基于多源遥感信息和SWAT模型的柑橘果园扩展土壤侵蚀效应研究——以寻乌水流域为例

More and more attentions have been paid on the soil erosion effects from Land Use and Land Cover Change by scientists. Since 1980s, citrus orchards have been expanding in red soil hilly region in southern China. The citrus orchards have showed continuous spatially and in large-scale. Soil erosion under the citrus canopy was exacerbated caused by the measures in citrus orchard reclamation including burning native vegetation, discarding roots of native vegetation and planting in slopes. . In order to reveal the soil erosion effects from citrus orchard expansion and to evaluate soil erosion under canopy reasonably, the following work will be carried out: 1) the evolution of soil physical and chemical properties and soil erodibility factor in citrus orchards will be analyzed by the topsoil samples collected from Xunwu River watershed; (2) Vegetation cover factor will be derived from MUSLE model based on the sediment measurements from runoff plots. And the functional relationship between vegetation cover factor and canopy structure parameters will be established with the canopy structure parameters measurements. (3) Canopy structure parameters including canopy height, above-ground biomass, canopy coverage fraction, will be retrieved with the point cloud and multispectral reflectance obtained from LIDAR and multispectral camera carried by unmanned aerial vehicle. And the relationship between the spectral vegetation index and the canopy structure parameters will be established. (4) Considering the effect of canopy structure on vegetation cover factor and the soil erodibility evolution, the soil erosion in citrus orchard were simulated by SWAT model to reveal the soil erosion effect of orchard expansion and explore a new method for evaluation of soil erosion under canopy.

土地利用/覆盖变化的土壤侵蚀效应是人地关系研究的热点。1980年代以来，我国南方红壤丘陵区柑橘果园不断扩张，形成规模化和连片化柑橘产业基地。由于大火烧山、刨根垦荒、陡坡种植和定期清耕的果园开发和经营模式，林下水土流失严重。本课题拟以寻乌水流域为例，从土壤可蚀性演变和冠层结构对植被覆盖因子的影响2个方面入手，开展以下研究：(1) 柑橘果园土壤理化参数和可蚀性因子的演化规律研究；(2) 通过径流小区和坡面试验，利用MUSLE模型反推植被覆盖因子，建立其与冠层结构参数的函数关系；(3) 通过无人机遥感试验，同步采集样带的激光点云和多光谱数据，反演冠层结构参数，探求光谱植被指数与冠层结构参数的关系，遥感获取柑橘果园的冠层结构参数空间分布；(4)考虑柑橘果园土壤可蚀性变化规律和冠层结构对植被覆盖因子的影响，利用SWAT模型模拟柑橘果园土壤侵蚀，揭示果园扩张的土壤侵蚀效应，探索林下水土流失评价新方法。

土地利用/覆盖变化的土壤侵蚀效应是人地关系研究的热点。1980年代以来，我国南方红壤丘陵区柑橘果园不断扩张，形成规模化和连片化柑橘产业基地，由于大火烧山、刨根垦荒、 陡坡种植和定期清耕的果园开发和经营模式，加剧南方红壤丘陵区的水土流失。本课题从寻乌水流域果园扩张遥感监测制图为切入点，从果园冠层结构对植被覆盖因子的影响入手，开展了以下几方面的研究：.（1）开发了基于GEE平台的连续变化检测与分类算法，实现赣南柑橘果园扩张的土地利用变化遥感检测，有效地识别柑橘种植稳定区、废弃果园区和新增果园区；.（2）基于森林变化检测的思路，比较了MACD、CCDC、LT和VCT等4种时间序列变化检测算法来检测森林再生时间基础上，集成开发了一种人工林立地重建时间的遥感获取方法，实现了江西省人工林的林龄遥感制图，绘制了全国第一张30m空间分辨率的林龄分布图；.（3）ICESAT-2卫星搭载的ATLAS激光雷达传感器，采用了多波束、微脉冲和光子计数技术，多波束设计使卫星可以同时扫描更多的区域，微脉冲增加了发射频率，从而增加了光斑密度，将ATLAS获取的空间不连续点云数据与空间连续的Sentinel光学遥感数据相结合，并将森林林龄纳入因变量构建森林冠层高度的随机森林回归模型，实现江西省森林冠层高度的遥感获取；.（4）开展了径流小区尺度的冠层结构参数的机载激光雷达测量试验和倾斜摄影测量试验，建立冠层高度模型和面向对象分割方法，分别提取果树的冠层高度和冠幅，受柑橘果园梯地化的影响，冠层高度的遥感提取精度有待提高；.（5）将反映柑橘果园扩展的1990年、2000年和2015年的土地利用/覆盖数据输入SWAT模型模拟柑橘果园扩展的水土流失效应的研究表明：由于新开垦果园大多数分布于小支流附近或者山坡上，距离主河道较远，产生的泥沙很难跨越大距离进入水文卡口站；有草被覆盖的柑橘果园减沙减流效率高达90%，随着果园下垫面草被的恢复，有效的减少了水土流失；寻乌县柑橘果园开发主要发生于坡度<25°、50-200m高程带范围，坡地果业开发中的梯地化建设的反坡梯地等水土保持措施，有效遏制强烈水土流失的发生。.通过课题研究，构建了寻乌水流域柑橘果园扩张数据库，建立了冠层高度、林龄等结构参数的遥感获取方法，完善了水土流失定量评价方法，对柑橘果业开发的水土流失效应有更客观的认识。