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基于(yu)遥(yao)感(gan)及气象数(shu)据(ju)的土壤侵蚀(shi)敏感(gan)性(xing)评(ping)价的解决方案

       土壤(rang)侵蚀(shi)是指(zhi)土壤(rang)或成土母质在外(wai)力(水、风)作用下被破坏(huai)剥(bo)蚀(shi)、搬运和沉积的(de)(de)过程(cheng)。土壤(rang)侵蚀(shi)是全球环(huan)境的(de)(de)灾难,他不仅影(ying)响了(le)人们的(de)(de)生(sheng)存和社会(hui)发(fa)展,更限制了(le)全球经(jing)济(ji)的(de)(de)可持续发(fa)展。三江源地(di)(di)(di)区由(you)于特定的(de)(de)自然环(huan)境和脆(cui)弱的(de)(de)生(sheng)态(tai)(tai)系统,其水土流失问题的(de)(de)研究(jiu)具有重要(yao)意义。土壤(rang)侵蚀(shi)敏感 性(xing)评价(jia)是三江源地(di)(di)(di)区生(sheng)态(tai)(tai)环(huan)境评价(jia)的(de)(de)重要(yao)部分,它能够为该地(di)(di)(di)区生(sheng)态(tai)(tai)保护和建设提(ti)供科学依据(ju)。

       本方案通过(guo)对三(san)(san)(san)江(jiang)(jiang)源地(di)区土(tu)(tu)壤(rang)侵(qin)蚀敏感性(xing)的评(ping)(ping)(ping)价(jia)(jia)来识(shi)别容易形成(cheng)土(tu)(tu)壤(rang)侵(qin)蚀的区域(yu)并(bing)进(jin)行(xing)分(fen)级。评(ping)(ping)(ping)价(jia)(jia)主要基于三(san)(san)(san)江(jiang)(jiang)源地(di)区自1990 年(nian)以来生(sheng)态环境数据积(ji)累(lei),包括用于土(tu)(tu)壤(rang)侵(qin)蚀敏感性(xing)评(ping)(ping)(ping)价(jia)(jia)的各项自然 指标数据。在对该(gai)地(di)区的生(sheng)态状(zhuang)况进(jin)行(xing)全面调查的基础上,制(zhi)定了(le)较(jiao)为(wei)合理的技术路线。根据三(san)(san)(san)江(jiang)(jiang)源地(di)区土(tu)(tu)壤(rang)侵(qin)蚀类型和特(te)点(dian),本次评(ping)(ping)(ping)价(jia)(jia)将分(fen)水蚀区域(yu)和风蚀区域(yu)分(fen)别进(jin)行(xing)评(ping)(ping)(ping)价(jia)(jia),然后进(jin)行(xing)综合制(zhi)图(tu)。

1、数据准(zhun)备及预处(chu)理

      土(tu)壤(rang)水蚀(shi)(shi)的(de)影响因素有降雨侵蚀(shi)(shi)力(R)、土(tu)壤(rang)质地、土(tu)壤(rang)可蚀(shi)(shi)性、地形起伏度和植(zhi)被状况(kuang)。其(qi)中(zhong)降雨侵蚀(shi)(shi)力和植(zhi)被状况(kuang)指标随时(shi)间发生变化,分(fen)别有1990、2004 和 2009 年三(san)期数据。

      土(tu)(tu)壤风蚀敏感性的指标(biao)主要有土(tu)(tu)壤质(zhi)地、土(tu)(tu)壤可(ke)蚀性、地形起伏度(du)、植被状(zhuang)(zhuang)况、风场强度(du)和土(tu)(tu)壤表(biao)层(ceng)湿度(du),对各(ge)因子(zi)分别评价,然后进行综(zong)合。本次评价中植被状(zhuang)(zhuang)况、风场强度(du)和土(tu)(tu)壤表(biao)层(ceng)湿度(du)三项指标(biao)随时间而发生变化(hua),分别为1990、2004 和2009 年三期的数据。

2、研究方法

2.1 地形起伏度

      利用三江源(yuan)地区100m 分(fen)辨率dem 数据,采用ArcMap 中(zhong)的(de)空间分(fen)析(xi)(SpatialAnalyst) 模(mo)块中(zhong)的(de)邻域(yu)分(fen)析(xi)(Neighborhood Statistic)工(gong)(gong)具(ju),以(yi)n×n像元(yuan)(yuan)的(de)圆(yuan)形为(wei)(wei)模(mo)板算(suan)(suan)(suan)子,对整个研(yan)究区进行移(yi)动计(ji)算(suan)(suan)(suan), 先计(ji)算(suan)(suan)(suan)出(chu)n×n像元(yuan)(yuan)内的(de)格(ge)网(wang)最大值(zhi)maximum,然后计(ji)算(suan)(suan)(suan)出(chu)其(qi)领(ling)域(yu)最小值(zhi)minimum,再(zai)利用模(mo)块中(zhong)的(de)栅格(ge)计(ji)算(suan)(suan)(suan)工(gong)(gong)具(ju)(Raster Calculator) 计(ji)算(suan)(suan)(suan)最大值(zhi)与(yu)最小值(zhi)高(gao)程差,就得到了该(gai)n×n窗(chuang)口的(de)地势起伏(fu)度结果值(zhi)。可表示为(wei)(wei)如下公式:

      式中: RF是分析窗口内的地势起伏度(du); Hmax是(shi)分析窗口内的最大高程值; Hmin是分析窗口(kou)内的最小(xiao)高程值。

2.2 植被指标

       利用(yong)1990、2004 和2009 三期TM 遥(yao)感卫(wei)星图像(xiang),结合野(ye)外调查和人工目视解译(yi),得到了(le)三江(jiang)源(yuan)地区1990 年以(yi)来三期土地(di)覆(fu)被/利用和草地(di)退化状况数据。然后(hou)融合三江(jiang)源地(di)区(qu)1:100 万植(zhi)被覆盖(gai),J9九游会AG 得(de)到了该(gai)地区土壤侵(qin)蚀敏感性评(ping)价的(de)植被状况指标定级(ji)。

2.3 风场强度 
     风(feng)场(chang)强度的计(ji)算采(cai)用美国(guo)农业(ye)部土壤风(feng)力侵蚀方程 RWEQ 中的相(xiang)应公式:

      式(shi)中,W 为风能强度因(yin)子(zi),单位(wei)为 m3/s3,U 为离地面 2m 高处的风速(10min 最大风速),Uc是 2m 高处的临界风速,一般设置为 5m/s。计算结果用 ANUSPLINE 方法进行插值得到三江源地区风场强度空间分布。然后参考全国风场强度大小,制定了土壤侵蚀敏感性评价指的风场强度指标定级值域,对三江源地区的风场强度进行分级。

2.4 土壤(rang)表层(ceng)湿度

      采用美国AMSR-E 数据源(yuan),经处理(li)得到 25km 分辨(bian)率的土(tu)壤(rang)表层(ceng)湿(shi)度数据,然后插值(zhi)成1km 分辨(bian)率。根(gen)据2009 年全国土(tu)壤(rang)湿(shi)度在(zai) 3.69~23.23 范(fan)围内,制定了(le)土(tu)壤(rang)湿(shi)度指(zhi)标分级(ji)值(zhi)域(yu)。

2.5 土(tu)壤可蚀性(xing)(k)和土(tu)壤质地

      土(tu)壤可蚀性(xing)的计算公(gong)式为(wei):

       其中 S 为土壤结构性(xing)指数(shu),P 为土壤可渗透性(xing)指数(shu),其值在计算(suan)过程中根据下(xia)表判定,S 和(he)P 的取(qu)(qu)值,对应不同的土壤类(lei)型,取(qu)(qu)值可能(neng)略有(you)差异。

      其中

       式中 P1 为粘粒含量,P2 为粉粒含量,P3为细砂粒含量。土壤质地(砂砾、粉粒、粘粒)和有机质数据来自于邵景安博士2007 年在三江源课题组的工作,依据环保部 2003 年制定的《生态功能区划 暂行规程》,J9九游会AG 确定了土壤质地指标的敏感性分级。

       有学者对 23 种主要(yao)土壤的 K 值作了直接的测定,其范围为 0.03~0.69,基于此J9九游会AG 对土壤可蚀性指标进行了敏感性分级。

2.6 降(jiang)雨侵蚀力(R)

       利(li)用日降雨资(zi)料(liao),以(yi)半月为时段,建立利(li)用日雨量计算半月侵(qin)蚀(shi)力的(de)简易算法模型(章文波, 谢云 等, 2002)  :

       式中,M 是某半月时段的降雨侵蚀力值  (MJ·mm·hm-2·h-1)  ;半月时段的划分以每月第15 日为界,每月前15 天作为一个半月时段,该月剩余天数作为另一个半月时段,这样将全年依次划分为24 个时段。k 表示半月时段内的天数;Pj表示半月时段内第j 天的侵蚀性日雨量,要求日雨量大于等于12mm,否则以0 计算,阈值 12mm 基于中国侵蚀性降雨标准(谢云, 刘宝元等, 2000);α、β是 模型待定参数,根据查找表确定(章文波, 谢云等, 2002)。三江源地区采用西宁站的参数:α为0.236,β为1.835(决定系数为 0.603,相对误差系数为 0.072)。把每半月降雨侵蚀力求和,经单位换算,得到年降雨侵蚀力值,然后依据环保部 2003 年制定的《生态功能区划暂行规程》进行分级。

2.7 土壤侵蚀敏(min)感性综合评(ping)价

      土壤侵蚀敏感(gan)性指数(shu)计算(suan)主(zhu)要采(cai)用(yong)开(kai) N 次(ci)方的形式进(jin)行(xing),然(ran)后根据(ju)得到的敏感(gan)性指数(shu)赋予不同的等级。

      式中:SSj 为 j 空间单元土壤侵蚀敏感性指数;Ci为 i 因素敏感性等级值。

3、模拟结果与分

       基于以上分(fen)(fen)析,得到三江源地区土壤侵蚀敏感性评(ping)价(jia)的结(jie)果(guo)并对结(jie)果(guo)进行分(fen)(fen)析。主要分(fen)(fen)析如下:

(1)三江源地区(qu)土壤侵蚀敏感(gan)性(xing)的空间格局(ju)(如(ru)下图(tu))

(2)三(san)江源地区三(san)个(ge)时期土壤侵蚀敏感(gan)性(xing)变化

(3)三江(jiang)源地区(qu)不(bu)同流域土(tu)壤(rang)侵蚀敏感性差异分析(xi)

(4)分县土壤(rang)侵蚀(shi)敏感性(xing)差异分析(xi)

(5)三江源地(di)区不同退化区土壤(rang)侵(qin)蚀敏感性差(cha)异分析

(6) 三江源地区(qu)土壤(rang)侵(qin)蚀驱动力分析(xi)

三江源区1990年(nian)土壤侵蚀敏感(gan)性的(de)空间分布

 

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