策和方案提供依据。。

1 研究区概括

福建省长汀县地处福建省西部山区(E116°00＇45″～116°39＇20″,N 25°18＇40″～26°02＇05″),全县总面积3 089.9 km2。气候类型属亚热带季风气候,灾害性天气较多,年平均气温18.3℃,年降水量1 500 mm,汀江横贯其境内的中西部且地处武夷山脉南段,武夷山脉在其境内支脉纵横交错延伸,形成东、西、北三面高,中南部低,地势自北向南倾斜,全县境内地形复杂,山地丘陵地貌且以低山为主,低山、丘陵占全县总面积的71.11%,地势陡峭。该县境内的成土母岩以花岗岩为主,加上中亚热带季风性气候雨量充沛,年内分配不均的特点,风化作用十分强烈,易受侵蚀。植被属中亚热带常绿阔叶林区,原生植被多受土壤侵蚀和人为破坏,几乎全部转变为次生林。现长汀主要群落包括马尾松(Pinusmassoniana Lamb)混交林、马尾松疏林、鸭嘴草(Ischaemum ciliare Retz)丛、鹧鸪草(Eriachne pallescens R.Br.)丛、灌草丛等。该县的地貌特点、成土母岩的岩性、植被特征和气候环境一同决定该坡地资源生态环境的脆弱性,加上近百年来人为破坏使得长汀县成为我国南方红壤区水土流失最为严重的县域之一。

2 材料与方法

2.1遥感数据及预处理

用于时间序列分析的遥感数据为Landsat系列的多光谱遥感数据,空间分辨率30 m,具体数据如下:1988-10-16的Landsat TM、1991-10-09的Landsat TM、1994-11-02的Landsat TM、1998-11-13的Landsat TM、2001-12-31的Landsat TM、2003-10-26的Landsat TM、2007-10-15的Landsat TM、2010-10-29的Landsat TM和2013-10-04的LandsatOLI。数据获取时间都在秋季,以10份月为主,季相造成的植被覆盖差异可以忽略。对用于动态监测的9期Landsat系列影像进行几何校正,误差控制在0.5个像元,并按照行政区域边界裁剪出研究区的范围。

2.2其他相关数据

采用的气象数据中的降雨数据为长汀县境内各降雨站逐日的降雨数据观测值,通过克里金插值计算得长汀县的降雨空间分布;土壤数据为空间分辨率为500m的土壤属性数据;1∶5万长汀县DEM数据,用于坡长、坡度因子估算。

2.3研究方法

采用USLE模型开展土壤长汀县土壤侵蚀模数的估算,具体公式[16-17]如下:

式中:A为年平均土壤流失量,t/(hm2·a);R为降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);K为土壤可蚀性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);L为坡长因子;S为坡度因子;C为植被与经营管理因子;P为水土保持因子。

2.3.1降雨侵蚀力因子R 降雨因子R值反映降雨对土壤的侵蚀能力,一般与降雨量、降雨强度、降雨历时有关,由于降雨过程数据较难获取,本文采用周伏建等[18]适用于福建省的R因子估算方法。

式中:R为降雨侵蚀力因子,J·cm/(m2·h);Pi为月降雨量,mm。

2.3.2土壤可蚀性因子 土壤可蚀性是指土壤在雨滴打击、径流冲刷等外营力作用下被分散、搬运的难易程度[19]。参照长汀县志的描述,长汀县境内的土壤主要类型为红壤、黄壤、紫色土和水稻土,并且其水稻土多起源于红壤[20]。本文采用方纲清等[21]的福建省主要分布的土壤类型的土壤可蚀性因子。

2.3.3坡长坡度因子 坡长坡度因子LS选用刘宝元等[22-23]的研究结果,对陡坡的计算方法进行改进,更加适用于中国的实际情况。计算公式如下:

式中:λ为坡长,m;m为坡长指数;θ为坡度,(°);S为坡度因子。

2.4植被与经营管理因子的计算方法

植被通过冠层截留、削弱降雨动能等影响土壤的抗侵蚀能力,是影响水土流失的主要因素。像元二分模型以混合像元线性分解为基础,假设1个像元的信息So可被分解为土壤Ss和植被Sv2部分,有植被覆盖的面积比例即为该像元的植被覆盖度fc,而土壤覆盖面积的比例就为1-fc。假设像元信息全由植被成分贡献的像元遥感信息为Sv,全裸土的纯像元所得遥感信息为Ss,每个像元中这个2部分的权重为它们在像元中所占比例的面积。进行变换后可得

式中:fc为植被覆盖度,量纲一;So为植被覆盖指数; Ss为全裸土的植被覆盖指数;Sv为全植被覆盖的植被覆盖指数。

植被因子C表示覆盖在地表的作物所能减缓和抑制土壤侵蚀能力的大小,即在有植被覆盖情况下的土壤侵蚀量与相同情况下无植被覆盖的土壤侵蚀量的比值。根据C的定义,直接计算的具有一定困难,因难以获取相同情况下无植被覆盖的土壤侵蚀量。在本文中,利用已有的研究成果[25-28],结合土地利用/覆被的分类结果以及长汀县的实际情况,赋予不同土地利用类型和不同植被覆盖度下的C值。

林草地C值采用蔡崇法等[29]的C值计算方法:

式中:C为植被因子;V为植被覆盖度,%。其他土地利用类型采用赋值的方法[25](表1)。

表1　不同土地利用类型下的C值Tab.1 C value under different land use types

经营管理因子是采用专门措施后的土壤流失量与顺坡种植时的土壤流失量的比值,笔者的数据源采用30m分辨率的遥感影像,对一些水保措施因子的提取存在一定困难;因此笔者主要参照美国农业部703手册号[30]结合遥感影像解译出的土地利用现状图对P进行赋值(表2)。

表2　不同土地利用类型下的P值Tab.2 P value under different land use types

3 结果与分析

3.1主要参数估算结果

3.1.1降雨侵蚀力因子R 利用长汀县境内获取的各降雨站点的降雨数据观测值,采用克里金插值(Kriging)的内插方法,计算得月降雨量栅格图层,再通过式2估测长汀的各年降雨侵蚀力因子R的分布,如图1所示,长汀降雨主要集中在中部地区,且1988—2013年降雨侵蚀力因子变化幅度不大。

3.1.2植被覆盖度 利用式5计算植被覆盖度,并根据值的大小分10个等级1～10,0表示居民地和水体等与植被和土壤完全无关的区域,如图2所示,长汀县植被覆盖度情况总体良好,植被覆盖度较高区域主要分布在县域四周,中部沿汀江两岸的水土流失严重乡镇植被覆盖度较低。1988—1994年,植被覆盖度总体呈现下降趋势;1994年植被覆盖度最差;1994—2003年全县境内大多数区域的植被覆盖度均有明显改善,尤其是中部乡镇改善明显;2003年后西部地区植被覆盖度变化不大,策武、河田、三州、濯田等乡镇增长状况显著。

3.2土壤侵蚀模数估算

根据式(1)和各因子的估算结果,计算得到不同年份土壤侵蚀强度空间分布,再根据水利部颁发的SL190—2007《土壤侵蚀分级标准》[31],得到长汀县1988—2013年土壤侵蚀强度空间分布结果,如图3所示,面积统计见表3。

3.3精度验证

笔者从已有的调查资料[32-35]中选取相关年份的数据进行汇总(表4)。

图1　R因子空间分布图Fig.1 Spatial distribution of R value

表3　1988—2013年土壤侵蚀模数动态变化Tab.3 Dynamic change of soil erosion modulus from 1988 to 2013

图2　1988—2013年长汀县植被覆盖度空间分布Fig.2 Spatial distribution of the vegetation covers in Changting County from 1988 to 2013

表4　现有长汀县土壤侵蚀模数估算结果汇总Tab.4 Summary of estimation results of existing soil erosion modulus degree in Changting County

图3　1988—2013年土壤侵蚀强度空间变化分布图Fig.3 Spatial distribution changes of soil erosion intensity from 1988 to 2013

如表4所示,1988年的估算面积相差43.61 km2,1995年的结果与本文中1994年的估算结果相差较大,为187.16 km2,2003年估算结果和相差19.4 km2。2000、2009和2012年的侵蚀估算结果与实际统计数据均在很小的误差范围之内。

通过2013年8月和11月2次野外调查采集数据对2013年进行验证,针对水土流失程度估算的采样点总计46个,其中包括微度采样点13个,轻度17个,中度8个,强度以上8个。水土程度为微度估算准确个数为13个,轻度估算正确为13个,中度为5个,强度为6个,正确率为80.43%,满足精度要求。

3.4面积变化分析

从表3和图3可以看出,长汀县的水土流失以轻度侵蚀为主,其次为中度和极强烈,侵蚀强度为剧烈的土壤侵蚀面积分布最少。25年间长汀县土壤侵蚀模数变化规律呈现先增加再减少的趋势,在1994年水土流失最为严重,水土流失率高达30.61%,1994年后长汀县不仅水土流失的面积在减小,水土流失的强度也在逐年下降,至2013年水土流失面积最少。1988—2013年长汀县的水土流失面积减少了448.39 km2,占全县国土总面积的14.51%。长汀县的水土流失主要集中在中部乡镇,其水土流失面积占到长汀县面积的1/2以上。1994年以后水土流失面积减少明显,水土流失面积减少了716.38 km2,其中,水土流失重点区域流失面积减少显著,中部地区的三州乡和河田镇最为明显,水土流失面积分别减少了23.54%和26.26%。至2013年,长汀县周边乡镇水土流失率都维持在基本无流失水平。

1988—2013年间长汀县土壤侵蚀时空变化规律结果符合实际情况,说明基于USLE模型对长汀县土壤侵蚀信息提取是可行的,同时说明自1995年长汀被水利部、财政部列入全国水土保持生态建设示范区以来长汀县水土流失治理成效显著。

3.5水土流失变化原因分析

3.5.1水土流失增加的原因分析 1985年长汀中部乡镇河田及周围地区发现稀土矿,引起稀土矿开采的第1次热潮,形成大面积破坏,引起中部乡镇以及周边地区的严重水土流失。1990年初,大面积进行山地开发,部分地区出现在严重水土流失丘陵区开发种果;集体林权制度改革时期,由于前期方案不完善,导致部分森林遭到乱砍滥伐,土壤流失面积增加明显,呈现扩散形态。在1993—1994年间受大面积霜冻的影响,部分地区植被受灾较严重,使1988—1994年水土流失逐年增加,尤其是长汀中部地区强烈以上侵蚀面积增加明显。2000年后开发建设项目面积持续增加以及矿山开采产生新的水土流失,其中水土流失区域以工矿侵蚀居多,空间上剧烈流失呈现点状分散分布。近几年的山地开发不当造成的水土流失,其流失区域主要存在于果园开发,占山地开发流失总面积的95.72%,强烈以上侵蚀主要分布坡度较陡的山区呈点状分布,大面积剧烈土壤流失区域已经基本消失。

3.5.2水土流失减少主要原因 自1988年开始其治理工作大体分为下面几个阶段。第1阶段: 1980—1990地方政府贯彻封山育林政策,为群众烧煤提供补贴,并将河田镇列入省水土保持试点区。至1990年底以恢复植被为主的水土流失治理面积达184 km2,取得较好的生态效益和社会效益。第2阶段:谋求水土保持最佳经济效益,以经济效益调动群众积极性,这一时期经济林面积增长迅速,发展经济林果达16.23 km2,全县水土流失治理面积累计303 km2。第3阶段:为2000年至今,福建省委、省政府“开展以长汀严重水土流失区为重点的水土流失综合治理”为民办实事项目为重点,至此长汀县水土保持工作进入加速期,短短4年间治理面积达26 113.16 hm2[36]。水土流失面积呈现明显下降趋势。2011年在长汀水土流失治理工作“继续支持推进”,至2013年的植被覆盖大幅度增加,水土流失程度得到极大改善。

3.6防治对策

坚持以政府为主导,财政持续投入的水土流失治理格局。近25年来的监测结果充分体现了我国政府对生态环境建设的重视和治理工作中政策引领的主导作用。加强封育保护,推广沼气池,普及天然气,改善居民能源结构,通过切实有效的管理措施保护现有植被不受破坏,促进生态自然恢复。总结长汀县以往的治理经验,对工程措施、植物措施和农业技术措施进行科学配置,提高水土流失综合治理的效率。处理好经济开发和环境保护的关系,科学规划,控制开发规模,加强对开发建设项目的监督管理,落实防护措施。积极开展对长汀县水土保持动态监测,与有关单位加强协作,及时掌握水土流失的变化趋势,实时了解治理成效,从而加快水土流失治理工作,提高水土保持工作的效率。

4 结论与讨论

1)长汀县植被覆盖度情况总体良好,县域的四周植被覆盖度较高,水土流失严重乡镇的中部沿汀江两岸植被覆盖度较低。1988—2013年植被覆盖度呈先减少再增加的趋势,1994年植被覆盖度最差。

2)长汀县境内水土流失程度以轻度为主,其次为中度和强度,极强度占水土流失所占的比例很少, 1994年长汀县水土流失最严重,2013年水土流失面积最少。1988—2013年,长汀县的水土流失总面积减少了448.39 km2,占全县国土总面积的14.51%。

3)水土流失区域主要分布在中部各乡镇,尤其是沿汀江两岸的策武、河田、三州和濯田4个水土流失严重乡镇,西北部山区和南部地区水土流失较少。

4)经过验证,利用USLE模型对长汀县进行土壤侵蚀模数估算的精度较高,结果可信度大,能够较真实地反映该地区土壤侵蚀25年来的时空变化。本文所用的技术手段可在南方花岗岩红壤侵蚀区进行动态监测,实时了解水土流失现状,掌握水土流失治理成效,为治理方向提供科学依据。

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[36] 刘永泉,钟炳林.长汀县“十五”期间水土保持工作的思考[J].福建水土保持,2001,13(2):15. Liu Yongquan,Zhong Binglin.Thinking on soil and water conservation work of Changting County during the 10th Five-Year Plan[J].Soil&Water Conservation in Fujian,2001,13(2):15.(in Chinese)

Spatio-tem poral variation of the soil and water loss in Changting
County of granite red soil eroded area of southern China from 1988 to 2013

Zhou Weidong,Wang Xiaoqin,Wu Zuocheng,Liu Yadi

(Key Laboratory of Spatial Data Mining&Information Sharing of Ministry of Education,Spatial Information Research Center of Fujian Province, Fuzhou University,350002,Fuzhou,China)

[Background]Changting County is one of themost serious counties in the area of granite red soil region in the south of our country,where is also very typical and representative because its soil and water loss has the characteristics of long history,wide area,large degree,and great damage.[M ethods] In order to dynamically monitor the spatio-temporal changes of recent years’soil erosion in Changting County that is the demonstration area of soil and water loss management and ecological civilization construction,we used the USLEmodel to quantitatively estimate the changing situations of this county’s soil and water loss in recent25 years,according to the remote sensing data of 9 periods’Landsat series from 1988 to 2013,and using the topography,soil and meteorological hydrological literatures and with the field trips.[Results]The results showed that,the situation of Changting County’s vegetation coverage was fine generally.The areas of higher vegetation coverage weremainly distributed around the county,and the central areas along two sides of Tingjiang River had lower vegetation coverage due to the serious situation of soil and water loss.The vegetation coverage showed a downward trend generally from 1988 to 1994,and became the worst in 1994.During the periods of 1994 to 2003,the situations of vegetation coverage in themostarea of this county were improved obviously,especially that of the villages and towns in the middle areas.After 2003,the vegetation coverage changed little in the western areas,but in Cewu,Hetian,Sanzhou,and Zhuotian and some other towns,it increased greatly.The situations of the soil and water loss in Changting’s most areas were mild,and the serious areas mainly distributed in Changting’s middle area and southern towns.Especially,Hetian Town,Zhuotian Town,Sanzhou Township and Cewu Township were the most serious areas suffering from soil erosion.The results of remote sensing dynamic monitoring during 1988 to 2013 showed that the whole situation of the soil and water losswas improved significantly.It became worse and worse from 1988 to1994,and was at the worst in 1994.Later the situation was improved year by year after 1994,and especially after 2003,the both situations of the vegetation cover and middle area’s soil and water loss in Changting got better. [Conclusions]The analysis mentioned above proves that using the USLE model to estimate the soil erosion modulus of Changting County may have high accurate and reliable results,which really reflects the temporal and spatial changes of this county’s soil erosion over the last25 years.The results show the changing situations and the treatment effect of the soil and water loss in Changting County,as well as provide a scientific basis to understand its current present situations and orient the corresponding treatment directions.

spatio-temporal change analysis;soil and water loss;Changting County;USLE;remote sensing dynamic monitoring;red soil derived from granite

TP79

A

1672-3007(2016)02-0049-10

10.16843/j.sswc.2016.02.007

2015-08-13

2016-03-10

项目名称:国家科技支撑课题“南方红壤水土流失综合监测”(2013BAC08B01);福建省科技重点项目“水土保持对汀江流域长汀段水沙演变的效应研究”(2015N0025);福建省水利科技专项“水土保持对汀江流域长汀段水沙演变的效应研究”(MSK201510)

周伟东(1990—),男,硕士研究生。主要研究方向:资源环境遥感应用。E-mail:zhouwd360@163.com

简介:汪小钦(1972—),女,博士,研究员。主要研究方向:资源环境遥感应用。E-mail:wangxq@fzu.edu.cn