基于GIS和RS的小流域景观格局变化及其土壤侵蚀响应

【摘要】：土壤侵蚀及其导致的土壤质量退化是世界性的重大环境问题之一。在我国三峡地区，随着三峡工程建设需要搬迁一百多万移民，使该问题表现尤为突出。对流域的土壤侵蚀和沉积规律及其合理预测研究，不仅对生态环境建设，恢复良好的生态环境有着重要义，而且更能有效的评价政府政策的合理性和有效性。本文以水土保持学和景观生态学原理为基础，采用野外调查、径流试验、遥感和地理信息系统技术对三峡地区有代表性流域两个流域，即乐天溪和王家桥流域在不同政策和措旌下治理前后的景观格局变化及土壤侵蚀和沉积响应研究取得了很有意义的结果： 第一，传统的农田尺度研究土壤侵蚀有较大的局限性，随着研究尺度的变化，土壤侵蚀机理也在发生变化。景观在自然等级系统中是一个比生态系统高一级的层次，在这个层次上，许多低层次的生态学研究能够得到必要的综合。因此，土壤侵蚀作为生态系统中物质和能量迁移的一种重要途径，在景观尺度上研究土壤侵蚀将会促进一些重要侵蚀机理问题的解决；侵蚀预测与规划中引入景观生态学的原理与方法，有助于了解和掌握水土流失在系统内的来龙去脉、在土地不同利用程度和方式、措施配置下的动态规律，就能更有效地指导农业结构调整、优化布局和设计整体治理措施，在整体经营管理中解决水土流失的治理问题。 第二，提出不同流域尺度景观格局和土壤侵蚀研究的数据源选择、多源数据的整合及集成、基本信息源的划分及制图、元数据标准、数据层及数据项的组织、数据文件组织、多维空间数据库的建立方法等。 第三，乐天溪流域景观格局变化特征是：从1997年到2002年的5年间，由于许多小斑块的疏林地、灌木林演变为林地并与原始林地相互连通变成了大斑块，斑块数目从3812块减少为3351块，斑块平均面积扩大近2ha；斑块密度指数明显下降，斑块的空间分布变得更离散，彼此间相距更远：景观的破碎度降低，景观异质性减弱；景观形状指数(包括AWMSI和AWMPFD)下降，斑块形状的简单化趋势，但是易发生侵蚀的耕地斑块面积却是减小，斑块形状趋于复杂；香农多样性和均匀性指数减小，景观异质程度下降，景观类型有向单一化或非均衡化方向发展的趋势；散布与并列指数变小，蔓延度上升，说明景观中各类型斑块在空间上的分布也出现非均衡化，景观中林地的优势度增高且更具有连通性。 第四，王家桥流域景观格局变化特征是：从1989年到1995年的6年间，斑块数目从 史志华:基于GIS和RS的小流域景观格局变化及其土壤侵蚀响应 116块增至251块，拼块平均面积减少一半以上，LPI从n.8下降将至7.57，原因是过去 的许多大斑块，如林地、坡耕地碎化变成了小斑块，反映出景观的破碎度上升，景观异 质性增强;斑块的平均密度由6.95块/腼2增加至15.03块/k时，斑块的空间分布变得更紧 凑，彼此间相距更近;AW’MSI和A枷PDF增加，斑块形状更趋复杂;香农多样性和均匀性指 数增加，景观异质程度上升，景观类型有向多样化或均衡化方向发展的趋势;散布与并 列指数变大，蔓延度下降，说明景观中各类型斑块在空间上的分布也出现均衡化，景观 中的某一类或某几类元素的优势度下降且更小连通性。 第五，根据土壤侵蚀过程机理和野外试验、国内外的最新研究成果，对通用土壤流 失方程进行了改进，对各种因子的算法进行了本地化的优化，并在新的模型中引入了土 地利用格局因子，使其能够预测土壤在整个景观格局中的侵蚀与沉积过程。改进后的模 型可以适用于地形复杂的三峡地区，所需参数较少并且容易获取。预测结果与野外观测 资料和实地调查资料相比，一致性达80%以上，因此，模型有较大的实用性。 第六，乐天溪流域2002年轻度侵蚀面积55.02Km，，较1997年的72.82lha，，减少了 17.SKmZ，中度、强度侵蚀面积分别减少了23.89Km，和2.59Km2。从面积看最多是轻度和中 度转化为微度或沉积区;土壤侵蚀转移过程主要发生在中度和强度这两种类型，原来属 中度和强度的转化为侵蚀程度较弱的类型，而强度则主要转化为中度和轻度侵蚀。单级 别的侵蚀强度面积变化率是强度中度轻度，分别为一32.5%、一28.9%和一24.4%。而微度 和沉积区的增加了31%和12.3%。 第七，王家桥流域通过综合治理，流域水土流失己得到有效的控制，极强度和强度 侵蚀的面积减少显著，分别减少0.71 KmZ和1.55 KmZ，其相对变化率分别为一55.5%和60.3%; 微度侵蚀减少了0.74 Km，。中度侵蚀小幅增加0.34 Km，，而轻度侵蚀增加显著，达2.56 KmZ， 相对变化率为1 38.4%;沉积区面积增加了0.IKm2。其原因是极强度和强度侵蚀转化为中 度和轻度，而微度侵蚀减少是由于林地的面积减少，部分转化为轻度和中度，同时由于 流域的平均斑块，特别是农业用地的斑块减小，斑块边界趋于复杂，因此，沉积区域有 所增加。 第八，由于自身条件差异，乐天溪和王家桥流域在生态环境建设途径和方法上各不 相同，改善机制是完全不同的。乐天溪流域的人口密度小，因此以保护为主，而王家桥 流域的人口压力大，则以工程措施和生物措施相结合得方法，但侵蚀动态结果表明它们 的思路和方法是成功的。它们都是选择区域主导与优势产业