全国与区域水土流失抽样调查方法

全国与区域水土流失抽样调查方法刘宝元，谢云，曾宪勤北京师范大学，地表过程与资源生态国家重点实验室，地理学与遥感科学学院，北京100875中国2007年11月12日摘要：水土流失监测能够为水土流失现状评价及发展趋势预测提供基础信息，传统方法无法实现对大区域的监测。本文在回顾国内外区域水土流失监测方法发展历程的基础上，提出我国与区域水土流失监测宜采用抽样调查方法。详细论述了该方法的抽样设计方案与野外数据采集方法，提出了区域及全国水土流失估算的基本思路，指出了应该进一步开展的工作。关键词：水土流失监测，抽样调查，抽样单元，土壤侵蚀，土壤流失量1目的意义水土流失调查是通过对某一区域影响水土流失发生发展过程的自然和人为因素的调查与分析，确定该区域水土流失现状与治理状况，综合评价水土流失发生的原因、程度、分布规律、及其影响等，可以回答诸如：土壤侵蚀正以什么样的速度进行？土地退化究竟有多严重？由于水土流失导致的面源污染及其危害有多大？目前的土地利用对土壤侵蚀的发生与发展有何影响？水土保持措施的效果如何等一系列问题，从而为制定科学有效的土地利用规划和水土保持规划提供理论依据。目前区域水土流失监测主要有三类：（1）抽样调查。按一定原则和比例在区域范围内抽样，调查抽样单元或地块的侵蚀因子状况，再利用土壤侵蚀预报模型估算土壤流失量，进而根据不同目的进行各层次管理或自然单元汇总。该方法以美国为代表，在1977-1997年间每隔5年进行一次，共进行了5次。从2000年开始每年进行；（2）整体网格估算。按一定空间分辨率将区域划分网格（网格大小取决于可获得数据的空间分辨率），基于GIS技术支持，利用土壤侵蚀预报模型估算各网格土壤流失量，进而根据不同目的进行不同层次的单元汇总。该方法以澳大利亚和欧洲各国为代表，从上个世纪末期开始进行。（3）遥感调查。基于遥感影像资料和GIS技术，选择一定的空间分辨率，利用全数字作业的人机交互判读方法，通过分析地形、土地利用、植被覆盖等因子，确定土壤1侵蚀类型及其强度与分布。该方法以我国为代表，从上个世纪80年代至今进行了三次。整体网格估算可以实现全区域所有地块土壤流失量的计算，但结果的准确度和可信性较差。因为目前一般采用1km×1km网格，由于网格尺度较大，已经无法真实地反映水土流失影响因子的实际情况，难以获得准确的计算结果。实际上利用土壤侵蚀预报模型估算土壤流失量的适宜地块尺度是：在地形破碎地区，不大于10m；在地形比较完整地区，不大于100m。显然1km×1km的网格无法估算出正确的土壤流失因子。而当网格变小以后，要么使工作量剧增，要么无法获取所需要的资料。遥感调查考虑的侵蚀因子有限，无法给出土壤流失速率，只能判断土壤流失的大概趋势。抽样调查不仅能够获得抽样区的土壤流失量，而且可以根据实际情况确定抽样强度，具有准确性和灵活性的特点。综合分析上述各种方法的利弊，建议全国或区域水土流失监测采用抽样调查方法。主要依据如下：（1）按照一定的原则和比例进行抽样调查，不仅可以反映实际情况下自然与人为因素所导致的水土流失特点，而且能够保证监测结果的定量、准确与客观。（2）我国长期土壤侵蚀监测与研究积累已经完全有能力开发土壤侵蚀预报模型，从而为水土流失抽样调查提供技术保证。（3）我国目前已经形成完善的水土保持监测网络，为该方法的实施提供了管理、硬件与基础信息保证。（4）该方法具有相当的灵活性，可根据财力状况和迫切性，确定抽样比例。一般而言，第一次投入较大，以后的动态监测都是以第一次成果为基础，可结合多种数据源尤其是遥感资料进行数据更新。2抽样设计抽样调查是指为了避免不必要的大量工作，利用有限的调查样本对总体特征作出估计和推论。为了提高估计的准确性和精度，必须对抽样单位、抽样方法、抽样数量等进行详细而明确的规定，这就是抽样设计。抽样单位是最基本的调查单元，决定于调查和研究目的。考虑到水土流失特点，应该选择具有一定面积的闭合小流域，面积大小取决于工作总量。抽样方法是具体确定如何选择要调查的抽样单位，一般有顺序抽样，典型抽样和随机抽样等。抽样数量是指要选取的抽样单位数量，又可用抽样比例（或抽样分数）表示，即抽样单位数量与总体单位数量之比。抽样单位的大小与抽样数量的多少决定了抽样调查的总量。理论上说抽样数量越多，抽样单位越大，越有利于提高估计的准确性与精度，但受人力、财力和时间等因素的限制。22.1分层系统抽样方法结合我国面积广大、土壤侵蚀环境复杂的特点，考虑选点的易操作性并避免人为因素影响，采用分层系统抽样方法进行水土流失抽样调查。分层系统抽样有三个基本步骤：（1）将调查的总体区域按一定原则分为同质的若干部分，称为区层。区层数由总体区域的异质性决定。一般同一区层同质程度越高，抽样调查结果的准确性与精度越高；（2）独立地从每一区层按所定抽样数量，根据一定的规则确定抽样对象，分别估算各区层的统计特征；（3）根据各区层的估计值采用加权法估计总体参数。本方法结合我国目前行政县级区域和乡级区域面积的统计特征，并考虑管理上的可操作性和实用性，划分了四级区层，由高到低（或空间分辨率由低到高）分别为：第一级为县级抽样区域，空间分辨率50km×50km，基本代表了我国县域面积的主体特征；第二级为乡级抽样区域，空间分辩率为10km×10km，是将县级抽样区域进一步划分为25个次一级的网格，基本代表了我国乡域面积的主体特征；第三级为抽样控制区域，空间分辩率为5km×5km，是将乡级抽样区域进一步化分为4个次一级的网格。所谓控制是指在每一个5km×5km的网格内都要保证有一个调查点，从而能对水土流失基本状况进行空间上的控制；第四级为基本抽样单元，空间分辩率为1km×1km，是将抽样控制区域进一步划分为25个次一级的网格。2.2确定抽样单元考虑到工作量，按4％抽样，使抽样单元均匀分布，并位于三级抽样控制区域25个网格的中心网格，将其称为中心基本抽样单元。考虑到水土流失只发生在坡地，并以流域为单元产流和汇流，因此确定具体的抽样单元遵循以下原则：（1）中心基本抽样单元如果位于山丘区，在该单元的网格中心点附近选择面积1km2左右的完整小流域；（2）中心基本抽样单元如果位于平原区，则为该中心基本抽样单元本身。以下为表达方便，将所有拟进行抽样调查的地块（山区抽样小流域，平原区中心基本抽样单元）统称为抽样单元。分别以黑龙江省宾县、陕西省安塞县、四川省盐亭县和福建省长汀县为例，根据其总面积，按4%抽样，得到抽样单元数量（表1）。表1抽样数量3省名县名面积（km2）抽样单元数量（个）黑龙江省宾县3864.5160陕西省安塞县2950116四川省盐亭县1647.666福建省长汀县30991252.3提取抽样单元地理信息提取的抽样单元地理信息主要包括：（1）生成抽样区域网格（5km×5km）与中心基本抽样单元分布图（图1）；4ab图1宾县（a）、安塞县（b）、盐亭县（c）、长汀县（d）抽样单元分布（2）提取中心基本抽样单元的地理坐标，包括中心点经纬度坐标和中心基本抽样单元（3）利用中心基本抽样单元所在如果是山丘区，在其dc的四角点经纬度。利用这些信息获得每个中心基本抽样单元的方里网坐标编号（表2），作为每个抽样单元的野外调查编号；同时获得中心基本抽样单元所在1:1万地形图的图幅编号（表2），用于选择抽样单元。1:1万地形图，选定抽样单元：所属1：1万地形图找出中心点附近0.2-1km2的完整小流域；如果是平原区，则为整个中心基本抽样单元覆盖区。对选择的抽样单元进行数字化，用于抽样单元野外调查填图及调查数据信息化。5表2安塞县抽样单元地理信息表中心点经纬度坐标中心点方里网格坐标地形图符编号安塞POINT_XPOINT_YPOINT_XPOINT_Y1：1万1109.1448423597136.55284091751366025004047500J-49-123-(19)2109.2006774887136.55229169410366075004047500J-49-123-(20)3109.2565110696536.55171633395366125004047500J-49-123-(21)4109.0337681610636.59891091035365925004052500J-49-123-(9)5109.0896386048936.59841315485365975004052500J-49-123-(10)6109.1455076413036.59788921554366025004052500J-49-123-(11)2.4准备基本图件主要准备调查区域的1：25万地形图、1：5万地形图和抽样单元1：1万地形图。1：25万地形图主要用于确定区域所有调查样点的分区及主要调查路线，结合交通、县、区、镇界等基本信息部署总体调查时间安排与进度。1：5万地形图主要用于确定每一个抽样单元行车与步行到达路线的选择。根据基本抽样单元中心点经纬度坐标及方里网坐标，判断基本抽样单元的分布位置，结合交通、村庄、明显地物点等确定。抽样单元1：1万地形图即为前述数字化的抽样单元等高线图，制作成带经纬网的地图，打印至A4纸上一式三份，作为野外调查过程中勾绘用的底图（图2）。ab图2抽样单元数字化图63野外抽样单元数据采集抽样单元野外调查的数据主要包括土地利用与植被覆盖、水土保持措施分布、切沟和切沟分布、土壤形状。利用GPS定位，主要绘制在1：1万图上，同时辅以表格记录、照相等。3.1土地利用图与水土保持措施分布图的勾绘以打印在A4纸上抽样小流域的等高线图为底图，勾绘土地利用图和水土保持措施分布图。根据调查单元水土保持措施类型的多寡情况，确定二者是否勾绘在同一张图上。土地利用类型的划分标准依据《全国土地分类》。种植不同作物的农地要分成不同的地块。水土保持措施主要包括三个方面：耕作措施、工程措施以及生物措施，其中耕作措施主要包括等高耕作、沟垄种植、垄作区田、草粮带状间作、轮作等；工程措施主要包括坡面治理工程（梯田），沟谷工程（沟头防护工程、谷坊、小型水库等），小型蓄排引水工程；生物措施因子主要包括土地利用中的退耕还林（草）、鱼鳞坑等。野外勾绘的主要步骤包括：（1）土地利用或水土保持地块关键点勾绘。判断土地利用或水土保持地块形状，并确定能绘出其形状的关键点，用GPS对这些关键点定位，在1：1万小流域地形图上绘出上述关键点的位置（图3）。（2）土地利用或水土保持地块边界勾绘。所有关键点定出后，勾绘出地块的形状。（3）关键点定位信息记录。为了在室内进行野外调查数据数字化时校正勾绘图的位置，在进行关键点定位的同时，将图上标注的土地利用类型或水土保持措施地块的关键点信息在表格中记录下来（表3和图3）。（4）土地利用类型和水土保持措施信息记录。每个地块勾绘完毕后，要在记录表格中(表4)记录土地利用类型编号、土地利用类型、郁闭度/植被覆盖度、水土保持措施。7表3土地利用类型关键分界点信息表基本抽样单元编号：[36597500,4057500]地理坐标编号经度纬度1109.0934653763536.868700700102345表4野外小流域土地利用调查信息表基本抽样单元编号：[36597500,4057500]地点：安塞纸坊沟日期：20070722土地利用类型序号编号种类郁闭度/覆盖度（%）水土保持措施1253居民区——2114玉米地40等高耕作3121苹果园50梯田，宽度5米4141草地40—5132灌木林地45—6131天然林地60—图3土地利用类型及其关键分界点与水土保持措施图3.2浅沟、切沟分布图的勾绘以打印在A4纸上抽样小流域的等高线图为底图，勾画流域内的浅沟和切沟分布。8浅沟和切沟勾绘过程中需要记录切沟号，部分切沟沟头位置的地理坐标，以及切沟的特征，如切沟长度、宽度、深度（上部、中部和下部各一个）等基本信息（表5与图4）。野外勾绘的步骤如下：（1）浅沟与切沟的判别。切沟以不能横过耕作为主要特征，其沟形已不能被耕作消灭。纵剖面与所在坡面一致，横剖面一般为U或V形。浅沟主要是耕地上的小沟道,