基于小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)的縣域土壤侵蝕制圖研究

李 驁， 顧治家

(1. 北京師范大學 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100875； 2.北京師范大學 地理科學學部，北京 100875； 3.信陽師范學院 地理科學學院，河南省水土環(huán)境污染協(xié)同防治重點實驗室， 河南 信陽 464000)

土壤侵蝕圖是綜合反映一定空間范圍侵蝕強度、面積和分布的一種載體。良好的土壤侵蝕圖能夠直觀清楚地表征區(qū)域侵蝕的屬性及其特征，既突出顯示侵蝕分布的整體性特征，又精確體現(xiàn)侵蝕強度的差異化特征，亦明確指示水土流失防治的總格局特征。

對于區(qū)域土壤侵蝕制圖，中國基于不同時期的調(diào)查方法，選擇了針對性的方法。20世紀80和90年代的2次普查，分別基于MSS和TM遙感影像，結(jié)合地貌地形、巖性、植被覆蓋和土地利用等確定侵蝕圖斑、評價侵蝕強度，其基礎(chǔ)地理底圖比例尺分別為1∶50萬和1∶10萬，省級和全國的侵蝕圖都是通過一系列復(fù)雜的制圖綜合后得到[1-4]；2011—2013年的第一次全國水利普查，基于分層不等概系統(tǒng)抽樣方法確定的野外調(diào)查單元得到的侵蝕模數(shù)，以水土流失面積比例為指標、通過空間插值及疊加運算得到侵蝕圖[5]；2018—2019年的全國水土流失年度動態(tài)監(jiān)測，基于高分遙感影像的柵格和野外抽樣調(diào)查驗證，計算侵蝕模數(shù)，繪制土壤侵蝕圖，并開展侵蝕強度評價[6-7]。美國基于抽樣調(diào)查及其統(tǒng)計學原理，利用USLE計算樣點所在農(nóng)耕地侵蝕量，編制州、大區(qū)和全國尺度的農(nóng)地侵蝕量點圖和超過土壤流失容許速率的農(nóng)地侵蝕量點圖[8-10]。歐洲采用USLE計算侵蝕模數(shù)，采用因子分級打分法評價潛在危險性和實際危險性并進行制圖[11]。澳大利亞以USLE為基礎(chǔ)，在全國范圍內(nèi)劃分網(wǎng)格，完成片蝕、細溝侵蝕和溝蝕的調(diào)查與定量評價，進行土壤侵蝕風險制圖[12]。

上述的區(qū)域土壤侵蝕制圖方法雖然適應(yīng)了當時侵蝕調(diào)查方法，也部分地反應(yīng)了侵蝕強度(或危險性、流失量級)的區(qū)域分布，但總存在難以滿足水土保持規(guī)劃的需要，如：限于圖幅大小，難以在圖面上準確表達重點預(yù)防區(qū)、治理區(qū)和重點項目分布?；诹魇娣e比例、通過空間插值制作的圖件，難以反映侵蝕強度的區(qū)間差異，無法支撐重點項目格局圖的制作。美國土壤侵蝕調(diào)查集中于農(nóng)耕地，土壤侵蝕圖體現(xiàn)土壤流失量及對農(nóng)地的危害，無法把土壤侵蝕面積、強度等落實到小流域或地塊等治理對象上。歐洲和澳大利亞的調(diào)查欠缺水土保持措施且因子不全，無法像野外抽樣調(diào)查一樣獲得林下植被蓋度，影響侵蝕制圖的準確性。為全面支撐和實現(xiàn)水土保持法關(guān)于開展水土流失調(diào)查、做好水土保持規(guī)劃的要求，在黑龍江省拜泉縣土壤侵蝕調(diào)查基礎(chǔ)上，本文研究提出基于小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)的縣域土壤侵蝕制圖及水土保持規(guī)劃必需圖件編制方法，為進一步推動區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查與制圖工作提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況

拜泉縣位于黑龍江省的中西部，總面積約3 597 km2，地理位置為125°30′—126°31′E，47°20′—47°55′N，地處小興安嶺余脈向松嫩平原過渡的地帶，屬于東北漫川漫崗區(qū)，淺山區(qū)、低丘陵比例很大。屬于典型的中溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫1.2 ℃、年均降水490 mm。土壤主要包括黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土和鹽土等，黑土為主要的耕作土壤。原始植被早已破壞殆盡，整體上具有從森林和草甸草原或草原化草甸交錯分布的特點。在各類土地利用中，耕地所比例例最大，為72.8%，其次為林地，為13.9%，再次為居民點，為5.0%。全縣水土保持工程措施主要包括水保林、梯田、地埂植物帶、等高改壟，耕作措施主要是等高溝壟種植。拜泉縣曾是黑龍江省水土流失最嚴重的縣份之一，自上世紀80年代進行生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)和水土保持治理以來，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了根本性變化。

2 研究方法與資料

2.1 土壤侵蝕調(diào)查方法

2.1.1 土壤侵蝕模數(shù)計算方法 土壤侵蝕模數(shù)計算采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese soil loss equation)[13]，其結(jié)構(gòu)形式如下：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為土壤水蝕模數(shù)〔t/(hm2·a)〕；R為降雨侵蝕力因子〔MJ·mm/(hm2·h·a)〕；K為土壤可蝕性因子〔t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)〕；L和S為坡長和坡度因子，無量綱；B為植被覆蓋與生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

2.1.2 土壤侵蝕調(diào)查與參數(shù)計算方法

(1) 降雨侵蝕力因子R[14]。搜集黑龍江省及其周邊地區(qū)共46個氣象站、1986—2015年的逐日雨量資料，通過地統(tǒng)計插值得到分辨率為30 m的全省24個半月降雨侵蝕力比例柵格圖和年降雨侵蝕力柵格圖。在此基礎(chǔ)上，用矢量圖裁切得到拜泉縣年降雨侵蝕力和24個半月降雨侵蝕力比例的柵格圖。

(2) 土壤可蝕性因子K。采用了第一次全國水利普查的K值成果。其值是根據(jù)土壤屬性，分別采用Wischmeier[15]和Williams[16]的K值公式計算。

(3) 坡長因子L和坡度因子S。由1:50000地形圖等高線轉(zhuǎn)換得到全縣DEM，然后生成分辨率為30 m的柵格圖?；凇巴寥狼治g模型地形因子計算工具”[17]求得坡長因子與坡度因子。

(4) 植被覆蓋與生物措施因子B。利用2015—2017年的MODIS歸一化植被指數(shù)產(chǎn)品和TM多光譜影像，采用融合計算方法，得到24個半月30 m分辨率的植被覆蓋度圖，結(jié)合24個半月降雨侵蝕力因子比例計算B因子[5]。

(5) 工程措施因子E。基于2016年覆蓋研究區(qū)域的資源三號衛(wèi)星(ZY-3)影像解譯及野外調(diào)查獲得工程措施類型，借鑒《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》工程措施因子值表直接賦值。

(6) 耕作措施因子T。T值與E值類似，根據(jù)耕作措施類型查找耕作措施因子值表直接賦值。研究區(qū)水土保持耕作措施主要是等高溝壟種植，對應(yīng)T值直接賦值為0.251。

2.2 小流域劃分方法

基于上述的DEM，按照SL 653-2013《小流域劃分及編碼規(guī)范》的規(guī)定和要求[18]，進行拜泉縣小流域劃分，得到306個小流域。面積最小的為2.06 km2，最大的為45.48 km2，平均值為11.75 km2，中值為9.16 km2。

2.3 土壤侵蝕嚴重指數(shù)計算

土壤侵蝕嚴重指數(shù)用區(qū)域各類各級侵蝕強度面積的加權(quán)平均數(shù)表示，計算方法如下[19]：

(2)

式中：I為土壤侵蝕嚴重指數(shù)；Mi為某級別土壤侵蝕強度的權(quán)重。微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈等強度等級的取值分別為0，1.5，3，6，12，24；Ai為第i級強度的土壤侵蝕面積；A為各級侵蝕強度的總面積(區(qū)域總面積)，A=∑Ai；i為土壤侵蝕強度等級，微度、輕度、中度、強度、極強度和劇烈等侵蝕強度等級的取值分別為1，2，3，4，5，6。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤侵蝕強度及其分布圖

對采集和計算所得侵蝕因子進行重采樣，生成大小為30 m的柵格圖。將各圖層(因子值)按照柵格相乘得到覆蓋全縣的每個柵格的侵蝕模數(shù)，依據(jù)SL 190-2007《土壤侵蝕分類分級標準》對每個柵格進行侵蝕強度分級，制圖得到以30×30 m柵格為單元的土壤侵蝕強度圖(見封2，附圖8)。

全縣土壤侵蝕微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈的侵蝕面積分別為1 859.63，1 537.39，155.86，30.54，11.85，1.73 km2。可見，拜泉縣水土流失面積(輕度及其以上強度的侵蝕面積之和)為1 737.37 km2，占全縣總土地面積的48.30%。在水土流失面積中，輕度侵蝕為絕對多數(shù)，其次為中度侵蝕，強烈、極強烈和劇烈侵蝕都非常少。

附圖8可基本上反映如上所述的各級侵蝕強度面積的總體比例，可較清楚地表達各級侵蝕強度的總體分布，如微度主要分布于西南、西北部平原區(qū)和靠近河流的低洼區(qū)，中度主要分布于西南和西北部、緊鄰微度的區(qū)域，極強烈和劇烈主要分布于東南部丘陵臺地區(qū)和西北及中部的漫崗丘陵區(qū)。

3.2 小流域水土流失面積比例圖

基于全縣306個小流域土壤侵蝕的強度和面積，計算每個小流域的水土流失面積比例(輕度及其以上強度的侵蝕面積之和占小流域面積的百分比)，按<20%，20%～30%，30%～40%，40%～50%，>50%的5個級別對小流域進行分級，制圖得到以小流域為單元的水土流失面積比例圖(見圖1)[20]。

圖1 拜泉縣水土流失面積比例

全縣所有小流域的水土流失面積比例介于0%～74.26%之間，平均值為47.84%，<20%，20%～30%，30%～40%，40%～50%，>50%級別的小流域分別為10，10，33，110，143個，呈現(xiàn)偏向比例較大級別的分布態(tài)勢?？梢姡谌啃×饔蛑?，以水土流失面積比例更高的為主，比例越高的越多。

圖1可基本上反映如上所述的各級水土流失比例小流域的總體比例，可清晰表達全縣水土流失比例小流域的總體分布。其分布特征主要為：水土流失面積比例呈現(xiàn)由西南向東北不斷增加的態(tài)勢；水土流失面積比例<20%和20%～30%的小流域集中分布在西南部的平原區(qū)和東南角的沿岸低洼易澇區(qū)，比例30%～40%的小流域主要分布在前兩者的周邊和中部的漫崗丘陵區(qū)，40%～50%和>50%的集中分布在東南部丘陵臺地區(qū)和和西北部的漫川漫崗區(qū)。

3.3 小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)及其分布圖

基于全縣306個小流域的土壤侵蝕強度和面積，計算每個小流域的土壤侵蝕嚴重指數(shù)，并按0～0.5，0.5～1，1～1.5，1.5～2和2～2.5的5個級別對小流域進行分級，制圖得到以小流域為單元的土壤侵蝕嚴重指數(shù)圖(見封2，附圖9)。

全縣所有小流域的土壤侵蝕嚴重指數(shù)介于0～2.45之間，平均值為0.86，中值為0.82，無明顯、不嚴重、稍嚴重、較嚴重、極嚴重級別的小流域分別為25，206，65，7，3個，呈現(xiàn)偏向不嚴重級別的正態(tài)分布態(tài)勢?？梢?，在全部小流域中，不嚴重的比例最多，無明顯和稍嚴重的次之，較嚴重和極嚴重的最少。

附圖9可清晰地反映如上所述的各個土壤侵蝕嚴重級別小流域的比例，可清晰表達全縣水土流失嚴重程度及其分布。其分布特征主要為：各水土流失嚴重級別的小流域都相對集中，尤其是稍嚴重、較嚴重的2個級別；水土流失不嚴重的小流域集中分布在西南部的平原區(qū)和東南角的沿岸低洼易澇區(qū)；較為嚴重的小流域主要分布在東南部丘陵臺地區(qū)和西北部的漫崗丘陵區(qū)。

3.4 小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)圖優(yōu)越性分析

《中華人民共和國水土保持法》及SL 335-2014《水土保持規(guī)劃編制規(guī)范》要求[21]：縣級水土保持規(guī)劃的土壤侵蝕圖應(yīng)以縣域為整體，表征侵蝕的面積、分布和強度，反映侵蝕特征與重點預(yù)防區(qū)、重點治理區(qū)、水土流失防治格局、重點項目分布的對應(yīng)關(guān)系。

3.4.1 嚴重指數(shù)圖可綜合反映土壤侵蝕面積、強度和分布 基于上述對土壤侵蝕強度制圖、水土流失面積比例制圖和土壤侵蝕嚴重指數(shù)制圖方法及結(jié)果的分析，進一步對比圖1和附圖8—9可知： ①附圖8圖面過于細碎、零散，難以體現(xiàn)侵蝕分布的總體特征，對水土保持規(guī)劃必需的重點預(yù)防區(qū)、重點治理區(qū)與其他區(qū)域的空間分布指向不清晰，也難以基于該圖通過轉(zhuǎn)化得到規(guī)劃必需的圖件； ②圖1強烈地凸顯出水土流失很多、很嚴重，這既與全縣水土流失的實際情況不相符，也與規(guī)劃必需的重點預(yù)防區(qū)、重點治理區(qū)劃分不能對應(yīng)，難以基于該圖通過轉(zhuǎn)化得到規(guī)劃必需的圖件； ③附圖9既可清晰地反映全域侵蝕的嚴重程度及其分布，又可區(qū)別地反映不同級別嚴重程度的數(shù)量及其比例，且與實際情況相吻合?；谌h306個小流域的土壤侵蝕嚴重指數(shù)圖，可方便生成水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)，可直接以小流域為單元設(shè)置重點項目，得到規(guī)劃必需的圖件。

3.4.2 基于小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)圖可直接制作規(guī)劃必需圖件 以小流域為單元，通過土壤侵蝕嚴重指數(shù)的聚類計算和小流域空間關(guān)系分析，由嚴重指數(shù)圖可直接生成水土保持規(guī)劃必需的圖件，如水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)分布圖、水土流失防治格局圖、重點項目分布圖。

(1) 水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)分布圖。通過合并較嚴重和極嚴重、選擇無明顯的小流域，分別得到典型的治理小流域、典型的預(yù)防小流域2類區(qū)域，并將被這些典型小流域夾擠的和與這些典型小流域緊連、嚴重指數(shù)極其接近的小流域并入這2類區(qū)域，就可得到重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)，所得結(jié)果如(見封2，附圖10)所示。

與附圖9對比，重點預(yù)防區(qū)是在嚴重級別為“無明顯”小流域集中的6個片區(qū)的基礎(chǔ)上，舍棄分散的5個“無明顯”小流域、并入7個小流域所得。重點治理區(qū)是在嚴重級別為“較嚴重”“極嚴重”小流域集中的3個片區(qū)的基礎(chǔ)上，并入2個小流域所得。

在6個重點預(yù)防區(qū)中，27個小流域的嚴重指數(shù)介于0.00～1.09，平均值為0.48，中值為0.47，標準差為0.25；輕度和微度的侵蝕面積為267.43 km2，占總面積的98.42%，符合SL 717-2015《水土流失重點防治區(qū)劃分導(dǎo)則》的要求。

在3個重點治理區(qū)中，12個小流域的水土流失嚴重指數(shù)介于1.23～2.45，平均值為1.73，中值為1.70，標準差為0.33；水土流失面積為72.41 km2，占總面積的51.60%，中度以上侵蝕面積占總面積的21.43%，符合SL 717-2015《水土流失重點防治區(qū)劃分導(dǎo)則》的要求。

(2) 水土流失防治格局圖?；谌h306個小流域嚴重指數(shù)，可直接通過重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)的分布，確定全縣預(yù)防和治理的總體格局、形成防治格局圖，構(gòu)建6片重點預(yù)防、3片重點治理、大面積保護區(qū)(主要是由侵蝕嚴重指數(shù)為“不嚴重”和“稍嚴重”的小流域組成)的總體格局(見封2，附圖10)。重點預(yù)防片的主導(dǎo)功能為生態(tài)維護、土壤保持和蓄水保土，重點治理片的主導(dǎo)功能為農(nóng)田保護、土壤保持和蓄水保土，大面積保護片區(qū)的主導(dǎo)功能為土壤保持、蓄水保土。

(3) 重點項目分布圖?；谒亮魇е攸c預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)，以小流域為單元分別安排預(yù)防和治理的重點項目。預(yù)防重點項目主要安排在“無明顯”的小流域；若是發(fā)生土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整，可接續(xù)地對個別“不嚴重”小流域?qū)嵤┥鷳B(tài)保護。重點治理項目主要按照在“極嚴重”“較嚴重”小流域，先“極嚴重”再“較嚴重”；若是經(jīng)費允許，可選擇部分“稍嚴重”的小流域接續(xù)實施重點治理。

4 結(jié)論與討論

基于小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)的縣域土壤侵蝕圖，不僅能夠以水蝕發(fā)生發(fā)展和防治的基本單元——小流域來定量、精準、清晰地反映全縣侵蝕嚴重程度及其分布，而且能夠定量、綜合、清晰地表征全縣侵蝕強度面積及其分布，并且能夠通過嚴重指數(shù)聚類計算和空間關(guān)系分析得到水土保持規(guī)劃必需的圖件，為重點預(yù)防和重點治理項目布局提供定量化、拓撲性的數(shù)據(jù)支撐，是一種具有良好優(yōu)越性的制圖方法。

對于縣域范圍的土壤侵蝕制圖，在綜合反映土壤侵蝕的面積、強度和分布方面，土壤侵蝕強度圖、流失面積比例圖和嚴重指數(shù)圖都具有各自的優(yōu)勢和特征。從開展水土流失調(diào)查、全面支撐水土保持規(guī)劃的角度，基于小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)制圖具有更好的比較優(yōu)勢。

(1) 對縣域而言，基于30 m×30 m柵格的侵蝕強度評價和小流域侵蝕嚴重指數(shù)計算，既能夠定量化、綜合性地將侵蝕面積、強度和分布等落實到小流域，為在縣域尺度上、整體布局層面的規(guī)劃及其相關(guān)圖件制作提供技術(shù)方法；又能夠定量化、精確性地將侵蝕模數(shù)及其因子值等落實到地塊，為在小流域尺度上、治理模式層面的措施配置及其典型設(shè)計提供相關(guān)要素的數(shù)據(jù)。其中的操作技術(shù)、方法及其相關(guān)標準，可全面支撐縣域水土流失調(diào)查和水土保持規(guī)劃。

(2) 基于小流域土壤侵蝕嚴重指數(shù)的聚類計算和空間關(guān)系分析得到水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)的過程中，舍棄了個別分散的小流域，并入了夾擠在同一分級當中或與同級小流域緊連、嚴重指數(shù)極其接近的小流域。究竟舍棄幾個？并入多少？應(yīng)以嚴重指數(shù)無實質(zhì)性差異、舍棄或并入的面積不改變重點區(qū)域特性為根本，結(jié)合縣域面積、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整可行性及水土流失防治投入等合理確定。

(3) 在縣域尺度，如何根據(jù)土壤侵蝕嚴重指數(shù)對小流域進行分級，應(yīng)把分級界限和級數(shù)聯(lián)系起來，結(jié)合區(qū)域水土流失實際和預(yù)期的防治規(guī)模，進行聯(lián)試聯(lián)調(diào)，按照正態(tài)分布或者偏正態(tài)分布的總體方向，擇優(yōu)確定分級方法及其結(jié)果。

(4) 基于土壤侵蝕嚴重指數(shù)制作區(qū)域土壤侵蝕圖的方法，也可以應(yīng)用到更大的范圍，如一個省、一個中等流域。應(yīng)用時，需要研究確定嚴重指數(shù)計算的單元——小流域、縣域、網(wǎng)格系統(tǒng)或者其他形式的對象，再按本文提出的技術(shù)和方法進行調(diào)查和制圖。