基于GIS和RS的土地利用与土壤侵蚀关系研究_以冀北地区为例_图文

1、基于GIS 和RS 的土地利用与土壤侵蚀关系研究以冀北地区为例王茜1,2,3,王卫2 ,吕昌河1(1 中国科学院地理科学与资源研究所,100101,北京;2 河北师范大学资源与环境科学学院,050016,石家庄;3 中国科学院研究生院,100049,北京摘要 冀北地区土壤侵蚀以水蚀和风蚀为主,根据水利部颁布的 土壤侵蚀分类分级标准 (1997,参考有关学者提出的土壤风蚀强度分级指标,构建研究区土壤侵蚀强度的分级指标。运用GIS 和RS 技术,提取土地利用、坡度、植被覆盖度、土壤质地等信息,通过GIS 空间叠加分析,得出冀北地区土壤侵蚀强度分级图,详细研究土壤侵蚀强度的空间分布特征;进一步与土地

2、利用图叠加,分析不同土壤侵蚀强度下的土地利用特征和不同土地利用类型的土壤侵蚀状况。关键词 土壤侵蚀;坡度;植被覆盖度;土壤质地;土地利用收稿日期:20060904 修回日期:20061008项目名称:国家自然科学基金项目 冀北地区土地利用/覆被变化的生态阈值研究 (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显地影响径流和土壤侵蚀,人类不合理的土地利用是水土流失发生的主要原因之一12,

7、土地利用/覆盖变化与土壤侵蚀关系的研究,已逐渐成为土地利用/覆被变化研究和土壤侵蚀研究的一项新的重要课题,我国学者在通过将遥感解译获得的土地利用图与已有的土壤侵蚀分布图进行叠加,在研究二者之间的相关关系方面已作了大量工作。陈松林3以福建省延平区为例,得出不同土地利用类型的土壤侵蚀程度差异显著的结论;邹亚荣等4以广东惠东区为例进行了研究,认为土壤侵蚀分布与土地利用分布是相互关联的;傅伯杰等5以延安市羊圈沟流域为例研究土地利用变化对土地侵蚀的影响,结果发现,该流域坡耕地1996年比1984年减少了43%,林地增加了42%,草地增加了5%,土壤侵蚀量减少了24%;喻权刚6利用遥感信息对黄土丘陵区土地

8、利用与土壤侵蚀的研究发现,年土壤侵蚀量与平耕地所占比例成负相关,与坡耕地所占比例成正相关;王思远等7在RS与GIS技术的支持下对我国不同土地利用背景下的土壤侵蚀空间分布规律进行定量研究,得出不同土壤侵蚀下的土地利用特征。笔者利用多种信息源,应用GIS和RS技术分析冀北地区土地利用与土壤侵蚀的关系。1 研究区概况冀北地区位于东经113 49'119 15',北纬39 37' 42 38',行政区划包括了张家口市和承德市的全部,下辖2个市区和21个县,总面积7 63万km2, 2000年底总人口789万人。根据地貌类型,冀北地区可分为3大地貌类型组合区,即坝上高原区

9、、冀西北山间盆地区和冀北山地区。冀北地区年平均降水量在空间分布上表现为从东南向西北递减,即从东南部兴隆、宽城等县的600800mm下降到西北部康保、尚义等县的400mm以下,因此,可分为半湿润和半干旱2个干湿类型,前者包括承德市的绝大部分区域,后者包括了张家口市的全部。冀北地区土壤侵蚀严重,根据水利部第2次遥感普查结果,张家口地区和承德地区水土流失面积分别位于全省第1和第2位,侵蚀总量占全省侵蚀总量的50%以上,其中,冀西北山间盆地,即张家口市坝下部分,是河北省水土流失最严重的地区。另外,研究区位于京津的上风上水地带,搞好水土保持工作,不仅有利于本区域的生态环境建设和经济发展,而且对确保京津的

10、生态安全具有重要意义。2 研究方法2 1 数据来源和处理采用ArcGIS8 1、ERDAS8 5、ARCVIEW3 2a、EXCE L等软件作为数据平台,所需原始数据和数据来源见表1。为了满足数据叠加的需要,需将原始数据统一到一致的地理投影下,选取Albers Conical Equal Area 投影,参数为:第1标准纬线25 N,第2标准纬线47 N,中央经线105 E,椭球体为Krasovsky。原始数据经处理后均采用Arc/Info-GRI D格式,利用Arc/Info-ARC模块进行重采样,单元格精度为100m 100m,即每个单元格的面积1hm2,这样原始数据都统一为1 10万的分

11、辨率。表1 原始数据Tab.1 Original data数据名称数据类型比例尺(分辨率时间数据来源行政区划图矢量1 10万1996国家基础地理信息中心DEM数据栅格1 25万1996国家基础地理信息中心TM影像1 10万2000土壤图纸图1 20万1982/83张家口市、承德市10幅MODIS数据影像250m2004河北省气象局2 2 土壤侵蚀强度分级标准根据水利部颁布的 土壤侵蚀分类分级标准 8,坝上地区以风力侵蚀为主;但在一定坡度下,由于降水集中,还会发生水力侵蚀,因此,把坝上坡度<5 的地方作为风蚀区,该区位于河北省最北部,系内蒙古高原的南缘,包括张家口康保县的全部,张北、尚义、

12、沽源县的大部分和承德市丰宁、围场县的一部分,其他地区作为水蚀区。采用水利部颁布的 土壤侵蚀分类分级标准 中关于水力侵蚀的评价标准,对水蚀区进行土壤侵蚀强度的分级8(表2。水力侵蚀主要是在坡地上发生的,坡度是坡面土壤侵蚀中影响最大的因素910,在一定范围内,地面坡度愈大,坡面径流速度愈大,土壤的抗冲蚀能力愈小,侵蚀量愈大,土壤侵蚀也更为严重。研究1112表明,植被覆盖度直接影响着径流系数和土壤侵蚀模数,随着覆盖度的增加,径流系数逐渐减小,土壤侵蚀模数急剧下降,因此,同等条件下,植被覆盖度越高的地方,土壤侵蚀越轻微。抗风蚀的土壤结构要求黏性高,土体固结在一起,不易被吹散扬起,参考有关学者提出的土壤

13、风蚀强度分级指标13,构建风力侵蚀强度分级指标体系(表3。2 3 土壤侵蚀强度分级图的生成在GIS与RS技术支持下,按照图1所示技术路线对研究区土壤侵蚀进行分级,并研究土壤侵蚀强度与土地利用的关系。土地利用信息是通过目视解译Landsat TM影像得来的,根据土地的自然生态和利用属性分为6大类,分别为耕地、林地、草地、水域、城乡居民点用地和未利用地,本文不对城乡居民点用地和水域(除滩地以外进行土壤侵蚀强度的分类分级,只考虑耕38中国水土保持科学2006年表2 水力侵蚀评价指标(适用于坝下及坝上山地Tab.2 Index of water erosion evaluation(in Bashan

14、g area and Baxia hilly地类地面坡度5 >8 >815 >1525 >2535 >35 >75非耕地的>6075度林草覆盖度/%>4560轻强度>3045微度中度强度极强度30强度极强度剧烈坡耕地轻度表3 风力侵蚀强度评价指标体系(适用于坝上坡度<5 的区域Tab.3 Index of wind erosion evaluation(in slope greater than five degrees of Bashang地类指标侵蚀强度微度轻度中度强度极强度剧烈耕地土壤质地其他沙壤土沙质土非耕地沙质植被覆盖度/%

15、>5050303010<10非沙质植被覆盖度/%>303010<10图1 技术路线Fig.1 Technic route地、林地、草地、滩地和未利用地的土壤侵蚀情况;根据DE M,利用Arc/Info-GRID模块,可以得出坡度分级图;因研究区范围比较大,所得到的多景TM影像时相不一致,会影响计算结果的准确性,因此,采用MODIS影像得出植被覆盖度信息,用其红波段(RED,波长为620670nm和近红外波段(NIR,波长为841876nm,计算归一化植被指数(NDVI。Price14曾指出,裸土和100%植被盖度的典型NDVI 值分别为0 1和0 6,利用此2值建立ND

16、VI值与植被盖度百分数之间的线性量化关系,就可以得到植被覆盖度图;将土壤类型图经过扫描、校正、矢量化,从 河北省土壤图集 15中得到相应土壤类型的土壤质地,就可以得到土壤质地信息。在ARC VIEW-SWAT模块支持下,利用DE M生成研究区流域界线,从中提取出坝上与坝下的界线,并在Arc/Info-GRID模块支持下,利用DEM提取坝上区域<5 的地区,即为风蚀区,其他区域为水蚀区。按照本文制定的土壤侵蚀分级标准,在Arc/In-fo-GRID模块支持下,以水蚀区为掩模,将耕地和坡度叠加,得到耕地的水力侵蚀强度分级;将非耕地、坡度和植被覆盖度叠加,得到非耕地的水力侵蚀强度分级,将两者合

17、成后得到水力侵蚀强度图。以风蚀区为掩模,将耕地和土壤质地叠加,得到耕地的风力侵蚀强度图;将非耕地、沙质土壤和植被覆盖度叠加,得到非耕地沙质土壤的风力侵蚀强度图;将非耕地、非沙质土壤和植被覆盖度叠加,得到非耕地非沙质土壤的风力侵蚀强度图,将滩地与植被覆盖度叠加,得到滩地的风力侵蚀分级强度图;将以上4个图合并后,生成风力侵蚀强度图。3 结果分析3 1 土壤侵蚀强度分级结果分析将水力侵蚀强度图和风力侵蚀强度图合并后,可以生成研究区土壤侵蚀强度分级图(图2,各侵蚀强度在各区所占面积和总面积统计结果见表4。一般微度侵蚀可以作为一个地区的土壤允许流失量,不列入土壤侵蚀面积。从表4可以看出:研究区土壤侵蚀以

18、轻度为主,面积为262万hm2,占土地39第6期王茜等:基于GIS和RS的土地利用与土壤侵蚀关系研究 以冀北地区为例图2 土壤侵蚀强度分级图Fig.2 Classificati on map of soil erosion in tensity 总面积的35 40%;其次为中度侵蚀,面积为132万hm2,占土地总面积的17 88%,随着侵蚀强度的增加,土壤侵蚀面积迅速减少。坝上高原区、冀西北山间盆地区和冀北山地区的土壤侵蚀程度存在较明显的区域差异。坝上高原区主要受风力侵蚀影响,以轻度侵蚀为主,其次为中度侵蚀;冀北山地区主要受水力侵蚀影响,以轻度侵蚀为主,其次为中度侵蚀;冀西北山间盆地区主要受水

19、力侵蚀影响,以中度侵蚀为主。坝上高原区受侵蚀影响的土地比例最高,128万hm2土地侵蚀强度在轻度及以上,占该区评价土地总面积的85 48%;冀西北山间盆地区土壤侵蚀强度最大,中度及其以上侵蚀强度的土地面积有53万hm2,占该区评价土地总面积的28 74%。从图2可以看出,研究区土壤侵蚀强度较严重的地区,主要分布在蔚县盆地和阳表4 研究区土壤侵蚀分区分布特征Tab.4 Soil erosion distribution characteristics in different subarea侵蚀强度坝上高原区冀北山地区冀西北山间盆地区合计原盆地周围陡坡丘陵、坝缘山地、康保县北部、尚义县西部及围场

20、县西部和北部等地区。3 2 不同土壤侵蚀强度下土地利用特征将土地利用图与土壤侵蚀强度图叠加,得到不同土壤侵蚀强度下的土地利用特征,统计结果见表5。研究表明:微度侵蚀区,即基本不受土壤侵蚀影响的地区,主要分布在冀西北山间盆地中部以及冀北植被覆盖度较好的山区,以耕地和林地为主;轻度侵蚀区以耕地为主,主要分布在坝上高原区;中度侵蚀区以草地和坡耕地为主,主要分布在坝缘山地和冀西北山间盆地周围的丘陵;强度侵蚀区以耕地为主,草地其次,主要分布在冀西北山间盆地周围坡度较陡的山地;极强度和剧烈侵蚀区以草地为主,主要分布在植被覆盖度较低和土壤质地为沙质的坝上高原区西部和围场西部等地。3 3 不同土地利用类型土壤

21、侵蚀强度特征土地利用图与土壤侵蚀强度图叠加的结果,还可以表现为不同土地利用类型的土壤侵蚀情况。在各种土地利用类型中,草地退化比例最大,也最为严重,受侵蚀影响的草地面积为122万hm2,比例高达68%,受中度及以上较严重侵蚀的草地面积为56万hm2,比例高达31%。受侵蚀影响较大草地,在风蚀区受沙质土壤质地的影响,主要分布在尚义县西部、围场县西部和康保县北部等地区;在水蚀区,则主要分布在植被覆盖度较低的阳原盆地、怀安盆地、张宣盆地两侧的黄土丘陵、边缘山地。受侵蚀影响的耕地面积为160万hm2,比例高达60%,受中度及以上较严重侵蚀的耕地面积为57万hm2,比例达21%。受侵蚀影响较大的耕地,在风

22、蚀区受沙质土壤质地的影响,主要分布在尚义县西部、沽源县东部以及康保县北部等地区;在水蚀区,则主要分布在坡度较陡的冀西北山间盆地周围的黄土丘陵、边缘山地和冀北山地区的山区等地。林地受土壤侵蚀影响程度最低,受中度及以上较严重侵蚀的林地面积为40万40中国水土保持科学2006年表5 不同土壤侵蚀强度下的土地利用特征Tab.5 Land use characteristics under different soil erosion intensi ty土地利用侵蚀强度微度轻度中度强度极强度剧烈面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/hm2比例/%面积/h

23、m2比例/%hm2,比例仅14%,受侵蚀影响较大林地,在风蚀区受沙质土壤质地的影响,主要分布在围场县西部地区;在水蚀区,则主要分布在植被覆盖度较低、坡度较陡的围场县北部以及冀西北山间盆地周围丘陵等地。滩地和未利用的总面积较小,但侵蚀强度较大,极强度和剧烈侵蚀比例超过30%,主要分布在坝上高原的尚义县西部及围场县西部和北部地区。4 结论利用多种信息源,在合理确定土壤侵蚀分级分类指标体系的基础上,利用GIS和RS技术,可以较准确的得出一个地区每个 点 上的土壤侵蚀强度,快速了解较大区域的土壤侵蚀强度和分布特征,并通过与土地利用数据的叠加,分析得出每种土地利用类型的土壤侵蚀强度与分布特征。研究表明:

24、冀北地区土壤侵蚀严重,受土壤侵蚀影响的土地占到总土地面积的1/2以上,在各种土地利用类型中,草地退化比例最大,也最为严重,3大自然区域土壤侵蚀产生的原因及特征又有所不同,宜分区采取不同的土壤侵蚀整治对策。1坝上高原属农牧交错区,以风蚀为主,土壤质地为沙地的耕地和低覆盖度草地土壤侵蚀强度较高,土壤侵蚀整治的对策主要是:禁止过度放牧,实施以草定畜、围栏和舍饲圈养等措施,保护和改良现有草场;沙化风蚀较为严重的地区和风口,以营造片林和大型林带为主,建成乔、灌、草相结合的防护林体系。2冀北山地和冀西北山间盆地区,以水蚀为主,坡耕地和植被较差、坡度较陡的草地与林地土壤侵蚀强度较大,土壤侵蚀整治的对策主要是:残林及荒山、荒坡辅助于必要的人工措施,对土层厚、水分条件好的阴坡,可适当补植油松、落叶松等针叶林;对干旱阳坡地以耐旱山杏、柠条等灌木为主,