我国东北黑土区侵蚀沟道的普查方法与成果

李智广，王岩松，刘宪春，刘建祥

(1．水利部水土保持监测中心，100053，北京;2．水利部松辽水利委员会松辽流域水土保持监测中心站，130021，长春)

土壤侵蚀过程包括溅蚀、片蚀和沟蚀［1］，沟蚀表现为地表径流集中冲刷土壤及其母质并下切形成沟道，在土壤侵蚀发展过程中是最严重的一个阶段，它破坏坡面、蚕食耕地，对土地资源危害极大［2］。沟蚀所形成的线性排水排沙渠道为侵蚀沟道［3］。

东北黑土区粮食产量占全国的1/5，是我国重要的商品粮基地。该区水土流失日趋严重，目前每年流失土层厚度为0.3～1.0 cm，按照目前土壤侵蚀速率，40～70年内黑土将流失殆尽［4］，水土流失很大程度上制约了本区经济与工农业生产的可持续发展。侵蚀沟道是土壤侵蚀最严重的表现形式，在黑土区分布广泛，影响巨大。为全面调查东北黑土区侵蚀沟道现状，掌握侵蚀沟道的分布、面积和几何特征，为水土保持生态建设提供决策依据，我国在2010—2012年开展的第1次全国水利普查水土保持情况普查中首次对东北黑土区的侵蚀沟道进行了调查。笔者对本次普查的技术方法与成果进行重点介绍，以期探讨东北黑土区侵蚀沟道提取方法，并为侵蚀沟道治理提供基础信息。

1 普查的对象和范围

东北黑土区侵蚀沟道普查对象为长度不小于100 m、不大于5 000 m的侵蚀沟道;若沟道跨过50 km2小流域，则不作为侵蚀沟道。普查范围涉及内蒙古、辽宁、吉林和黑龙江4个省(自治区)的36个市(地、盟、州)171个县(市、区、旗)，总面积为94.49万km2。普查指标包括侵蚀沟道的起讫经纬度、面积、长度、纵比和类型(分为发展沟和稳定沟)。

2 普查方法与技术规定

东北黑土区侵蚀沟道普查以2.5 m分辨率遥感影像和1∶5万数字线划图(DLG)为主要信息源，采取人机交互的方式进行沟道识别。整个工作过程分为基础资料收集与处理、沟道提取、野外核查、普查登记表填写和数据汇总5个阶段。由省级普查机构完成基础资料收集与处理、沟道提取、普查登记表填写和省内数据汇总工作，县级普查机构负责完成野外核查工作，流域普查机构完成整个区域的省际数据审核、接边和汇总工作。

2.1 基础资料收集与处理

省级普查机构收集完成本省侵蚀沟道普查范围内的2.5 m分辨率遥感影像和1∶5万数字线划图(DLG)。

将遥感影像按照数字线划图的投影进行转换，按省份拼接分别形成全省(自治区)的全图。完成省份全图后，根据设备配备和人员情况分别采取以下工作方式开展侵蚀沟道信息提取工作:一是在服务器和局域网环境下，采用客户端软件在线提取侵蚀沟道，直接形成全省份的侵蚀沟道图;二是分幅裁剪，每幅分别提取侵蚀沟道，再进行接边形成全省侵蚀沟道图。

2.2 沟道提取

侵蚀沟道提取以GIS软件为主要工具采取人机交互的方式进行，分为沟道识别、沟道指标提取、沟道解译矢量图生成3个环节。

2.3 沟道识别

在遥感影像上，侵蚀沟道表现为条状和树枝状，不同发展阶段的侵蚀沟道表现出的颜色、亮度和纹理等特征有所不同。处于发育初期的浅沟在7—8月的影像上表现为白色的细线状(图1(a))。稳定沟的纹理一般比较粗糙，边缘线比较模糊(图1(b))。土壤母质为黄土状物质，机械组成以粉砂、黏粒为主的土壤上侵蚀沟道在影像上则表现为亮白色(图1(c))。

东北黑土区的侵蚀沟道分为发展沟和稳定沟2种类型。可参考1∶5万DLG、侵蚀沟道内植被覆盖，并结合水土流失重点治理情况判断侵蚀沟道类型。稳定沟是指沟谷不再下切加深，沟头、沟边不再发展，植被盖度常大于30%的侵蚀沟道，除此之外的沟道为发展沟。

图1 东北黑土区侵蚀沟道识别图Fig．1 Identification images about erosion gullies in the black soil areas of northeastern China

2.3.1 沟道指标提取

1)沟道面积。建立面图层，沿沟缘线勾画侵蚀沟的形状，计算面图层面积。要求沟道勾绘偏差不超过2个像元(即5 m)，在沟宽低于2个像元时，不勾画沟缘线，在计算沟道面积时利用沟道长度与5 m相乘得到沟道面积。

2)沟道长度。建立线状图层，从主沟或者支沟沟头中心至沟口中心沿沟底中线画线，要求沟道勾绘偏差不超过2个像元(即5 m)，曲线的长度即为主沟或者支沟的长度，一条侵蚀沟道的长度为主沟和各支沟的长度之和。

3)沟道纵比。沟道的纵比为侵蚀沟道主沟沟头和沟口的高差与长度的比值。高差值可以通过2种方法获取:一是在GIS软件中将DLG数据和侵蚀沟道叠加，直接获得沟头和沟口的高程值，从而计算高差;二是利用等高线数据差值的方法获得沟头与沟口高程值，计算高差。

4)起讫经纬度。在GIS软件中可以直接读取沟头或者沟口经纬度坐标。

2.3.2 沟道解译矢量图生成

将提取的侵蚀沟道主沟道图(线图层)、沟道长度图(线图层)和沟道界线图(面图层)生成解译矢量图，并为其赋各指标的属性值，建立空间信息数据库。坐标系采用数字线化图数据坐标系，投影采用地理投影。

2.4 野外核查

在每个县份，随机选取10条侵蚀沟道作为野外核查对象(若某县份侵蚀沟道少于10条，则全部作为核查对象)。打印叠加有侵蚀沟道矢量图、标注相关指标数值的影像图，作为野外核查的图件资料。

对侵蚀沟道的真实性、长度、沟道类型等进行野外核查验证。沟道客观存在、长度误差不超过5%、沟道类型正确，表明沟道提取及矢量图生成合格;否则，应该对沟道提取、类型识别及矢量图等进行修改。

2.5 普查登记表填写

经野外核查合格后，对每条侵蚀沟道填写普查登记表。

2.6 数据汇总

对侵蚀沟道解译矢量图进行省内、省际接边，解决跨界沟道的提取、合并，即:将跨越省级行政边界的同一条沟道连接起来，对达到普查长度下限的沟道进行补充提取，合并后沟道面积超出普查范围的剔除。

为保证统计上的不重不漏，按照补充提取或者合并后的侵蚀沟道沟头所在地确定沟道所在的省份，即:将侵蚀沟道统计在沟头所在的省份。

在全面完成接边、审核后，按照侵蚀沟道类型对东北黑土区、各省份和各流域的侵蚀沟道进行汇总和分析。

3 普查质量控制

侵蚀沟道普查的质量控制按照沟道指标提取、数据填报和成果审核汇总3个阶段进行，其中:沟道指标提取阶段质量控制分别由县级、省级、流域普查机构完成，数据填报阶段由省级普查机构完成，成果审查由流域和国家级普查机构完成。

3.1 指标提取阶段

严格按照要求进行侵蚀沟道提取，对符合要求的侵蚀沟道全部识别，不得遗漏和误判，对每条侵蚀沟道建立属性表并为指标赋值。流域普查机构对省级普查机构提取的结果进行抽查，抽查侵蚀沟道数量不少于总数量的5%。抽查内容包括2方面:一是检查侵蚀沟道识别的正确性，遗漏、误判的侵蚀沟道数量超过2%时需重新识别;二是检查侵蚀沟道勾绘精度，沟道和沟缘线勾绘精度达不到要求(勾绘偏差超过2个像元(即5 m))的图斑数量超过5%时需重新勾绘。

在县级进行野外核查时，提取的沟道与实际沟道长度误差不超过5%时，该侵蚀沟道提取结果为合格，否则为不合格。某县份出现不合格沟道时，须重新提取该县侵蚀沟道。

3.2 数据填报阶段

该阶段的质量控制包括普查员自审、普查指导员复核、省级普查机构审查3个环节。填表人员自审时，要保证普查表指标项填报齐全，保证普查表数据与GIS数据库侵蚀沟道属性表数据一致。普查指导员复核时，要检查普查表指标项填报是否齐全，检查普查表数据填报是否准确。省级普查机构审查采取会审的方式，组织相关专业的专家及国土、水利和水土保持等部门的代表对结果进行论证，必要时可进行现场考察。

3.3 成果审核汇总阶段

省级普查机构初步完成普查工作、向所在流域普查机构提出检查申请后，流域普查机构组织审核、接收和汇总分析工作。审核时，要对数据提取、接边和野外核查等环节进行全面检查，保证数据质量。

1)数据提取。根据省级侵蚀类型区或县级行政区划，按面积均匀抽取不少于5%的影像和DLG，详细审核侵蚀沟道提取情况，检查勾绘精度、漏判和误判情况、数据的完整性和正确性。当漏判、误判的侵蚀沟道数量超过2%时，需要重新识别;当沟道线和沟缘线的勾绘偏差超过2个像元的图斑数量超过5%时，认定为勾绘精度不能达到要求，需要重新勾绘。

2)数据接边。按照各省(自治区)提取侵蚀沟道时的工作单元，抽取不少于10%的工作单元边界，详细审核侵蚀沟道数据接边情况，检查接边处是否存在重复勾绘、1条沟道被截成2条沟道等错误。接边准确率应不小于98%。

3)野外核查。全面检查野外核查工作情况，详细审核野外核查侵蚀沟道的选取、野外核查资料与结论以及数据修正情况等。

在数据检查合格后，开展省际数据接边和汇总分析工作。接边准确率应不小于98%。

在全面进行数据汇总和分析、完成普查报告后，组织自然地理、水土流失、遥感等相关专业的专家及国土、水利、水土保持等部门的代表对侵蚀沟道数量、特征及其分布情况进行论证，然后上报国家级普查机构。

4 普查成果

东北黑土区侵蚀沟道的总数量为29万5 663条，总长度为19万5 512.64 km，总面积36万4 842 hm2，平均沟壑密度为0.21 km/km2。其中:发展沟的数量 26万 2 177条，占 88.67%;长度 16万8 382.36 km，占 86.12%;面积 30 万 3 606 hm2，占83.22%;稳定沟的数量3万3 486条，占11.33%;长度2万7 130.28 km，占13.88%;面积6万1 236 hm2，占 16.78%(表 1)。

表1 东北黑土区侵蚀沟道统计表Tab．1 Quantity of erosion gullies in the black soil areas of northeastern China

从流域分布情况来看，松花江流域侵蚀沟道占区域总数量的75.94%，其中，发展沟占区域发展沟总数量的76.21%，稳定沟占区域稳定沟总数量的73.85%。侵蚀沟道总长度占区域侵蚀沟道总长度的81.93%。侵蚀沟道总面积占区域侵蚀沟道总面积的91.10%。辽河流域侵蚀沟道占区域总数量的24.06%，其中，发展沟占区域发展沟道总数量的23.79%，稳定沟占区域稳定沟总数量的26.15%。侵蚀沟总长度占区域侵蚀沟道总长度的18.07%。侵蚀沟道总面积占区域侵蚀沟道总面积的8.90%。

从各省分布情况来看:黑龙江省侵蚀沟道数量最多，占区域侵蚀沟道总数量的39.08%;辽宁省最少，占15.96%。内蒙古自治区侵蚀沟道长度最长，占56.14%;吉林省最短，占10.11%。内蒙古自治区侵蚀沟道面积最大，占区域侵蚀沟道总面积的58.85%;辽宁省最小，占5.44%。

5 讨论

据中国水土流失与生态安全综合科学考察数据，东北黑土区侵蚀沟道总数量在25万条左右［5］，本次普查结果为29万5 663条，二者数据相近;松辽流域水利委员会在2008—2009年采用实地调查与3S技术相结合对乌裕尔河和诺谟尔河流域的侵蚀沟道进行了调查，结果显示这2个流域沟壑密度为 0.19 km/km2［6］，本次普查该区沟壑密度结果为0.14 km/km2，产生差异的原因主要是本次普查小于100 m和大于5 000 m的侵蚀沟道没有纳入普查范围;中国科学院东北地理与农业生态研究所以SPOT5影像为基础数据，在黑龙江省克东县共提取侵蚀沟道2 246条［7］，本次普查提取侵蚀沟2 445条，二者相差199条。通过数据对比，可以说明本次普查结果较为准确、能够反映出东北黑土区侵蚀沟道的分布情况。

本次普查给出了东北黑土区侵蚀沟道类型划分方法，为编制东北黑土区侵蚀沟道分级分类标准提供了参考。普查获得的侵蚀沟道数量、面积、分布和几何特征等成果对侵蚀沟道治理有一定的借鉴意义。侵蚀沟道在本区分布较多，且发展迅速，建议在不同类型区设立观测场，对不同类型、不同级别的典型侵蚀沟道进行全面监测，掌握和研究侵蚀沟道的发育规律及其对土地资源的危害方式，提出治理方法和模式，为全面控制沟道发育、保护黑土资源提供基础数据。

［1］ 朱显谟．黄土区土壤侵蚀的分类［J］．土壤学报，1956，4(2):99-115

［2］ 陈永宗，景可，蔡強国．黄土高原现代侵蚀与治理［M］．北京:科学出版社，1988

［3］ 景可．黄土高原沟谷侵蚀研究［J］．地理科学，1986，6(4):340-347

［4］ 阎百兴，沈波，刘宝元，等．东北黑土区水土流失与生态安全研究［M］．北京:科学出版社，2007

［5］ 阎百兴，沈波，刘宝元．中国水土流失防治与生态安全:东北黑土区卷［M］．北京:科学出版社，2010

［6］ 李建伟，孟令钦，白建宏．东北典型黑土区侵蚀沟动态监测及实践［J］．东北水利水电，2012(3):4-7

［7］ 王文娟，张树文，邓荣鑫．东北黑土区沟蚀现状及其与景观格局的关系［J］．农业工程学报，2011，27(10):192-198