基于遥感及气象数据的土壤侵蚀敏感性评价的解决方案

1.引言

    土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力（水、风）作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程。土壤侵蚀是全球环境的灾难，他不仅影响了人们的生存和社会发展，更限制了全球经济的可持续发展。 三江源地区由于特定的自然环境和脆弱的生态系统，其水土流失问题的研究具有重要意义。土壤侵蚀敏感性评价是三江源地区生态环境评价的重要部分，它能够为该地区生态保护和建设提供科学依据。

    本方案通过对三江源地区土壤侵蚀敏感性的评价来识别容易形成土壤侵蚀的区域并进行分级。 评价主要基于三江源地区自 1990 年以来生态环境数据积累，包括用于土壤侵蚀敏感性评价的各项自然指标数据。在对该地区的生态状况进行全面调查的基础上，制定了较为合理的技术路线（如图 1） 。根据三江源地区土壤侵蚀类型和特点，本次评价将分水蚀区域和风蚀区域分别进行评价，然后进行综合制图。

图 1 土壤侵蚀敏感性评价技术路线

2.数据准备及预处理

    土壤水蚀的影响因素有降雨侵蚀力（R）、土壤质地、土壤可蚀性、地形起伏度和植被状况。其中降雨侵蚀力和植被状况指标随时间发生变化，分别有 1990、2004 和 2009 年三期数据。

    土壤风蚀敏感性的指标主要有土壤质地、土壤可蚀性、地形起伏度、植被状况、风场强度和土壤表层湿度，对各因子分别评价，然后进行综合。本次评价中植被状况、风场强度和土壤表层湿度三项指标随时间而发生变化，分别为 1990、2004 和 2009 年三期的数据。

3.研究方法

    3.1  地形起伏度

    利用三江源地区 100m 分辨率 dem 数据，采用 ArcMap 中的空间分析  (SpatialAnalyst)  模块中的邻域分析  (Neighborhood  Statistic)工具,以 n×n 像元的圆形为模板算子，对整个研究区进行移动计算, 先计算出 n×n 像元内的格网最大值  maximum,然后计算出其领域最小值 mini mum,再利用模块中的栅格计算工具(Raster Calculator)  计算最大值与最小值高程差,就得到了该  n×n 窗口的地势起伏度结果值。

    可表示为如下公式:

RF = H_max− H_min

    式中:  RF 是分析窗口内的地势起伏度;  H_max 是分析窗口内的最大高程值;  H_min 是分析窗口内的最小高程值。

    3.2  植被指标  

    利用 1990、 2004 和 2009 三期 TM 遥感卫星图像，结合野外调查和人工目视解译，得到了三江源地区 1990 年以来三期土地覆被/利用和草地退化状况数据。然后融合三江源地区 1:100 万植被覆盖，我们得到了该地区土壤侵蚀敏感性评价的植被状况指标定级。

    3.3  风场强度

    风场强度的计算采用美国农业部土壤风力侵蚀方程 RWEQ 中的相应公式：

W = ∑U × (U − U_c)²

    式中，W 为风能强度因子，单位为 m³/s³，U 为离地面 2m 高处的风速（10min 最大风速），U_c 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。

    3.4  土壤表层湿度

    采用美国 AMSR- E 数据源，经处理得到 25km 分辨率的土壤表层湿度数据，然后插值成 1k m 分辨率。根据 2009 年全国土壤湿度在 3.69~23.23 范围内，制定了土壤湿度指标分级值域。

    3.5  土壤可蚀性（k）和土壤质地

    土壤可蚀性的计算公式为：

K = [2.1 × 10⁻⁴(12 − OM)U^1.14+ 3.25(S − 2) + 2.5(P − 3)]/100     

    其中 S 为土壤结构性指数，P 为土壤可渗透性指数，其值在计算过程中根据下表判定，S 和 P 的取值，对应不同的土壤类型，取值可能略有差异。

    其中

 M = [(P₂+ P₃) × (100 − P₁)]^1.14

    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》 ，我们确定了土壤质地指标的敏感性分级。

    有学者对 23 种主要土壤的 K 值作了直接的测定， 其范围为 0.03~0.69，基于此我们对土壤可蚀性指标进行了敏感性分级。

    3.6  降雨侵蚀力（R）

    利用日降雨资料，以半月为时段，建立利用日雨量计算半月侵蚀力的简易算法模型(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。

    3.7  土壤侵蚀敏感性综合评价

    土壤侵蚀敏感性指数计算主要采用开 N 次方的形式进行，然后根据得到的敏感性指数赋予不同的等级。

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

4.模拟结果与分析

    基于以上分析，得到三江源地区土壤侵蚀敏感性评价的结果并对结果进行分析。主要分析如下：

    （1）  三江源地区土壤侵蚀敏感性的空间格局（图 2）

    （2）  三江源地区三个时期土壤侵蚀敏感性变化

    （3）  三江源地区不同流域土壤侵蚀敏感性差异分析

    （4）  分县土壤侵蚀敏感性差异分析

    （5）  三江源地区不同退化区土壤侵蚀敏感性差异分析

    （6）  三江源地区土壤侵蚀驱动力分析

图 2 三江源地区 1990 年土壤侵蚀敏感性的空间分布