GIS理论下的左江各地区土壤侵蚀探究

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义
生态风险评价是近30 年来逐渐受到重视并得到迅速发展的一个重要领域。在人类社会持续发展的同时，人类活动也引发了一系列生态环境问题， 如水土流失、石漠化、土地退化、土地利用结构不合理、环境污染、全球变暖、物种灭绝等，致使环境质量急剧下降，严重影响了人类的生活质量，并制约着社会和经济的可持续发展。为了抑制生态环境的恶化，改善人类的生存环境，世界各国已开展了大量有关生态风险、生态安全、生态敏感性等方面的研究，在环境评价方面也不断深化。左江流域地处我国西南喀斯特地貌发育区的南缘地带，流域内喀斯特地貌发育广泛，自然环境条件复杂，土壤侵蚀、退化严重，使得生态问题一再突出，对流域土壤侵蚀敏感性进行评价，能够更加深入的了解喀斯特山区的土壤侵蚀情况、为流域土壤侵蚀防治、生态风险评价以及经济与环境协调发展提供决策依据。
当前的生态风险评价多以自然环境、社会经济等离散统计数作为支撑，以行政区为评价单元进行，较大程度上限制了对生态风险空间分布规律的揭示，本文从土壤侵蚀与景观格局角度，综合流域内主要生态问题与景观格局信息，构建生态风险指数，以流域与子流域为评价单元，揭示生态风险的空间分异特征及其机制，为流域生态风险管理、流域生态环境保护提供依据。完善生态风险评价的定量研究方法，建立定量生态风险评价模型，对于生态风险评价研究、生态风险管理而言显得尤为迫切。随着 GIS、RS 等技术发展的不断深入，其为生态风险评价提供了强有力的技术手段，如：评价单元的确定、指标的提取、指标的量化等。由于自然因素与人为活动的共同作用，致使流域内生态问题一再突出，基于此对左江流域的生态风险进行评价研究。

1.2 国内外研究进展
1.2.1 国内外生态风险研究进展
生态风险评价是由风险评价发展而来的。20 世纪 80 年代初，美国橡树岭国家实验室受美国国家环保局(USEPA)委托，进行人体健康风险评价，并将此评价方法类推到人体健康的致癌风险评价中[3-5]。风险评价研究的内容开始逐渐从人体健康风险与毒理风险向生态风险转变，评价尺度也从种群、群落等向生态系统延伸。1992 年，美国环境保护局(USEPA)在人体健康风险评价指南[6]基础上提出了生态风险评价框架[7]，该框架以问题形成、风险分析、风险表征三步为核心，并定义了生态风险评价中的概念和一系列关键术语。1998 年，USEPA 在 1992 年生态风险评价框架的基础上颁布了生态风险评价指南[8]，并对之前的生态风险评价框架进行了完善和补充，强调了进行评价前评价者与环境管理者之间共同制订评价计划这一步骤，体现了美国生态风险评价的最大目标是为环境管理部门服务这一特点。
此后，诸多学者基于 USEPA 生态风险评价指南进行了大量相关的实践应用研究。如美国橡树岭国家实验室(ORNL)在美国田纳西州 Clinch River 流域进行了一系列生态风险研究，评价了化学有毒物质对流域特殊种群的影响，将研究尺度扩大到流域水平[9-12]。Hooper 等（1996），建立了基于生态特征的洪水风险区划模型，并运用于Murray Darling 流域的洪水管理。在土地利用变化生态风险方面：Walker 等（2001），评价了农业土地利用和居住用地扩展对区域生态系统产生的潜在生态风险；Angela 等（2002），研究 Codorus Creek 流域多压力因子区域生态风险，利用相对风险分析的方法思想构建了基于压力因子—受体—生境三者相互关系的概念模型。按景观类型将研究区分为若干子区，分别评价了各子区和各评价端点的风险值，同时进行不确定性分析，并借助 GIS 将风险结果进行表征；Wallack（2002），根据土地利用方式、营养物质浓度与杀虫剂浓度之间的相关关系，以土地利用方式等数据代替杀虫剂浓度，通过分区的方法定量地评价了杀虫剂对水域造成的可能影响。Hayes 等(2004)，运用相对生态风险分析法(Relative RiskModel，RRM)评价了海滨区生态风险，并用蒙特卡罗法进行了不确定性分析。除美国外，澳大利亚、欧洲等，对生态风险研究各有不同。
澳大利亚生态风险评价研究集中在对化学污染物和重金属对土壤的影响上，澳大利亚国家环境保护委员会于 1999 年建立了一套比较完善的土壤生态风险评价指南， 在土壤环境污染生态风险评价方面的研究是当前比较成熟的。欧洲的生态风险评价研究与美国的生态风险评价有较大不同，其研究主要是在新化学品评价的基础上发展起来的。其他国家比如加拿大、南非和新西兰等，其生态风险评价研究大多按照 USEPA1998 年的生态风险评价指导方针展开，并在此基础上对生态风险评价流程和具体操作方法根据本国具体情况调整和改进[13]。

    1.3 研究内容及技术路线 .....................16-18
        1.3.1 研究内容 .....................16-17
        1.3.2 技术路线 .....................17-18
    1.4 数据来源及投影坐标 .....................18-20
第2章 研究区概况 .....................20-24
    2.1 自然概况 .....................20-22
    2.2 社会经济状况 .....................22-23
    2.3 流域主要生态问题 .....................23-24
第3章 流域水文特征提取及分析 .....................24-31
    3.1 流域水文特征提取 .....................24-27
        3.1.1 流域基本特征提取 .....................24-25
        3.1.2 流域水系特征提取 .....................25-27
        3.1.3 流域结构特征提取 .....................27
    3.2. 流域基本特征分析 .....................27-31
        3.2.1 流域基本特征及水系提取结果 .....................27-29
        3.2.2 流域水系特征分析 .....................29-30
        3.2.3 子流域划分结果 .....................30-31
第4章 土地利用/土地覆盖信息提取与分析 .....................31-38
    4.1 土地利用/土地覆盖分类体系 .....................31
    4.2 遥感影像预处理 .....................31-32
        4.2.1 几何校正 .....................31-32
        4.2.2 投影转换与波段选择 .....................32
    4.3 土地利用/土地覆盖解译标志 .....................32-33
    4.4 遥感影像解译 .....................33-36
    4.5 土地利用/土地覆盖解译结果分析 .....................36-38
        4.5.1 解译精度分析 .....................36
        4.5.2 土地利用/土地覆盖结构分析 .....................36-38
第5章 土壤侵蚀强度空间特征分析 .....................38-51
    5.1 土壤侵蚀因子提取 .....................39-45
        5.1.1 降雨侵蚀力因子 R .....................39-41
        5.1.2 坡长坡度因子 LS .....................41-43
        5.1.3 土壤可蚀性因子 K .....................43-44
        5.1.4 植被盖度因子 C .....................44
        5.1.5 水土保持措施因子 P .....................44-45
    5.2 土壤侵蚀格局特征 .....................45-51
        5.2.1 土壤侵蚀空间分布特征 .....................45-47
        5.2.2 流域主要县份土壤侵蚀情况 .....................47-48
        5.2.3 流域各土地利用类型土壤侵蚀情况 .....................48-51
第6章 生态风险评价 .....................51-62
    6.1 景观干扰指数与土壤侵蚀敏感性指数的构建 ..............51-54
        6.1.1 景观格局指数提取 .....................51-52
        6.1.2 指标权重的确定 .....................52-53
        6.1.3 景观格局指数分析 .....................53-54
        6.1.4 土壤侵蚀敏感性指数的确定 .....................54
    6.2 区域生态风险评价 .....................54-58
    6.3 基于自然子流域的生态风险评价 .....................58-61
        6.3.1 评价单元的确定 .....................58-59
        6.3.2 子流域风险因子值的确定 .....................59
        6.3.3 子流域生态风险分析 .....................59-61
    6.4 生态风险管理对策 .....................61-62

结论

(1) 根据河网密度法，即集水面积阈值与河网密度关系曲线，最终确定以河网密度 0.196km·km-2提取左江流域的河网，提取河网后生成河网起源点与交汇点，确定流域出水口，提取流域范围，提取得到流域总面积为 33427.70km2，国内部分面积为 22009.59km2，干支流总长 6544.72km，按 Strahler 分级方法，可将河网分为 6 个等级，整个左江流域的河流分叉比为 3.72，河长比 为 1.99，水系分维是1.909。
(2) 参考USLE通用土壤流失方程，计算得到左江流域的土壤侵蚀模数介于0～9086 t/(km2·a)之间，按全国土壤侵蚀分类分级标准，可将流域的土壤侵蚀强度划分为 5 个等级，其中微度侵蚀与轻度侵蚀强度等级占主导地位，占流域总面积的 93.3%，主要分布在地势较平缓的区域；中度及以上等级侵蚀面积占 6.7%，主要影响因素是地形和土壤性质，集中分布在以紫色土为主且地形起伏较大的区域。
(3) 根据解译得到的土地利用类型提取景观格局指数构建景观干扰指数，左江流域内景观干扰指数最大的是建设用地，主要是受人为活动的干扰，如城镇扩展、农村建设、交通运输、基础设施建设等；其次是未利用地，其主导因素是自然因素：地形、地质构造、土壤性质等。景观干扰指数从小到大排序如下：建设用地＞未利用地＞水域＞灌木林地＞草地＞有林地＞水田＞其他林地＞旱地。