尹嘉奇
(四川省环境信息中心，四川 成都 610093)
水土流失是造成区域土地生产力下降，生物栖息地和水质退化，河流、湖泊污染的重要原因，土壤侵蚀已经成为我国首要解决的环境问题[1-2]。影响水土流失的因素很多，包括降雨强度和频率、土壤抗侵蚀性、场地坡度、植被覆盖等因素[3-4]。地貌条件作为流域下基本自然环境，对流域侵蚀产生的方式、过程、强度具有重要影响[5]。为建立科学的水土流失治理规划，实现快速高效综合治理目标，需要研究全面流域土壤侵蚀空间分布状态及变化趋势。随着GIS技术的迅速发展和广泛应用，采用土壤侵蚀模型和地理信息系统相结合的方法，进行土壤侵蚀空间变化的定量研究，成为一个新的发展方向[6-8]。如借助GIS和景观格局指数分析法，从景观水平来探讨景观格局对流域水土流失的过程影响，建立基于GIS基础的分布式流域水文模型SWAT[9]。通过选取反映区域水土流失敏感性因子，对流域内土壤侵蚀强度进行综合评价，分析不同土地利用方式下对流域产沙的影响[10]。利用GIS的空间分析方法建立水土流失敏感性评价指标体系，确定易发生水土流失区域，解释水土流失不同敏感程度的空间分异规律[11]。
在相关研究的基础上，以泸沽湖典型流域河流为对象，结合遥感调查的土壤侵蚀数据和GIS模型，对该流域土壤侵蚀在高程、植被覆盖度、坡度方面的空间分布特征进行分析，以期为泸沽湖流域水土保持规划和水土流失治理提供理论依据。
1.1 研究区概况
泸沽湖流域位于川、滇两省交界处，东部位于四川凉山自治州，西部隶属云南丽江市流域。全年平均温度20 ℃，最高温29 ℃，最低温-5 ℃，年降水量910 mm，属于温带山地季风气候。泸沽湖流域各类植物共140科443属874种，其中陆生植物117科，水生植物23科。哺乳类动物29种，两栖类7种，鸟类65种，包括珍贵的波叶海菜花，特有的裂腹鱼。区域内包括以狮子山为主的大片原始森林，是云冷杉、云南松等珍贵植被的分布区域。当前，泸沽湖流域云南片区开发已初具规模，形成以原始摩梭族文化和湖泊自然景观为主的独特景观特色。通过野外调研发现，该流域水土流失普遍，导致湖泊富营养化和湿地严重淤积，严重影响到地区独特文化传承。而四川片区开发程度较低，植被稀疏，经过长期地质侵蚀，沟壑纵横，形成梁峁丘陵地形。
1.2 数据来源
研究采用数据包括覆盖泸沽湖全域1∶50 000地形图、分辨率为10 m的全色景象3景规划区域图。1∶50 000地形图用于生产数字高程模型(DEM)，通过进行矢量处理提取高程信息，通过3D Analyst生产栅格像元DEM，运用ArcMap提取DEM中高程、坡度、坡向矢量数据。遥感图像采用2019年采集的Landsat 8遥感影像，采用ENVI软件进行图像几何校正、图像增强、影像裁减和融合等处理方式，实现影像与地物匹配。以融合后的影像数据作为土地利用和植被覆盖度数据源，获取相关数据，运用归一化植被指数模型获得植被覆盖度数据，泸沽湖地区的不同土地类型如图1所示。
1.3 分析方法
选取2020年10月Landsat 8 遥感影像和地形图为数据源，运用3D Analyst栅格计算功能，提取泸沽湖DEM、坡度、坡向等影响因子，运用ENVI软件获取植被覆盖度[12]。通过ArcMap空间叠加获得区域水土流失敏感性空间分布情况。
图1 泸沽湖地区土地类型Fig.1 Land types in Lugu Lake
2.1 敏感性强度分级
泸沽湖地质构造复杂，断裂、节理及过渡性剪切带发育，云贵高原地区主要受降雨侵蚀力、土壤可蚀性、地形、植被覆盖、水土保持等因子的影响，且地区非喀斯特地形发育。为准确表征水土流失状况，以水土流失等级调整标准为参考[13]，确定水土流失敏感性强度分级指标见表1。
表1 水土流失敏感强度分级指标Tab.1 Classification of soil erosion sensitivity
2.2 指标因子提取
(1)植被覆盖度。植被的冠层削弱雨水对地面打击力度，根系增加雨水的下渗能力和土壤的抗侵蚀能力。植被覆盖度主要通过归一化植被指数(NDVI)计算，将遥感影像中不同波段的灰度值进行组合运算，通过ENVI软件的Transform模块构建NDVI模型来计算NDVI[14]。根据《土壤侵蚀分类分级标准》，结合泸沽湖植被覆盖情况进行等级划分，具体植被覆盖度划分等级为：非常低(0～30%)、低级(30%～45%)、中级(45%～60%)、良好(60%～75%)、优秀(75%～100%)，结合ArcGIS研究区域植被覆盖度数据。
(2)坡度。坡度作为影响水土流失敏感性评价指标，坡度越大，径流越大，对地面冲刷力越强。坡度指标以地形图信息为数据源，利用ArcMap提取区域高程线和高程点，运用研究区边界编辑TIN，生成DEM。由3D Analyst工具的Surface Analysis的坡度计算模型获得区域坡度数据，根据土壤侵蚀分类分级标准及土壤侵蚀遥感数据。其中，坡度不超过50°时，随坡度的增大，水土流失风险程度增大；
坡度大于50°后，坡地的暴露程度迅速下降；
当坡度在50°～65°时，坡地对水土流失风险程度在35%～50%，随着坡度的进一步增加，风险程度继续下降；
坡度为90°时，影响完全消失。本文将泸沽湖坡度划分为6个不同等级，分别为<5°，5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°。
(3)高程。海拔高度直接影响到气候温度、相对湿度和雨量，同时环境中的土辐射强度、空气流动、土壤性质也发生改变[15]。本文根据泸沽湖地形起伏情况，运用ArcMap空间叠加原理，将高程分为7个等级，分别为<+500 m，+500～+800 m，+800～+1 200 m，+1 200～+1 500 m，+1 500～+1 800 m，+1 800～+2 300 m。
3.1 水土流失敏感性分析
植被具有防沙保土、截流降雨等功能，是保护生态环境的功能体，植被覆盖度直接关系到区域水土流失情况。运用Arc-Map空间分析模块，将植被覆盖度数据与水土流失敏感评价指标叠加，获得植被覆盖度与水土流失敏感度关系，见表2。
表2 水土流失敏感度与植被覆盖关系Tab.2 Sensitivity of of soil erosion and vegetation cover
由表2可以看出，不同植被覆盖度下的水土流失强度表现出显著特征。随着植被覆盖度增加，水土流失敏感度区域面积前期迅速上升，植被覆盖度在30%～45%时达到峰值，随后缓慢下降，表明泸沽湖水土流失主要分布在植被覆盖度30%～45%区域。根据植被覆盖与水土流失比较，随着水土流失等级和植被覆盖度的增加，流失面积逐渐较小，植被覆盖度与水土流失面积呈负相关，大部分轻度以上水土流失敏感区域分布在植被覆盖度30%～45%。
水土流失敏感性与坡度间的关系见表3。由表3可以看出，泸沽湖水土流失敏感性区域集中在坡度为15°～35°。这个坡度范围水土流失敏感区域占轻度以上流失区域80%以上，面积达到654.13 km2。随坡度的增加，水土流失峰值表现出先增大后减小的变化趋势，坡度对水力侵蚀存在一个临界坡度，当超过该临界坡度时，土壤侵蚀面积下降。这是由于在投影面积相同情况下，坡度大的区域平均水量越小，水土流失增加。由表3可以看出，当坡度大于35°后，泸沽湖水土流失强度下降，由于泸沽湖作为生态功能区，在35°坡度实行了退耕还林政策，人为干预较小，因此，坡度15°～35°应该作为水土流失防治核心地带。
表3 水土流失敏感度与坡度关系Tab.3 Relationship between soil erosion sensitivity and slope
水土流失敏感度与高程关系见表4。水土流失敏感度集中在高程+800～+1 400 m内，占轻度以上水土流失敏感区的75%，并且不同等级的水土流失高程特征表现出典型的单峰变化趋势，即随着高程的增加，各等级水土流失敏感性面积表现出一个先增加后下降的趋势，除轻度水流失敏感度范围在高程+1 100～+1 400 m外，其他均在高程+800～+1 100 m达到最高值。由于泸沽湖活动主要在高程+800～+1 400 m，而该研究区的平均高程均在+1 100 m，地区人类活动较频繁。同时该地区降水集中在高程+800～+1 400 m内，在该范围水土流失达到一个峰值，后续水土流失中应以高程+800～+1 400 m作为治理核心区。
表4 水土流失敏感度与高程关系Tab.4 Relationship between sensitivity and elevation of soil erosion
3.2 综合结果分析
根据ArcMap空间分析特征，将区域坡度、植被覆盖度、高程因子叠加分析，对泸沽湖水土流失敏感性进行综合评价见表5。由表5可以看出，轻度以上水土流失敏感区占整面积的67.41%，敏感区面积达到812.63 km2，其中主要以轻度和中度为主。轻度水土流失敏感性区域站总面积的49.13%，敏感区域面积591.26 km2，中度水土流失敏感度占总面积12.31%，敏感区面积148.26 km2，强度、极强、剧烈水土流失区较小，图斑破碎。研究表明泸沽湖水土流失敏感区域分析，主要呈点状分布，聚居于人类活动相对密集区域，极少区域呈面状分布。
表5 泸沽湖水土流失敏感性强度特征Tab.5 Sensitivity and intensity of soil erosion in Lugu Lake
利用地理空间信息技术对泸沽湖地区水土流失敏感度进行分析评价，从高程、坡度、植被覆盖度等因素考虑，研究不同影响因子和水土流失敏感性强度关系，并对地区水土流失敏感性强度进行综合评价，研究结论如下。
(1)水土流失敏感性区域出现在植被覆盖度30%～45%，坡度15°～35°，高程+800～+1 400 m范围内，轻度以上侵蚀面积表现出先增加后下降的单峰分布，后续水土流失防治中，以该范围作为核心治理地带。
(2)泸沽湖区域水土流失敏感区主要以轻度和中度等级为主，轻度以上水土流失敏感区占总面积的67.41%，敏感区面积达到812.63 km2，强度、极强、剧烈水土流失区较小，图斑破碎。主要呈点状分布。
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