基于USLE原理和3S技術(shù)的水土流失定量監(jiān)測方法及其應(yīng)用研究*

馬 力 卜兆宏? 梁文廣 夏立忠 彭桂蘭 徐姍姍 王冬梅 鐘 敏

（1 中國科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

（2 江蘇省水利科學(xué)研究院湖泊研究所/江蘇省水利遙感工程研究中心，南京 210017）

（3 江蘇省南京市水利局，南京 210036）

水土流失是造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的重要影響因素。水土流失的產(chǎn)生是由自然因素決定并受到人為因素的影響。包括氣候、植被、土壤、地形等在內(nèi)的自然因素，決定著一個地區(qū)水土流失的產(chǎn)生和發(fā)展，而人為因素是水土流失的外在因素，它既有積極利用、改造自然的控制流失行為，也有過度利用、違背自然的加劇流失行為[1-2］。河湖水庫水質(zhì)富營養(yǎng)化的污染源，很重要一部分來自于由降雨引發(fā)水土流失進(jìn)入水域的泥沙、養(yǎng)分等面源污染[3］。水土流失的監(jiān)測原理與其成因密切相關(guān)，任何一種監(jiān)測水土流失的方法或技術(shù)均必須獲取該區(qū)域自然和人為各項(xiàng)因素的準(zhǔn)確參數(shù)，才有可能準(zhǔn)確解析該地區(qū)水土流失的實(shí)際狀況。近一個多世紀(jì)以來，對于土壤侵蝕和面源污染定量監(jiān)測的基本規(guī)律和方法，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量卓有成效的研究，如通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation, USLE/RUSLE）,水土資源評價工具SWAT（Soil and Water Assessment Tool），農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源模型AGNPS（Agricultural Nonpoint Source）等，經(jīng)過數(shù)十年的修訂完善，均是目前應(yīng)用廣泛的水土流失和面源污染預(yù)測預(yù)報(bào)模型[4-10］。我國學(xué)者近20年來在土壤可蝕性及相關(guān)模型因子的估算[11-12］，基于水蝕預(yù)報(bào)模型（Water Erosion Prodiction Project, WEPP)的應(yīng)用[13］，以及基于GIS與RS技術(shù)在土壤侵蝕模型應(yīng)用等方面做了大量工作[14］。劉寶元等[15-16］以RUSLE為基礎(chǔ)，利用西部黃土高原區(qū)域的土壤侵蝕實(shí)測數(shù)據(jù)，建立了中國土壤流失模型CSLE (Chinese Soil Loss Equation)，并在我國不同區(qū)域得到了很好的應(yīng)用。就不同土壤侵蝕監(jiān)測預(yù)報(bào)模型的應(yīng)用而言，因我國地域遼闊，農(nóng)業(yè)用地的地形、地貌條件和管理方式等與國外具有較大差異，相關(guān)模型計(jì)算和參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)不同地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行不斷修訂和完善，如果直接應(yīng)用現(xiàn)有參數(shù)，則可能使部分區(qū)域的監(jiān)測結(jié)果難以客觀和準(zhǔn)確。因此，基于大量實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開發(fā)完善適用于我國南北方實(shí)際并可大范圍應(yīng)用的水土流失和面源污染定量監(jiān)測方法具有重要意義[17-19］。

本文闡述的水土流失定量監(jiān)測方法于1983—2001年期間提出，受四項(xiàng)國家基金項(xiàng)目支持并在全國各地應(yīng)用，2001年以后又進(jìn)行深入研究、改進(jìn)和完善，被改進(jìn)應(yīng)用的我國各省市或流域的累計(jì)總面積已超過30萬km2[17-22］。該系統(tǒng)方法基于USLE的基本原理，利用我國南北方各水蝕區(qū)水土保持試驗(yàn)站徑流小區(qū)監(jiān)測和標(biāo)樁法開展的土壤流失量及其影響因素周年實(shí)測獲得的大量成套觀測數(shù)據(jù)，建立了類似RUSLE又適宜我國南北方的以3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)為支持的分布式水土流失定量監(jiān)測模型，該模型監(jiān)測年流失量精度接近水文站實(shí)測精度，目前已在我國山東全省山區(qū)、福建泉州市、太湖流域、云南龍川江流域、江西UNDP試區(qū)小流域、江蘇全?。▋纱危?997—2000年和2001—2007年）和涉及北京河北的密云水庫流域（兩次：2001—2002年和2001—2005年）等地得到實(shí)際應(yīng)用[6,18-24］。近年來，通過對土地利用、土壤養(yǎng)分狀況、土壤流失對徑流污染負(fù)荷形成影響的研究，又建立了分布式污染物負(fù)荷監(jiān)測模型，形成了改進(jìn)后的土壤與養(yǎng)分流失綜合監(jiān)測方法[20］。該方法具有操作方便、省時、能快速更新和監(jiān)測精度高的優(yōu)點(diǎn)。它不僅能獲得流域出口或區(qū)域排出的固體和養(yǎng)分污染總量，而且能顯示其固體泥沙和養(yǎng)分污染來源地。

該定量監(jiān)測方法自提出以來，發(fā)表了一系列文章針對各模型因子算式算法和不同監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入闡述[17-29］，但尚缺對該方法進(jìn)行一次總結(jié)性的系統(tǒng)論述。從在我國不同地區(qū)的應(yīng)用效果來看，在1997—2015年期間，對江蘇南京全市區(qū)域內(nèi)各區(qū)縣和各小流域不同年份水土流失分布面積、程度及總量等時空變化狀況進(jìn)行了定量系統(tǒng)監(jiān)測，該方法在南京市的應(yīng)用時間最長并最具代表性[30-31］。因此，本文系統(tǒng)總結(jié)該方法的組成、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理，旨在進(jìn)一步總結(jié)完善該定量監(jiān)測方法體系，為我國水土流失和面源污染一體化定量監(jiān)測提供技術(shù)支撐；另一方面，研究結(jié)果也為今后不同區(qū)域的水土流失防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本監(jiān)測方法在我國山東、福建、云南、江蘇、太湖流域、密云水庫流域和江西UNDP試區(qū)小流域等多地得到實(shí)際應(yīng)用[6,18-22］，其中在南京全市區(qū)域的監(jiān)測應(yīng)用時間最長，最具代表性[30-31］。南京市位于31°14′～32°36′N，118°32′～119°14′E，包括玄武、鼓樓、建鄴、秦淮、雨花臺、棲霞、江寧、六合、浦口、溧水和高淳共11個市轄區(qū)。全市總面積約6 590 km2，其中丘陵崗地面積占全市總面積的58.4%，平原洼地占41.6%（江河湖泊等水面占10.2%）。該市屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫17.8 ℃，日照時數(shù)1 687 h，四季明顯，降水豐沛，年均降雨量1 034 mm，6—9月降雨量占全年的60%～70%。南京市主要水域?yàn)殚L江、秦淮河、水陽江、滁河、固城湖和石臼湖等，總蓄水量約4.28億m3[30-31］。

1.2 數(shù)據(jù)資料獲取與分析

本項(xiàng)監(jiān)測工作選擇的雨量代表站是南京下關(guān)、六合和天生橋站，境內(nèi)外共39個雨量一般站。根據(jù)各代表站獲得降雨特征數(shù)據(jù)計(jì)算出各次降雨的侵蝕動能E、降雨侵蝕力R值和I30B、汛期月份，進(jìn)而獲得代表站和一般站的R值。監(jiān)測所使用的行政區(qū)界圖、DEM圖、土壤圖、土地利用圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或紙圖均由南京市水利局提供。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)圖分別使用了2000年4月接收的南京地區(qū)TM遙感數(shù)據(jù)、2008年4月接收的中巴資源衛(wèi)星CCD遙感數(shù)據(jù)和2014年5月1日接受的我國環(huán)境衛(wèi)星HJ遙感數(shù)據(jù)。水土流失強(qiáng)度分級采用中華人民共和國水利部批準(zhǔn)的《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》（SL190-2007）。獲得的所有數(shù)據(jù)資料通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行匯總分析。

1.3 定量監(jiān)測方法原理、組成與實(shí)現(xiàn)

水土流失定量監(jiān)測方法所采用的模型因子算式算法較能反映水土流失和面源污染的成因，它不僅具備3S技術(shù)特征，而且具有更為快速、準(zhǔn)確和一體化監(jiān)測水土流失和面源污染的功能。該水土流失的定量新方法基于三條基礎(chǔ)原理：（1）以實(shí)測數(shù)據(jù)建立監(jiān)測模型與模型因子算式的原理；（2）以遙感（RS）與非RS數(shù)據(jù)圖的復(fù)合配置配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)流失量監(jiān)測的原理；（3）以與水文站實(shí)測數(shù)據(jù)對監(jiān)測結(jié)果檢驗(yàn)較為客觀公正的原理。該方法主要由水土流失定量監(jiān)測預(yù)報(bào)模型、面源污染監(jiān)測模型、模型因子算式算法原則及其軟件、DEM精度評價新方法、GPS快速實(shí)測更新GIS的實(shí)用方法和監(jiān)測結(jié)果建庫查詢法等幾項(xiàng)內(nèi)容組成[17-18,20,25,28］。

（1）土壤年流失量A監(jiān)測模型

式中，A為土壤年流失量，單位t·km-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，單位MJ·mm·hm-2·h-1·a-1；K為土壤可蝕性因子，單位t·hm2·h·hm-2·MJ-1·mm-1；LS為地形的坡長因子L與坡度因子S之積，無量綱單位；CP為植被、作物覆蓋因子C與水保措施因子P之積，無量綱單位；f為轉(zhuǎn)換系數(shù)100，將土壤流失量A的單位t·hm-2·a-1轉(zhuǎn)換為我國常用單位t·km-2·a-1（由于國際制單位的R值太大和K值太小，故在實(shí)際應(yīng)用中R和K皆采用美國常用單位，即1美國常用單位的R等于17.02國際制單位的R，1美國常用單位的K等于0.1317國際制單位的K，而f為224.2）；i為柵格像元號。該模型形式與美國的USLE相同，但模型因子算式算法系根據(jù)我國各水蝕區(qū)大量實(shí)測數(shù)據(jù)所建，并且是基于柵格像元運(yùn)算，故其算式算法和軟件與USLE有顯著不同[11,25］。主要的變化有以下幾個方面：

R因子的算法：R因子是不同地區(qū)或同一地區(qū)不同年代的侵蝕流失量大小差異的主要決定因素。R因子計(jì)算需收集代表站的降雨自記紙，并按要求摘取符合侵蝕雨標(biāo)準(zhǔn)的各次降雨時段的ΔTj及其雨量Pj和連續(xù)30 min最大雨量P30，再按式（2）和式（3）計(jì)算各次降雨的動能E和R值及各月和年的R值[22, 26-27］。

在確定侵蝕汛期月份后，按式（4）計(jì)算該代表站的I30B年代表值。

按式（5）計(jì)算出代表站和一般站的R值。

式中，Pf為該區(qū)域汛期各月的降雨總量，mm，I30B為該區(qū)代表站的連續(xù)30 min最大降雨強(qiáng)度的年代表值，cm·h-1。代表站按式（3）和式（5）獲得的兩個R值應(yīng)超過85%的一致性，是評價降雨數(shù)據(jù)摘取是否合適和準(zhǔn)確計(jì)算R因子的關(guān)鍵[26］。

K因子的算法：K因子主要由土壤的機(jī)械組成粒級含量（N1，N2）、土壤有機(jī)質(zhì)含量（OM）、土壤結(jié)構(gòu)級別（S）、土壤滲透級別（P）等土壤性狀決定。K因子計(jì)算需利用收集土壤理化分析數(shù)據(jù)。中美兩國土壤的K值變化范圍幾乎相同，因而可采用美國的算式[2,17］。在土壤粒徑分析中，一般缺乏與0.1 mm有關(guān)的數(shù)據(jù)，依據(jù)已有土壤機(jī)械分析數(shù)據(jù)建立2～0.1 mm含量算式和準(zhǔn)確建立結(jié)構(gòu)級別、滲透級別的確定原則是準(zhǔn)確計(jì)算K因子的關(guān)鍵[18, 28］。

LS因子的算法：LS是侵蝕動力的加速因子。我國坡耕地的坡度一般較美國大，而且運(yùn)用坡度因子計(jì)算需考慮0°～90°變化范圍，故不能完全采用USLE的坡度因子算法。待求像元i的坡度θi算式為：

式中，hi為待求像元高程，hj為其鄰像元高程，j有1～8個方向；Di為其與鄰像元間距，為像元邊長或像元邊長。

依據(jù)大量成套實(shí)測數(shù)據(jù)按照不同的像元坡度有θi0°～1.4°、1.4°～3.5°、3.5°～5.14°、5.14°～8°、8°～40.72°和40.72°～90°的坡度因子。Si算式為式（8），像元坡度＜5.14°的Si與USLE基本相同（但因我國谷地平原水田或水澆地皆有地埂，故較其小1/3或1/2）。

其他三種坡度形式均為：Si=Α·Bθi或Si=A·B ·sinθi。其中，坡度θi為5.14°～8°的像元坡度因子算式：

像元坡長算式：

式中，m值隨坡度而變，當(dāng)坡度θi≥5.1 4°時m=0.5；當(dāng)5.14°＞θi≥1.72°時m=0.4；當(dāng)1.72°＞θi≥0.57°時m=0.3；當(dāng)θi＜0.57°時m=0.2。

本方法中像元地形因子LSi計(jì)算已由開發(fā)的專用軟件完成。它需要利用數(shù)字高程模型DEM為輸入數(shù)據(jù)，輸出像元坡度θi圖和像元坡度因子與像元坡長因子乘積LSi圖。該DEM在輸入前必須評價其適用性和高程精度，必要時重新構(gòu)建與評價，因?yàn)樗撬?、水文雨量站位R值、土壤類型圖、土地利用圖和遙感數(shù)據(jù)圖像等能套合配置配準(zhǔn)的幾何校正的依據(jù)基礎(chǔ)。具有專用軟件和獲得適用的DEM，是準(zhǔn)確計(jì)算LSi因子的關(guān)鍵[18,28］。

CP因子的算法：CP因子是侵蝕動力的抑制因子，起著水土保持作用。C、P單個因子值小于或等于1。CPi像元因子積的算法是直接利用遙感數(shù)據(jù)排序特征的賦值算法。在IDRISI系統(tǒng)軟件中利用不同波譜段（藍(lán)430～520 nm，綠520～600 nm，紅630～690 nm和近紅外750～900 nm）遙感數(shù)據(jù)按值選取幾類水體和十幾類植被訓(xùn)練樣區(qū)，并建立各類在各波譜段的標(biāo)識文件和運(yùn)行最大似然分類法獲得遙感分類圖；將土地利用圖歸并為三大類（一大類含水田、水澆地、有埂水平梯地、道路、城鎮(zhèn)居民地、水域等流失量很小區(qū)域，二大類含旱作地、工礦用地、果園、茶園、菜地等土壤擾動流失量較大區(qū)域，三大類含林地、草地、灌木地、裸土、裸巖等荒山自然植被區(qū)域）后，分別以三大地

像元坡長因子算式：類分割遙感分類圖；依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)編制各大類CP賦值文件（一大地類賦值0.0001～0.2，二大地類賦值0.0001～0.6，三大類賦值0.0001～0.45），并運(yùn)行開發(fā)的專用賦值軟件分別運(yùn)算獲得三個地類的遙感分類圖上每類植被覆蓋度的CP值；最后用IDRISI系統(tǒng)的邏輯加將三個賦了CP值的遙感分類圖合并為全監(jiān)測區(qū)的植被覆蓋與保土措施CPi像元因子圖。在IDRISI系統(tǒng)中用0.63～0.69 μm波譜段選準(zhǔn)樣區(qū)并建好賦值文件，是準(zhǔn)確運(yùn)算CPi像元因子圖的關(guān)鍵[18］。

（2）防治強(qiáng)度Y預(yù)報(bào)模型

式中，CP’為確保在降雨侵蝕力周期均值R時土壤年流失量≤500 t·km-2所要求的植被與保土措施因子之積值，數(shù)值為500/(fRKSL)。當(dāng)Yi為負(fù)值時，表明為無需治理區(qū)；反之，則為預(yù)防監(jiān)督區(qū)、需要或急需治理區(qū)[18］。

（3）土壤養(yǎng)分面源污染W(wǎng)sp監(jiān)測模型

土壤養(yǎng)分面源污染(年增量)WSp監(jiān)測模型為[25-26］：

式中，WSp的單位為kg·km-2;Ai為所監(jiān)測i像元被侵蝕進(jìn)入水域的土壤年流失量，單位為 t·km-2；Spj為土壤j種(分別有全氮、全磷、銨態(tài)氮、有效磷)養(yǎng)分在所監(jiān)測土壤利用地類中的含量，全氮和全磷的單位為 g·kg-1，銨態(tài)氮和有效磷的單位為mg·kg-1。

（4）監(jiān)測方法的軟件系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測水土流失的定量方法建立了更符合流失實(shí)際的模型因子算式算法和原則，如LS、K中土壤粒級制轉(zhuǎn)換等算式、DEM構(gòu)建法、R算法和汛期月份的確定原則，均進(jìn)行了改進(jìn)，使得監(jiān)測結(jié)果更符合當(dāng)?shù)貙?shí)況和流失實(shí)際。模型算式算法采用了當(dāng)前通用的軟件系統(tǒng)，主要有ArcView、Arc/Info或ArcGIS和IDRISI，并自行研制了它們之間互相轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)接口的專用軟件。通過運(yùn)行專用軟件，使建立一個區(qū)域（流域或?。┒勘O(jiān)測系統(tǒng)的速度加快、精度更高，也為所建系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和完成每年監(jiān)測的時間縮短為1～2個月。同時，可以完成遙感和非遙感的GIS、GPS數(shù)據(jù)的幾何校正、信息采編、矢柵轉(zhuǎn)換和按模型要求進(jìn)行運(yùn)算，最終獲得定量監(jiān)測結(jié)果和建立信息查詢系統(tǒng)。本方法采用的GPS儀由ArcPad、PDA和GPS接收器自行組裝，實(shí)現(xiàn)GPS與GIS的集成，可直接由4顆以上GPS衛(wèi)星解算WGS84 (World Geodetic System，1984)經(jīng)緯度并轉(zhuǎn)換為北京54坐標(biāo)的新的GIS圖（如土地利用圖），可實(shí)現(xiàn)GIS快速實(shí)測更新。

本方法的軟件系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。方法同時建立了一套定量監(jiān)測結(jié)果的精度評價法，所有水土流失和面源污染的監(jiān)測結(jié)果，均采用與水文站點(diǎn)測流速、流量和采水樣分析后，測算的下排泥沙量、養(yǎng)分污染量，進(jìn)行比較評價，以其相對一致性作為監(jiān)測精度，這樣評價較客觀。此外，還有建立了監(jiān)測結(jié)果的建庫查詢方法，以便于治理應(yīng)用[23,31］。

圖1 水土流失定量監(jiān)測方法軟件系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)原理Fig. 1 Software system and principle used for realization of quantitative monitoring of soil and water losses

（5）模型監(jiān)測結(jié)果的精度評價方法

為評價模型監(jiān)測結(jié)果的精度，除了野外實(shí)地核對監(jiān)測結(jié)果圖是否符合實(shí)際外，主要依據(jù)上下游水文站點(diǎn)水文觀測計(jì)算的輸出泥沙量（Ngc上Ngc下）、養(yǎng)分量（Yfc上Yfc下）進(jìn)行評價。首先，利用上游匯水界線和含上游的下游匯水界線分別統(tǒng)計(jì)出監(jiān)測圖的上游流失總量 A上總、各養(yǎng)分總量Yf上總和含上下游的流失總量A上下游總、各養(yǎng)分Yf上下游總；然后，按式（13）和式（14）計(jì)算泥沙、養(yǎng)分下排系數(shù)和監(jiān)測結(jié)果圖的精度。

2 結(jié) 果

2.1 2001—2015年南京市水土流失狀況變化

采用水土流失定量監(jiān)測方法分析計(jì)算了1997—2015年期間研究區(qū)域包括降雨侵蝕因子R、植被覆蓋和水保措施因子CP、地形因子LS和土壤可蝕因子K值，并獲得了全市區(qū)域的柵格像元圖（圖2），再進(jìn)一步按照模型公式運(yùn)算獲得了全市區(qū)域年水土流失面積和總量數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS軟件，結(jié)合水系、行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)，完成了全市水土流失定量監(jiān)測圖，這里給出2001—2010年和2011—2015年兩個時間段南京全市水土流失總量平均值的定量監(jiān)測圖（圖3）。

圖2 南京市年降雨侵蝕因子R（a）、植被覆蓋和水保措施因子CP（b）、地形因子LS（c）和土壤可蝕因子K（d）值像元圖Fig. 2 Pixel map of rainfall erosivity factor R (a), vegetation cover and soil conservation factor CP (b), slope length factor LS (c) and soil erosibility factor K (d) in Nanjing area

圖3 南京市水土流失總量平均值（a. 2001—2010和b. 2011—2015）的監(jiān)測圖Fig. 3 Monitoring map of mean total soil/water loss (2001—2010 and 2011—2015) in Nanjing area

由南京全市1997—2015年的連續(xù)19年的監(jiān)測結(jié)果（圖4和圖5）得出，全市19年平均輕度以上年水土流失面積863.7 km2，占全市總面積的13.0%；平均微度水土流失面積5091.5 km2，占全市總面積的76.8%；水域面積671.02 km2，占全市總面積的10.2%。全市19年期間的平均年水土流失總量為276.5×104t，其中輕度以上流失量為229.2×104t，占全市流失總量的8 2.9%；微度水土流失量45.3×104t，占全市總流失量的16.4%。南京市輕度以上平均水土流失面積所占比例較小，但水土流失量占總流失量80%以上，而大于80%的區(qū)域?qū)儆谖⒍人亮魇?，其水土流失量則不足全市流失總量的20%。從水土保持角度來看，輕度以上水土流失治理仍是水土流失治理中的重點(diǎn)方向。年際間輕度以上水土流失面積與流失量變化較大，但總體存在下降的趨勢。由圖4和圖5可以看出，在19年期間，1998年輕度以上水土流失面積和流失量為19年中最大（1 509.9 km2和414.3×104t），2013年輕度以上水土流失面積和流失量為19年中最?。?67.2 km2和102.3×104t），水土流失面積、流失量的大小，與年降雨量大小有關(guān)，特別是汛期雨量為決定因素。結(jié)果顯示，19年期間平均極強(qiáng)烈與劇烈水土流失面積分別為39.0 km2和20.2 km2，分別占輕度以上水土流失面積4.5%和2.3%，但水土流失量分別為41.8×104t和50.8×104t，分別占輕度以上水土流失量的18.2%和22.2%，其侵蝕模數(shù)為分級侵蝕量中最大。換句話說僅6.8%的極強(qiáng)烈和劇烈水土流失面積，卻占有輕度以上水土流失量的40%以上。這說明了當(dāng)降雨集中和雨量大的時期，如果生產(chǎn)建設(shè)活動未采取有效水保措施或措施不到位，在全市范圍水土流失等級高和生態(tài)環(huán)境較差的區(qū)域?qū)a(chǎn)量嚴(yán)重的水土流失，進(jìn)而加劇土壤侵蝕和生態(tài)環(huán)境惡化。

R因子均值的變化是全市不同年份的侵蝕流失量大小差異的主要決定因素，由圖6看出，南京市19年期間的R均值有明顯的增大趨勢，這與該地區(qū)氣象要素變化，如降雨量和降雨強(qiáng)度增大有密切關(guān)系，說明在此期間降雨侵蝕力有所增強(qiáng)，而圖4和圖5結(jié)果則反映了水土流失面積和流失總量的降低，這說明了當(dāng)?shù)厮帘３执胧┊a(chǎn)生了明顯效果，在降雨侵蝕力增加的條件下，有效減輕了該地區(qū)的水土流失狀況。而由圖6也發(fā)現(xiàn)，全市不同年份的土壤侵蝕模數(shù)也有隨時間變化增大的趨勢，產(chǎn)生此現(xiàn)象原因是南京市在此19年期間的快速建設(shè)發(fā)展，使土地利用方式發(fā)生了較大變化，在今后的水土流失定量監(jiān)測工作中，應(yīng)當(dāng)注重監(jiān)測區(qū)域土地利用圖的及時更新，以滿足未來新的監(jiān)測工作需要。

圖4 南京市1997—2015年不同等級水土流失面積變化Fig. 4 Variation of soil erosion areas of different erosion levels from 1997 to 2015 in Nanjing area

圖5 南京市1997—2015年不同等級水土流失總量變化Fig. 5 Variation of total soil/water loss from 1997 to 2015 in Nanjing area relative to erosion level

2.2 1997—2015年南京市水土流失治理成效

自1997年開始至今，本項(xiàng)監(jiān)測方法在南京市進(jìn)行了三次監(jiān)測成果的分析（1997—2000，2001—2010和2011—2015）。2011—2015年5年平均流失量與前兩次的結(jié)果相比，輕度以上水土流失面積和流失量均明顯下降（圖7）。與1997—2000年監(jiān)測結(jié)果相比，輕度以上水土流失面積由1288.7 km2降至515.0 km2，減少了60.0%；年土壤流失量由335.6×104t降至166.8×104t，減少了50.3%；結(jié)合前文對1997—2015年南京市R均值變化的分析，這說明近年來，全市水土流失治理措施和水土保持監(jiān)督管理措施加大，成效非常明顯。南京市水土保持不同流失等級監(jiān)測結(jié)果表明，微度水土流失面積由4630.3 km2增加至5403.1 km2，增加了16.7 %，說明了相當(dāng)一部分輕度以上級別的水土流失區(qū)域的土壤侵蝕強(qiáng)度降到微度等級，治理卓有成效；極強(qiáng)烈和劇烈水土流失面積分別由57.6和33.4 km2減少至34.4和15.1 km2，降幅分別為40.2%和53.6%，極強(qiáng)烈水土流失總量分別由62.0和84.4×104t減少至 36.5和37.3×104t，降幅為41.1%和55.8%，說明部分流失等級高和生態(tài)環(huán)境較差區(qū)域的土壤侵蝕也得到了有效控制，這體現(xiàn)了水保措施的實(shí)施和植被覆蓋面積增加帶來的效果。通過實(shí)地調(diào)查驗(yàn)證了監(jiān)測結(jié)果的可靠性，但也發(fā)現(xiàn)南京市范圍一些區(qū)域的開發(fā)建設(shè)和采石、采礦業(yè)對周邊生態(tài)環(huán)境造成的嚴(yán)重破壞，尚未采取有效的根治措施，使得個別區(qū)域的土壤侵蝕和環(huán)境破壞情況加劇，需要引起足夠的重視。

圖6 南京市1997—2015年R均值（a）和土壤侵蝕模數(shù)（b）變化Fig. 6 Variation of mean R value (a) and soil erosion modulus (b) from 1997 to 2015 in Nanjing area

2.3 水土流失定量監(jiān)測結(jié)果的可靠性

在運(yùn)用本方法開展南京市水土流失定量監(jiān)測過程中，保證了GIS、RS和GPS三種技術(shù)的有效結(jié)合，通過實(shí)測采樣點(diǎn)、水文站或段面位置，訂正和配準(zhǔn)已有的圖件，使3S三種數(shù)據(jù)不僅能套合一致，且界線和內(nèi)容更符合當(dāng)?shù)貙?shí)際?；诠腆w泥沙和氮磷養(yǎng)分的面源污染來自流失的土壤，而植被覆蓋率是減少降雨侵蝕土壤的重要因素，故以遙感數(shù)據(jù)像元作為成果運(yùn)算的基礎(chǔ)，不僅充分發(fā)揮了遙感數(shù)據(jù)反映植被信息的優(yōu)勢，而且確保了監(jiān)測結(jié)果的精細(xì)詳盡。模型方法的科學(xué)性以及重視從野外采樣到室內(nèi)化驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理中各環(huán)節(jié)的質(zhì)量查驗(yàn)，確保了所獲監(jiān)測成果有較高的可信度。對于監(jiān)測結(jié)果，采用與上、下游水文站觀測、分析計(jì)算的泥沙與水質(zhì)數(shù)據(jù)比較的方法評價其精度，較其他評價方法更加客觀公正和可信。在監(jiān)測結(jié)果分析中進(jìn)行了野外實(shí)地核對，并與已有前期的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最后與水文實(shí)測泥沙數(shù)據(jù)做出分析。實(shí)地核查表明，凡是中度以上水土流失等級的監(jiān)測數(shù)據(jù)均與實(shí)地基本一致。與水文實(shí)測數(shù)據(jù)的比較分析表明，水土流失的平均監(jiān)測精度達(dá)到了83.36%，土壤全氮流失的平均監(jiān)測精度為78.1%，土壤全磷流失的平均監(jiān)測精度為87.8%。因此，在采用本系統(tǒng)方法獲得的監(jiān)測結(jié)果是合理和可靠的。

3 結(jié) 論

本項(xiàng)水土流失定量監(jiān)測方法是基于通用土壤流失方程（USLE）的基本原理，利用我國南北方各水蝕區(qū)的土壤流失量及其相關(guān)生態(tài)因子的大量實(shí)測數(shù)據(jù)，建立適宜我國南北方的以3S技術(shù)為支持的定量監(jiān)測水土流失方法。該方法建立了更符合流失實(shí)際的模型因子算式算法和原則，監(jiān)測精度和可靠性較高，已在我國山東、福建、江蘇、云南、北京、河北等地累計(jì)應(yīng)用面積超過30萬km2，應(yīng)用效果得到了較好的驗(yàn)證。掌握水土流失定量監(jiān)測方法中各模型因子運(yùn)算的關(guān)鍵操作，是準(zhǔn)確快速完成新老監(jiān)測區(qū)任務(wù)的必要條件。該定量監(jiān)測方法在南京市的應(yīng)用時間最長并最具代表性，在1997—2015年的19年期間，南京全市平均年水土流失總量為276.5×104t，平均輕度以上年水土流失面積863.7 km2，占全市總面積的13.0%。輕度以上水土流失治理仍是南京市今后水土流失治理和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)方向。與2000年之前的監(jiān)測結(jié)果相比，輕度以上，尤其是極強(qiáng)烈和劇烈等級的水土流失面積和年土壤流失總量均有大幅的降低，微度水土流失面積明顯增加，說明近年來南京全市水土流失治理措施和生態(tài)保護(hù)監(jiān)督管理措施有所加大，治理成效非常明顯。

圖7 南京市1997—2015年三次定量監(jiān)測不同流失強(qiáng)度下的流失面積(a)和流失總量(b)Fig. 7 Comparison of the three rounds of quantitative monitoring during the period from 1997 to 2015 in Nanjing area in erosion area(a) and total soil/water loss (b) relative to erosion intensity