县域尺度水土流失监测方法的应用及其结果分析

吴迪,黎家作,张春平,张荣华

(1.淮河水利委员会淮河流域水土保持监测中心站,233001,安徽蚌埠；

2.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,山东农业大学林学院,271018,山东泰安)

县域尺度水土流失监测方法的应用及其结果分析

吴迪1,黎家作1,张春平1,张荣华2†

(1.淮河水利委员会淮河流域水土保持监测中心站,233001,安徽蚌埠；

2.山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,山东农业大学林学院,271018,山东泰安)

为反映土壤侵蚀模型在县域尺度的应用效果,采用中国土壤流失方程(CSLE模型)、抽样调查、遥感解译与统计分析相结合的方法,对沂蒙山国家级重点治理区典型县(沂水县)的土地利用、生态环境、水土流失进行监测和定量评价,并采用转移矩阵分析2009—2013年水土流失变化情况。结果表明:除坡度、林草覆盖、土地利用3因子外,CSLE模型还考虑了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长及水土保持措施等侵蚀因子,由此计算的土壤侵蚀模数和强度比水利部颁布的标准具有更高的可信度；抽样调查在土地利用、林草覆盖、水土保持措施、土壤特性等方面获得的信息大于遥感方法。基于高分辨率遥感影像可定量评价沂水县地形地貌,土地利用,林草覆盖和水土流失面积、强度与分布；生成的水土流失分布图弥补了全国普查没有分布图的不足,为进一步划分水土保持重点预防区和重点治理区、编制水土保持规划提供基础图件。监测成果可为流域国家级重点治理区水土保持生态环境建设提供基础数据和决策支持。

水土流失；监测；CSLE模型；抽样调查；遥感

定期调查并公告全国土壤侵蚀状况,对客观反映水土流失治理成效、评价治理效益、编制水土保持规划和国民经济发展规划具有十分重要的意义。从20世纪80年代起,基于遥感影像数据,我国共开展了4次全国水土保持普查。前3次普查,选择一定的空间分辨率影像(MSS、TM),借助遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等技术,利用人机交互解译法,通过分析土地利用、植被覆盖、坡度3因子,定性评价土壤侵蚀强度与分布,形成了适合我国的SL 190—1996《土壤侵蚀分类分级标准》[1]。该方法简单实用,可操作性强；但不能完整地反映土壤侵蚀影响因子,也不能有效地反映水土流失治理的效果。

第4次遥感普查是作为2010—2012年第1次全国水利普查的一个专题,采用土壤侵蚀模型(水蚀、风蚀、冻融侵蚀模型)、地面抽样、野外调查、遥感解译、基础数据收集相结合的综合普查方法,在GIS技术支持下,利用土壤侵蚀模型计算土壤侵蚀模数,依据 SL 190—2007《土壤侵蚀分类分级标准》[2]判断土壤侵蚀强度,以掌握全国水土流失影响因素(包括降水和风等气象要素、土壤、地形、植被、土地利用等)的基本状况,定量评价水土流失的分布、面积与强度,分析水土流失的动态变化和发展趋势,为国家水土保持生态建设提供决策依据。实践表明,通过土壤侵蚀模型定量评价全国尺度的水土流失情况是可行的,但针对该方法在县域尺度的应用研究[3]还相对较少,有待进一步系统研究。

2013年淮河流域水土保持监测中心站根据《全国水土流失动态监测与公告项目规划(2013—2017年)》要求,采用中国土壤流失方程(CSLE模型)[4]、抽样调查、遥感解译与统计分析相结合的方法,对沂蒙山国家级重点治理区的典型县进行了水土流失监测,重点围绕区域土地利用、生态环境、水土流失、水土保持措施和水土保持效益等5方面展开,为淮河流域国家级重点治理区水土保持生态环境建设提供基础数据和决策支持。

1 研究区概况

沂蒙山国家级重点治理区地处淮河流域北部、山东省中南部,总面积1.64万km2,是沂、沭、泗河重要的水源区和生态屏障,在区域生态安全和经济发展中具有重要战略地位,包括临沂蒙阴、沂水、平邑、沂南,淄博沂源,日照莒县,枣庄山亭、滕州,以及济宁邹城、泗水,涉及山东5个地市10个县(市、区)。由于长期以资源消耗为主的经济增长方式,使得该地区人口、资源、环境、发展矛盾突出,水土流失严重。

沂水县地处沂蒙山腹地,位于沂山南麓,隶属于山东省临沂市,介于E118°13′～119°03′,N35°36′～36°13′之间,东邻莒县,西与沂源、蒙阴交界,南与沂南毗连,北与安丘、临朐接壤,总面积2 420.08 km2。属暖温带季风型大陆性气候,多年平均气温12.3℃,多年平均降水量629.2 mm,多年平均日照时间2 414.7 d。居沂河、沭河上游,主要河流为沂河,为山东省第1大河,跋山水库总库容5.1亿m3,为山东省第3大水库。地势自西北向东南倾斜,海拔101.1～916.1 m。地貌主要以低山丘陵为主,山丘区面积占94.3%。山地多为古生代石灰岩、页岩所构成,以粗骨土为主；丘陵多为太古代变质岩构成的砂岭,多为棕壤、褐土；平原多为潮土。属暖温带落叶阔叶林区域,地带性植被以栎林为代表。由于长期受人类活动的影响和破坏,自然植被几乎不复存在,现多为人工植被。属典型的北方土石山区,人口密集,人为活动频繁,对植被破坏性强,土地利用破碎,水土流失严重。

2 监测方法

2.1 数据来源与处理

购置2013年4月SPOT 6(1.5 m)正射影像,借助遥感图像处理软件(ERDAS),进行配准、镶嵌、匀色和增强处理；利用县域1∶5万地形图对影像进行校正,误差控制在0.5个像元以内,采用UTM投影, WGS1984坐标系。根据高分辨率影像特点和区域土地利用现状,结合GB/T 21010—2007《土地利用现状分类》和野外调查,建立解译判读标志,采用人机交互解译法,获取土地利用数据。根据高分辨率影像,结合2013年Landsat 8(30 m)影像和野外调查,计算林草植被覆盖度。收集气象、土壤、土地利用调查、林业普查等基础数据,完成矢量化。

2.2 水蚀模型

CSLE模型[4]是在美国通用土壤流失方程USLE的基础上,根据中国水土流失情况和防治措施进行改进而建立的,其基本形式为

式中:A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)；L为坡长因子,取值为0～1；S为坡度因子,取值为0～1；B为生物措施因子,取值为0～1；E为工程措施因子,取值为0～1；T为耕作措施因子,取值为0～1。

2.3 抽样调查

综合考虑县域尺度成果质量及实际需要,以全国水土流失普查野外调查单元为基础(抽样密度1%),依据国家野外调查单元布局原则、方式,采用分层抽样法,将山丘区抽样密度由1%增加到4%,平原区仍保持在1%,以提升县域尺度水土流失计算的准确度。

将野外调查单元边界、遥感影像、调查单元1∶1万等高线等图层进行空间叠置,制作野外调查单元底图。实地到达野外调查单元后,勾绘地块边界、填写水蚀野外调查表、按地块顺序拍照、测量长坡或陡坡的坡长及坡度。

2.4 水土流失因子值计算

2.4.1 降雨侵蚀力因子R 基于淮河流域沂蒙山区88个雨量站点1980—2010年逐日侵蚀性降雨数据(日降雨量≥12 mm),采用章文波等[5-7]提出的降雨侵蚀力日雨量公式,计算站点多年平均降雨侵蚀力。基于GIS地统计工具,采用Kriging插值法对站点多年平均降雨侵蚀力进行空间插值,生成降雨侵蚀力因子栅格图层。

2.4.2 土壤可蚀性因子K 根据野外采集的土壤样品,测定砂粒、粉砂、黏粒和有机碳质量分数,采用Williams等在EPIC模型中提出的土壤可蚀性因子估算方法[8],计算土壤可蚀性因子K值。利用沂蒙山区1980—1990年径流小区实测资料,选取裸地标准径流小区(订正到USLE标准小区)[9],计算实测K值。对比实测值与计算值,对Williams模型计算值进行修正。根据修正值,对土壤类型进行赋值,通过格式转换,生成土壤可蚀性因子栅格图层。

2.4.3 坡度坡长因子LS 基于1∶5万矢量化地形图,建立栅格大小为25 m的数字高程模型(DEM),利用GIS空间分析功能提取坡度,依据SL 190—2007中水力侵蚀强度(面蚀)分级指标进行坡度分级。根据区域实测坡度坡长,确定临界坡度为30°,临界坡长为100 m。采用Liu Baoyuan等[10-11]提出的坡度、坡长修正公式分别对坡度、坡长因子进行计算,并生成坡度坡长因子栅格图层。

2.4.4 生物措施因子B 根据野外调查获得各地块的土地利用、郁闭度(盖度)等类型,参考第一次全国水利普查培训教材《水土保持情况普查》[12]和张岩等[3]B因子取值,确定耕、林、灌、草等不同郁闭度和盖度的生物措施因子B。据此对各地块进行赋值,通过格式转换,生成生物措施因子栅格图层。

2.4.5 工程措施因子E 根据野外调查获得各地块的工程措施类型、工程质量,参考《水土保持情况普查》[12],汇总得出各工程措施因子E。结合遥感影像,对各地块进行赋值,通过格式转换,生成工程措施因子栅格图层。

2.4.6 耕作措施因子T 根据野外调查获得各地块的种植制度、耕作措施类型,参考《水土保持情况普查》[12],结合遥感影像,对各地块进行赋值,通过格式转换,生成耕作措施因子栅格图层。

2.5 土壤侵蚀强度评价

基于GIS技术平台,根据上述各因子计算方法,分别生成降雨侵蚀力因子、土壤可蚀性因子、坡度坡长因子、生物措施因子、工程措施因子、耕作措施因子栅格图层,各图层都是25 m栅格大小。通过CSLE模型,将各图层相乘,得到各栅格单元的土壤侵蚀模数。采用SL 665—2014《北方土石山区水土流失综合治理技术标准》[13],进行土壤侵蚀强度分级。

3 监测结果

3.1 地形地貌

沂水县地面坡度以＜5°为主,面积为1 253.52 km2,占全县总面积的51.80%,其中坡度＜2°的平缓坡比例较高,占34.10%,主要分布在东南部的许家湖镇、四十里堡镇,中部的沂水镇及北部的马站镇、高桥镇和杨庄镇等；其次为8°～15°、5°～8°和15°～25°,面积分别为459.24、318.29和297.77 km2,分别占18.98%、13.15%和12.30%,主要分布在西部的泉庄镇、高庄镇、夏蔚镇、崔家峪镇、院东头镇,以及北部的诸葛镇、沙沟镇和圈里乡等；而25°～35°和＞35°较小,分别仅占3.27%和0.50%。

沂水县地貌类型以丘陵为主,面积为1 799.79 km2,占74.37%,主要分布在东北部和中部地区；其次为低山,面积316.98 km2,占13.10%,主要分布在西部；而台地和平原面积较小,分别占6.86%和5.67%。山丘区面积2282.84 km2,占全县总面积的94.33%。

3.2 土地利用

2013年沂水县土地利用结构以耕地为主,面积1 256.26 km2,占51.91%,在全县广泛分布；其次为林地,面积493.04 km2,占20.37%,主要分布在南部院东头镇、西北部诸葛镇、沙沟镇等；居民点及工矿用地303.06 km2,占12.55%；园地187.11 km2,占7.73%,主要分布在西部夏蔚镇和西北部诸葛镇等；而水域及水利设施用地、草地、交通运输用地、其他土地所占比例较小,分别占 3.53%、1.94%、1.55%和0.42%。

在耕地中,旱地占有较大的比例,占耕地面积的69.33%,且以旱梯田为主,占旱地面积的44.76%。在林地中,有林地所占比例最大,占林地的94.02%,且以用材林为主,占有林地的68.85%。园地以梯田果园为主。草地以中高覆盖为主。

3.3 林草覆盖度

2013年沂水县林草面积 727.21 km2,占30.05%。以中高覆盖度(60% ～75%)为主,面积558.17 km2,占75.75%,主要分布在西部；其次为中覆盖度(45% ～60%),面积 136.96 km2,占18.83%,主要分布在北部、南部和西部；而高覆盖度(＞75%)、中低覆盖度(30% ～45%)和低覆盖度(＜30%)分别仅占3.80%、0.56%和0.05%。

3.4 土壤侵蚀

2013年沂水县水土流失面积1 052.98 km2(表1和图1),占43.50%。从不同土壤侵蚀强度看,轻度侵蚀面积638.02 km2,占26.36%,广泛分布在各个乡镇；其次为中度侵蚀,面积 270.26 km2,占11.17%,主要分布在杨庄镇、马站镇、诸葛镇以北,泉庄镇、黄山铺镇、院东头镇以西；强烈侵蚀75.83 km2,占3.13%,主要分布在高庄镇、夏蔚镇、泉庄镇、诸葛镇、沙沟镇、圈里乡等；而极强烈、剧烈侵蚀比例较小,分别仅占1.53%和1.31%。水土流失区平均土壤侵蚀模数1 370 t/(km2·a)。

4 不同时期变化分析

4.1 土地利用变化

对比2009年,沂水县耕地、园地、草地面积减少,林地、居民点及工矿用地、交通运输用地和水域及水利设施用地增加。在减少面积中,园地减少最多,减少了70.86 km2。在增加面积中,林地增加最多,增加了106.01 km2。

从不同土地利用类型变化看,耕地减少主要转变成林地,主要位于河流、道路两侧,部分转变成居民点及工矿用地、园地和草地；园地主要转变成耕地和林地,主要发生在东北部和西部；草地主要转变成林地,尤其是疏幼林地。

4.2 林草覆盖度变化

表1 沂水县2013年土壤侵蚀统计表Tab.1 Soil erosion in Yishui County in 2013

对比2009年,沂水县林草面积增加14.31 km2,生态环境有所好转。中覆盖度林草显著减少,减少了128.99 km2；中高覆盖度林草显著增加,增加了118.47 km2；而高覆盖度、中低覆盖度、低覆盖度林草略有增加。

图1 沂水县2013年土壤侵蚀分布Fig.1 Distribution of soil erosion in Yishui County in 2013

4.3 土壤侵蚀变化

对比2009年,沂水县水土流失面积减少了23.95 km2,下降了1%；但各级别强度变化趋势不一致,轻度侵蚀呈增加趋势,增加了8.36%,而中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀面积不同程度减少(图2)。整体上,沂水县水土流失数量减少、强度降低,趋于好转。

通过土壤侵蚀转移矩阵(表 2)可以看出, 2009—2013年,全县土壤侵蚀强度等级发生变化的面积为640.06 km2,占26.45%,土壤侵蚀强度增强的面积为265.38 km2,土壤侵蚀强度减弱的面积为374.69 km2。在土壤侵蚀强度增强面积中,变化最大的微度侵蚀变成轻度侵蚀,面积为118.87 km2,主要发生在该县东北部园地变耕地区域及东南部部分耕地区域。在土壤侵蚀强度减弱面积中,变化最大的是轻度侵蚀变为微度侵蚀,面积为128.06 km2,主要发生于新增林地及覆盖度增加的林地等。

图2 沂水县土壤侵蚀变化Fig.2 Change of soil erosion in Yishui County

表2 沂水县土壤侵蚀转移矩阵Tab.2 Transfer matrix of soil erosion in Yishui County km2

5 结论

1)CSLE模型估算土壤侵蚀考虑的影响因子与水利部颁布的土壤侵蚀强度分级方法相比,包括了降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长因子及水土保持措施因子等,由此计算的土壤侵蚀模数和强度具有更高的可信度；抽样调查在土地利用、林草覆盖、水土保持措施、土壤特性等方面获得的信息量大于遥感方法。采用二者相结合的方法,避免了人工判读的随意性,为获得稳定可靠的监测结果、实现定期土壤侵蚀普查提供保障。

2)基于高分辨率遥感影像,采用CSLE模型和抽样调查(山丘区4%)相结合的方法,估算县域尺度土壤侵蚀模数,可定量分析与评价沂水县地形地貌、土地利用、林草覆盖和水土流失的面积、强度与分布,其监测结果是可靠的。由此获得的县域尺度水土流失空间分布图,弥补了全国普查没有分布图的不足,为进一步划分水土保持重点预防区和重点治理区、编制水土保持规划提供基础图；但土壤侵蚀各因子的精度对模型计算结果影响较大,对各因子获取过程及空间化方法提出了更高要求。

3)沂水县存在一定的石灰岩山区分布,其特点是土层浅薄、裸岩与灌草和疏幼林地镶嵌,坡度较大,土壤侵蚀程度较高,但侵蚀强度小。而CSLE模型在计算时不能准确的反映这种情况,往往计算得到侵蚀模数较高,如何解决这一问题还有待进一步研究。

[1] 中华人民共和国水利部.土壤侵蚀分类分级标准:SL 190—1996[S].北京:中国水利水电出版社,1997

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

[3] 张岩,刘宪春,李智广,等.利用侵蚀模型普查黄土高原土壤侵蚀状况[J].农业工程学报,2012,28(10): 165- 171

[4] Liu Baoyuan,Zhang Keli,Xie Yun.An empirical soil loss equation:proceedings 12th international soil conservation organization conference:Vol.Ⅲ[M].Beijing: Tsinghua Press,2002

[5] 章文波,谢云,刘宝元.利用日降雨量计算降雨侵蚀力的方法研究[J].地理科学,2002,22(6):705- 711

[6] 章文波,付金生.不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力[J].资源科学,2003,25(1):35- 41

[7] 章文波,谢云,刘宝元.中国降雨侵蚀力空间变化特征[J].山地学报,2003,21(1):33- 40

[8] United States Department of Agriculture.EPIC-Erosion Productivity Impact Calculator 1.Model Documentation. Technical Bulletin Number 1768[R].Washington D C: USDA-ARS,1990:56- 72

[9] 张科利,彭文英,杨红丽.中国土壤可蚀性值及其估算[J].土壤学报,2007,44(1):7- 13

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

[11]Liu Baoyuan,Nearing M A,Shi Peijun.Slope length effects on soil loss for steep slopes[J].Soil Science Society of America Journal,2000,64(5):1759- 1763

[12]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

[13]中华人民共和国水利部.北方土石山区水土流失综合治理技术标准:SL 665—2014[S].北京:中国水利水电出版社,2014

(责任编辑:程 云)

Application and analysis of results of soil and water loss monitoring methods at county scale

Wu Di1,Li Jiazuo1,Zhang Chunping1,Zhang Ronghua2
(1.Soil and Water Conservation Monitoring Center Division of Huaihe River Commission of Water Resources Ministry,233001,Bengbu,Anhui,China；2.Shandong Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Ecological Restoration,Forestry College of Shandong Agricultural University,271018, Tai′an,Shandong,China)

Regular survey and announcement of soil erosion situation are of great significance to understand the result of soil and water loss control,to evaluate the efficiency of soil and water loss control and to make soil and water conservation planning and national economic development plans.In order to explore the results of application of the soil erosion model at county scale,we take the comprehensive methods that combine CSLE model,sample survey,remote sensing interpretation and statistical analysis to monitor and evaluate quantitatively the situation of land use,ecological environment and soil and water loss in a typical county(Yishui County)of Yimeng mountainous area in the national key control areaof northern rocky mountain soil,and analyze the dynamic change of the soil and water loss by using transfer matrix analysis of data during 2009—2013.The results show that,CSLE model considers more factors affecting soil erosion such as rainfall erosivity,soil erodibility,slope length and soil conservation practices in addition to slope,vegetation cover and land use than departmental standards of the Ministry of Water Resources,and calculates the soil erosion modulus and intensity more accurately.Moreinformation on land use,vegetation cover,soil conservation practices and soil properties at single point scale can be obtained through sampling survey than by remote sensing method.The topographic and geomorphic conditions,land use,vegetation cover and area,intensity and distribution of soil and water loss can be quantitatively evaluated based on high resolution remote sensing images.And the generated distribution map of soil and water loss from high resolution remote sensing images can make up for the deficiency of no distribution maps in the fourth national soil erosion survey with remote sensing technology,and provide basic maps for further divisions of the key prevention area and the key control area of soil and water conservation and planning.The monitoring results can provide basic data and decision support for ecological rehabilitation in the national key soil and water loss control areas.

soil and water loss；monitoring；Chinese Soil Loss Equation；sampling survey；remote sensing

S157

A

1672-3007(2015)04-0074-06

2015- 02- 03

2015- 06- 14

项目名称:全国水土流失动态监测与公告项目

吴迪(1982—),男,学士,工程师。主要研究方向:水土保持。E-mail:wudi@hrc.gov.cn

†通信作者简介:张荣华(1984—),女,博士,讲师。主要研究方向:水土保持信息技术。E-mail:zrhua5766@163.com