基于遥感技术的苕溪流域水土流失动态监测研究

周巧稚,张玉刚,杜 婧,尤炎煌

(太湖流域管理局 太湖流域水土保持监测中心站，上海 200434)

水土流失是全球性的生态环境问题之一，其强度与区域土地利用、地形地貌、植被状况等密切相关。开展土地利用、植被覆盖、水土保持措施、土壤侵蚀等监测，掌握水土流失强度、面积与分布特征，对于指导区域水土流失综合治理、贯彻落实生态文明决策部署具有重要意义[1]。本研究以苕溪流域为研究对象，基于2020年2 m分辨率多源卫星遥感影像，采用资料收集、遥感监测、野外调查、模型计算和统计分析相结合的方法，重点围绕土地利用、地形坡度、植被覆盖、水土保持措施、土壤侵蚀等开展监测，分析评价流域水土流失状况，以期为流域水土保持宏观决策和生态环境建设提供参考。

1 研究区概况

苕溪流域涉及浙江省杭州市的临安区、余杭区和湖州市的安吉县、长兴县、德清县、湖州市城区，流域面积5 755.72 km2。苕溪水系分为东、西两支，分别发源于天目山南麓和北麓，在湖州汇合，东、西苕溪长分别为150、143 km。苕溪水系是太湖上游最大水系，地处流域内暴雨区，入湖水量约占太湖总水量的50%。苕溪输沙为太湖泥沙的主要来源，占入湖总沙量的86.2%。流域内地势自西南向东北逐步下降，海拔从1 500 m递减至3 m左右，形成西南部为低山丘陵、东北部为河网平原的基本地貌分布格局，山丘和平原面积分别占总面积的88%和12%。流域属亚热带季风气候区，气候温和湿润、雨热同期、日照充足、雨量充沛，年均气温16.5 ℃，年无霜期24 d。年均降水量1 141.6 mm，主要集中在汛期(5—9月)，期间降水量约占全年的75%，年均陆上水面蒸发量800～900 mm。土壤共有8类19个亚类，其中红壤和黄棕壤为地带性土壤。植被种类复杂，典型地带性植被为常绿、落叶阔叶林。

苕溪流域是“两山”理念的发源地，也是浙江省“千万工程”的重要策源地和实践地。近年来，流域内各县市区政府积极开展生态清洁小流域建设，推进土地综合整治，将水土流失治理与美丽乡村建设、水源地保护有机结合，有效改善了生态环境和人民生产生活条件。

2 研究方法

2.1 资料收集

本研究主要应用的基础资料有遥感影像、降水资料、土壤资料、地形资料、土地利用数据、水土保持重点工程及生产建设项目资料等，详见表1。

2.2 遥感解译与专题信息提取

选取2 m分辨率的多源卫星遥感影像，在对遥感影像进行辐射校正、正射纠正及融合、镶嵌等预处理的基础上，根据影像色调、纹理等特征，结合外业调查，以县级行政区为基本统计单元，建立土地利用和水土保持措施解译标志。

在室内采用人工目视解译的方式，形成土地利用和水土保持措施初步解译成果。利用水土保持野外调查信息采集系统和无人机等设备对解译成果及时进行野外复核验证，实地记录研究区土地利用类型、水土保持措施情况、植被覆盖状况、水土流失强度等信息，补充建立解译标志，修正解译成果。

2.3 土壤侵蚀计算与评价

采用中国土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)，七因子专题数据叠加分析，计算土壤侵蚀模数，其公式为

A=R·K·L·S·B·E·T

式中：A为土壤侵蚀模数，t/(hm2·a)；R为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)；L、S为坡长和坡度因子，无量纲；B为植被覆盖与生物措施因子，无量纲；E为工程措施因子，无量纲；T为耕作措施因子，无量纲。

表1 基础资料

依据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)，判定每个栅格的土壤侵蚀强度等级，进行水土流失面积统计。本研究采用的技术路线见图1。

图1 技术路线

3 结果与分析

3.1 土地利用

土地利用通过改变植被覆盖、土壤性质、径流速率、地形条件等，导致侵蚀发生及泥沙拦截能力的变化，进而影响侵蚀产沙[2]。不同的土地利用方式对土壤侵蚀的发育有着不同的影响，土地利用的变化直接影响着土壤侵蚀强度的变化。监测结果显示，2020年苕溪流域土地利用结构中，林地面积最大，为3 503.81 km2，占土地总面积的60.88%；其次是建设用地和耕地，面积分别为646.52、630.30 km2，分别占11.23%、10.95%；园地和水域及水利设施用地次之，面积分别为417.33、341.36 km2，分别占7.25%、5.93%；草地、交通运输用地、其他土地面积最小，分别为132.19、83.93、0.28 km2。

3.2 地形坡度

坡度影响着水流速度及径流量、入渗量的大小，从而影响地表侵蚀的方式和强度。当地表坡度小于临界坡度时，在一定范围内随着坡度的增加，径流速度加快，入渗量减少，径流的冲刷能力加大，土壤流失量增加。由监测结果可知，按坡度级分，苕溪流域耕地主要分布在≤2°坡度级，该坡度级耕地面积为534.76 km2，占不同坡度级耕地(耕地面积中除梯田面积外)总面积的88.41%；2°～6°、6°～15°、15°～25°坡度级耕地面积分别为32.63、23.68、9.12 km2，占比分别为5.39%、3.92%、1.51%；25°以上陡坡耕地面积4.65 km2，占比为0.77%。不同坡度级耕地水土流失总面积为32.91 km2，主要发生在6°～15°以及15°～25°坡度级的坡耕地上，其水土流失面积分别为13.99、8.44 km2。从不同坡度级耕地水土流失面积占相应耕地面积比例来看，15°～25°及25°以上陡坡耕地占比较高，分别占本级耕地面积的92.54%、96.34%。

3.3 植被覆盖

植被通过截留作用削减雨强和雨量，借助枯枝落叶层涵蓄水分、调节径流，同时其根系可固结土体，提高土壤抗蚀性、抗冲性，从而抑制土壤侵蚀的发生。根据监测结果，苕溪流域的园、林、草地的二级类中有林地面积最大，其面积为2 962.08 km2，占土地总面积的51.46%；其次是其他林地和茶园，面积分别为414.27、257.58 km2，占比分别为7.20%、4.48%。按植被覆盖度分，苕溪流域园、林、草地以高覆盖(≥75%)为主，面积为3 067.36 km2，占园、林、草地总面积的75.68%；中高覆盖(60%～75%)面积584.83 km2，占比14.43%；中覆盖(45%～60%)面积260.61 km2，占比6.43%；中低覆盖(30%～45%)面积102.32 km2，占比2.52%；低覆盖(<30%)面积38.21 km2，占比0.94%。苕溪流域超九成的园、林、草地植被覆盖度大于60%，良好的植被覆盖有效保持了水土，为减轻水土流失、改善生态环境创造了条件。

3.4 水土保持措施

相关研究表明，通过水土保持植物措施、工程措施、农业耕作措施相结合的综合治理方式，可以充分发挥土壤蓄水保土的作用，有效控制水土流失。监测结果表明，苕溪流域2020年造林、封育等植物措施面积分别为5.51、10.05 km2，主要分布在湖州市安吉县。工程措施中，梯田面积为25.87 km2，主要分布在湖州市安吉县、德清县，杭州市临安区；坡面小型蓄排工程7.42 km，主要分布在湖州市安吉县。

3.5 水土流失面积及分布

2020年，苕溪流域水土流失面积304.45 km2(全部为水力侵蚀)，占土地总面积的5.29%。按照水土流失强度等级划分，轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积分别为247.70、37.87、15.89、2.65、0.34 km2，占水土流失总面积的81.36%、12.44%、5.22%、0.87%、0.11%；水土流失以轻度侵蚀为主，强烈及以上侵蚀面积仅占总流失面积的6.20%。

从空间分布来看，苕溪流域水土流失主要分布在安吉县中北部和长兴县东南部。从不同土地利用类型水土流失面积来看，苕溪流域水土流失主要发生在茶园、人为扰动用地、其他林地及旱地，面积分别为89.29、54.83、38.93、32.91 km2，分别占水土流失面积的29.33%、18.01%、12.79%、10.81%。

2020年苕溪流域极强烈及以上水土流失面积统计见表2。由表2可知，苕溪流域极强烈及以上水土流失面积为2.99 km2，主要分布在建设用地、园地和耕地，其中：建设用地极强烈侵蚀均分布在人为扰动用地地类上，集中在湖州市吴兴区和杭州市临安区；园地极强烈及以上侵蚀均分布在茶园地类上，集中在湖州市德清县；耕地极强烈侵蚀主要分布在15°～25°坡耕地上，剧烈侵蚀主要分布在25°以上陡坡耕地上。

表2 2020年苕溪流域极强烈及以上水土流失面积 km2

2020年苕溪流域人为扰动用地地块数量为6 358个，面积为154.54 km2，占土地总面积的2.68%。人为扰动用地中有水土流失面积54.83 km2，占其面积的35.48%，主要分布在湖州市长兴县、安吉县和杭州市临安区，其中轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀面积分别为26.23、15.59、11.99、1.02 km2。与2019年相比，2020年流域新增人为扰动用地地块数量2 014个、面积25.58 km2，有水土流失面积11.08 km2，占新增人为扰动用地面积的43.32%，其中轻度、中度、强烈、极强烈侵蚀面积分别为5.43、2.30、3.27、0.08 km2。

为了进一步分析苕溪流域土壤侵蚀空间转移情况，将2019、2020年苕溪流域土壤侵蚀图进行叠加计算，得到2019—2020年苕溪流域土壤侵蚀转移矩阵，见表3。

表3 2019—2020年苕溪流域土壤侵蚀转移矩阵 km2

由表3可知，相比于2019年，2020年苕溪流域水土流失面积减少14.88 km2，减幅4.66%。按侵蚀强度分，轻度、极强烈侵蚀面积分别减少了15.15、3.88 km2，而中度、强烈、剧烈侵蚀面积则略有增加。此外，土壤侵蚀强度未发生变化的区域面积为5 512.73 km2，由低强度向高强度转移的面积为116.26 km2，由高强度向低强度转移的面积为126.73 km2。总体来说，苕溪流域2019—2020年整体呈现由高强度侵蚀向低强度侵蚀转移的趋势。

4 结 论

根据苕溪流域水土流失动态监测结果，苕溪流域土地利用以林地、建设用地和耕地为主，分别占土地总面积的60.88%、11.23%、10.95%，耕地主要分布在≤2°坡度级，植被覆盖状况良好，超九成的园、林、草地植被覆盖度大于60%。2020年流域水土流失总面积304.45 km2，侵蚀强度以轻度侵蚀为主，水土流失主要分布在茶园、人为扰动用地、其他林地及旱地上，其中极强烈及以上侵蚀主要分布在人为扰动用地、茶园和坡耕地等；整体来看，土壤侵蚀强度改善的区域面积大于加剧的区域面积，水土流失状况有所好转。