基于小流域土壤侵蝕嚴重指數的縣域土壤侵蝕制圖研究

李 驁， 顧治家

(1. 北京師范大學 地表過程與資源生態國家重點實驗室， 北京 100875； 2.北京師范大學 地理科學學部，北京 100875； 3.信陽師范學院 地理科學學院，河南省水土環境污染協同防治重點實驗室， 河南 信陽 464000)

土壤侵蝕圖是綜合反映一定空間范圍侵蝕強度、面積和分布的一種載體。良好的土壤侵蝕圖能夠直觀清楚地表征區域侵蝕的屬性及其特征，既突出顯示侵蝕分布的整體性特征，又精確體現侵蝕強度的差異化特征，亦明確指示水土流失防治的總格局特征。

對于區域土壤侵蝕制圖，中國基于不同時期的調查方法，選擇了針對性的方法。20世紀80和90年代的2次普查，分別基于MSS和TM遙感影像，結合地貌地形、巖性、植被覆蓋和土地利用等確定侵蝕圖斑、評價侵蝕強度，其基礎地理底圖比例尺分別為1∶50萬和1∶10萬，省級和全國的侵蝕圖都是通過一系列復雜的制圖綜合后得到[1-4]；2011—2013年的第一次全國水利普查，基于分層不等概系統抽樣方法確定的野外調查單元得到的侵蝕模數，以水土流失面積比例為指標、通過空間插值及疊加運算得到侵蝕圖[5]；2018—2019年的全國水土流失年度動態監測，基于高分遙感影像的柵格和野外抽樣調查驗證，計算侵蝕模數，繪制土壤侵蝕圖，并開展侵蝕強度評價[6-7]。美國基于抽樣調查及其統計學原理，利用USLE計算樣點所在農耕地侵蝕量，編制州、大區和全國尺度的農地侵蝕量點圖和超過土壤流失容許速率的農地侵蝕量點圖[8-10]。歐洲采用USLE計算侵蝕模數，采用因子分級打分法評價潛在危險性和實際危險性并進行制圖[11]。澳大利亞以USLE為基礎，在全國范圍內劃分網格，完成片蝕、細溝侵蝕和溝蝕的調查與定量評價，進行土壤侵蝕風險制圖[12]。

上述的區域土壤侵蝕制圖方法雖然適應了當時侵蝕調查方法，也部分地反應了侵蝕強度(或危險性、流失量級)的區域分布，但總存在難以滿足水土保持規劃的需要，如：限于圖幅大小，難以在圖面上準確表達重點預防區、治理區和重點項目分布。基于流失面積比例、通過空間插值制作的圖件，難以反映侵蝕強度的區間差異，無法支撐重點項目格局圖的制作。美國土壤侵蝕調查集中于農耕地，土壤侵蝕圖體現土壤流失量及對農地的危害，無法把土壤侵蝕面積、強度等落實到小流域或地塊等治理對象上。歐洲和澳大利亞的調查欠缺水土保持措施且因子不全，無法像野外抽樣調查一樣獲得林下植被蓋度，影響侵蝕制圖的準確性。為全面支撐和實現水土保持法關于開展水土流失調查、做好水土保持規劃的要求，在黑龍江省拜泉縣土壤侵蝕調查基礎上，本文研究提出基于小流域土壤侵蝕嚴重指數的縣域土壤侵蝕制圖及水土保持規劃必需圖件編制方法，為進一步推動區域土壤侵蝕調查與制圖工作提供借鑒和參考。

1 研究區概況

拜泉縣位于黑龍江省的中西部，總面積約3 597 km2，地理位置為125°30′—126°31′E，47°20′—47°55′N，地處小興安嶺余脈向松嫩平原過渡的地帶，屬于東北漫川漫崗區，淺山區、低丘陵比例很大。屬于典型的中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫1.2 ℃、年均降水490 mm。土壤主要包括黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土和鹽土等，黑土為主要的耕作土壤。原始植被早已破壞殆盡，整體上具有從森林和草甸草原或草原化草甸交錯分布的特點。在各類土地利用中，耕地所比例例最大，為72.8%，其次為林地，為13.9%，再次為居民點，為5.0%。全縣水土保持工程措施主要包括水保林、梯田、地埂植物帶、等高改壟，耕作措施主要是等高溝壟種植。拜泉縣曾是黑龍江省水土流失最嚴重的縣份之一，自上世紀80年代進行生態農業建設和水土保持治理以來，生態環境發生了根本性變化。

2 研究方法與資料

2.1 土壤侵蝕調查方法

2.1.1 土壤侵蝕模數計算方法 土壤侵蝕模數計算采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)[13]，其結構形式如下：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A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)〕；L和S為坡長和坡度因子，無量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

2.1.2 土壤侵蝕調查與參數計算方法

(1) 降雨侵蝕力因子R[14]。搜集黑龍江省及其周邊地區共46個氣象站、1986—2015年的逐日雨量資料，通過地統計插值得到分辨率為30 m的全省24個半月降雨侵蝕力比例柵格圖和年降雨侵蝕力柵格圖。在此基礎上，用矢量圖裁切得到拜泉縣年降雨侵蝕力和24個半月降雨侵蝕力比例的柵格圖。

(2) 土壤可蝕性因子K。采用了第一次全國水利普查的K值成果。其值是根據土壤屬性，分別采用Wischmeier[15]和Williams[16]的K值公式計算。

(3) 坡長因子L和坡度因子S。由1:50000地形圖等高線轉換得到全縣DEM，然后生成分辨率為30 m的柵格圖。基于“土壤侵蝕模型地形因子計算工具”[17]求得坡長因子與坡度因子。

(4) 植被覆蓋與生物措施因子B。利用2015—2017年的MODIS歸一化植被指數產品和TM多光譜影像，采用融合計算方法，得到24個半月30 m分辨率的植被覆蓋度圖，結合24個半月降雨侵蝕力因子比例計算B因子[5]。

(5) 工程措施因子E。基于2016年覆蓋研究區域的資源三號衛星(ZY-3)影像解譯及野外調查獲得工程措施類型，借鑒《區域水土流失動態監測技術規定(試行)》工程措施因子值表直接賦值。

(6) 耕作措施因子T。T值與E值類似，根據耕作措施類型查找耕作措施因子值表直接賦值。研究區水土保持耕作措施主要是等高溝壟種植，對應T值直接賦值為0.251。

2.2 小流域劃分方法

基于上述的DEM，按照SL 653-2013《小流域劃分及編碼規范》的規定和要求[18]，進行拜泉縣小流域劃分，得到306個小流域。面積最小的為2.06 km2，最大的為45.48 km2，平均值為11.75 km2，中值為9.16 km2。

2.3 土壤侵蝕嚴重指數計算

土壤侵蝕嚴重指數用區域各類各級侵蝕強度面積的加權平均數表示，計算方法如下[19]：

(2)

式中：I為土壤侵蝕嚴重指數；Mi為某級別土壤侵蝕強度的權重。微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈等強度等級的取值分別為0，1.5，3，6，12，24；Ai為第i級強度的土壤侵蝕面積；A為各級侵蝕強度的總面積(區域總面積)，A=∑Ai；i為土壤侵蝕強度等級，微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈等侵蝕強度等級的取值分別為1，2，3，4，5，6。

3 結果與分析

3.1 土壤侵蝕強度及其分布圖

對采集和計算所得侵蝕因子進行重采樣，生成大小為30 m的柵格圖。將各圖層(因子值)按照柵格相乘得到覆蓋全縣的每個柵格的侵蝕模數，依據SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》對每個柵格進行侵蝕強度分級，制圖得到以30×30 m柵格為單元的土壤侵蝕強度圖(見封2，附圖8)。

全縣土壤侵蝕微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈的侵蝕面積分別為1 859.63，1 537.39，155.86，30.54，11.85，1.73 km2。可見，拜泉縣水土流失面積(輕度及其以上強度的侵蝕面積之和)為1 737.37 km2，占全縣總土地面積的48.30%。在水土流失面積中，輕度侵蝕為絕對多數，其次為中度侵蝕，強烈、極強烈和劇烈侵蝕都非常少。

附圖8可基本上反映如上所述的各級侵蝕強度面積的總體比例，可較清楚地表達各級侵蝕強度的總體分布，如微度主要分布于西南、西北部平原區和靠近河流的低洼區，中度主要分布于西南和西北部、緊鄰微度的區域，極強烈和劇烈主要分布于東南部丘陵臺地區和西北及中部的漫崗丘陵區。

3.2 小流域水土流失面積比例圖

基于全縣306個小流域土壤侵蝕的強度和面積，計算每個小流域的水土流失面積比例(輕度及其以上強度的侵蝕面積之和占小流域面積的百分比)，按<20%，20%～30%，30%～40%，40%～50%，>50%的5個級別對小流域進行分級，制圖得到以小流域為單元的水土流失面積比例圖(見圖1)[20]。

圖1 拜泉縣水土流失面積比例

全縣所有小流域的水土流失面積比例介于0%～74.26%之間，平均值為47.84%，<20%，20%～30%，30%～40%，40%～50%，>50%級別的小流域分別為10，10，33，110，143個，呈現偏向比例較大級別的分布態勢。可見，在全部小流域中，以水土流失面積比例更高的為主，比例越高的越多。

圖1可基本上反映如上所述的各級水土流失比例小流域的總體比例，可清晰表達全縣水土流失比例小流域的總體分布。其分布特征主要為：水土流失面積比例呈現由西南向東北不斷增加的態勢；水土流失面積比例<20%和20%～30%的小流域集中分布在西南部的平原區和東南角的沿岸低洼易澇區，比例30%～40%的小流域主要分布在前兩者的周邊和中部的漫崗丘陵區，40%～50%和>50%的集中分布在東南部丘陵臺地區和和西北部的漫川漫崗區。

3.3 小流域土壤侵蝕嚴重指數及其分布圖

基于全縣306個小流域的土壤侵蝕強度和面積，計算每個小流域的土壤侵蝕嚴重指數，并按0～0.5，0.5～1，1～1.5，1.5～2和2～2.5的5個級別對小流域進行分級，制圖得到以小流域為單元的土壤侵蝕嚴重指數圖(見封2，附圖9)。

全縣所有小流域的土壤侵蝕嚴重指數介于0～2.45之間，平均值為0.86，中值為0.82，無明顯、不嚴重、稍嚴重、較嚴重、極嚴重級別的小流域分別為25，206，65，7，3個，呈現偏向不嚴重級別的正態分布態勢。可見，在全部小流域中，不嚴重的比例最多，無明顯和稍嚴重的次之，較嚴重和極嚴重的最少。

附圖9可清晰地反映如上所述的各個土壤侵蝕嚴重級別小流域的比例，可清晰表達全縣水土流失嚴重程度及其分布。其分布特征主要為：各水土流失嚴重級別的小流域都相對集中，尤其是稍嚴重、較嚴重的2個級別；水土流失不嚴重的小流域集中分布在西南部的平原區和東南角的沿岸低洼易澇區；較為嚴重的小流域主要分布在東南部丘陵臺地區和西北部的漫崗丘陵區。

3.4 小流域土壤侵蝕嚴重指數圖優越性分析

《中華人民共和國水土保持法》及SL 335-2014《水土保持規劃編制規范》要求[21]：縣級水土保持規劃的土壤侵蝕圖應以縣域為整體，表征侵蝕的面積、分布和強度，反映侵蝕特征與重點預防區、重點治理區、水土流失防治格局、重點項目分布的對應關系。

3.4.1 嚴重指數圖可綜合反映土壤侵蝕面積、強度和分布 基于上述對土壤侵蝕強度制圖、水土流失面積比例制圖和土壤侵蝕嚴重指數制圖方法及結果的分析，進一步對比圖1和附圖8—9可知： ①附圖8圖面過于細碎、零散，難以體現侵蝕分布的總體特征，對水土保持規劃必需的重點預防區、重點治理區與其他區域的空間分布指向不清晰，也難以基于該圖通過轉化得到規劃必需的圖件； ②圖1強烈地凸顯出水土流失很多、很嚴重，這既與全縣水土流失的實際情況不相符，也與規劃必需的重點預防區、重點治理區劃分不能對應，難以基于該圖通過轉化得到規劃必需的圖件； ③附圖9既可清晰地反映全域侵蝕的嚴重程度及其分布，又可區別地反映不同級別嚴重程度的數量及其比例，且與實際情況相吻合。基于全縣306個小流域的土壤侵蝕嚴重指數圖，可方便生成水土流失重點預防區和重點治理區，可直接以小流域為單元設置重點項目，得到規劃必需的圖件。

3.4.2 基于小流域土壤侵蝕嚴重指數圖可直接制作規劃必需圖件 以小流域為單元，通過土壤侵蝕嚴重指數的聚類計算和小流域空間關系分析，由嚴重指數圖可直接生成水土保持規劃必需的圖件，如水土流失重點預防區和重點治理區分布圖、水土流失防治格局圖、重點項目分布圖。

(1) 水土流失重點預防區和重點治理區分布圖。通過合并較嚴重和極嚴重、選擇無明顯的小流域，分別得到典型的治理小流域、典型的預防小流域2類區域，并將被這些典型小流域夾擠的和與這些典型小流域緊連、嚴重指數極其接近的小流域并入這2類區域，就可得到重點預防區和重點治理區，所得結果如(見封2，附圖10)所示。

與附圖9對比，重點預防區是在嚴重級別為“無明顯”小流域集中的6個片區的基礎上，舍棄分散的5個“無明顯”小流域、并入7個小流域所得。重點治理區是在嚴重級別為“較嚴重”“極嚴重”小流域集中的3個片區的基礎上，并入2個小流域所得。

在6個重點預防區中，27個小流域的嚴重指數介于0.00～1.09，平均值為0.48，中值為0.47，標準差為0.25；輕度和微度的侵蝕面積為267.43 km2，占總面積的98.42%，符合SL 717-2015《水土流失重點防治區劃分導則》的要求。

在3個重點治理區中，12個小流域的水土流失嚴重指數介于1.23～2.45，平均值為1.73，中值為1.70，標準差為0.33；水土流失面積為72.41 km2，占總面積的51.60%，中度以上侵蝕面積占總面積的21.43%，符合SL 717-2015《水土流失重點防治區劃分導則》的要求。

(2) 水土流失防治格局圖。基于全縣306個小流域嚴重指數，可直接通過重點預防區和重點治理區的分布，確定全縣預防和治理的總體格局、形成防治格局圖，構建6片重點預防、3片重點治理、大面積保護區(主要是由侵蝕嚴重指數為“不嚴重”和“稍嚴重”的小流域組成)的總體格局(見封2，附圖10)。重點預防片的主導功能為生態維護、土壤保持和蓄水保土，重點治理片的主導功能為農田保護、土壤保持和蓄水保土，大面積保護片區的主導功能為土壤保持、蓄水保土。

(3) 重點項目分布圖。基于水土流失重點預防區和重點治理區，以小流域為單元分別安排預防和治理的重點項目。預防重點項目主要安排在“無明顯”的小流域；若是發生土地利用結構調整，可接續地對個別“不嚴重”小流域實施生態保護。重點治理項目主要按照在“極嚴重”“較嚴重”小流域，先“極嚴重”再“較嚴重”；若是經費允許，可選擇部分“稍嚴重”的小流域接續實施重點治理。

4 結論與討論

基于小流域土壤侵蝕嚴重指數的縣域土壤侵蝕圖，不僅能夠以水蝕發生發展和防治的基本單元——小流域來定量、精準、清晰地反映全縣侵蝕嚴重程度及其分布，而且能夠定量、綜合、清晰地表征全縣侵蝕強度面積及其分布，并且能夠通過嚴重指數聚類計算和空間關系分析得到水土保持規劃必需的圖件，為重點預防和重點治理項目布局提供定量化、拓撲性的數據支撐，是一種具有良好優越性的制圖方法。

對于縣域范圍的土壤侵蝕制圖，在綜合反映土壤侵蝕的面積、強度和分布方面，土壤侵蝕強度圖、流失面積比例圖和嚴重指數圖都具有各自的優勢和特征。從開展水土流失調查、全面支撐水土保持規劃的角度，基于小流域土壤侵蝕嚴重指數制圖具有更好的比較優勢。

(1) 對縣域而言，基于30 m×30 m柵格的侵蝕強度評價和小流域侵蝕嚴重指數計算，既能夠定量化、綜合性地將侵蝕面積、強度和分布等落實到小流域，為在縣域尺度上、整體布局層面的規劃及其相關圖件制作提供技術方法；又能夠定量化、精確性地將侵蝕模數及其因子值等落實到地塊，為在小流域尺度上、治理模式層面的措施配置及其典型設計提供相關要素的數據。其中的操作技術、方法及其相關標準，可全面支撐縣域水土流失調查和水土保持規劃。

(2) 基于小流域土壤侵蝕嚴重指數的聚類計算和空間關系分析得到水土流失重點預防區和重點治理區的過程中，舍棄了個別分散的小流域，并入了夾擠在同一分級當中或與同級小流域緊連、嚴重指數極其接近的小流域。究竟舍棄幾個？并入多少？應以嚴重指數無實質性差異、舍棄或并入的面積不改變重點區域特性為根本，結合縣域面積、土地利用結構調整可行性及水土流失防治投入等合理確定。

(3) 在縣域尺度，如何根據土壤侵蝕嚴重指數對小流域進行分級，應把分級界限和級數聯系起來，結合區域水土流失實際和預期的防治規模，進行聯試聯調，按照正態分布或者偏正態分布的總體方向，擇優確定分級方法及其結果。

(4) 基于土壤侵蝕嚴重指數制作區域土壤侵蝕圖的方法，也可以應用到更大的范圍，如一個省、一個中等流域。應用時，需要研究確定嚴重指數計算的單元——小流域、縣域、網格系統或者其他形式的對象，再按本文提出的技術和方法進行調查和制圖。