东北典型黑土区侵蚀沟动态监测及实践

李建伟，孟令钦，白建宏

（1.松辽流域水土保持监测中心站，吉林长春130021；2.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

东北黑土区是我国重要商品粮主产基地。由于该区水土流失情况严重，尤其是侵蚀沟数量逐年增加，不断切割地表、蚕食耕地，已经成为制约我国东北黑土区商品粮基地可持续发展的一个重要因素。为了快速、准确、科学地调查出典型黑土区侵蚀沟数量以及侵蚀沟吞食耕地面积等基础数据，分析侵蚀沟发展变化趋势和原因，松辽流域水土保持监测中心站采用实地调查与3S（RS，GIS，GPS）技术相结合的方法，在2008—2009年对乌裕尔河流域和讷谟尔河流域的侵蚀沟进行了动态监测。得出1965年及2005年两个时段侵蚀沟的数量、密度、面积，以及侵蚀沟40年间吞食耕地情况，这是东北黑土区第一次采用3S技术在大尺度范围内对侵蚀沟进行的动态监测和评价。这对评价侵蚀沟对黑土区耕地、粮食安全和经济社会的影响，为侵蚀沟分区、侵蚀沟危害专项治理打下了良好的基础，为管理部门制定典型黑土区耕地保护政策、水土保持综合防治规划以及生态环境建设和经济社会可持续发展决策提供了科学依据。

1 研究方法和内容

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省中部，北起五大连池市，南至杜蒙县，东起北安市，西至泰来县，总面积3.89万km2，包含乌裕尔河、讷谟尔河两个流域。该区属东北漫川漫岗典型黑土区，黑土、黑钙土是主要耕作土壤，是黑龙江省粮食主产区之一，耕地占总面积的58.90%。

研究区地处中高纬度，属寒温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年均气温在0.2～1.5℃之间。年降水量在250.5～793.9 mm之间，年均径流深75 mm左右。植物区系上属于蒙古植物分布区，植被具有森林和草甸草原或草原化草甸相互交错分布的特点。

研究区内土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀，集中体现为面蚀和侵蚀沟的沟蚀。据全国第二次土壤侵蚀遥感调查统计，研究区现有水土流失面积11 366.80 km2，占总面积的29.20%。其中轻度侵蚀面积、中度侵蚀、强度侵蚀分别占侵蚀面积的64.78%，29.94%和5.28%。水土流失主要发生在耕地上，坡耕地的水土流失面积占侵蚀总面积的82.59%。

1.2 研究方法

利用遥感技术获取信息的可靠性和综合性及地理信息系统强大的空间分析和管理功能，通过GIS系统、GPS技术与现场实地调查相结合方法对研究区侵蚀沟的发展情况和损失耕地的数量进行监测，按照耕地面积比例由研究区推算典型黑土区侵蚀沟发展情况及吞食耕地的面积。

1.3 研究内容

1）依据侵蚀沟发育阶段理论和遥感影像解译特点，对侵蚀沟进行分类分级。

2）结合1∶5万地形图等资料，对2005年法国Spot5、日本Alos及1965年美国Corona影像进行影像精纠正。

3）结合实地测量和询问调查，建立不同类型侵蚀沟遥感解译标志。

4）通过解译遥感影像，提取项目区侵蚀沟数量、长度、密度和侵吞耕地面积等信息。利用人工调查和不同年代影像对比等方法分析东北典型黑土区40年（1965—2005年）间侵蚀沟的时空变化特征。

5）综合分析解译结果，并按照耕地面积比例由项目区推算典型黑土区侵蚀沟发展情况及吞食耕地的面积。

2 研究过程

2.1 野外调查

在研究开始阶段，在侵蚀沟分类在影像初步解译的基础上，研究人员对研究区内 200多个调查点进行了外业实地调查。外业调查的方式采用实地测量、GPS定位和现场拍照、录相、书面记录等。调查内容包括：侵蚀沟的形状、地表组成物、沟长、沟宽、沟深、数量、分布及吞食耕地的面积等；问询熟悉情况的当地村民和相关技术人员、查阅相关历史档案资料，调查了当地侵蚀沟1965年的分布情况以及40年来的变化情况。外业调查目的是掌握项目区的自然概况，为建立影像解译标志奠定基础。

2.2 影像精纠正

利用校正过的1∶5万的地形图，通过Erdas软件对影像进行精纠正，以减少影像由于地形起伏，地球曲率等因素引起变形误差，提高侵蚀沟位置、长度和面积等参数解译的精度。

2.3 建立解译标志

对精纠正后的影像进行预判，提出问题和疑点，到野外实地测量与调查，解决疑问的同时根据侵蚀沟分类，采取现场GPS测量、GIS沟绘与拍照方式建立不同类型侵蚀沟遥感解译标志。

2.4 影像解译

对照遥感解译标志，利用ArcGIS软件采用人机交互目视解译的方法对影像中侵蚀沟数量、长度、沟壑密度及侵吞耕地面积等信息进行提取，并通过面积除以长度的方法计算出各条侵蚀沟的平均沟宽。

2.5 实地验证

对于室内判读结果，需要进行野外验证，以检验目视解译的质量和解译精度。野外验证主要内容为侵蚀沟沟长、沟宽、类型、面积等。检验方法是选取一定比例解译后图斑与实地侵蚀沟进行对照分析，检查解译结果与实际是否一致。

项目组分别于2008年11月、2009年6月两次进行了外业验证工作，外业作业采用实地验证与调查询问相结合的方式进行，共布设验证点和疑问点138个，其中132个正确，4个难以确定，2个有误差，正确率95%以上，符合《水土保持监测技术规程》规定的90%以上正确率要求。

2.6 数据修正与集成

对于每条面状沟，侵蚀沟长度、面积是直接通过GIS软件计算得出的，其它参数的确定方法是：侵蚀沟的总长度＝主沟长＋各支沟长；侵蚀沟的平均宽度＝面积／总长度。

对于每条线状沟，侵蚀沟长度是直接通过GIS软件计算得出的，平均沟宽是通过对影像解译后选取不少于5%的点对照实地进行量测，运用数学取均值方法计算得出的。其它参数的确定方法是：侵蚀沟的总长度＝主沟长＋各支沟长；侵蚀沟的面积＝平均沟宽×总长度。

对于整个项目区，侵蚀沟总长度和与侵蚀沟总面积和是通过简单数据求和的方法计算得出的；平均宽度＝侵蚀沟总面积和/侵蚀沟总长度和；沟壑密度＝侵蚀沟总长度和/研究区面积。

3 监测过程中存在的问题与解决办法

3.1 浅沟识别问题

漫川漫岗区的集水线是侵蚀沟易产生的地方，但是是否产生侵蚀沟与当地的水保措施有关。例如，顺坡耕种加速侵蚀，等高耕种抑制侵蚀；集水线以上植被覆盖较好，抑制侵蚀；军队管理的耕地侵蚀沟少于农场，而农场管理的少于农民管理的，这一定程度上反映了人类活动对于侵蚀的影响。而浅沟主要是在集水线处产生，在影像上难以区分，因此，集水线和浅沟容易造成误判。

解决办法：根据野外调查经验得知，一般情况下当集水线发展成浅沟后边缘清晰，同时颜色和纹理表现为亮白色细条，首先对比1∶5万地形图确定所处位置是否为集水线，然后根据影像判断周边环境状况，最后综合分析确定结果。

3.2 季节性河流与侵蚀沟的区分问题

由于季节性河流有一定的间歇性，随着时间的变化，季节性河流可能干枯，在影像上表现为侵蚀沟的特征，造成无法与侵蚀沟区分。

解决办法：在解译过程中，将1965年的影像以及1∶5万地形图叠加，结合经验具体确定。

3.3 干沟与侵蚀沟的区分问题

干沟属于水系，是人工修建的供灌溉、引水、排水用的沟渠，但是这种供灌溉、引水、排水用的沟渠由于受侵蚀影响，沟渠两侧出现了侵蚀扩展现象，因此，反映在影像上有的规则，有的不规则，难以在影像上直接区分干沟与侵蚀沟。

解决办法：在影像解译时，如果在影像特征上表现的比较规则，则视为干沟，否则判定为侵蚀沟。

3.4 路边沟问题

沿路的走向发育，与路相伴而生的侵蚀沟，由于光谱特征与路混合，形成混合像元，因此比较难于判断。路旁沟又可分为两种情况：一是村级以上公路两侧多数都有排水沟，但是也有部分公路旁发育着沿路走向的侵蚀沟，这两者很难区分；二是机耕道、田间小路旁的沟，根据影像特征和野外调查发现，这种沟在影像上表现出不均匀起伏状，可以识别出来，但是，边缘难以确定。

解决办法：在解译过程中对于村级以上的道路两侧侵蚀不明显时，就当作排水沟处理。对于机耕路、田间小路，如果沿路有侵蚀的迹象，那么对能将道路与沟分开的地方只勾绘沟，无法区分的将两者勾绘在一起。

4 结语

对乌裕尔河和诺谟尔河流域侵蚀沟的动态监测，是我国东北黑土区第一次采用实地调查与3S（RS，GIS，GPS）技术相结合的方法，在大尺度范围内开展的侵蚀沟动态监测实践。此次监测工作的开展，对推动东北黑土区水土流失监测技术水平的不断提高起到重要作用，也取得了重要成果。监测发现从1965—2005年的40年间，侵蚀沟总面积增加85.28 km2，条数增加11 937条，总长度增加6 183.70 km，沟壑密度由1965年0.034 km/km2变化为2005年的0.193 km/km2，侵蚀沟条数、面积和密度呈快速增加趋势。

因地制宜，分区治理，是水土保持工作的一项基本原则。开展对侵蚀沟开展重点区域的专项监测，能清楚地了解到区域侵蚀沟对东北黑土区耕地、粮食安全和经济社会的影响。这种采用大尺度侵蚀沟动态监测的方法，不仅节约了时间和资金投入，而且能够减少小尺度监测带来的技术上的误差，能够比较准确地反映一个较大范围的水土流失类型区的土壤侵蚀情况。为管理部门制定典型黑土区耕地保护政策、水土保持综合防治规划以及生态环境建设和经济社会可持续发展决策提供科学依据有着重要意义。

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