美國土壤侵蝕的調(diào)查體系和演變特征

周瑞鵬，屈麗琴，趙 瑩，杜鵬飛，陳 吟，寧堆虎

(中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京)

土壤侵蝕是導(dǎo)致人類賴以生存且日趨緊缺的土地資源退化和損失的主要原因[1]，截至2012年，全球6.1%的地表土壤侵蝕嚴(yán)重，侵蝕模數(shù)超過全球允許土壤流失量10 t/(hm2·a)，其中2012年全球全年水蝕土壤流失量約為359億t[2]。土壤侵蝕造成水土資源流失的同時加劇了洪水災(zāi)害和水體污染。20世紀(jì)初以來，土壤侵蝕的測量一直是科學(xué)研究和政府項目的主要目標(biāo)[3]。全球、區(qū)域和國家尺度的土壤侵蝕調(diào)查評估是政界、學(xué)界和社會各界共同關(guān)注的科學(xué)問題和社會需求。

20世紀(jì)70年代末，在聯(lián)合國環(huán)境署(United Nations Environment Programme,UNEP)資助下，國際土壤信息中心(International Soil Reference and Information Centre,ISRIC)組織來自世界范圍內(nèi)250多位土壤科學(xué)家開展全球土地退化(Global Assessment of Soil Degradation,GLASOD)評估研究，編制全球土地退化圖，并提出全球土壤侵蝕面積為1 642萬km2[4]；此項目后續(xù)還開展了一系列相關(guān)工作，例如地中海荒漠化和土地利用研究(Mediterranean Desertification and Land Use,MEDALUS)和全球變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)研究(Global Change and Terrestrial Ecosystems,GCTE)[5-6]，成立了歐洲科技合作組織(European Cooperation in Scientific and Technology,COST)土壤侵蝕組等，并出版了全球土壤侵蝕敏感性圖。

區(qū)域和國家層面，美國是世界最早研究土壤侵蝕并實施相應(yīng)水土保持措施的國家，其土壤保持工作可以追溯到19世紀(jì)末[7]。1977年開始，美國土壤侵蝕的數(shù)據(jù)通過美國國家資源調(diào)查(National Resources Inventory，NRI)發(fā)布，建立1個長時間序列的數(shù)據(jù)庫以支持科學(xué)研究和政府政策制定[8]。土壤侵蝕觀測、水土保持措施的實施和相關(guān)研究數(shù)據(jù)的發(fā)布已經(jīng)非常成熟。

澳大利亞于1997—2001年組織國家土地與水資源調(diào)查(The National Land and Water Resources Audit)，土壤侵蝕調(diào)查屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力與可持續(xù)能力專題[9]。相關(guān)學(xué)者以RUSLE為基礎(chǔ)，利用覆蓋全澳的較粗分辨率或較小比例尺數(shù)據(jù)，完成澳洲大陸片蝕、細(xì)溝侵蝕的定量評價[10-11]，同期也開發(fā)澳大利亞風(fēng)蝕定量評價工具AUStrainlian Land Erodibity Model[12]。瑞士的學(xué)者以RUSLE模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行全國尺度100 m空間分辨率和月度時間分辨率的草地水蝕風(fēng)險評估[13]。

歐盟近年來基于降雨侵蝕力[14]、土壤可蝕性因子[15]、坡度坡長因子[16]、植被覆蓋因子[17]和水土保持措施因子[18]的系統(tǒng)性研究成果，進(jìn)行全歐土壤侵蝕評價和侵蝕強(qiáng)度特征的分析[3,15]。

中國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一[19]，水土保持監(jiān)測工作始于20世紀(jì)30年代，早期陸續(xù)在福建長汀和黃河中游的天水、西峰、綏德等地開展水土流失定位觀測。1949年起，先后開展4次全國范圍的水土流失調(diào)查/普查，基本形成一套符合中國國情的普查技術(shù)方法。第1次是在20世紀(jì)50年代，利用人工逐級匯總，開展全國范圍的水力侵蝕普查。第2次(1985年)和第3次(1999年)都是利用遙感技術(shù)結(jié)合地面監(jiān)測開展，結(jié)果分別于1991和2001年公布。第2次和第3次調(diào)查查清我國水土流失主要類型及分布，對全國乃至不同地區(qū)水土流失狀況有了更為全面、準(zhǔn)確的把握[20-21]。第4次一般認(rèn)為是2011年開展的第1次全國水利普查，水土保持情況作為第1次全國水利普查的重要內(nèi)容，首次運(yùn)用野外調(diào)查與定量評估相結(jié)合的方法，普查結(jié)果于2013年公布[21]。近年來，全國水土保持動態(tài)監(jiān)測取得跨越式發(fā)展，2018年、2019年和2020年水土流失動態(tài)監(jiān)測結(jié)果陸續(xù)發(fā)布，內(nèi)容包括風(fēng)蝕和水蝕面積和強(qiáng)度情況等[22-24]。

綜上所述，中國和美國的水土流失觀測體系建設(shè)經(jīng)驗相對豐富，澳大利亞、歐洲先后進(jìn)行土壤侵蝕評價的探索，但成果多為一次性評估，沒有政府主導(dǎo)的體系設(shè)計。目前而言，美國建立的基于抽樣方法的土壤侵蝕普查方法體系相對較為完備，系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)一致性較好，形成跨度超過60 a的數(shù)據(jù)序列。筆者主要介紹美國土壤侵蝕調(diào)查發(fā)布系統(tǒng)的發(fā)展歷程、系統(tǒng)設(shè)計、主要技術(shù)要點(diǎn)和發(fā)布體系，并依據(jù)NRI最新成果，分析美國水土流失的總體狀況和近35 a的演變特征。本研究的相關(guān)結(jié)果可以為區(qū)域和國家尺度土壤侵蝕調(diào)查體系建立提供參考與借鑒。此外，美國近35 a的土壤侵蝕演變規(guī)律可以為土壤侵蝕科學(xué)研究和制訂可持續(xù)的水土保持發(fā)展規(guī)劃提供參考。

1 美國土壤侵蝕觀測的發(fā)展歷史

美國土壤侵蝕調(diào)查的發(fā)展歷程和相關(guān)法律頒布和機(jī)構(gòu)沿革見圖1。20世紀(jì)20年代后期，休·哈蒙德·本內(nèi)特(Hugh Hammond Bennett)和美國其他學(xué)者就水土流失對美國農(nóng)業(yè)的威脅作廣泛的論述。由Bennett和W.R.Chapline撰寫并于1928年由美國農(nóng)業(yè)部出版的《土壤侵蝕-國家的威脅》的報告，確立在全美進(jìn)行土壤侵蝕研究的基本原理，促使美國建立8個土壤侵蝕試驗站[25]。隨后美國西部發(fā)生20世紀(jì)十大自然災(zāi)害之一的黑風(fēng)暴(Dust Bowl)事件，該事件對美國乃至全球的影響深遠(yuǎn)[26]，最終促使美國內(nèi)政部于1933年成立土壤侵蝕局(Soil Erosion Service，SES)并于1934年組織實施全國侵蝕勘測調(diào)查(National Erosion Reconnaissance Survey)。調(diào)查結(jié)束6個月后，1935年美國總統(tǒng)羅斯福以調(diào)查結(jié)果為依據(jù)，簽署1935年的《土壤保護(hù)法》，并依據(jù)該法在農(nóng)業(yè)部設(shè)立水土保持局(Soil Conservation Service,SCS；1994年改為自然資源局，Natural Resources Conservation Services,NRCS)取代原來的土壤侵蝕局。

圖1 美國土壤侵蝕調(diào)查發(fā)展歷程Fig.1 History of soil erosion survey in the United States

為支持水土保持計劃制定并確定保護(hù)重點(diǎn)，農(nóng)業(yè)部于1945年首次實施美國國家水土保持需求調(diào)查(1945 Conservation Needs Inventory,CNI)即1945 CNI。此后，又分別開展2次調(diào)查，分別為1958年和1967年CNI。其中，1958年CNI首次采用抽樣調(diào)查的方法，確立定量調(diào)查的基本框架，并一直沿用至今。

根據(jù)1972年通過的《農(nóng)村發(fā)展法》，農(nóng)業(yè)部制定每隔5～10 a進(jìn)行一次的土地清查和監(jiān)測計劃。1977年，水土保持局依據(jù)土壤與水資源保護(hù)法，組織實施美國國家資源調(diào)查NRI，隨后每5 a開展1次調(diào)查并發(fā)布相應(yīng)的NRI報告。2000年以后，NRI每年實施調(diào)查，為節(jié)省成本，每年固定調(diào)查總樣點(diǎn)的1/2左右，共計4 200個基本采樣單元(primary sampling unit,PSU)，每個PSU一般包含2～3個樣點(diǎn)并抽樣輪查剩余的部分樣點(diǎn)(3 100個PSU左右)。盡管2000年以后每年實施調(diào)查，但對外公布的總結(jié)報告還按5年間隔發(fā)布。截至目前，最新NRI報告為2020年9月發(fā)布的2017年NRI總結(jié)報告。此外，為了探索數(shù)據(jù)發(fā)布頻次增加的可行性，2010和2015年各發(fā)布1次NRI總結(jié)報告。

縱觀美國國家層面土壤侵蝕的調(diào)查管理可以大致分為3個階段，1928—1945年為起步階段、1945—1977年為CNI階段和1977—至今為NRI階段，其中，NRI階段又可根據(jù)調(diào)查頻率不同，以2000年為分界點(diǎn)劃分為2個階段。此外，20世紀(jì)90年代，自然資源局基于NRI調(diào)查，開展一系列的專題研究，包括1991的濕地調(diào)查、1995年的土壤侵蝕更新研究和1996—1999年連續(xù)4年開展的專題研究[25]。

2 美國土壤侵蝕定量發(fā)布系統(tǒng)和方法

2.1 CNI的系統(tǒng)調(diào)查(1945—1977年)

1945—1977年，美國土壤侵蝕定量調(diào)查通過水土保持需求清單(CNI)開展和發(fā)布，數(shù)據(jù)類型包括土地利用類型、各種土地利用類型的面積、土地潛力和(評估)水土保護(hù)措施需求，沒有土壤侵蝕數(shù)據(jù)。

從1935—1970年，共發(fā)布3次CNI結(jié)果[25]。1945年首次發(fā)布的CNI結(jié)果，沒有進(jìn)行實地的取樣實驗，數(shù)據(jù)從相關(guān)機(jī)構(gòu)已有數(shù)據(jù)積累中收集整理得到。1958年，多個機(jī)構(gòu)合作，第1次采用抽樣方法獲取數(shù)據(jù)。1967年，基于1958年采用的抽樣方法，為之前評估結(jié)果的更新(表1)。

表1 前NRI時代(含起步階段和CNI階段)美國土壤侵蝕調(diào)查概要Tab.1 Synopsis of soil erosion surveys in the United States in the pre-NRI era (including initial and CNI stages)

1958年和1967年的CNI確立美國土壤侵蝕觀測體系的基本框架，相關(guān)的抽樣體系在不斷完善中一直沿用至今。這一基本框架的確立，保證了整個數(shù)據(jù)體系的一致性和可擴(kuò)展性。

2.2 NRI系統(tǒng)調(diào)查(1977年至今)

NRI調(diào)查由美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局NRCS (National Resources Conservation Services)與愛荷華州立大學(xué)統(tǒng)計實驗室合作實施[8]。NRI的主要目的是獲取國家自然資源的變化情況，主要收集與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境有關(guān)的土地利用類型、土壤特征、土壤侵蝕和濕地等數(shù)據(jù)，其中土壤侵蝕調(diào)查為一部分內(nèi)容，也是其中最常被使用的數(shù)據(jù)。NRI是基于抽樣統(tǒng)計的調(diào)查，土壤侵蝕通過模型估算水蝕和風(fēng)蝕，其中水蝕僅考慮面蝕和細(xì)溝侵蝕的作用。

2.2.1 調(diào)查范圍 美國國家資源調(diào)查NRI調(diào)查涉及美國全境(阿拉斯加后期被納入調(diào)查，但數(shù)據(jù)單獨(dú)發(fā)布)。土壤侵蝕調(diào)查僅涉及美國非聯(lián)邦土地的3種土地利用類型，分別為農(nóng)田(cropland)、人工草地(pastureland)和CRP土地。這里人工草地并非人工種植的草地，而是因放牧經(jīng)營活動設(shè)計人工干預(yù)和養(yǎng)護(hù)的草地。CRP土地指美國土地休耕保護(hù)計劃(Conservation Reserve Program，CRP)涉及的土地，該計劃于1986年由美國政府制定實施，即引導(dǎo)農(nóng)場主把一部分耕地退出生產(chǎn)用于土壤保護(hù)，該計劃可以認(rèn)為是美國的退耕還林計劃，對容易發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)，實行有計劃減耕、休耕(至少10 a的休耕期)和退耕還林還草。針對天然草地(rangeland)的土壤侵蝕估計模塊目前還在構(gòu)建和評估中，后續(xù)應(yīng)該會納入土壤侵蝕調(diào)查。

根據(jù)最新的2017年NRI調(diào)查總結(jié)報告(2020年9月發(fā)布)，在美國本土48個州中，非聯(lián)邦土地面積比例約為79%，土壤侵蝕調(diào)查主要涉及的非聯(lián)邦土地中的農(nóng)地，人工草地和美國休耕保護(hù)計劃土地3種地類，總體占美國本土面積(不含阿拉斯加)的26%。

2.2.2 土壤侵蝕估算 NRI調(diào)查的土壤侵蝕包括水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，水力侵蝕估計在2008年之前采用是通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation,USLE)，之后引入了修正的通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)[27]。風(fēng)力侵蝕的侵蝕量與侵蝕速率使用的是土壤風(fēng)蝕方程(Wind Erosion Equation,WEQ)。

1965年，Wischmeier等[28]對美國30個州近30 a的觀測資料進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出著名的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀ㄓ猛寥懒魇Х匠?USLE)。USLE模型的建立是美國土壤侵蝕研究和實踐的重要成果，具有里程碑意義，在全球土壤侵蝕的研究中發(fā)揮深遠(yuǎn)影響，至今依然是土壤侵蝕估算最通用的手段。USLE作為預(yù)測面蝕和細(xì)溝侵蝕引起的年平均土壤流失量的方法，涵蓋降雨、土壤可蝕性、坡度坡長、作物管理和水土保持措施5大因子，具體表達(dá)如下：

A=RKLSCP。

(1)

式中：A為年平均土壤流失量，ton/(acre·a)；R為降雨和徑流侵蝕力因子，100 ft·tonf·in/(acre·h·a)；K為土壤可蝕性因子，ton·acre·h/(100 acres·ft·tonf·in)；LS為地形因子，量綱為1，其中L為坡長因子，量綱為1，S為坡度因子，量綱為1；C為作物管理因子，量綱為1；P為治理措施因子，量綱為1。因為NRI數(shù)據(jù)采集和報告公布均采用美制單位，為方便對照NRI報告相關(guān)的數(shù)據(jù)，式中均為實際使用的美制單位(其中1 ton=0.907 t,1 acre=0.405 hm2,1 ft=0.305 m,1 tonf=8 888.6 N,1 in=25.4 mm)。

2008年之后NRI應(yīng)用修訂版通用土壤流失方程(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)[27]。與USLE模型相比，RUSLE拓展了實測數(shù)據(jù)庫，應(yīng)用土壤侵蝕過程理論對USLE模型進(jìn)行改進(jìn)[1]，各侵蝕因子的測算方法進(jìn)行修改，R值考慮徑流因素，K值考慮凍融的影響，L和S拓展使用范圍，C因子被分為若干次因子，估算更加準(zhǔn)確，P值考慮等高耕作、帶狀耕作對泥沙輸移的影響[29]。

風(fēng)蝕的侵蝕量與侵蝕速率使用的是WEQ[30-31]。

E=f(IKCLV)。

(2)

式中：E為年平均土壤流失量，ton/(acre·a)；I為土壤可蝕性因子(soil erodibility index)，ton/(acre·a)；K為土壤壟作粗糙度因子(soil ridge roughness factor)，量綱為1；C為氣候因子(climatic factor)，量綱為1；L為沿主風(fēng)向等效無遮蔽距離，ft；V為等效植被覆蓋(equivalent vegetative cover)，pound/acre。式中均為實際使用的美制單位(其中1 pound=0.454 kg)。

2.2.3 數(shù)據(jù)收集和處理 NRI的數(shù)據(jù)收集是基于抽樣方法，針對土壤侵蝕數(shù)據(jù)，以實地調(diào)查為主，1997年以后，參考大量遙感數(shù)據(jù)。NRI的抽樣設(shè)計基本上延續(xù)1958年CNI確立的體系。抽樣采用的是分層2階段不等概率空間抽樣法[8]。

抽樣前，需要將調(diào)查區(qū)域即美國全境分為3個大區(qū)，分別采用不同的方法劃分PSU。3個大區(qū)的范圍和網(wǎng)格劃分方法如下(僅以本土48個州為例)：

一是針對美國中部和西部的34個州，網(wǎng)格分區(qū)結(jié)合美國公共土地測量系統(tǒng)PLSS(Public Land Survey System)，也叫矩形測量系統(tǒng)(Rectangular Survey System)劃分，分區(qū)基本上是以縣為單位，最后標(biāo)準(zhǔn)的PSU面積為160英畝(0.64 km2)。土地異質(zhì)性大的灌溉區(qū)PSU大小為40英畝(0.16 km2)，森林或貧瘠的土地上，PSU的面積為640英畝(2.58 km2)。

二是對于東北部的13個州，分別是緬因州部分區(qū)域、佛蒙特州、新罕布什爾州、馬薩諸塞州、羅德島州、康涅狄格州、新澤西州、特拉華州、馬里蘭州、紐約州、賓夕法尼亞州、弗吉尼亞州和西弗吉尼亞州，用經(jīng)度30″×緯度20″劃分網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)，最后劃分的PSU的面積范圍為96～113英畝(0.39～0.46 km2)。

三是在路易斯安娜州和緬因州的西北部，采用橫軸墨卡托投影進(jìn)行劃分，PSU的面積為0.5 km2[8]。

根據(jù)以上3種情況，將全部調(diào)查面積劃分網(wǎng)格分區(qū)后(第一種情況首先劃分的網(wǎng)格對應(yīng)的就是縣)，將網(wǎng)格分區(qū)(division)分為16個子單元(sub-division)，每個子單位再分為3個層(stratum)，每個層單元再分為48個基本抽樣單元即PSU。針對第一種情況即縣劃分為鎮(zhèn)，鎮(zhèn)分為層，層再劃分基本抽樣單元。

調(diào)查抽樣分2個層次開展，第1階段是從層(stratum)抽取基本采樣單元(PSU)，第2階段是從PSU中抽取采樣點(diǎn)。全國的主體抽樣密度為4%左右，就相當(dāng)于每個層單位抽取1～4個PSU，對應(yīng)的抽樣密度為2%～8%。每個PSU根據(jù)土地利用、地形等的復(fù)雜程度不同，一般平均包含2～3個樣點(diǎn)。從分區(qū)到樣點(diǎn)的劃分和抽樣方式如圖2所示。

圖2 NRI調(diào)查PSU劃分和抽樣設(shè)計Fig.2 Zones of PSU (primary sample unit)and sampling design in NRI

謝云等[32]對于NRI中PSU到樣點(diǎn)的抽樣設(shè)計和統(tǒng)計方法進(jìn)行比較詳細(xì)的介紹。整個PSU的劃分基本是固定的，每年的調(diào)查會包含上次調(diào)查的樣點(diǎn)，并根據(jù)上次調(diào)查的分析和實際需求增加一部分PSU和樣點(diǎn)。從1977年到1997年P(guān)SU的數(shù)量從7萬個逐步增加到30萬個，對應(yīng)的樣點(diǎn)數(shù)從19.5萬個增加到84萬個。2000年以后NRI由5年1次的調(diào)查調(diào)整為每年調(diào)查，總體PSU和樣點(diǎn)數(shù)保持1997年的規(guī)模，但是將總樣點(diǎn)分為核心庫和輪查庫，其中4.2萬核心庫和包含的樣點(diǎn)是每年調(diào)查，另外每年輪查約3萬個左右的PSU，每年總體調(diào)查7萬多個PSU[25,32]。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，NRI調(diào)查所有樣點(diǎn)的位置都是保密信息，參與收集和處理NRI數(shù)據(jù)的工作人員和土地?fù)碛姓叨急仨毢炗啽Ｃ軈f(xié)議。美國2002年頒布的《農(nóng)場安全和農(nóng)村投資法》和2008年的《食品、保護(hù)和能源法》中都有關(guān)于數(shù)據(jù)收集點(diǎn)保密性的規(guī)定條款。

PSU數(shù)據(jù)收集主要基于遙感影像、照片解譯和輔助支持材料，輔助支持材料包括如土壤圖等。1982年前全為實地考察，1987開始利用遙感影像解譯，1997年之后基本都通過遙感影像解譯采集，只有對于部分難以通過照片或遙感解譯出來的數(shù)據(jù)或為一些特殊研究，會對這些區(qū)域進(jìn)行實地考察。采樣點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)種類和內(nèi)容最多，各個級別收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容如表2所示?？h級基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、PSU數(shù)據(jù)和采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)會全部轉(zhuǎn)化成樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。以層單元(stratum)為基本單位計算每個樣點(diǎn)的權(quán)重，計算各個樣點(diǎn)所代表的權(quán)重即土地利用類型的面積，繼而進(jìn)行不同空間尺度的統(tǒng)計匯總。

表2 采樣點(diǎn)、抽樣單元和縣級基礎(chǔ)收集的數(shù)據(jù)內(nèi)容Tab.2 Data collected at sampling points,PSU,and county level

2.2.4 數(shù)據(jù)發(fā)布和使用 NRI的國家和州一級的匯總數(shù)據(jù)通過5年1次的總結(jié)報告公開發(fā)布(https://www.nrcs.usda.gov/technical/nri)。其他更詳細(xì)的數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)需要聯(lián)系專門的NRI咨詢服務(wù)部門(nri@wdc.usda.gov)。定期公布的總結(jié)報告不僅包含國家和州一級最新的土地利用和土壤侵蝕數(shù)據(jù)，還會包含根據(jù)NRI的算法調(diào)整，重新計算的歷史數(shù)據(jù)。由于1977調(diào)查樣點(diǎn)的規(guī)模偏小，一般將1982年作為歷史調(diào)查的起始點(diǎn)[33]。以2017年NRI報告為例，報告包含1982年、1987年、1992年、1997年、2002年、2005年、2007年、2012年和2017年的國家和州一級的土地利用和土壤侵蝕等數(shù)據(jù)。這一向前校核的機(jī)制有效保證長序列觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和延續(xù)性。

NRI數(shù)據(jù)庫積累大量關(guān)于土壤、水和其他自然資源的現(xiàn)狀、質(zhì)量和變化趨勢數(shù)據(jù)，在國家資源保護(hù)的投資決策中持續(xù)發(fā)揮著重要作用。農(nóng)業(yè)部溫室氣體清查(USDA Greenhouse Gas Inventory)、自然資源局資源保護(hù)發(fā)展報告和資源保護(hù)效益評價項目(Conservation Effects Assessment Project)都通過政府內(nèi)部的協(xié)調(diào)機(jī)制基于NRI數(shù)據(jù)庫開展相關(guān)工作。經(jīng)濟(jì)研究局的經(jīng)濟(jì)學(xué)家很早就利用NRI數(shù)據(jù)庫對土地使用轉(zhuǎn)換、濕地轉(zhuǎn)換以及與美國農(nóng)業(yè)部保護(hù)計劃績效有關(guān)的問題進(jìn)行重要分析。水土保持局/自然資源局的科學(xué)家也同樣使用NRI數(shù)據(jù)庫來模擬潛在的污染問題。最近，相關(guān)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的研究人員合作的保護(hù)效果評估項目(Conservation Effects Assessment Project，CEAP)更是大量使用NRI樣點(diǎn)開展模型分析。此外，NRI的廣大用戶還包括州辦公機(jī)構(gòu)、自然資源局技術(shù)中心、美國地質(zhì)勘探局、美國林務(wù)局、聯(lián)邦安全署、美國總審計署、學(xué)術(shù)界等。

3 美國水土流失特征和趨勢分析

本部分利用2017年NRI的數(shù)據(jù)，分析美國近35 a(1982—2017年)水土流失變化特征。NRI報告面積單位是英畝，侵蝕量和侵蝕率的質(zhì)量單位是英噸，為了便于直觀理解，本部分土地利用面積變化以占比分析，侵蝕量和侵蝕率都是分別轉(zhuǎn)換為公噸(1英噸=0.907公噸)和公噸每公頃(1英噸/(英畝·年)=2.24噸/(公頃·年))，公噸統(tǒng)一簡稱為噸。

3.1 美國土地利用變化

如圖3所示，從1982年到2017年，美國土地利用的組成結(jié)構(gòu)變化不大，和很多國家一樣，隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建設(shè)用地(主要包括城市用地)的增幅最大。農(nóng)田和草地(包括天然草地和人工草地)面積總體都在減小。森林面積有小幅度增加?？傮w來看，開展土壤侵蝕調(diào)查的地類占美國總面積的1/4左右，從1982年到2017年總面積減少比較明顯，從28.4%降到26.0%，其中農(nóng)田的面積減少最多，從21.6%減少到18.9%，但近10 a略有增加，應(yīng)該是得益于CRP計劃的土地轉(zhuǎn)化。CRP計劃從1986年開始實施，面積在1992—2007年間基本保持穩(wěn)定，1997年后部分CRP土地已經(jīng)完成10 a的休耕期，逐步退出計劃，轉(zhuǎn)為其他地類，主要的轉(zhuǎn)換方向是農(nóng)田和森林(圖4)。

其中人工草地、農(nóng)田和CRP是目前為止開展土壤侵蝕調(diào)查的3種地類。Pastureland,cropland and CRP are the three types surveyed in the NRI.圖3 NRI調(diào)查1982年和2017年土地利用變化對比Fig.3 Comparison of land use changes in 1982 and 2017 survey in NRI

圖4 NRI調(diào)查1982—2017年侵蝕調(diào)查地類土地利用變化Fig.4 Land use changes for erosion survey land from 1982 to 2017 according to NRI

3.2 土壤侵蝕變化總體情況

在國家尺度上，美國水蝕、風(fēng)蝕和總侵蝕量都呈減小趨勢(圖5)。水力侵蝕量和風(fēng)力侵蝕量分別從1982年的16.04億和12.48億t，減少到2017年的9.63億和6.90億t，減小幅度分別為39.96%和44.71%。水力侵蝕量一直減小至2007年達(dá)到最小值，之后出現(xiàn)反彈略微增大。風(fēng)蝕侵蝕量最大值出現(xiàn)在1987年為12.67億t，1987年之后逐年減少，經(jīng)過20年基本減少到一個穩(wěn)定水平(約6.90億t)，且變化過程非常平滑。特別值得注意的是，美國水力侵蝕從2007年控制到相對穩(wěn)定的水平以后，近年有明顯的緩慢增加趨勢，其產(chǎn)生的原因特別值得深入研究。

圖5 1982—2017年美國土壤侵蝕量變化Fig.5 Soil erosion changes in USA from 1982 to 2017

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部自然資源局的區(qū)域劃分，美國本土可以分成西部地區(qū)、北方平原地區(qū)、中南部地區(qū)、中西部地區(qū)、東南部地區(qū)和東北部地區(qū)。從1982年到2017年，按區(qū)域的土壤侵蝕量變化見圖6。1982—2017年間水力侵蝕量總體上是中西部地區(qū)>北部平原地區(qū)>東南部地區(qū)>中南部地區(qū)>西部地區(qū)>東北部地區(qū)。近10 a來，中西部地區(qū)侵蝕量有明顯的上升趨勢，北方平原地區(qū)和東南部地區(qū)有輕微的上升趨勢。

圖6 1982—2017年美國區(qū)域侵蝕量變化Fig.6 Regional erosion changes in the United States from 1982 to 2017

風(fēng)力侵蝕的總體情況是：東北地區(qū)和東南地區(qū)沒有發(fā)生風(fēng)力侵蝕，其余4個區(qū)域侵蝕量大小順序為北部平原地區(qū)>中南地區(qū)>中西部地區(qū)>西部地區(qū)。北部平原地區(qū)、中南地區(qū)和中西部地區(qū)風(fēng)力侵蝕量總體逐漸減小，西部地區(qū)總體變化不大。近10 a來，北部平原地區(qū)風(fēng)力侵蝕呈顯著減小趨勢，但中西部地區(qū)和西部地區(qū)有明顯增加。

3.3 不同土地利用類型土壤侵蝕變化特征

圖7為土壤侵蝕調(diào)查涉及的3種地類(人工草地、農(nóng)田和CRP土地)土壤侵蝕速率的變化。人工草地和農(nóng)田的侵蝕主要是水力侵蝕，土壤侵蝕(包括水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕)最嚴(yán)重的地類依然是農(nóng)田，其侵蝕速率是人工草地的10倍以上。結(jié)合圖5可以看出，近10 a總水力侵蝕量的增加基本上來自農(nóng)田，總風(fēng)力侵蝕量的增加主要來自人工草地和CRP，但CRP總面積比例很小。因此，盡管人工草地的侵蝕總體不大，但是近10 a上升的趨勢還是應(yīng)該引起特別的關(guān)注。

圖7 不同土地利用類型侵蝕速率變化Fig.7 Changes of erosion rate in different land use types

CRP的風(fēng)力侵蝕和水力侵蝕的土壤侵蝕率基本都在2.5 t/(hm2·a)以內(nèi)。特別是水力侵蝕的控制非常有效，但風(fēng)力侵蝕自1997年都有明顯的增加趨勢，并且呈現(xiàn)風(fēng)力侵蝕速率超過水利侵蝕速率的情況。因此，CRP的水土保持措施中，應(yīng)該需要加強(qiáng)對風(fēng)力侵蝕措施的考量。

4 結(jié)論

美國土壤侵蝕調(diào)查從20世紀(jì)30年代起步到現(xiàn)在，擁有近90年的歷史，監(jiān)測、調(diào)查方法和數(shù)據(jù)發(fā)布方式都已非常成熟。NRI報告積累從1982年至今30多年的土壤侵蝕和防治措施的調(diào)查數(shù)據(jù)，對于研究土壤侵蝕演變規(guī)律和防治成效評價，水土保持措施效益評價都具有重要意義。NRI調(diào)查體系在設(shè)計上有幾個特色非常具有借鑒意義。

1)NRI的調(diào)查體系(包括之前的CNI)的設(shè)計從一開始就具有非常完善的體系，以樣點(diǎn)(而非地塊)為核心的思想和以采樣集向前包含(即后續(xù)調(diào)查根據(jù)需要擴(kuò)展樣點(diǎn)，但不改變原有樣點(diǎn))的擴(kuò)展原則保證了調(diào)查體系的穩(wěn)定性。此外，數(shù)據(jù)采集的設(shè)計具有統(tǒng)一和延續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)調(diào)查和數(shù)據(jù)運(yùn)算/模型估計是相對獨(dú)立的，這為調(diào)查體系的不斷擴(kuò)展和持續(xù)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)，也使NRI的調(diào)查從土壤侵蝕調(diào)查一直擴(kuò)展為自然資源全面調(diào)查。

2)為確保收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，NRI樣點(diǎn)的保密性是通過立法保護(hù)的。美國頒布的2002年的《農(nóng)場安全和農(nóng)村投資法》以及2008年的《食品、保護(hù)和能源法》中都有關(guān)于數(shù)據(jù)收集點(diǎn)保密性的規(guī)定條款。在具體實施中，凡是參與收集NRI數(shù)據(jù)的工作人員和土地?fù)碛姓叨急匦韬炗啽Ｃ軈f(xié)議。

3)每次新發(fā)布的NRI總結(jié)報告，不但會公布最新的土壤侵蝕數(shù)據(jù)，同時也會對已公布年份的土壤侵蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行審核和更正。這種向前更正是為了保證數(shù)據(jù)的延續(xù)性，因為每次的資源調(diào)查都會改進(jìn)樣點(diǎn)抽取、算法和數(shù)據(jù)編輯，NRI一致的地層數(shù)據(jù)框架，保證可以采用新的方法對歷史數(shù)據(jù)重新計算，并和最新的調(diào)查數(shù)據(jù)作為統(tǒng)一的序列一并發(fā)布。

5 建議

就美國國家資源調(diào)查NRI的土壤侵蝕調(diào)查而言，調(diào)查本身亦有不足之處。首先，美國的土地所有權(quán)分為聯(lián)邦土地和非聯(lián)邦土地，其中聯(lián)邦土地約占美國國土面積的28%。而NRI服務(wù)對象和關(guān)注點(diǎn)放在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，土壤侵蝕調(diào)查僅涉及非聯(lián)邦土地中的農(nóng)田、人工草地和CRP土地。聯(lián)邦土地中大片集中在中西部，屬于自然保護(hù)區(qū)或者國家公園的區(qū)域侵蝕狀況仍然不明。此外，NRI項目調(diào)查的水蝕僅包括面蝕和細(xì)溝侵蝕，沒有測量其他水蝕類型如淺溝侵蝕和切溝侵蝕等。除農(nóng)田和人工草地外，也未調(diào)查森林和天然草地的土壤侵蝕狀況。

此外，從美國水土流失特征和趨勢分析可以看出，不同土地利用類型侵蝕速率的變化規(guī)律不同，農(nóng)田水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕的速率都服從緩慢衰減趨于穩(wěn)定的非線性規(guī)律，CPR土地侵蝕速率可以很快穩(wěn)定在一個較低水平，而人工草地的風(fēng)力侵蝕和水力侵蝕則呈現(xiàn)完全不同的規(guī)律，水力侵蝕速率清晰地表現(xiàn)出線性衰減特征，而風(fēng)力侵蝕呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢需要引起特別關(guān)注和深入研究。美國的NRI調(diào)查積累了風(fēng)力侵蝕和水力侵蝕的長序列數(shù)據(jù)，建議在我國水土流失演變規(guī)律研究中，深入挖掘相關(guān)數(shù)據(jù)，研究不同土地利用類型和不同氣候、土壤、地貌和不同治理條件下的土壤侵蝕變化規(guī)律、建立侵蝕演變規(guī)律定量模型，這對于科學(xué)制訂水土流失治理目標(biāo)、優(yōu)化措施配置具有非常重要的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。