汶川地震重灾区土壤侵蚀敏感性评价

汶川地震重灾区土壤侵蚀敏感性评价

徐天献,王玉宽,傅 斌

1,2

1

1

(1.中科院/水利部成都山地灾害与环境研究所,四川成都610041;2.中国科学院研究生院,北京100049)

[关键词]土壤侵蚀;敏感性;评价;地震重灾区;汶川

[摘 要]以通用土壤流失方程为基础,选择降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形起伏度、植被覆盖自然因子作为土壤侵蚀敏感性的评价指标,根据汶川地震重灾区自然环境特征,制定评价指标的分级标准,在GIS技术支持下生成单因子敏感性评价图,在此基础上基于ArcGIS的空间叠加分析功能,完成单因子的叠加运算,从而实现土壤侵蚀敏感性综合评价。结果表明:研究区土壤侵蚀敏感性以高度敏感和中度敏感为主,轻度敏感次之,不敏感和极敏感所占比例较小。空间上土壤侵蚀敏感性呈块状不连续分布,但侵蚀敏感性区域又相对集中,分布特征与地貌类型关系较大。针对不同的土壤侵蚀敏感等级,提出了相应的水土保持对策。

[中图分类号]S157 [文献标识码]A [文章编号]1000-0941(2011)01-0039-04 土壤侵蚀敏感性是指在自然状况下发生土壤侵蚀可能性的大小,它是评价生态系统对人类活动影响的敏感程度的指标,有利于人们认识易形成土壤侵蚀的区域并进行科学防治[1]。目前,国内外对土壤侵蚀敏感性评价有多种方法,不同地区采用的方法差异较大,尚未出现应用范围较广、适用性较强的评价模型,加上对土壤侵蚀敏感性等级的界定没有统一的标准,因此对影响土壤侵蚀敏感性的各单因子评价也未能完全做到定量化[2]。鉴于此,本研究以汶川地震重灾区为研究区域,结合通用土壤流失方程及研究区自然环境特征,选取合适的土壤侵蚀影响因子及计算模型,建立了研究区土壤侵蚀敏感性评价指标体系,并在ArcGIS软件支持下,完成了对研究区土壤侵蚀敏感性有影响的单因子及多因子综合评价,得到了研究区土壤侵蚀敏感性的数量特征及空间分布特征,为研究区灾后重建及水土保持规划提供了科学依据。1 研究区概况

2008年5月12日,中国西南地区遭受了一场里氏8.0级的大地震。地震造成了重大的人员伤亡和财产损失,同时也对区内生态环境造成了巨大破坏。地震重灾区位于四川省西北部川西高原向盆地的过渡地带,涉及成都、绵阳、德阳、广元、阿坝、雅安等6个市(州)的30个县(区),总土地面积76409km2,总人口1385.63万人。在地貌上,研究区处于我国第一阶梯向第二阶梯的过渡地带,西北部主要为高原边缘,中部为中高山地,东部为山前平原和低山丘陵。东部山地为亚热带湿润季风气候,西部山地为干旱河谷气候。由于整个区域地势梯度变化显著,立体气候明显,各地气候差异特别大,气温、降水、光照分布极不均衡,常对重灾区水土流失、生态环境和农业生产

[基金项目]国家自然科学基金项目(40771123);国家科技支撑计划子

专题项目(2008BAD98B05)造成严重影响。根据全国第二次土壤侵蚀遥感调查,研究区土壤侵蚀总面积34953.3km2,其中轻度侵蚀10600.4km2,中度侵蚀15678.4km2,强烈及其以上侵蚀8674.5km2。2 研究方法

20世纪60年代初,Wischmeier和Smith提出了如式(1)所示的通用土壤流失方程(USLE)[3]

A=R#K#LS#C#P

(1)

式中:A为土壤流失量;R为降雨侵蚀力因子;K为土壤可蚀性因子;LS为地形因子,即坡度与坡长因子;C为植被覆盖因子;P为水保措施因子。

USLE已被广泛地应用于我国土壤侵蚀的预报和防治[4],如周伏建等[5]采用USLE和数量化理论分别预报了福建省顺坡撂荒地和具有植物措施的坡地土壤流失量;张宪奎等[6]通过对7年试验数据的分析,建立了黑龙江省土壤流失方程并确定了方程中诸因子的求算方法、数值及该省土壤允许流失量;肖寒等[7]采用RUSLE估算了海南岛的现实土壤侵蚀量和潜在土壤侵蚀量。本研究主要考虑了R、K、LS及C因子,P因子与人类活动密切相关而与生态系统的自然敏感性关系不大,因此研究中暂不考虑此因子的影响。2.1 降雨侵蚀力因子(R)

降雨侵蚀力是指由降雨引起的土壤侵蚀的潜在能力。本研究采用章文波等[8]提出的用日降雨量计算降雨侵蚀力的方法,计算模型为

Mi=A

k

E

(Dj)B

(2)

j=1

式中:Mi为第i个半月时段的降雨侵蚀力值,MJ#mm/(hm2#h);k为该半月时段内的天数;Dj为该半月时段内第j天的侵蚀性日降雨量,要求日降雨量\\12mm,否则以0计算;A和B均为

#40#中国水土保持SWCC 2011年第1期

料,计算出研究区各气象站点的R值,在ArcGIS中利用各气象

(3)(4)

站点的经纬度坐标将其转换成点数据集,运用ArcGIS中的地统计分析模块进行插值,得到研究区降雨侵蚀力分布图,然后根据表1的分级标准对其进行重新分类,得到研究区降雨侵蚀力对土壤侵蚀敏感性的影响分布图(图1)。

模型待定参数,利用日降雨量估计A和B的计算式为

11

B=0.8363+18.144P-.455P-d12+24y12

-7.1891

A=21.586B

式中:Pd12为日降雨量\\12mm的日平均降雨量,mm;,Py12为日降雨量\\12mm的年平均降雨量,mm。

根据以上公式,利用长江上游气象站点的多年降雨观测资

表1 各因子对土壤侵蚀敏感性的影响及分级赋值标准

分 级不敏感轻度敏感中度敏感高度敏感极敏感

R值<200200)400400)600600)800>800

K值<0.200.20)0.250.25)0.300.30)0.35>0.35

地形起伏度(m)

0)2020)5050)150150)300>300

NDVI值<0.20>0.600.45)0.600.30)0.450.20)0.30

Si13579

SSj1)3.53.5)4.54.5)5.55.5)6.56.5)9

注:表中NDVI为植被指数。

图1 研究区降雨侵蚀力对土壤侵蚀敏感性的影响分布2.2 土壤可蚀性因子(K)

土壤可蚀性表示土壤抵抗外力侵蚀的能力,其数值越大表明土壤越容易被侵蚀。对K值有影响的主要是土壤质地。K值的计算采用Williams等

[9]

图2 研究区土壤可蚀性对土壤侵蚀敏感性的影响分布

乘积进行量化。对于大尺度的分析来说,坡度坡长因子是很难计算的。在DEM上的一定分析窗口内,不同高程值的栅格点越多、地面高程变化和地面起伏频率越大,就越易发生土壤侵蚀。因此,也可用地形高程变异系数来表示地形变化的频率大小,并将其作为宏观尺度上的地形指标之一[11]。本研究采用地形起伏度来反映地形因子对土壤侵蚀敏感性的影响。采用研究区30m@30mDEM数据作为地形起伏度的数据源,在Arc-GIS的空间分析模块支持下,取11栅格@11栅格为窗口进行地形起伏度提取,根据表1的分级标准进行重新分类,从而生成地形起伏度对土壤侵蚀敏感性的影响分布图(图3)。

在侵蚀)生产力影响评价模型

(EPIC)中发展形成的计算式,即

K={0.2+0.3exp[-0.0256SAN(1-SIL/100)]}@[SIL/(CLA+SIL)]

0.3

@{1.0-0.025C/[C+exp(3.72-2.95C)]}@

(5)

{1.0-0.7SN1/[SN1+exp(-5.51+22.9SN1)]}碳含量,%;SN1=1-SAN/100。

式中:SAN、SIL、CLA和C分别是土壤中砂粒、粉粒、黏粒和有机

使用式(5)要求土壤颗粒分析采用美国制标准,而我国第二次土壤普查中土壤颗粒分析采用的是国际制标准,因此必须进行土壤质地转换。转换方法采用梁音等[10]提出的计算机模拟法,即在计算机上应用方程y=axb和y=ax2+bx+c进行模拟,得出每个土壤类型的转换方程,两个方程中x=lnP,P为粒径大小(mm),y是粒径地形因子对土壤侵蚀的影响可通过坡度(S)与坡长(L)的

图3 研究区地形对土壤侵蚀敏感性的影响分布徐天献等:汶川地震重灾区土壤侵蚀敏感性评价

2.4 植被覆盖因子(C)

植被冠层和地表覆盖可以保护地表土壤免受雨滴打击,减弱径流冲刷,从而减少土壤侵蚀[12]。植被指数(NDVI)是反映地表植被覆盖状况的指标之一,当植被覆盖度在25%~80%时,NDVI随植被覆盖量呈线性增加,因此利用NDVI可以测定植被覆盖程度[13]。本研究采用Terra/MODIS卫星数据提取250m分辨率的NDVI指数,选取2004)2006年7)9月份(最大值)的NDVI数据进行分析,并从2004)2006年的数据中筛选出云量小于10%的数据进行遥感影像分析,得到研究区3年平均的NDVI值,结合土地利用现状图,综合确定植被覆盖因子对土壤侵蚀敏感性的影响,并根据表1对不同级别的植被指数进行分级赋值,得到植被覆盖因子对土壤侵蚀敏感性的影响分布图(图4)。

土地面积也存在一定差异。3.1 土壤侵蚀对降雨的敏感性评价

#41#

研究区土壤侵蚀对降雨的敏感性以高度敏感为主,所占比例超过40%,其次是中度敏感和极敏感,所占比例分别为24154%和24.69%,不敏感和轻度敏感所占比例很小(表2)。在空间分布上,研究区中部的安县、江油市和东部的三台县以及南部的都江堰市、崇州市降雨侵蚀力最大,其次为北川县、绵竹县、德阳县、东北部的苍溪县以及最南部的宝兴县,这些地区土壤侵蚀对降雨的敏感性都在高度以上;研究区西部和北部地区以及汶川县的东北部地区降雨侵蚀力最低,以不敏感和轻度敏感为主。

表2 降雨对土壤侵蚀敏感性的影响评价结果

分 级不敏感轻度敏感中度敏感高度敏感极敏感

面积(km2)2057.215647.5818693.8130967.1418803.10

所占比例(%)

2.707.4124.5440.6624.69

3.2 土壤侵蚀对土壤可蚀性的敏感性评价

研究区土壤以砂壤质地的紫色土和棕壤为主,对土壤可蚀性的敏感性较高:高度敏感面积最大,为24319.63km2,占研究区总面积的32%;其次为中度敏感和极敏感区,二者所占比例之和接近50%;不敏感面积最少,所占比例不到10%(表3)。在空间分布上,龙门山区的平武县、青川县、朝天区和宝兴县以及龙门山山前平原区是土壤侵蚀的高度敏感和极敏感区,东部

图4 研究区植被覆盖对土壤侵蚀敏感性的影响分布2.5 土壤侵蚀敏感性综合评价

单因子对土壤侵蚀敏感性的影响仅反映了某一因子对土壤侵蚀的作用程度,没有将研究区土壤侵蚀敏感性的空间变异特征综合反映出来[14]。根据各因子的分级及赋值,利用Arc-GIS的空间分析功能和几何平均数法,将上述各单因子对敏感性的影响分布图进行计算,然后根据表1的分级标准将SSj分为5级,绘制出研究区土壤侵蚀敏感性综合评价图(图5)。

的盆地低山丘陵区主要以中度敏感为主。

表3 土壤可蚀性对土壤侵蚀敏感性的影响评价结果

分 级不敏感轻度敏感中度敏感高度敏感

极敏感

面积(km2)4933.309091.9420990.5024319.6316670.18

所占比例(%)

6.4911.9627.6232.00

21.93

3.3 土壤侵蚀对地形的敏感性评价

研究区地形对土壤侵蚀的敏感性较大,以中高度敏感为主,高度敏感所占比例超过45%,中度敏感也接近30%(表4)。在空间分布上,西部的高原边缘区和中部的龙门山区以高度敏感和极敏感为主,东部的盆地低山丘陵区以中度敏感为主,而南部的龙门山山前平原区则以不敏感和轻度敏感为主。

表4 地形对土壤侵蚀敏感性的影响评价结果

分 级不敏感轻度敏感中度敏感

面积(km2)6132.685658.7622401.2335374.377395.93

所占比例(%)

7.977.3529.1145.969.61

图5 研究区土壤侵蚀敏感性综合评价

3 结果分析

高度敏感极敏感

3.4 土壤侵蚀对植被覆盖的敏感性评价

表2)6是降雨、土壤可蚀性、地形、植被覆盖因子对土壤侵蚀敏感性的影响评价及综合评价结果。因空间栅格数据统计存在误差,故5个表中的面积合计值不一致,且与研究区总研究区土壤侵蚀对植被覆盖的敏感性以轻度敏感占绝对优势,所占比例超过50%;其次为中度敏感,所占比例为31189%;不敏感、高度敏感和极敏感区所占比例均不到10%

#42#中国水土保持SWCC 2011年第1期

(3)从研究区土壤侵蚀敏感性分布与现状分布特点看,研究区土壤侵蚀相当严重,必须采取有效的防治措施。高度敏感和中度敏感区所占比例较大,且是强烈和中度侵蚀的主要分布区,在该区必须因地制宜地进行农业生产,严禁乱砍滥伐、毁林开荒,加强对现有植被的保护,同时采取有效的措施进行水土流失动态监测。对于轻度敏感和不敏感区,应继续做好常规的水土保持工作。

[参考文献]

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律及其区划研究[J].生态学报,2001,21(1):14-19.[2]陈燕红,潘文斌,蔡芫镔.基于RUSLE的流域土壤侵蚀敏感

性评价)))以福建省吉溪流域为例[J].山地学报,2007,25(4):490-496.

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敏感性评价及其空间分异特征[J].生态学报,2009,29(2):788-796.

[作者简介]徐天献(1985)),男,福建闽侯县人,硕士研究生,

从事水土保持和流域生态评估研究。

[收稿日期]2010-08-30

6.9917.6733.7337.59

4.02所占比例(%)

2

(表5)。不敏感区主要分布在西部的高原边缘区,中部的龙门山区和龙门山山前平原区以轻度敏感为主,东部的盆地低山丘陵区主要以中度敏感和高度敏感为主,极敏感区零星分布在南部龙门山山前平原区的彭州市、什邡市北部以及汶川县的东北部。

表5 植被覆盖对土壤侵蚀敏感性的影响评价结果

分 级不敏感轻度敏感中度敏感高度敏感极敏感

面积(km2)4092.5439123.6524291.496905.901754.26

所占比例(%)

5.3751.3731.899.072.30

3.5 土壤侵蚀敏感性综合评价

就土壤侵蚀敏感性的数量特征而言,研究区土壤侵蚀以中度敏感(25605.45km)和高度敏感(28533.98km)为主,所占比例分别为33.73%和37.59%;其次为轻度敏感,面积为13414.13km,占17.67%;极敏感所占比例最小,为4.02%,面积为3049.05km(表6)。不敏感主要分布在西部高原边缘的冰川分布地区以及龙门山区平武县的西北部,轻度敏感主要分布在南部龙门山山前平原区的南部以及最北端的松潘县北部,中、高度敏感区分布范围较大,占据了大部分龙门山区和东部的盆地低山丘陵区以及西部部分高原边缘区,极敏感区主要分布在都江堰市、彭州市、什邡市、绵竹市北部的龙门山区一段(龙门山区向山前平原区过渡段)以及零星分布于龙门山区与西部高原边缘区的过渡地带。

表6 土壤侵蚀敏感性综合评价结果

分 级不敏感轻度敏感中度敏感高度敏感

极敏感

面积(km2)5303.4113414.1325605.4528533.983049.05

2

2

2

4 结 语

(1)本研究根据通用土壤流失方程的基本原理,结合研究区自然环境特征,选择降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形、植被覆盖4个评价指标,在GIS技术的支持下对研究区土壤侵蚀敏感性进行了评价。评价结果表明,研究区土壤侵蚀以中度敏感和高度敏感为主,轻度敏感次之,不敏感和极敏感所占比例较小。在空间分布上,土壤侵蚀敏感性呈块状不连续分布,但侵蚀敏感性区域又相对集中,分布特征与地貌类型关系较大。这种评价方法虽快速、精确、可行,但也存在一些不足,如用地形代替坡度坡长因子具有一定的不确定性、未考虑水保措施因子的影响等,如果能对各因子赋予一定的权重,将会取得更好的效果。

(2)降雨、地形、土壤质地以及自然植被状况等因素对土壤侵蚀的分布有重要影响,但在局部地区土壤侵蚀状况与侵蚀敏感性并不完全一致,这是由人类活动的作用程度及土地利用方式的不同造成的。土壤侵蚀是自然因素和人为因素综合作用的结果,合理利用土地资源、加强对植被的保护和恢复是防治土壤侵蚀的重要途径。(责任编辑 赵文礼)

SOILANDWATER

CONSERVATIONINCHINA

No.1(346)2011

Abstracts

CountermeasuresforSoilandWaterConservationofLongitudinalRang-GorgeRegioninNorthwestofYunnan

…………………………………………………………………………YANGWang-zhou1,2,DONGSuo-cheng1,WUYou-de2,etal.

(1.InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China;

2.CollegeofEconomicsandManagement,YunnanNormalUniversity,Kunming,Yunnan650500,China)(31)

Nujiangautonomousprefectureissituatedatthelongitudinalrang-gorgeregioninnorthwestofYunnanProvincewherethenaturalfactorsofgeomorphology,precipitationandsoilareallconducivetosoilandwaterloss.Humanresidentialareasandeconomicactivitiesaresprea-dedalongriversordistributedinintermontanebasinduetotheeffectof/corridor-barrier0function.Theirrationallanduseincludingcultiva-tiononsteepslopes,deforestationanddestructionofgrasslandandwoodlandforincreasingcultivatedlandareashaveworsenthesoilandwa-terlossinvalleyareasandintermontanebasin.Soilandwaterconservationisofgreatimportancetoimprovingeco-environment,ensuringthesecurityofgrainandenergyandcopingwiththeimpactofclimatechangeoftheprefecture.Itisalsoconfrontedwithseverechallengesofglobalclimatechange,fragileecologicalenvironment,concentratedpovertypopulationanddegradationofagriculturalenvironment.Thecountermeasuresforsoilandwaterconservationoftheprefecturearetodevotemajoreffortstodevelopforestryanditsrelatedindustries;speedupthedevelopmentofanimalhusbandrythroughrehabilitationoftreesandgrasses;increasetheunityieldofgrainthroughadoptingmult-imeasures.Keywords:soilandwaterconservation;landuse;longitudinalrang-gorgeregion;fragileecologicalarea;NujiangAutonomousPrefecture;

northwestofYunnanEvaluationonSensibilityofSoilErosionofHarder-HitAreaofWenchuanEarthquake

………………………………………………………………………………………………XUTian-xian1,2,WANGYu-kuan1,FUBin1

(1.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu,Sichuan610041,China;

2.GraduateSchoo,lChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)(39)

Selectingnaturalfactorsoferodingforceofprecipitation,soilerodibility,topographyandvegetationcoverageastheindexesforsensitiv-ityevaluationofsoilerosion,thepaperpreparesgradingstandardsofevaluationindexesbyusingtheUniversalSoilLossEquation(USLE),basedonthecharacteristicsofnaturalenvironmentoftheharder-hitareaofWenchuanearthquake.Itproducessingle-factormapofsensitivityevaluationwiththesupportofGIS,andcompletesoverlappingcalculationwithsingle-factorbasedonthemapandthefunctionofspatialover-lappinganalysisofArcGIS,andachievesintegratedsensitivityevaluationofsoilerosion.Theoutcomesshowthathighlyandmediumsensitiv-itiesarethemaintypesofsoilsensitivity,andthesecondisslightsensitivity,andtheareaproportionofinsensitivityornon-sensitivityaresmaller.Thespatialdistributionofsoilerosionsensitivityassumesblock-discontinuous,buttheregionoferosionsensitivityisrelativelycen-tralizedandthedistributioncharacteristicscloselyrelatedtogeomorphologictypes.Itputsforwardrelevantcountermeasuresforsoilandwaterconservationbasedondifferentratingsofsoilerosionsensitivity.KeyWords:soilerosion;sensitivity;evaluation;harder-hitareaofWenchuanearthquakeFractalCharacteristicsofSpatialStructureofSoilErosioninDianchiBasin…………DINGJian-hong1,XIEFe-ifan2,CHENLi1

(1.YunnanInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Kunming,Yunnan650228,China;

2.YunnanNormalUniversity,Kunming,Yunnan650000,China)(43)

ThepapercalculatesthefractalparametersofspatialstructureofsoilerosionofDianchibasinandanalyzesitsfractalcharacteristicsbyusingGIStechnologycombiningwithfractaltheory.Theoutcomesshowthata)thefractalcharacteristicsofspatialstructureofsoilerosionofDianchibasinobjectivelyexistandthecomplicateddegreeofspotshapeofsoilerosionindifferentintensityisdifferent,ofwhich,lightero-sion>mediumerosion>extremeintensiveerosion>intensiveerosion>strenuouserosion;b)thestabilityofspatialstructureofsoilero-siondecreasesatthebeginningandthenincreaseslateralongwiththeincreaseoferosionintensity;c)thecompactnessofspatialstructureofeachsoilerosionintensityisinrangeof0.600~0.630andtheaggregationofspotshaveslightlydifferentbecauseoftheinfluenceofhumanactivities.KeyWords:GIS;soilerosion;fractaldimensionvalue;stability;compactness;DianchibasinLastingEffectofPolyacrylamideforPreventionandControlofSoilErosion…………XIAHa-ijiang1,2,SUWe-ihuan2,GAOYan2

(1.NortheasternUniversity,Shenyang,Liaoning110004,China;2.WaterConservancyandHydropowerScience

ResearchInstituteofLiaoningProvince,Shenyang,Liaoning110003,China)(49)

Usingchemicalmeasurestopreventandcontrolsoilandwaterlosshasbecomeanewresearchfieldanddrawnwidelyattentionofre-searchers.Thepapertakesproperdosageofoptimizedformulationofpolyacrylamide,whichishighpolymerandhasthefunctionsofsoilandwaterlosspreventionandcontrolforlaboratorystudy.Theresultshowsthatpolyacrylamidecankeeptheeffectofreducingtheamountofsoilandwaterlossmorethan50%,.ie.thelastingeffectiveperiodforsoilandwaterlosspreventionandcontrolcanlastformorethantwoyears.

KeyWords:soilandwaterloss;chemicalmeasures;polyacrylamide;lastingeffect