齊 斐, 蘇新宇, 黎家作, 胡續(xù)禮, 劉 霞, 張春強(qiáng), 邢先雙, 丁鳴鳴

(1.江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,江蘇 南京 210037; 2.淮河水利委員會淮河流域水土保持監(jiān)測中心站, 安徽 蚌埠 233001; 3.水利部淮河水利委員會水土保持處, 安徽 蚌埠 233001; 4.山東省水文局, 山東 濟(jì)南 250012; 5.南京市水務(wù)局, 江蘇 南京 210036)

土壤侵蝕調(diào)查是分析影響土壤侵蝕發(fā)生發(fā)展過程的自然和人為因素，確定土壤侵蝕現(xiàn)狀與治理狀況的重要基礎(chǔ)工作，為綜合評價土壤侵蝕發(fā)生的強(qiáng)度、分布及其影響因子提供數(shù)據(jù)支撐，并為開展土壤侵蝕防治提供依據(jù)[1-2]。目前，區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查常用的方法有抽樣調(diào)查法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ā⒕C合評判法等[3-7]。在第一次全國水利普查水土保持普查中，我國首次采用分層系統(tǒng)抽樣調(diào)查與CSLE模型相結(jié)合的方法，開展水土流失調(diào)查，在確定抽樣密度和布設(shè)野外單元的基礎(chǔ)上，對土地利用、植被覆蓋、水土保持措施等因素開展調(diào)查，為CSLE模型計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐[8-12]。為研究不同抽樣密度對土壤侵蝕因子的影響，趙維軍等[13]以陜北黃土區(qū)吳起縣為例，對比分析了4%，1%，0.25%，0.062 5%調(diào)查數(shù)據(jù)和全縣數(shù)據(jù)在土地利用、坡度及坡長因子等方面的精度損失，認(rèn)為采用1%和4%各因子分布相似度均在95%以上；而鄒叢榮、張洪達(dá)等[14-15]則分別在沂蒙山區(qū)蒙陰縣和沂水縣對不同抽樣密度對土壤侵蝕估算結(jié)果的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用單元外推法估算，1%和4%密度下水土流失面積有較大差異。由此可知，受土地利用、地形地貌、人為活動等實(shí)際生產(chǎn)條件狀況影響，在不同區(qū)域，抽樣密度差異會影響土壤侵蝕因子精度損失特征，進(jìn)而影響區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測成果精度。因此，開展區(qū)域不同抽樣密度下土壤侵蝕因子的精度損失，對區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測抽樣密度和抽樣方法的選取具有十分重要的意義。本文以沂蒙山區(qū)蒙陰縣為對象，進(jìn)一步探討1%，4%抽樣密度下水土流失影響因子和CSLE模型因子估算的精度損失，從而為區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測野外抽樣密度和抽樣方法的選取提供數(shù)據(jù)支撐，為探索高效率、高精度、高信息化的野外調(diào)查方法提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

蒙陰縣位于山東省中南部、沂蒙山區(qū)北部，面積1 590.42 km2，屬典型的北方土石山區(qū)。境內(nèi)海拔131～1 105 m，主要為低山丘陵，山丘區(qū)占97.77%；巖石多為石灰?guī)r和頁巖，土壤主要有粗骨土、棕壤、褐土、紅黏土；屬暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，多年平均氣溫12.8 ℃，多年平均降水量700 mm，降水主要集中在6—8月；屬淮河流域沂河水系，有梓河、東汶河、蒙河等三條較大的河流，以及山東省第二大水庫云蒙湖；植被屬暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，現(xiàn)多為人工植被，防護(hù)林樹種主要有側(cè)柏(Platycladusorientalis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)，經(jīng)濟(jì)林樹種主要有桃(Amygdaluspersica)、蘋果(Maluspumila)、核桃(Juglansregia)等，自然灌木與草本植物主要有黃荊(Vitexnegundo)、胡枝子(Lespedezabicolor)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)等。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)源與處理 遙感影像采用SPOT 6影像，1.5 m，2013年4月，通過人機(jī)交互解譯獲取土地利用數(shù)據(jù)[14]；地形數(shù)據(jù)資料采用1∶1萬地形圖，生成10 m柵格DEM；降雨數(shù)據(jù)采用沂蒙山區(qū)88個雨量站點(diǎn)，1980—2010年日降雨資料，篩選12 mm侵蝕性降雨；土壤數(shù)據(jù)采用山東省1∶50萬土壤圖，裁剪獲取蒙陰縣土壤類型分布。

1.2.2 野外調(diào)查單元布設(shè)與數(shù)據(jù)采集 以第一次全國水利普查水土保持普查布設(shè)的1%抽樣密度即14個野外調(diào)查單元為基礎(chǔ)，采用分層系統(tǒng)抽樣方法[9-11]，將山丘區(qū)(97.77%)的抽樣密度增加至4%，共布設(shè)野外調(diào)查單元62個。調(diào)查單元空間分布如圖1所示。基于ArcGIS，疊加Spot 6影像、調(diào)查單元邊界、1∶1萬地形圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲得野外調(diào)查單元底圖，勾繪地塊邊界并編號。野外調(diào)查時按地塊順序采集土地利用、郁閉度、蓋度、工程措施及質(zhì)量、生物措施、耕作措施等數(shù)據(jù)信息[9-11]。

注：4%抽樣單元包含1%抽樣單元。

1.2.3 因子計(jì)算與土壤侵蝕估算 土壤侵蝕估算采用CSLE模型[16]：

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A——土壤流失量〔t/(hm2·a)〕；R——降雨侵蝕力〔MJ/(hm2·mm·h·a)〕，基于1980—2010年沂蒙山區(qū)88個雨量點(diǎn)日降雨數(shù)據(jù)，采用逐日雨量公式法通過普通Kriging插值獲取[17-18]；K——土壤可蝕性〔(t·hm2)/(MJ·hm2·mm·h)〕，通過野外采集土壤樣品，采用Williams模型計(jì)算，并根據(jù)沂蒙山區(qū)徑流小區(qū)數(shù)據(jù)修正[18]；L，S——坡長因子(無量綱)和坡度因子(無量綱)，利用1∶1萬地形圖，采用劉寶元修正算法計(jì)算[18]；B，E，T——水土保持措施因子(無量綱)，分別指生物措施、工程措施、耕作措施，參考第一次全國水利普查水土保持情況普查措施因子值，采用徑流小區(qū)數(shù)據(jù)修正[18]。

縣域土壤侵蝕估算分別采用單元插值外推法、柵格計(jì)算法[14-15]。為更好地進(jìn)行比較分析，故以最接近縣域情況的柵格計(jì)算法結(jié)果為基準(zhǔn)值。單元插值外推法是根據(jù)單元內(nèi)CSLE因子圖層計(jì)算土壤侵蝕狀況，分別對1%和4%抽樣密度下輕度及其以上各級土壤侵蝕強(qiáng)度面積比和水土流失面積比，采用普通Kriging插值，獲取縣域土壤侵蝕狀況。柵格計(jì)算法則以縣域土地利用圖層為基礎(chǔ)，進(jìn)行B，E，T因子賦值并轉(zhuǎn)成10 m柵格，結(jié)合縣域R，K，L，S因子圖層，計(jì)算土壤侵蝕狀況。

1.3 精度損失分析與評價

采用測量學(xué)絕對誤差和相對誤差的概念，以全縣K，L，S，B，E，T均值、土壤類型、坡度、土地利用類型、水土流失面積比等數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)值，將1%，4%抽樣密度數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而得到兩種抽樣密度下各因子數(shù)據(jù)的精度損失及差異程度。其計(jì)算公式為：

Δij=Aij-Ai0

(2)

δij=Δij/Ai0×100%

(3)

式中：Δij——不同密度下某因子絕對誤差，即精度損失值；δij——相對誤差(%)代表不同密度下某因子與全縣基準(zhǔn)值差異程度；Aij——不同抽樣密度下某因子均值；Ai0——全縣某因子均值，作為基準(zhǔn)值；i=1，2，3，…，分別代表各模型因子、土壤類型、坡度、土地利用類型面積等數(shù)據(jù)；j=1，2，分別代表1%和4%抽樣密度。

其中，以各因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用面積加權(quán)平均法統(tǒng)計(jì)其均值。根據(jù)已有研究[18]，采用野外復(fù)核驗(yàn)證和專家經(jīng)驗(yàn)法對土地利用、林草植被覆蓋度和土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行精度驗(yàn)證，土地利用總體精度為91%，植被覆蓋度提取精度為87%，土壤侵蝕強(qiáng)度符合度為86%。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可蝕性因子K估算精度損失

蒙陰縣土壤類型有22種，以酸性粗骨土(Ⅰ)為主，其次為紅黏土(Ⅵ)和石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土(Ⅹ)；1%抽樣密度涉及7種土壤類型，以酸性粗骨土和石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土為主，其次為紅黏土和洪沖積潮棕壤(Ⅻ)；4%抽樣密度涉及14種土壤類型，以酸性粗骨土為主，其次為石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土和紅黏土。全縣主要土壤類型數(shù)量特征如圖2所示，由左往右K值逐漸升高。1%抽樣密度下精度損失最高達(dá)13.80%，為K較高的石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土，其次為K較低的酸性粗骨土(-10.08%)和K較高的洪沖積潮棕壤(7.19%)，其余各種土壤類型精度損失均小于5%；4%抽樣密度下，各種土壤類型精度損失均小于5%，其中石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土精度損失最大(4.53%)。受調(diào)查單元土壤類型的影響，以蒙陰縣K均值為基準(zhǔn)〔0.011 3 (t·hm2)/(MJ·hm2·mm·h)〕，1%密度下K均值0.013 6 (t·hm2)/(MJ·hm2·mm·h)，相對誤差20.64%；4%抽樣密度下K均值為0.012 9 (t·hm2)/(MJ·hm2·mm·h)，相對誤差13.94%。因此，與全縣基準(zhǔn)值相比，雖然兩種抽樣密度下主要土壤類型基本保持一致，但涵蓋土壤類型數(shù)量有明顯差別，且對K造成了重要影響。

注：Ⅰ酸性粗骨土； Ⅱ基性巖類中性粗骨土； Ⅲ砂質(zhì)非灰性河潮土； Ⅳ棕壤； Ⅴ麻砂棕壤性土； Ⅵ紅黏土； Ⅶ灰質(zhì)褐土性土； Ⅷ灰質(zhì)淋溶褐土； Ⅸ黏質(zhì)中層灰質(zhì)淋溶褐土； Ⅹ石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土； Ⅺ紅土； Ⅻ洪沖積潮棕壤。

圖2 蒙陰縣主要土壤類型估算精度損失

2.2 坡度因子(S)、坡長因子(L)估算精度損失

蒙陰縣L均值為1.082，而1%和4%抽樣密度下L均值為1.111，相對誤差僅2.67%，與全縣基本保持一致。由圖3可知，從坡度來看，全縣以平緩坡為主，其次為斜坡、中等坡和陡坡，平均坡度8.86°；1%抽樣密度以平緩坡、斜坡和陡坡為主，其次為中等坡，平均坡度12.06°；4%抽樣密度以平緩坡和斜坡為主，其次為中等坡和陡坡，平均坡度9.66°。1%抽樣密度下，平均坡度相對誤差36.57%，平緩坡和陡坡的精度損失較大，分別為-16.82%和11.53%；4%抽樣密度下，平均坡度相對誤差11.74%，平緩坡精度損失最大，為-9.33%，其余均小于5%。從坡度因子來看，蒙陰縣S均值3.031，1%抽樣密度S均值為4.046，相對誤差33.48%；4%抽樣密度S均值為3.274，相對誤差8.03%。因此，1%和4%抽樣密度S均偏高，但4%密度精度損失相對較小。

圖3 蒙陰縣坡度估算精度損失

2.3 生物、工程及耕作措施因子(B，E，T)精度損失

B，E，T與土地利用類型和水土保持措施狀況有密切關(guān)系。由圖4可知，從土地利用類型來看，蒙陰縣土地利用以旱梯田、梯田果園為主，其次為防護(hù)林。1%抽樣密度下，以梯田果園為主，其次為旱梯田、用材林和防護(hù)林；各土地利用類型精度損失均小于10%，旱梯田精度損失最大，為-9.04%，其次為用材林損失6.79%，其余各土地利用類型精度損失均小于5%。4%抽樣密度下，以梯田果園為主，其次為旱梯田和用材林；其中旱梯田精度損失最大為-11.46%，其次為梯田果園和用材林，分別為8.81%和5.57%。從工程措施來看，以梯田為主，分為土坎和石坎兩種。通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在1%和4%抽樣密度下，梯田類型均是以土坎梯田為主，梯田質(zhì)量均是以中等質(zhì)量為主，但在4%抽樣密度下梯田質(zhì)量為好和中等的比例略高，梯田質(zhì)量差的比例略低。常見的帶有梯田措施的土地利用類型為旱梯田和梯田果園，占蒙陰縣的48.54%，而在1%密度中占42.17%，在4%密度中占45.89%。剔除水域及水利設(shè)施用地、居民點(diǎn)及工礦用地、交通運(yùn)輸用地及其他土地等不易侵蝕土地利用類型，蒙陰縣B均值0.084 9，1%密度0.091 8，相對誤差8.18%，4%密度0.094 0，相對誤差10.69%；全縣E均值0.486 5，1%密度0.600 7，相對誤差23.46%，4%密度0.559 8，相對誤差15.07%；蒙陰縣T均值0.817 8，1%密度0.907 2，相對誤差10.94%，4%密度0.851 2，相對誤差4.08%。

注： 1水澆地； 2坡耕地； 3旱梯田； 4旱平地； 5坡地果園； 6梯田果園； 7平地果園； 8用材林； 9防護(hù)林； 10灌木林地； 11其它林地； 12草地； 13居民點(diǎn)及工礦； 14交通運(yùn)輸用地； 15水域及水利設(shè)施用地； 16其他土地。

圖4 蒙陰縣土地利用估算精度損失統(tǒng)計(jì)

2.4 兩種抽樣密度對土壤侵蝕估算精度的影響

采用柵格計(jì)算法計(jì)算，蒙陰縣水土流失面積比33.90%(基準(zhǔn)值)，以輕度侵蝕為主。通過對各抽樣單元土壤侵蝕狀況統(tǒng)計(jì)，1%密度各抽樣單元水土流失面積比2.00%～86.77%，平均51.47%，中位數(shù)52.42%，其中10個抽樣單元水土流失面積比高于基準(zhǔn)值，占總單元數(shù)的71.43%；4%密度下各單元水土流失面積比2.00%～91.06%，平均45.36%，中位數(shù)47.43%，其中40個抽樣單元水土流失面積比高于基準(zhǔn)值，占總單元數(shù)的64.52%。

采用基于野外調(diào)查單元的單元插值外推法進(jìn)行估算全縣土壤侵蝕時，1%密度下水土流失面積比53.63%，比全縣高19.73%；4%抽樣密度下水土流失面積比45.67%，比全縣水土流失面積比高11.77%。由于野外調(diào)查單元內(nèi)土壤侵蝕因子偏高，對單元插值外推法推算的土壤侵蝕結(jié)果影響較大。

3 討 論

(1) 趙維軍等[13]在陜北吳起縣研究發(fā)現(xiàn)1%和4%抽樣密度土地利用、坡度和坡長因子精度損失均小于5%，按照1%抽樣密度調(diào)查土壤侵蝕因子既能保持精度又能減少工作量。但是本研究中1%和4%抽樣密度土壤侵蝕因子都有不同程度的損失，精度損失最大值分別為-16.82%(平緩坡)和-11.46%(旱梯田)，CSLE模型因子相對誤差最大值分別為33.48%(S)和15.07%(E)，4%抽樣密度精度損失相對較少。這可能與兩個研究區(qū)域地形地貌、土地利用、土壤類型等土壤侵蝕影響因子空間異質(zhì)性有關(guān)。吳起縣屬黃土高原梁狀丘陵溝壑區(qū)，土壤以黃土性土為主，人口密度小(僅37人/km2)，下墊面均質(zhì)化；而蒙陰縣位于魯中南山地丘陵區(qū)，土壤類型以粗骨土為主，人口密度大(344人/km2)，土地利用破碎。因此，二者在土壤侵蝕影響因子空間異質(zhì)性特點(diǎn)有明顯不同，會造吳起縣1%和4%土壤侵蝕因子差異小，而蒙陰縣兩種密度部分因子差異較大。

(2) 在本研究中，野外調(diào)查單元布設(shè)采用分層系統(tǒng)抽樣方法，簡便易行，調(diào)查單元分布均勻，可以摸清縣域整體情況，為土壤侵蝕計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是在低山丘陵區(qū)土地利用破碎、人為活動干擾強(qiáng)烈的復(fù)雜區(qū)域，因土地利用、地形、土壤等土壤侵蝕影響因子空間異質(zhì)性強(qiáng)，可能會導(dǎo)致調(diào)查單元缺少典型性和代表性，造成土壤侵蝕因子精度損失較大，從而影響土壤侵蝕推算結(jié)果。而且當(dāng)縣域內(nèi)出現(xiàn)水土保持重點(diǎn)工程等短時劇烈變化時，分層系統(tǒng)抽樣方法難以具體反映。而典型抽樣是選取一部分具有代表性的對象進(jìn)行調(diào)查，選取結(jié)果不易出現(xiàn)偏差。因此，當(dāng)縣域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)逐步完善之后，能否在此基礎(chǔ)上用典型抽樣代替分層系統(tǒng)抽樣，或者二者有效結(jié)合的方法進(jìn)行調(diào)查，有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 1%抽樣密度CSLE模型因子估算精度損失大，相對誤差2.67%～33.48%，S最高，其次為K和E。S相對誤差高主要受平緩坡和陡坡等影響，K主要受洪沖積潮棕壤、石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土和酸性粗骨土等土壤類型影響，E主要受旱梯田影響。

(2) 4%抽樣密度下CSLE模型因子估算精度損失較小，相對誤差2.67%～15.07%式中：E最高，其次為K和B，E，B主要受梯田果園影響，K主要受紅黏土和石灰?guī)r鈣質(zhì)粗骨土影響。

(3) 受模型因子估算精度影響，兩種密度下水土流失面積均偏高，其中1%密度偏高19.73%，4%密度偏高11.77%。因此，可根據(jù)精度需求和工作量確定合理的抽樣密度。