我国土壤侵蚀的研究现状及趋势分析

我国土壤侵蚀的研究始于20世纪20年代,由当时的金陵大学森林系部分教师在晋鲁豫进行水土流失调查及径流观测,30年代在该校开设土壤侵蚀及其防治方法课程。1933年原黄河水利委员会成立并设置林垦组,从事防治土壤冲刷工作。40年代黄瑞采等学者对陕甘黄土分布、特性与土壤侵蚀的关系等进行了深入的考察研究。次后,相继在天水(1941)、西安、平凉和兰州(1942)、西江和东江(1943)、南京和福建(1945)建立了水土保持实验站,可以说这个时期是我国土壤侵蚀学科发展的初期阶段。

我国大规模开展土壤侵蚀研究并取得重要成果则是从50年代开始的。1957年成立了全国水土保持委员会,先后有20多所高等院校设立了水土保持系或水土保持专业,一些农林水专科学校也相应设立了水土保持专业。特别是1955～1958年的黄河中游水土保持综合考察,取得了一批宝贵的基础资料、图件和成果,黄秉维、朱显谟、席承藩等对黄土高原土壤侵蚀类型、分类原则和土壤侵蚀分区等做了大量开创性的工作,为我国的土壤侵蚀学科奠定了重要基础。

我国土壤侵蚀研究工作,经过几代人长达半个多世纪的努力,积累了大量的调查和观测资料,建立了符合我国自然条件的土壤侵蚀研究方法体系,提出了坡面侵蚀和流域产沙的经验模型,在坡耕地土壤侵蚀过程、土壤抗冲抗蚀性、水力风力两相叠加侵蚀、侵蚀环境演变等方面已经达到或接近世界先进水平。但是我国在土壤侵蚀力学和侵蚀物理模型,坡地水分养分循环迁移等方面还比较薄弱,由于区域自然与社会条件以及可利用资料不同,尤其是坡陡沟深的黄土高原,必须建立我们自己的侵蚀模型。我国刘宝元利用黄土高原侵蚀资料建立的陡坡土壤侵蚀预报子模型(半理论半经验模型)填补了这方面的空白,这预示我国土壤侵蚀预报的良好开端。我们必须加强土壤侵蚀过程内在机制和预报模型的研究。

(1)土壤侵蚀现状研究进展。土壤侵蚀现状是指最近期土壤侵蚀的状况,主要体现为两大指标:其一是土壤侵蚀强度;其二是土壤侵蚀面积。我国土壤侵蚀现状的调查研究起自20世纪50年代,首先因国家编制治黄规划的需要,把查明土壤侵蚀现状列为治黄规划中编制水土保持规划的重要基础。水利部和中国科学院先后组织多次黄河上中游的水土保持综合考察,涉及陕、甘、青、晋、宁、豫、内蒙古7个省(区),总面积约58万km2(科技名词审委会,1998)。鉴于当时的条件有限,主要通过实地普查并结合典型流域、典型区域的详查,以气候、地形、植被、土壤和土地利用等因子的综合分析,进行了土壤侵蚀区划。在此基础上,当时统计估算的黄河上中游水土流失面积为43万km2(包括水蚀和风蚀)。此外,黄河流域自1919年起在干支流已建设了一批水文站,观测河流泥沙的输移规律。通过河流输沙模数及泥沙输移比接近1的分析论证,为研究评价土壤侵蚀强度提供了定量依据。

从20世纪70～80年代初,钱宁和龚时(1981)在研究证实黄河下游河床淤积泥沙主要由大于0.05mm 粗颗粒组成的基础上,提出了水土流失的治理应以多沙粗泥沙产区为重点;并证实泥沙主要产自沟谷,由此确定了以强化黄河上中游蓄水拦泥的坝库工程建设作为减少入黄泥沙的重要措施。

20世纪80年代初,唐克丽等(1986)在重点考察杏子河流域(1486.1km2)土壤侵蚀的基础上,提出了毁林毁草不合理耕垦是现代加速侵蚀的主要原因,坡耕地水土流失量可占总流失量的60%左右。据此,强调了坡耕地应作为治理的重点。

“七五”期间,国家把黄土高原的综合治理开发列入科技攻关项目,由中国科学院组织的黄土高原综合科学考察队对面积为62.4万km2 的黄土高原地区进行了大规模的全面考察。由唐克丽和陈永宗(1990)主持完成的黄土高原地区土壤侵蚀区域特征及其治理途径的考察任务,主要依据土壤侵蚀营力、类型、强度、土地利用及治理途径在一定区域的相似性和区域间的差异性,进行土壤侵蚀分区。在通常划分的水蚀区和风蚀区的基础上,首次划分了水蚀风蚀交错区,并研究证实黄土高原的强烈侵蚀不是发生在降水量最多的地区,而是发生在年降水量为400mm 左右的水蚀风蚀交错区,其中的晋陕蒙接壤区为强烈侵蚀中心,也是黄河下游河床粗泥沙的主要侵蚀产沙区,应作为治理的重中之重。

长江的河流泥沙问题相对来说不如黄河的突出与紧迫,因此水土流失的考察和治理工作起步略晚。20世纪60年代初,根据长江流域全面规划的需要,由中国科学院水土保持研究所朱显谟主持,周佩华等(1986)组织了长江流域水土保持综合考察队,进行了长江流域土壤侵蚀区划的考察研究,全程调查路线累计1万km 余,面积约140万km2,最后完成了长江流域的土壤侵蚀区划图,并初步统计得出,全流域的水土流失面积约36万km2,约占流域总面积的20%;在水土流失面积中,坡耕地约占18%,经济林地约占4%,荒山荒地约占78%。

以上的考察研究只是局限于某些地区或某些流域,从不同角度研究论证了土壤侵蚀的状况及其存在的主要问题,尚不能概括全国土壤侵蚀的面貌。自20世纪70年代后,一些大流域或一些省(区)开始应用航片、卫片进行土壤侵蚀状况的调查。由于缺乏统一的组织和技术规范,一直未能取得反映全国性土壤侵蚀状况的科学数据。1984～1989年,全国农业区划委员会给水利部下达了应用遥感技术调查我国土壤侵蚀现状、编制全国土壤侵蚀图的任务。采用1985～1986年时段的卫片经6年全国性有组织的全面调查研究,最终取得了统一规范下汇总的全国土壤侵蚀现状和土壤侵蚀潜在危险程度的科学数据。

(2)土壤侵蚀状况遥感调查。1992年国务院正式发布了我国土壤侵蚀遥感调查资料,全国水蚀面积179万km2,风蚀面积188万km2,两项合计367万km2,占国土总面积的38.2%。这是我国首次正式发布的土壤侵蚀状况的实际调查结果,也是我国首次应用遥感技术,在统一土壤侵蚀分区、分类、分级基础上,又经统一技术规范而取得的科学数据。以全国各省(区)、各流域编制的1∶500000土壤侵蚀图为基础,分别量算了水力、风力、冻融3种侵蚀类型,微度。轻度、中度、强度、极强度、剧烈6种侵蚀强度,以及无险、较险、危险、极险和毁坏5种土壤侵蚀潜在危险程度各自所占的面积,再加以汇总而成。

此次遥感调查按全国31个省(区)及松辽、海滦河、黄河、淮河、长江、珠江六大流域分别进行了不同侵蚀类型、不同侵蚀强度和不同危险程度的量算统计。以流域为单元的统计,包含了流域内有关省(区)的分别统计;以各个省(区)为单元的统计,包含了境内有关流域的分别统计。最后进行了全国的统计、汇总,取得全国第一次土壤侵蚀遥感调查系列数据。以下列举六大流域轻度以上水蚀、风蚀的面积(表7-4)。

表7-4　六大流域土壤水蚀、风蚀轻度以上面积统计(1992年)单位:万km2

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1995～2000年,在水利部主持下,全国又进行了第二次土壤侵蚀遥感调查,采用1995～1996年时段的TM 卫片,两次间隔时间正好是10年。对比两次遥感调查资料(表7-4),水蚀面积有明显减少,由179 万km2 减为165 万km2,其中强度以上水蚀面积由占水蚀总面积的21.07%减为16.36%;风蚀面积由187.61万km2 增加到191万km2,尤其是强度以上风蚀面积由占风蚀面积的34.98%增加到45.55%(焦居仁,2002)。

20世纪50年代初期,全国各省(区)和六大流域尚未建立统一的侵蚀类型和侵蚀强度的分类、分级的原则和系统,更缺乏定量数据积累,土壤侵蚀调查尚未在全国范围全面展开,主要通过典型区的调查研究进行量算和推算。50年代全国水土保持工作刚起步,尚未形成一定的治理面积,在调查统计水土流失面积时可忽略不计。80年代后期,全国水土流失治理面积总计58万km2,该面积在进行土壤侵蚀调查制图时,不一定能全部反映。其原因是40余年的治理多为分散的、典型小流域的治理,在1∶50万的成像图件的规范图斑中很难全部显现进行量算统计,于是星星点点的治理成效仍被广大水土流失区所淹没。另一方面,能说明治理成效的造林种草面积,实际保存率低,又多为稀疏幼林,遥感解译仍属于轻度以上的侵蚀面积,显然赶不上破坏前林草地控制土壤侵蚀的效应。因此,80年代的土壤侵蚀遥感调查,基本反映了土壤侵蚀呈发展的趋势。不少地区因毁林毁草、陡坡开垦而扩展的侵蚀面积,已超过同期治理面积,且后者保持水土的效益远远赶不上开垦前的林草地。基于上述情况,遥感解译的结果必然呈现水土流失面积增加的趋势。

(3)土壤侵蚀科研进展。关于我国土壤侵蚀学科的发展与进展,主要从土壤侵蚀类型和侵蚀方式、土壤侵蚀定量评价、土壤侵蚀分区、土壤侵蚀预报、土壤侵蚀研究方法、土壤侵蚀危害及其评价和土壤侵蚀防治等方面来进行概述。

1)土壤侵蚀分类。通过多年的研究,建立了较为合理、完善的土壤侵蚀分类系统,将土壤侵蚀主要划分为水力侵蚀、风力侵蚀、重力侵蚀、冻融侵蚀和人为侵蚀,在每一侵蚀类型中进一步划分侵蚀方式。90年代又增加了水蚀风蚀复合侵蚀类型。近年来随着经济的发展,资源开发、工矿建设引起的新的人为加速侵蚀以及城市土壤侵蚀的研究受到了重视。

2)土壤侵蚀分区。20世纪50年代黄秉维采用3级分区方案编制的黄河中游土壤侵蚀分区图,既简明扼要,又突出了重点,沿用至今,对黄土高原水土保持工作起到了重要的指导作用。朱显漠根据黄河中游不同区域和尺度的要求,提出了土壤侵蚀5级分区方案,即地带、区带、复区、区和分区。80年代辛树帜将全国土壤侵蚀类型划分为水力、风力和冻融3个一级区,并将水蚀区分为6个二级区。1984年开展了应用遥感技术编制全国和各大流域土壤侵蚀图(1∶250万和1∶50万),例如,水土保持研究所唐克丽等在系统总结前人研究成果的基础上,编制了黄土高原地区1∶50万土壤侵蚀类型图和土壤侵蚀强度等分区图,明确划分出水蚀风蚀类型区。

3)土壤侵蚀定量评价。降雨是影响侵蚀的主要动力因素之一,在雨滴特性、降雨动能、侵蚀暴雨研究中取得明显进展。提出了适合黄土高原雨滴动能计算公式,探讨了较为通用降雨侵蚀力指标,提出了适合本地区的侵蚀性暴雨标准,得出表土结皮对侵蚀产沙有重要影响的结论,并探讨了影响机理,较为系统研究了坡面细沟侵蚀、浅沟侵蚀的发生发展过程。关于地形因于与坡面土壤侵蚀的关系,一些研究结果表明,存在影响侵蚀的临界坡长及临界坡度,唐克丽等根据浅沟侵蚀发生的临界坡度论证了黄土高原地区的退耕坡度。朱显漠首次将土壤抗侵蚀性分为抗蚀性和抗冲性,并根据黄土的物理特性和抗冲性提出了“全部降水就地入渗拦管”这一水土保持方略。80年代以来关于植被根系对土壤抗冲性的研究取得了重要进展,发现反映土壤抗蚀性的重要指标为风干土的水稳性团粒含量,而土壤腐殖质和物理性粘粒含量是影响土壤风干土水稳性团粒含量的主要指标。

4)土壤侵蚀预报。20世纪70年代主要是引入美国通用土壤侵蚀方程,结合各地自然条件建立适合各地的模型参数指标,其中对降雨侵蚀力指标、标准径流小区选定等进行了修正。80年代,在对单因子进行定量分析研究的基础上,建立了坡面土壤流失量和小流域侵蚀产沙的经验模型。90年代,建立了在地理信息系统支持下的坡面侵蚀预报模型、沟坡侵蚀预报模型和梁坡+沟坡的侵蚀预报模型。

5)土壤侵蚀研究方法。常规的宏观调查法、径流小区法、小流域定位观测法仍是土壤侵蚀研究的主要方法。20世纪70年代以来开展的人工模拟降雨技术在土壤侵蚀机理、土壤侵蚀定量评价和土壤侵蚀动力过程研究中发挥了重要的作用。80年代以来,田均良等首先将稀土元素示踪法与中子活化分析技术引入侵蚀产沙、泥沙搬运、沉积过程和坡面泥沙来源的研究,取得了较好的研究结果,为侵蚀过程的量化研究提供了一种快速有效的研究手段。

6)土壤侵蚀危害及其评价。侵蚀泥沙引起河床淤积抬高、增加洪水灾害早已为人们所认识,尤其是黄河下游。近年来,田间水土保持措施布设、流域水利水保工程规划、区域水土保持生态环境建设以至于社会发展规划、水土保持执法、水土保持及大型工程建设对区域环境的影响评价等,均要求对不同空间尺度水土流失进行定量估算。因此,土壤侵蚀导致土壤退化和土地生产力的丧失已受到普遍重视。

(4)侵蚀预报模型。我国的土壤侵蚀预报模型也分为经验模型和物理基础模型,大多数模型借助国外建模的思想,结合我国土壤侵蚀特点,建立了适合我国土壤特点的土壤侵蚀模型。

1)经验统计模型。自1953年刘善建提出坡面土壤侵蚀量的公式以来,我国学者根据试验资料,建立了不同类型的土壤侵蚀经验模型。特别从20世纪80年代引进通用土壤流失方程,对于我国土壤侵蚀预报与侵蚀模型发展起到了积极的作用。对于坡面侵蚀模型主要参考美国通用侵蚀模型的结构和建模思想,结合我国具体情况而建立了适合不同区域的土壤侵蚀经验模型。如江忠善(1996)以沟间地裸露地基准状态坡面土壤侵蚀模型基础,将浅沟侵蚀影响以修正系数的方式进行处理,建立了计算沟间地次降雨侵蚀产沙量的方程。刘宝元(2001)建立了中国土壤流失方程(CSLE:Chinese Soil Loss Equation),可用于计算坡面多年平均土壤流失量。马志尊(1989)采用USLE 的基本形式,结合MSS影像图对海河流域太行山区土壤侵蚀进行预报,将RS、GIS 等新技术应用于侵蚀产沙的预报,使模型在较大局域的预测中成为可能。张宪奎(1992)通过对大量试验数据的统计分析,建立了黑龙江省土壤流失方程,并确定了方程中诸因子的求算方法和数值及黑龙江省土壤允许流失量。此外,许多学者就美国通用流失方程在我国的适应性方面进行了研究,同时一些学者,如孙立达、杨艳生、周伏建、陈法扬、周佩华等人也提出了相应的经验侵蚀产沙模型。这些土壤侵蚀模型对我国的土壤侵蚀预报研究起到了积极的推动作用。蔡强国等(2003)在回顾土壤侵蚀模型时指出,经验模型仅预测侵蚀结果,不涉及侵蚀过程,不能对侵蚀作用作出理论性解释。

2)物理基础模型。在我国一些学者从击溅侵蚀、坡面水流侵蚀、泥沙运动力学等角度,分析了土壤侵蚀内在机制,并建立了相应的物理基础性模型。王礼先等(1994)从侵蚀的水动力学原理出发,利用一维水流模型,推求出了坡地侵蚀的数学模型,该模型既适合缓坡,亦适合陡坡,既可用于坡度变化的裸坡,又可用于有植被的林地、农地。谢树楠从泥沙运动力学基本理论出发,建立了土壤侵蚀模型。模型中主要考虑了地表裸露率、流域地表的泥沙中数粒径、径流系数、降雨强度、流域坡面的平均长度、流域坡面的平均比降、流域总面积等。包为民(1994)根据黄河中游、北方干旱地区流域的超渗产流水文特征和冬季积雪的累积及融化机制,提出了大流域水沙耦合模拟物理概念模型,分为产流、汇流、产沙和汇沙四个部分;该模型较好地处理了北方干旱、半干旱地区中大流域用下渗曲线计算地面径流中存在的观测资料缺乏、数据处理量太大两大难题,考虑了大流域气候、下垫面因素空间的不均匀性和雨洪径流产沙与融雪径流产沙间的差异,实测资料的模拟表明模型的计算结果较好。汤立群(1996)从流域水沙产生、输移、沉积过程的基本原理出发,根据黄土地区地形地貌和侵蚀产沙的垂直分带性规律,进行水沙演算。蔡强国(1996)在充分考虑黄土丘陵沟壑区侵蚀垂直分带性的基础上,将流域土壤侵蚀模型划分为坡面、沟坡和沟道三个相互联系、相互影响的子模型。在坡面子模型中考虑了地表结皮、坡度、植被覆盖、耕作等因素对坡面径流和侵蚀泥沙的影响。在沟坡子模型中,对径流侵蚀、洞穴侵蚀、沟壁重力侵蚀和泻溜侵蚀进行了不同处理,建立了各自的定量模拟方程。而沟道子模型则根据实测的流域水沙资料,通过多元回归分析及数值优化方法,建立了相应的预报模型,可以较为理想地模拟次降雨引起的土壤侵蚀过程。土壤侵蚀理论模型的建立,在很大程度上依赖于对土壤侵蚀过程和机理的认识,近年来我国学者也开展了大量相关研究,在坡面水流动力特征、细沟侵蚀及其临界水动力条件、坡面挟沙能力等方面取得了部分研究成果,然而我国在该领域的研究仍然比较滞后,研究成果缺乏系统性,因此,我国土壤侵蚀理论模型的发展,有待于更多土壤侵蚀机理方面研究工作的深入开展。蔡强国等(2003)回顾我国物理基础侵蚀模型发展过程时指出了我国侵蚀模型存在的问题。首先对侵蚀过程的描述有待改进,应在实验研究和统计分析的基础上,利用理论分析和实验的方法,研究土壤侵蚀的过程,以土壤的内在理论性质为指标,用定量方法进行描述,以增加模型的通用性。其次,模型的空间分析能力有限。模型的目的是对水土保持和管理提供支持,所以必须在流域尺度而不仅仅在坡面尺度上研究和分析土壤侵蚀和水文过程及其空间变异。为此,应将模型与GIS集成,以便更精确地描述土壤侵蚀在流域内的变异。第三,目前的模型还不能直接利用遥感数据。数据是模型的基础,遥感数据具有动态化和综合性等特征,对较大面积的现代调查和动态监测都是十分有用的,所以现代土壤侵蚀模型必须能直接利用遥感数据。在已建立的土壤侵蚀模型中,关于重力侵蚀产沙的模拟很少见,但重力侵蚀却是侵蚀产沙中重要的一部分,如何将重力侵蚀考虑到模型中去,是当前土壤侵蚀模型中亟待解决的问题。同时,现今的土壤侵蚀模型主要集中在坡面及小流域,对大中流域的研究较少,加大对中大流域的模型研究是今后土壤侵蚀模型研究的重点。总之,与国外相比,我国土壤侵蚀理论模型的研究仍处在初期阶段,模型结构比较简单,模型思路基本都是借鉴国外经验基础上发展起来的,缺乏适合我国国情的土壤侵蚀预报模型。