典型岩溶区水土流失动态监测研究

(1.贵州师范学院地理与旅游学院，贵州 贵阳550018；贵州师范大学南方喀斯特研究院，贵州 贵阳550001) (2.贵州师范学院，贵州 贵阳 550018)

引 言

水土流失是指在水力、风力、重力等外营力作用下，水土资源和土地生产力的破坏和损失，包括土壤侵蚀和水的流失[1-2]。在岩溶地区，由于岩溶生态环境的复杂性、脆弱性和差异性决定了岩溶地区水土流失的特殊性[3]。岩溶地区成土速度慢，土层浅薄，水土流失造成基岩逐渐裸露而形成石漠化，水土流失成为喀斯特地区环境和生态系统的关键因素，喀斯特地区土壤侵蚀防治尤为重要[4]。近年来，中国岩溶区土壤侵蚀研究得到快速发展，研究成果集中在：水土流失的理论研究[5]、土壤流失方程[6]、岩溶区水土流失等级划分及评价标准[7]、地下流失特征及比重定量研究[8-9]、3S技术在区域土壤侵蚀调查中的应用[10]、区域水土流失特征[11]、水土流失治理措施[12]、定位监测与评价[13]等。水土流失是一个长期且动态的过程，长时间动态监测岩溶区的水土流失的动态变化、全面分析水土流失类型转变规律，及时提出针对性的治理措施，对于岩溶区的水土流失治理更具实际意义。论文选择典型岩溶区安顺市为研究对象，运用3S技术，提取各项水土流失专题因子，生成水土流失等级分布图，研究1995-2015年水土流失变化特征及不同阶段水土流失阶段差异性，为岩溶区水土流失及石漠化治理提供决策参考。

1 研究区概况

安顺市位于贵州省中西部，东经105°13′-106°34′，北纬25°21′-26°28′，是世界上典型的喀斯特地貌集中地区。境内山峦起伏，地势高低不平，海拔高度主体分布在500-1800m。最高海拔1850m。安顺市属典型的高原型湿润亚热带季风气候，雨量充沛，年平均降雨量1360mm，年平均气温14℃，历史最高气温34.3℃，最低气温-7.6℃，年平均相对湿度80%，年平均风速2.4m/s。根据2015年第六次全国人口普查，全市常住人口为231.35万人，人口出生率为12.44‰，自然增长率为5.75‰。

2 技术路线

因岩溶区水土流失过程中可以流失土壤量远远小于非岩溶区，在非岩溶区，水土流失以坡面流失为主，但岩溶区水土流失方式与非岩溶区有很大差异，使用土壤流失强度标准对于岩溶区的水土流失等级的判定显然不合适，因此需采用岩溶区界定标准[14]，岩溶区采用《岩溶地区水土流失综合治理技术标准》中水土流失等级划分标准[15]，非岩溶地区采用全国《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190-2007)[16]，分别依据界定标准将研究区水土流失等级判定为微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀6类。根据标准中影响因子分别提取专题因子图层，采用1995年的分辨率为30m的TM影像，2010年分辨率为10m的ALOS影像，2015年分辨率为8m的资源三号卫星影像作为研究的基础性资料。通过计算机自动分类、遥感解译和人机相互解译，分别提取植被覆盖度和土地利用图，利用安顺市1:50000地形图生成研究区坡度图，根据研究区1:50000地质图提取岩性图，根据研究区1:50000石漠化等级图提取基岩裸露率5个专题图层。将所有专题图层在GIS中空间叠加到一个图层，按照分级标准界定生成安顺市1995年、2010年、2015年水土流失分级图。通过1995-2015年三个阶段水土流失变化情况进行对比研究分析变化，探究其变化规律。

3 水土流失评定因子获取

3.1 土地利用类型

本次研究通过人机相互互译方式对研究区的土地利用类型进行提取，按照岩溶水土流失区界定标准划分土地利用类型为旱地、水田、水域、建设用地等。运用ERDAS软件对1995年TM影像、2010年ALOS影像、2015年的资源三号卫星影像进行分层信息分析，结合外业建立的解译标志和分类系统对影像进行分层分类。使用分层分类法可以减少因为同物异谱或异物同谱现象使得分类精度不高而产生的误差和判定错误[17-18]，通过分层分析和人工解译结合的方式得到土地利用专题图。

3.2 地形坡度

采用建立的数字地面高程模型，在GIS支持下利用专门的算法提取坡度。以研究区1:5万地形图作为底图，矢量化生成DEM数据，以15m为单元格计算研究区的坡度[19]。

3.3 植被综合盖度

植被覆盖度是评判一片区域的植被群落保持水土的能力的重要指标，也是水土流失等级判定的重要评判因子之一。利用植被指数与植被覆盖度的关系，建立了使用植被指数估算植被覆盖度的模型[20]。利用归一化差值植被指数(NDVI)，根据像元二分模型，一个像元的NDVI值是由两部分构成，一个是绿色植被部分所贡献的信息NDVIveg，另外一个是无植被覆盖部分所贡献的信息NDVIsoil，将归一化植被指数(NDVI)带入公式就可以计算出植被综合盖度：

Vc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIveg-NDVIsoil)

3.4 基岩裸露率

基岩裸露率计算采用遥感反演获取[15]，基于多光谱遥感影像的裸岩率计算方法将单个像元作为计算分析的基本单元，每个像元的裸岩率取值范围为0～100%。在喀斯特地区，除建设用地、水域外，其他区域的土地覆被构成均可分成3大类：植被、土壤和岩石。因此，在多光谱遥感影像的裸岩率计算方法为在单位面积内的基础上，如果植被覆盖度达到X%，土壤裸露率达到Y%，则基石裸露率为(1-X%-Y%)。可用数学公式表示如下：

BRp=(1-BSp- Fc)100%

其中：BRp代表基岩裸露率，BSp代表土壤裸露率，Fc代表植被覆盖度，利用像元二分模型计算植被覆盖度，通过应用裸土指数(BI)，参照使用NDVI估算植被覆盖度的方法计算土壤裸露率。

图1 安顺市土壤侵蚀图2010年(左)、2015年(右)

4 结果分析

4.1 安顺市水土流失现状及其构成

基于获取的2015年遥感数据和各项水土流失评定因子数据，得出安顺市2015年水土流失现状图，统计分析各个等级水土流失面积。由表1可以看出，安顺市土壤侵蚀等级以微度侵蚀为主，微度土壤侵蚀面积达到6818.71km2，占全市总面积的74.4%。水土流失面积(轻度侵蚀及以上等级)为2352.02 km2，占安顺市总面积的25.6%，各种水土流失等级中，轻度侵蚀面积最大，面积为1183.62km2，占总面积的12.9%；剧烈侵蚀面积35.65km2，占全市总面积的0.40%。随着等级升高，各种水土流失面积逐渐减少，水土流失等级呈金字塔状。

表1 安顺市2015年各县区土壤侵蚀统计表

安顺市水土流失空间分布有较大差异，南部和西北部水土流失等级较高，水土流失强弱受地形岩性影响大，南部区域河流切割严重，坡度较大，水土流失明显高于其他域。非岩溶区水土流失等级高于岩溶区。岩溶区因图层浅薄，土壤总量比非岩溶区少，水土流失量反而比非岩溶区小。从各县区水土流失面积分析，紫云县土壤侵蚀最为严重，面积达到674.54 km2,面积最小的平坝县土壤侵蚀面积为152.77 km2。从各县区水土流失发生率对比分析，紫云县水土流失发生率最高，达到30.2%，

图2 安顺市2015年各区县土壤侵蚀构成图

其次是关岭县、镇宁县和普定县，水土流失发生率介于20%-30%之间，西秀区和平坝县水土流失发生率分别只有15.7%和15.6%。

4.2 安顺市2010-2015年水土流失变化

分别统计分析安顺市2010年、2015年各种水土流失面积，对比分析安顺市5年间水土流失的动态变化。从表2可以看出，安顺市2010年水土流失面积为2722.07 km2，占安顺市总面积的29.7%，2015年水土流失面积为2352.02 km2，5年间水土流失面积减少了370.05km2，每年减少水土流失面积74.01km2，年变化率为-13.6%。各种水土流失中，微度侵蚀面积增加最大，达到370.07 km2，轻度侵蚀面积增加228.24km2，其他各种水土流失面积在都在减少，其中，面积减少最大的为强烈侵蚀，达到289.64 km2，其次是极强烈侵蚀和轻度侵蚀，中度侵蚀面积变化最小，只有29.23 km2。从统计表可以看出，强烈侵蚀和极强烈侵蚀面积大面积减少，说明安顺市水土流失形势明显好转，高等级水土流失逐渐向低等级水土流失转变。

表2 安顺市2010、2015年土壤侵蚀变化表

4.3 2010-2015年各县区水土流失变化

为分析安顺市各县区5年间水土流失变化，对比分析各县区2010年、2015年水土流失面积变化。从表3和图3可以看出，2010-2015年间，安顺市所有县区水土流失面积都减少，其中紫云县水土流失减少面积最大，减少了113.66km2，西秀区水土流失面积减少最小，只有14.35km2，总体上水土流失面积基数越大，减少的面积越多，而平坝县水土流失面积基数虽然较小，但是5年间减少了59.42km2，减少面积显著。从水土流失减少比例分析，镇宁县水土流失面积下降了6.3个百分点，平坝县、紫云县水土流失面积下降比例每年也超过一个百分点，西秀区下降的比例最小，水土流失面积比例5年间只下降了0.8个百分点。

表3 2010-2015各县区水土流失面积统计表

从各个县区各种水土流失等级变化分析，微度侵蚀面积都呈增长趋势，微度侵蚀面积增长最大为紫云县，增长面积为113.66km2。轻度侵蚀平坝县和普定县面积减少，其余各县面积增加，其中镇宁县面积变化最大，中度和强烈侵蚀基本都是面积减少，其中关岭县面积变化最大，普定县变化较小。极强烈及剧烈侵蚀只有平坝县和普定县面积有细微增长，其余各县面积都减少，其中镇宁县、紫云县和关岭县面积减少显著，而平坝县、普定县和西秀区几乎没有变化。从各县区各种等级水土流失面积变化可以看出，水土流失等级基数较高的县区如镇宁县、紫云县5年间水土流失面积变化主要集中在高等级水土流失，而水土流失等级基数较低的县区如西秀区、平坝县高等级水土流失面积变化较小，主要集中在中、轻度水土流失。

图3 安顺市2010-2015年各县区各等级土壤侵蚀面积变化图

5 结论

本文通过对安顺市2010-2015年水土流失变化情况进行分析，对比研究水土流失的区域性变化，研究结果表明：

安顺市土壤侵蚀等级以微度侵蚀为主， 2015年微度土壤侵蚀面积达到6818.71km2，水土流失面积为2352.02 km2，占安顺市总面积的25.6%，安顺市水土流失空间分布中南部和西北部水土流失等级较高，水土流失强弱受地形岩性影响大，非岩溶区水土流失等级高于岩溶区，各县区中紫云县土壤侵蚀最为严重。

安顺市2010-2015年水土流失面积减少了370.05km2，每年减少水土流失面积74.01km2，年变化率为-13.6%。微度侵蚀面积增加最大，达到370.07 km2，中度以上侵蚀类型面积等呈下降趋势，强烈侵蚀和极强烈侵蚀大面积减少，安顺市水土流失形势明显好转。2010-2015年间，安顺市所有县区水土流失面积都在减少，其中紫云县水土流失减少面积最大，减少了113.66km2。

论文研究了安顺市2010-2015年水土流失动态变化，但因遥感影像分辨率限制，未能获取研究区2010年前高分辨率水土流失状况，研究的时间间隔较短，不能反映出安顺市水土流失的长期动态变化。同时，岩溶地区土层浅薄，虽然安顺市2010-2015年水土流失面积减少，等级降低，但是也有可能是岩溶区部分区域达到无土可流的状态导致的水土流失等级下降，因此，安顺市水土流失防治工作仍需高度重视，保护珍贵的水土资源。