基于GIS和RS的土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究_以冀北地區(qū)為例_圖文

1、基于GIS 和RS 的土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究以冀北地區(qū)為例王茜1,2,3,王衛(wèi)2 ,呂昌河1(1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,100101,北京;2 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,050016,石家莊;3 中國(guó)科學(xué)院研究生院,100049,北京摘要 冀北地區(qū)土壤侵蝕以水蝕和風(fēng)蝕為主,根據(jù)水利部頒布的 土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (1997,參考有關(guān)學(xué)者提出的土壤風(fēng)蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo),構(gòu)建研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)指標(biāo)。運(yùn)用GIS 和RS 技術(shù),提取土地利用、坡度、植被覆蓋度、土壤質(zhì)地等信息,通過(guò)GIS 空間疊加分析,得出冀北地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖,詳細(xì)研究土壤侵蝕強(qiáng)度的空間分布特征;進(jìn)一步與土地

2、利用圖疊加,分析不同土壤侵蝕強(qiáng)度下的土地利用特征和不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕狀況。關(guān)鍵詞 土壤侵蝕;坡度;植被覆蓋度;土壤質(zhì)地;土地利用收稿日期:20060904 修回日期:20061008項(xiàng)目名稱(chēng):國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 冀北地區(qū)土地利用/覆被變化的生態(tài)閾值研究 (40171001Relationship between land use and soil erosion based onGIS and RS in the north of Hebei ProvinceWang Qian 1,2,3,Wang Wei 2,L Changhe 1(1 Ins ti tute of Geograp

3、hical Sciences and Natural Res ources Researc h,100101,Beijing;2 College of Resource and Environmental Science,Hebei Normal Uni versity,050016,Shijiazhuang;3 Graduate School of the Chines e Academy of Sciences,100049,Beijing:ChinaAbstract The main erosion patterns in the north of Hebei Province are

4、water erosion and wind erosion.In this paper,the soil erosion Classification syste m was constructed on the base of the Classification Standards ofSoil Erosion Intensity issued by the Ministry of Water Resources of C hina (1997and the Hierarchical Index System (Li Yubao,2000.By using geographic info

5、rmation system (GI Sand remote sensing (RS,the information such as land use,slope,coverage of plant,soil te xture was collected and further overlaid to obtain the erosion intensity classification map in the north of Hebei Province in acc ordance with the established index system.Furthermore,the map

6、was overlaid with the soil erosion intensity map for detecting the soil erosion sta -tus at different land use patterns as well as the land use at different soil erosion status.Key words soil erosion;slope;covera ge of vegetation;soil texture;land use 土地利用方式可以明顯地影響徑流和土壤侵蝕,人類(lèi)不合理的土地利用是水土流失發(fā)生的主要原因之一12,

7、土地利用/覆蓋變化與土壤侵蝕關(guān)系的研究,已逐漸成為土地利用/覆被變化研究和土壤侵蝕研究的一項(xiàng)新的重要課題,我國(guó)學(xué)者在通過(guò)將遙感解譯獲得的土地利用圖與已有的土壤侵蝕分布圖進(jìn)行疊加,在研究二者之間的相關(guān)關(guān)系方面已作了大量工作。陳松林3以福建省延平區(qū)為例,得出不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕程度差異顯著的結(jié)論;鄒亞榮等4以廣東惠東區(qū)為例進(jìn)行了研究,認(rèn)為土壤侵蝕分布與土地利用分布是相互關(guān)聯(lián)的;傅伯杰等5以延安市羊圈溝流域?yàn)槔芯客恋乩米兓瘜?duì)土地侵蝕的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),該流域坡耕地1996年比1984年減少了43%,林地增加了42%,草地增加了5%,土壤侵蝕量減少了24%;喻權(quán)剛6利用遙感信息對(duì)黃土丘陵區(qū)土地

8、利用與土壤侵蝕的研究發(fā)現(xiàn),年土壤侵蝕量與平耕地所占比例成負(fù)相關(guān),與坡耕地所占比例成正相關(guān);王思遠(yuǎn)等7在RS與GIS技術(shù)的支持下對(duì)我國(guó)不同土地利用背景下的土壤侵蝕空間分布規(guī)律進(jìn)行定量研究,得出不同土壤侵蝕下的土地利用特征。筆者利用多種信息源,應(yīng)用GIS和RS技術(shù)分析冀北地區(qū)土地利用與土壤侵蝕的關(guān)系。1 研究區(qū)概況冀北地區(qū)位于東經(jīng)113 49'119 15',北緯39 37' 42 38',行政區(qū)劃包括了張家口市和承德市的全部,下轄2個(gè)市區(qū)和21個(gè)縣,總面積7 63萬(wàn)km2, 2000年底總?cè)丝?89萬(wàn)人。根據(jù)地貌類(lèi)型,冀北地區(qū)可分為3大地貌類(lèi)型組合區(qū),即壩上高原區(qū)

9、、冀西北山間盆地區(qū)和冀北山地區(qū)。冀北地區(qū)年平均降水量在空間分布上表現(xiàn)為從東南向西北遞減,即從東南部興隆、寬城等縣的600800mm下降到西北部康保、尚義等縣的400mm以下,因此,可分為半濕潤(rùn)和半干旱2個(gè)干濕類(lèi)型,前者包括承德市的絕大部分區(qū)域,后者包括了張家口市的全部。冀北地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重,根據(jù)水利部第2次遙感普查結(jié)果,張家口地區(qū)和承德地區(qū)水土流失面積分別位于全省第1和第2位,侵蝕總量占全省侵蝕總量的50%以上,其中,冀西北山間盆地,即張家口市壩下部分,是河北省水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。另外,研究區(qū)位于京津的上風(fēng)上水地帶,搞好水土保持工作,不僅有利于本區(qū)域的生態(tài)環(huán)境建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展,而且對(duì)確保京津的

10、生態(tài)安全具有重要意義。2 研究方法2 1 數(shù)據(jù)來(lái)源和處理采用ArcGIS8 1、ERDAS8 5、ARCVIEW3 2a、EXCE L等軟件作為數(shù)據(jù)平臺(tái),所需原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)來(lái)源見(jiàn)表1。為了滿足數(shù)據(jù)疊加的需要,需將原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一致的地理投影下,選取Albers Conical Equal Area 投影,參數(shù)為:第1標(biāo)準(zhǔn)緯線25 N,第2標(biāo)準(zhǔn)緯線47 N,中央經(jīng)線105 E,橢球體為Krasovsky。原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后均采用Arc/Info-GRI D格式,利用Arc/Info-ARC模塊進(jìn)行重采樣,單元格精度為100m 100m,即每個(gè)單元格的面積1hm2,這樣原始數(shù)據(jù)都統(tǒng)一為1 10萬(wàn)的分

11、辨率。表1 原始數(shù)據(jù)Tab.1 Original data數(shù)據(jù)名稱(chēng)數(shù)據(jù)類(lèi)型比例尺(分辨率時(shí)間數(shù)據(jù)來(lái)源行政區(qū)劃圖矢量1 10萬(wàn)1996國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心DEM數(shù)據(jù)柵格1 25萬(wàn)1996國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心TM影像1 10萬(wàn)2000土壤圖紙圖1 20萬(wàn)1982/83張家口市、承德市10幅MODIS數(shù)據(jù)影像250m2004河北省氣象局2 2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)水利部頒布的 土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 8,壩上地區(qū)以風(fēng)力侵蝕為主;但在一定坡度下,由于降水集中,還會(huì)發(fā)生水力侵蝕,因此,把壩上坡度<5 的地方作為風(fēng)蝕區(qū),該區(qū)位于河北省最北部,系內(nèi)蒙古高原的南緣,包括張家口康?？h的全部,張北、尚義、

12、沽源縣的大部分和承德市豐寧、圍場(chǎng)縣的一部分,其他地區(qū)作為水蝕區(qū)。采用水利部頒布的 土壤侵蝕分類(lèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 中關(guān)于水力侵蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)水蝕區(qū)進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度的分級(jí)8(表2。水力侵蝕主要是在坡地上發(fā)生的,坡度是坡面土壤侵蝕中影響最大的因素910,在一定范圍內(nèi),地面坡度愈大,坡面徑流速度愈大,土壤的抗沖蝕能力愈小,侵蝕量愈大,土壤侵蝕也更為嚴(yán)重。研究1112表明,植被覆蓋度直接影響著徑流系數(shù)和土壤侵蝕模數(shù),隨著覆蓋度的增加,徑流系數(shù)逐漸減小,土壤侵蝕模數(shù)急劇下降,因此,同等條件下,植被覆蓋度越高的地方,土壤侵蝕越輕微?？癸L(fēng)蝕的土壤結(jié)構(gòu)要求黏性高,土體固結(jié)在一起,不易被吹散揚(yáng)起,參考有關(guān)學(xué)者提出的土壤

13、風(fēng)蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)13,構(gòu)建風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)體系(表3。2 3 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖的生成在GIS與RS技術(shù)支持下,按照?qǐng)D1所示技術(shù)路線對(duì)研究區(qū)土壤侵蝕進(jìn)行分級(jí),并研究土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用的關(guān)系。土地利用信息是通過(guò)目視解譯Landsat TM影像得來(lái)的,根據(jù)土地的自然生態(tài)和利用屬性分為6大類(lèi),分別為耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地和未利用地,本文不對(duì)城鄉(xiāng)居民點(diǎn)用地和水域(除灘地以外進(jìn)行土壤侵蝕強(qiáng)度的分類(lèi)分級(jí),只考慮耕38中國(guó)水土保持科學(xué)2006年表2 水力侵蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)(適用于壩下及壩上山地Tab.2 Index of water erosion evaluation(in Bashan

14、g area and Baxia hilly地類(lèi)地面坡度5 >8 >815 >1525 >2535 >35 >75非耕地的>6075度林草覆蓋度/%>4560輕強(qiáng)度>3045微度中度強(qiáng)度極強(qiáng)度30強(qiáng)度極強(qiáng)度劇烈坡耕地輕度表3 風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(適用于壩上坡度<5 的區(qū)域Tab.3 Index of wind erosion evaluation(in slope greater than five degrees of Bashang地類(lèi)指標(biāo)侵蝕強(qiáng)度微度輕度中度強(qiáng)度極強(qiáng)度劇烈耕地土壤質(zhì)地其他沙壤土沙質(zhì)土非耕地沙質(zhì)植被覆蓋度/%

15、>5050303010<10非沙質(zhì)植被覆蓋度/%>303010<10圖1 技術(shù)路線Fig.1 Technic route地、林地、草地、灘地和未利用地的土壤侵蝕情況;根據(jù)DE M,利用Arc/Info-GRID模塊,可以得出坡度分級(jí)圖;因研究區(qū)范圍比較大,所得到的多景TM影像時(shí)相不一致,會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此,采用MODIS影像得出植被覆蓋度信息,用其紅波段(RED,波長(zhǎng)為620670nm和近紅外波段(NIR,波長(zhǎng)為841876nm,計(jì)算歸一化植被指數(shù)(NDVI。Price14曾指出,裸土和100%植被蓋度的典型NDVI 值分別為0 1和0 6,利用此2值建立ND

16、VI值與植被蓋度百分?jǐn)?shù)之間的線性量化關(guān)系,就可以得到植被覆蓋度圖;將土壤類(lèi)型圖經(jīng)過(guò)掃描、校正、矢量化,從 河北省土壤圖集 15中得到相應(yīng)土壤類(lèi)型的土壤質(zhì)地,就可以得到土壤質(zhì)地信息。在ARC VIEW-SWAT模塊支持下,利用DE M生成研究區(qū)流域界線,從中提取出壩上與壩下的界線,并在Arc/Info-GRID模塊支持下,利用DEM提取壩上區(qū)域<5 的地區(qū),即為風(fēng)蝕區(qū),其他區(qū)域?yàn)樗g區(qū)。按照本文制定的土壤侵蝕分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),在Arc/In-fo-GRID模塊支持下,以水蝕區(qū)為掩模,將耕地和坡度疊加,得到耕地的水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí);將非耕地、坡度和植被覆蓋度疊加,得到非耕地的水力侵蝕強(qiáng)度分級(jí),將兩者合

17、成后得到水力侵蝕強(qiáng)度圖。以風(fēng)蝕區(qū)為掩模,將耕地和土壤質(zhì)地疊加,得到耕地的風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度圖;將非耕地、沙質(zhì)土壤和植被覆蓋度疊加,得到非耕地沙質(zhì)土壤的風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度圖;將非耕地、非沙質(zhì)土壤和植被覆蓋度疊加,得到非耕地非沙質(zhì)土壤的風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度圖,將灘地與植被覆蓋度疊加,得到灘地的風(fēng)力侵蝕分級(jí)強(qiáng)度圖;將以上4個(gè)圖合并后,生成風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度圖。3 結(jié)果分析3 1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)結(jié)果分析將水力侵蝕強(qiáng)度圖和風(fēng)力侵蝕強(qiáng)度圖合并后,可以生成研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖(圖2,各侵蝕強(qiáng)度在各區(qū)所占面積和總面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。一般微度侵蝕可以作為一個(gè)地區(qū)的土壤允許流失量,不列入土壤侵蝕面積。從表4可以看出:研究區(qū)土壤侵蝕以

18、輕度為主,面積為262萬(wàn)hm2,占土地39第6期王茜等:基于GIS和RS的土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究 以冀北地區(qū)為例圖2 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)圖Fig.2 Classificati on map of soil erosion in tensity 總面積的35 40%;其次為中度侵蝕,面積為132萬(wàn)hm2,占土地總面積的17 88%,隨著侵蝕強(qiáng)度的增加,土壤侵蝕面積迅速減少。壩上高原區(qū)、冀西北山間盆地區(qū)和冀北山地區(qū)的土壤侵蝕程度存在較明顯的區(qū)域差異。壩上高原區(qū)主要受風(fēng)力侵蝕影響,以輕度侵蝕為主,其次為中度侵蝕;冀北山地區(qū)主要受水力侵蝕影響,以輕度侵蝕為主,其次為中度侵蝕;冀西北山間盆地區(qū)主要受水

19、力侵蝕影響,以中度侵蝕為主。壩上高原區(qū)受侵蝕影響的土地比例最高,128萬(wàn)hm2土地侵蝕強(qiáng)度在輕度及以上,占該區(qū)評(píng)價(jià)土地總面積的85 48%;冀西北山間盆地區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度最大,中度及其以上侵蝕強(qiáng)度的土地面積有53萬(wàn)hm2,占該區(qū)評(píng)價(jià)土地總面積的28 74%。從圖2可以看出,研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度較嚴(yán)重的地區(qū),主要分布在蔚縣盆地和陽(yáng)表4 研究區(qū)土壤侵蝕分區(qū)分布特征Tab.4 Soil erosion distribution characteristics in different subarea侵蝕強(qiáng)度壩上高原區(qū)冀北山地區(qū)冀西北山間盆地區(qū)合計(jì)原盆地周?chē)钙虑鹆?、壩緣山地、康?？h北部、尚義縣西部及圍場(chǎng)

20、縣西部和北部等地區(qū)。3 2 不同土壤侵蝕強(qiáng)度下土地利用特征將土地利用圖與土壤侵蝕強(qiáng)度圖疊加,得到不同土壤侵蝕強(qiáng)度下的土地利用特征,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。研究表明:微度侵蝕區(qū),即基本不受土壤侵蝕影響的地區(qū),主要分布在冀西北山間盆地中部以及冀北植被覆蓋度較好的山區(qū),以耕地和林地為主;輕度侵蝕區(qū)以耕地為主,主要分布在壩上高原區(qū);中度侵蝕區(qū)以草地和坡耕地為主,主要分布在壩緣山地和冀西北山間盆地周?chē)那鹆?強(qiáng)度侵蝕區(qū)以耕地為主,草地其次,主要分布在冀西北山間盆地周?chē)露容^陡的山地;極強(qiáng)度和劇烈侵蝕區(qū)以草地為主,主要分布在植被覆蓋度較低和土壤質(zhì)地為沙質(zhì)的壩上高原區(qū)西部和圍場(chǎng)西部等地。3 3 不同土地利用類(lèi)型土壤

21、侵蝕強(qiáng)度特征土地利用圖與土壤侵蝕強(qiáng)度圖疊加的結(jié)果,還可以表現(xiàn)為不同土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕情況。在各種土地利用類(lèi)型中,草地退化比例最大,也最為嚴(yán)重,受侵蝕影響的草地面積為122萬(wàn)hm2,比例高達(dá)68%,受中度及以上較嚴(yán)重侵蝕的草地面積為56萬(wàn)hm2,比例高達(dá)31%。受侵蝕影響較大草地,在風(fēng)蝕區(qū)受沙質(zhì)土壤質(zhì)地的影響,主要分布在尚義縣西部、圍場(chǎng)縣西部和康保縣北部等地區(qū);在水蝕區(qū),則主要分布在植被覆蓋度較低的陽(yáng)原盆地、懷安盆地、張宣盆地兩側(cè)的黃土丘陵、邊緣山地。受侵蝕影響的耕地面積為160萬(wàn)hm2,比例高達(dá)60%,受中度及以上較嚴(yán)重侵蝕的耕地面積為57萬(wàn)hm2,比例達(dá)21%。受侵蝕影響較大的耕地,在風(fēng)

22、蝕區(qū)受沙質(zhì)土壤質(zhì)地的影響,主要分布在尚義縣西部、沽源縣東部以及康?？h北部等地區(qū);在水蝕區(qū),則主要分布在坡度較陡的冀西北山間盆地周?chē)狞S土丘陵、邊緣山地和冀北山地區(qū)的山區(qū)等地。林地受土壤侵蝕影響程度最低,受中度及以上較嚴(yán)重侵蝕的林地面積為40萬(wàn)40中國(guó)水土保持科學(xué)2006年表5 不同土壤侵蝕強(qiáng)度下的土地利用特征Tab.5 Land use characteristics under different soil erosion intensi ty土地利用侵蝕強(qiáng)度微度輕度中度強(qiáng)度極強(qiáng)度劇烈面積/hm2比例/%面積/hm2比例/%面積/hm2比例/%面積/hm2比例/%面積/hm2比例/%面積/h

23、m2比例/%hm2,比例僅14%,受侵蝕影響較大林地,在風(fēng)蝕區(qū)受沙質(zhì)土壤質(zhì)地的影響,主要分布在圍場(chǎng)縣西部地區(qū);在水蝕區(qū),則主要分布在植被覆蓋度較低、坡度較陡的圍場(chǎng)縣北部以及冀西北山間盆地周?chē)鹆甑鹊?。灘地和未利用的總面積較小,但侵蝕強(qiáng)度較大,極強(qiáng)度和劇烈侵蝕比例超過(guò)30%,主要分布在壩上高原的尚義縣西部及圍場(chǎng)縣西部和北部地區(qū)。4 結(jié)論利用多種信息源,在合理確定土壤侵蝕分級(jí)分類(lèi)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,利用GIS和RS技術(shù),可以較準(zhǔn)確的得出一個(gè)地區(qū)每個(gè) 點(diǎn) 上的土壤侵蝕強(qiáng)度,快速了解較大區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度和分布特征,并通過(guò)與土地利用數(shù)據(jù)的疊加,分析得出每種土地利用類(lèi)型的土壤侵蝕強(qiáng)度與分布特征。研究表明:

24、冀北地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重,受土壤侵蝕影響的土地占到總土地面積的1/2以上,在各種土地利用類(lèi)型中,草地退化比例最大,也最為嚴(yán)重,3大自然區(qū)域土壤侵蝕產(chǎn)生的原因及特征又有所不同,宜分區(qū)采取不同的土壤侵蝕整治對(duì)策。1壩上高原屬農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū),以風(fēng)蝕為主,土壤質(zhì)地為沙地的耕地和低覆蓋度草地土壤侵蝕強(qiáng)度較高,土壤侵蝕整治的對(duì)策主要是:禁止過(guò)度放牧,實(shí)施以草定畜、圍欄和舍飼圈養(yǎng)等措施,保護(hù)和改良現(xiàn)有草場(chǎng);沙化風(fēng)蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)和風(fēng)口,以營(yíng)造片林和大型林帶為主,建成喬、灌、草相結(jié)合的防護(hù)林體系。2冀北山地和冀西北山間盆地區(qū),以水蝕為主,坡耕地和植被較差、坡度較陡的草地與林地土壤侵蝕強(qiáng)度較大,土壤侵蝕整治的對(duì)策主要是:殘林及荒山、荒坡輔助于必要的人工措施,對(duì)土層厚、水分條件好的陰坡,可適當(dāng)補(bǔ)植油松、落葉松等針葉林;對(duì)干旱陽(yáng)坡地以耐旱山杏、檸條等灌木為主,