国外土壤侵蚀研究的现状与未来趋势

世界各国都存在程度不等的土壤侵蚀,有些地区和国家呈发展趋势。第二次世界大战结束以来,在全球的农垦区约有12亿hm2 的土地遭受侵蚀,毁坏了10.5%的肥沃土地。地球上约35%的地区正处于沙漠化。爱护我们共同赖以生存的地球,已成为世界性的呼吁和公约(唐克丽,1999)。1992年在巴西里约热内卢举行的世界环境与发展大会指出,当前区域性和全球性重大环境问题有8项,即臭氧层破坏、全球气候变暖、酸雨范围扩大、淡水污染和短缺、森林资源锐减、野生动植物物种消失、水土流失和沙漠化扩展、有毒化学品和危险物扩展。这8大环境问题相互制约、相互促进。例如,森林资源的破坏可导致水土流失和土地荒漠化迅速发展,从而影响到水资源的短缺、沙尘暴的发生、空气中CO2 含量的增多、生物多样性的消失、生态系统恶化以及旱灾、洪灾加剧等一系列问题,又反馈为土壤侵蚀的加剧和全球环境恶化。因此,防止土壤侵蚀和加强水土保持已成为很多国家的基本国策。

控制水土流失、改善生态环境、力求社会经济持续发展,已成为全世界普遍关注的重大环境问题和人类生存发展的首要问题。国外土壤侵蚀的研究多以坡耕地的水土流失为重点,进行侵蚀量预报。土壤侵蚀预报是有效监测水土流失和评估水保措施效益的重要手段,是农田耕作与管理措施优选的有效工具。自20世纪60年代以来,国内外学者进行了大量研究,并开发了实用的土壤侵蚀预报模型。根据土壤侵蚀模型的建模基础可将侵蚀预报模型分为经验统计模型和物理基础模型。经验统计模型是通过试验观测资料和数理统计理论,分析影响土壤侵蚀的因素间相互关系,进而建立计算土壤流失量数学表达式。物理基础模型以土壤侵蚀的物理过程为基础,利用水文学、水力学、土壤学、河流泥沙动力学以及其他相关学科的基本原理,根据降雨、地形、植被等预知条件的描述土壤侵蚀物理过程,建立具有明确物理意义的描述土壤侵蚀过程的数学模型,进而对不同条件下土壤侵蚀量进行预测预报。

经验模型是通过分析影响土壤侵蚀过程的主要因素间关系,建立降雨特征、径流、植被条件、土壤特征、土地利用方式、耕作方式、水保措施等与土壤侵蚀量间多因子关系。经验公式结构简单,计算方便,具有一定的精度,但是由于经验统计模型是依据实测资料所获得的,缺乏物理成因关系的分析,因此将某一区域和坡面条件下所建立的经验统计模型应用到其他坡面和流域时,特别对与建立模型的基础条件差异比较大的情况,模型的实用性受到限制。虽然经验统计模型具有明显的局限性,但由于土壤侵蚀的复杂性,经验统计模型在土壤侵蚀预报方面仍发挥着巨大作用。

早在19世纪后期,德国科学家Wallny就对坡度、坡向、植被覆盖、土壤类型等影响径流和土壤侵蚀的因子进行了深入研究。美国在1912年开始了土壤流失定量观测,在1917年,Miller在密苏里州农业试验站创建了侵蚀小区。在1940年,Zingg根据实验观测资料建立了单位面积土壤流失量与坡度和坡长的幂函数关系。1941年,Smith在Zingg所建立的公式基础上增加了作物因子C和水土保持措施因子。此后在许多学者的共同努力下,逐渐增加影响土壤侵蚀因子,如土壤可蚀性和管理因子,同时对方程中各因子变化特征进行了深入研究,发展了目前广泛使用的美国通用流失方程。通用土壤流失方程USLE(Universal Soil Loss Equation)是美国研制的用于定量预报农地或草地坡面多年平均年土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型。从1965年美国农业部以农业手册将该方程正式发表以来历经30多年,其间不断修订完善,并在美国乃至世界范围内得到了迅速推广和应用。在土地资源调查、水土保持规划等方面起到了重要的作用。USLE 仅适用坡度小于7% 的坡地,可预报多年平均坡面细沟侵蚀量,主要用于土地利用的规划与评价。USLE的缺陷在于不能预报土壤侵蚀的时空分布,无助于深入了解土壤侵蚀机理。70年代起美国对USLE进行了长达20余年的改进,目前用改进版RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)替代USLE。RUSLE 与传统的USLE 相比加强了计算因子的通用性,如RUSLE使用更广区域的气象资料,还考虑了雨滴的撞击特性,以及下垫面有水层时对暴雨侵蚀力的影响程度;对于土壤可蚀性因子K,RUSLE 不仅考虑了土壤质地、有机物含量、渗透性等土壤固有特性,而且考虑了季节变化特征,并给出了一些特殊类型土壤的可蚀性值;对于地形因子,不仅考虑坡长、坡度,而且考虑了细沟侵蚀与沟间侵蚀作用与差异,以及不同类型坡的组合特征。因此,改进的通用流失方程可以反映不同时期由于自然和人类活动对土壤流失的影响。谢云等(2003)将土壤流失方程的发展历史归结为三个阶段,即以坡度和坡长因子为主要变量的区域性土壤流失方程。土壤流失量表示为坡长和坡度变量的指数关系,其他因子,如作物、土壤、水土保持措施等则隐含在方程中的回归常数;建立包含影响土壤侵蚀6个变量的通用性土壤流失方程,应用区域大大扩大;根据土壤侵蚀规律,对各个因子的计算方法进行不断修正。(www.xing528.com)

物理基础模型依据对土壤侵蚀机制的认识,通过对土壤侵蚀物理过程的定量描述,建立土壤侵蚀过程与影响因素之间的内在函数关系,描述不同条件下土壤侵蚀过程,并预报土壤侵蚀在时空上的变化过程。目前主要依据土壤水分动力学基本理论进行产流计算,利用圣维南方程对坡面流进行描述,利用泥沙运动力学描述泥沙的侵蚀—输移—沉积过程。物理基础模型是依据土壤侵蚀物理过程的描述而建立的,因此便于模型在不同条件的应用与推广。随着土壤侵蚀机制认识的逐步深入,不同类型的土壤侵蚀物理基础模型相继问世。如美国的WEPP、欧洲的EUROSEM 和LISEM 、澳大利亚的GUEST 等模型。其中WEPP 模型是目前国际上最为完整,也是最复杂的土壤侵蚀理论模型,它几乎涉及到与土壤侵蚀相关的所有过程,而LISEM 模型则实现了土壤侵蚀模型与GIS 技术的有效结合,使研究结果更具直观性和可视性。这些物理基础模型主要包括降雨截留、击溅、入渗、产流、分离、泥沙输移、泥沙沉积等水分和泥沙运移的主要过程。但在描述土壤侵蚀过程中所采用的理论基础和公式不尽相同,主要表现在描述土壤分离、泥沙输移及沉积的动力学过程。WEPP 有三个版本,即网格(Grid)、坡面(Hillslope)和流域(Watershed)版。WEPP能较好的预报稳态侵蚀,而实际侵蚀过程是一个随时间变化的瞬态过程。WEPP在应用上的限制主要是模型参数的确定相当困难和陡坡侵蚀预报未很好解决。为了有效反映土壤侵蚀的空间差异,为水土保持规划提供更加有力的支持,近期美国科学家将WEPP与地理信息系统(GIS)相结合,初步开发了GIS支撑下的水蚀预报模型的新版本——Geo WEPP。随着物理基础模型的建立与应用,相应发现一些需要进一步深入探讨的问题,如利用何种指标来正确标志影响土壤侵蚀过程的主要因素及其数学关系等。

目前,土壤侵蚀学科有如下几个发展趋势:水土保持科学已经经历了野外考察、定位观测与室内模拟试验两个阶段,正在向数字化、模式化的新阶段迈进。水土流失定量评价和预报,已经成为水土保持及其数字化的基础;水土保持研究在继续重视定位观测与试验和小流域综合治理研究的同时,向着区域水土保持与生态环境建设研究的阶段发展;从水土保持发展战略看,已经实现了由传统水土保持向现代水土保持与可持续发展的转变。基于坡面和小流域土壤侵蚀预报的研究,对区域土壤侵蚀进行定量评价和预报,将是今后相当一段时期我国水土流失研究的重要方向。从世界土壤侵蚀科学发展看,土壤侵蚀预报模型的开发是世界土壤侵蚀学科的前沿领域,也是引导和集成土壤侵蚀试验研究,促进土壤侵蚀和水土保持科学研究定量化的重要手段。