不同植物措施应用下的生态系统水土保持功能评估方法

徐明晗

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

0 引言

在水土保持的研究中，植物一直起着至关重要的作用。植物措施通过增加研究区土壤表面的植被覆盖率，使土壤表面的粗糙度大幅度降低，从而增加了土壤内部的蓄水量与孔隙度。这样一来，雨水降落在土壤表面，就不会全部以地表径流的方式在地表带走大量的土壤表层，而是会以入渗的形式将相当一部分降水渗透进土壤内部，增加土壤的蓄水能力，并保持水土的完整性。为了测试植物措施方法，某一地区生态系统下水土保持功能的作用，设计基本评价方法。

在以往的研究中，文献[1]使用GIS技术，提取了研究区降水、土壤、植被覆盖等生态系统中水土保持功能的基本数据，基于此建立高程图像，并使用水土流失方程估算了研究区的土壤保持量，建立分级标准，并综合评价了该研究区的水土保持功能。文献[2]设计了一个人工灌草生态系统的水土保持功能定量评估方法，并以基于InVEST模型为核心，提出了一种研究区域内的水土资源可持续发展的理论。通过实验数据判断了人工灌草地具备较好的水土保持功能，可以为研究区的生态环境维护做出贡献。文献[3]全区种了六种林地作为水土保持功能的研究对象，通过实地观测过程中水土持水能力的分析，得到了较为准确的林地水源涵养能力评价方法，并通过土壤层的孔隙度以及有效持水量的实验数据，判断水源涵养能力最强的林地种类。本文综合以上文献，以植物措施为基础，设计了一种新的生态环境水土保持功能评价方法，以评价研究区各处生态环境的水土保持现状。

1 研究区概况

选择如图1所示的某地作为本实验的研究区域，总面积约为1 723 km2，最大海拔为623 m，最低海拔约为135 m。整个研究区域内有若干条河流，水资源较为丰富，其内部包含多种植物，生态系统的水土保持功能较完善。

图1 研究区地形图

图1所示的研究区处于温带大陆性气候，共有五条主要的河流，因此该片区域水文环境较好，土壤湿度较大，植被较为繁茂。

2 数据处理与研究方法

2.1 实验图像获取与处理

在获取并预处理实验数据时，主要是在借助ENVI技术获取遥感数据，再利用ArcGIS对图像进行预处理。然后通过人工实地勘测等方式，获取研究区中不同地块的植被覆盖类型，由于该地区河网密集，导致当地基本都被植被覆盖[4-5]。在此过程中，需要使用的基础数据包括如图1所示的研究区域地形图、土地利用数据调查结果、植被覆盖卫星图像、区域降水数据等。在地理空间数据云中，选择Landsat图像作为遥感影像，将其导入ENVI中，进行几何纠正以及色彩增强，使图像可以清晰地看出各部分结构的详细边界，然后将其进行监督分类，获取空间分辨率为20 m[6]。通过解译遥感图像，可以得到如图2所示的植被覆盖示意图。

图2 研究区域植被覆盖

如图2所示，在使用ENVI获取遥感图像后，将其大致区分为草地、林地、灌木、耕地、林地与耕地混合土地等五类土地。以《国家土地利用标准-土地利用现状》为例，结合当地的人工勘测结果，可以在研究区域的正射影像中获取遥感图像的特点及分类标准[7-8]。在这之前，需要首先将收集到的资料与数据进行格式转换，使其能够将数据传递到ArcGIS软件中，随时调用。在ArcGIS中需要建立至少三个图层，分别来自不同的图像源，为了降低图像误差，需要调整坐标系为统一结构，因此选择1980西安坐标系作为本实验的统一坐标系。将图中的土地利用数据每1km进行栅格化处理，通过ArcGIS软件进行叠加处理，然后计算全年的植被归一化指数[9]。此时可以在遥感图像中添加土壤与水分的数据，通过网格法提取水文信息，并构建DEM数据。

2.2 实验数据计算

将以上DEM数据以及区域植被覆盖图作为实验的初始数据，将计算公式代入到ArcGIS软件中，进行综合分析。首先需要基于区域降水数据以及植被覆盖图向，建立水源涵养量模型[10]。通过降水以及植物呼吸导致的蒸腾作用，计算出某区域的土壤产水量，然后将植物的根系深度和土壤类型等参数带入到模型中，进行参数的校正，最后结合地形、土壤饱和水以及地下水流流速等计算该区域的水源涵养量，计算公式为：

(1)

(2)

式中：γe表示每一个栅格单元的年平均潜在蒸腾量；ϑ表示该地区的土壤性质参数。此时可以得到γe的计算公式：

γe=θpla×μe

(3)

式中：θpla表示研究区中某块特定区域的植被覆盖系数；μe表示每一个栅格单元的参考蒸发量。此时可以通过以上公式整体性地求得水源涵养系数：

(4)

式中：ρwater表示某片区域的水源涵养参数；ηx表示地下水的流速系数；dx表示地理高度参数，即相对高程；πtd表示在该片区域在植物措施下的土壤饱和水流系数[12-13]。以上为水源涵养系数的计算方法，除此以外，植物措施还可以对土壤保持水分的功能造成影响，在此过程中，需要综合地形、地貌、植被覆盖情况、气象降水条件、土壤成分等多种条件的影响，主要的计算公式为：

(5)

式中：Sa表示在降水影响下，研究区土壤的保持系数；Ra表示在某种程度的降水影响下，研究区土壤即将被侵蚀的量；Ua表示在以上条件下，土壤已经流失的量；sedex表示该片区域的土地拦截上游泥沙的量。Ra和Ua的计算公式为：

(6)

式中：ra表示年平均降水系数；ka表示该类型土壤的侵蚀系数；sa表示该片区域的平均坡度系数；ha表示植被覆盖管理系数；pa表示土壤保持的措施系数。综合以上公式，可以在ArcGIS中输入进DEM图像中，即可得到某片区域的具体水土保持参数。

2.3 实验过程

在图像的预处理中，可以得到最初的研究区域地形图、土地利用数据调查结果及图像、植被覆盖卫星影像、区域年平均降水数据等数据与图像，此类图像在经过人工勘查野外调研后，可以得到较为详细且准确的数据，该类数据均为本实验的重点数据。在野外调研中，最重要测试的数据就是某片区域土壤中的水分，这需要在研究区的阳坡与阴坡中分别设置土壤监测点，使用时域反射仪测试土层中的水分，并每隔10 d检查一次数据，此时就能得到较为准确的土壤内部水流数据[14]。在ArcGIS软件中提取地下水流域边界和降水侵蚀能力的数据，并将其制成DEM数据。然后将年平均降水量通过差值计算的方式输入进空间栅格数据中，并在相对应的温度以及日照条件下计算蒸腾作用后的水分蒸发量。此时的空间分辨率约为20 m。在得到水源以及土壤保持功能的参考量后，分别对不同植物背景下的该功能进行相应的评估。

3 结果与讨论

3.1 不同植物措施下水源涵养功能评估

在研究区内部，可以将1 723 km2的土地依据植物生长种类的不同分为五类，分别为：耕地、草地、林地、灌木草地、林低于灌木混合区域。其中耕地分布于研究区正中心的河网密集区域，此地的地势普遍较低，相对高程较小，且耕地通常不与其他土地类型共存。草地遍布于研究区的各个角落，图2中标注的草地仅为单纯的草地，在林地与灌木或者二者的混合区域中，也有许多草本植物存在。灌木区域又被成为灌木草地，指的是在草地中存在大量的灌木丛，该土地类型多存在于坡度较为陡峭的区域[15]。林地主要是指土壤上方生长着大量乔木植物的区域，其中多存在草本植物，而林低于灌木的混合区域则是指乔木与灌木共同存在的区域，主要存在于地势较高的区域。通过计算可知这五种土地类型对土壤中的含水量有着较大的影响，各个土地类型的水源涵养量也不相同，在ArcGIS软件中利用公式(4)求出不同土地类型对水源涵养功能的影响，得到如图3所示的研究区水源涵养功能评估结果空间分布图像。

图3 水源涵养功能空间分布

不同植物措施下的水源涵养功能空间分布如图3所示，结合图2，可以得到如表1所示的各植被类型水源涵养功能评估结果。

如表1所示，在五种植被类型中，水源涵养能力以及单位面积水源涵养量由大到小的排序分别为草地、灌木草地、林地、林地与灌木混合区域、耕地。结合研究区土地面积得到的单位水源涵养量结果中，草地的涵养量最大，其次为林地与灌木混合区域、灌木草地、林地，耕地最小。

表1 各植被类型水源涵养功能评估

3.2 不同植物措施下土壤水分保持功能评估

利用公式(5)和公式(6)获取不同植被类型对土壤水分保持能力的影响结果如图4所示。

图4 土壤保持功能空间分布

不同植物措施下的土壤保持功能的空间分布如图4所示，结合图2的植被类型示意图，可以得到如表2所示的各植被类型土壤保持功能评估结果。

表2 各植被类型土壤保持功能评估

如表2所示，在五种植被土壤潜在侵蚀量与实际侵蚀量的比较中，耕地的数值均远大于其他植被，剩余的四种植被类型由大到小分别为灌木、灌木与林地混合区域、林地、草地。在总土壤保持量的比较中，草地最大，其次为林地、林地与灌木混合区域、灌木，耕地最低。

综合以上两个实验：使用生态系统水土保持功能的评估方法，可知五种不同类型的植物对水土保持功能的作用不一，其中草地最能达到水土保持的目的，耕地对水土保持的作用效果最差。

4 结语

本实验将草地、耕地、林地、灌木草地以及林地与灌木草地的混合区域作为不同的植被类型，分别评估其水土保持功能的作用效果。根据实验结果，可知草地对水土保持作用效果最好，耕地最差。在该评估方法中，实验只是假设了最理想的降雨量及气候变化，没有对极端天气做出模拟，因此在下一阶段的研究中，可以对此进行评估。