基于遙感及氣象數據的土壤侵蝕敏感性評價的解決方案

       土壤侵蝕是指土壤或成土母質在外力(水、風)作用下被破壞剝蝕、搬運和沉積的過程。土壤侵蝕是全球環境的災難,他不僅影響了人們的生存和社會發展,更限制了全球經濟的可持續發展。三江源地區由于特定的自然環境和脆弱的生態系統,其水土流失問題的研究具有重要意義。土壤侵蝕敏感 性評價是三江源地區生態環境評價的重要部分,它能夠為該地區生態保護和建設提供科學依據。

       本方案通過對三江源地區土壤侵蝕敏感性的評價來識別容易形成土壤侵蝕的區域并進行分級。評價主要基于三江源地區自1990 年以來生態環境數據積累,包括用于土壤侵蝕敏感性評價的各項自然 指標數據。在對該地區的生態狀況進行全面調查的基礎上,制定了較為合理的技術路線。根據三江源地區土壤侵蝕類型和特點,本次評價將分水蝕區域和風蝕區域分別進行評價,然后進行綜合制圖。

1、數據準備及預處理

      土壤水蝕的影響因素有降雨侵蝕力(R)、土壤質地、土壤可蝕性、地形起伏度和植被狀況。其中降雨侵蝕力和植被狀況指標隨時間發生變化,分別有1990、2004 和 2009 年三期數據。

      土壤風蝕敏感性的指標主要有土壤質地、土壤可蝕性、地形起伏度、植被狀況、風場強度和土壤表層濕度,對各因子分別評價,然后進行綜合。本次評價中植被狀況、風場強度和土壤表層濕度三項指標隨時間而發生變化,分別為1990、2004 和2009 年三期的數據。

2、研究方法

2.1 地形起伏度

      利用三江源地區100m 分辨率dem 數據,采用ArcMap 中的空間分析(SpatialAnalyst) 模塊中的鄰域分析(Neighborhood Statistic)工具,以n×n像元的圓形為模板算子,對整個研究區進行移動計算, 先計算出n×n像元內的格網最大值maximum,然后計算出其領域最小值minimum,再利用模塊中的柵格計算工具(Raster Calculator) 計算最大值與最小值高程差,就得到了該n×n窗口的地勢起伏度結果值。可表示為如下公式:

      式中: RF是分析窗口內的地勢起伏度; Hmax是分析窗口內的最大高程值; Hmin是分析窗口內的最小高程值。

2.2 植被指標

       利用1990、2004 和2009 三期TM 遙感衛星圖像,結合野外調查和人工目視解譯,得到了三江源地區1990 年以來三期土地覆被/利用和草地退化狀況數據。然后融合三江源地區1:100 萬植被覆蓋,我們得到了該地區土壤侵蝕敏感性評價的植被狀況指標定級。

2.3 風場強度 
     風場強度的計算采用美國農業部土壤風力侵蝕方程 RWEQ 中的相應公式:

      式中,W 為風能強度因子,單位為 m3/s3,U 為離地面 2m 高處的風速(10min 最大風速),Uc是 2m 高處的臨界風速,一般設置為 5m/s。計算結果用 ANUSPLINE 方法進行插值得到三江源地區風場強度空間分布。然后參考全國風場強度大小,制定了土壤侵蝕敏感性評價指的風場強度指標定級值域,對三江源地區的風場強度進行分級。

2.4 土壤表層濕度

      采用美國AMSR-E 數據源,經處理得到 25km 分辨率的土壤表層濕度數據,然后插值成1km 分辨率。根據2009 年全國土壤濕度在 3.69~23.23 范圍內,制定了土壤濕度指標分級值域。

2.5 土壤可蝕性(k)和土壤質地

      土壤可蝕性的計算公式為:

       其中 S 為土壤結構性指數,P 為土壤可滲透性指數,其值在計算過程中根據下表判定,S 和P 的取值,對應不同的土壤類型,取值可能略有差異。

      其中

       式中 P1 為粘粒含量,P2 為粉粒含量,P3為細砂粒含量。土壤質地(砂礫、粉粒、粘粒)和有機質數據來自于邵景安博士2007 年在三江源課題組的工作,依據環保部 2003 年制定的《生態功能區劃 暫行規程》,我們確定了土壤質地指標的敏感性分級。

       有學者對 23 種主要土壤的 K 值作了直接的測定,其范圍為 0.03~0.69,基于此我們對土壤可蝕性指標進行了敏感性分級。

2.6 降雨侵蝕力(R)

       利用日降雨資料,以半月為時段,建立利用日雨量計算半月侵蝕力的簡易算法模型(章文波, 謝云 等, 2002)  :

       式中,M 是某半月時段的降雨侵蝕力值  (MJ·mm·hm-2·h-1)  ;半月時段的劃分以每月第15 日為界,每月前15 天作為一個半月時段,該月剩余天數作為另一個半月時段,這樣將全年依次劃分為24 個時段。k 表示半月時段內的天數;Pj表示半月時段內第j 天的侵蝕性日雨量,要求日雨量大于等于12mm,否則以0 計算,閾值 12mm 基于中國侵蝕性降雨標準(謝云, 劉寶元等, 2000);α、β是 模型待定參數,根據查找表確定(章文波, 謝云等, 2002)。三江源地區采用西寧站的參數:α為0.236,β為1.835(決定系數為 0.603,相對誤差系數為 0.072)。把每半月降雨侵蝕力求和,經單位換算,得到年降雨侵蝕力值,然后依據環保部 2003 年制定的《生態功能區劃暫行規程》進行分級。

2.7 土壤侵蝕敏感性綜合評價

      土壤侵蝕敏感性指數計算主要采用開 N 次方的形式進行,然后根據得到的敏感性指數賦予不同的等級。

      式中:SSj 為 j 空間單元土壤侵蝕敏感性指數;Ci為 i 因素敏感性等級值。

3、模擬結果與分

       基于以上分析,得到三江源地區土壤侵蝕敏感性評價的結果并對結果進行分析。主要分析如下:

(1)三江源地區土壤侵蝕敏感性的空間格局(如下圖)

(2)三江源地區三個時期土壤侵蝕敏感性變化

(3)三江源地區不同流域土壤侵蝕敏感性差異分析

(4)分縣土壤侵蝕敏感性差異分析

(5)三江源地區不同退化區土壤侵蝕敏感性差異分析

(6) 三江源地區土壤侵蝕驅動力分析

三江源區1990年土壤侵蝕敏感性的空間分布

 

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