我國水力侵蝕抽樣調查方法

李智廣，符素華，劉寶元

(1.水利部水土保持監測中心，100053，北京;2.北京師范大學，100875，北京)

我國是世界上土壤侵蝕最嚴重的國家之一。土壤侵蝕不僅使土地貧瘠、土地生產力下降，而且嚴重破壞了生態環境。為了掌握我國土壤侵蝕的強度及空間分布，已開展了3 次全國性的土壤侵蝕調查［1］:第1 次是20 世紀50 年代，采用人工調查方法，初步查清了水蝕面積、強度及分布，為后來將黃河中游、長江中上游等確定為重點治理區提供了基本依據。第2 次是20 世紀80 年代，利用遙感技術，結合地面監測，查清了水土流失主要類型及分布，對全國乃至不同地區水土流失狀況有了更為全面、準確的把握。第3 次是1999 年，利用更高分辨率遙感影像，開展了全國水土流失調查，并劃分出水蝕風蝕交錯區，從宏觀上掌握了水土流失動態情況。在第2 次及第3次土壤侵蝕調查中都是基于遙感影像資料和GIS 技術，選擇一定的空間分辨率，利用目視解譯或全數字作業的人機交互判讀方法，通過分析地形、土地利用、植被覆蓋等因子，確定土壤侵蝕強度與分布。在確定土壤侵蝕強度時，主要參照了根據土地利用(植被覆蓋度)和坡度來得到侵蝕強度類型［2］，缺乏土壤侵蝕量的定量評估。另外，降雨、坡長、水土保持措施都是影響土壤侵蝕強度的重要因素，在第2次和第3 次土壤侵蝕調查中都沒有考慮。為了全面考慮影響土壤侵蝕的因素，定量評價土壤侵蝕量，在2010—2012 年第1 次全國水利普查水土保持情況普查中采用了抽樣調查的方法來調查抽樣單元的土壤侵蝕因子狀況，再利用土壤水力侵蝕預報模型定量計算土壤侵蝕量。水力侵蝕抽樣調查是2010—2012 年第1 次全國水利普查水土保持情況普查的重要內容之一，其目的是查清土壤水力侵蝕的空間分布、面積與強度，掌握土壤侵蝕動態，為科學評價水土保持效益及生態服務價值提供基礎數據，為國家水土保持與生態建設提供決策依據。本文介紹水力侵蝕抽樣調查方法的基本內容。

1 水力侵蝕估算方法

1.1 侵蝕強度估算模型

第1 次全國水利普查采用土壤流失方程進行水力侵蝕估算，其模型基本形式［3-4］為

式中:M 為土壤水蝕模數，t/(hm2·a);R 為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K 為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);LS 為坡長坡度因子，量綱為1;B 為生物措施因子，量綱為1;E 為工程措施因子，量綱為1;T 為耕作措施因子，量綱為1。

1.2 侵蝕因子計算方法

1)降雨侵蝕力因子。是指降雨導致土壤侵蝕發生的潛在能力，反映了雨滴對土壤顆粒的擊濺分離以及降雨形成徑流對土壤沖刷的綜合作用。多年平均降雨侵蝕力計算公式［5］為:

2)土壤可蝕性因子。表征土壤被沖被蝕的難易程度，反映土壤對侵蝕外營力剝蝕和搬運的敏感性，是影響土壤侵蝕的內在因素。利用第二次全國土壤普查資料及后來的更新資料，根據可獲取的資料，采用以下2 種方法之一計算不同土種典型土壤剖面的土壤可蝕性因子值［6-7］。

式中:M=N1(100－N2)或者M=N1(N3+N4);N1為粒徑在0.002 ～0.1 mm 之間的土壤顆粒質量分數，%;N2為粒徑＜0.002 mm 的土壤黏粒質量分數，%;N3為粒徑0.002 ～0.05 mm 的土壤粉砂質量分數，%;N4為粒徑0.05 ～2 mm 的土壤顆粒質量分數，%;OM為土壤有機質質量分數，%;S 為土壤結構系數;P 為土壤滲透性等級。

式中:Sn=1－Sa/100;Sa為砂粒(2 ～0.05 mm)質量分數，%;Si為粉砂(0.05 ～0.002 mm)質量分數，%;Cl為黏粒(＜0.002 mm)質量分數，%;C 為有機碳質量分數，%。

這2 種方法計算K 值都有區域適用性問題，當有機質質量分數較高時，式(7)計算的土壤可蝕性會出現負值，尤其是在我國的青藏高原表現最為突出，此時采用式(8)。但二者的計算結果并不等價，在應用式(8)時，建立2 種方法的定量關系，用以修正式(7)出現K 值為負的問題。

3)坡度坡長因子。坡度因子是指某一坡度土壤流失量與坡度為5.13°、其他條件一致的坡面產生土壤流失量的比率。坡長因子是指某一坡面土壤流失量與坡長為22.13 m、其他條件一致的坡面產生土壤流失量的比率。

坡度坡長因子計算方法采用以下公式［8-10］:

式中:S 為坡度因子，量綱為1;θ 為坡度，(°);L 為坡長因子，量綱為1;λ 為坡長，m。

4)生物、工程和耕作措施因子。分別指采取某種生物、工程或耕作措施下的土壤流失量與同等條件下無生物、工程或耕作措施的土壤流失量之比。這3 種措施的因子值都是根據野外調查的水土保持措施具體類型，參照相應的水土保持措施因子值，在室內進行賦值得到。

通過獲取上述因子最終計算得到野外調查單元的土壤侵蝕空間分布圖，并統計出不同土地利用類型、水土保持措施類型、不同坡度分級下的土壤侵蝕量。在此基礎上，生成區域(全國、省、流域)的土壤水力侵蝕空間分布圖(表)。

2 全國水力侵蝕普查野外調查單元布設

全國實際布設水力侵蝕野外調查單元3 萬2 364個。

2.1 布設原則

全國水力侵蝕普查野外調查單元布局按不同侵蝕類型區和各省份實際情況有針對性地進行布設。

1)按不同侵蝕類型區布設。針對土壤侵蝕的主導外營力，依據全國第二次水土流失遙感調查成果，并考慮縣界完整性，將全國分為水力侵蝕區、水力風力侵蝕交錯區、風力侵蝕區、水力凍融侵蝕交錯區和風力凍融侵蝕交錯區。水力侵蝕區只調查水力侵蝕，風力侵蝕區只調查風力侵蝕，水力風力交錯侵蝕區同時調查水力侵蝕和風力侵蝕，水力凍融侵蝕交錯區同時調查水力侵蝕和凍融侵蝕，風力凍融侵蝕交錯區同時調查風力侵蝕和凍融侵蝕。

水蝕野外調查單元，在水力侵蝕區和水力風力交錯侵蝕區全部以1%密度布設，在水力凍融侵蝕交錯區，參照凍融侵蝕調查單元布設。此外，在風力侵蝕區的新疆北部地區和西藏自治區的“一江兩河”流域，按0.25%密度布設水蝕野外調查單元。

2)按各省份實際情況有針對性布設。在上述布設原則基礎上，首先考慮第一次水利普查時間和任務要求，在面積較大的縣，適當降低布設密度，布設的野外調查單元總數不超過50 個。其次由省級普查機構針對本省份水力侵蝕實際情況，有針對性地進行刪減，如平原區、城區、林區等降低布設密度。

2.2 布設方法

全國水力侵蝕普查野外調查單元在全國統一按網格布局。根據網格大小劃分為4 層(圖1):第1層網格為40 km×40 km，稱為縣級區;第2 層網格在第1 層基礎上，劃分為10 km×10 km，稱為鄉級區;第3 層網格在第2 層基礎上，劃分為5 km×5 km，稱為控制區;第4 層網格在第3 層基礎上，劃分為1 km×1 km，稱為基本調查單元。

圖1 全國調查單元劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram for determining primary sampling unit

網格劃分依據高斯-克呂格投影分帶方法，將我國分成22 個3 度帶(24 ～45 帶)。在每一帶內，y 軸方向以中央經線為基準向兩側劃分網格，x 軸方向以赤道為基準向兩側劃分網格。

以第4 層網格(1 km×1 km)為基礎，按4%密度抽樣，在每個控制區(5 km×5 km)中心抽取一個1 km×1 km 網格，即為野外調查單元;但如果屬于山丘區的水蝕調查，應在控制區中心1 km×1 km 網格內或與之相連的區域選擇面積約0.2 ～3.0 km2的小流域。在此基礎上，各縣可根據實際情況用不同的抽樣密度來抽取野外調查單元。在布設野外調查單元時，將冰川、永久雪地、沙漠、戈壁、沼澤、大型湖泊、水庫等區域除外，即在這些區域內不布設水力侵蝕野外調查單元。

3 水力侵蝕數據采集方法

3.1 降雨

為計算降雨侵蝕力因子，收集全國各縣的日降水量。每個縣挑選1 個滿足1981—2010 年共30 a時間長度，并有全年觀測數據的水文站點，抄錄≥12 mm 的日降水量的全部數據。

3.2 土壤

為分析計算土壤可蝕性因子，收集全國各縣的土屬和土種資料，根據土壤土種理化性質數據計算土壤可蝕性因子。利用中國土壤發生分類系統中土屬與土種的對應關系，將土種的土壤可蝕性因子值歸并到土屬，按土屬對每個野外調查單元的土壤可蝕性因子進行賦值。

3.3 坡度坡長

在1∶1萬地形圖圖幅中心方里網格或與之相連的網格確定1 km×1 km 網格(平原區)或0.2 ～3.0 km2的小流域(丘陵區和山區)作為野外調查單元，然后數字化野外調查單元邊界和等高線，將數字化等高線生成DEM，用以計算坡長、坡度和坡長坡度因子。

3.4 生物、工程和耕作措施

為獲取野外調查單元的生物、工程和耕作措施的類型和質量，確定相應的因子值，需要制作野外調查單元的調查工作底圖，在底圖上確定野外調查單元的邊界和單元內的地塊界線。本次調查的地塊是指土地利用類型相同、水土保持措施類型相同、郁閉度(蓋度)相同的空間連續范圍。

首先在1∶1萬地形圖圖幅中心方里網格或與之相連的網格確定1 km×1 km 網格(平原區)或0.2 ～3.0 km2的小流域(丘陵區和山區)作為野外調查單元，然后制作野外調查的工作底圖。野外調查單元工作底圖主要包含有野外調查單元邊界、等高線、經緯度、比例尺等信息，用于進行野外地塊邊界的勾繪。在野外用GPS、遙感影像或現場勾繪的方法來確定地塊邊界，填寫水蝕野外調查表。在水蝕野外調查表中，需填寫每一地塊的土地利用和水土保持措施類型(生物措施、工程措施和耕作措施)等信息。

本次調查的土地利用分類是在參考GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》［11］的基礎上，將土地利用分成耕地、園地、林地、草地、居民點及工礦用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地和其他土地等8 個一級分類和16 個二級分類。水土保持措施分類是在參照GB/T 16453.1 ～6—2008《水土保持綜合治理技術規范》［12］的基礎上進行分類，具體為:生物措施包括植樹、種草、封育和輪牧4 個一級分類和18 個二級分類，調查生物措施的類型、郁閉度或(和)蓋度;工程措施包括梯田、軟埝、坡面小型蓄排工程、水平階、水平溝、大型果樹坑、路旁溝底小型蓄引工程、溝頭防護、谷坊、淤地壩、引洪漫地、崩崗治理工程、引水拉沙造地、沙障固沙等15 個一級分類和28 個二級分類。耕作措施包括等高耕作、等高溝垅種植、壟作區田、陶缽種植、抗旱豐產溝、休閑地水平犁溝、中耕培壟、草田輪作、間作與套種、橫坡帶狀間作、休閑地綠肥、留茬少耕、免耕和輪作等14個一級分類。在水蝕野外調查表中主要填寫水土保持措施的類型及代碼。

野外工作結束后，在室內將地塊邊界數字化、并在GIS 軟件中將每一地塊水蝕野外調查表中的信息錄入到地塊的屬性表中，并根據地塊的生物、工程和耕作措施類型來進行相應因子值的賦值與計算。

4 普查成果質量控制

水力侵蝕普查分為資料準備、野外調查、匯總上報和成果評價4 個階段，每個階段的工作內容、要求各有不同，因此水力侵蝕普查數據質量控制分4 個階段進行。

4.1 資料準備階段的質量控制

該階段的質量控制內容包括野外調查單元確定、野外調查單元底圖制作和普查數據儲存目錄與文件3 方面。1)野外調查單元確定。要求位置正確、邊界準確、面積正確。野外調查單元位于所在1∶1萬地形圖中心方里網格內或與之相連(調查單元與中心方里網格有交集)的區域。邊界是方里網格邊界或流域邊界。如果是后者，要求流域邊界沿山脊線，且與等高線垂直。流域面積不小于下界或不大于上界面積的20%。2)野外調查單元底圖制作。數字化的調查單元邊界與原地形圖上勾繪的調查單元邊界誤差≤1 mm;數字化等高線條數與地形圖上勾繪的調查單元邊界內的等高線條數一致，且與相應等高線的位置偏差≤1 mm;所有數字化的等高線要求超出調查單元邊界2 mm 以上;等高線高程標注與原地形圖一致;數字化調查單元邊界與等高線圖層的坐標與投影正確，野外調查底圖按規范輸出。3)普查數據儲存目錄與文件。要求存儲位置正確，命名正確，數量正確。

4.2 野外調查階段的質量控制

該階段的質量控制內容包括野外調查和室內數據整理2 方面:1)野外調查。勾繪的地塊邊界位置與實際地塊邊界位置偏差＜20 m;勾繪的地塊面積與實際地塊面積誤差＜20%;地塊的圖上編號與水蝕野外調查表上編號一致，數量相符;水蝕野外調查表記錄的地塊信息(主要是土地利用類型、生物、工程和耕作措施類型等)與實際情況一致。拍攝的景觀照片齊全且與野外調查成果清繪圖和水蝕野外調查表填寫內容相符。2)室內數據整理。要求清繪的調查成果圖清晰、正確、內容全面，錄入的水蝕野外調查表內容與紙質水蝕野外調查表一致，從相機中導出的景觀照片符合要求。

4.3 匯總上報階段的質量控制

該階段的質量控制內容包括3 方面:1)正確的數字化野外調查成果清繪圖，包括數字化的地塊邊界位置與掃描的野外調查成果清繪圖上的地塊邊界位置偏差≤1 mm;地塊文件的屬性表中字段名齊全、正確;字段的數據類型選擇正確;2)數字化圖層的坐標與投影等要正確無誤;3)完整準確的普查數據存儲目錄和文件。

4.4 成果評價階段的質量控制

該階段的質量控制由國家級普查機構組織專家來完成，主要對土壤水蝕模數計算與強度評價結果的合理性進行審核。質量控制可以采用3 種方法進行:1)與徑流小區觀測結果比較，在每個水蝕類型區，最少抽取1 個水土保持試驗站不同土地利用或不同水土保持措施下的小區土壤流失觀測資料，將其與同一類型區相同土地利用、水土保持措施下調查計算的土壤侵蝕模數比較，精度≥80%;2)與水文站觀測結果比較，在每個水蝕類型區，最少抽取3個小流域水文站觀測資料，與計算結果進行對比，評估精度≥80%;3)專家評估，在每個水蝕類型區，最少抽取1 個縣，通過專家經驗打分，對計算結果進行評估，沒有明顯不合理現象。

［1］ 郭索彥，李智廣.我國水土保持監測的發展歷程與成就［J］.中國水土保持科學，2009，7(5):19-24

［2］ 中華人民共和國水利部.SL 190—1996 土壤侵蝕分類分級標準［S］.北京:中國水利水電出版社，1997

［3］ Liu Baoyuan，Zhang Keli，Xie Yun.An empirical soil loss equation［M］.Proceedings 12thInternational Soil Conservation Organization Conference.Vol.Ⅲ.Beijing:Tsinghua University Press，2002

［4］ 中華人民共和國水利部.SL 190—2007 土壤侵蝕分類分級標準［S］.北京:中國水利水電出版社，2008

［5］ 國務院第一次全國水利普查領導小組辦公室.第一次全國水利普查培訓教材之六:水土保持情況普查［M］.北京:中國水利水電出版社，2010

［6］ Wischmeier W H，Johnson C B，Cross B V.A soil erodibility nomograph for farmland and construction cites［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1971，26(5):189-193

［7］ Williams J R，Jones C A，Dyke P T.A modeling approach to determining the relationship between erosion and soil productivity［J］.Transactions of the ASAE，1984(27):129-144

［8］ Liu Baoyuan，Nearing M A，Risse L M.Slop gradient effects on soil loss for slops［J］.Transactions of the ASAE，1994，37(6):1835-1840

［9］ Liu Baoyuan，Nearing M A，Shi Peijun，et al.Slope length effects on soil loss for steep slopes［J］.Soil Science Society of America Journal，2000，64:1759-1763

［10］McCool D K，Brown L C，Foster G R，et al.Revised slope steepness factor for the universal soil loss equation［J］.Transactions of the ASAE，1987，30(5): 1387-1396

［11］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T21010—2007 土地利用現狀分類［S］.北京: 中國標準出版社，2007

［12］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 16453.1 ～6—1996 水土保持綜合治理技術規范［S］.北京:中國標準出版社，2008