不同比例尺流域土壤侵蝕評估及其尺度效應(yīng)研究

1、 206 應(yīng)用基礎(chǔ) 與工程科學(xué)學(xué)報 表 3 不同比例尺下紙坊溝流域各侵蝕強度等級的面積百分比 (% T able 3 A rea propo tion of each g rades of so il ero sion intensity for Zh ifanggou basin at d ifferen t sca les(% 微度 1級 1 20萬 1 5 萬 1 1 萬 0 . 0 21 . 7 20 . 3 輕度 2級 10 . 4 16 . 0 17 . 6 中度 3級 47 . 4 32 . 4 27 . 5 強度 4級 42 . 2 20 . 1 19 . 8 極強度 5級 0

2、. 0 9. 8 10 . 4 劇烈 6級 0. 0 0. 0 4. 4 V o.l 19 由表 3 可見 , 紙坊溝流域不同比例尺下的評估結(jié)果中 , 面積分布最廣的均為 3 級中度 侵蝕. 1 20萬比例尺下土壤侵蝕強度等級較為集中 , 只有輕度、 中度和強度 3 種土壤侵蝕 強度等級類型; 在 1 5 萬和 1 1 萬尺度 , 土壤侵蝕強度等級類型明顯增多 , 出現(xiàn)了微度、 極 強度和劇烈等侵蝕強度類型, 而中度和強度侵蝕的面積百分比大大減少. 因此, 隨著比例 尺的增加, 同一區(qū)域土壤侵蝕強度分布呈現(xiàn)多樣性的特征 , 這與小比例尺下體現(xiàn)概況、 大 比例尺下顯現(xiàn)細節(jié)的直觀特征是相符合的 .

3、 2 . 2 不同比例尺流域土壤侵蝕強度評估的尺度效應(yīng) 基于多比例尺紙坊溝流域的土壤侵蝕評估結(jié)果, 根據(jù)式 ( 2 計算得到 , 紙坊溝流域在 1 20 萬、 1 5 萬以及 1 1 萬比例尺下的土壤侵蝕強度等級分布特征指數(shù) H 分別為 1 . 04 、 1 . 33 和 2 . 42 . 紙坊溝流域不同比例尺下的土壤侵蝕強度等級分布特征指數(shù) H 隨著比例尺的增大 而增大 , 1 5 萬和 1 1 萬比例尺下的 H 值較 1 20 萬有較大增幅, 說明大比例尺下評估結(jié) 果中土壤侵蝕強度不同等級之間面積分配的均勻性遠高于小比例尺水平 , 評估結(jié)果中對 次要強度等級類型的描述能力增強, 評估結(jié)果所

4、包含的信息量也增多 . 因此, 選用小比例 尺對研究區(qū)域土壤侵蝕強度進行評估會造成強度等級類型多樣性信息的損失, 從而使得 評估結(jié)果呈現(xiàn)均質(zhì)化特征 , 這與 1 20萬比例尺下僅包含微度、 輕度和中度 3 種土壤侵蝕 強度等級, 而 1 5 萬和 1 1 萬比例尺下分別有 5 種和 6 種土壤侵蝕強度等級的情況相一 致 . 相比表 3 數(shù)據(jù)量過大, 分布特征指數(shù) H 則可以更為直觀地描述不同比例尺下評估結(jié) 果中土壤侵蝕強度等級分布的均質(zhì)性 特征, 同時還可以反映評估 結(jié)果所包含信息量的 大小. 2 . 3 不同環(huán)境因子對土壤侵蝕評估的影響 紙坊溝流域不同比例尺流域土壤侵蝕強度評估的尺度效應(yīng)是氣

5、候、 地形、 土壤和植 被 /土 地利用等多個環(huán)境因子綜合影響下的結(jié)果, 為了篩選出對土壤侵蝕評估影響最大的 環(huán)境因子, 利用情景分析法 , 計算得到了地形、 植被和土壤各環(huán)境因子比例尺由 1 1 萬變 為 1 5萬和 1 20 萬時, 較 1 1 萬比例尺下的紙坊溝流域土壤侵蝕評估結(jié)果的誤差平均 增幅, 結(jié)果如圖 4 所示 . 由圖 4 可見, 各因子比例尺由 1 1 萬變?yōu)?1 20萬所產(chǎn)生的誤差增幅均高于由 1 1 萬 變?yōu)?1 5 萬的變化幅度 , 在地形、 植被和土壤 3 個因子中, 當(dāng)比例尺由 1 1 萬變?yōu)?1 5 萬 和 1 20萬時, 侵蝕評估結(jié)果因地形因子數(shù)據(jù)比例尺的改變所

6、產(chǎn)生的誤差增幅均為最大, 地形因子對紙坊溝流域土壤侵蝕評估的影響最大. 紙坊溝流域?qū)儆谇鹆隃羡謪^(qū), 該區(qū)域溝多溝密、 地形破碎度高 , 地表起伏大, 地形特征 Supp lem ent 楊 琴等 : 不同比例尺流域土壤侵蝕評估及其尺度效應(yīng)研究 207 變異明 顯. 隨 著 地形 因 子 數(shù)據(jù) 源 DEM 分辨率的降低, 紙坊溝局部地 區(qū)的地形特征被掩蓋 , 造成地形失 真 , 導(dǎo)致該區(qū)域溝多溝密的地形破 碎信息喪失 , 具體表現(xiàn)為描述地形 破碎程 度的溝壑 密度結(jié)果 的大幅 降低. 同時, 低精度 DEM 還會導(dǎo)致 大量陡坡信息的消失 , 坡度呈現(xiàn)平 緩化特征. 上述分析表明, DEM 數(shù) 據(jù)

7、精度 的降低不 利于土壤 侵蝕強 度的評估. 因此, 在土壤侵蝕評估尺度效 應(yīng)研究中, 建議優(yōu)先考慮地形因子 比例尺 的改變對 土壤侵蝕 評估的 影響. 圖 4 單一環(huán)境因子比例 尺改變較 1 1 萬紙坊溝流域 土壤侵蝕評估結(jié)果 的誤差平均增幅 F ig . 4 A verage g row th ra te o f error for each env ironm enta l due to propo rtiona l sca le changes compared w ith 1 10 000 in Zh ifanggou Basin 3 結(jié)論 本 文以黃河 流域中具 有典型 地貌特征的

8、紙坊溝小流域為研究對象 , 利用土壤侵蝕快速評估法得到了該區(qū)域在 1 20 萬、 1 5 萬以及 1 1 萬 3 種不同比例尺下的土壤侵蝕強度結(jié)果 . 通過計算土壤侵蝕強度等 級分布特征指數(shù) H 和情景分析法 , 研究得到土壤侵蝕強度等級分布的均質(zhì)性特征隨比例 尺改變的變化規(guī)律, 以及不同環(huán)境因子 (如地形、 植被、 土壤等 比例尺改變對土壤侵蝕評 估產(chǎn)生的影響, 如下所述: ( 1 紙坊溝流域不同比例尺下的評估結(jié)果中 , 面積分布最廣的均為中度侵蝕, 比例尺 越大, 評估結(jié)果所包含的最小圖斑數(shù)越多 , 當(dāng)比例尺由 1 20 萬變?yōu)?1 1 萬 , 評估結(jié)果的 最小圖斑數(shù)由 3 個增加到 89

9、8 個 ; ( 2 當(dāng)比例尺由 1 20 萬變?yōu)?1 1 萬, 土壤侵蝕強度等級分布特征指數(shù) H 由 1 . 04 增 加為 2 . 42, 土壤侵蝕強度不同等級之間面積分配的均勻性趨于增加, 評估結(jié)果所包含的 信息量也增多; ( 3 保持其它因子不變的情況下 , 僅分別替換 1 1 萬、 1 5萬和 1 20 萬 3 種比例尺下 的 DEM、 土壤類型以及土地利用數(shù)據(jù), 地形因子數(shù)據(jù)比例尺的改變對紙坊溝流域土壤侵 蝕評估的影響最明顯 , 1 5 萬和 1 20 萬比例尺下的地形因子 , 使侵蝕強度等級結(jié)果的誤 差分別增加了 18 . 1 % 和 23 . 3 % . 因此在土壤侵蝕評估尺度效

10、應(yīng)研究中, 建議優(yōu)先考慮地 形因子比例尺的改變對土壤侵蝕評估的影響. 在獲取研究區(qū)域更多比例尺數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上 , 利用本文描述的尺度研究方法體系, 能夠 對研究區(qū)域土壤侵蝕相關(guān)環(huán)境因子的尺度效應(yīng)進行深入詳實的分析, 從而為土壤侵蝕治 理與水土保持規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù). 208 應(yīng)用基礎(chǔ) 與工程科學(xué)學(xué)報 V o.l 19 參考文獻 1 2 3 4 5 K irkbyM J , I m eson A C, Bergkam p G, et a. l S caling up processes and m odels from the f ield p lot to th e w atershed and

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28、three proportiona l sca les o f 1 200 000 , 1 50 000 and 1 10 000 respect iv e ly based on unit o f m in i mu m po ly gon . So il erosion scale effect w as perfor m ed by com paring and analyzing a variety o f so il erosion assessm ent results under different env ironm ental factors o f d ifferent p

29、roportional sca les , then quantitative stud ies for the in f lu ence of sing le environm enta l factor w ere perform ed w ith scenario ana lysis m e th od . The assessm ent results ind icates the average in tensity erosion owns the broadest d istribution in area . W hen the propo rtional sca le changed from 1 200 000 to 1 10 000 , the num ber o f m ini m um polygons in the assess m ent results increased from 3 to 898, and rank ing d istribution e ig en index increased from 1 . 04