我国水力侵蚀抽样调查方法

李智广，符素华，刘宝元

(1.水利部水土保持监测中心，100053，北京;2.北京师范大学，100875，北京)

我国是世界上土壤侵蚀最严重的国家之一。土壤侵蚀不仅使土地贫瘠、土地生产力下降，而且严重破坏了生态环境。为了掌握我国土壤侵蚀的强度及空间分布，已开展了3 次全国性的土壤侵蚀调查［1］:第1 次是20 世纪50 年代，采用人工调查方法，初步查清了水蚀面积、强度及分布，为后来将黄河中游、长江中上游等确定为重点治理区提供了基本依据。第2 次是20 世纪80 年代，利用遥感技术，结合地面监测，查清了水土流失主要类型及分布，对全国乃至不同地区水土流失状况有了更为全面、准确的把握。第3 次是1999 年，利用更高分辨率遥感影像，开展了全国水土流失调查，并划分出水蚀风蚀交错区，从宏观上掌握了水土流失动态情况。在第2 次及第3次土壤侵蚀调查中都是基于遥感影像资料和GIS 技术，选择一定的空间分辨率，利用目视解译或全数字作业的人机交互判读方法，通过分析地形、土地利用、植被覆盖等因子，确定土壤侵蚀强度与分布。在确定土壤侵蚀强度时，主要参照了根据土地利用(植被覆盖度)和坡度来得到侵蚀强度类型［2］，缺乏土壤侵蚀量的定量评估。另外，降雨、坡长、水土保持措施都是影响土壤侵蚀强度的重要因素，在第2次和第3 次土壤侵蚀调查中都没有考虑。为了全面考虑影响土壤侵蚀的因素，定量评价土壤侵蚀量，在2010—2012 年第1 次全国水利普查水土保持情况普查中采用了抽样调查的方法来调查抽样单元的土壤侵蚀因子状况，再利用土壤水力侵蚀预报模型定量计算土壤侵蚀量。水力侵蚀抽样调查是2010—2012 年第1 次全国水利普查水土保持情况普查的重要内容之一，其目的是查清土壤水力侵蚀的空间分布、面积与强度，掌握土壤侵蚀动态，为科学评价水土保持效益及生态服务价值提供基础数据，为国家水土保持与生态建设提供决策依据。本文介绍水力侵蚀抽样调查方法的基本内容。

1 水力侵蚀估算方法

1.1 侵蚀强度估算模型

第1 次全国水利普查采用土壤流失方程进行水力侵蚀估算，其模型基本形式［3-4］为

式中:M 为土壤水蚀模数，t/(hm2·a);R 为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a);K 为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);LS 为坡长坡度因子，量纲为1;B 为生物措施因子，量纲为1;E 为工程措施因子，量纲为1;T 为耕作措施因子，量纲为1。

1.2 侵蚀因子计算方法

1)降雨侵蚀力因子。是指降雨导致土壤侵蚀发生的潜在能力，反映了雨滴对土壤颗粒的击溅分离以及降雨形成径流对土壤冲刷的综合作用。多年平均降雨侵蚀力计算公式［5］为:

2)土壤可蚀性因子。表征土壤被冲被蚀的难易程度，反映土壤对侵蚀外营力剥蚀和搬运的敏感性，是影响土壤侵蚀的内在因素。利用第二次全国土壤普查资料及后来的更新资料，根据可获取的资料，采用以下2 种方法之一计算不同土种典型土壤剖面的土壤可蚀性因子值［6-7］。

式中:M=N1(100－N2)或者M=N1(N3+N4);N1为粒径在0.002 ～0.1 mm 之间的土壤颗粒质量分数，%;N2为粒径＜0.002 mm 的土壤黏粒质量分数，%;N3为粒径0.002 ～0.05 mm 的土壤粉砂质量分数，%;N4为粒径0.05 ～2 mm 的土壤颗粒质量分数，%;OM为土壤有机质质量分数，%;S 为土壤结构系数;P 为土壤渗透性等级。

式中:Sn=1－Sa/100;Sa为砂粒(2 ～0.05 mm)质量分数，%;Si为粉砂(0.05 ～0.002 mm)质量分数，%;Cl为黏粒(＜0.002 mm)质量分数，%;C 为有机碳质量分数，%。

这2 种方法计算K 值都有区域适用性问题，当有机质质量分数较高时，式(7)计算的土壤可蚀性会出现负值，尤其是在我国的青藏高原表现最为突出，此时采用式(8)。但二者的计算结果并不等价，在应用式(8)时，建立2 种方法的定量关系，用以修正式(7)出现K 值为负的问题。

3)坡度坡长因子。坡度因子是指某一坡度土壤流失量与坡度为5.13°、其他条件一致的坡面产生土壤流失量的比率。坡长因子是指某一坡面土壤流失量与坡长为22.13 m、其他条件一致的坡面产生土壤流失量的比率。

坡度坡长因子计算方法采用以下公式［8-10］:

式中:S 为坡度因子，量纲为1;θ 为坡度，(°);L 为坡长因子，量纲为1;λ 为坡长，m。

4)生物、工程和耕作措施因子。分别指采取某种生物、工程或耕作措施下的土壤流失量与同等条件下无生物、工程或耕作措施的土壤流失量之比。这3 种措施的因子值都是根据野外调查的水土保持措施具体类型，参照相应的水土保持措施因子值，在室内进行赋值得到。

通过获取上述因子最终计算得到野外调查单元的土壤侵蚀空间分布图，并统计出不同土地利用类型、水土保持措施类型、不同坡度分级下的土壤侵蚀量。在此基础上，生成区域(全国、省、流域)的土壤水力侵蚀空间分布图(表)。

2 全国水力侵蚀普查野外调查单元布设

全国实际布设水力侵蚀野外调查单元3 万2 364个。

2.1 布设原则

全国水力侵蚀普查野外调查单元布局按不同侵蚀类型区和各省份实际情况有针对性地进行布设。

1)按不同侵蚀类型区布设。针对土壤侵蚀的主导外营力，依据全国第二次水土流失遥感调查成果，并考虑县界完整性，将全国分为水力侵蚀区、水力风力侵蚀交错区、风力侵蚀区、水力冻融侵蚀交错区和风力冻融侵蚀交错区。水力侵蚀区只调查水力侵蚀，风力侵蚀区只调查风力侵蚀，水力风力交错侵蚀区同时调查水力侵蚀和风力侵蚀，水力冻融侵蚀交错区同时调查水力侵蚀和冻融侵蚀，风力冻融侵蚀交错区同时调查风力侵蚀和冻融侵蚀。

水蚀野外调查单元，在水力侵蚀区和水力风力交错侵蚀区全部以1%密度布设，在水力冻融侵蚀交错区，参照冻融侵蚀调查单元布设。此外，在风力侵蚀区的新疆北部地区和西藏自治区的“一江两河”流域，按0.25%密度布设水蚀野外调查单元。

2)按各省份实际情况有针对性布设。在上述布设原则基础上，首先考虑第一次水利普查时间和任务要求，在面积较大的县，适当降低布设密度，布设的野外调查单元总数不超过50 个。其次由省级普查机构针对本省份水力侵蚀实际情况，有针对性地进行删减，如平原区、城区、林区等降低布设密度。

2.2 布设方法

全国水力侵蚀普查野外调查单元在全国统一按网格布局。根据网格大小划分为4 层(图1):第1层网格为40 km×40 km，称为县级区;第2 层网格在第1 层基础上，划分为10 km×10 km，称为乡级区;第3 层网格在第2 层基础上，划分为5 km×5 km，称为控制区;第4 层网格在第3 层基础上，划分为1 km×1 km，称为基本调查单元。

图1 全国调查单元划分示意图Fig.1 Schematic diagram for determining primary sampling unit

网格划分依据高斯-克吕格投影分带方法，将我国分成22 个3 度带(24 ～45 带)。在每一带内，y 轴方向以中央经线为基准向两侧划分网格，x 轴方向以赤道为基准向两侧划分网格。

以第4 层网格(1 km×1 km)为基础，按4%密度抽样，在每个控制区(5 km×5 km)中心抽取一个1 km×1 km 网格，即为野外调查单元;但如果属于山丘区的水蚀调查，应在控制区中心1 km×1 km 网格内或与之相连的区域选择面积约0.2 ～3.0 km2的小流域。在此基础上，各县可根据实际情况用不同的抽样密度来抽取野外调查单元。在布设野外调查单元时，将冰川、永久雪地、沙漠、戈壁、沼泽、大型湖泊、水库等区域除外，即在这些区域内不布设水力侵蚀野外调查单元。

3 水力侵蚀数据采集方法

3.1 降雨

为计算降雨侵蚀力因子，收集全国各县的日降水量。每个县挑选1 个满足1981—2010 年共30 a时间长度，并有全年观测数据的水文站点，抄录≥12 mm 的日降水量的全部数据。

3.2 土壤

为分析计算土壤可蚀性因子，收集全国各县的土属和土种资料，根据土壤土种理化性质数据计算土壤可蚀性因子。利用中国土壤发生分类系统中土属与土种的对应关系，将土种的土壤可蚀性因子值归并到土属，按土属对每个野外调查单元的土壤可蚀性因子进行赋值。

3.3 坡度坡长

在1∶1万地形图图幅中心方里网格或与之相连的网格确定1 km×1 km 网格(平原区)或0.2 ～3.0 km2的小流域(丘陵区和山区)作为野外调查单元，然后数字化野外调查单元边界和等高线，将数字化等高线生成DEM，用以计算坡长、坡度和坡长坡度因子。

3.4 生物、工程和耕作措施

为获取野外调查单元的生物、工程和耕作措施的类型和质量，确定相应的因子值，需要制作野外调查单元的调查工作底图，在底图上确定野外调查单元的边界和单元内的地块界线。本次调查的地块是指土地利用类型相同、水土保持措施类型相同、郁闭度(盖度)相同的空间连续范围。

首先在1∶1万地形图图幅中心方里网格或与之相连的网格确定1 km×1 km 网格(平原区)或0.2 ～3.0 km2的小流域(丘陵区和山区)作为野外调查单元，然后制作野外调查的工作底图。野外调查单元工作底图主要包含有野外调查单元边界、等高线、经纬度、比例尺等信息，用于进行野外地块边界的勾绘。在野外用GPS、遥感影像或现场勾绘的方法来确定地块边界，填写水蚀野外调查表。在水蚀野外调查表中，需填写每一地块的土地利用和水土保持措施类型(生物措施、工程措施和耕作措施)等信息。

本次调查的土地利用分类是在参考GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》［11］的基础上，将土地利用分成耕地、园地、林地、草地、居民点及工矿用地、交通运输用地、水域及水利设施用地和其他土地等8 个一级分类和16 个二级分类。水土保持措施分类是在参照GB/T 16453.1 ～6—2008《水土保持综合治理技术规范》［12］的基础上进行分类，具体为:生物措施包括植树、种草、封育和轮牧4 个一级分类和18 个二级分类，调查生物措施的类型、郁闭度或(和)盖度;工程措施包括梯田、软埝、坡面小型蓄排工程、水平阶、水平沟、大型果树坑、路旁沟底小型蓄引工程、沟头防护、谷坊、淤地坝、引洪漫地、崩岗治理工程、引水拉沙造地、沙障固沙等15 个一级分类和28 个二级分类。耕作措施包括等高耕作、等高沟垅种植、垄作区田、陶钵种植、抗旱丰产沟、休闲地水平犁沟、中耕培垄、草田轮作、间作与套种、横坡带状间作、休闲地绿肥、留茬少耕、免耕和轮作等14个一级分类。在水蚀野外调查表中主要填写水土保持措施的类型及代码。

野外工作结束后，在室内将地块边界数字化、并在GIS 软件中将每一地块水蚀野外调查表中的信息录入到地块的属性表中，并根据地块的生物、工程和耕作措施类型来进行相应因子值的赋值与计算。

4 普查成果质量控制

水力侵蚀普查分为资料准备、野外调查、汇总上报和成果评价4 个阶段，每个阶段的工作内容、要求各有不同，因此水力侵蚀普查数据质量控制分4 个阶段进行。

4.1 资料准备阶段的质量控制

该阶段的质量控制内容包括野外调查单元确定、野外调查单元底图制作和普查数据储存目录与文件3 方面。1)野外调查单元确定。要求位置正确、边界准确、面积正确。野外调查单元位于所在1∶1万地形图中心方里网格内或与之相连(调查单元与中心方里网格有交集)的区域。边界是方里网格边界或流域边界。如果是后者，要求流域边界沿山脊线，且与等高线垂直。流域面积不小于下界或不大于上界面积的20%。2)野外调查单元底图制作。数字化的调查单元边界与原地形图上勾绘的调查单元边界误差≤1 mm;数字化等高线条数与地形图上勾绘的调查单元边界内的等高线条数一致，且与相应等高线的位置偏差≤1 mm;所有数字化的等高线要求超出调查单元边界2 mm 以上;等高线高程标注与原地形图一致;数字化调查单元边界与等高线图层的坐标与投影正确，野外调查底图按规范输出。3)普查数据储存目录与文件。要求存储位置正确，命名正确，数量正确。

4.2 野外调查阶段的质量控制

该阶段的质量控制内容包括野外调查和室内数据整理2 方面:1)野外调查。勾绘的地块边界位置与实际地块边界位置偏差＜20 m;勾绘的地块面积与实际地块面积误差＜20%;地块的图上编号与水蚀野外调查表上编号一致，数量相符;水蚀野外调查表记录的地块信息(主要是土地利用类型、生物、工程和耕作措施类型等)与实际情况一致。拍摄的景观照片齐全且与野外调查成果清绘图和水蚀野外调查表填写内容相符。2)室内数据整理。要求清绘的调查成果图清晰、正确、内容全面，录入的水蚀野外调查表内容与纸质水蚀野外调查表一致，从相机中导出的景观照片符合要求。

4.3 汇总上报阶段的质量控制

该阶段的质量控制内容包括3 方面:1)正确的数字化野外调查成果清绘图，包括数字化的地块边界位置与扫描的野外调查成果清绘图上的地块边界位置偏差≤1 mm;地块文件的属性表中字段名齐全、正确;字段的数据类型选择正确;2)数字化图层的坐标与投影等要正确无误;3)完整准确的普查数据存储目录和文件。

4.4 成果评价阶段的质量控制

该阶段的质量控制由国家级普查机构组织专家来完成，主要对土壤水蚀模数计算与强度评价结果的合理性进行审核。质量控制可以采用3 种方法进行:1)与径流小区观测结果比较，在每个水蚀类型区，最少抽取1 个水土保持试验站不同土地利用或不同水土保持措施下的小区土壤流失观测资料，将其与同一类型区相同土地利用、水土保持措施下调查计算的土壤侵蚀模数比较，精度≥80%;2)与水文站观测结果比较，在每个水蚀类型区，最少抽取3个小流域水文站观测资料，与计算结果进行对比，评估精度≥80%;3)专家评估，在每个水蚀类型区，最少抽取1 个县，通过专家经验打分，对计算结果进行评估，没有明显不合理现象。

［1］ 郭索彦，李智广.我国水土保持监测的发展历程与成就［J］.中国水土保持科学，2009，7(5):19-24

［2］ 中华人民共和国水利部.SL 190—1996 土壤侵蚀分类分级标准［S］.北京:中国水利水电出版社，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］ 中华人民共和国水利部.SL 190—2007 土壤侵蚀分类分级标准［S］.北京:中国水利水电出版社，2008

［5］ 国务院第一次全国水利普查领导小组办公室.第一次全国水利普查培训教材之六:水土保持情况普查［M］.北京:中国水利水电出版社，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］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T21010—2007 土地利用现状分类［S］.北京: 中国标准出版社，2007

［12］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 16453.1 ～6—1996 水土保持综合治理技术规范［S］.北京:中国标准出版社，2008