基于dem模型的黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地微地形空間特征研究

0坡耕地、泥炭土壤侵蝕眾所周知，人類的管理和土壤侵蝕等環(huán)境條件的共同影響意味著耕地表面呈現(xiàn)厘米級的空間趨勢，即微地形。微地形是描述地表起伏狀態(tài)的重要指標(biāo)之一,也是地表徑流和土壤侵蝕過程的重要影響因子,在水力侵蝕中又稱為地表糙度。對于不同的耕作方式、作物種類、土壤類型、各種降雨參數(shù)以及泥沙輸移過程等,均會導(dǎo)致微地形的空間差異。對坡耕地而言,耕作方式是微地形形成的主要原因。已有的研究表明,微地形對降雨、土壤入滲、坡面產(chǎn)流及匯流產(chǎn)生影響,反過來降雨、徑流及風(fēng)蝕等環(huán)境因素又會對微地形的時空分布產(chǎn)生影響。但是,由于受空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的限制,已有的研究幾乎都是在區(qū)域(或流域)尺度上,而針對微地形的研究甚少,嚴(yán)重地影響了人們對微地形在土壤侵蝕過程中作用的理解。鑒于此,本文在人工模擬降雨試驗過程中,采用微地形測量方法,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographyinformationsystem,GIS)技術(shù)建立不同降雨時段坡耕地微數(shù)字高程模型(digitalelevationmodel,DEM),并對其特征進(jìn)行分析,以期為土壤侵蝕機(jī)理的研究奠定基礎(chǔ)。1材料和方法1.1凌區(qū)氣候特點(diǎn)試驗選取陜西省楊凌區(qū)坡耕地表層土(0~20cm)為試驗用土,楊凌區(qū)位于黃土高原南緣,東經(jīng)108.72°,北緯34.36°,屬于溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,年降雨量約為637.6mm,該區(qū)土壤為塿土,灰棕色,土體較疏松,有粒狀或團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu),機(jī)械組成見表1。1.2土壤坡面的耕作方式試驗采用室內(nèi)人工模擬方法進(jìn)行,試驗土槽大小為2.0m×1.0m×0.5m。試驗以黃土坡耕地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的人工掏挖、人工鋤耕和等高耕作為研究對象,故在相應(yīng)的土槽內(nèi)布設(shè)這3種耕作措施,分別模擬不同的微地形條件(或地表糙度)。模擬耕作方式的主要過程:1)土樣準(zhǔn)備:土樣風(fēng)干后,過篩(篩孔0.5cm),并分8層填裝在土槽中(土壤體積質(zhì)量1.30g/cm3,含水率10%左右);2)在不同坡度的坡面模擬不同的耕作方式,包括:(1)等高耕作(DG):在坡面上垂直于坡面走向進(jìn)行橫向耕作,形成溝和壟,壟高7~10cm,壟距為30cm;(2)人工掏挖(TW):采用镢頭掏挖地表,深度5~8cm,間距20~25cm;(3)人工鋤耕(CH):沿地表以傳統(tǒng)方式鋤耕,深度4~5cm,TW和CH均是從坡底逐漸向坡頂鋤挖,形成凹凸相間的小丘和洼地。由于受坡度和耕作方式的影響,耕作形成的壟臺和坑洼在空間不具有對稱性。為了使布設(shè)的耕作措施更接近自然狀況,試驗中聘請長期從事相同耕作措施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民進(jìn)行操作。用激光掃描儀掃描坡面,獲得坡面的高程信息。試驗雨強(qiáng)是90mm/h。試驗設(shè)計5個坡度(5°、10°、15°,20°、25°),每個坡度2個重復(fù),試驗土槽以南坡方向放置。1.3雙組分纖維增強(qiáng)儀用激光掃描儀測量坡面高程信息,每個小區(qū)在降雨前后各測1次。激光掃描儀有3部分組成:1)X-Y工作臺;2)激光測距儀(徠佧,垂直誤差小于3mm);3)數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng),其原理類似于針式打印機(jī)的傳動裝置。每次可以掃描坡面1m×2m,為了消除邊際效應(yīng)對研究結(jié)果的影響,有效面積定為0.57m×1.74m,包括3480個高程點(diǎn),每個點(diǎn)代表實際地面0.02m×0.02m的范圍,試驗共測得高程點(diǎn),這些點(diǎn)為坡耕地DEM的構(gòu)建與應(yīng)用提供了有力保證。1.4坡耕地微dem研究DEM即數(shù)字高程模型,是一種對地球表面空間起伏的連續(xù)表示方法,近些年來,隨著GIS的發(fā)展,DEM已成為區(qū)域土壤侵蝕研究的重要數(shù)據(jù)。對于坡耕地而言,地表主要有人為管理造成的高低起伏的地形特征(或稱為地表糙度),直接影響到產(chǎn)流、匯流和泥沙運(yùn)動。因此,這種地形特征的研究,對揭示水土流失形成有重要作用。如圖1所示,坡耕地微DEM的建立主要包括:研究區(qū)選擇、地表地形模擬、地表高程信息采集、點(diǎn)圖層生成和DEM構(gòu)建等過程。利用激光掃描儀獲得高程數(shù)據(jù),不包括空間坐標(biāo),需要進(jìn)行空間坐標(biāo)匹配,轉(zhuǎn)換成ArcGIS軟件識別的文件,通過ArcGIS軟件Tools→AddXYData項轉(zhuǎn)換成柵格圖層,再用3DAnalysis工具將柵格圖層轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的TIN表面模型。研究中,選擇均方根誤差大小作為衡量插值結(jié)果好壞的指標(biāo),結(jié)果見表2。在對不同插值方法進(jìn)行比較后選擇反距離加權(quán)插值法為本研究的插值方法,其均方根誤差最小(0.018),且實際值擬合曲線與理論擬合曲線吻合度較高。在生成微DEM的過程中反距離加權(quán)插值法指數(shù)為2,搜索半徑內(nèi)使用最大預(yù)測點(diǎn)個數(shù)為15,最少為4,區(qū)域扇區(qū)形狀為空,最大搜索半徑為1.0m。1.5地表植物生長和坡面變化量計算GIS方法與經(jīng)典統(tǒng)計方法是本次研究的主要方法,數(shù)據(jù)處理軟件為ArcGIS9.3和SPSS17.0。地表糙度的計算采用LS×LD法,坡面變化量計算公式如下式中,V為坡面變化量,m3;Z0(i)為雨前微DEM第i個柵格的高程;Z1(i)為雨后微DEM第i個柵格的高程;S為柵格大小的平方;n為柵格總數(shù)。2結(jié)果與分析2.1坡耕地微dem的空間特征圖2表示坡耕地微DEM模型,從圖中可以看出,人工鋤耕和人工掏挖方式下地表微DEM表現(xiàn)為凹凸相間的小丘和洼地,且分布比較隨機(jī);等高耕作為溝壟相間的特征,具有明顯的幾何特征。這些特征明顯的增大了地表表面積,一方面可以增大地表填洼量;另一方面又延長了地表徑流路徑,對地表徑流的演變可能產(chǎn)生阻礙作用,導(dǎo)致不同耕作措施下地表呈現(xiàn)不同的侵蝕特征。表3給出了坡耕地微DEM的相對高程統(tǒng)計量。從表中可看出,不同耕作措施下微DEM相對高程的變化范圍不同,且地表糙度的大小不同,這說明不同耕作方式下地表微DEM具有不同的空間特征。結(jié)合圖3和表3數(shù)據(jù)可以得出,微DEM起伏呈現(xiàn)DG>TW>CH的變化規(guī)律。2.2坡耕地微dem模型DEM作為GIS空間分析的核心數(shù)據(jù),可以進(jìn)行多種地形因子提取與分析,本文僅以土壤侵蝕研究中較為重要的坡度、坡向因子為例,為了和試驗坡度、坡向加以區(qū)別,本文將通過坡耕地微DEM提取的坡度、坡向定義為微坡度、微坡向。2.2.1微坡度柵格分布利用ArcGIS的空間分析工具對坡耕地微DEM提取微坡度,將提取的微坡度分為0°~5°、>5°~10°、>10°~15°、>15°~20°、>20°~25°、>25°~30°、>30°~35°、>35°~40°、>40°9個等級,獲得分級后的柵格數(shù)字坡度模型,并統(tǒng)計各等級的柵格數(shù)占總柵格數(shù)百分比,結(jié)果見圖3。圖3a、b表明,DG坡面微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)隨著微坡度的增大而增加,微坡度>40°的柵格數(shù)最多,0°~5°的柵格數(shù)最少,分別占柵格總數(shù)的21.21%和4.98%;而TW和CH措施下微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)呈正態(tài)分布趨勢,微坡度在>10°~25°之間的柵格統(tǒng)計數(shù)占坡面柵格總數(shù)的47.16%和46.38%,其余微坡度的柵格統(tǒng)計數(shù)均小于13%。分析圖3c、d表明,TW和CH微坡度柵格數(shù)的分布具有相似的變化趨勢:1)隨著微坡度的增大,柵格統(tǒng)計數(shù)呈先增大,后減小的趨勢;2)隨試驗坡度的增大,最大柵格統(tǒng)計數(shù)對應(yīng)的微坡度也增大;3)當(dāng)微坡度小于20°~25°時,其柵格統(tǒng)計數(shù)與微坡度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)微坡度大于20°~25°時二者呈正相關(guān)關(guān)系。對表4分析可以同樣得出以上結(jié)論。2.2.2各微坡向柵格數(shù)分布基于微DEM提取坡向時,其定義為:過格網(wǎng)單元所擬合的曲面片上某點(diǎn)的切平面的法線的正方向在平面上的投影與正北方向的夾角。微坡向也以正北方向為0°,按順時針方向(0°~360°),依次為北、東北、東、東南、南、西南、西、西北坡,并統(tǒng)計各微坡向柵格數(shù)占總數(shù)的百分比,結(jié)果見圖4。圖4a、b表明,在試驗坡度相同的條件下,TW、CH和DG坡面微坡向的柵格統(tǒng)計數(shù)具有明顯的差異。對于CH和TW而言,除南坡、東南和西南坡分布較多外,其余微坡向的柵格數(shù)相差不大;而DG坡向柵格數(shù)主要分布在南坡和北坡,占總柵格數(shù)的76.07%,其余坡向下數(shù)量較小。CH措施下平地柵格統(tǒng)計數(shù)為2.96%,而TW和DG措施下不到0.1%。圖4c、d表明,CH和TW坡向分布趨勢相似,依次為:南坡、東南、西南、西坡、東坡、西北、北坡、東北坡、平地,試驗坡度對微坡向的分布有一定的影響。對表5分析可以同樣得出以上結(jié)論,且標(biāo)準(zhǔn)偏差不大。2.3侵蝕量的計算圖5顯示DG、TW和CH措施在降雨過程中侵蝕發(fā)生的空間分布特征,圖中顏色的深淺代表侵蝕發(fā)生的強(qiáng)弱,淺色表示侵蝕發(fā)生的程度相對較輕,深色表示較重,對照圖例,其值大于0的數(shù)值表示淤積區(qū),其體積表示淤積量;相反,小于0的數(shù)值表示侵蝕量。從圖中可以看出,侵蝕依坡位呈不同程度變化,上坡位主要以侵蝕為主,下坡面既有侵蝕的發(fā)生,又有較明顯的沉積。很明顯,DG、TW和CH措施下侵蝕量大于淤積量,且高程變化值大于0的柵格統(tǒng)計數(shù)大小依次為DG>TW>CH,這說明在同一降雨條件下,微地形起伏(或地表糙度)較大時淤積量大,反之,則侵蝕量小。表6列出了試驗產(chǎn)沙量和通過式(1)計算的侵蝕量,試驗產(chǎn)沙量是在降雨過程中收集的實際泥沙量。從表中得出,CH、TW的侵蝕量非常接近試驗產(chǎn)沙量,相對誤差小于10%,雖然DG的相對誤差為24.1%,但是其本身的侵蝕量就小,只有28.2g,這說明通過微DEM模型計算地表侵蝕量是可行的。3等高耕作dg措施下微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)1)利用反距離加權(quán)插值法建立的黃土坡耕地微DEM模型能夠較好地反映地表的實際情況。2)微坡度分布特征與耕作措施密切相關(guān)。對于人工鋤耕(CH)和人工掏挖(TW)措施而言,微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)隨著微坡度的變化呈先增大,后減小的趨勢,且微坡度主要集中在10°~25°之間;而等高耕作(DG)措施下微坡度柵格統(tǒng)計數(shù)隨著微坡度的增大而增大,微坡度>40°的柵格數(shù)最多,占總數(shù)的21.21%。3)TW,CH和DG坡面微坡向的柵格統(tǒng)計數(shù)