基于RS与GIS的内蒙古凉城县土壤侵蚀研究

 摘 要
土壤侵蚀是自然因素和人为因素共同综合作用的结果。自然因素是土壤侵蚀发生、发展的潜在条件，主要包括降雨、地形地貌、植被、土壤等，这些自然因素对土壤侵蚀的影响各不相同，但又相互影响、相互制约。
本文以内蒙古凉城县为研究对象，以2016年Landsat8 OLI遥感数据、降雨资料、地形数据、土壤资料等数据为基础，运用遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）和通用土壤流失方程（USLE）,计算2016年的土壤侵蚀模数，根据水利部土壤侵蚀强度分级标准进行了土壤侵蚀强度分级，分析了凉城县的土壤侵蚀空间分布及其与主要环境因子的关系。
本文主要研究结果如下：
（1）以美国通用土壤流失方程（USLE）为基本框架，通过土壤流失方程中涉及到的各参数计算分析，得出凉城县在2016年土壤侵蚀模数及其空间分布。
(2)根据USLE模型的统计分析得出：凉城县土壤侵蚀强度分布以微度侵蚀为主，其侵蚀面积2324.18km2,达到总土地面积的67.3%，其次是剧烈侵蚀，侵蚀面积598.33 km2,占总土地面积的17.3%，轻度侵蚀占2.4%,中度侵蚀占3.2%，强烈侵蚀占3.8%，极强烈侵蚀占5.9%。
(3)微、轻度侵蚀集中分布在地面坡度一般小于15°以下，植被覆盖度一般在45%以上的地区。中度侵蚀和强烈侵蚀区的坡度较陡，大多都在15°～25°之间，植被覆盖度一般在30%～45%之间。极强烈侵蚀集中布在植被覆盖度在30%以下，坡度一般在25°～35°之间的沟边、沟坡和顺坡地带；剧烈侵蚀主要分布在植被覆盖度较劣，约在15%以下，坡度约在35°以上的区域。

关键词：遥感、地理信息系统、土壤侵蚀、通用土壤流失方程、土壤侵蚀强度

Abstract
Soil erosion was caused by both natural factors and human factors. Natural factors are the potential conditions in the development of soil erosion, mainly including rainfall, landform, vegetation, soil and so on, which affect soil erosion in different ways.
Analysis of soil erosion was systemically studied based on the Landsat8 OLI remote sense images,meteorological data, DEM figures, and soil data in Liangcheng county, by using RS,GIS,and soil loss equation-USLE, and the main environmental factors were spatially analysed incorporated with soil loss.
The main achievements of this study are as follows:
(1)After studying the strengths and weaknesses of the major domestic and overseas soil erosion models, the author chooses the American general soil loss equation as the basic framework. Through analysis and calculation of the parameters involved with the soil loss equation, a basic database of Liangcheng County soil erosion model is established. And get the soil erosion quantity and spatial distribution of Liangcheng County in 2016.
(2)According to the statistical analysis of the USLE model can be concluded that:in Liangcheng County , micro degrees of soil erosion occupy most of the erosion. which owns 67.3% of the total erosion areas. The wild erosion degree occupies 17.3% of the total erosion areas. The moderate erosion degree occupies 3.2% of the total. The strong erosion degree occupies 3.8% of the total. The extreme strong erosion degree occupies 5.9% of the total. And the mild erosion degree occupies 2.4% of the total.
(3) In Liangcheng County, micro and mild erosion are mainly distributed in the areas with slope generally less than 15° and the vegetation coverage above 45%. Moderate erosion and strong erosion are distributed around the Liangcheng County with steep slope between 15° ~25° and the vegetation coverage between 30% to 45%. Extremely strong erosion is centralized distributed in the vegetation coverage under 30%, in the ditch slope and slope belt area with slope between 25° ~ 35°. The wild erosion is mainly distributed in the valley of the inferior vegetation coverage, under about 15%, and the slope is above 35° in Liangcheng County.

Keywords: RS ,GIS,Soil Erosion,USLE,Soil Erosion Intensity.
目 录
1 绪论 - 1 -
1.1研究背景 - 1 -
1.2 研究目的和意义 - 2 -
1.3 国内外研究现状 - 3 -
1.3.1区域土壤侵蚀评价研究现状 - 3 -
1.3.2土壤侵蚀经验模型研究现状 - 6 -
1.4 研究方案 - 7 -
1.4.1研究内容 - 7 -
1.4.2研究方法 - 8 -
1.4.3技术路线 - 10 -
2 研究区概况 - 11 -
2.1 地理位置 - 11 -
2.2 政区与人口 - 11 -
2.3 地形地貌 - 11 -
2.4气候条件 - 12 -
2.5水资源现状 - 13 -
2.6土壤与植被 - 13 -
3数据源及预处理 - 14 -
3.1数据源 - 14 -
3.2基础数据处理 - 14 -
3.2.1遥感数据预处理 - 14 -
3.2.2植被覆盖图 - 16 -
3.2.3土地利用类型图 - 19 -
3.2.4 DEM数据 - 24 -
3.2.5降雨数据 - 27 -
3.2.6土壤数据 - 29 -
4研究区土壤侵蚀模数的计算 - 32 -
4.1USLE模型各因子的提取 - 32 -
4.1.1降雨侵蚀力因子R - 32 -
4.1.2土壤可蚀性因子K - 33 -
4.1.3地形因子LS - 36 -
4.1.4作物覆盖与管理因子C - 39 -
4.1.5水土保持措施因子P - 40 -
5研究区土壤侵蚀模数计算及分析 - 42 -
5.1研究区土壤侵蚀模数及强度分析 - 42 -
5.2不同土地利用方式下土壤侵蚀变化特征 - 43 -
5.3不同坡度带下土壤侵蚀变化特征 - 46 -
5.4不同植被覆盖度下土壤侵蚀变化特征 - 47 -
6 总结与展望 - 50 -
6.1本文总结 - 50 -
6.2不足与展望 - 51 -
7致 谢 - 55 -
8附 录 - 56 -

1 绪论
1.1研究背景
水土资源一直以来都是人类赖以生存和发展的基础，为人们的生活提供了必要的物质保障，对人们的生存和生活起着至关重要的作用。但是，随着人类得到进步，人类社会、经济得到不断的发展，人类活动也因此増加，土壤侵蚀对水土资源的可持续发展产生着巨大的威胁。
土壤侵蚀是地球表面地表土壤和母质被剥离、搬运的过程。引起土壤侵蚀现象发生的原因较多，而且危害相当严重。其中主要的土壤侵蚀类型有重力侵蚀、水力侵蚀、冰川侵蚀、冻融侵蚀和风力侵蚀等。土壤侵蚀是造成地表水土流失的直接原因，对土地资源产生了严重的破坏，而且还带来了一系列的生态、环境问题。
目前，土壤侵蚀现象已普遍产生在世界各个地区，我国的土壤侵蚀状况也不容乐观。我国疆域辽阔，地形非常复杂，山多水多，流域侵蚀非常严重，剧烈级别的侵蚀常有发生，是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一。根据水利部遥感中心2011年调查统计，全国土壤侵蚀面积达492万km2，占国土面积的51%。土壤侵蚀的发生导致土壤肥力的下降，改变土壤的理化性质，导致土地荒漠化，加剧洪涝和干旱的发生。被剥离的泥沙造成河流、湖库、坑塘的淤积，引发一系列次生灾害。
生态文明建设事关民族大计，是中华民族伟大复兴的重要组成部分。习近平总书记谈及环境问题时就指出发展和环境同样重要，提出“宁要绿水青山，不要金山银山，而且绿水青山就是金山银山”。这说明党和政府十分重视生态环境的建设，要按照尊重自然、顺应自然、保护自然的理念，贯彻节约资源和保护环境的基本国策，把生态文明建设融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设各方面和全过程。加强水土流失的防治，就是加强青山绿水的保护。因此需要积极开展水土保持相关方面的研究，推动行业的发展。
1.2 研究目的和意义
对土壤侵蚀进行监测与定量评价研究使得该地区的土壤侵蚀状况得到了宏观上的了解，有利于相关部门拟定出对土壤侵蚀现象的防治政策。然而，传统的土壤侵蚀研究工作十分繁琐，需要专业的技术人员根据地形图在实地采用目视判读的方法来勾绘侵蚀图斑，工作繁重并且是定性评估，评估结果不具有说服力，而且不能进行科学准确的大区域的土壤侵蚀状况的监测和评估。目前随着3S（RS、GIS、GPS）技术的迅速发展和实际运用，对土壤侵蚀评价研究带来了新的契机和更好的技术支持。运用3S技术，避免了过去人为实地普查的困难，减少了一些不必要的人为工作，可操作性更强，动态的水土流失变化反映及时，整个研究过程受人为因素的影响小，大大减少了人为工作量，研究过程主要由计算机实现的，计算机比人为处理数据功能更强大，效率更高，是研究土壤侵蚀的科技进步和技术创新，对以后的土壤侵蚀研究起到了重要的影响作用。
此次研究主要以内蒙古凉城县为研究对象，通过对研究区地形、地貌、植被覆盖、降雨等情况分析的基础上，运用通用土壤流失方程USLE计算出土壤侵蚀量，采用土壤侵蚀强度分级标准对凉城县土壤侵蚀强度进行分级，最后结合土壤侵蚀强度分级结果，建立起凉城县土壤侵蚀因子库，分析土壤侵蚀总体状况动态变化，包括土壤侵蚀强度类型转化、土壤侵蚀空间分布变化。了解不同土地利用类型、不同植被覆盖度、不同坡度带的土壤侵蚀特征，为该地区水土保持工程治理提供评价，可以及时掌握该区域土壤侵蚀的状况和变化趋势，找出土壤侵蚀的分布规律、发生原因、重点区域，及时地找出新问题，指导土壤侵蚀治理工作，检测水土保持策略实施效果，从而为土壤侵蚀治理规划和评价水土保持的效益提供科学依据。因此，对凉城县进行该方面的研究对于凉城县水土流失的综合治理、土地的合理利用和生态系统功能保障都具有非常重要的意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1区域土壤侵蚀评价研究现状
土壤侵蚀的定量评价和预报研究，长期以来是在较微观的尺度（坡面和小流域）上进行的[1][2]。主要目的是认识土壤侵蚀的微观机理，开发土壤侵蚀评价模型，评估其对土地生产力的影响，为水土保持、土地利用规划等提供支持，也为土壤侵蚀评价研究工作提供技术手段。为全面认识理解“剥蚀—搬运—沉积”这一完整的土壤侵蚀过程，了解土壤侵蚀对环境要素的影响、分析区域土壤侵蚀与全球变化的关系，为水土流失治理的宏观规划及区域环境问题决策提供直接支持，20世纪 90年代以来，国内外学者对区域尺度土壤侵蚀研究给予了高度重视[3][4]，有关国际研究计划与组织开展了一系列全球及区域尺度的土壤侵蚀调查研究，例如欧洲科技协调委员会土壤侵蚀的科学与技术领域研究(COST)、地中海荒漠化和土地利用研究（MEDALU）、国际土壤标本与土壤信息中心(ISRIC)、和全球变化和陆地生态系统研究（GCTE）等的研究。
区域尺度土壤侵蚀研究是土壤侵蚀学科的前沿研究领域之一，它是在较长时段、较大区域进行的研究，在研究方法上较依赖于土壤侵蚀试验研究、RS和 GIS 技术方法的集成，其研究成果能直接为水土保持决策提供支持，又能与全球环境变化研究相联系[4][5]。关于区域尺度土壤侵蚀评价研究，李锐、杨勤科等人曾做过系统的分析[5][6]。总之，从目前已有的研究成果来看，土壤侵蚀评价可划分为定性评价和定量评价两个方面，近年来，各国花费大量的人力、物力对土壤侵蚀过程及其机理进行了研究，并建立了多种评价方法，对土壤侵蚀的研究走过了从定性、半定量到定量，由单一方法、单一手段研究到多途径和多学科交叉研究。
定性评价法是对不同土壤侵蚀影响因子和因子组合进行的综合评价[7]。早在50年代，前苏联完成了全苏土壤侵蚀图，所使用的方法为传统地图制图法，于70年代末，联合国环境署（UNEP）资助国际土壤信息中心（ISRIC）组织进行了全球土地退化（GLASOD）制图研究，来自世界各国的250多名科学家利用常规调查法，对水力侵蚀、风力侵蚀、物理退化、化学退化等退化类型进行了研究，将结果编制成图，首次提出全球土壤侵蚀面积约为 16.43×106 km2[8]。我国对区域水土流失研究的历史，可以追溯到19世纪40年代[9]。系统研究始于上世纪50年代对黄土高原的第一次考察[10][11]和80年代对黄土高原第二次考察[12]。并在20世纪50年代末，将黄土高原第一次综合考察成果编制成了土壤侵蚀系列图[13]、黄河中游土壤侵蚀分区图[10]和水土保持图[11]。60年代，在全国各地已有土壤侵蚀调查资料的基础上，编制了全国土壤侵蚀类型图[14][15]，且利用已有的水文观测数据编制了中国输沙模数图，为分析研究区域及全国尺度土壤侵蚀类型、区域特征提供了基础。
定性评价多使用影像判读法（即目视解译法）和植被指数法，其中目视解译法是土壤侵蚀调查中基于专家系统方法中最典型的，这种方法一直是我国水土保持部门调查水土流失现状时最常用的方法[18]。定性评价一般使用基于专家分类的方法及因子分级法，其中水利部发布的土壤侵蚀分类分级标准是应用最为广泛的。传统方法野外工作繁重，无法快速、科学准确地监测、评估大区域的土壤侵蚀状况。自上世纪90年代以来，为编制区域土壤侵蚀治理方案的需要，也由于空间信息技术的发展和全球变化研究的促进，区域尺度水土流失定量评价研究受到了广泛的关注[4][5]。90年代初期，Brazier et al.将GIS技术与WEPP模型结合，使用1km2网格进行了大区域土壤侵蚀调查与评价。澳大利亚学者Lu Hua et al.以修正通用土壤流失方程（RUSLE）为基础，利用较粗分辨率（或较小比例尺）数据，完成了澳洲大陆土壤侵蚀的定量评价及逐月侵蚀量图、年侵蚀量图的编制。
国内区域尺度上的定量评价方面，周佩华将中国划分为 7个水土流失区，以一日最大洪水量、年径流量、水土保持治理面积为基础因子建立了评价模型，并完成了各区水土流失的趋势预测。研究表明，在区域尺度上定量监测水土流失是必要的也是可能的。在RS和GIS支持下，卜兆宏等[8]依据通用土壤流失方程(USLE)的基本形式，实测得到了适合我国的有关参数，并开发了水土流失遥感定量快速监测方法。卜兆宏等[8]介绍了水土流失定量遥感方法的最新进展，模型形式与通用土壤流失方程的形式一致，提出了各影响因子的修正算法，并将研究结果直接应用于太湖流域的水土流失定量遥感监测中。程琳等[10]以陕西省为研究区，选取土壤类型图、日降雨量数据、DEM、植被覆盖图、土地利用图，选用CSLE模型，对陕西省土壤侵蚀进行了定量评估。总之，在GIS支持下，通过建立土壤侵蚀影响因子数据库，利用土壤侵蚀模型（如USLE、RUSLE和CSLE模型）进行土壤侵蚀定量评价，是区域尺度和大中流域土壤侵蚀评价研究的基本趋势。
1.3.2土壤侵蚀经验模型研究现状
土壤侵蚀模型是预报、评价水土流失，指导水土保持措施配置及优化水土资源利用的有效工具。迄今为止，各国学者在土壤侵蚀模型建立方面做了大量有效的工作，随着土壤侵蚀问题的日益严重，土壤侵蚀模型的研究也越来越受到人们的重视。土壤侵蚀模型分经验统计模型（或黑箱模型）和物理模型两类。
经验统计模型主要是从侵蚀因子角度入手，研究降雨、植被、土壤、地形、水土保持措施等侵蚀因子与侵蚀量之间的关系。一般而言，经验统计模型的公式结构较物理模型简单，计算更方便。目前国内外开发的经验统计模型主要有著名的(USLE)、修正通用土壤流失方程(RUSLE)、水蚀预报模型(WEPP)、欧洲水蚀预报模型(EROSEM)、荷兰模型(LISEM)、中国坡面水蚀预报模型和中国水土流失方程（CSLE）等。
国外的经验模型以通用土壤流失方程USLE和修正通用土壤流失方程RUSLE[1]为典型代表。USLE用于预测长期的年均土壤侵蚀量，可以用来计算在降雨条件下，由于面蚀、细沟侵蚀造成的土壤流失，但模型没有考虑沟蚀、风蚀和耕作侵蚀。RUSLE是修正版的USLE，二者的基本原理相同，但RUSLE在内部算法的细化、外部技术的改进和预测的精度上，都比USLE有所提高。RUSLE的改进主要表现在以下几方面：RUSLE比USLE所用的数据量大，数据源也更广；纠正了USLE分析中的错误，填补了原始数据的空白；增加了其灵活性，能模拟不同的系统及替代方法。
我国的土壤侵蚀经验模型研究始于上世纪70年代末期，有关土壤侵蚀模型的研究主要集中在USLE在我国的应用和我国土壤侵蚀经验模型的建立。对USLE在我国的适用性研究主要是修改模型参数因子的计算方法，使之适合我国土壤状况和环境条件。在这方面已取得了不少进展，如刘宝元等[12]、王万忠和焦菊英[13]等人关于USLE中各参数因子计算的研究。我国学者刘宝元等依据USLE模型，利用黄土丘陵沟壑区径流小区（安塞、子洲、离石、延安等）的实测资料，提出了中国土壤流失预报方程CSLE。
1.4 研究方案
1.4.1研究内容
本研究以内蒙古自治区凉城县为研究区域，收集了该区气象、地形、植被、土壤等资料，基于RS、GIS技术与土壤侵蚀模型，选取研究区2016年的相关数据，对模型中的土壤侵蚀因子进行分析并计算土壤侵蚀模数，制作土壤侵蚀强度等级分布图，对土壤侵蚀状况进行定量评价，分析土壤侵蚀强度的空间分布特征，探讨主要环境因子对土壤侵蚀分布状况的影响机理。主要内容包括以下四个方面：
（1）研究区土壤侵蚀影响因子提取
根据土壤侵蚀模型对参数的要求，利用空间分析技术，以30m分辨率的遥感影像、降雨资料、DEM数据，土壤理化数据为基础，经过数据处理，按照模型公式要求，计算降雨侵蚀力因子R、土壤可蚀性因子K、坡长因子L、坡度因子S、植被覆盖因子C、水土保持措施因子P，输出土壤侵蚀6个因子的30m×30m的栅格图，建立凉城县土壤侵蚀影响因子的空间数据库。
（2）研究区土壤侵蚀模数计算及分级
利用USLE模型，根据土壤侵蚀因子栅格图层，采用ARCGIS软件的栅格计算器求取研究区的土壤侵蚀模数，按照水利部颁布的土壤侵蚀分类分级标准，对土壤侵蚀模数进行分级，得到研究区2016年的土壤侵蚀强度分级图。
（3）研究区土壤侵蚀状况空间分布格局
根据土壤侵蚀强度分级结果，探讨土壤侵蚀强度的空间分布总体特征，分析研究区不同坡度、不同土地利用类型和不同植被覆盖度下的土壤侵蚀强度的空间变化特征。
1.4.2研究方法
本研究利用土壤侵蚀强度分级标准SL190-2007、USLE模型进行内蒙古凉城县土壤侵蚀定量评价研究。
《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）由中华人民共和国水利部于1997年2月13日公布,此标准按照土壤侵蚀模数将土壤侵蚀强度划分为微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀共六个等级,见表1.1
表1.1土壤侵蚀模数分级
代码 侵蚀强度 侵蚀模数t/(hm2·a)
1 微度侵蚀 <200
2 轻度侵蚀 200~2500
3 中度侵蚀 2500~5000
4 强烈侵蚀 5000~8000
5 极强烈侵蚀 8000~15000
6 剧烈侵蚀 >15000
通用土壤侵蚀方程（USLE）是由Wischmeier和Smith根据8000个小区实验资料总结出来的,表达式为:
A=R·K·L·S·C·P （1-1）
式中：A为年平均土壤流失量，单位t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，单位m·t·cm/(hm2·h)；K为土壤侵蚀性因子，单位t·hm2·MJ·mm；L为坡长因子，无量纲；S为坡度因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲；C为地表植被覆盖及经营管理因子，无量纲。