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土壤侵蚀动态变化分析_以四川省凉山州为例_姚昆

     来源:      发表时间:2021-07-20     浏览次数:     字号:    

43卷第

西 南 大 学 学 报 自然科学版

2021

er it

20

137120200

土壤侵蚀动态变化分析

———以四川省凉山州为例

张存 李玉 钟旭

1.西昌学院 资源与环境学院四川 西昌 6150002.国家气候中心系统运控室北京 100081

3.成都信息工程大学 软件工程学院成都 6101034.电子科技大学 自动化工程学院成都 610054

5.内江师范学院 地理与资源科学学院四川 内江 641100

摘要为较全面了解凉山州土壤侵蚀状况本研究以修正通用土壤侵蚀方程为基础对凉山州1990-2018 年侵蚀模数进行计算与时空变化规律分析结果表明全州土壤侵蚀主要以微度和轻度为主约占总面积的70% 侵蚀整体处于轻等水平西部和北部整体的侵蚀状况相对良好土壤侵蚀与坡度关系密切仅剧烈侵蚀分布面积始终与坡 度呈正相关变化关系,除剧烈外的等级均以25°为变化转折点;整个研究期内,微度和中度的面积占比分别减少2.65% 0.56% 其他类别的面积比例均呈现出不同程度的增加30年内该地区强度等级具有较高的稳定性各时段约有75% 的地区强度未发生等级变化

关 键 词土壤侵蚀时空变化凉山州

中图分类号15 文献标志码 文章编号167986202003

土壤侵蚀是一种常见的自然灾害区域的土壤类型气候地质条件等自然因素决定了其先天状况而后天的人类活动又对其变化产生明显的驱动作用土壤侵蚀不仅会造成水体富营养化和土地生产能力严重下降等系列环境问题还会加剧生态环境的脆弱程度

近年来随着 RS GIS技术的快速发展学者们在区域水力侵蚀的定量监测与评估上取得了诸多成果提出了通用流失方程erUSLE修正土壤侵蚀方程 erRUSLE水蚀预报模型atWEPP10中国土壤流失方程CSLE1113等众多计算模型其中RUSLE 模型在诸多模型中最为典型黄凤琴等14利用 RUSLE 模型完成凉山地区2000 年土壤侵蚀的空间分布特征分析雅婧等15 RUSLE 模型与地理探测器相结合实现了渭北矿区2018 年土壤侵蚀状况的定量评估与驱动因素分析胡先培等16基于 RUSLE 模型对贵州铜仁地区1987-2015 年土壤侵蚀的时空特征进行了详细分析操玥等17 RUSLE 模型为基础完成了我国喀斯特槽谷地区2000-2015 年土壤侵蚀时空演变及未来发展规律的探索分析以上成果均已证明相比其他模型RUSLE 具有所需参数较少计算过程相对简单快捷应用范围适用性广和计算结果准确度相对较高的优点能作为区域土壤侵蚀定量评

估的一项重要技术手段

凉山州作为四川省土壤侵蚀监测与恢复治理的重点区全州约有49% 的地区存在土壤侵蚀现象14因此加强该地区土壤侵蚀的定量评估及变化监测具有十分重要的意义然而截至目前对该地区土壤


收稿日期2020-03-07

基金项目 四川省重点研发重大项目2020YFG0296四川省科技厅重点研发项目2018SZ02862020YFS0338作者简介姚 昆硕士主要从事地理信息系统应用研究

通信作者张存杰博士研究员


侵蚀的研究仍有两项主要不足尚需完善第一虽然该地区是全省土壤侵蚀的重点监测区但是查阅文 献资料可知对其开展的研究却几乎处于空白第二已有成果均只完成该地区特定年份土壤侵蚀的定量评估仅侧重从空间角度分析其分布规律14忽略了其时间变化规律的探索分析无法全面地掌握其真实变化状况

为有效弥补以上两点不足更全面地掌握该地区土壤侵蚀的真实变化规律本研究基于 RUSLE 模型

完成凉山州199019952000200520102015年和2018年土壤侵蚀模数的计算并从时间与空间相结合的视角对其空间分布与时空变化规律进行较详细的分析以期为该地区土壤侵蚀治理与 保护措施的制定提供科学的理论参考

研究区概况

凉山州地处四川省西南部地理坐标为26°03′-29°18′N100°03′-103°52′E面积约6.04× 10 包括西昌市冕宁县和德昌县等17 个市县其地质构造相对复杂地形崎岖地表起伏变化明地势呈现西北向东南和北部向西部倾斜的变化形态西北和北部地区海拔均相对较高地形起伏变化也相对明显该地区平均海拔约2634.43地貌主要为山地和高原且约占全州总面积的90% 也有少量的平原和丘陵区域年平均气温为10.119.3 14年降水呈现出明显的季节性变化年均降雨量10001100 降水主要集中于5-10 土地景观主要为有林地灌木林地高覆盖和中覆盖度草地以及耕地红壤紫色土棕壤和暗棕壤等为主要的土壤类型受先天自然条件的影响该地区是滑 坡泥石流和水土流失的多发区和重点监测区

研究方法

2.1 数据来源

根据修正土壤侵蚀方程RUSLE 基础数据的收集包括1990-2018 年凉山州及周边地区气象站的各月累计降雨量 源于 中国气象数据网 ://1∶100 来源于中国科学院南京土壤所凉山州数字程模型DEM空间分辨率30 来源于地理空间数据云平台1990-2018 年凉山州 1∶10 万土地利用类型矢量数据和 国土种志》,来源于 中国科学院资源环境数据云://ww.r

2.2 RUSLE 模型


修正通用土壤侵蚀方程的数学表达式为

× × × × ×

式中 为侵蚀模数 · 为降雨


审图号GS20193333

研究区地理位置和行政区划


侵蚀力MJ· ·· 为坡长因子 为坡度因子 为土壤可侵蚀· ·

MJ·· 则为植被与水土保持因子它们均无单位侵蚀模数乘以100单位转换为

·2.2.1 降雨侵蚀力

降雨是引起土壤侵蚀改变的主要外在驱动力本研究利用 模型18完成气象站侵蚀力计并采用反距离权插值模型完成数据处理分辨率30 表达式为


××

=1


式中 为降雨侵蚀力 为月降雨量 为年降雨量2.2.2 土壤可侵蚀性

由于不同类型的土壤理化性质和质地组成均存在差异因此其可侵蚀性 在受到外在影响力作用时

也会有呈现出不同的敏感性本研究采用 EPIC 模型18完成 因子的计算表达式为

02 10× ×




式中SAN 为砂粒比例 SIL 为粉粒比例 CLA 为粘粒比例 为有机质比例 SNI1-SAN100美制和国际制转换系数为0.1317.

2.2.3 坡度坡长因子

地形变化会对地表径流植被分布和人类活动等产生明显的影响会影响区域土壤侵蚀的状况本研究采用刘宝元等19提出的模型完成该地区坡长的计算表达式为

θ °

λ ° θ °


° °



θ

θ °

式中 为坡长因子λ 为单位坡长 为坡长指数

坡度因子的计算研究采用刘斌涛等2021针对西南山地区进行修正的模型完成表达式为



θ θ °

θ ° θ °



θ ° θ °

θ θ °

式中 为坡度因子θ 为坡度

2.2.4 植被覆盖因子与水土保持措施因子

植被覆盖因子能有效地表征出植被覆盖度对土壤侵蚀削减的能力通常覆盖度越高土壤侵蚀现象相对越弱水土保持措施因子 则是用于衡量水土保持措施对土壤侵蚀抑制能力的客观指标.C 因子的取值均为1.C 均可通过模型计算与赋值两种方式得到考虑到数据的可获得性本研究主要采用赋值法完成以上两个参数值的确定已有成果显示学者们通过野外实测得出了西南土石区部土地类型的 21本研究在参考这些相似地区成果的基础上142021结合区域实际完成 因子的赋值

各土地类型因子

地类

地类

水田

18

高覆盖草地

00

旱地

31

中覆盖草地

03

有林地

00

低覆盖草地

10

灌木林

01

裸土地

00

疏林地

05

其他地类

其他林地

05

结果与分析

3.1 土壤侵蚀分级

本研究利用 RUSLE 模型完成研究区1990-2018年不同年份土壤侵蚀模数的计算并参照2007 年水利部颁布的土壤侵蚀分级标准实现各数据的分级


审图号GS20193333

1990-2018年凉山州土壤侵蚀空间分布


1997-2000年全国进行了第二次土壤侵蚀遥感调查结果显示凉山州约有49%的区域存在较明显的土壤侵蚀现象142000年本研究微度侵蚀约占全州总面积的48.04%表明这些区域几乎不存在较明显的土壤侵蚀现象土壤侵蚀问题可忽略不计2000 年存在土壤侵蚀较明显区域约占全州总面积的 51.96%与国家公布的49% 基本吻合间接说明研究采用的方法是基本可行的.1990-2018 年整个研究时段内微度和轻度侵蚀在整个地区的分布范围均最广在全州的面积占比最大然而极强烈和剧烈侵 蚀分布的范围相对较窄在全州的面积占比也最少而中度和强烈侵蚀则主要分布于这两大片区周边全州面积的占比也处于居中的位置以上分析表明30年内全州虽然约一半地区都存在较明显的土壤侵蚀现象但就整个地区而言土壤侵蚀强度整体仍然处于轻等水平2018 年为例各等级占全州面积的比例分别为微度47.99%轻度25.23%中度10.78%强烈7.24%极强烈6.55% 及剧烈2.21%除侵蚀现象可忽略不计的微度外在侵蚀现象较明显的其余个强度等级中轻度和中度的比例已占该片区面积总和的69.24%.

3.2 空间分布规律分析

结合图分析可知本研究计算得到的凉山州土壤强度空间分布特征与胡云华等和黄凤琴等14的成果基本吻合凉山州土壤侵蚀在空间分布上整体呈现出明显的梯度差异整体上西部和中部地区土壤侵蚀 的强度相对较弱土壤侵蚀的分布面积也相对较少相比之下东部和南部地区土壤侵蚀的强度相对较高侵蚀分布的面积也相对较广

同时结合地形土地利用类型和其他相关资料对各强度侵蚀的空间分布状况进行进一步分析可

凉山州西部的理塘河中下游和雅砻江中部地区虽然区域海拔整体相对较高地势相对陡峭形起伏也较明显但有林地灌木林地和高覆盖度草地等植被覆盖度较高的区域占据了该地区大部 大量生长茂盛的植被有效地抑制了区域土壤侵蚀的严重程度和分布扩散同时该地区人口密度也 相对较低人类活动不明显这亦未能对其土壤侵蚀状况的改变产生较明显的驱动作用研究区中部 的安宁河谷平原区地势相对平缓大量的城镇建设用地耕地和居民点均主要集中于此这里是凉山 州社会经济的发展的重要地区河谷平原先天的自然条件优势和有效的人工治理措施有力地削减了 土壤侵蚀的强度和范围河谷平原两侧的大部分地区虽然海拔相对较高但是植被覆盖率也相对较 也对土壤侵蚀起到一定的抑制作用全州范围内西部和南部地区土壤侵蚀的强度相对严重且分布 范围也相对较广特别是美姑河黑水河和金沙江干流沿岸这些区域土壤侵蚀现象更加明显这些地 区不仅山高坡陡耕地资源相对丰富且分布广泛人地关系相对紧张并且植被也主要以覆盖程度相 对较低的疏林地中低覆盖度草地为主先天的自然条件和后天的人为因素共同造成了这些地区土壤 侵蚀问题相对明显

3.3 侵蚀与坡度变化的关系

本研究根据 壤侵蚀分类分级标准SL1902007将凉山州坡度分为5°5°8°8°15°

15°25°25°35° 35° 个不同的区并完成各区间不同强度分布规律的分析结合图 可知 凉山州土壤侵蚀有 3.80%

分布于5°4.71% 分布于 5°8°28.28% 8°15°26.31% 15°25°21.49% 分布于35°的区间从侵蚀面积在各坡度区间的变化可知该地区整体以25°坡为变化分界点当坡度25°区域整体侵蚀面积与坡度成正相关


变化关系相反当坡度25°区域整体侵蚀面积

则随坡度值的增加而降低 同时各强度等级在不


不同坡度的侵蚀变化


同坡度区间的变化也呈现出较明显的差异性5°25°区间内微度的面积比例随坡度增大而升高

5°8°过渡的区间基本保持不变而坡度25°时其分布范围随坡度增大而变窄剧烈的分布范围与坡度一


直呈正相关关系且未出现转折点坡度越大其分布范围越广中度强烈和极强烈的变化转折点均出现25°轻度则存在25°35°两个转折点 结合相关资料分析可知2225°为变化转折点可能是由于当坡度处于25°以下时随其升高而产生的区域斜面面积逐渐减小降雨对土壤的渗透能力也减弱以上会促进 区土体下滑速度和水流能量的快速增加驱动土壤侵蚀分布范围的扩大而坡度处于25°临界点以上时斜面面积逐渐增大对土壤侵蚀范围的扩大反而起到一定的抑制作用

3.4 时空动态变化

3.4.1 空间演变分析


为了解凉山州土壤侵蚀的空间演变状况本研究利用 GIS10.4 软件完成该地区1990-2018 年土壤侵蚀强度空间变化的叠加分析23-25

代表侵蚀强度等级未发生改变正数代表强度等级升高数值越大强度恶化的程度越突出相反地负数代表侵蚀强度等级下降其绝 对值越大代表强度下降的等级越明显侵蚀状况也好转得越明显

审图号GS20193333

1990-2018年凉山州土壤侵蚀强度等级变化

结合图 对该地区整个研究时段内各土壤侵蚀的空间变化规律进行分析可知 1990-2005 年内研究区有74.35%的区域侵蚀强度未发生等级改变表明这些地区土壤侵蚀的强度等级无变化分别有 9.37%1.77%的地区上升了个和个等级它们主要分布于凉山州南部和西南部地区侵蚀强度呈现加重的变化状态该时段内有9.61% 1.63% 的地区下降了 个和 个等级侵蚀强度有好转的变化状


它们则主要分布于凉山州北部地区该时段内强度等级变化数值在及以上的地区面积比例均在1% 以下且主要零散地分布于整个研究区 2005-2018 年内凉山州有74.97% 的地区侵蚀强度未发生等级变化5.54%1.54%的地区侵蚀等级分别上升了个等级区域侵蚀强度加剧它们主要集中于凉山州中部和东部地区相似地13.57%1.33%的地区侵蚀等级下降了 个和 个等级它们主要集中于凉山州西部而其他等级的面积比例变化和分布特征与1990-2005 年一致 1990-2018 整个时间段分析全州有83.22%地区侵蚀等级未发生改变各分阶段内全州也均有70% 以上的地区侵蚀强度未发生改变表明研究区土壤侵蚀强度整体具有较高的稳定性同时本研究发现该地区侵蚀强度的 空间变化与降雨侵蚀力和林草地变化均有相似性这客观地说明降雨和土地利用类型对区域土壤侵蚀状况 的改变有较明显的驱动作用特别地强度等级变化特征与降雨侵蚀力的变化规律吻合程度更高一定程 度上可以说明降雨对该地区土壤侵蚀变化的影响力比土地利用类型的影响力更明显

3.4.2 结构演变分析

本研究完成1990-2018 年各等级侵蚀面积的统并计算出各年份不同等级在全州的面积比例分布可掌握其结构演变化规律

结合图 分析可知 1990-2018 年内微度和中度的面积比例均呈现减少的变化形态面积比例分别减少了2.65%0.56%而轻度强烈极强烈和剧烈的面积比例均呈现增加的变化状态轻度增加 1.32% 0.04% 1.23%剧烈则增加了0.62%微度在面积比例减少的类别中变化幅度最明显而轻度是面积比例增加的


等级中最突出的整个研究期内轻度中度和强烈这个等级的面积比例变化幅度相对平缓未出现


各侵蚀强度面积比例变化


较明显的转折点 30年内微度极强烈和剧烈的面积比例在2010年出现明显的折点改变2010 微度的面积比例达到全期的最大值53.45%相反极强烈和剧烈的面积比例为全期的最小值仅有4.27%1.00%结合资料分析可知研究区自2000年左右开始实施天然林保护退耕还林等生态环境保护工程林草地的大量恢复对促进区域水土流失起到了有效的抑制作用同时2010年的降雨量又达到整个时期的最低值促进了这一年研究区土壤侵蚀状况的进一步缓解

结论与讨论

凉山州作为川西南土壤侵蚀监测的重点区域实现其土壤侵蚀时空动态变化规律的探索分析具有重要 的意义之前已有成果大都以该地区某一年份侵蚀状况进行评估仅侧重于从空间角度对其变化规律展开 分析相比之下本研究以该地区多期成果为基础从时间与空间相结合的角度对其侵蚀变化规律进行了 将详细分析能有效弥补单一角度分析不全面的不足能更全面反应地区侵蚀状况真实的变化规律同时本研究进行空间分布规律变化分析时能实现侵蚀与高程的关系探索以及从不同地貌特征对其进行进一步 探讨这在今后的研究中仍然需要进一步完善

凉山州自2000年来相继实施了天然林保护”“退耕还林”“退牧还草国土整治等系列生态工它们有力地促进了州内林草地的大面积恢复驱使了植被覆盖状况的明显好转对气候起到了一定的 调节作用也对改善地区土壤侵蚀状况起到了较大的促进作用然而由于受地区幅员面积相对较广 质构成复杂土壤相对贫瘠和生态环境脆弱等先天因素的影响部分地区的综合治理仍然存在一定的难度针对该地区土壤侵蚀综合治理可以从如下方面进行思考第一研究区内有雅砻江安宁河和金沙江等众多江河水系水电公司和政府在进行水电资源的开发时应该制定更加科学有效的环保策略促进环境 质量的提高第二州内坡耕地在农用地的占比相对较大应加强坡耕地的科学管理禁止过度放牧和毁


林开荒25°以下坡耕地可以适当转为梯田25°以上应继续实施退耕还林”“退牧还草等措施第三强对小流域地区水土流失状况的实时监测与分析对潜在易发区进行科学预防对已存在地区结合区域实 际进行综合整治

4.2

本研究以凉山州为研究对象 GIS RS技术为支撑基于 RUSLE 模型对该地区1990-2018 年土壤侵蚀时空动态变化状况进行分析结果表明研究方法基本可行预期目标也基本被实现成果具有较高 的准确性和理论参考价值主要结论如下

凉山州土壤侵蚀在结构组成和空间分布特征上均呈现出明显的差异性侵蚀强度等级与坡度有着密切的联系30 年内各强度等级的面积比例均在时间尺度上呈现出不同的变化2010 年为明显变化的转折点逐步分析可知土地利用类型是驱动地区土壤侵蚀状况改变的主要原因结合地区特色更科学地实 施土地利用规划将有助于改变凉山州的土壤侵蚀状况

参考文献

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欧阳梦云周卫军基于 GIS USLE 的宁乡市土壤侵蚀定量评价 中国农业大学学报2018

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18 高江波侯文娟基于地理探测器的喀斯特不同地貌形态类型区土壤侵蚀定量归因 地理学报2018

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24 龚雪梅冯文兰 岷江上游土壤侵蚀敏感性评价 干旱区资源与环境2017316874.

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