王國芳

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

基于GIS和RS的太谷縣土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化分析

王國芳

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801）

土壤侵蝕的發(fā)生使得土壤資源受到破壞，土壤肥力下降，生態(tài)環(huán)境惡化，洪澇災(zāi)害加劇，已嚴(yán)重威脅到人類的生活。以山西省太谷縣為研究區(qū)，在ENVI，ArcGIS軟件的支持下，以1990，2007，2015年的TM遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取了影響土壤侵蝕強(qiáng)度的坡度因子、土地利用類型因子和植被覆蓋度因子，對(duì)太谷縣3個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行了分級(jí)，并對(duì)近25 a間太谷縣的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，研究區(qū)土壤侵蝕強(qiáng)度在25 a間主要呈現(xiàn)加重趨勢，微度侵蝕和輕度侵蝕呈先增加后減少的趨勢，中度侵蝕呈現(xiàn)逐年增加趨勢，強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。太谷縣南部區(qū)域土壤侵蝕長期比較嚴(yán)重，需采取有效措施加以防治。

土壤侵蝕；坡度；植被覆蓋度；土地利用

在自然營力與人類活動(dòng)的綜合作用下，土壤或其他地面組成物質(zhì)被剝蝕、破壞、分離、搬運(yùn)和沉積，形成了土壤侵蝕[1-3]。土壤侵蝕的成因復(fù)雜，危害嚴(yán)重，其造成大量土壤資源被蠶食和破壞，耕地面積大量減少，土壤肥力和質(zhì)量隨之下降，地表植被遭到嚴(yán)重破壞，生態(tài)環(huán)境隨之失調(diào)惡化，引發(fā)了各種地質(zhì)災(zāi)害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。因此，土壤侵蝕問題已經(jīng)成為環(huán)境、土壤、農(nóng)業(yè)科學(xué)各界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題[6]。人們也積極地采取水利、生物、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行有效的治理。RS和GIS技術(shù)以及土壤侵蝕模型的發(fā)展，為土壤侵蝕研究提供了更加全面詳實(shí)可靠的數(shù)據(jù)，可以及時(shí)地掌握土壤侵蝕情況，為區(qū)域合理進(jìn)行生態(tài)建設(shè)提供依據(jù)，從而減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外學(xué)者早在20世紀(jì)80年代就利用影像數(shù)據(jù)通過目視解譯進(jìn)行土壤侵蝕的調(diào)查研究[7]，有學(xué)者通過對(duì)影響土壤侵蝕的因子加權(quán)進(jìn)行土壤侵蝕確定[8]；之后有學(xué)者通過影像分類、經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型、物理過程模型、分布式模型、數(shù)字高程模型等方法對(duì)土壤進(jìn)行了研究[9-13]。

筆者以山西省晉中市太谷縣為研究區(qū)，獲取研究區(qū)1990，2007，2015年3期遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析提取研究區(qū)域的坡度、植被覆蓋度和土地利用類型因子，然后對(duì)坡度、植被覆蓋度和土地利用類型3個(gè)因子基于ArcGIS進(jìn)行了疊置分析，依據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最終確定研究區(qū)各年土壤侵蝕強(qiáng)度及25 a間土壤侵蝕變化情況。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

太谷縣位于山西省晉中市，地處晉中盆地東北部，東經(jīng)112°28′～113°12′，北緯37°12′～37°32′。屬溫帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)四季分明，年平均氣溫小于10℃為冬季，大于22℃為夏季；冬季干冷少雪，夏季炎熱多雨，秋季秋高氣爽，春季干旱多風(fēng)。地貌形態(tài)有山地、丘陵、平原3種，由東南向西北傾斜，東山主脈即為汾、漳分水嶺東段和中段。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源研究收集到的數(shù)據(jù)資料主要包括遙感影像、DEM數(shù)據(jù)、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型圖和相關(guān)的說明文檔。研究獲取的遙感數(shù)據(jù)是1990年9月16日的LANDSAT_5 TM影像，2007年8月14日的LANDSAT_5 TM影像和2015年8月4日的LANDSAT_8影像。這3期遙感影像云覆蓋率為0，影像質(zhì)量較好，能滿足本研究的需要。DEM數(shù)據(jù)采用的是GDEMDEM30M分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。本研究中的遙感數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)（http://www.gscloud.cn）。研究中的數(shù)據(jù)處理基于ArcGIS10.0和ENVI 5.1軟件。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理鑒于本研究主要提取的信息是植被指數(shù)、植被覆蓋度和土地利用類型，選擇Landsat TM/ETM＋遙感影像數(shù)據(jù)的有利于反演植被反射率的TM2波段、有利于鑒別植被種類的TM3波段和有利于調(diào)查生物量的TM4波段作為組合波段[14]。

本研究區(qū)域覆蓋了2幅DEM影像，所以，在處理影像之前首先進(jìn)行了拼接，之后對(duì)DEM影像和組合之后的TM432影像根據(jù)太谷縣行政區(qū)劃邊界進(jìn)行了影像的裁剪。為了突出主要信息、改善圖像的顯示質(zhì)量、便于信息的提取和識(shí)別，對(duì)遙感圖像進(jìn)行了輻射校正、大氣校正和增強(qiáng)處理。最后獲得了太谷縣1990年TM數(shù)據(jù)、2007年TM數(shù)據(jù)、2015年TM數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)。

1.2.3 坡度因子提取坡度是對(duì)地面傾斜程度的定量描述，是影響土地利用、土壤侵蝕的主要地形因子之一[15]。本研究基于已有的DEM數(shù)據(jù)（圖1），應(yīng)用ArcGIS中的坡度計(jì)算模塊提取出太谷縣的坡度因子，并根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)坡度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)的坡度分為6類[16]：坡度≤5°，5°＜坡度≤8°，8°＜坡度≤15°，15°＜坡度≤25°，25°＜坡度≤35°和坡度＞35°，并生成分級(jí)坡度圖（圖2）。

1.2.4 植被覆蓋度提取采用歸一化植被指數(shù)NDVI來反映土地覆蓋的植被狀況。NDVI＝（NIRR）/（NIR＋R）。對(duì)于Landsat ETM＋數(shù)據(jù)，NIR波段對(duì)應(yīng)的TM4，R波段對(duì)應(yīng)的TM3波段；對(duì)于Landsat 8數(shù)據(jù)，NIR波段對(duì)應(yīng)的TM5，R波段對(duì)應(yīng)的TM4波段。為了減少誤差、提高精度，本研究采用NDVI＝（float（TM4）－float（TM3））/（float（TM4）＋float（TM3））計(jì)算NDVI值，2015年遙感數(shù)據(jù)采用NDVI＝（float（TM5）－float（TM4））/（float（TM5）＋float（TM4））計(jì)算NDVI值，并對(duì)計(jì)算得到的NDVI數(shù)據(jù)基于ENVI的波段運(yùn)算進(jìn)行二值化處理。

依據(jù)像元二分模型原理，利用fvc＝（NDVINDVIsoil）/（NDVIveg－NDVIsoil）公式計(jì)算出研究區(qū)3期的植被覆蓋度[17-19]。其中，NDVIsoil和NDVIveg分別取二值化NDVI概率累積表上5%和95%處的NDVI值[13-15]。從求得的植被覆蓋圖（圖3，4，5）上可以看到，顏色越淺的地方其植被覆蓋度值越大，顏色越深的地方植被覆蓋度值越小。

根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)植被覆蓋的分類要求，將植被覆蓋度分為5類：植被覆蓋度≤30%，30%＜植被覆蓋度≤45%，45%＜植被覆蓋度≤60%，60%＜植被覆蓋度≤75%，植被覆蓋度＞75%，通過決策樹分類對(duì)太谷縣植被覆蓋度進(jìn)行劃分，得到1990，2007，2015年3個(gè)時(shí)期的太谷縣植被覆蓋度。

1.2.5 土地利用類型提取根據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土地利用類型的分類要求，將土地利用類型劃分為居民地及工礦用地、耕地、林地、草地、水域5種類型。首先，利用非監(jiān)督分類方法對(duì)研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分類；然后，根據(jù)5種類型的解譯標(biāo)志建立訓(xùn)練樣區(qū)，對(duì)非監(jiān)督分類結(jié)果再進(jìn)行監(jiān)督分類，并且對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行聚類處理，避免出現(xiàn)小圖斑；最后，獲得了該研究區(qū)1990，2007，2015年3個(gè)時(shí)期的土地利用分布圖。

1.2.6 土壤侵蝕提取依據(jù)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，參照研究區(qū)的土地利用類型、植被狀況和地形數(shù)據(jù)制訂了土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表[20]（表1）。

表1 土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

首先，將提取出的坡度數(shù)據(jù)、植被覆蓋度數(shù)據(jù)和土地利用類型數(shù)據(jù)基于ArcGIS的柵格轉(zhuǎn)面工具轉(zhuǎn)換成矢量面文件；然后，利用疊加分析功能進(jìn)行疊加分析；最后，按照土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表中的組合對(duì)疊加的結(jié)果進(jìn)行分類，根據(jù)分類結(jié)果形成了太谷縣1990，2007，2015年的土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤侵蝕面積變化分析

通過3期土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析可以得到（圖6），1990年微度侵蝕占研究區(qū)總面積的35.65%，2007年微度侵蝕占到40.22%，而2015年微度侵蝕僅占22.9%，有明顯的下降趨勢。輕度侵蝕1990年占29.92%，2007年占30.82%，2015年占28.22%，變化不是特別明顯。對(duì)于中度侵蝕逐年增加，從1990年占22.33%到2015年增加到了30.67%；而對(duì)于強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕，都表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢。其中，強(qiáng)烈侵蝕由1990年占9.01%減少到2007年的4.25%又增加到2015年的13.13%，變化幅度較大；極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕有所增加，但是增加比例不大。

整體上看，1990，2007年從微度侵蝕到劇烈侵蝕所占面積比例逐漸減少，以微度侵蝕為主。2015年中度侵蝕所占比例最大，其次為輕度和微度侵蝕。

2.2 土壤侵蝕強(qiáng)度與植被覆蓋度關(guān)系分析

選取3期土壤侵蝕數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的植被覆蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，統(tǒng)計(jì)出3期不同植被覆蓋度下各類土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)的面積，對(duì)3期中同一類別的面積求其平均值獲得不同植被覆蓋度下各類土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)的3期平均面積（圖7）。

微度侵蝕主要發(fā)生在植被覆蓋度小于30%和植被覆蓋度大于75%的區(qū)域，可能是由于植被覆蓋度小于30%的區(qū)域主要分布在坡度小的平原城市、村莊集中的地方，所以侵蝕強(qiáng)度??；而植被覆蓋度的增加可以緩減土壤侵蝕的發(fā)生，所以植被覆蓋度大的區(qū)域，侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較小。輕度侵蝕隨著植被覆蓋度的增加而逐漸增加，而中度侵蝕、強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕隨著植被覆蓋度的減少，其面積在增加；強(qiáng)烈侵蝕和極強(qiáng)烈侵蝕主要發(fā)生在植被覆蓋度小于45%的區(qū)域。

2.3 土壤侵蝕強(qiáng)度與土地利用類型關(guān)系分析

通過土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)與土地利用類型數(shù)據(jù)的疊加分析，研究區(qū)內(nèi)居民建設(shè)用地和水域土壤侵蝕強(qiáng)度以微度侵蝕為主；耕地以輕度侵蝕為主；草地以中度侵蝕為主。在各種土地利用類型中，3期平均侵蝕面積由大到小依次為耕地、草地、林地、居民建設(shè)用地及水域，所占比例分別為32.18%，29.92%，21.17%,16.38%，0.35%。在各類侵蝕中，耕地類型的輕度侵蝕占的比例最大，達(dá)到了21.19%；其次為草地類型的中度侵蝕比較大，達(dá)到了14.69%；林地類型的微度侵蝕和居民地的微度侵蝕達(dá)到了14%。而水域?qū)τ谇治g的貢獻(xiàn)不大。1990—2015年間，耕地類型的輕度侵蝕由24.02%降到了19.33%，中度侵蝕由9.73%降到了5.62%，草地的中度侵蝕由1990年占的比例9.06%增加到2007年的14.04%又增加到2015年的20.96%。草地類型的強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕都呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。這可能是由于不合理的耕作方法，甚至棄耕、退耕還林不理想都會(huì)造成水土流失、土壤侵蝕加重。

3 結(jié)論與討論

本研究利用RS和GIS技術(shù)，結(jié)合地面調(diào)查資料，利用1990，2007，2015年3期遙感影像數(shù)據(jù)，提取了地面坡度、植被覆蓋度2個(gè)土壤侵蝕因子和利用非監(jiān)督和監(jiān)督分類相結(jié)合的方法進(jìn)行了土地利用類型分類，依據(jù)土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)太谷縣3個(gè)時(shí)期的土壤侵蝕強(qiáng)度及近25 a間太谷縣的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，1990—2007年，太谷縣土壤侵蝕總體呈現(xiàn)出逐漸減輕的趨勢，其中，以微度侵蝕面積增加最為明顯，增加了47.93 km2，增幅為4.7%；強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕的面積均有大幅度減少，減幅分別為4.9%，1.8%和0.4%。2007—2015年太谷縣土壤侵蝕總體呈現(xiàn)出逐漸加重的趨勢，其中，劇烈侵蝕在這8a間增加了0.6%，極強(qiáng)烈侵蝕增加了37.09 km2，增幅為3.5%；強(qiáng)烈侵蝕增加了9%；微度侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕都有所減少。

從空間變化方面看，太谷土壤侵蝕出現(xiàn)加劇與減弱并存的狀況，總體上土壤侵蝕呈加重趨勢，分析其原因主要是由于自然原因，如植被覆蓋度較低，坡度較高，流失面積擴(kuò)散較快和人為原因破壞所造成；通過調(diào)查，山區(qū)本來退耕還林的耕地效果不佳，占用各種土地、破壞植被、開荒種地等因素造成了水土流失。

通過對(duì)太谷縣的土壤侵蝕程度分析，強(qiáng)烈侵蝕、極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕主要分布在太谷縣的南部，其中，大塔山植被稀疏，西北部童山禿嶺，千胡坪土層厚，地面平坦，但垣的邊沿侵蝕嚴(yán)重，植被很差，水土流失嚴(yán)重。這些侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域多數(shù)發(fā)生在坡度大于25°以上、植被覆蓋度小于30%的區(qū)域。

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Dynamic Analysis of Soil Erosion in Taigu County Based on GIS and RS

WANGGuofang
（College ofResources and Environment，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

The occurrence of soil erosion causes the destruction of soil resources,the decline of soil fertility,the deterioration of ecological environment and the aggravation of flood and waterlogging,which have seriously threatened the life of human beings.In this paper,taking Taigu county of Shanxi province as the study area,based on the ENVI and ArcGIS,using remote sensing image data of 1990,2007,2015 TM,three soil erosion factors type of the land slope,vegetation cover and land use were extracted.Based on the classification standard of soil erosion intensity,the soil erosion intensity during of the three periods and the dynamic changes of soil erosion in Taigu county during the past 25 years were analyzed.The results showed that soil erosion intensity in the study area during the first 25 years showed a trend of increasing.Micro erosion and slight erosion showed a trend of first increasing and then decreasing.The moderate erosion showed a trend of increasing year by year.The trend of strong erosion,extremely strong erosion and severe erosion first decreased and then increased.Based on the dynamic analysis ofsoil erosion in Taigu countyduring25 years,it shows that the soil erosion in the south of the Taigu county is more serious in the long term,and it is necessary to take effective measures to prevent and control the soil erosion.

soil erosion;slope;vegetation coverage;land use

S157

A

1002-2481（2016）12-1813-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.19

2016-09-22

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（201322）

王國芳（1980-），女，山西左權(quán)人，講師，主要從事3S技術(shù)應(yīng)用研究工作。