我国风力侵蚀抽样调查方法

李智广，邹学勇，程宏

(1.水利部水土保持监测中心，100053，北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，100875，北京)

我国风力侵蚀抽样调查方法

李智广1，邹学勇2，程宏2

(1.水利部水土保持监测中心，100053，北京;2.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，100875，北京)

摘要：风力侵蚀普查是第一次全国水利普查水土保持情况普查的重要内容之一。抽样调查方法是风力侵蚀普查的重要方法。在介绍我国风力侵蚀野外调查单元布设、基础数据收集的基础上，详细介绍风力侵蚀模型、侵蚀因子计算方法，并结合实际调查情况，对包括资料准备、野外调查、汇总上报和成果评价等普查过程的各个阶段及其质量控制措施进行详细总结。普查技术方法的正确把握对于保证普查结果的可靠性、科学性和权威性具有重要意义，普查结果可为国家水土保持规划与生态环境建设提供基础数据。

关键词：水利普查;风力侵蚀;抽样调查;方法

风力侵蚀是导致土地荒漠化的重要原因。风力侵蚀强度、分布和面积受风力大小、地表状况、地表裸露物质物理特性等综合因素的影响。为全面了解和掌握我国风力侵蚀强度及空间分布，在前2次全国土壤侵蚀遥感调查中，风力侵蚀是重要的组成部分［1］：第1次是在20世纪80年代，利用遥感技术、结合地面调查，对我国风力侵蚀区土壤风蚀状况进行了普查，为全国水土保持规划、全国生态环境建设规划以及京津风沙源治理工程等提供了基本依据;第2次是在1999年，利用更高分辨率的遥感影像调查了风力侵蚀区的风力侵蚀状况，并划分出水蚀风蚀交错区。前2次都是基于遥感调查的方法，采用影像识别和野外调查验证的方法得到土壤侵蚀的空间分布，考虑的土壤侵蚀影响因子不够全面，如没有考虑风向风速、表土湿度和地表粗糙度等对风力侵蚀的影响，也没有进行土壤侵蚀模数的定量计算。为全面调查影响风力侵蚀的因素，定量评价土壤风蚀量，在2010—2012年第1次全国水利普查水土保持情况普查中，采用抽样调查法获得了基础数据，用以量化地表粗糙度因子，并结合遥感影像解译获得的表土湿度因子和植被盖度以及风蚀区主要气象站获得的长期风向风速观测数据，利用土壤风力侵蚀模型计算出风力侵蚀模数，进而评价了土壤风力侵蚀的分布、面积与强度［2］，其目的是查清我国风力侵蚀的空间分布、面积和强度，分析风力侵蚀的动态变化，为今后的水土保持规划和生态环境建设项目实施提供基础数据，为生态环境建设提供决策依据。

1 野外调查单元布设

根据土壤侵蚀的主导外营力，依据第2次全国土壤侵蚀遥感调查成果，并考虑县界完整性，将全国分为水力侵蚀区、风力侵蚀区、冻融侵蚀区、水力风力侵蚀交错区、水力冻融侵蚀交错区、风力冻融侵蚀交错区。在风力侵蚀区和水力风力侵蚀交错区，按0.25%密度布设风蚀野外调查单元，在风力冻融侵蚀交错区，按0.062 5%密度布设风蚀野外调查单元。同时考虑到第1次水利普查时间和任务要求，在面积较大的县内，适当降低布设密度，布设的野外调查单元总数原则上不超过50个。

根据上述布设原则和方法，全国实际布设风力侵蚀野外调查单元3 108个，其中风力侵蚀区野外调查单元共972个，风力水力侵蚀交错区野外调查单元共1 757个，风力冻融侵蚀交错区野外调查单元共379个。按省(自治区、直辖市)行政区计算，河北省92个、山西省38个、内蒙古自治区806个、辽宁省49个、吉林省157个、黑龙江省92个、四川省18个、西藏自治区6个、陕西省56个、甘肃省281个、青海省179个、宁夏回族自治区96个、新疆维吾尔自治区1 238个。

2 基础数据的收集

2.1 风向风速数据

为计算土壤风力因子，收集我国北方风蚀区229个气象站的1991—2010年每年1—5月和10—12月的大于或等于5m/s的风速和风向数据。如果该气象站有逐日24次10min的风向风速数据，抄录逐日24次10min大于或等于5m/s的风速和风向数据，否则抄录逐日4次大于或等于5m/s的风速和风向数据。

2.2 野外调查单元的调查数据

通过风蚀野外调查单元调查，获得土地利用类型、植被类型、植被高度与盖度、地形起伏和微地貌等调查数据。野外调查数据用于量化地表粗糙度。

2.3 遥感影像和土地利用数据

表土湿度(土壤表层0～10 cm深度范围内)因子是利用美国Aqua卫星AMSR-E数据计算获得的。AMSR-E数据来自美国2002年5月4日发射的Aqua卫星，由美国冰雪数据中心(NSIDC，National Snow and Ice Data Center，http：∥nsidc.org/data/amsre/)提供的L2A全球轨道亮温数据。

计算植被盖度所用到的遥感数据来自3方面：高空间分辨率(30m左右)HJ--1多光谱反射率数据;2010年1∶10万全国土地利用图数据，用于分土地利用类型计算1∶10万分辨率的NDVI和植被盖度;收集的MODIS传感器数据。

3 风力侵蚀模数计算方法

3.1 风力侵蚀模型

风力侵蚀模数分别用耕地、草(灌)地和沙地风力侵蚀模型计算［3］。

1)耕地侵蚀模型。模型为

式中：Qfa为耕地风力侵蚀模数，t/(hm2·a);Uj为风力因子，量纲为1，j为风力等级;W为表土湿度因子，%;tj为一年内有风力侵蚀发生期间风速为Uj的累积时间，min;Z0为地表粗糙度，cm，在第1次全国水利普查水土保持情况普查工作中，专门制定了各类地表粗糙度值表格，通过查表获得;A为与下垫面(耕作技术措施)有关的风速修订系数，量纲为1;a1、b1、c1为与耕地有关的量纲为1的常数，分别取值-9.208、0.018 和1.955。

2)草灌地侵蚀模型。模型为

式中：Qfg为草灌地风力侵蚀模数，t/(hm2·a);V为植被盖度，%;a2、b2、c2为与草灌地有关的量纲为1的常数，分别取值2.486 9、-0.001 4和-54.947 2。

3)沙地(漠)侵蚀模型。模型为

式中：Qfs为沙地(漠)风力侵蚀模数，t/(hm2·a);a3、b3、c3为与沙地(漠)有关的量纲为1的常数，分别取值6.168 9、-0.074 3和 -27.961 3。

3.2 侵蚀因子计算

3.2.1 风力因子 风力因子是指不同等级风速和风向对风力侵蚀的潜在能力，与临界侵蚀风速和各等级风速的累积时间有关。临界侵蚀风速是指风力作用于地表，产生风力侵蚀的最小风速(m/s)，大于和等于临界侵蚀风速的各等级风速均为侵蚀风速。各等级风速累积时间是指全年大于和等于临界侵蚀风速的各等级风速的累积时间(min)。风力因子计算采用风力侵蚀区域各县份收集的逐日24 h整点风速和风向资料，按1m/s间隔统计全年大于等于临界侵蚀风速(U0)的各等级风速的累积时间，耕地、沙地的临界侵蚀风速取值为5m/s，草地临界侵蚀风速按表1取值，沙地(漠)临界侵蚀风速按表2取值。

表1 草灌地不同植被盖度下的临界侵蚀风速Tab．1 Critical erosion wind speed at different vegetation coverage of grass and shrub land

风力因子计算方法如下。

1)对于逐日24次10min平均风向风速数据，按1m/s间隔直接统计全年不小于5m/s的各等级风速的发生频次。每频次代表1 h，按下式换算为该等级风速的累计时间：

式中：ti为第i等级风速的累计时间，min;qi为第i等级风速的发生频次，次;t为频次持续的时间，h/次;60为时、分换算量。

依次获得5.0～5.9、6.0～6.9、7.0 ～7.9m/s、……各等级风速的累积时间，最高风速统计到该气象台站记录到的最大风速。

2)对于逐日4次风向风速数据，首先按线性插值方法，计算相邻2个整点时刻的风速，获得逐日24次风向风速估算数据，计算公式为

式中：t1、t2为逐日4次风向风速统计表中相邻2个风速记录的时刻(02：00、08：00、14：00和20：00);ti为t1～t2之间的整点时间，h;Uti为与ti对应的整点风速，m/s;Ut1为与t1对应的风速，m/s;Ut2为与 t2对应的风速，m/s。

表2 沙地(漠)不同植被盖度下的临界侵蚀风速Tab．2 Critical erosion wind speed at different vegetation coverage of sandy land

其次，按照逐日24次10min平均风向风速数据的计算方法，依次获得 5.0～5.9、6.0～6.9、7.0～7.9m/s、……各等级风速的累积时间，最高风速统计到该气象台站记录到的最大风速。

3)在GIS软件和自主开发软件的支撑下，获得各等级风速的累积时间分布栅格图。

3.2.2 地表粗糙度 地表粗糙度因子是指因植被、微地形和农田耕作导致的零风速位置的高度(cm)。

在风力侵蚀区、风力侵蚀与水力侵蚀交错侵蚀区，除耕地呈斑块状分布，并且地表粗糙度在边界发生突变外，其他诸如草地和灌草地(沙漠)等的边界都呈逐渐过渡特征;因此，在地表粗糙度计算时，需将耕地、草地与灌草地(沙漠)区别对待。对比大量野外观测数据，在表3的基础上，分别制定了翻耕耙平无垄(平整)耕地的地表粗糙度、翻耕耙平有垄(不平整)耕地的地表粗糙度、翻耕未耙平耕地的地表粗糙度、留茬耕地的地表粗糙度、沙地地表粗糙度、灌草地和草原草地地表粗糙度、已割草草地地表粗糙度等的细化表格。根据不同土地利用类型赋值后，按照逐渐过渡的关系，在GIS软件和自主开发软件的支撑下，获得栅格为30m×30m的地表粗糙度空间栅格图。3.2.3表土湿度因子 表土湿度因子表征了土壤表层0～2.5 cm深度范围内含水率抗拒土壤风力侵蚀的潜在能力(%)。基于遥感数据源计算表土湿度因子，最终生成表土湿度空间等值线，等高距为0.50。计算方法是利用土壤介电模型、参数化的地表辐射模型以及辐射传输方程模拟各种地表条件下的微波辐射，构建地表辐射模拟数据集。

表3 不同下垫面粗糙度Z0Tab．3 Roughness Z0at different underlying surface

利用地表冻融状态判别算法，屏蔽冻土区域，反演冻土区外的表土含水率;利用微波指数与指标透过率之间的数学关系，结合植被透过率与植被含水量的定量关系，消除植被对含水率反演的影响;利用多通道微波数据，估算地表温度，计算10.65 GHz下的裸露土壤的水平和垂直极化发射率;利用参数化的地表辐射模型，构建消除地表粗糙度影响的土壤湿度指数，建立土壤湿度指数与表土含水率之间的定量关系［4］：

式中：P为表土含水率，m/m;f为土壤湿度指数，%;a、b和c为拟合系数。

表土湿度因子和表土含水率的定量关系：

3.2.4 植被盖度计算 植被盖度计算公式［5］为

式中：INDVI为像元的NDVI值;Imax、Imin分别为像元所在地类的代表纯植被和纯裸土的NDVI的最大值和最小值;k为经验系数，在此取值为1。

4 普查成果质量控制

4.1 资料准备阶段的质量控制

该阶段的质量控制由省级普查机构负责，主要内容如下。1)野外调查单元确定。根据野外调查单元中心点坐标，在1∶1万或1∶5万地形图中找到其对应位置，并以此为中心，准确确定1 km×1 km野外调查单元，要求位置与边界准确。2)遥感影像裁切。以野外调查点坐标为中心，制作5 km×5 km的遥感影像裁切边界，裁切遥感影像并标明其中心点以及4个角的坐标，要求位置正确、边界准确。3)普查数据存储目录与文件。要求位置、命名以及数量正确无误。

4.2 野外调查阶段的质量控制

该阶段的质量控制由各野外调查单元普查员负责，主要内容如下。1)野外调查表。要求调查单元和风蚀野外调查表一一对应;记录信息与实际地表状况一致;表格数据项填写齐全。2)地表近景照片。要求调查单元对应照片不能有遗漏;垂直投影拍摄，照片内无物体和人员阴影，并显示拍照日期(年/月/日);清晰显示25 cm×25 cm视场范围内的地表状况，以及钢卷尺的刻度;照片编号正确，存入位置无误。

4.3 汇总上报阶段的质量控制

该阶段的质量控制由县级普查机构、省级普查机构以及国务院普查办公室组织专家来完成逐级审查，主要内容如下。1)野外调查表。要求调查单元和风蚀野外调查表一一对应;记录信息与实际地表状况一致;表格数据项填写齐全，表格填报人员、复核人员、审查人员签字。2)地表近景照片。要求调查单元各土地利用类型对应一张地表近景照片，不能有遗漏;垂直投影拍摄，照片内无物体和人员阴影，并显示拍照日期(年/月/日);清晰显示25 cm×25 cm视场范围内的地表状况，以及钢卷尺的刻度;照片存储格式和分辨率满足要求;照片编号正确，存入位置无误。3)遥感影像。各调查单元遥感影像位置、边界、经纬度坐标等信息要求准确。4)普查数据存储目录与文件。各野外调查单元的野外调查表、地表近景照片以及遥感影像等信息命名以及数量正确无误，存储位置准确。

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，分别对农田、林(草)地以及沙地的土壤风蚀模数计算和强度评价结果的合理性进行审核，要求农田、林(草)地以及沙地的土壤风蚀模数计算结果与多年平均风力侵蚀强度以及野外实地测量风力侵蚀强度的误差小于15%。

1)结合已有研究成果，在农牧交错带、典型草原和荒漠草原分别选择至少一个典型研究区，通过野外观测或者137Cs元素示踪方法，测定一年的风蚀模数或者近50年来多年平均风力侵蚀模数。

2)将模型计算的风力侵蚀强度与野外实测数据［6-7］和137Cs元素示踪方法测定的多年平均风力侵蚀强度［8］进行对比，检查二者差异。如果二者差异小于15%，则证明模型计算结果是可靠的;若二者差异大于15%，则调整模型差数，直到二者差异小于15%为止。

5 小结

风力侵蚀是我国仅次于水力侵蚀的第2大土壤侵蚀类型，也是第1次全国水利普查水土保持情况普查的土壤侵蚀类型之一，其普查方法的制订和正确运用对普查结果有重要影响。为方便广大水土保持工作者详细了解我国第1次水利普查水土保持普查中所用方法，对风力侵蚀的普查方法，耕地、草(灌)地和沙地等土地的风力侵蚀模数计算模型，以及模型中的相关因子的计算方法、赋值标准做了介绍，并对普查过程各个环节的质量控制措施进行了总结，对于完善我国土壤侵蚀的调查评价方法及科学地调查和评价我国风力侵蚀现状、发展趋势和预测预报具有一定的意义。正确把握普查技术方法，对于保证普查结果的可靠性、科学性和权威性具有重要意义。

6 参考文献

［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

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［5］张仁华.实验遥感模型及地面基础［M］.北京：中国科学出版社，1996

［6］霍文，何清，杨兴华，等.塔里木盆地多种沙源类型沙通量异变特征研究［J］.水土保持研究，2012，19(5)：120-125

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［8］刘纪远，齐永青，师华定，等.蒙古高原塔里亚特-锡林郭勒样带土壤风蚀速率的137Cs示踪分析［J］.科学通报，2007，52(23)：2785-2791

Method of wind erosion sampling survey in China

Li Zhiguang1，Zou Xueyong2，Cheng Hong2
(1.Monitoring Center of Soil and Water Conservation，Ministry of Water Resource，100053，Beijing，China;2.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Beijing Normal University，100875，Beijing，China)

Abstract：Wind erosion survey is an important part of the first national water resource survey.The sampling investigation is themainmethod of wind erosion survey.Based on field sampling units layout and basic data collection，the author introduced wind erosionmodel and each erosion factor calculationmethods.In addition，combined with survey，basicmaterial collection，field investigation，gather and report，and results evaluation of each stage and those quality controls were summarized in detail.Correctly understanding the censusmethod was of great significance for assurance the reliability，scientificalness and authority of the census results.The result provided basic data for national soil and water conservation planning and ecological environment construction.

Key words：water resource survey;wind erosion;sampling survey;method

S157

A

1672-3007(2013)04-0017-05

2012-12-26

2013-04-09

第一次全国水利普查“国务院第一次全国水利普查”(国发［2010］4号)

李智广(1966—)，男，博士，教授级高级工程师。主要研究方向：水土保持监测评价。E-mail：lizhiguang@mwr.gov.cn

(责任编辑：宋如华)