水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)問題解析

王愛娟，曹文華

(水利部 水土保持監(jiān)測中心，北京 100055)

2012年，水利部批準(zhǔn)實施《全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目規(guī)劃(2013—2017年)》，水利部水土保持監(jiān)測中心和各流域機構(gòu)監(jiān)測中心(站)對35個國家級重點防治區(qū)(16個國家級重點預(yù)防區(qū)、19個國家級重點治理區(qū))和1個生產(chǎn)建設(shè)項目集中區(qū)(晉陜蒙接壤地區(qū))采用遙感調(diào)查方法開展了連續(xù)5年的水土流失動態(tài)監(jiān)測，掌握了監(jiān)測范圍內(nèi)的水土流失面積、強度和動態(tài)變化情況。2018年，水利部印發(fā)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)規(guī)定(試行)》[1]，采用統(tǒng)一的技術(shù)方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，組織開展了覆蓋全國的水土流失動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測顯示：2018年全國水土流失面積273.69萬km2，其中水力侵蝕面積115.09萬km2、風(fēng)力侵蝕面積158.60萬km2。以下分5個方面就本次動態(tài)監(jiān)測方法相關(guān)技術(shù)問題進行分析說明。

1 動態(tài)監(jiān)測方法特點介紹

2018年水土流失動態(tài)監(jiān)測劃分為重點監(jiān)測區(qū)域、一般監(jiān)測區(qū)域，采用不同分辨率的遙感影像解譯出土地利用類型和水土保持措施，收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量化土壤侵蝕因子，基于土壤侵蝕模型計算土壤侵蝕模數(shù)，按照《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》[2]劃定土壤侵蝕強度，基于計算柵格統(tǒng)計出不同侵蝕類型不同強度等級的水土流失面積。

本次全國水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)方法特點體現(xiàn)在以下幾個方面：一是全國采用統(tǒng)一的技術(shù)方法、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。其中水力侵蝕采用中國土壤流失方程，全國收集了2 881個氣象點的連續(xù)30年日降雨資料計算降雨侵蝕力因子，采用第一次全國水利普查時的土壤可蝕性因子K值，基于1∶1萬或1∶5萬地形圖計算地形因子，基于遙感影像計算監(jiān)測年前3年12個月植被覆蓋度平均值用于量化植被覆蓋與生物措施因子值。二是室內(nèi)解譯與野外調(diào)查相結(jié)合開展工作。在信息提取階段建立的解譯標(biāo)志和解譯圖斑，在野外復(fù)核階段要赴野外進行信息校對，一方面幫助提高解譯圖斑質(zhì)量，另一方面結(jié)合遙感影像解譯和實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)水土流失現(xiàn)象。全國共解譯圖斑約8 476.06萬個，野外驗證圖斑共計278.75萬個，占解譯總圖斑數(shù)的3.29%。三是收集多源數(shù)據(jù)進行復(fù)核驗證。廣泛收集了全國第二次土地利用調(diào)查或地理國情普查數(shù)據(jù)等土地利用年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)，2008年以來的水土保持重點工程設(shè)計、施工、竣工驗收資料，在建生產(chǎn)建設(shè)項目擾動土地資料，省級近期水土流失調(diào)查或動態(tài)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)等，對本次監(jiān)測數(shù)據(jù)進行校正和復(fù)核，進一步保證了數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2 水土流失面積的界定

水土流失面積是指土壤侵蝕量超過容許土壤流失量、侵蝕強度為輕度和輕度以上的土地面積。因為降雨的年際和空間區(qū)域變化，所以一個區(qū)域或地塊會存在豐水年水土流失量大、枯水年水土流失量小，或者同一年份由于降雨的空間分異，導(dǎo)致同一區(qū)域相鄰部分水土流失量差異很大，無法判斷其是否是水土流失地塊、是否應(yīng)該布設(shè)水土保持措施進行治理的問題。本次動態(tài)監(jiān)測中降雨侵蝕力因子R利用收集到的30年序列全國各站點日降水?dāng)?shù)據(jù)，通過R因子計算公式統(tǒng)一計算得到24個半月30年平均降雨侵蝕力因子值，采用克里金法空間插值生成全國10 m或30 m柵格降雨侵蝕力因子數(shù)據(jù)。植被覆蓋與生物措施因子利用監(jiān)測年前3年內(nèi)每年24個半月MODIS歸一化植被指數(shù)(NDVI)產(chǎn)品和1年內(nèi)至少3期TM多光譜影像融合計算得到24個半月30 m空間分辨率的植被覆蓋度，結(jié)合24個半月降雨侵蝕力因子比例計算B因子。土壤侵蝕因子采用多年平均值是為了獲得當(dāng)前氣候周期氣象條件下的水土流失狀況，一是可以科學(xué)判斷一塊地是否是水土流失地塊，二是能夠區(qū)分水土流失分布情況、侵蝕強度等級，為水土流失治理提供決策依據(jù)。

3 年度水土流失量與多年平均土壤侵蝕模數(shù)的區(qū)別

要量化年度水土流失量需要采用當(dāng)年的降雨資料、當(dāng)年的植被覆蓋狀況量化土壤侵蝕因子代入模型計算，或采用當(dāng)年次降雨數(shù)據(jù)、降雨時的植被狀況量化土壤侵蝕量后累加獲得年土壤侵蝕量。將采用多年平均值計算獲得的土壤侵蝕因子代入土壤侵蝕模型獲得的土壤侵蝕模數(shù)，反映的是多年平均土壤侵蝕量或水土流失量。由于所用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為多年平均值，故計算獲得的土壤侵蝕模數(shù)為多年平均狀況，與次暴雨產(chǎn)生的水土流失量不同，不能反映監(jiān)測當(dāng)年水土流失量情況。一年內(nèi)個別場次大暴雨產(chǎn)生的水土流失量對年度水土流失量的貢獻很大，如只需粗略估計年土壤侵蝕量，為簡化計算可以研究確定一個雨量或雨強標(biāo)準(zhǔn)，只計算年度幾次大暴雨產(chǎn)生的水土流失量總和，獲得年度水土流失量估算值。

4 動態(tài)監(jiān)測與全國水土流失普查的區(qū)別

全國水土流失普查是重要的國情、國力調(diào)查，是水利部專門組織、各級水行政主管部門共同實施的全國性大規(guī)模基礎(chǔ)調(diào)查，間隔一定時間段開展一次[3]，主要反映全國水土流失總體發(fā)展趨勢，為國民經(jīng)濟社會發(fā)展規(guī)劃和宏觀決策服務(wù)，全國采用統(tǒng)一時點、統(tǒng)一技術(shù)方法、統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)精度，普查對象根據(jù)工作需要可包括土壤侵蝕、水土保持措施、侵蝕溝道、崩崗、生產(chǎn)建設(shè)項目等，以全面摸清全國水土流失實際本底狀況。年度水土流失動態(tài)監(jiān)測，由國家級和省級水行政主管部門兩級協(xié)力開展，關(guān)注因人為活動引起的水土流失的變化、不同行業(yè)部門開展的年度水土流失治理面積，主要反映年度水土流失的動態(tài)變化情況，為水土保持目標(biāo)責(zé)任考核、生態(tài)安全監(jiān)測預(yù)警等提供支撐。普查是資源環(huán)境調(diào)查，目的是掌握全國總體情況，動態(tài)監(jiān)測主要是為了反映水土流失治理年度工作成效，發(fā)現(xiàn)和約束人類破壞環(huán)境的違法違規(guī)行為，二者關(guān)注的重點不同。普查間隔一定時間開展可反映因為氣象條件變化引起的植被和生態(tài)環(huán)境的緩慢變化和長期累積效應(yīng)，可修正動態(tài)監(jiān)測成果，為動態(tài)監(jiān)測提供本底數(shù)據(jù)；動態(tài)監(jiān)測以普查本底值為基礎(chǔ)值，每年度開展一次，主要監(jiān)測顯性變化地塊。

5 全覆蓋模型計算需要優(yōu)化的方面

全覆蓋模型計算是在全部解譯出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)土地利用類型和水土保持措施的基礎(chǔ)上，獲取覆蓋全域的土壤侵蝕因子?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，采用模型計算獲得覆蓋全域的土壤侵蝕模數(shù)并進行強度評價[1]。2018年覆蓋全國的動態(tài)監(jiān)測時間緊、任務(wù)重，工作過程中發(fā)現(xiàn)有些方面還需要在今后的工作中加強和優(yōu)化：

一是土壤侵蝕因子需要進一步區(qū)域化。土壤侵蝕模型結(jié)構(gòu)是固定的，即土壤侵蝕受氣象、土壤、地形、植被和水土保持措施影響，但我國地形地貌、氣象等自然因素差異較大，為進一步提高模型計算結(jié)果的精度，不同區(qū)域土壤侵蝕因子值需要有詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做支撐，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠^測數(shù)據(jù)率定獲得適用于當(dāng)?shù)氐耐寥狼治g因子值。其中，土壤可蝕性因子需要長序列的裸地小區(qū)觀測數(shù)據(jù)計算獲得，水土保持措施因子需要規(guī)范的觀測數(shù)據(jù)與未采取措施的相同作物或植被農(nóng)地小區(qū)對比計算獲得。

二是容許土壤流失量的確定。容許土壤流失量是根據(jù)保持土壤資源及其生產(chǎn)能力而確定的年土壤流失量上限，通常小于或等于成土速率。目前采用的土壤侵蝕分級分類標(biāo)準(zhǔn)是基于前期研究結(jié)果于2007年頒布實施的，距今已有十余年時間，而全國的水土保持工作已取得了顯著成效，植被覆蓋和生態(tài)環(huán)境狀況明顯好轉(zhuǎn)，因此標(biāo)準(zhǔn)中的容許土壤流失量與當(dāng)前各地水土流失實際狀況存在一定差異，如石漠化地區(qū)容許土壤流失量過高等。各強度等級分級標(biāo)準(zhǔn)的土壤侵蝕模數(shù)較大會導(dǎo)致輕度侵蝕面積占比較大，因此需要進一步研究確定不同侵蝕類型區(qū)的容許土壤流失量。

三是全國水土流失分布規(guī)律的深度挖掘分析。動態(tài)監(jiān)測獲得的全國水土流失面積是基于計算柵格統(tǒng)計的，要全面認(rèn)識不同區(qū)域水土流失的分布規(guī)律，為水土流失預(yù)防、治理提供決策依據(jù)，需要明確水土流失地塊判定標(biāo)準(zhǔn)，明確水土流失地塊和其侵蝕強度，制作流域、省、縣等不同尺度的水土流失分布圖；進一步統(tǒng)計計算不同尺度不同土地利用類型的水土流失各強度等級面積，掌握各土地利用類型水土流失面積情況，為調(diào)整和優(yōu)化土地利用格局提供數(shù)據(jù)支撐；結(jié)合地形數(shù)據(jù)分析不同土地利用類型水土流失分布規(guī)律，研究確定陡坡耕地退耕坡度；根據(jù)石漠化、荒漠化、水土流失區(qū)域劃分，結(jié)合水土流失主導(dǎo)因素提出不同退化類型區(qū)域針對性的治理措施；提出果園、經(jīng)濟林等受人為活動影響較多地類的水土保持措施；根據(jù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的水土流失新現(xiàn)象、分布差異性情況，確定需要治理的水土流失重點區(qū)域，為“十四五”規(guī)劃編制做好前期準(zhǔn)備工作。

四是開展智能自動解譯技術(shù)方法研究。水土流失動態(tài)監(jiān)測與國土調(diào)查關(guān)注權(quán)屬、林業(yè)調(diào)查關(guān)注林地資源等行業(yè)關(guān)注重點不同，主要是從量化水土流失、解譯水土保持措施方面考慮，故將國土部門頒布的土地利用類型分類進行了調(diào)整。全覆蓋的年度動態(tài)監(jiān)測任務(wù)很重，每年度開展又具有一定的重復(fù)性，故可在日常工作中累積建立規(guī)范、充分的解譯標(biāo)志庫，開展梯田、裸巖、裸土等特征明顯的圖斑智能自動解譯技術(shù)研究，不斷提高工作效率。