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东北黑土区侵蚀沟成因与模型研究

作　者: 李天奇
导　师: 张树文
学　校: 中国科学院研究生院（东北地理与农业生态研究所）
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 黑土区沟壑侵蚀模型模拟遥感风险评估
分类号: S157
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

黑土区作为我国的商品粮主产区之一，其粮食生产安全关系到我国粮食市场的平稳运行，甚至关系到我国的社会发展和稳定。而这一天然粮仓却是由近百年来高强度垦荒和开发形成的，其后果就是区域生态环境失衡，水土流失问题日益严重。突出表现为黑土区土壤肥力逐步下降，沟壑纵横发展，使得在漫长岁月中形成的黑土层逐步变为了“破皮黄”，对粮食生产安全造成了威胁。侵蚀沟的发展不仅切割了耕地，还对道路、村屯等建筑设施构成了威胁，对区域中人民财产和生命安全造成了损害。近年来，黑土区水土流失问题逐渐引起了社会的广泛重视。当前对于侵蚀沟的研究多集中在小尺度，短时期的研究，通过现场测量来获取侵蚀沟的变化信息，对于大范围内数量较多的侵蚀沟的地理空间分布研究目前仍然较为缺乏。而遥感技术的逐渐成熟为大区域范围获取侵蚀沟的变化信息提供了前提条件，同时一些历史影像对外开放使用为侵蚀沟的变化研究提供了有效的资料支持。本研究基于遥感和GIS技术，利用空间分辨率为2.5m的2005年Spot5影像和1965年Corona影像对克拜地区范围为8300km2的区域进行了沟壑侵蚀分布的数字重建。在此基础上，分析了黑土区侵蚀沟产生和发展的过程，并利用自然地理要素数据库与沟壑侵蚀的空间分布信息进行了叠加分析。在讨论单要素对于侵蚀沟影响的基础之上，基于1965年沟壑侵蚀分布数据利用二元变量统计回归的方法构建了研究区内2005年沟壑侵蚀风险分级，并利用地貌临界模型对侵蚀沟沟头产生的高风险地区进行了预测。在此基础上对广义黑土区的侵蚀沟发生风险进行了讨论，并对其进行了空间区划的划分，为水土流失治理工作提供借鉴，其主要结论如下：（1）基于野外调查对黑土区的侵蚀沟研究表明，重力要素和地质要素在黑土区侵蚀沟发展过程中扮演着重要作用。研究区40年间转化为耕地的地块是侵蚀沟发生发展较为活跃的区域，这一区域内2005年的沟壑裂度是1965年的21倍以上，说明人类活动对于沟壑侵蚀具有强烈的促进作用。（2）黑土区侵蚀沟的产生与发展受到地形、土壤、地质、气候、地表覆被以及人类活动的共同影响。本文在基于对地形要素和侵蚀沟分布的叠加分析表明，沟壑侵蚀是一个长期的在多种因素主导制约下发展的过程。（3）基于地貌临界模型的沟头产生风险分析则说明黑土区侵蚀沟沟头的产生存在地下过程的影响，并且相比黄土高原黑土区产生侵蚀沟所需要的临界坡度要小。而基于多要素的沟壑侵蚀风险分析表明，利用多种要素和侵蚀沟历史分布数据来预测黑土区侵蚀沟的发展风险现状具有一个可接受的精度，将预测数据与侵蚀沟现状数据的对比表明，超过80%的侵蚀沟在极高和高沟壑侵蚀风险地区出现。在三维激光扫描技术的协助下，推算出研究区因侵蚀沟造成的泥沙流失量在上亿立方米，因此对于黑土区沟壑侵蚀的治理刻不容缓。（4）基于上述要素分析，利用多种自然要素叠加的方式获取了黑土区沟壑侵蚀风险的区划数据，从而识别出易于被沟壑侵蚀的高风险地区，主要位于台地和山前丘陵地区。基于上述分区特点，讨论了不同类型区域中侵蚀沟的治理措施。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-31
  第一节选题背景及意义  11-13
    一、选题背景  11-12
    二、选题目的和意义  12-13
  第二节国内外研究进展  13-29
    一、全球变化背景下的东北黑土区土壤侵蚀  13-14
    二、土壤侵蚀研究的技术手段  14-19
    三、土壤侵蚀的影响要素  19-23
    四、沟蚀研究进展  23-26
    五、中国东北黑土区沟蚀  26-29
  第三节研究内容、技术路线及创新点  29-31
    一、研究内容  29
    二、研究方法与技术路线  29-30
    三、主要创新点  30-31
第二章研究区概况及数据准备  31-49
  第一节黑土区环境概况  31-35
    一、东北黑土区的界定  31-32
    二、黑土区人文社会概况  32-33
    三、研究区的选择  33-34
    四、研究区概况  34-35
  第二节自然环境要素数据库的建立  35-40
    一、自然环境要素数据需求分析  35-36
    二、自然要素空间数据库构建原则及结构  36-37
    三、数据库的建立  37-40
  第三节侵蚀沟数据解译  40-49
    一、遥感数据源的选取  40
    二、侵蚀沟研究对象界定  40-41
    三、侵蚀沟野外调查及解译标志的建立  41-44
    四、侵蚀沟信息提取  44-46
    五、解译结果  46-49
第三章黑土区沟壑侵蚀过程  49-57
  第一节黑土区侵蚀沟类型划分  49
  第二节人类活动影响下的黑土区沟壑侵蚀  49-51
  第三节重力和地质作用影响下的黑土区沟壑侵蚀  51-55
    一、黑土区侵蚀沟发展中重力要素的作用  51-52
    二、地质要素在侵蚀沟发展中的作用  52-55
  第四节黑土区沟壑侵蚀概念模型  55-56
  本章小结  56-57
第四章沟壑侵蚀模拟指标体系  57-74
  第一节指标体系构建基础  57-58
    一、指标的选取原则  57
    二、指标体系的构建  57-58
  第二节静态指标构建方法  58-69
    一、地形指标构建  58-63
    二、土壤指标的构建  63-66
    三、地质指标的构建  66-67
    四、气候指标的构建  67-69
  第三节动态要素指标构建方法  69-72
    一、人类活动指标  69-70
    二、地表覆被指标  70-72
  第四节多因素相关性分析  72-73
  本章小结  73-74
第五章沟壑侵蚀分布模拟及风险分析  74-106
  第一节基于临界地貌理论的侵蚀沟分布模拟  74-79
    一、沟壑侵蚀发生的临界地貌理论  74-75
    二、基于 S-A 临界模型的侵蚀沟发生风险分析  75-77
    三、侵蚀沟发生位置模拟  77-79
  第二节单一要素对沟壑侵蚀的影响  79-93
    一、坡度  79-80
    二、坡向  80-82
    三、坡形  82-83
    四、径流力指数  83-84
    五、地形湿度指数  84-85
    六、土壤要素  85-88
    七、地层要素  88-90
    八、降水要素  90
    九、地表覆被要素  90-92
    十、人类活动对沟壑侵蚀影响  92-93
  第三节多因素侵蚀沟分布模拟与风险分析  93-99
    一、各因子权重计算  94-96
    二、沟壑侵蚀风险分级  96-99
  第四节沟壑侵蚀预测及验证  99-105
    一、沟壑侵蚀风险预测  99-100
    二、误差分析与讨论  100-102
    三、黑土区沟壑侵蚀量测算  102-105
  本章小结  105-106
第六章东北黑土区沟壑侵蚀风险区划及治理方法  106-116
  第一节东北黑土区沟壑侵蚀风险区划  106-112
    一、分区原则  106
    二、分区系统的指标体系  106-110
    三、黑土区沟壑侵蚀分区  110-112
  第二节黑土区水土保持措施与方法  112-115
    一、侵蚀的防治原则  112-113
    二、侵蚀防治措施  113-115
  本章小结  115-116
第七章结论与展望  116-119
  第一节主要结论  116-117
  第二节展望  117-119
参考文献  119-126
附图  126-135
发表论文及参与科研项目情况  135-136
致谢  136

东北黑土区侵蚀沟成因与模型研究

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