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目前大多数土壤侵蚀实验和模型研究都在相对较小的空间尺度上开展,而区域土壤侵蚀监测及水土保持相关政策的制定通常需要大、中尺度的研究结果。随着空间尺度的变大,土壤侵蚀现象表现出小尺度土壤侵蚀所不具备的特点,而将中、小空间尺度得到的资料和结果向大尺度推广会出现很多问题。这使得土壤侵蚀随空间尺度变化产生的尺度效应现象成为当前流域系统研究的热点问题之一。
为了深入分析土壤侵蚀尺度效应,本文以最小图斑为研究单元,选择1:20万、1:5万以及1:1万三种比例尺,采用土壤侵蚀强度快速评估法对黄河流域中纸坊沟小流域的土壤侵蚀强度等级进行评估,比较了不同比例尺环境因子以及不同比例尺下土壤侵蚀评估结果之间的差异,并利用情景分析法对单一环境因子的影响进行了量化研究。
纸坊沟流域不同比例尺下的评估结果表明,当比例尺由1:20万变为1:1万,评估结果的最小图斑数由3个增加到898个,土壤侵蚀强度等级分布特征指数H由1.04增加为2.42,土壤侵蚀强度空间格局的多样性指数DL由0.806增加为1.82。土壤侵蚀强度不同等级之间面积分配趋于均匀化,评估结果所包含的信息量增多。为了量化因单一环境因子对土壤侵蚀评估产生的影响,本文在保持1:1万比例尺权重和其他环境因子不变的情况下,仅分别替换1:5万和1:20万两种比例尺下的DEM、土壤类型以及土地利用数据,再次对1:1万比例尺下的纸坊沟流域进行土壤侵蚀强度快速评估,通过对比前后评估结果,发现地形因子比例尺的变化对纸坊沟流域土壤侵蚀评估的影响最为明显。1:5万和1:20万比例尺下的地形因子使侵蚀强度等级结果的误差分别增加了18.1％和23.3%。在土壤侵蚀评估尺度效应研究中,应优先考虑地形因子比例尺的改变对土壤侵蚀评估的影响。最后,本文基于GIS空间分析功能,采用多尺度编码方法建立了纸坊沟流域不同比例尺图斑之间的属性和空间关系,实现了对不同比例尺间图斑的数据组织和管理,为典型地表过程尺度间关系的研究提供支持。
本文结论为不同尺度流域土壤侵蚀治理与水土保持政策制定提供了科学依据,文中的多尺度编码方法不仅能用于土壤侵蚀的尺度问题分析,对于其他类似地表过程的尺度问题分析,也具有广泛的应用价值。