水库库区桉树轮伐对水土流失的影响研究——以广州水库库区为例

杨静学，黄本胜*，洪昌红，熊志杰

（1.广东省水利水电科学研究院，广州510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州510635）

水库库区桉树轮伐对水土流失的影响研究
——以广州水库库区为例

杨静学1，2，黄本胜1，2*，洪昌红1，2，熊志杰1

（1.广东省水利水电科学研究院，广州510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广州510635）

以广州市白洞水库和吊钟水库作为实验样区，研究分析水库库区桉树轮伐对水土流失的影响.研究基于遥感数据对库区桉树轮伐区的植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及水土保持作用系数进行反演和统计分析.结果显示：库区桉树林的轮伐行为将导致植被覆盖度从0.8～0.9下降到0.2～0.3；土壤侵蚀模数从2 000～3 000 t/km2上升到8 000～13 000 t/km2，水土保持作用系数从0.7～0.8下降到0.3～0.5；扰动期长达11个月；产生较严重的水土流失影响.

桉树林；遥感；植被覆盖度；水土流失

桉树为世界三大速生树种之一，其生长速度快、适应性强、轮伐期短、经济价值高，是我国南方重要的人工经济林种［1-2］.广东地处热带北部和亚热带南部，受季风气候影响较大，具典型的热带、南亚热带气候特征.广东雨量充沛，热量丰富，除南岭山地带外，年均气温20℃以上，日平均气温不低于10℃的年活动积温≥6 500℃，年降水量1 500～2 000 mm.这种光、热、水资源条件与桉树原产地相近，很适合人工桉树林的大面积种植.广东省也是我国引种桉树最早的省份之一，已有100多年历史.截至到2008年，广东省桉树种植面积已达10 780 km2.

广东的桉树林多是人工生态系统，是集约经营的纯林，其生物多样性比自然生态系统简单，多生长在阳光充足的平原、山坡、路旁、水旁.桉树林的种植带来巨大的经济效益的同时，其每5～7年的轮伐，也造成桉树种植区植被的破坏［3-5］.

然而，“植被永远是防止地面水土流失的积极因素”［6］；“森林具有最强的保持土壤的作用，这是它对环境最重要的作用”［7］.在广东水库库区这类湿热区域，轮伐后的桉树种植区到底会产生多严重的水土流失，持续时间多长，鲜有论文见诸报端.针对以上问题，本研究设广州水库库区为研究区.广州位于南亚热带季风气候区内，气温高、降水多、霜日少、日照多、风速小、雷暴频繁，这些气候特点使得植被覆盖率低的地表容易发生水土流失.根据植被保土作用与其覆盖度密切相关，即覆盖度愈大，侵蚀愈弱；相反，覆盖度小，作用弱，侵蚀增强的特点，本文将基于MOD13Q1植被指数产品，探讨在广东省这类亚热带气候区，轮伐对植被覆盖度、土壤侵蚀模数、水土保持作用系数的强度和持续时间的影响.

本文将通过获取和分析研究区2006—2013年的高分辨率无云影像数据，得到桉树林轮伐区纯净像元区域和时间范围，然后基于MOD13Q1植被产品的NDVI值，计算纯净像元区植被覆盖度fv、土壤侵蚀模数Ms和水土保持作用系数C，并对3个参数进行2006—2013年长时间序列的分析，评估桉树轮伐对研究区的水土流失的影响.

1　研究数据

本研究的遥感影像研究数据包括MODIS/Terra Vegetation Indices 16-Day L3 Global 250m SIN Grid（MOD13Q1）数据、QuickBird数据、KOMPAST数据、WorldView-2数据、Pleiades数据以及航空影像数据.

MOD13Q1是MODIS卫星的植被指数据产品，为采用Sinusoidal投影方式的3级网格数据产品，具有250 m的空间分辨率，每隔16 d提供1次.植被指数用于反映植被环境条件监测和显示土地覆盖和土地覆盖变化，这些数据可作为模拟全球生物地球化学过程、水文过程以及全球或者区域性气候的输入数据，也可用于描述陆地表面生物物理性质和过程，包括初级生产量和土地覆被转换［8-10］.本次实验将对研究区内桉树种植区MOD13Q1的NDVI值进行长时间序列的分析，获取桉树林生长和轮伐周期内的植被覆盖率变化情况，并进一步计算桉树林种植和轮伐的水土保持作用系数的变化情况，从而分析桉库区树种植对水土保持的影响.该数据主要用于桉树种植区的植被覆盖度的计算.

QuickBird数据、KOMPAST数据、WorldView-2数据、Pleiades数据以及航空影像数据都为高分辨率遥感数据，其最高分辨率为0.5～1 m.这类数据主要用于桉树种植区的目视解译.

2　研究区域

研究区域为广州市白洞水库和吊钟水库集水区域范围内的桉树林种植区（图1）.

图1　白洞水库和吊钟水库地图Figure 1　The map of White Hole reservoirs and Bell reservoir

首先判断MOD13Q1影像中对应的桉树林轮伐区的纯净像元.查找近8年来无云状态的QuickBird数据、KOMPAST数据、WorldView-2数据、Pleiades数据以及航空影像数据.查找到2007年4月12日和2011年11月24日库区有大片的桉树采伐迹地，在这两景影像上分别选择1个MOD13Q1的纯净像元区作为本实验的研究区.最终获取的2个研究区范围为图2和图3中的红色线框区域.需要注意的是，高分辨率遥感影像采用WGS_1984_UTM_Zone_ 49N投影坐标系，而MOD13Q1采用正弦投影（Sinusoidal），因此获取的MOD13Q1轮伐纯净像元区为平行四边形，而不是正方形.

图2　2006—2008年轮伐区分析像元区Figure 2　Study area of eucalyptus rotation from 2006 to 2008

图3　2010—2013年轮伐区分析像元区Figure 3　Study area of eucalyptus rotation from 2010 to 2013

3　研究方法

（1）植被覆盖度fv的计算.采用归一化植被指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）进行植被覆盖度的计算.NDVI利用植被在红色波段是强吸收，而在红外波段则是高反射的原理来对植被状况进行估算，计算公式［11-12］如下:

其中ρnir代表近红外波段的反射率，ρred代表红波段反射率.当NDVI值为0时，代表岩石或裸土，当NDVI大于零，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大.根据以上原理，植被覆盖度fv可以通过有植被部分地表与物质被覆盖部分地表组成，其公式［13-14］可表示为:

其中NDVIsoil为完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值，在大气影响下NDVI值不一定为零；NDVIveg代表完全由植被所覆盖的像元的NDVI值，即纯植被像元的NDVI值.为了消除大气的影响，根据整幅影像上NDVI的灰度分布，以0.5%置信度截取NDVI的上下限阈值分别近似代表NDVIveg和NDVIsoil.采用ENVI软件的波段计算工具，由式（1）可计算整幅影像的植被覆盖度分布图.

（2）土壤侵蚀模数Ms的计算.植被覆盖与土壤侵蚀模数的关系如下:

其中Ms为土壤侵蚀模数，a、b为拟合系数.

本实验的研究区的波段约为15°，根据文献［15］、［16］，土壤侵蚀模数采用地面坡段为12°的公式:

（3）水土保持作用系数C的计算.根据植被水土保持作用系数的定义，其计算公式为:

因缺少相同情况下无植被覆盖的土壤侵蚀量，利用此式求C值有一定困难.刘秉正等［16］研究发现，无论在任何情况下，植被保土作用系数C仅与覆盖度fv有关，与其他因素无关，其公式为:

4　结果与讨论

本次研究最终获取2组实验数据:第1组实验数据为图2所示纯净像元区计算的水土保持参数组；第2组实验数据为图3所示纯净像元区计算的水土保持参数组.由实验的技术路线可知，2组实验区都经历1次轮伐.

第1组实验数据结果如表1所示，获取了2006—2008年的目标像元参数，包括植被覆盖度fv、土壤侵蚀模数Ms以及水土保持作用系数C.

将所有参数投影到时间轴上，可直观地显示植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及水土保持作用系数的变化情况（图4、图5）.

由图4和表1可以看出研究区轮伐前植被覆盖度约为0.88.2006年11月开始轮伐，2006年12月轮伐完毕，此时植被覆盖度约为0.18.2007年4月研究区植被覆盖度开始逐渐增加，到2007年9月恢复到轮伐前的植被覆盖度值.根据图5，2007年4—9月，植被覆盖度的增长与时间成线性正相关关系，这说明初种植的桉树林在这半年时间内生长很快，且速率相当.2007年9月之后，研究区植被覆盖度不再有明显变化.由时间分布可估算出轮伐对桉树林植被覆盖度的扰动持续时间约11个月.

图4和表1中土壤侵蚀模数变化与植被覆盖度变化规律刚好相反.研究区轮伐前土壤侵蚀模数约为2 700 t/km2.2006年12月轮伐完毕时土壤侵蚀模数达13 521 t/km2.2007年4月研究区土壤侵蚀模数开始逐渐下降，到2007年9月恢复到轮伐前的水平.根据图5，2007年4—9月土壤侵蚀量的变化与时间成线性负相关关系.2007年9月之后，研究区土壤侵蚀量不再有明显变化.由时间分布可估算出轮伐对土壤侵蚀模数的扰动持续时间约11个月.

图4和表1中水土保持作用系数变化与植被覆盖度变化规律类似，与土壤侵蚀模数变化相反.研究区轮伐前水土保持作用系数约为0.74.2006年12月轮伐完毕时水土保持作用系数值约为0.33.2007年7月水土保持作用系数值开始逐渐回升，到2007年9月恢复到轮伐前的水平.根据图5，2007年4—9月水土保持作用系数的变化与时间成线性正相关关系.2007年9月之后，研究区水土保持作用系数不再有明显变化.由时间分布可估算出轮伐对目标像元区水土保持作用系数的扰动持续时间为约11个月.

表1　2006—2008年目标像元水土保持作用参数表Table 1　Water conservation indexes of study area from 2006 to 2008

图4　2006—2008年目标像元植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及水土保持作用系数变化图Figure 4　Vegetation coverage，soil erosion modulus，along with water and soil conservation effect coefficient variation of study area from 2006 to 2008

图5　2007年实验区轮伐后植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及水土保持作用系数变化图Figure 5　Vegetation coverage，soil erosion modulus，along with water and soil conservation effect coefficient variation in a eucalyptus rotation in 2007

第2组实验数据分析的结果如表2、图6和图7所示，获取的2011—2013年的目标像元参数包括fv、Ms及C值.将所有参数投影到时间轴上后，其变化情况与第1组实验类似:桉树林都在11月份开始轮伐，到12月完成轮伐，轮伐次年的4—9月，研究区植被迅速恢复，到9月各参数恢复到轮伐前水平；轮伐完成后，植被覆盖度从0.86下降到0.30，土壤侵蚀模数从2 800 t/km2上升到约8 700 t/km2，水土保持作用系数从0.74下降到0.40.整个扰动期长达11个月.

表2　2011—2013年目标像元水土保持作用参数表Table 2　Water conservation indexes of study area from 2011 to 2013

图6　2011—2013年目标像元植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及水土保持作用系数变化图Figure 6　Vegetation coverage，soil erosion modulus，along with water and soil conservation effect coefficient variation of study area from 2011 to 2013

图7　2011年实验区轮伐后植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及水土保持作用系数变化图Figure 7　Vegetation coverage，soil erosion modulus，along with water and soil conservation effect coefficient variation in a eucalyptus rotation in 2011

需要说明，由于受云雾的影响，获取的无云影像略微晚于轮伐完毕时间，因此第2组实验的轮伐后植被覆盖度反演值偏高，可能导致轮伐后的土壤侵蚀模数估值偏低，水土保持作用系数偏高，但对实验分析结果影响不大.

综上所述，在研究区，桉树林都在11月开始轮伐，12月完成轮伐，次年的4月左右植被开始迅速恢复，到9月到达轮伐前的植被覆盖水平.这样的安排从时间上来说是合理的，因为每年的4—9月为广东省的汛期，雨水较多，对于植被覆盖差的区域，容易造成严重的水土流失现象.11月开始轮伐，可以有效地使得裸露的桉树种植地避开汛期，减少水土流失.

5　结论

本文为基于遥感技术的水库库区桉树轮伐对水土流失的影响研究.实验通过寻找MODIS的植被产品MOD13Q1的桉树林轮伐区纯净像元区域和时间，获取其长时间序列的植被指数，从而反演其植被覆盖度、土壤侵蚀模数以及保土作用系数，并分析它们在轮伐前后的变化情况.

实验对2个250 m×250 m大小的MOD13Q1纯净像元区，分别进行轮伐期前后水土保持参数组的计算和统计分析.分析显示2个实验区的桉树轮伐期都在11—12月进行，次年1—2月植被覆盖率最低，4月植被覆盖开始恢复，到9月回到轮伐前水平.以上轮伐规律可以使植被覆盖最小的时期有效地避开广东省的汛期（4—9月）.然而，桉树林的轮伐的对库区植被覆盖度、土壤侵蚀模数和水土保持作用系数的扰动程度较大，时间较长（约为11个月）.其中植被覆盖度轮伐前约为0.8～0.9，轮伐后约为0.2～0.3；土壤侵蚀模数轮伐前约为2 000～3 000 t/ km2，轮伐后为8 000～13 000 t/km2；水土保持作用系数为0.7～0.8，轮伐后为0.3～0.5.因此，桉树种植依然会对水库库区的水土流失造成较大影响.

需要补充说明2点:（1）由于遥感卫星影像受云雾的影响，轮伐期时间段内只有有限的影像，因此可能出现无法精确获取到轮伐完毕时刻的影像数据，获取的影像是轮伐完毕前后的，从而造成反演的轮伐期的植被覆盖度等参数存在偏大的现象；（2）由于卫星遥感影像只能获取植被冠层顶端的光谱属性，因此对桉树生长中后期的生物量的增长不敏感.

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【中文责编：庄晓琼英文责编：肖菁】

Effects of Reservoir Area on Soil Erosion in a Eucalyptus Rotation: A Case Study in Two Reservoirs of Guangzhou

Yang Jingxue1，2，Huang Bengshen1，2*，Hong Changhong1，2，Xiong Zhijie1
（1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510635，China；2.State-province Joint Engineering Laboratory of Estuarine Hydraulic Technology，Guangzhou 510635，China）

The soil erosion leaded by the eucalyptus forest rotation behavior in two reservoirs of Guangzhou is studied.The vegetation coverage is interpreted by using remote sensing information in reservoir area of eucalyptus forest.The soil erosion modulus，as well as water and soil conservation effect coefficient is also calculated through vegetation coverage.The experimental result shows that the eucalyptus forest rotation behavior leads to vegetation coverage decreasing from 0.8～0.9 to 0.2～0.3，soil erosion modulus up from 2 000～3 000 t/km2to 7 000～14 000 t/km2，water and soil conservation effect coefficient decreasing from 0.7～0.8 to 0.3～0.5.The disturbance period lasts for 11 months causing serious soil erosion problem.

eucalyptus；remote sensing；vegetation coverage；soil erosion

K909

A

1000-5463（2015）03-0120-07

2014-09-15《华南师范大学学报（自然科学版）》网址:http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目（41401485）；广东省水利科技创新项目（2010484）

黄本胜，教授级高级工程师，Email:bengsheng@21cn.com.