基于样本数据的中国水力侵蚀定量化研究与比较

来源 :中国科学院大学(中国科学院遥感与数字地球研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:changtongct
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土壤侵蚀,尤其是水力侵蚀,是世界范围内最主要的土地退化问题,已经成为全球性公害。作为人口大国和农业大国,特殊的历史自然条件决定了我国是世界范围内遭受土壤侵蚀影响最为严重的国家之一。土壤侵蚀是一个多因素、多层次、多尺度的地学问题,其发生发展受到多种自然要素和社会因素的相互影响和相互制约。对土壤侵蚀状况及其动态变化的掌握与水土保持治理工作的投入力度、区域社会经济发展和生态环境的整体情况等方面都有着密不可分的联系。科学地评价全国范围内的水力侵蚀状况、定量估算土壤侵蚀量、客观分析土壤侵蚀的空间分异特征,对防治水土流失和保护水土资源意义重大。目前,区域和国家尺度上的土壤侵蚀研究以遥感调查为代表的定性和半定量化的方法为主,定量研究较少。定量研究以抽样调查方法和网格估算法为主,但是抽样调查方法难以实现全区域覆盖,而网格估算法对侵蚀模型进行简化,对侵蚀发生的微观过程考虑不足。本文以2010-2012年水利部开展的第四次全国土壤侵蚀普查中的抽样调查数据为基础,在全国1:10万土地利用时空数据库的支持下,结合GIS、RS和统计学等技术和方法,采用CSLE模型和空间插值外推相结合的方法定量估算了全国各水土保持区的土壤侵蚀模数,对全国范围内的水力侵蚀状况进行了分析;同时,按照水利部标准对定量估算结果进行侵蚀强度等级划分,与第二次全国土壤侵蚀遥感调查基础上更新的2010年土壤侵蚀现状进行了对比,分析了全国尺度上不同土壤侵蚀评价方法(遥感调查和CSLE模型)结果的差异及其原因。本文的主要研究结果如下:(1)建立了全国8个水土保持区一级区水力侵蚀因子空间数据库。综合多源数据,估算了全国水蚀区的各个土壤侵蚀指标因子。研究结果表明全国降雨侵蚀力的分布表现出从东南向西北方向逐渐递减的趋势,这和我国降水的分布趋势是大体一致的。南方红壤区、西南岩溶区、西南紫色土区、北方土石山区、东北黑土区和西北黄土高原区降雨侵蚀力R值依次为6783.71、4131.659、3908.89、2463.40、1470.38和1295.34 MJ?mm?hm-2?h-1?a-1。采用USLE方法和EPIC模型估算了全国土壤K值,并用实测资料进行了K值的订正。经过订正后东北黑土区和北方土石山区的土壤可蚀性值未发生明显变化,西北黄土高原地区、西南紫色土区、西南岩溶区和南方红壤区K值都有不同程度的降低。LS因子值的空间分布与坡度的空间分布大体一致。利用MODIS NDVI 16天合成数据计算植被覆盖度和样本数据插值的方法获取了水土保持措施因子的空间分布。耕地为主要土地利用类型的分区B因子值总体较高,林草覆盖较高的分区B因子值总体较低。(2)结合CSLE模型,采用点面相结合的方式,利用2010年全国土地利用图对样本数据进行空间插值和外推,定量估算了中国水蚀区土壤侵蚀模数,重点分析了全国6个主要水蚀区的侵蚀特征,包括空间分布、侵蚀模数、土壤侵蚀率、侵蚀面积和强度、侵蚀量和侵蚀贡献率等。结果表明:我国的水力侵蚀主要发生在二级阶梯上,并主要分布在半湿润和半干旱地区。8个水土保持区的水力侵蚀总面积为163.20万km2,占整个水蚀区土地总面积的30.48%。西北黄土高原区和西南紫色土区的水力侵蚀最为严重,侵蚀的土地利用类型以坡耕地为主。从土壤侵蚀模数来看,西北黄土高原区、西南紫色土区和西南岩溶区是土壤侵蚀较为严重的三个分区,平均值依次为1492.62、1461.66和1168.28 t/(km2·a);东北黑土区和北方土石山区土壤侵蚀模数平均值分别为618.01 t/(km2·a)和529.048t/(km2·a);南方红壤区平均值为335.64 t/(km2·a)。(3)分析了不同土地利用类型的水力侵蚀特征。结果表明:在所有土地利用类型中,旱地的侵蚀模数较高,全国平均值为2414.33 t/(km2·a),不同分区旱地的侵蚀差异显著,西南紫色土区和西南岩溶区旱地的平均侵蚀模数均超过4000 t/(km2·a);西北黄土高原区旱地的平均土壤侵蚀模数为2782.25 t/(km2·a);东北黑土区区旱地的平均土壤侵蚀模数为1998.11 t/(km2·a);而南方红壤区和北方土石山区旱地的平均侵蚀模数分别为1182.69 t/(km2·a)和927.46 t/(km2·a)。旱地年侵蚀量为20.56亿吨,其土地利用面积仅全国水蚀区土地总面积的24.44%,但侵蚀贡献率是所有土地利用类型中最大的,达到58.76%。此外,草地、有林地、其它林地和灌木也是重要的侵蚀来源,年侵蚀量分别为3.99、3.98、2.90、和1.57亿吨。(4)比较了全国水力侵蚀两种方法不同结果。定量估算和遥感调查的全国水力侵蚀面积比例分别为30.48%和33.56%,两者在侵蚀面积的总量和空间分布上表现出一致性,但在侵蚀内部构成方面有一定的差异。一方面,空间分布上西北黄土高原区都是侵蚀最严重的分区,南方红壤区、东北黑土区和北方土石山区的两种结果的一致性较好,其中南方红壤区的侵蚀比例相差仅为0.67%。西南紫色土区定量估算结果较遥感调查结果小8%,是侵蚀比例差异较大的分区。选择两种结果一致性较差的重庆和云南进行详细分析,结果表明重庆地区有74.81%的面积两种结果一致性较好,一致性较差的地区集中在丘陵地区,土地利用类型以旱地、山区水田、工矿用地和其它林地为主要类型,有林地、灌木林地、草地等类型两者一致性较好。云南省两种方法结果之间差异显著,侵蚀的空间分布和强度等级构成一致性都较差,土地利用类型以旱地和其它林地为主,全省旱地平均侵蚀模数达到4895.37 t/(km2·a),澜沧江流域下游的南部地区超过7300 t/(km2·a)。这主要是由于高降雨侵蚀力下陡坡耕地缺乏水土保持措施引起的,野外调查的结果表明其它林地中的茶园和果园侵蚀现象严重也是主要原因。本文的主要创新点如下:(1)结合土壤侵蚀模型,采用点面相结合的方式,利用2010年全国土地利用图对样本数据进行空间插值和外推,定量估算了全国水蚀区的土壤侵蚀模数。(2)首次开展了基于第四次全国土壤侵蚀抽样调查的定量估算结果和第二次全国土壤侵蚀遥感调查基础上更新的2010年水力侵蚀状况,两种方法评估的全国水力侵蚀面积比例相差3%,对于多数水土保持分区而言,结果一致性较好,并对结果差异明显的地区进行了分析。(3)在土壤侵蚀模数的计算过程中,充分考虑了水土保持措施对水力侵蚀的影响,这对于评价不同地区的水土治理成效有重要意义。
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