小流域尺度土壤可蝕性_K值_的變異及不同采樣密度對(duì)其估值精度

1、第26卷第6期2006年12月水土保持通報(bào)Bulletin of So il and Water Conservation Vol.26,N o.6Dec.,2006收稿日期:2006 05 26 修稿日期:2006 07 06 基金項(xiàng)目:淮河流域重點(diǎn)區(qū)域水土流失監(jiān)測(cè)專題研究作者簡(jiǎn)介:楊萍(1979 ,女(滿族,遼寧省撫順人,在讀碩土研究生,研究方向?yàn)?S 技術(shù)及應(yīng)用。E mail:yapi 1998 。通訊作者:潘劍君(1959 ,男(漢族,江蘇省溧陽(yáng)人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)資源環(huán)境與信息技術(shù)應(yīng)用。電話(025小流域尺度土壤可蝕性(K 值的變異及不同采樣密度對(duì)其估值精度的影

2、響楊萍1,胡續(xù)禮1,2,姜小三1,何旭東3,潘劍君1(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇南京210095;2.淮河流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站,安徽蚌埠233001;3.河南省魯山縣水土保持科學(xué)試驗(yàn)站,河南魯山467300摘 要:以觀音寺小流域?yàn)槔?通過高密度采樣,利用EP IC 模型中土壤可蝕性K 值計(jì)算公式計(jì)算了可蝕性K 值,并運(yùn)用逆距離加權(quán)插值方法生成了研究區(qū)的K 值分布圖。經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析表明,在小流域尺度下土壤可蝕性K 值存在很強(qiáng)的空間變異性,其變異系數(shù)達(dá)39.94%。因此,定量監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)流域水土流失時(shí),K 值的這種空間變異性不能忽略。對(duì)不同采樣密度下K 值空間估值精度的評(píng)價(jià)表明,

3、當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)目均勻地減少一半時(shí),即4個(gè)/km 2的樣點(diǎn)密度下,K 值估計(jì)誤差仍然可以控制在25%以內(nèi)。關(guān)鍵詞:土壤可蝕性(K 值;空間變異;采樣密度;小流域尺度文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1000 288X(200606 0035 05中圖分類號(hào):S157Spatial Variability of Soil Erodibility K Value and Influence of SamplingDensities on K Value Accuracy at a Scale of Small WatershedYANG Ping 1,H U Xu li 1,2,JIANG Xiao san 1,

4、H E Xu dong 3,PAN Jian jun 1(1.College of Resour ces and Env ironmental Sciences,N anj ing A gr icultur al Univer sity ,N anj ing,Jiangsu 210095,China;2.Water and Soil Conv er sation M onitor ing Centr al Station of the H uai River Basin ,Bengbu ,A nhui 230003,China;3.L ushan Station of W ater and S

5、oil Conver sation ,L ushan,H e nan 467300,ChinaAbstract:Taking the Guangy insi w atershed as an example,soil erodibility K values w ere calculated using EPIC model at large sam pling densities,and the distribution m ap of K values w as made using inverse distance weig hting spatial interpolation.Cla

6、ssical statistical analyses show sig nificant spatial variability of soil erodibility K values at a scale of small w atershed,the v ariance coefficient of w hich is 39.94%.T herefore,the spatial variability should be taken into account in soil erosion monitoring at a scale of small w atershed.T he r

7、elative error of K values is less than 25%w hen half of the total samples,4sam ples per square kilometer,are taken.Keywords:soil erodibility K Value;spatial variability;sampling densities;small watershed scale 土壤可蝕性(Soil Erodibility 是指土壤是否易受侵蝕動(dòng)力破壞的性能,即土壤對(duì)侵蝕介質(zhì)剝蝕和搬運(yùn)的敏感性1。國(guó)際上通常用K 值來衡量土壤可蝕性,它是評(píng)價(jià)土壤被降雨侵蝕力

8、分離、沖蝕和搬運(yùn)難易程度的一項(xiàng)指標(biāo)2,也是眾多土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型中的必要參數(shù)之一。K 值的研究對(duì)認(rèn)識(shí)土壤機(jī)理和預(yù)測(cè)土壤侵蝕過程,以及合理進(jìn)行土壤侵蝕防治均有極重要的意義。自20世紀(jì)80年代USLE 方程引入以來,我國(guó)學(xué)者對(duì)土壤可蝕性(K 值進(jìn)行了許多研究。如阮伏水3、劉寶元等人評(píng)述了土壤可蝕性指標(biāo)與測(cè)定方法4;卜兆宏5、張科利6、梁音7等人分別用不同的模型計(jì)算了太湖流域蘇皖匯流區(qū)、黃土高原地區(qū)和長(zhǎng)江以南東部丘陵山區(qū)的土壤可蝕性K 值,并分析了其空間分布特征;楊子生等人對(duì)滇東北山區(qū)坡耕地土壤進(jìn)行了3a 實(shí)測(cè),建立起研究區(qū)土壤K 值的修正諾謨公式8。綜合以上研究,可以看出對(duì)K 值的認(rèn)識(shí)持有兩種觀點(diǎn):

9、一種觀點(diǎn)認(rèn)為作為某種土壤易蝕性的衡量指標(biāo),K 值應(yīng)是特定的和惟一的,否則便會(huì)失去評(píng)價(jià)意義;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為K 值存在不惟一性,即存在時(shí)間上、空間上的變化。有關(guān)研究表明,土壤可蝕性K 值受土壤化學(xué)性質(zhì)的影響較小,更多地受土壤物理特性的影響9 10。而土壤物理性質(zhì)即使在同一種土壤條件下也存在明顯的空間變異性6,11 12,故精確定量地監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)區(qū)域土壤侵蝕亦必須考慮這種空間變異性。以往的研究通常是按照土壤類型計(jì)算K 值,忽略了K 值在空間上的變異。本文以觀音寺小流域?yàn)槔?通過高密度采樣,定量分析評(píng)價(jià)了小流域尺度下土壤可蝕性K 值的空間變異特征,并探討了不同采樣密度條件下,對(duì)K 值估值精度的影響,為提高

10、小流域水土流失定量監(jiān)測(cè)精度,加強(qiáng)流域管理提供科學(xué)依據(jù)。1 資料與方法1.1 研究區(qū)概況觀音寺小流域位于河南省淮河上游魯山縣觀音寺鄉(xiāng)境內(nèi),屬淮河流域沙潁河水系。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112!446# 112!456#,北緯33!5137# 33!5524#,小流域面積約為7.3km 2。流域內(nèi)地貌類型屬低山丘陵區(qū),巖性主要有石灰?guī)r、片巖,土壤以坡黃土、立黃土為主,并有少量砂礓立黃土和軟馬骨石土。流域內(nèi)的水土流失以水蝕為主,侵蝕方式多為面蝕。由于坡度較大,植被覆蓋率低,暴雨集中,再加人為活動(dòng)頻繁等因素,容易造成水土流失。1.2 土壤樣品采集與處理2005年10月20日在研究區(qū)采集了59個(gè)土壤樣品,并使用G

11、PS 記錄樣點(diǎn)位置,樣點(diǎn)分布圖見圖1。采集樣點(diǎn)表層0 20cm 的土壤,實(shí)驗(yàn)室測(cè)定土壤機(jī)械組成和土壤有機(jī)質(zhì)含量。土壤機(jī)械組成測(cè)定采取比重計(jì)法13,粒徑分級(jí)為:20.1mm ,0.10.002mm ,<0.002mm;土壤有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用濃硫酸 重鉻酸鉀氧化法14 。圖1 研究區(qū)樣點(diǎn)分布圖1.3 土壤可蝕性K 值的計(jì)算土壤可蝕性研究開始于20世紀(jì)30年代,到目前為止已經(jīng)出現(xiàn)了大量的定量化土壤因子評(píng)價(jià)模型,如美國(guó)通用土壤流失方程USLE 15及其修正模型RU SLE16、侵蝕生產(chǎn)力影響模型EPIC17和土壤水蝕物理過程模型WEPP 18等。在各模型中都提出計(jì)算土壤可蝕性K 值的公式。國(guó)內(nèi)學(xué)

12、者方綱清、郭志民和王小丹等人在研究中采用的就是EPIC 模型的K 值計(jì)算公式。本研究考慮到研究區(qū)域可獲得的基礎(chǔ)資料和數(shù)據(jù),以及計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性和可操作性,也采用了由Williams 等人在EPIC (Erosion Produc tiv ity Impact Calculator 模型中,把土壤可蝕性因子K 值的計(jì)算公式發(fā)展而成的公式:K =0.2+0.3exp -0.0456SAN(1-SIL /100SIL CL A +SIL 0.31.0-0.25CC +exp (3.72-0.95C1.0-0.7SN 1SN 1+exp (-5.51+22.9SN 1(1式中:SAN 砂粒含量(%;S

13、IL 粉粒含量(%;CL A 黏粒含量(%;C 有機(jī)碳含量(%;SN 1=1-SAN /100。將研究區(qū)土壤樣品的測(cè)定結(jié)果代入(1式中,計(jì)算出觀音寺小流域不同樣點(diǎn)的土壤可蝕性K 值。1.4 K 值圖制作方法K 值圖的生成是通過空間插值實(shí)現(xiàn)的,一般借助ArcGIS 中的空間分析模塊Spatial Analyst 來完成。空間插值是將田間測(cè)定間距較大的養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)未測(cè)點(diǎn)進(jìn)行插值,形成間距較小的點(diǎn)數(shù)據(jù)或者不同面積單元的面狀數(shù)據(jù)。目前系統(tǒng)中比較常見的插值分析方法是逆距離加權(quán)插值和克里格插值。逆距離加權(quán)插值是最常用的確定性內(nèi)插方法之一,它認(rèn)為與未采樣點(diǎn)距離最近的若干個(gè)點(diǎn)對(duì)未采樣點(diǎn)值的貢獻(xiàn)

14、最大,其貢獻(xiàn)與距離成反比。它也是一個(gè)全局插值算法,在插值計(jì)算過程中只考慮距離因素,避免了模型選擇不當(dāng)對(duì)插值的影響。本研究中采用逆距離加權(quán)插值法。首先將研究區(qū)110000的地形圖在ArcM ap 進(jìn)行數(shù)字化,得到小流域邊界圖。然后把土壤樣點(diǎn)的可蝕性K 值表導(dǎo)入到ArcM ap 中,進(jìn)行逆距離加權(quán)插值。用土壤可蝕性K 值參加插值過程,Pow er 設(shè)定為2,運(yùn)用可變搜索半徑指定輸入點(diǎn)的數(shù)目12個(gè),設(shè)置輸出柵格的像元為5m %5m,并以研究區(qū)邊界為插值的&中斷線,這樣就會(huì)得到研究區(qū)的K 值柵格圖。最后根據(jù)K 值大小分布情況,將K 值柵格圖進(jìn)行重新分級(jí),用不同顏色表示,生成K 值分布圖。1.5

15、 精度評(píng)價(jià)在計(jì)算土壤可蝕性K 值時(shí),土壤樣點(diǎn)越多,代表性越強(qiáng),誤差越小;但是樣點(diǎn)個(gè)數(shù)過多,則需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。本研究探討了不同采樣密度36水土保持通報(bào) 第26卷?xiàng)l件下對(duì)K 值估值精度的影響,以期找到小流域尺度下合適的樣點(diǎn)密度,減少投入。精度評(píng)價(jià)指標(biāo)選取相對(duì)誤差、平均誤差和均方根誤差(RM SE。首先在采集的59個(gè)土壤樣點(diǎn)中均勻選取50,40,30,20,7(采用公里網(wǎng)格法標(biāo)準(zhǔn)個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值,生成K 值分布圖,插值方法采用逆距離加權(quán)插值法。然后對(duì)剩余樣點(diǎn)的K 值實(shí)測(cè)值與估計(jì)值作相對(duì)誤差分析。最后經(jīng)計(jì)算得到不同采樣密度下的平均誤差與均方根誤差(RMSE,討論分析后得出結(jié)論。(

16、1相對(duì)誤差評(píng)價(jià)。相對(duì)誤差%=(Y i -y i /Y i %100%,其中Y i ,y i 分別為實(shí)測(cè)值與估計(jì)值。(2均方根誤差評(píng)價(jià)。采用國(guó)際上檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)常用的統(tǒng)計(jì)方法均方根誤差對(duì)實(shí)測(cè)值與估計(jì)值之間的符合度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。RMSE 的值越小,表明估計(jì)值與實(shí)測(cè)值的一致性越好,實(shí)測(cè)值與估計(jì)值間的偏差越小。RMSE 可用以下的公式算出:RMSE=(ni=1(Y i -y i 2n式中:Y i ,y i 分別為實(shí)測(cè)值與估計(jì)值;n 樣本數(shù)。2 結(jié)果與討論2.1 土壤可蝕性K 值的描述性統(tǒng)計(jì)經(jīng)計(jì)算得到觀音寺小流域59個(gè)樣點(diǎn)的土壤可蝕性K 值(表1。表1 觀音寺小流域59個(gè)樣點(diǎn)土壤可蝕性K 值編號(hào)經(jīng)度緯度土壤

17、可蝕性K 值編號(hào)經(jīng)度緯度土壤可蝕性K 值1112!442.6#33!5144.3#0.317131112!4420.7#33!5317.9#0.23342112!447.1#33!5146.1#0.128332112!4412.8#33!5318.0#0.12213112!4410.8#33!5153.8#0.395333112!446.9#33!5319.4#0.16704112!4413.6#33!5159.0#0.249934112!441.1#33!5320.7#0.18575112!4410.8#33!524.6#0.154735112!4419.3#33!5345.6#0.0408

18、6112!449.6#33!5214.6#0.134636112!4417.1#33!5330.8#0.09357112!448.0#33!5228.9#0.268537112!4426.0#33!5341.6#0.20648112!4411.8#33!5239.5#0.208638112!4433.3#33!5341.4#0.12209112!4417.3#33!5244.0#0.209939112!4432.5#33!5347.5#0.129610112!4428.4#33!5249.6#0.351340112!4440.4#33!5354.9#0.226911112!4437.7#33!

19、5252.0#0.163341112!4432.9#33!540.4#0.214812112!4447.3#33!5258.9#0.086742112!4427.6#33!544.8#0.110413112!4444.5#33!537.9#0.367843112!4424.8#33!5411.7#0.109114112!4441.6#33!5315.6#0.131644112!4445.6#33!542.9#0.328815112!4410.6#33!5253.5#0.263645112!4433.9#33!5418.9#0.170916112!442.6#33!525.2#0.1066461

20、12!4436.7#33!5420.0#0.271417112!4459.7#33!5215.3#0.212347112!4449.8#33!5416.4#0.288318112!443.0#33!5216.9#0.157348112!4451.7#33!5421.7#0.295719112!4457.2#33!5224.5#0.266649112!4450.4#33!5426.9#0.319220112!4449.7#33!5231.1#0.294350112!4442.7#33!5420.2#0.329721112!4457.2#33!5233.2#0.235451112!4433.6#3

21、3!5440.2#0.311122112!4456.9#33!5241.7#0.327152112!4439.8#33!5432.5#0.283323112!441.5#33!5236.1#0.150353112!4457.2#33!5411.1#0.131124112!4458.3#33!5252.8#0.155554112!4456.5#33!542.8#0.236325112!4459.8#33!5248.3#0.223055112!4449.4#33!5358.2#0.105126112!444.0#33!539.6#0.168256112!4447.4#33!5351.9#0.103

22、027112!4410.6#33!5310.2#0.170557112!4442.4#33!5342.2#0.295328112!4424.0#33!535.6#0.294558112!4443.4#33!5335.8#0.238429112!4429.6#33!5311.3#0.122159112!4436.5#33!5325.5#0.200230112!4428.4#33!5320.6#0.339537第6期 楊萍等:小流域尺度土壤可蝕性(K 值的變異及不同采樣密度對(duì)其估值精度的影響按經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法分析,得出土壤可蝕性K 值的統(tǒng)計(jì)特征值(表2。其均值為0.2123;變化范圍為:0.04080

23、.3953,可見,其測(cè)定值變化很大;其標(biāo)準(zhǔn)差為0.0848;變異系數(shù)為39.94%。按照反映離散程度變異系數(shù)的大小,可粗略分為3級(jí):弱變異性,C V <10%;中等變異性,C V =10%20%;強(qiáng)變異性,C V >20%。研究區(qū)變異系數(shù)大約為40%,說明土壤可蝕性K 值存在很強(qiáng)的變異性,因此不能忽略K 值的這種空間變異。表2土壤可蝕性K 值統(tǒng)計(jì)特征值中的其它統(tǒng)計(jì)特征值都與均值有關(guān),因此,這些統(tǒng)計(jì)值只能在一定程度上反映樣本總體,但是不能反映出樣本是否具備獨(dú)立性與相關(guān)性,解決這一問題的方法是進(jìn)一步研究樣點(diǎn)K 值的空間變異性。表2 土壤可蝕性K 值統(tǒng)計(jì)特征值樣本特性樣點(diǎn)數(shù)最小值最大值中

24、數(shù)均值極差方差標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)/%K 值590.04080.39530.20990.21230.35450.00720.084839.942.2 研究區(qū)土壤可蝕性K 值的空間分布特征研究區(qū)土壤可蝕性K 值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及不同類型K 值分布面積見表3,59個(gè)樣點(diǎn)插值生成的K 值分布圖見圖2。表3 研究區(qū)土壤可蝕性K 值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及不同類型K 值分布面積 較易侵蝕土0.25001.971327.01圖2 觀音寺小流域K 值分布圖(59個(gè)樣點(diǎn)研究區(qū)土壤的K 值變化范圍為0.04080.3953,均值為0.2123。K 值的大小表示土壤抗侵蝕能力的強(qiáng)弱,K 值越大,抗侵蝕能力越弱;反之,K 值越小,抗侵蝕能力越

25、強(qiáng)。研究區(qū)土壤可蝕性K 值的空間分布特征為:難侵蝕土所占流域面積最小,為8.80%;較難侵蝕土和較易侵蝕土占流域面積的比重相差不多,而易侵蝕土占流域面積最大,為39.27%。2.3 不同采樣密度對(duì)K 值估值精度的影響為了研究不同采樣密度條件對(duì)K 值估值精度的影響,在研究區(qū)的59個(gè)樣點(diǎn)中均勻選取50,40,30,20,7個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,生成K 值分布圖。把剩余樣點(diǎn)作為檢驗(yàn)樣點(diǎn),計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的相對(duì)誤差、平均誤差與均方根誤差(RMSE(表4。表4 不同采樣密度對(duì)K 值精度的影響樣點(diǎn)/52295.230.9046.990.0988由表4不同采樣密度對(duì)K 值精度的影響可以看出,當(dāng)插值數(shù)目為50和40

26、個(gè)時(shí),誤差較小,RM SE 也較小,精度較高;當(dāng)插值數(shù)目減少到30個(gè)時(shí),平均誤差為24.80%,RM SE 為0.0571,精度為75.20%;但是當(dāng)插值數(shù)目小于30個(gè)時(shí),精度迅速降低,當(dāng)插值數(shù)目為7個(gè)時(shí),誤差已接近50%?？傊?當(dāng)插值數(shù)目減少時(shí),平均誤差與均方根誤差(RM SE隨之增大(圖3 4,精度也隨之降低。綜合考慮平均誤差與均方根誤差(RMSE的大小可以認(rèn)為:在觀音寺小流域中,采樣點(diǎn)的數(shù)目可以設(shè)定為30個(gè),即4個(gè)/km 2的樣點(diǎn)密度下,K 值估計(jì)誤差可以控制在25%以內(nèi),說明在現(xiàn)有條件下還可以適當(dāng)減少采樣點(diǎn)數(shù),節(jié)約人力、物力。38水土保持通報(bào) 第26卷 圖3 不同采樣密度下K 值的平均

27、誤差圖4 不同采樣密度下K 值的均方根誤差3 結(jié) 論(1在小流域尺度下,土壤可蝕性K 值存在很強(qiáng)的變異性,其變異系數(shù)達(dá)39.94%。因此,定量監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)流域水土流失時(shí),應(yīng)考慮K 值的這種空間變異,以土壤類型計(jì)算K 值可能存在較大的誤差。(3對(duì)不同采樣密度下的K 值進(jìn)行空間估值的精度評(píng)價(jià)表明,在淮河中、上游地區(qū),土壤采樣控制在每1km 2采4個(gè)樣點(diǎn)的密度水平,基本上可以得到較高的采樣精度。對(duì)于這個(gè)水平,再增加采樣密度,對(duì)精度提高已不明顯;若降低這個(gè)密度水平,則會(huì)明顯引起精度問題。適宜的采樣密度,對(duì)于同時(shí)兼顧研究費(fèi)用與研究精度,十分重要。致謝:本文在土壤樣品采集過程中,得到尹黎明、丁飛、楊三平先生

28、的幫助,特此致謝。參考文獻(xiàn)1 Lal R.水土保持學(xué)會(huì),黃河水利委員會(huì)宣傳出版中心譯C.可蝕性和侵蝕性A .北京:科學(xué)出版社,1991.137 146.2 卜兆宏,李全英.土壤可蝕性(K 值圖編制方法的初步研究J.農(nóng)村生態(tài)環(huán)境(學(xué)報(bào),1995,11(1:5 9.3 阮伏水,吳雄海.關(guān)于土壤可蝕性指標(biāo)的討論J.水土保持通報(bào),1996,16(6:68 72.4 劉寶元,張科利,焦菊英.土壤可蝕性及其在侵蝕預(yù)報(bào)中的應(yīng)用J.自然資源學(xué)報(bào),1999,14(4:345 350.5 卜兆宏,楊林章,卜宇行,等.太湖流域蘇皖匯流區(qū)土壤可蝕性K 值及其應(yīng)用的研究J.土壤學(xué)報(bào),2002,39(3:296 300.6 張科利,蔡永明,劉寶元,等.黃土高原地區(qū)土壤可蝕性及其應(yīng)用研究J.生態(tài)學(xué)報(bào),2001,21(10:1686 1695.7 梁音,史學(xué)正.長(zhǎng)江以南東部丘陵山區(qū)土壤可蝕性K 值研究J.水土保持研究,1999,6(2:47 52.8 楊子生.滇東北山區(qū)坡耕地土壤可蝕性因子J.山地學(xué)報(bào),1999,17(增刊:10 15.9 余清珠,師明洲.半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)人工混交林土壤抗蝕性研究初報(bào)J