基于CSLE模型和抽樣單元法的縣域土壤侵蝕估算方法對(duì)比

李子軒，趙 輝，鄒海天，李依珊，劉雨鑫，李 驁

基于CSLE模型和抽樣單元法的縣域土壤侵蝕估算方法對(duì)比

李子軒1，趙 輝2※，鄒海天1，李依珊3，劉雨鑫3，李 驁3

（1. 海河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，天津 300170；2. 水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心，北京 100053；3. 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

為提高縣域尺度地塊（柵格）土壤侵蝕模數(shù)估算的準(zhǔn)確性，以河北省懷來(lái)縣為例，基于CSLE模型，分別采用全域覆蓋計(jì)算和4%密度抽樣單元推算方法對(duì)全縣土壤侵蝕進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。結(jié)果表明：全域覆蓋計(jì)算比4%抽樣單元推算水土流失面積大59.0 km2，相對(duì)差異達(dá)12.94%。全域覆蓋計(jì)算可實(shí)現(xiàn)空間全覆蓋，更準(zhǔn)確地反映縣域水土流失空間分布特點(diǎn)，適用于中、小尺度土壤侵蝕定量計(jì)算，但需要較高精度和全面的數(shù)據(jù)源保證；抽樣單元推算適用于流域、區(qū)域等大尺度土壤侵蝕估算，但結(jié)果受抽樣方法、抽樣密度、外推或插值方法等因素影響較大。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)遙感解譯準(zhǔn)確性、侵蝕因子精度等對(duì)CSLE全域覆蓋計(jì)算結(jié)果影響的研究，完善模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，率定因子值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)本地化。

土壤；侵蝕；估算；CSLE模型；全域覆蓋計(jì)算；抽樣單元推算；土壤侵蝕評(píng)估；縣域

0 引 言

模型是定量計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，進(jìn)行侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)的重要手段。從19世紀(jì)初期德國(guó)土壤學(xué)專家Wollny創(chuàng)立徑流小區(qū)方法[1]，到美國(guó)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚒SLE建立，RULSE正式推廣，WEEP、EUROSEM、LISEM[2-6]等不同機(jī)理模型和應(yīng)用模型建立和發(fā)展，土壤侵蝕定量模型應(yīng)用的空間尺度已逐步由坡面小區(qū)發(fā)展到小流域、大流域或區(qū)域直至國(guó)家尺度，模型構(gòu)建基礎(chǔ)也實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖驒C(jī)理模型的發(fā)展[7]。1977年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部首次采用分層二階段不等概空間抽樣法，利用土壤流失方程和風(fēng)蝕方程評(píng)價(jià)土壤侵蝕[8]。20世紀(jì)80年代以來(lái)，中國(guó)先后開(kāi)展了4次土壤侵蝕普查，基本摸清了水土流失狀況及動(dòng)態(tài)變化情況[9-10]。其中，2010—2012年采用分層不等概系統(tǒng)抽樣和模型法，開(kāi)展了全國(guó)第一次水利普查水土流失普查。在水蝕區(qū)，設(shè)定的抽樣調(diào)查單元密度分別為1%（山丘區(qū)）和0.25%（平原區(qū)、深山區(qū)），采用中國(guó)土壤流失方程CSLE，定量計(jì)算單元土壤侵蝕模數(shù)，通過(guò)單元外推法和匯總統(tǒng)計(jì)，得到區(qū)域不同土壤侵蝕強(qiáng)度分級(jí)面積[11-14]。在CSLE應(yīng)用領(lǐng)域，近年來(lái)，有研究者對(duì)不同抽樣密度的推算精度或適宜性問(wèn)題進(jìn)行了研究。趙維軍等以陜西省吳起縣為例，對(duì)比分析了4%、1%、0.25%和0.0625%四種不同抽樣密度情況下縣域土地利用、坡度坡長(zhǎng)等侵蝕因子的調(diào)查精度損失，以及土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算差異及其精度，認(rèn)為1%抽樣比例效果較好[15]。張巖等在吳起縣，采用1%均勻抽樣，基于CSLE計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)，并與綜合評(píng)判法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為抽樣調(diào)查和模型計(jì)算的方法具有明顯的優(yōu)越性[16]。鄒叢榮等以蒙陰縣為例，在1%和4%兩種抽樣密度下，分別采用單元直接外推法、單元插值外推法和柵格計(jì)算法，估算土壤侵蝕狀況并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，單元直接外推法、單元插值外推法受抽樣密度影響較大；相同抽樣密度時(shí)，單元直接外推法和單元插值外推法的估算結(jié)果相近，但與柵格計(jì)算法的結(jié)果差異較大[17]。王略等采用CSLE對(duì)皇甫川流域進(jìn)行土壤侵蝕定量評(píng)價(jià)，認(rèn)為模型綜合考慮了降雨、土壤、植被、地形、水土保持措施等多因子，可用于區(qū)域土壤侵蝕定量研究[18]。

由于土壤侵蝕受氣候、植被、土壤、地質(zhì)、地形地貌以及下墊面特征等因素綜合影響，在不同空間尺度各影響因素具有較強(qiáng)的時(shí)空變異性、層次復(fù)雜性以及在時(shí)間、空間和信息上的多維性，且作用效力與機(jī)制也不盡相同，在本征上存在著顯著的空間變異性、層次復(fù)雜性和多維性[19-21]。受抽樣方法、密度以及模型因子參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的地區(qū)局限性[12]等因素影響，抽樣單元推算法難以準(zhǔn)確反映地塊、小流域、縣域等小、中尺度的空間侵蝕狀況。本文以懷來(lái)縣為例，探索CSLE全域覆蓋計(jì)算在縣域土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算中的應(yīng)用，并對(duì)比分析其與抽樣單元推算法計(jì)算結(jié)果的差異，旨在研究提出準(zhǔn)確反映縣域土壤侵蝕狀況的估算方法，提高地塊（柵格）土壤侵蝕模數(shù)估算的準(zhǔn)確性。

1 研究區(qū)概況

懷來(lái)縣地處河北省西北部，燕山山脈北側(cè)西段，永定河上游，地理坐標(biāo)為115°16′－115°58′E、40°04′－40°35′N，縣域面積1 801.0 km2，屬北方土石山區(qū)。境內(nèi)南北多為山區(qū)，中部為河谷平川，形成兩山夾一川的“V”型盆地，地勢(shì)由盆地向南北崛起，西北高東南低。地貌形態(tài)主要為河川平原、丘陵和山地，其中河川平原占總面積33.4%；丘陵占25%，山地占41.6%。屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光照充足，雨熱同季。年均日照時(shí)數(shù)3 027 h，全年無(wú)霜期149天，最高氣溫42.2 ℃，最低氣溫?23.3 ℃，平均氣溫9.1 ℃，年均降水量396 mm。境內(nèi)有永定河、桑干河、洋河、媯水河4條過(guò)境河流。土壤類型主要為棕壤、褐土、草甸土、水稻土、灌淤土和風(fēng)沙土，受地形和母質(zhì)影響，從高到低呈垂直分布[22]，依次為棕壤-淋溶褐土-褐土-草甸土-水稻土；受氣候和水文條件及風(fēng)選作用影響，土壤分布有明顯的區(qū)域性，草甸土、灌淤土和水稻土分布在洋河兩岸河漫灘和低階地上，風(fēng)沙土、風(fēng)積黃土經(jīng)風(fēng)力堆積分布在官?gòu)d水庫(kù)南岸及溝壑背風(fēng)處。屬溫帶落葉闊葉林區(qū)，受人類活動(dòng)等因素影響，自然植被逐漸減少，以次生類植物為主，山地多為森林植被，丘陵以灌叢為主，主要喬木樹(shù)種有油松（）、白樺（）、蒙古櫟（）等；灌木與草本植物主要有山杏（）、胡技子（）、黃荊（）、長(zhǎng)芒草（）等。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)及處理

1）遙感影像數(shù)據(jù)：2015年10景2.0 m分辨率GF-1號(hào)影像，用于解譯土地利用和水土保持措施；8景30 m分辨率Landsat-8多光譜影像（包括藍(lán)、綠、紅和近紅外波段）和6景20 m分辨率的HJ-1A和HJ-1B影像，用于計(jì)算植被覆蓋度，均經(jīng)過(guò)正射糾正處理。

2）收集懷來(lái)縣及其周邊6個(gè)氣象站（懷來(lái)、涿鹿、宣化、崇禮、赤城、齋堂）和6個(gè)水文站（響水堡、太平堡、官?gòu)d、朝陽(yáng)寺、沙城、趙川堡）日降雨資料，通過(guò)數(shù)據(jù)插補(bǔ)，獲取1980－2014年逐日侵蝕性降雨序列資料，采用降雨侵蝕力因子計(jì)算方法[23-25]，得到縣域24個(gè)半月降雨侵蝕力占年降雨侵蝕力比例的柵格數(shù)據(jù)圖層。圖1為懷來(lái)縣及其周邊氣象點(diǎn)和水文站分布。

3）基于土壤理化性質(zhì)計(jì)算[26]得到懷來(lái)縣土壤可蝕性因子，再經(jīng)由徑流小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂[14]。

4）收集縣域1:5萬(wàn)數(shù)字化等高線并生成10 m分辨率DEM，利用符素華等開(kāi)發(fā)的坡度坡長(zhǎng)因子計(jì)算工具[27]，提取坡度和坡長(zhǎng)，分別計(jì)算縣域坡度和坡長(zhǎng)因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

圖1 懷來(lái)縣及其周邊氣象站和水文站分布

5）利用高分辨率遙感影像，解譯土地利用，并轉(zhuǎn)換為10 m×10 m柵格數(shù)據(jù)。對(duì)于耕地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地或其他土地，直接賦值為1或0；對(duì)于林地、草地和園地，先利用2015年24期（每半月一期）MODIS遙感影像計(jì)算得到24個(gè)半月植被覆蓋度，查表得到對(duì)應(yīng)的土壤流失比率，然后以24個(gè)半月降雨侵蝕力比例為權(quán)重加權(quán)平均計(jì)算植被覆蓋度因子[25]；最后生成10 m分辨率植被覆蓋與生物措施因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)。

6）基于遙感影像解譯和統(tǒng)計(jì)調(diào)查獲得的水土保持措施數(shù)據(jù)（本次只調(diào)查梯田和水平階）和土地利用數(shù)據(jù)，進(jìn)行工程措施因子賦值[25]。對(duì)于未采取工程措施的草地、林地、旱地、裸地，賦值為1；居民點(diǎn)、交通運(yùn)輸用地、水域及水利設(shè)施用地，賦值為0；梯田和水平階分別賦值為0.1025和0.151。

7）根據(jù)全國(guó)第一次水利普查水土保持普查中的輪作制度分區(qū)，查輪作措施賦值表，獲取耕作措施因子值[25]。

2.2 基于CSLE模型的全域覆蓋計(jì)算縣域土壤侵蝕模數(shù)

采用中國(guó)土壤流失方程CSLE（chinese soil loss equation）計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)[13]