不同植物措施應(yīng)用下的生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能評(píng)估方法

徐明晗

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

0 引言

在水土保持的研究中，植物一直起著至關(guān)重要的作用。植物措施通過(guò)增加研究區(qū)土壤表面的植被覆蓋率，使土壤表面的粗糙度大幅度降低，從而增加了土壤內(nèi)部的蓄水量與孔隙度。這樣一來(lái)，雨水降落在土壤表面，就不會(huì)全部以地表徑流的方式在地表帶走大量的土壤表層，而是會(huì)以入滲的形式將相當(dāng)一部分降水滲透進(jìn)土壤內(nèi)部，增加土壤的蓄水能力，并保持水土的完整性。為了測(cè)試植物措施方法，某一地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)下水土保持功能的作用，設(shè)計(jì)基本評(píng)價(jià)方法。

在以往的研究中，文獻(xiàn)[1]使用GIS技術(shù)，提取了研究區(qū)降水、土壤、植被覆蓋等生態(tài)系統(tǒng)中水土保持功能的基本數(shù)據(jù)，基于此建立高程圖像，并使用水土流失方程估算了研究區(qū)的土壤保持量，建立分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并綜合評(píng)價(jià)了該研究區(qū)的水土保持功能。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一個(gè)人工灌草生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能定量評(píng)估方法，并以基于InVEST模型為核心，提出了一種研究區(qū)域內(nèi)的水土資源可持續(xù)發(fā)展的理論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷了人工灌草地具備較好的水土保持功能，可以為研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境維護(hù)做出貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[3]全區(qū)種了六種林地作為水土保持功能的研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地觀測(cè)過(guò)程中水土持水能力的分析，得到了較為準(zhǔn)確的林地水源涵養(yǎng)能力評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)土壤層的孔隙度以及有效持水量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷水源涵養(yǎng)能力最強(qiáng)的林地種類。本文綜合以上文獻(xiàn)，以植物措施為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新的生態(tài)環(huán)境水土保持功能評(píng)價(jià)方法，以評(píng)價(jià)研究區(qū)各處生態(tài)環(huán)境的水土保持現(xiàn)狀。

1 研究區(qū)概況

選擇如圖1所示的某地作為本實(shí)驗(yàn)的研究區(qū)域，總面積約為1 723 km2，最大海拔為623 m，最低海拔約為135 m。整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)有若干條河流，水資源較為豐富，其內(nèi)部包含多種植物，生態(tài)系統(tǒng)的水土保持功能較完善。

圖1 研究區(qū)地形圖

圖1所示的研究區(qū)處于溫帶大陸性氣候，共有五條主要的河流，因此該片區(qū)域水文環(huán)境較好，土壤濕度較大，植被較為繁茂。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)圖像獲取與處理

在獲取并預(yù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，主要是在借助ENVI技術(shù)獲取遙感數(shù)據(jù)，再利用ArcGIS對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。然后通過(guò)人工實(shí)地勘測(cè)等方式，獲取研究區(qū)中不同地塊的植被覆蓋類型，由于該地區(qū)河網(wǎng)密集，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼗径急恢脖桓采w[4-5]。在此過(guò)程中，需要使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括如圖1所示的研究區(qū)域地形圖、土地利用數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果、植被覆蓋衛(wèi)星圖像、區(qū)域降水?dāng)?shù)據(jù)等。在地理空間數(shù)據(jù)云中，選擇Landsat圖像作為遙感影像，將其導(dǎo)入ENVI中，進(jìn)行幾何糾正以及色彩增強(qiáng)，使圖像可以清晰地看出各部分結(jié)構(gòu)的詳細(xì)邊界，然后將其進(jìn)行監(jiān)督分類，獲取空間分辨率為20 m[6]。通過(guò)解譯遙感圖像，可以得到如圖2所示的植被覆蓋示意圖。

圖2 研究區(qū)域植被覆蓋

如圖2所示，在使用ENVI獲取遙感圖像后，將其大致區(qū)分為草地、林地、灌木、耕地、林地與耕地混合土地等五類土地。以《國(guó)家土地利用標(biāo)準(zhǔn)-土地利用現(xiàn)狀》為例，結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜斯た睖y(cè)結(jié)果，可以在研究區(qū)域的正射影像中獲取遙感圖像的特點(diǎn)及分類標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。在這之前，需要首先將收集到的資料與數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使其能夠?qū)?shù)據(jù)傳遞到ArcGIS軟件中，隨時(shí)調(diào)用。在ArcGIS中需要建立至少三個(gè)圖層，分別來(lái)自不同的圖像源，為了降低圖像誤差，需要調(diào)整坐標(biāo)系為統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，因此選擇1980西安坐標(biāo)系作為本實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)一坐標(biāo)系。將圖中的土地利用數(shù)據(jù)每1km進(jìn)行柵格化處理，通過(guò)ArcGIS軟件進(jìn)行疊加處理，然后計(jì)算全年的植被歸一化指數(shù)[9]。此時(shí)可以在遙感圖像中添加土壤與水分的數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)格法提取水文信息，并構(gòu)建DEM數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

將以上DEM數(shù)據(jù)以及區(qū)域植被覆蓋圖作為實(shí)驗(yàn)的初始數(shù)據(jù)，將計(jì)算公式代入到ArcGIS軟件中，進(jìn)行綜合分析。首先需要基于區(qū)域降水?dāng)?shù)據(jù)以及植被覆蓋圖向，建立水源涵養(yǎng)量模型[10]。通過(guò)降水以及植物呼吸導(dǎo)致的蒸騰作用，計(jì)算出某區(qū)域的土壤產(chǎn)水量，然后將植物的根系深度和土壤類型等參數(shù)帶入到模型中，進(jìn)行參數(shù)的校正，最后結(jié)合地形、土壤飽和水以及地下水流流速等計(jì)算該區(qū)域的水源涵養(yǎng)量，計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：γe表示每一個(gè)柵格單元的年平均潛在蒸騰量；?表示該地區(qū)的土壤性質(zhì)參數(shù)。此時(shí)可以得到γe的計(jì)算公式：

γe=θpla×μe

(3)

式中：θpla表示研究區(qū)中某塊特定區(qū)域的植被覆蓋系數(shù)；μe表示每一個(gè)柵格單元的參考蒸發(fā)量。此時(shí)可以通過(guò)以上公式整體性地求得水源涵養(yǎng)系數(shù)：

(4)

式中：ρwater表示某片區(qū)域的水源涵養(yǎng)參數(shù)；ηx表示地下水的流速系數(shù)；dx表示地理高度參數(shù)，即相對(duì)高程；πtd表示在該片區(qū)域在植物措施下的土壤飽和水流系數(shù)[12-13]。以上為水源涵養(yǎng)系數(shù)的計(jì)算方法，除此以外，植物措施還可以對(duì)土壤保持水分的功能造成影響，在此過(guò)程中，需要綜合地形、地貌、植被覆蓋情況、氣象降水條件、土壤成分等多種條件的影響，主要的計(jì)算公式為：

(5)

式中：Sa表示在降水影響下，研究區(qū)土壤的保持系數(shù)；Ra表示在某種程度的降水影響下，研究區(qū)土壤即將被侵蝕的量；Ua表示在以上條件下，土壤已經(jīng)流失的量；sedex表示該片區(qū)域的土地?cái)r截上游泥沙的量。Ra和Ua的計(jì)算公式為：

(6)

式中：ra表示年平均降水系數(shù)；ka表示該類型土壤的侵蝕系數(shù)；sa表示該片區(qū)域的平均坡度系數(shù)；ha表示植被覆蓋管理系數(shù)；pa表示土壤保持的措施系數(shù)。綜合以上公式，可以在ArcGIS中輸入進(jìn)DEM圖像中，即可得到某片區(qū)域的具體水土保持參數(shù)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在圖像的預(yù)處理中，可以得到最初的研究區(qū)域地形圖、土地利用數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果及圖像、植被覆蓋衛(wèi)星影像、區(qū)域年平均降水?dāng)?shù)據(jù)等數(shù)據(jù)與圖像，此類圖像在經(jīng)過(guò)人工勘查野外調(diào)研后，可以得到較為詳細(xì)且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)均為本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)數(shù)據(jù)。在野外調(diào)研中，最重要測(cè)試的數(shù)據(jù)就是某片區(qū)域土壤中的水分，這需要在研究區(qū)的陽(yáng)坡與陰坡中分別設(shè)置土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用時(shí)域反射儀測(cè)試土層中的水分，并每隔10 d檢查一次數(shù)據(jù)，此時(shí)就能得到較為準(zhǔn)確的土壤內(nèi)部水流數(shù)據(jù)[14]。在ArcGIS軟件中提取地下水流域邊界和降水侵蝕能力的數(shù)據(jù)，并將其制成DEM數(shù)據(jù)。然后將年平均降水量通過(guò)差值計(jì)算的方式輸入進(jìn)空間柵格數(shù)據(jù)中，并在相對(duì)應(yīng)的溫度以及日照條件下計(jì)算蒸騰作用后的水分蒸發(fā)量。此時(shí)的空間分辨率約為20 m。在得到水源以及土壤保持功能的參考量后，分別對(duì)不同植物背景下的該功能進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)估。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同植物措施下水源涵養(yǎng)功能評(píng)估

在研究區(qū)內(nèi)部，可以將1 723 km2的土地依據(jù)植物生長(zhǎng)種類的不同分為五類，分別為：耕地、草地、林地、灌木草地、林低于灌木混合區(qū)域。其中耕地分布于研究區(qū)正中心的河網(wǎng)密集區(qū)域，此地的地勢(shì)普遍較低，相對(duì)高程較小，且耕地通常不與其他土地類型共存。草地遍布于研究區(qū)的各個(gè)角落，圖2中標(biāo)注的草地僅為單純的草地，在林地與灌木或者二者的混合區(qū)域中，也有許多草本植物存在。灌木區(qū)域又被成為灌木草地，指的是在草地中存在大量的灌木叢，該土地類型多存在于坡度較為陡峭的區(qū)域[15]。林地主要是指土壤上方生長(zhǎng)著大量喬木植物的區(qū)域，其中多存在草本植物，而林低于灌木的混合區(qū)域則是指喬木與灌木共同存在的區(qū)域，主要存在于地勢(shì)較高的區(qū)域。通過(guò)計(jì)算可知這五種土地類型對(duì)土壤中的含水量有著較大的影響，各個(gè)土地類型的水源涵養(yǎng)量也不相同，在ArcGIS軟件中利用公式(4)求出不同土地類型對(duì)水源涵養(yǎng)功能的影響，得到如圖3所示的研究區(qū)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估結(jié)果空間分布圖像。

圖3 水源涵養(yǎng)功能空間分布

不同植物措施下的水源涵養(yǎng)功能空間分布如圖3所示，結(jié)合圖2，可以得到如表1所示的各植被類型水源涵養(yǎng)功能評(píng)估結(jié)果。

如表1所示，在五種植被類型中，水源涵養(yǎng)能力以及單位面積水源涵養(yǎng)量由大到小的排序分別為草地、灌木草地、林地、林地與灌木混合區(qū)域、耕地。結(jié)合研究區(qū)土地面積得到的單位水源涵養(yǎng)量結(jié)果中，草地的涵養(yǎng)量最大，其次為林地與灌木混合區(qū)域、灌木草地、林地，耕地最小。

表1 各植被類型水源涵養(yǎng)功能評(píng)估

3.2 不同植物措施下土壤水分保持功能評(píng)估

利用公式(5)和公式(6)獲取不同植被類型對(duì)土壤水分保持能力的影響結(jié)果如圖4所示。

圖4 土壤保持功能空間分布

不同植物措施下的土壤保持功能的空間分布如圖4所示，結(jié)合圖2的植被類型示意圖，可以得到如表2所示的各植被類型土壤保持功能評(píng)估結(jié)果。

表2 各植被類型土壤保持功能評(píng)估

如表2所示，在五種植被土壤潛在侵蝕量與實(shí)際侵蝕量的比較中，耕地的數(shù)值均遠(yuǎn)大于其他植被，剩余的四種植被類型由大到小分別為灌木、灌木與林地混合區(qū)域、林地、草地。在總土壤保持量的比較中，草地最大，其次為林地、林地與灌木混合區(qū)域、灌木，耕地最低。

綜合以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：使用生態(tài)系統(tǒng)水土保持功能的評(píng)估方法，可知五種不同類型的植物對(duì)水土保持功能的作用不一，其中草地最能達(dá)到水土保持的目的，耕地對(duì)水土保持的作用效果最差。

4 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)將草地、耕地、林地、灌木草地以及林地與灌木草地的混合區(qū)域作為不同的植被類型，分別評(píng)估其水土保持功能的作用效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知草地對(duì)水土保持作用效果最好，耕地最差。在該評(píng)估方法中，實(shí)驗(yàn)只是假設(shè)了最理想的降雨量及氣候變化，沒(méi)有對(duì)極端天氣做出模擬，因此在下一階段的研究中，可以對(duì)此進(jìn)行評(píng)估。