袁 利，張春強，張芷溫，張榮華，高睿瑜

(1.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；2.山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位研究站/山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山東 泰安 271018)

定期調(diào)查并公告水土流失狀況，對客觀反映區(qū)域水土流失治理成效、評價治理效益、編制水土保持規(guī)劃具有十分重要的意義。全國第一次水利普查中，對于水土保持情況采用抽樣調(diào)查[1-2]、土壤侵蝕模型[3]、遙感解譯、資料收集相結(jié)合的綜合普查方法，定量計算水力、風(fēng)力、凍融侵蝕量，依據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)評價土壤侵蝕強度，以掌握全國水土流失及其影響因子狀況，分析全國水土流失動態(tài)變化趨勢，為全國水土保持規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

在2013年水利部辦公廳關(guān)于印發(fā)《全國水土保持規(guī)劃國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)和重點治理區(qū)復(fù)核劃分成果》的通知(辦水?！?013〕188號)中，黃泛平原風(fēng)沙區(qū)是國家級水土流失重點預(yù)防區(qū)之一，涉及河北、河南、山東、江蘇、安徽5省34縣，面積約3.9萬km2，重點預(yù)防區(qū)面積3 281.1 km2。根據(jù)《全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目規(guī)劃(2018—2022年)》要求，自2018年起，淮河水利委員會淮河流域水土保持監(jiān)測中心站采用土壤侵蝕模型(風(fēng)力、水力模型)、遙感解譯、野外調(diào)查與統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法，對淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)進行了水土流失監(jiān)測評價，以掌握區(qū)域水土流失狀況與格局，為淮河流域水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策支持。

1 研究區(qū)概況

淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)位于淮河流域西北部，地處豫魯蘇皖四省交界處，南四湖以西，潁河以北，地理位置在北緯33°56′～35°52′、東經(jīng)113°46′～117°09′之間，是我國重要的糧棉油產(chǎn)區(qū)，包括河南省蘭考縣、杞縣，山東省曹縣、東明縣，安徽省碭山縣、蕭縣，江蘇省豐縣、沛縣等4省16縣，面積2.21萬km2。根據(jù)《全國水土保持區(qū)劃(試行)》，淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)屬于北方土石山區(qū)—華北平原區(qū)—黃泛平原防沙農(nóng)田防護區(qū)，其水土保持主導(dǎo)基礎(chǔ)功能為防風(fēng)固沙與農(nóng)田防護。地貌類型主要為黃泛沖積平原，極少為低山殘丘，總體上地形平坦，自西向東緩慢傾斜。受到歷史上黃河頻繁決口、改道的影響，形成了河灘高地、河間洼地、灘地、背河洼地、緩平坡地或相間分布或縱橫交錯的格局，構(gòu)成了黃泛平原獨特的微地貌。屬中緯度暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，光照充足，雨量適中，年均氣溫14 ℃，春夏季盛行南風(fēng)，秋冬季盛行北風(fēng)，年均風(fēng)速3 m/s，年均降水量600～900 mm，降雨集中于6—9月，雨熱同季，適合多種農(nóng)作物生長。土壤類型主要為潮土、沙土，土壤質(zhì)地多為砂壤土。植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林。農(nóng)田風(fēng)蝕與風(fēng)沙化是黃泛平原風(fēng)沙區(qū)的主要水土流失問題。

2 監(jiān)測方法

2.1 數(shù)據(jù)與處理

本研究主要涉及遙感影像、地形、土壤、氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1.1 遙感數(shù)據(jù)

土地利用和面狀水土保持措施解譯的遙感影像采用GF-1、GF-2、ZY-3全色和多光譜數(shù)據(jù)，分辨率為2 m和16 m，時相為2017年10—12月；植被覆蓋度計算的遙感影像采用2015—2017年分辨率為250 m的MOD13Q1數(shù)據(jù)；表土濕度計算的遙感影像采用2015—2018年分辨率為9 km的SMAP L3數(shù)據(jù)?；贓NVI和ArcGIS軟件，完成遙感數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換、重采樣、裁剪等。遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用CGCS2000坐標(biāo)系，Albers投影。

按照《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》中的土地利用分類，根據(jù)高分遙感影像色彩、形狀、紋理等特征和區(qū)域土地利用實際情況，建立解譯標(biāo)志。采用人機交互解譯方式，提取土地利用數(shù)據(jù)。

2.1.2 地形數(shù)據(jù)

采用區(qū)域30 m分辨率數(shù)字高程模型DEM，進一步提取坡度、坡長等地形信息。

2.1.3 其他數(shù)據(jù)

收集淮河流域土壤類型圖、氣象站風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)矢量化；土壤可蝕性因子、降雨侵蝕力因子、植被覆蓋度修訂系數(shù)采用全國第一次水利普查成果，并根據(jù)最新數(shù)據(jù)進行更新。

2.2 土壤侵蝕模型

2.2.1 風(fēng)蝕模型

根據(jù)區(qū)域土地利用類型和風(fēng)力侵蝕特征，選用耕地、草灌地、沙地等風(fēng)力侵蝕模型[3]，計算風(fēng)力侵蝕模數(shù)。耕地、草灌地、沙地風(fēng)力侵蝕模型計算公式分別為

(1)

(2)

(3)

上式中：Qfa為半月耕地風(fēng)力侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；W為半月表土濕度因子，取值0～1；Tj為半月內(nèi)第j個風(fēng)速等級的累積時間，min；Z0為地表粗糙度，cm；j為風(fēng)速等級序號，在侵蝕風(fēng)速內(nèi)按1 m/s為間隔劃分等級；Uj為第j個風(fēng)速等級的平均風(fēng)速，m/s；Qfg為半月草灌地風(fēng)力侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)；V為植被覆蓋度，%；Qfs為半月沙地風(fēng)力侵蝕模數(shù)，t/(hm2·a)。

2.2.2 水蝕模型

采用中國土壤流失方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)，計算水力侵蝕模數(shù)。計算公式為

A=R·K·L·S·B·E·T

(4)

式中：A為水力侵蝕模數(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為坡長因子；S為坡度因子；B為生物措施因子；E為工程措施因子；T為耕作措施因子。

2.3 侵蝕因子計算

2.3.1 風(fēng)力因子

風(fēng)力因子指不同等級風(fēng)速和不同風(fēng)向?qū)︼L(fēng)力侵蝕的潛在作用力，與臨界侵蝕風(fēng)速和各等級風(fēng)速累積時間有關(guān)[2]。依據(jù)蘭考定位觀測站2013—2018年實測數(shù)據(jù)和王友勝[4]的相關(guān)研究成果，耕地覆蓋度≤10%時，臨界侵蝕風(fēng)速為5 m/s；10%<覆蓋度≤70%時，臨界侵蝕風(fēng)速為7 m/s；覆蓋度>70%時，不產(chǎn)生風(fēng)蝕。草灌地、沙地臨界侵蝕風(fēng)速按《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》取值。風(fēng)力因子計算采用區(qū)域18個氣象站1981—2015年逐日24 h整點風(fēng)速資料，按1 m/s間隔統(tǒng)計臨界侵蝕風(fēng)速以上各等級風(fēng)速的累積時間，插值生成24個半月各風(fēng)速等級的累積時間。

2.3.2 表土濕度因子

表土濕度因子是指土壤表層0～2.5 cm深度范圍內(nèi)含水率抗拒土壤風(fēng)力侵蝕的潛在能力[2]?；陬A(yù)處理后的SMAP衛(wèi)星土壤濕度圖層，將相同半月內(nèi)數(shù)據(jù)取平均，得到全年24個半月的表土濕度因子值。

2.3.3 地表粗糙度因子

地表粗糙度因子指因植被、微地形和農(nóng)田耕作技術(shù)措施導(dǎo)致的零風(fēng)速位置的高度。根據(jù)區(qū)域風(fēng)蝕期(主要為冬春季節(jié))地表覆被類型、蓋度、高度、土地利用方式、地形起伏和微地貌等實地調(diào)查結(jié)果，對有地表覆蓋耕地和無地表覆蓋耕地分別進行賦值。

2.3.4 植被覆蓋度因子

基于MOD13Q1NDVI數(shù)據(jù)計算植被覆蓋度，計算公式為

(5)

式中：FVC為植被覆蓋度，%；NDVImax、NDVImin分別為研究區(qū)NDVI的最大值和最小值；k為經(jīng)驗系數(shù)，在此取值為1。

結(jié)合植被覆蓋度修訂系數(shù)，獲得24個半月植被覆蓋度。確定野外調(diào)查樣區(qū)，利用GPS采集樣區(qū)植被覆蓋度，建立樣區(qū)實測植被覆蓋度與遙感計算植被覆蓋度的關(guān)系，修正計算植被覆蓋度。依據(jù)風(fēng)蝕區(qū)植被覆蓋度分級標(biāo)準(zhǔn)，對植被覆蓋度進行分級。

2.3.5 坡度坡長因子

基于區(qū)域DEM數(shù)據(jù)，采用北京師范大學(xué)開發(fā)的坡度坡長因子計算工具計算坡度坡長因子，并對林草地采用緩坡公式進行修正。

2.3.6 生物措施因子

根據(jù)24個半月植被覆蓋度，結(jié)合24個半月降雨侵蝕力因子的比例，計算園地、林地和草地生物措施因子。對非園地、林地、草地的其他土地利用類型進行查表賦值。

2.3.7 工程措施因子

根據(jù)野外調(diào)查，山丘區(qū)耕地有土坎或石坎水平梯田等水土保持工程措施，根據(jù)工程措施因子賦值表進行賦值；平原區(qū)的水田、水澆地賦值0.102 5。

2.3.8 耕作措施因子

研究區(qū)在全國輪作區(qū)中屬于一級區(qū)黃淮海平原丘陵水澆地二熟旱地二熟一熟區(qū)、二級區(qū)黃淮平原南陽盆地旱地水澆地二熟區(qū)，查耕作措施賦值表獲取耕作措施因子值為0.413。

2.4 侵蝕強度評價

基于ArcGIS，利用模型計算各侵蝕因子，生成30 m柵格侵蝕因子圖層?；谕寥狼治g模型，分別計算風(fēng)力侵蝕模數(shù)、水力侵蝕模數(shù)，按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)進行土壤侵蝕強度評價。依據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》，在綜合分析時，比較每個柵格的水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕強度，僅保留強度高的侵蝕類型；當(dāng)水力、風(fēng)力侵蝕強度相同時，保留風(fēng)力侵蝕強度。利用空間分析功能，統(tǒng)計區(qū)域及縣域水土流失數(shù)據(jù)。

2.5 野外調(diào)查與驗證

選取有代表性的典型地物、解譯中不確定的地塊、生產(chǎn)建設(shè)項目、黃河河道或灌渠兩側(cè)的清淤堆積沙地等，借助無人機航測，進行野外調(diào)查與復(fù)核，驗證解譯標(biāo)志、土地利用類型。針對耕地、林草地，調(diào)查耕作措施、地表粗糙度，測定林草植被覆蓋度、地表含水量。根據(jù)遙感影像，結(jié)合易風(fēng)蝕土壤類型，對風(fēng)蝕發(fā)生區(qū)域、強度進行實地驗證，并對解譯成果進行修正。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用

表1為淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)土地利用面積統(tǒng)計結(jié)果。由表1可知，淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)土地利用以耕地為主，占總面積的61.07%；其次為建設(shè)用地，占22.92%；林地、園地、水域及水利設(shè)施用地、交通運輸用地相對較少，分別占4.41%、4.09%、3.76%、3.41%。其中，耕地以水澆地為主，占耕地面積的96.35%；園地以果園為主，占園地面積的99.15%，主要分布于安徽省碭山縣和豐縣；林地以有林地為主，占林地面積的87.70%，在各縣零星分布；草地以其他草地為主，占草地面積的99.12%，主要分布在安徽省蕭縣東南部和河南省蘭考縣；建設(shè)用地以農(nóng)村建設(shè)用地為主，占建設(shè)用地面積的69.41%。

3.2 植被覆蓋

淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)林草地(含園地)面積為1 929.91 km2，林草覆蓋率為8.74%。其中，碭山縣最高，林草地面積占黃泛平原風(fēng)沙區(qū)林草地總面積的43.89%；通許縣最低，林草地面積占2.19%。林草植被覆蓋總體以高覆蓋為主，高覆蓋面積931.65 km2，占林草地總面積的48.27%；其次為中高覆蓋，占30.69%；中覆蓋、中低覆蓋和低覆蓋較少，分別占12.77%、4.69%、3.58%。

表1 淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)土地利用面積統(tǒng)計

3.3 水土流失

表2為淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)水土流失面積統(tǒng)計結(jié)果。由表2可知，淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)水土流失面積1 715.53 km2，占土地總面積的7.77%，其中：風(fēng)力侵蝕面積1 625.99 km2，占水土流失面積的94.78%；水力侵蝕面積89.54 km2，僅占水土流失面積的5.22%。侵蝕強度以輕度侵蝕為主，占水土流失面積的97.83%；其次為中度侵蝕，占1.00%；強烈、極強烈、劇烈侵蝕面積較少，分別僅占0.78%、0.13%、0.27%。區(qū)域平均侵蝕模數(shù)為556.68 t/(km2·a)，水土流失量約為96萬t。

表2 淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)水土流失面積統(tǒng)計 km2

從空間分布看，輕度侵蝕分布較為廣泛；中度侵蝕集中分布在蘭考縣、中牟縣西部、祥符區(qū)、東明縣西部；強烈及其以上侵蝕主要分布在蕭縣東南部低山殘丘區(qū)。從土地利用分布看，風(fēng)力侵蝕主要發(fā)生在水澆地、沙地，水力侵蝕主要發(fā)生在采礦用地、建設(shè)用地、其他草地、農(nóng)村道路等土地利用類型。

4 結(jié) 語

2018年度淮河流域黃泛平原風(fēng)沙區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)以耕地為主，耕地中水澆地占比最大；林草覆蓋率為8.74%，以高覆蓋為主；水土流失類型以風(fēng)力侵蝕為主，風(fēng)力侵蝕面積占土地總面積的7.37%，侵蝕強度以輕度侵蝕為主，其中風(fēng)力侵蝕主要分布在部分水澆地、沙地，水力侵蝕主要分布在采礦用地、建設(shè)用地、農(nóng)村道路等土地利用類型。

基于多源遙感影像數(shù)據(jù)源，采用風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕模型，結(jié)合野外調(diào)查和資料統(tǒng)計的方法，定量推算區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)，彌補了黃泛平原風(fēng)沙區(qū)風(fēng)力侵蝕動態(tài)監(jiān)測的不足，為進一步掌握區(qū)域水土流失現(xiàn)狀、編制水土保持規(guī)劃提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。但黃泛平原風(fēng)沙區(qū)地處半濕潤地區(qū)，風(fēng)力侵蝕與水力侵蝕交錯分布，耕地、草灌地、沙地等風(fēng)力侵蝕模型不能充分體現(xiàn)區(qū)域?qū)嶋H狀況，如何率定模型參數(shù)，以更準(zhǔn)確掌握區(qū)域風(fēng)力侵蝕狀況，還需要在接下來的動態(tài)監(jiān)測工作中進一步研究。