水土保持环境指标遥感监测技术研究

水土保持环境指标遥感监测技术研究

摘要:本文基于笔者多年从事水土保持的相关研究,以水土保持环境指标遥感监测为研究对象,论文首先选取植被因子,地形地貌因子,土壤质地,水文气象,土地利用,社会经济指标等作为水土保持环境监测指标,进而重点探讨了植被因子的遥感监测方法,全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华,相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词:水土保持遥感监测环境因子指标

水土保持监测指标选择的出发点和最终归宿均为水土保持监测的内容。如前所述,水土保持监测主要包括两部分内容,即土壤侵蚀监测和水土保持治理监测。土壤侵蚀监测核心内容即监测土壤侵蚀类型、范围、程度、强度等信息,水土保持治理监测则监测水土保持治理措施内容及治理措施对于减缓、抑制流失的发展所起的作用,即水土保持成效监测,如治理前后土壤侵蚀动态变化、环境因子、社会经济因子等的变化,通过定量指标来监测这些变化。两者相辅相成,其中土壤侵蚀监测的动态变化为后者水土保持监测提供了侵蚀变化的信息,两部分内容的监测又都体现在对于一系列地表环境要素、气候要素和人为活动因子的监测,所以在实际监测过程中水土流失现状的监测与水土流失治理的监测是密不可分的,可以用同一指标体系。

水土保持监测从影响土壤侵蚀、反映水土保持成效的自然环境因子、人类影响因子(如土地利用、开发建设项目等)、土壤侵蚀状况、

治理措施监测和治理成效等五个方面建立其指标体系。

环境因素是直接影响区域土壤侵蚀的驱动因子或抑制因子,也是水土保持治理成效的客观反映,是水土保持监测首要考虑的指标因子。这其中包括自然环境因子和社会经济环境因子。

自然环境因素是土壤侵蚀发生、发展的潜在条件,由其引起的地表侵蚀过程为自然侵蚀(地质侵蚀),是地质历史时期地貌自然演化的过程。自从人类在地球上出现以来,就不断以各种活动对自然界施加影响,正常侵蚀的自然过程受到人为活动的干扰和越来越剧烈的影响,使土壤侵蚀现象由自然侵蚀状态转化为加速侵蚀状态。人类活动可以通过改变某些自然因素来改变侵蚀力与抗蚀力的大小对比关系,使得土壤侵蚀加剧或者达到水土保持两种截然不同的结果。

气候、地形、土壤、地质和植被等是影响土壤侵蚀的主要自然因素和水土保持成效的客观表现,而土地利用则代表了人类作用于地表的结果,同时表现为水土保持治理的积极因素和加剧土壤侵蚀的消极因素两个方面。而选择上述环境因子建立水土保持监测指标,需要考虑其时空尺度表达,不同时间与空间分辨率决定了地质地貌演化、气候变化、植被与土壤形成与演化等自然过程的信息描述,也决定了各因素的空间分布格局、人口数量变化与分布、土地利用、工程建设等人类活动过程、形式、范围和强度等评价的精度与可信度。因此环境因子指标的选取和研究尺度均围绕上述内容展开(如图1)。

1 植被因子

作为地理环境重要组成部分的植被,与一定的气候、地貌、土壤条件相适应,受多种因素控制,对地理环境的依赖性最大,对其它因素的变化反映也最敏感。利用遥感所获得的植被信息来分析影像上并非直接记录的、隐含在植被冠层以下的其它信息,如水土流失、区域环境演变遗留的痕迹等是选择植被的主要原因。而对于小流域水土保持措施,无论是生物措施还是农业措施,其直接治理成效均表现于植被变化上。而植被是土壤侵蚀的抑制因子,也是最为关键的水土保持可控制因子。在进行植被指标选择之前,首先需要明确植被的水土保持功能及其机理,从而在此基础上能够选择反映植被类型及其结构的适当的遥感量化指标。

关于不同类型及结构的植被水土保持功能对比分析方面,相关学者进行了大量的研究。主要是基于径流小区、小流域实地观测数据,来研究不同植被类型及其结构的减水减沙效益,如陈廉洁(1991)根据三年的径流小区实测资料研究了乌江中下游余庆等三县人工林的水土保持功能,结果表明两层结构(如乔——草和灌——草型)的水土保持效益优于单层乔木型,乔灌草三层结构的水土保持效益最好。黄承标等(1991)以桂西北山区的龙胜、田林等四县的人工林为研究对象,从1982年到1989年,观测对比了不同植被种群的地表径流,结果是针叶林>阔叶林或针阔混交林,分析原因是植被对地表径流的影响是

由植被的树冠群体或植物群体、枯枝落叶层和土壤层的综合效能决定的。这种综合效能呈现出阔叶林或针阔混交林>针叶林的规律。

根据观测数据研究植被类型及结构的减水减沙效益,形成植被的水土保持功能的基本认识基础上,随着植被水土保持功能研究的深入,开始深入到植被内部各个垂直层次来揭示植被水土保持功能的内在机理。主要体现于乔、灌、草和枯枝落叶层等垂直结构上。研究表明,乔木层对土壤侵蚀的影响主要表现在冠层对雨滴的拦截而降低雨滴的动能,从而抑制了溅蚀。余新晓(1988)认为乔木层对降雨动能的削弱有两部分组成:一是林冠截留作用削减降雨动能;二是林冠缓冲作用减弱降雨侵蚀能量。灌木层和草本层与乔木层一样对降雨有截留作用。枯枝落叶层的截留量与其自身的蓄积量、分解程度和持水能力有关。枯枝落叶层削减的降雨动能也可以分为截留作用减弱的降雨动能和透过枯枝落叶层所削弱的降雨动能。前者为大气降雨总动能的5.6% ～13.0%,平均为9.1%,后者可将透过乔木层、灌木草本层的降雨动能全部削减(韦红波,2001)。除此之外,枯枝落叶层降低坡面径流速度,降低了冲刷能量,同时由于降低了径流速度,从而增加了在坡面上滞留时间,增加了下渗时间;更为重要的是,表层凋落物和腐殖质的积累,使得土壤水稳性团聚体的形成和土壤孔隙度等土壤理化特性得到改善,增加土壤的下渗率。

2 地形地貌因子

地形主要包括坡度、坡长、坡形和所在部位。一般而言,在降雨、土壤和土地利用基本一致时,地形越复杂水上流失越严重。前人试验资料表明,同样都是耕地,由于坡度和所在部位不同,在同样降雨、耕种条件下水土流失差异很大(倪晋仁,2002)。

(1)DEM。

数字高程模型(DEM)是表征区域地形地貌的参数指标,同时它也是生成与土壤侵蚀密切相关的其它地形参数的重要数据源。

(2)坡度。

坡度与土壤侵蚀方式关系密切,坡度指标不仅是影响土壤侵蚀的主要地形因子,而且坡度大小也是决定面蚀或沟蚀为主导的关键因子。一般在坡度很缓时主要以面蚀为主,而随着坡度增加,则发生细沟、浅沟侵蚀,当坡度增大到一定程度时,则以切沟、冲沟为主。倪晋仁等(2002)通过研究黄土坡面细沟发育特征,表明面蚀在整个侵蚀过程中的贡献随坡面坡度的增大而迅速减小;在缓坡坡面上面蚀作用远较沟蚀作用为大,但在陡坡坡面上则明显较沟蚀作用为小。

(3)沟壑密度。

在不考虑重力侵蚀的情况下,坡面的总侵蚀量为面蚀量和沟蚀量总和。面蚀主要发生在植被较差、有一定坡度和没有防护措施的坡耕