大别山区金寨县梅山镇土壤侵蚀动态变化研究开题报告

中国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，具有分布广泛、流失总量巨大的特点。土壤侵蚀是土地退化、河道和湖泊淤积的根本原因，可导致土地沙漠化和荒漠化，致使生态环境恶化、耕地面积和质量下降，严重影响人类的生产生活环境。而区域土壤侵蚀的动态监测对把握土壤侵蚀演变与分布情况，服务于政府决策，保护生态环境具有重要意义。通过对年际间土壤侵蚀动态变化的监测，了解土壤侵蚀的面积、分布、强度，分析其变化的原因及规律，从而为政策的制定及水土保持工作的开展提供科学依据，对土壤侵蚀的综合整治、生态系统功能的恢复和国家生态安全的监测具有重要指导作用。

近年来，遥感和地理信息技术的快速发展，为区域土壤侵蚀的动态监测提供了先进的方法，便于水土保持工作的开展。通过GIS和RS技术的应用，人们可对土壤侵蚀分布与强度的动态变化进行高效、准确、定期、定量的监测，使土壤侵蚀的分类分级都与一定空间位置的某一地块相对应，从而为水土流失综合治理的科学决策提供可靠的依据。

金寨县梅山镇地处于大别山腹地，属于桐柏山大别山国家级水土流失重点预防区，属北亚热带湿润季风气候，季风明显、雨量充沛，夏季降雨集中，一旦原生植被遭到破坏，极易产生土壤侵蚀，将造成不可挽回的影响。因此本研究以金寨县梅山镇为研究对象，采用RS、GIS相结合的技术手段，摸清2013年、2015年和2017年土壤侵蚀动态变化状况，并分析其变化原因，从而为当地水土保持工作提供数据支撑，为政策的制定与水土保持工作的开展提供科学依据。

一、国外研究现状

土壤的定量化研究始于德国，由德国土壤学家Wollny率先进行，于1909年建立了世界上第一个土壤侵蚀试验小区。侵蚀小区这一概念在1917年由美国学者Miller提出，采取的规格为长27.66m宽1.83m。H.L.Cook在1936年确定了三个要素对土壤侵蚀的影响，分别为土壤可蚀性、降雨侵蚀力和植被覆盖度。A.WZing在1940年通过人工降雨的小区以及自然状态下的小区对比试验提出了影响土壤侵蚀速度的坡度和坡长因子，分析了修筑梯田对坡度、坡长因子的影响。D. Smith在发展前人成果时添加了水土保持措施以及作物这两个因子。这一阶段的理论发展和数据观测为USLE模型的建立提供了基础。

美国从19世纪50年代后期逐渐兴起土壤侵蚀的防治工作,。1915年美国林务局在犹他州布设了第一个土壤侵蚀观测小区,不久后第一次出版了野外小区土壤侵蚀观测成果。在土壤侵蚀预报方面,于1959年提出了通用土壤流失方程式(USLE),被USDA以农业手册的形式颁布执行。自从通用土壤流失方程USLE问世以来，在土壤侵蚀的机理研究、侵蚀量预报及侵蚀控制措施等方面均得到广泛应用，因此对其研究的发展也在一直不断深入。主要体现在公式结构更为合理、参数代表性更为普遍、应用范围更广这几个方面。目前传统的USLE已被修正后的通用土壤流失方程RUSLE来取代。RUSLE主要是由美国农业部(USDA)及其下属机构研究的。RUSLE与传统的USLE相比，最大的提高就是在于计算因子的通用性加强。

欧洲土壤侵蚀模型(EUROSEM)目前也比较流行。EUROSEM是一个动态配制模型，它能模拟小到单块田地，大到小型流域，在一场暴雨下由于沟间侵蚀与细沟侵蚀过程，而造成的泥沙在土表的侵蚀、输移及沉积过程。模型可输出一系列重要信息，如径流总量、土壤流失总量、暴雨水文过程线或暴雨产沙过程线等。EUROSEM的最大优点就是其动态性。

二、国内研究现状

我国对土壤侵蚀进行定量观测始于20世纪40年代初。1953年刘善建根据径流小区观测资料,首先提出了坡面侵蚀量的计算公式,为我国土壤侵蚀的定量化研究揭开了序幕。

我国土壤侵蚀的研究工作起步相对于外国较晚。研究多借助于国外已有模型，在其基础上做出适合中国环境特点的调整，应用于我国土壤侵蚀的预报与分析。1982年孙立达等对宁夏西吉县小流域用数学模型进行了土壤侵蚀量的预测。1983年牟金泽等对USLE模型进行了介绍，并实际应用于土壤流失的预报。1996年蔡强国等对黄土丘陵沟壑区进行研究，成功模拟了该流域产沙的过程。我国各地区开始尝试分别结合自身环境特点，以USLE模型为基础对各因子计算方法做出适当调整:1、东北地区。张宪奎等通过对31个试验区7年的观测分析对模型进行了适用于黑龙江地区的调整，R, K,C因子通过实验测得数据，L, S,P通过资料推导求得。林素兰等通过对径流小区的试验研究，提出了可应用于辽宁北部区域坡耕地的调整方法，确定了该研究区前提下的待定系数。2、黄土高原地区。金争平等经过对皇甫川流域的观察和研究，做出了适用于该地区的因子调整。3、东南沿海地区。周伏建等人针对福建省土壤流失特点提出了简易的预报方程，但并没有将C, P因子加入方程。

为了科学评价我国水土流失现状与变化趋势，为国家水土保持与生态建设宏观决策提供依据，国家先后启动了一系列的水土保持与生态环境科学考察，取得了一系列有重要科学与实践意义的成果，建立了完善的全国土壤侵蚀分类系统，奠定了对我国土壤侵蚀遥感调查制图的基础。1984年，水利部组织有关单位应用遥感技术编制了全国和各大流域土壤侵蚀图(1∶250万和1∶50万)，之后，水利部又连续2次组织了全国土壤侵蚀遥感调查与制图，客观地分析了全国土壤侵蚀的动态变化。20052007年，水利部、中国科学院和中国工程院联合开展了中国水土流失与生态安全综合科学考察，对我国不同类型区土壤侵蚀防治具有重大现实意义。

近年来,随着计算机技术的发展,GIS、RS技术在土壤侵蚀中得到广泛应用,如基于GIS的坡面侵蚀预报模型、利用RS提取土壤侵蚀的各个因子并进行土壤侵蚀预报和评价。以往的土壤侵蚀研究由于技术手段的限制，多集中于定性和定量方面，动态研究应用不多。随着遥感和地理信息系统技术的成熟，在GIS支持下，利用侵蚀模型进行土壤侵蚀动态研究逐渐成为各国研究的热点，GIS也已成为土壤侵蚀动态研究的有力工具。地理信息系统(GIS)是一个处理地理空间数据，包括数据的输入输出、存储管理、查询分析，并可进行辅助决策的计算机系统，利用GIS可以采集、管理大量的环境数据，GIS的分层处理数据的功能及其他空间分析功能可极大地方便土壤侵蚀的研究。土壤侵蚀动态研究对进一步分析区域土壤侵蚀状况、变化规律、发展趋势及存在问题等提供了重要的科学依据和手段。

本研究以金寨县梅山镇1：5万地形图，2013年、2015年、2017年遥感影像、Landsat影像数据源为基础，基于ArcGIS、ENVI等软件，获取土地利用、坡度、植被盖度等相关信息。采用三因子综合评判法，依据《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007），定性分析评价研究区水土流失空间分布、面积及强度，探索不同年份土壤侵蚀动态变化、原因及规律。

1.基础数据

安徽金寨县梅山镇1：5万数字地形图、GF-1、Landsat影像及研究区的重点工程的初设报告、施工分布图和验收报告等资料。

2.研究方法

2.1 土地利用

基于面向对象的易康(eCognition）影像分析软件平台，以GF-1高分遥感影像为基础，采用分类方式勾绘图斑，以自动分类及人机交互解译的方法，对图斑开展检查与调整工作，解译研究区内土地利用现状及变化。根据《土地利用现状分类》国家标准（GB/T 21010-2007），构建解译标志，在保持一级类的基础上增设二级类、三级类，结合梅山镇实际和高分遥感影像特点，构建梅山镇土地利用二、三级分类系统及解译标志，通过人机交互解译获取土地利用数据，重点明确二三级分类面积及空间分布，掌握梅山镇土地利用特征。选取有代表性的典型地块、特殊地物、解译土地利用变化不清楚处作为野外调查样区和实地考察点。通过野外调查验证土地利用判读结果，计算土地利用判读精度。根据验证结果，更新、完善土地利用数据，获得梅山镇土地利用及空间分布，并对比分析年度间土地利用变化及其原因。

2.2坡度

基于ArcGIS平台，以DEM为基础，提取海拔、起伏度、坡度等信息，参照《中国陆地基本地貌类型及其划分指标》、《坡度分级与编码表》，获得梅山镇地形地貌、坡度分级等信息，分析其地形地貌及坡度特征。

坡度分级标准见下表

表2-1 坡度分级标准与编码

2.3 植被覆盖度

以GF-1、Landsat影像为数据源，提取归一化植被指数(NDVI)，计算林草植被覆盖度，并参照《植被覆盖分级编码表》进行分类分级，构建梅山镇林草植被覆盖度本底信息数据，掌握区域内林草植被覆盖特征。

NDVI为近红外波段NIR（0.7～1.1m）与可见光红波段R（0.4～0.7m）数值之差和这两个波段数值之和的比值。

NDVI=(NIR-R)/(NIR R)

FVC={(NDVI-NDVImin)/(NDVI max- NDVImin)}

其中，FVC为植被覆盖度；NDVI为所求像元的归一化植被指数；NDVImin、NDVImax分别为项目区内NDVI的最小值、最大值；K为经验系数。

植被覆盖度分级标准见下表

表2-2 植被覆盖分级编码

2.4土壤侵蚀

依据水利部部颁标准《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190-2007）中分级指标，采用综合评判法，基于地理信息系统通过对土地利用、坡度、植被覆盖等因子的综合分析，定性分析土壤侵蚀的空间分布、面积、强度，不同年份间的土壤侵蚀的动态变化、原因及规律。

土壤侵蚀强度分级标准见下表

表2-3土壤侵蚀强度分级表

注：若有梯田措施则强度降低一级，坡地果园强度升高一级。

3.研究计划：

2018年1-2月，完成基础材料搜集、文献综述查阅、开题报告的撰写，通过对相关文献的阅读，归纳总结同类研究中土壤侵蚀动态变化及其原因；了解掌握土地利用解译过程及方法，坡度、地形起伏度、植被覆盖度的提取方法，土壤侵蚀的计算方法。

2018年3-4月，完成数据处理及分析，基于ArcGIS平台计算分析土壤侵蚀动态变化，运用相关软件进行计算、绘图以及表格制作；

2018年5-6月，完成毕业论文的撰写，做好答辩准备。

研究区属淮河流域国家级重点预防区，在该区范围内开展土壤侵蚀动态变化研究，通过对比分析不同年际间的土壤侵蚀变化，为此区域可持续发展的经济与良好的生态环境之间的和谐共处提供科学依据。