（水土保持与荒漠化防治专业论文）GIS支持下的东港地区土壤侵蚀定量评价研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：嗬石 导师签名：赵选 时间： 2 棚7 年多月7 日 时间： z 0 0 1 年6 月- 了日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间： 2 形歹年月7 日 时| 日j ： 2 o d 7 年月7 日 万遗缸蝇 名 孔 戮 潞 始 隧 垃， 孵 导 沈阳农业大学硕士学位论文 捅姜 水土流失是全球性的严重环境问题，是生态破坏的主要形式，严重的水土流失已经 成为国民经济持续、稳定、健康发展的制约因素。而土壤侵蚀定量评价将为水土流失的 治理提供科学依据。本文通过对实地野外调查和资料收集，分析了土壤侵蚀影响因素， 确定出东港地区土壤侵蚀定量评价指标并将其网格化。最后，借助g i s 和遥感等先进技 术手段，对整个东港地区的土壤侵蚀现状和土壤侵蚀敏感性进行了定量评价分析。主要 成果如下： 1 、在对比研究目前国内外主要土壤侵蚀模型优缺点的基础上，以通用土壤侵蚀方 程为框架，建立了东港地区土壤侵蚀模数数据库。 2 、通过地理信息系统技术，绘制了研究区降雨侵蚀力因子r 值等值线图，并对研 究区土壤侵蚀对降雨的敏感性进行了分级。 3 、针对东港原有土壤调查资料特点，通过美国制土壤质地分类三角表和通用土壤 流失方程中土壤可蚀性因子k 值表，为土壤可蚀性因子k 值算法探索出了一种新的方法。 4 、建立了研究区1 ：5 万d e m ，生成了坡度、坡长、地形起伏度等地形因子数据库。 5 、以实地野外测量为主，结合遥感影像，利用正方形视点框架法和矩阵分析法， 求出不同土地利用类型的植被覆盖度，利用植被覆盖度与c 因子的数学关系式，估算出 研究区植被覆盖因子。利用各地区经验值和我国不同措施p 值表，确定水土保持措施因 子值 6 、东港地区土壤侵蚀强度分布以极微度侵蚀为最多，其面积占总面积的4 0 4 3 ； 其次为微度侵蚀，占3 0 1 2 、较轻度侵蚀占1 4 2 4 、轻度侵蚀占9 。7 6 ，最后为中度 侵蚀占5 4 5 。各土壤侵蚀级别的空b j 分布具有一定的规律性。 7 、东港地区土壤侵蚀敏感性主要以中度敏感为主，占全区总面积的5 6 8 4 ：其次 是轻度敏感，占3 7 9 6 ；高度敏感所占面积比重最小，仅占5 2 。 关键词：网格数据；土壤侵蚀；定量评价；u s l e ：g l s 英文摘要 a b s t r a c t t h eq u a n t i t a t i v ea s s e s s m e n to fs o i le r o s i o ni nd o n g g a n gr e # o nb a s e do ng i s s o i la n dw a t e rl o s si st h ew o r l d w i d es e r i o u sp r o b l e mo fe n v i r o n m e n ta n dt h em a i nf o r m o fe c o d e s t r o y s e r i o u ss o l la n dw a t e rl o s sh a sb e c o m et h er e s t r i c t i v ef a c t o r o ft h e s u s t a i n a b l e ，s t a b l ea n dh e a l t h yd e v e l o p m e n to fac o u n t r y t se c o n o m y b u t ，q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i n go fs o i le r o s i o nw i l lp r o v i d es c i e n t i f i ct h e o r yt os o i le r o s i o nr e s e a r c h n ep a p e r i s l o c a t e di nd o n g g a n gr e g i o ni nd a n d o n g c o u n t y t h ea s s e s s m e n ti n d e x e so fs o i le r o s i o na r e s e l e c t e d t h r o u g h as e r i e s p r o c e s s e s s u c ha sf i e l di n v e s t i g a t i o na n ds e l e c t i o no f i n f o r m a t i o u s ，a n a l y s i so fr e l a t i o n sb e t w e e nt h ei n f l u e n c i n gi n d e x e sa n ds o i le r o s i o n ，s t a t i s t i c s m e t h o d ，a n ds oo n t h e r e f o r , t h i sp a p e rs t u d i e dt h em e t h o do fs o i le r o s i o ni nd o n g g a n g r e g i o nb a s e do nt h eg r i dd a t aa n dr u s l em o d e l ，a n de r o s i o ni n d e x e sw e i g h ti sd r a w nb ya h p m e t h o d i nt h ec o u r s e ，r s ( r e m o t es e n s i n g ) a n dg i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) w e r e u s e d t h ei n t e n s i t yo fs o i le r o s i o na n de r o s i o n s e n s i t i v ei nt h ew h o l ed o n g g a n gr e g i o ni s a s s e s s e dw i t ht h eq u a n t i t a t i v em e t h o do fg i sa n dr s t h er e s u l t so ft h es t u d ya r ef o l l o w e d ： 1 o nt h eb a s eo ft h es t u d yo na d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fi n t e r n a la n de x t e r n a ls o i l e r o s i o nm o d e l ，w ee s t a b l i s l i e ds o i le r o s i o nd a t a b a s ei nd o n g g a n gr e # o nu s e dt h eu s l ea s t h ef r a m e 2 t h ei s o l i n e so fr a i n f a l le r o s i v i t yf a c t o r ( r ) w e r ep r o t r a c t e da n dt h es e n s i t i v i t yo fs o i l e r o s i o nw a se l a s s i f i c di nt h es t u d ya r e ab yt h et e c h n o l o g yo fg i s 3 o n em e t h o do fc a l c u l a t i o no fs o i le r o d i b i l i t yf a c t o r ( k ) w a sc r e a t e dt h r o u g ht h e t d a n # et a b l eo fs o i lq u a l i t yi na m e r i c aa n dt h et a b l eo fs o i le r o d i b i l i t yf a c t o r ( k ) i nu s l et o t h ec h a r a c t e r i s t i co fo l ds o i ld a t ai nc h i n a 4 d e mo f1 ：5 0 0 0 0w a sc r e a t e di ns t u d ya r e aa n do nt h eb a s e 。t h ed a t a b a s co fs l o p s t e e p n e s s ，s l o pl e n g t ha n du n d u l a n td e g r e eo ft o p o g r a p h t yw e r eb u i l t 5 t h ec r o pa n dm a n a g e m e n tf a c t o r ( c ) a n dt h ec o n s e r v a t i o np r a c t i c e sf a c t o r s ( p ) w e r e e s t i m a t e di nt h es t u d ya r e at h r o u g hh i s t o r a li n f o r m a t i o n sa n dt h ec o m b i n a t i o no fm e a s u r e m e n t d a t aa n dl a n d u s ed a t a 6 i nd o n g g a n gr e # o n ，s e r v e rm i c r o - d e g r e ee r o s i o na r e a sa r ea c c o u n tf o r4 0 4 3p e r c e n t s ； m i c r o d e g r e ea c c o u n tf o r3 0 1 2 ；m o r el i g h t d e g r e ea c c o u n tf o r1 4 2 4 ；l i g h t - d e g r e ea c c o u n t f o r9 7 6 ；m e a n d e g r e ea c c o u n tf o r5 4 5 s p a c e d i s t r i b u t i n go fs o i le r o s i o nh a v et oac e r t a i n t y r e g u l a r i t y 7 i nd o n g g a n gr e # o n , s o i le r o s i o ns e n s i t i v i t yi n t e n s i t yi sm o s t l ym e a n d e g r e e s e n s i t i v i t y , a c c o u n tf o r5 6 8 4p e r c e n t s ；l i g h t d e g r e es e n s i t i v i t ya c c o u n tf o r3 7 9 6 ；h i g h - d e g r e e s e n s i t i v i t yo n l ya c c o u n tf o r5 2 k e y w o r d ：g r i dd a t a ：s o iie r o s i o r ；o u a n t i t a t i v ea s s e s s m e n t ；u s l e g i s 2 沈阳农业大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 水土资源是人类赖以生存的基本条件。水土侵蚀的发生直接影响到水、土资源的开 发和利用，是危机全人类生存、社会稳定和经济发展的全球问题。严重的水土侵蚀不仅 导致土壤退化，而且还会造成河道淤积，水质污染。 在水土流失治理中，以小流域或区域为单元进行综合治理已成为当今世界治理水土 流失的主要形式( 陈永宗，1 9 8 9 ；夏卫兵，1 9 9 4 ；h u d s o nn ，1 9 9 5 ) 。小流域水土保持 治理规划工作存在许多空间分布的相关问题，涉及大量的空间信息，例如坡度就是一个 重要的空间信息。水土流失也涉及诸多自然因素和人为因素，水土流失因子既包括级别、 数量等属性信息，同时也包含这些属性的空间关系，空间分布的图形信息，具有较强区 域差异性。在进行水土保持规划时，人工处理、分析这些信息，非常繁琐费时，传统的 方法用坡度分级图套合在土地利用现状图上，人工地分辨出地块的坡度，这容易出现较 大的人为偏差。更主要的是，进行多因素空间信息处理、运算形成各种专题图件，用手 工操作是难以胜任的。因此，空间信息处理技术迎运而生，地理信息系统正是为解决各 种复杂的规划与管理问题而设计的用于支持对空间相关数据进行采集、操作、分析、管 理的计算机硬件、软件系统和处理过程。g i s 系统支持外来数据的输入( 如遥感数据) 并 可将数据转换成可应用的分析模型。提供了对空间性指标定量化的空间分析方法，地理 信息系统具有对数据层内部及相互间的操作能力，如根据数字高程模型生成坡度、坡向、 坡长等。对水土保持综合治理规划有着极大的支持与辅助作用。利用6 i s 技术，建立一 个适应小流域治理规划的计算机服务系统，运用g i s 技术采集、分析和管理数据，能代 替许多日常繁琐复杂的信息处理，实现水土保持信息的数据库管理，缩短规划工作周期， 节约经费，提高精度，及时满足水土流失治理工作的需要，使规划更具科学性和可行性。 本文研究是在坚持定性分析与定量分析相结合、宏观与微观相结合的原则下，既吸 收了前人已有的研究成果，也通过分析提出了一些自己的观点，尤其是在c 值的确定上 采用了实测与遥感相结合的方法，因而在做法上具有一定的新意；同时，对所选因子进 行了权重的确定，从而为准确的评价土壤侵蚀量作出了贡献，这在一定程度上加深了对 土壤侵蚀的认识，具有一定的理论意义；此外，在研究中详细论述了指标确定、评价因 子权重确定以及g i s 在土壤侵蚀评价方面应用的过程，这为今后的相关研究提供了方法 论借鉴；最后，本研究成果也将为东港地区的治理及土地资源的合理利用提供了科学、 可靠的依据。 3 第一章绪论 1 。2 基本概念 1 2 1 土壤侵蚀评价的基本内涵 土壤侵蚀评价，是指选择影响土壤侵蚀的因素因子，将其作为评价指标，通过建立 评价模型，对土壤侵蚀的强弱程度做出评定。 目前我国的土壤侵蚀评价研究可概括为地块或坡面、小流域、区域或国家三个层次。 其中，面积为几平方公里到几十平方公里的小流域是土壤侵蚀的基本地域单元，它构成 侵蚀过程的完整系统，以小流域为地域单元进行土壤侵蚀的特点分析，可以作为连接坡 面和区域层次的纽带，有利于全面认识土壤侵蚀规律，并可探索侵蚀过程的内在机理“1 。 而且，对小流域的土壤侵蚀的空间分布作出正确地评价，是合理地实施小流域水土保持 措旌的基础。随着现代科技和管理的不断进步，对土壤侵蚀的评价也由早期的定性评价 向定量评价转变，由原先的定点评价向面域评价转变( 王礼先等，1 9 8 7 ；关君蔚，1 9 9 6 ； 孟庆枚，1 9 9 6 ；王礼先等，1 9 9 7 ) 。 然而，由于土壤侵蚀本身是一个非常复杂的自然和社会过程，受气象、地形、地质、 土壤、植被、水文等自然过程及人类活动的综合影响，目前对土壤侵蚀评价研究还有 许多问题有待进一步研究。主要表现在：对土壤侵蚀的机理与过程等问题的研究还相当 薄弱，土壤侵蚀评价模型缺乏强有力的理论支持；土壤侵蚀评价因素因子的定量研究还 没有形成相对统一的评价指标体系，各指标因子的分级临界值更是因人因地而异：就评 价模型来说，还没有开发出适合于多尺度( 坡面、小流域、区域) 、多用途( 土壤侵蚀评 价、水土保持效益评价、水土保持规划设计) 的评价模型，而且对土壤侵蚀强度的分级 也还没有确立可靠的依据。 1 2 2 土壤侵蚀的定量化评价 土壤侵蚀的定量化评价，是指通过对影响土壤侵蚀的各个因素因子的数值化，利用 一定的数学运算方法( 或模型) ，将这些数值结合起来，并根据运算的结果来进行土壤侵 蚀程度等级的评定。 传统的土壤侵蚀评价主要采用野外观察与定性描述相结合的方法，而土壤侵蚀定量 评价研究则需要多种现代理论和方法的综合运用。与传统土壤侵蚀评价相比较，定量评 价具有以下两大优点： ( 1 ) 定量化评价以数量的方式来表达土壤侵蚀的侵蚀等级，评价过程和评价结果 具体明确，而且在一定程度上可较好的考虑各个评价因素之间的相互关系，有助于克服 主观随意性； ( 2 ) 定量评价方法具有较大的灵活性，如果发现评价结果不甚理想，可随时调整 评价因素及其权重，或采用不同的数学方法运算方法，从而得出理想的评价结果。 4 沈阳农业大学硕士学位论文 1 2 3g i s 及r s 等对土壤侵蚀评价的技术支持 地理信息系统( g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m , g i s ) ，是由计算机硬件、软 件和不同的方法组成的系统，该系统支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和 显示，可解决复杂的规划和管理问题( 陈述彭，1 9 9 9 ) 。 g i s 是对空间数据进行管理操作的信息、系统，本身具有很强的空间分析功能和模 型开发能力，可为土壤侵蚀的研究提供强有力的支持：( 1 ) 土壤侵蚀是各种因素综合作用 的结果，即使在一个较小的区域内，土壤侵蚀因子也是比较复杂的，空间上是多变的， 必须利用g i s 技术对这些因素进行空间分析，以便对土壤侵蚀的定量评价；( 2 ) 现代土 壤侵蚀研究，以地质学、地貌学、土壤学、水力学、水文学等为基础，运用物理学、数 学、化学等研究土壤侵蚀的发生、发展及其变化，涉及模糊数学、灰色系统理论、层次 分析法、统计分析法、数据库技术及专家系统等一系列现代理论和方法，通过g i s 可将 这些理论和方法及遥感资料等多源数据集成在一起，以建立科学的土壤侵蚀模型。 遥感( r e m o t es e n s i n g ，r s ) 通常是指空对地遥感，即从高于地面的不同工作平台 上通过传感器对地球表面的电磁波信息进行探测，并经信息的传输、处理和判读分析， 实现对地球的资源与环境进行探测的综合性技术( 吕国楷等，1 9 9 5 ) 。 遥感技术具有多种类、多平台、多时段、多波段的特点和信息丰富、获取信息周期 短、现时性强和宏观性、动态性强等优势，无疑是最快速，最有效地获得土壤侵蚀相关 因子信息的先进手段。 1 3 土壤侵蚀评价现状研究 1 3 1 国外土壤侵蚀评价研究现状 1 8 7 7 年德国土壤学家w o l i n y 刚开始土壤侵蚀研究时，只限于表面现象的观察和定 性描述( m e y e rld ，1 9 8 4 ) 。从2 0 世纪2 0 年代开始，有学者开始进行土壤侵蚀的定量 研究，但直到6 0 年代，此类研究基本上仍是经验性的，6 0 年代末，才有基于侵蚀过程 原理的物理模型出现。但由于土壤侵蚀问题涉及面太广，目前对侵蚀产沙的基本规律仍 然还不完全清楚，即使在物理模型中，仍存在大量依靠经验手段来加以确定的变量。 早期学者如z i n g ga w ( 1 9 4 0 ) 、s m i t hdd ( 1 9 4 1 ) 、m u s g r a v eg w ( 1 9 4 7 ) 提出的定量模型大多是经验模型，重点分析影响土壤侵蚀的降水及植被、土壤、地形、 土地利用等因素，并利用大量的观测资料建立土壤侵蚀与主要影响因子之间的回归分析 模型，将它们应用于土壤侵蚀评价。1 9 5 9 年，w i s c h m e i e rwh 和s m i t hdd 第一次提 出了通用土壤流失方程u s l e ( u n i v e r s a ls o i ll o s se q u a t i o n ) ( w i s c h m e i e rwh ， s m i t hdd ) ，并两次以u s d a ( 美国农业部) 农业手册2 8 2 号( 1 9 6 5 ) 和5 3 7 号( 1 9 7 8 ) 的形式 由官方颁布执行。u s l e 是在对美国东部3 0 个州1 0 0 0 0 多个径流小区近3 0 年的观测资料 5 第一章绪论 进行统计分析的基础上提出的，所依据的资料丰富，涉及区域广泛，具有较强的实用性， 在世界范围内得到了广泛的应用。u s l e 把土壤侵蚀影响因素分为降雨侵蚀力因子( r ) 、 土壤可蚀性因子( k ) 、坡长因子( l ) 和坡度因子( s ) 、地面植被覆盖因子( c ) 和水土保持因 子( p ) ，其公式表示如下： a = o 2 2 4 r k l s c p 1 9 9 7 年美国土壤保持局( s c s ) 又推出了u s l e 的修订版r u s l e ( r e n a r dkg 等，1 9 7 8 ) 。 对u s l e 进行了重大的改进。r u s l e 主要山美国农业部( u s d a ) 及其下属机构研究的。r u s l e 与传统的u s l e 相比，最大的提高就是在于计算因子的通用性加强。具体表现在：( 1 ) 对 于气象因子即降雨侵蚀因子r ，u s l e 使用某具体地理区域的长期平均降雨条件；而 r u s l e 则使用更广区域的气象资料，准确度更为提高。此外，还进一步考虑了雨滴的撞 击特性，以及下垫面有水层时对暴雨侵蚀力的影响程度。( 2 ) 对于土壤可蚀性因子k ，u s l e 基于土质、有机物含量、渗透性等土壤固有特性：而r u s l e 更进一步考虑了季节变化， 如冻融、土壤湿度及固结等影响要素。( 3 ) 对于地形因子l s ，u s l e 仅考虑坡长、坡降， 不涉及土地利用情况：而r u s l e 中还增加了新方程，用以体现细沟侵蚀与沟间侵蚀的相 对比例，并涉及了坡度的复杂变化情况。( 4 ) 对于地面覆盖因子c ，u s l e 基于地表残积 物、表面粗糙度、树冠覆盖等因素，并注重耕作与种植期间上述各因素的影响；而r u s l e 则考虑了它们在全年内的变化规律以及相互影响还有气候条件对覆盖物的分解作用、 耕种制度的效果等。( 5 ) 对于水上保持因子p ，u s l e 仅基于该措施可削减径流，因而减 少侵蚀这一原理，它将随着斜坡的坡度、范围等因素改变；而r u s l e 除详细地考虑了上 述水文、地貌特性外，还更为详细地分析了各种水土保持措施，例如：等高耕作、带状 耕作等对于侵蚀的影响。 从8 0 年代开始，国外一系列基于土壤侵蚀过程的物理模型相继出现，其中以美国的 c r e a m s ( c h e m i c a l r u n o f fa n de r o s i o nf r o m a g r i c u l t u r a l m a n a g e m e n t s y s t e m s ，1 9 8 0 ) ，a n s w e r s ( a r e a ln o p o i n t s o u r c ew a t e r s h e de n v i r o n m e n t r e s p o n s es i m u l a t i o n ，1 9 8 0 ) 、w e p p ( w a t e re r o s i o np r e d i c t i o np r o j e c t ，1 9 9 1 1 9 9 4 ) 、a g n p s ( a g r i c u l t r u a ln o p o i n ts o u r c e ，1 9 8 9 ) ，k i n e r o s ( k i n e m a t i ce r o s i o n s i m u l a t i o nm o d e l ，1 9 8 1 ) 及欧洲的e u r o s e m ( e u r o p e a ns o i le r o s i o n m o d e l ) ( m o r g a nr ，1 9 9 4 ) 、荷兰的l i s e m ( l i m b u r g s o l le r o s i o nm o d e l ) ( d er o oa 等，1 9 9 6 ) 最具代表性。1 9 8 0 年，k n i s e l 等建立了考虑作物养分和杀虫剂的预报模型 c r e a m s 。该模型是用来预测多种耕作措施下，径流、侵蚀和化学物质迁移的基于田间尺 度的模型。其中，径流用曲线数法或g r e e n a m p t 下渗曲线法计算；用修正的u s l e 进行坡 面侵蚀量的计算；用f o s t e r 等提出的泥沙连续方程，进行汇沙计算。由于侵蚀方程中含 土壤保持措施因子，因此它可用于水土保持规划中。其不足之处是，该模型不能用于较 大尺度的流域，不能提供过程的信息，模拟过程的功能十分有限；8 0 年代初期，b e a s l y 和h u g g i n s 开发了a n s w e r s 模型，该模型把流域细分为均等的网格单元。在网格单元内， 6 沈阳农业大学硕士学位论文 假定土地利用、坡度、土壤特性、营养物质、作物和经营管理措施等因子均匀分布。它 是基于物理成因的分布式次降雨小流域土壤侵蚀模型。该模型可用于评估土地利用和管 理措施等变化，对土壤侵蚀所造成的影响和土壤侵蚀的空间变化，可以模拟暴雨期间和 雨后流域的特性。其不足之处是，其渗透方程仍为统计模型，土壤侵蚀预报以通用土壤 流失方程u s l e 为基础。该模型未考虑沟蚀，且无地下水弓i 起的人流和出流；w e e e 模型是 目前国际上较为完整的土壤侵蚀预报模型，它几乎涉及到与土壤侵蚀相关的所有过程， 包括天气变化、降雨、截留、入渗、蒸发、灌溉、地表径流、地下径流、土壤分离、泥 沙输移、植物生长、根系发育、根冠生物量比、植物残茬分解、农机的影响等子过程： e u r o s e m 是一个动态配制模型它能模拟d , n 单块田地，大到小型流域，在一场暴雨下由 于沟间侵蚀与细沟侵蚀过程，而造成的泥沙在土表的侵蚀、输移及沉积。模型可输出一 系列重要信急，如径流总量、土壤流失总量、暴雨水文过程线或暴雨产沙过程线等。与 现有其它侵蚀模型相比，e u r o s e m 对于下述过程的描述具有更突出的优越性：沟间与细沟 水沙运动、覆盖对截流与雨滴打击能量的影响，岩粒( 或地表粗颗粒) 对入渗速度与溅蚀 的影响，以及由于侵蚀与沉积造成的沟槽形状、尺寸的改变；荷兰d er o o 建立的l i s e m 模型，较详细地考虑了土壤侵蚀产沙的各个环节，能较好地模拟土壤侵蚀发生过程，且 能与g i s 完全集成并可直接利用遥感数据。l i s e m 的一个原则是，“没有假设”，这就给 使用者以更多的自由空间，来改变所有相关变量，模拟过程也更清楚。模型模拟的基本 过程包括：降雨、截流、填洼、渗透、水分垂直运动、表层水流、沟道水流、土壤剥离、 泥沙输移等。此外，如机耕道和田问小路等因素，也被考虑在内。其不足之处是，该模 型中许多参数不易获取，必须通过一系列野外观测试验才能获得，因此，模型的运行费 用较高。 1 。3 2 国内土壤侵蚀评价研究现状 我国在二十世纪5 0 年代初开始土壤侵蚀评价研究，8 0 年代初开始利用统计方法进 行壤侵蚀的评价分析，8 0 年代末开展了土壤侵蚀预报物理模型的探索。在坡面与小流 域定量研究的同时，还在较大区域乃至全国尺度上进行了土壤侵蚀和水土保持的评价研 究。 我国最常用的模型是美国的u s l e ，基本上是参考或直接利用u s l e 的基本形式，根 据中国的观测资料，通过提取小流域内各因子数据，计算各评价单元的土壤流失量，再 根据国家土壤侵蚀强度划分标准，对土壤的侵蚀状况进行定量评价( 孙保平，1 9 9 1 ；蒋 平，1 9 9 4 ；游松财等，1 9 9 9 ；蔡崇法等，2 0 0 0 ；徐大蜀等，2 0 0 2 ) 。目前对u s l e 模型中 土壤侵蚀各因子的定量研究比较成熟的是降雨径流因子( 王万忠等，1 9 9 5 ；王万忠等， 1 9 9 6 ；卜兆宏等，1 9 9 2 ) 和坡度与坡长因子( 陈明华，1 9 9 5 ；王占礼，1 9 9 8 ；王晓等， 1 9 9 8 ；魏大兴等，2 0 0 2 ；) ，相对较弱的是植被因子( 朱显谟，1 9 6 0 ：卜兆宏等，1 9 9 3 ； 马超飞等，2 0 0 1 ；张岩等，2 0 0 1 ；张岩等，2 0 0 2 ) 和水土保持因子( 江忠善等，1 9 9 6 ； 7 第一章绪论 于东升等，1 9 9 8 ：傅伯杰等，1 9 9 9 ) ，而对土壤因子虽然研究较多( 杨艳生，1 9 8 2 ；陈 明华，1 9 9 2 ；吕喜玺，1 9 9 2 ；周佩华，1 9 9 3 ；吴普特等，1 9 9 3 ；蒋定生等，1 9 9 5 ；史学 正等，1 9 9 5 ：陈明华，1 9 9 6 ；方纲等，1 9 9 7 ；于东升等，1 9 9 7 , 刘宝元等，1 9 9 9 , 张科 利等2 0 0 1 ) ，但由于存在土壤可蚀性与抗蚀性的概念上的差别，且指标的选择与研究方 法不同，还难于成熟地应用于模型当中( 杨勤科，1 9 9 8 ) 。 另外，我国学者也通过研究建立自己的模型计算各评价单元的土壤流失量，对土壤 侵蚀状况进行评价。例如，谢树楠等( 谢树楠等，1 9 9 0 ) 从泥沙运动力学的基本理论出 发，通过一系列推导和假定，确定坡面产沙量为降雨强度、坡长、坡度、径流系数和地 表泥沙中数粒径的函数，在此基础上。考虑植被覆盖和不同土壤的抗侵蚀能力对土壤侵 蚀的影响，得出流域产沙量的计算公式；蔡强国( 蔡强国，1 9 8 8 ) 考虑了黄土丘陵沟壑 区小流域的复杂地形及其侵蚀产沙的垂直分带规律，将侵蚀模型分成坡面子模型、沟坡 子模型和沟道子模型三部分，分别建立了侵蚀量计算公式。该模型首次较全面地利用可 得到的资料，获得了不同土壤侵蚀类型的土壤侵蚀量计算公式；汤立群等( 汤立群，1 9 9 6 ) 考虑了黄土地区的地形地貌和侵蚀产沙的垂直分带性特征，将沟道或小流域划分为梁介 上部、梁筛下部和沟谷坡三段，从分水线至沟边线进行水沙演算；史景汉等( 史景汉等 1 9 8 9 ) 基于h o r t o n 的下渗理论建立了小流域产流模型，用滞后演算法建立了坡面汇流模 型，用马斯京根分段连续演算法建立了河道汇流模型。在汇流过程的基础上，认为瞬时 输沙量是瞬时流量、流域主沟道比降和流域坡面平均坡度的函数，用成因分析方法建立 输沙过程模型，由此计算出流域出口的沙量；江忠善等以陕北黄土高原纸坊沟的两个小 流域为研究对象，对沟间地与沟谷地分别选择各自的侵蚀因素，通过多元统计分析，建 立了沟间地土壤侵蚀模型与沟谷地土壤侵蚀模型，计算流域内不同部位的土壤侵蚀模 数，并利用g 1 8 软件的支持进行土壤侵蚀的空间定量评价：孙立达、孙保平( 孙立达等， 1 9 8 9 ) 西吉县调查分析了1 6 5 个流域后，选用降雨侵蚀力指标、坡度、林草面积所占比 例、水平梯田所占比例和坡耕地所占比例，通过回归分析建立了小流域土壤侵蚀模型。 1 4 评价方法 关于土壤侵蚀评价方法，目前已经有很多研究。其中，最基本的方法是通过专家打 分或层次分析法等方法确定参评因素因子的权重，从而生成土壤侵蚀综合指数进行土壤 侵蚀评价( 倪九派等，2 0 0 2 ) 。但也有很多学者在其它方法的应用上做过一些积极有益 的尝试。例如，黄炎和等( 黄炎和等，1 9 9 6 ) 通过运用数量化理论i i 建立判别函数， 并用欧氏距离最小的判别归类原则来建立判别模型，再根据此判别模型进行小流域土壤 侵蚀的等级评价；赵晓光等( 1 9 9 5 ) 利用聚类分析、判别分析和回归分析，分别建立了 土壤侵蚀与坡度之间的关系，并以此对土壤侵蚀强度进行了定量的划分：刘正杰( 1 9 9 3 ) 、 付炜( 1 9 9 5 ) 采用模糊数学的方法来确定小流域土壤侵蚀程度；丛柿桐等( 2 0 0 0 ) 则通 8 沈阳农业大学硕士学位论文 过应用b p 人工神经网络技术来划分土壤侵蚀等级。 另外，利用g i s 与r s 技术，辅助土壤侵蚀评价的方法已得至0 广泛推广。例如，水 利部己两次进行了全国遥感土壤侵蚀调查；h 兆宏等( 1 9 9 2 、1 9 9 3 、1 9 9 4 、1 9 9 9 ) 从8 0 年代开始进行了一系列的土壤侵蚀定量遥感的研究，参考通用土壤流失方程的形式，建 立了土壤年流失量监测模型、防治强度预报模型和各因子提取的算法，并在山东、福建、 江西等地进行了应用，取得了良好的效果。利用遥感技术提取植被覆盖的做法目前应用 极为广泛，一般通过计算n d v i 或r v i ，再通过回归分析建立经验公式来反演植被盖度； 马超飞等更是提出了利用线性混合像元分解的方法来提取植被盖度。而g i s 是在土壤侵 蚀中的应用主要可归结为三个方面：应用g i s 技术进行侵蚀环境的空间分析( 肖寒等， 1 9 9 9 ；张志，2 0 0 1 ；王思远等，2 0 0 1 ；邹亚荣等，2 0 0 2 ) ；应用g i s 进行土壤侵蚀调查 评价和水土保持规划( 江忠善等，1 9 9 6 ；张增祥等，1 9 9 8 ；郭志民等，1 9 9 9 ；史志华等， 2 0 0 1 ) 以及利用g i s 平台进行土壤侵蚀评价模型的开发( 陈一兵，1 9 9 7 , 黄诗峰等，2 0 0 1 ) 。 1 5 研究内容及技术路线 1 。5 1 研究内容 1 5 1 1 东港地区土壤侵蚀影响因子定量分析 自从通用土壤侵蚀方程( u s l e ) 提出以来，引起许多国家的重视，并得以广泛的应用。 自8 0 年代以来，我国有关土壤侵蚀因子定量评价研究取得了一些重要成果和进展，主 要包括降雨侵蚀因子、土壤因子、地形因子、植被因子和人为因子等。本文拟在借鉴前 人研究成果的基础上，对东港地区进行土壤侵蚀因子的定量分析，确定土壤侵蚀评价因 子的计算模型。 1 5 1 2 土壤侵蚀现状与侵蚀敏感性评价方法研究 在对东港地区土壤侵蚀因子定量分析的基础上，利用网格数据在空间数据分析与建 模中的优势，挖掘影响东港地区土壤侵蚀的地学信息，分析各地学因子层对土壤侵蚀的 影响程度，找出影响东港地区土壤侵蚀的主要因子，确定土壤侵蚀评价模型。 1 5 1 3 土壤侵蚀现状与侵蚀敏感性评价与分析 利用地理信息系统处理等软件对土壤侵蚀因子数据层进行处理，建立1 0 0 1 0 0 网 格数据库。在上述确定的土壤侵蚀评价模型的基础上，对研究区土壤侵蚀现状进行评价， 再进行土壤侵蚀敏感性评价，生成研究区土壤侵蚀模数数据库。并根据辽宁省土壤侵蚀 分类分级标准，对土壤侵蚀强度进行分级，利用g i s 方法绘制东港地区土壤侵蚀现状图 和土壤侵蚀敏感性分布图。 第一章绪论 1 5 2 技术路线 本文研究的技术路线，是从土壤侵蚀的机理出发，在充分分析影响土壤侵蚀的因素 因子的基础上，通过野外实地样点调查和相关资料的收集，并参考前人对土壤侵蚀影响 因子的选取，制定适合于东港地区影响土壤侵蚀的量化指标，建立相应的评价方法，对 研究区土壤侵蚀状况进行评价和分析。技术路线见图卜1 。 1 0 沈阳农业大学硕士学位论文 图1 1 土壤侵蚀研究总体技术流程图 f i g 卜1t e c h n o r o u t eo fs o iie r o s i o rr e s e a r c h 1 1 第二章东港地区土壤侵蚀定量评价体系研究及确立 第二章东港地区土壤侵蚀定量评价体系研究及确立 2 1 土壤侵蚀评价因子量化分析 2 1 1 降雨侵蚀力因子( r ) 降雨侵蚀力是评价降雨对土壤剥离、搬运侵蚀的动力指标，也是按数学模型遥感监 测土壤流失量和库湖淤积的重要依据，以r 表示。随实验区观测资料的丰缺，r 算法可 分为经典法和简便法两大类。 2 1 1 1 经典法 在通用土壤流失方程中，r _ e i 。，这是由美国学者威斯奇迈尔和史密斯，利用美 国3 5 个土壤保持试验站8 2 5 0 个休闲小区的降雨侵蚀资料统计得出的。随着u s l e 的应 用，近年来我国不少科学工作者通过各地小区资料的统计分析，以e i 结构形式为基 础，提出了各地区的r 指标。这些指标主要有： 东北黑土地区：r = e 6 0 i 。( 张宪奎1 9 9 1 ) 西北黄土地区：r = e 6 0 i 。( 王万忠1 9 8 3 ) r _ e i 。( 贾志军1 9 8 6 ) r = p i 。( 江忠善1 9 9 0 ) 南方红壤区：r = e i 。( 吴素业1 9 9 2 ) 以上r 值的算法需要每次降雨过程的自记雨量记录纸资料，才可获得每次降雨每个 时段的历时t 。，雨量r ，雨强r ，及该次降雨连续1 0 、3 0 或6 0 分钟的最大雨强i 。i 。 或i 。，最后计算出各时段单位雨量动能e k 、时段雨量动能e 。和该次降雨的总动能e 和r 值。 2 1 1 2 简易法 。 在实际应用中，r 值计算最为麻烦的是动能( e ) 的计算。由于e 值的计算需要降雨 过程，而降雨过程要从自己雨量纸上查得，分析自记雨量计又是一件极费时间的事。因 此，r 值简易计算的关键在于寻求一个通过常规降雨资料就可得到的参数，建立它与r 值经典算法的关系，省去动能e 的计算。 关于r 值的简易估算可分为次降雨、年降雨和多年平均降雨三种情况。 次降雨r 值的计算 国内外的大量研究表明：在雨量( p ) 与动能( e ) 之间存在着很好的线性关 系，王力忠等通过对全国9 个代表站的计算得到我国次降雨r 值得简易计算公式为： r = 1 7 0 ( p i 。1 0 0 ) 一0 1 3 6( i 。 l o m m h ) 式中：r 为降雨侵蚀力( m t c m h m ) ；p 为次降雨量( 舢) ：i 。为最大3 0 m i n 降雨强度 ( m m h ) 。 1 2 沈阳农业大学硕士学位论文 年r 值的简易计算 关于年r 值的简易计算目前主要有两种途径，一是采用次降雨r 值简易计算的基本 形式，即通过年降雨量或汛期雨量与年最大3 0 r a i n 雨强的乘积形式估算年值，二是采用 月雨量与年雨量比值系数的方法估算年r 值。 我国有关年r 值简易计算的主要公式如表2 一l 所示。 表2 - 1 我国有关年r 值简易计算的主要公式 t a b 2 - 1s i m p l erv a l u ec a l c u l a t ef o r m u l a 从表2 1 可以看出，目前我国估算年r 值采用的方法多为第二类，即采用年雨量和 月雨量因子。由于这两个因子式最容易得到的常规降雨资料，因此它的应用对计算年r 值无疑是简便多了。 多年平均r 值的估算 关于个地区多年平均r 值的估算，目前主要采取类似年r 值的估算形式，选择可 以反映一个地区多年降雨情况的特征因子，建立与该地年r 值的关系式。王万忠等通过 对全国2 5 个站资料的统计分析，得到了估算多年平均r 值的公式： r = o 0 0 9 p o “i “1 5 5 i l “o “ 式中：r 为一个地区的多年平均r 值( m 。t c m h m 2 h y ) ：。p - 年平均雨量( m m ) ；i 。、i 。 一年平均最大6 0 m i n 、1 4 4 0 m i n 时段雨量( n l n ) 。 第二章东港地区土壤侵蚀定量评价体系研究及确立 2 1 2 土壤可蚀性因子( k ) 通用土壤流失方程将土壤可蚀性因子( k ) 定义为：标准小区上单位降雨侵蚀力引起 的土壤流失率，单位是t h a h ( h a m j m m ) 。所谓标准小区，是指长2 2 1 m ， 坡度为9 ，连续保持休闲状态，并且实旌顺坡上下耕作的小区。小区宽度一般不小于 1 8 m 。当这些条件都满足时，l ，s ，c ，p 各为1 0 ，则k = a e i 。 由于直接测定k 值比较费事，因此美国在进行区域性土壤性质与k 值关系研究的基 础上，建立了通过土壤基本性质查算k 值的办法，并绘制了用以查算的诺谟图，对于粉 沙含量不超过7 0 的地区，诺漠方程式为： 。 l o o k = 2 1 m “( 1 0 。) ( 1 2 一a ) + 3 2 5 ( b 一2 ) + 2 5 ( c 一3 ) 式中：m ( 粉砂+ 极细砂百分数) 乘以( 1 0 0 - 粘土百分数) ；a 有机质分数；b 一土壤结构编 号；c 剖面渗透性等级 此外，国际上的许多学者也都曾建立求取土壤可蚀性k 值的关系式。y o u g ，r a 建 立的求取土壤可蚀性k 值的关系式： k _ - 0 2 0 4 + 0 3 8 5 x 1 - 0 0 1 3 1 2 + 0 2 4 7 1 3 + 0 0 0 3 1 4 0 0 0 5 1 5 式中x l ，x 2 ，x