摘要
以小流域为基本单元进行流域综合管理正在被世界上越来越多的国家所重视。我国是世界上较早开展小流域水土流失综合治理的国家之一,近20年来,由于社会经济的高速发展,开发建设项目大面积扰动土地,形成新的水土流失,出现一方治理,多方破坏的现象,使水土流失状况呈现复杂化、多样化特征。本文基于地形图、SPOT5遥感数据等,综合利用ArcGIS9.0、ArcView3.3、ERDAS IMAGINE8.7、ENVI4.2等软件,采用景观格局分析、传统方法与新技术相结合、理论分析与野外定位观测相结合等方法,对全国30条典型小流域之南方红壤丘陵区的一个典型代表—长汀县朱溪河小流域展开研究,目的是为小流域水土保持行政管理、水土保持规划以及预测预报模型研究提供可借鉴方法。
本研究的主要成果包括:1)建立了大比例尺、高精度的朱溪河小流域地理空间数据集,探讨了综合利用不同软件各自优点进行小流域空间数据建立的实用技术与方法。2)详细分析了2000年以来朱溪河小流域土壤侵蚀数量结构与空间位置的演化,得出微度和轻度侵蚀大幅度增加,而中度以上侵蚀明显减少;土壤侵蚀分布总重心向西南偏移;所有高程带、坡度等级和坡向类别上的SEII和SEIC均下降等结论。3)分析了朱溪河小流域侵蚀景观时空格局的变化,得出整体景观向均质化方向发展;不同坡度等级内各景观类型结构变化存在较大差异,其景观空间关系和景观异质性也发生了显著变化;人类活动的干预是小流域侵蚀景观格局动态变化的主要驱动因素。4)监测了2007年游屋圳小流域的水土保持状况,耕地面积约2.05 km~2,土壤侵蚀面积约5.32 km~2,累计综合治理面积约5.28 km~2,植被覆盖度达55%。
A small watershed as the basic unit for integrated watershed management is being recognized and introduced by more and more countries. In recent 20 years, due to the rapid development of socioeconomic situation, large area of land is destroyed by exploitation projects, therefore, new soil erosion occurs, and the complexity and diversity of soil erosion presents. Based on the topographic contour map (scale=1:10000) and SPOT5 image data, supported by ArcGIS9.0、ArcView3.3、ERDAS IMAGINE8.7、ENVI4.2, with their respective processing technologies, take the landscape pattern analysis, investigation and practice as the research methods, the development and application of high spatial resolution data in the small watershed of Zhuxi River were studied. The results indicated that:
1) The availability of high resolution data, including those of topography, hydrography, soil erosion, land use and so on, for watersheds, is an increasing concern. The case study can serve as a model for building high resolution spatial data and provide a means to solicit detailed information for decision marking in the planning, management or monitoring of watersheds. Issues about error minimization, data quality control, and how to improve data accuracy, are also identified.
2) The structure of quantity and spatial distribution of soil erosion was analyzed in the study region. The soil erosion status has been improving, particularly since the 2000s, with the erosion rate showing an evident decline over the past 7 years. The slight and light erosion was doubly increased while the moderate and more serious erosion were decreased. The Soil Erosion Intensity Index (SEII) and the Soil Erosion Intensity Coefficient (SEIC) in 2007 were lower than that in 1999 under different terrain gradients such as elevation, slope and aspect.
3) The spatio-temporal pattern of eroded landscape in the small watershed of Zhuxi River obviously changed, too. The homogenization of eroded landscape was ascensive. The compositions of eroded landscape in different slope grades were quite different, and the variations from 1999 to 2007 were also quite different. Human activity is the main driving factor for the dynamic changes of spatial pattern of eroded landscape in this study region.
4) Resorting to the powerful function of RegionManager5.5, and the field survey, the soil and water conservation monitoring in the small watershed of Youwuzhen River in 2007 were carried out.
引文
[1]傅如通,王其森,戴立丰.绿梦成真—长汀河田水土流失治理纪实[M].北京:北京广播学院出版社,1999.
[2]王维明,陈明华,林敬兰,等.长汀县水土流失动态变化及防治对策研究[J].水土保持通报,2005,25(4):73-77.
[3]张木匋.一年来河田土壤保肥试验工作[J].福建水土保持,1990,2(3):53-58.
[4]Bacic I L Z,Rossiter D G,Bregt A K.Using spatial information to improve collective understanding of shared environmental problems at watershed level[J].Landscape and urban planning,2006,77(1/2):54-66.
[5]Ma Yong-sheng.GIS Application in Watershed Management[J].Nature and Science,2004,2(2):1-7.
[6]胡鹏,胡毓钜,杨传勇,等.我国地球空间数据框架的设计思想、技术路线及若干理论问题讨论[J].武汉大学学报(信息科学版),2002,27(3):283-288.
[7]李妍彬,田至美.北京山区小流域治理措施综述[J].环境科学与管理,2007,32(2):101-103.
[8]Falkenamrk M.Society's interaction with the water cycle:a conceptual framework for a more holistic approach[J].Hydrological Sciences,1997,42(4):451-466.
[9]Jonch-Clausen T,Fugl J.Firming up the conceptual basis of integrated water resources management[J].International Journal of Water Resources Development,2001,17(4):501-510.
[10]李怀甫.小流域治理理论与方法[M].北京:中国水利水电出版社,1989.
[11]郭廷辅.水土保持的发展与展望[M].北京:中国水利水电出版社,1997.
[12]陈良.低山丘陵区水土保持治理与生态环境效应—以江苏省盱眙县为例[J].长江流域资源与环境,2004,13(4):370-374.
[13]陈雷.中国的水土保持[J].中国水土保持,2002,(7):7-8.
[14]杨勤科,李锐.中国水土流失和水土保持定量研究进展[J].水土保持通报,1998,(10):14-16.
[15]Koch M.Geological controls of land degradation as detected by remote sensing:a case study in Los Monergros,north-east Spain[J].International Journal of Remote Sensing,2000,21(3):457-473.
[16]范建容.基于RS和GIS的四川省李子溪流域土壤侵蚀动态变化[J].水土保持学报,2001,15(4):25-28.
[17]杨健新.南方小流域水土流失遥感动态监测技术研究[D].中山大学硕士学位论文,2004.
[18]邱扬,傅伯杰,王军,等.黄土丘陵小流域土壤侵蚀的时空变异及其影响因子[J].生态学报,2004,24(9):1871-1877.
[19]Chen Y.B.,Lin C W,Huang J J,et al.Soil Erosion Modeling and Scenario Analysis for the Small Catchment in the Purple Hilly Masses of Sichuan Basin[J].Science of Soil and Water Conservation,2006,4(1):98-108.
[20]倪九派,傅涛,李瑞雪,等.应用ARCINFO预测芋子沟小流域土壤侵蚀量的研究[J].水土 保持学报,2001,15(4):46-50.
[21]徐天蜀,彭世揆,岳彩荣.基于GIS的小流域土壤侵蚀评价研究[J].南京林业大学学报(自然科学版),2002,26(4):43-46.
[22]洪华生,杨远,黄金良.基于GIS和USLE的下庄小流域土壤侵蚀量预测研究[J].厦门大学学报(自然科学版),2005,44(5):675-679.
[23]刘耀林,罗志军.基于GIS的小流域水土流失遥感定量监测研究[J].武汉大学学报(信息科学版),2006,3 1(1):35-38.
[24]赵磊,袁国林,张琰,等.基于GIS和USLE模型对滇池宝象河流域土壤侵蚀量的研究[J].水土保持通报,2007,27(3):42-46.
[25]门宝辉.VB5.0在初步开发小流域水土保持规划信息体统中的应用[J].水土保持通报,1999,19(6):36-38.
[26]史志华,蔡崇法,丁树文,等.基于GIS和RUSLE的小流域农用地水土保持规划研究[J].农业工程学报,2002,18(4):172-175.
[27]刘高焕,刘俊卫,朱会义.基于GIS的小流域地块单元划分与汇流网络计算[J].地球科学进展,2002,21(2):139-145.
[28]杨联安,杨凯.GIS软件在小流域规划与管理中的应用初探[J].西北大学学报(自然科学版),2002,32(6):672-676.
[29]罗洁,孟广涛,周跃,等.GIS-RS一体化技术在土壤侵蚀研究中的应用[J].水土保持研究,2006,13(6):171-174.
[30]张萍.基于GIS的东圳库区水源地景观格局与水土流失特征研究[D].福建师范大学硕士学位论文,2007.
[31]马力.基于GIS水土保持动态规划方法研究—以县南沟小流域为例[D].西北农林科技大学硕士学位论文,2003.
[32]原立峰,周启刚.元胞自动机在模拟土壤侵蚀时空演化过程中的应用[J].水土保持研究,2005,12(6):58-60,155.
[33]欧敏,黄建国,张永兴,等.基于GeoCA和GIS的水土流失空间演化模拟研究[J].水土保持通报,2007,27(3):116-120.
[34]Haboudane,et al.Land degradation and erosion risk mapping by fusion of spectrally-based information and digital geomorphometric attributes[J].International Journal of Remote Sensing,2002,23(18):3795-3820.
[35]Navas A,Machin J.Assessing erosion risks in the gypsiferous steppe of Litigio(NE Spain),An approach using GIS[J].Journal of Arid Environments,1997,37(3):433-441.
[36]田建林,聂琴,石军南.Quick bird影像在景观类型区划中的应用—以红水河流域贵州省册亨县纳牙村为例[J].石河子大学学报(自然科学版),2006,24(2):227-230.
[37]岳彩荣.利用卫星遥感和GIS技术进行昭通地区土壤侵蚀调查研究[J].水土保持通报,2003,23(2):36-39.
[38]周月敏.面向小流域管理的水土保持遥感监测方法研究[D].中国科学院遥感应用研究所博 士学位论文,2005.
[39]王璞玉,潘竟虎,韩进凤,等.GIS和遥感支持下的小流域非点源污染负荷估算[J].资源开发与市场,2006,22(5):419-421.
[40]潘竟虎,董晓峰.基于GIS与Quick Bird影像的小流域土壤侵蚀定量评价[J].生态与农村环境学报,2006,22(2):1-5.
[41]Bocco G.Remote sensing and GIS-based regional geomorphological mapping a tool for land use planning in developing countries[J].Geomorphology,2001,39:211-219.
[42]Mathieu R,et al.Contribution of multi-temporal SPOT data to the mapping of a soil erosion index—the case of the loamy plateau of northern France[J].Soil Technology,1997,10(2):99-110.
[43]彭飞宇,夏菁.基于GIS技术的全数字土壤侵蚀遥感调查与制图[J].水利水电工程设计,2001,20(2):34-35.
[44]刘国平.内蒙古水利基础数字图开发[J].内蒙古水利,2003,(4):52-53.
[45]祝民强,高永光,吕开云.抚州地区TM影像的水土流失信息自动提取专家模式研究[J].华东地质学院学报,2002,25(3):187-189.
[46]冷疏影,冯仁国,李锐,等.土壤侵蚀与水土保持科学重点研究领域与问题[J].水土保持学报,2004,18(1):1-7.
[47]刘凤芹,鲁绍伟,杨新兵,等.“3S”技术在小流域综合治理中的应用[J].水土保持研究,2007,14(3):82-83.
[48]孟广涛,方向京,和丽萍,等.3S技术在水土保持动态监测中的应用[J].水土保持研究,2007,14(2):8-10.
[49]张志,华学理.GIS支持下的土壤侵蚀强度景观空间结构研究[J].水土保持学报,2001,15(6):6-8,19.
[50]邱扬,傅伯杰,王勇.土壤侵蚀时空变异及其与环境因子的时空关系[J].水土保持学报,2002,16(1):108-111.
[51]邱扬,傅伯杰.异质景观中水土流失的空间变异与尺度变异[J].生态学报,2004,24(2):331-337.
[52]杨子生.论水土流失与土壤侵蚀及其有关概念的界定[J].山地学报,2001,19(5):436-445.
[53]赵常明,刘世荣,刘兴良,等.长江上游退化天然林恢复与重建的生态对策[A].南京师范大学.中国自然资源学会2004年学术年会论文集(下册)[C].南京:2004,726-739.
[54]中国科学院遥感应用研究所.全国土壤侵蚀遥感调查与监测系统研制分阶段实施方案[M].水利部水土保持监测中心,1999.
[55]肖笃宁,李秀珍,高峻.景观生态学[M].北京:科学出版社,2003.
[56]张志,王少军,赵温霞.湖北省土壤侵蚀景观信息定量研究[J].水土保持通报,2001,21(2):37-40.
[57]张志,王少军,华学理.湖北省“土壤侵蚀内城现象”及景观格局[J].水土保持通报,2001,21(4):30-33.
[58]涂宏章,陈志彪,谢跟踪.罗地河小流域侵蚀景观格局的变化[J].福建师范大学学报(自然 科学版),2002,18(1):108-111.
[59]王少军,张志.湖北武当山区土壤侵蚀景观成因机理研究[J].水土保持研究,2003,10(4):113-116.
[60]侯琳,彭鸿.景观格局方法在水土流失动态监测中的应用[J].山西水土保持科技,2003,9(3):15-16.
[61]王库,史学正,于东升,等.基于景观格局分析的兴国县土壤侵蚀演变研究[J].水土保持学报,2003,17(4):94-98.
[62]张志,王少军.湖北省土壤侵蚀景观空间异质性及驱动因子分析[J].中国地质灾害与防治学报,2004,15(4):49-53.
[63]徐霞.重庆市生态修复示范区退化生态系统景观评价与土壤肥力质量分析[D].西南农业大学,硕士学位论文,2004.
[64]陈志彪.花岗岩侵蚀山地生态重建及其生态环境效应[D].福建师范大学博士学位论文,2005.
[65]游珍,李占斌,袁琼.景观生态学原理在土壤侵蚀学中的应用与实例分析[J].水土保持研究,2005,12(3):141-144.
[66]朱韦,魏虹,彭月,等.三峡库周区不同土地利用方式下土壤侵蚀变化特征—以重庆市璧山县为例[J].水土保持研究,2007,14(3):376-380.
[67]潘竟虎,鱼腾飞,相得年,等.陇东黄土高原土壤侵蚀景观格局变化分析—以庆城项目区为例[J].山地农业生态学报,2007,26(4):314-318.
[68]SANCHEZ L A,ATAROFF M,LOPEZ R.Soil erosion under different vegetation cover in the Venezuelan Andes[J].The Environmentalist,2002,22:161-172.
[69]岳辉,陈志彪.朱溪河小流域水土流失治理与生态环境效应[J].福建地理,2003,18(1):6-8.
[70]林辉,何安国,赵煜鹏,等.QUICKBIRD数据处理及其应用[J].遥感信息应用技术,2004:20-23.
[71]赵帮元,喻权刚,马红斌,等.不同比例尺数字高程模型在水土保持信息提取中的应用分析[J].中国水土保持SWCC,2004,(2):33-35.
[72]张超.遥感在北京生态监测中的应用研究[D].浙江大学博士后学位论文,2005.
[73]王鸿斌,刘斌,田杏芳,等.黄土高原沟壑区典型小流域高精度DEM制作及其应用研究[J].水土保持通报,2004,24(3):34-36.
[74]施介岚,史天元.以ASTER立体像对产制数字高程模型之精度研究[A].见:第22届测量学术及应用研讨会论文集[C],2003:257-266.
[75]惠凤鸣,田庆久,李应成.ASTER数据的DEM生成及精度评价[J].遥感信息,2004,(1):14-18.
[76]陈志强.区域多尺度LUCC及空间数据库研究[D].福建师范大学博士学位论文,2006.
[77]汤国安,杨昕编著.ArcGIS地理信息系统空间分析实验教程[M].北京:科学出版社,2006.
[78]王芳.3S技术在深圳市宝安区水土流失动态监测中的应用研究[D].甘肃农业大学硕士学位论文,2005.
[79]汤国安,陈正江,赵牡丹,等.ArcView地理信息系统空间分析方法[M].北京:科学出版社,2002.
[80]龚健雅.当代GIS的若干理论与技术[M].武汉测绘科技大学出版社,1999:197-199.
[81]汤国安,刘学军,闾国年著.数字高程模型及地学分析的原理与方法[M].北京:科学出版社,2005.
[82]赵英时.遥感应用分析原理与方法[M].北京:科学出版社,2003.
[83]蓝士斌.基于遥感与GIS的水土保持应用研究[D].中国人民解放军信息工程大学硕士学位论文,2005.
[84]Friedl,M,Brodley,C,Strahler Maximizing land cover classification accuracies produced by decision tree at continental to global scales.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing[J].1999,37(2):969-977.
[85]曾志远.卫星遥感图像计算机分类与地学应用研究[M].北京:科学出版社,2004:47.
[86]黎霄平.基于“3S”技术的吉林省土壤侵蚀监控及成果评价[D].大连理工大学硕士学位论文,2005.
[87]汪爱华,张树清,张柏.三江平原沼泽湿地景观空间格局变化[J].生态学报,2003,23(2):237-243.
[88]PEARSON S M,TURNER M G,DRAKE J B.Landscape change and habitat availability in the southern highlands and Olympic Peninsula[J].Ecological Applications,1999,9(4):1288-1304.
[89]张志,朱金兆,朱清科,等.晋西黄土区蔡家川流域景观地形分异格局研究[J].北京林业大学学报,2005,27(2):43-48.
[90]杨存建,刘纪远,张增祥,等.不同高程带上的土壤侵蚀特征分析[J].水土保持通报,2001,21(4):15-18.
[91]杨存建,刘纪远,张增祥,等.GIS支持下不同坡度的土壤侵蚀特征分析[J].水土保持学报,2002,16(6):46-49.
[92]钱乐祥.影响福建土壤侵蚀的景观因子分析[J].土壤侵蚀与水土保持学报,1997,3(1):23-29.
[93]郑本暖.GIS支持下东圳库区水土流失景观因子分异研究[J].水土保持研究,2007,14(4):210-213.
[94]张军,倪绍祥,于文静,等.三江并流区居民点空间分布规律[J].山地学报,2003,21(1):121-125.
[95]王思远,王光谦,陈志祥.黄河流域土地利用与土壤侵蚀的耦合关系[J].自然灾害学报,2005,14(1):32-37.
[96]王思远,刘纪远,张增祥,等.不同土地利用背景下土壤侵蚀空间分布规律研究[J].水土保持学报,2001,15(3):48-51.
[97]刘新华,张晓萍,杨勤科,等.不同尺度下影响水土流失地形因子指标的分析与选取[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2004,32(6):107-111.
[98]张晓萍,李锐,杨勤科,等.基于RS/GIS的中尺度地区退耕变化及其坡度分异研究[J].农业资源与环境科学,2005,21(8):388-392.
[99]孙丽,陈焕伟,潘家文.运用DEM剖析土地利用类型的分布及时空变化[J].山地学报,2004,22(6):762-766.
[100]陈志彪,朱鹤健,刘强,等.根溪河小流域的崩岗特征及其治理措施[J].自然灾害学报,2006,15(5):83-88.
[101]余新晓,牛健植,关文彬,冯仲科编.景观生态学[M].北京:高等教育出版社,2006.
[102]杨丽,甄霖,谢高地,等.泾河流域景观指数的粒度效应分析[J].资源科学,2007,29(2):183-187.
[103]李秀珍,布仁仓,常禹.景观格局指标对不同景观格局的反应[J].生态学报,2004,24(1):123-134.
[104]Brett J.G.Is landscape connectivity a dependent or independent variable?[J].Landscape Ecology,2003,18:687-699.
[105]David J.B.,Kevin W.,Frank S.Sensitivity of landscape pattern indices to input data characteristics on real landscapes:Implications for their use in natural disturbance emulation[J].Landscape Ecology,2004,19:255-271.
[106]Saura S.Effects of remote sensor spatial resolution and data aggregation on selected fragmentation indices[J].Landscape Ecology,2004,19:197-209.
[107]Griffith J.A.,Martinko E.A.,Price K.P.Landscape structure analysis of Kansas at three scales [J].Landscape Urban Plan,2000,52:45-61.
[108]Rebecca L.Cifaldi,J.David Allan,J.D.Duh,et al.Spatial patterns in land cover of exurbanizing watersheds in Southeastern Michigan[J].Landscape and Urban Planning,2004,66:107-123.
[109]Faith R.K,N.M.K,James L.C.,et al.A method for the use of landscape metrics in freshwater research and management[J].Landscape Ecology,2005,20:113-125.
[110]Mc Garigal Kand Marks B.FRAGSTATS:Spatial pattern analysis program for quantifying landscape structure[M].Reference manual.Forest-Science Department,Oregon State University,Corvallis Oregon,March 1994.62pp.+ Append.
[111]Nikora V I,Pearson C P,Shankar U.Scaling properties in landscape patterns[M].New Zealand experience.Landscape Ecology.1999,14:17-33.
[112]Hong Set al.An aggregation index(AI)to quantify spatial patterns of landscapes[J].Landscape Ecology,2000,15(2):591-601.
[113]O'Neil R V,Milne B T,Turner M G,Gardner R H,Resource utilization scales and Landscape pattern[J].Landscape Ecology,1989a,2:63-69.
[114]赵文武,傅伯杰,陈利顶.景观指数的粒度变化效应[J].第四纪研究,2003,23(3):326-333.
[115]张娜.生态学中的尺度问题:内涵与分析方法[J].生态学报,2006,26(7):2340-2355.
[116]杨亚.土地利用景观格局变化研究—以昆山市为例[D].南京农业大学硕士学位论文,2005.
[117]刘培娟,马文贵,杨吉华,等.鲁中南山区径流小区不同坡度条件下四种植被的水土流失规律研究[J].水土保持研究,2007,14(6):357-359.