徑流小區(qū)法監(jiān)測水土流失的百年歷程(1915—2014年)

李 月，周運(yùn)超，白曉永，秦羅義，李盼龍，羅光杰，張斯嶼

( 1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽 550000；2.中國科學(xué)院 普定喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，貴州 普定 562100；3.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所 環(huán)境地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002)

水土流失是導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化和土地生產(chǎn)力下降的主要原因之一[1-2]。作為一項(xiàng)重要的水土保持基礎(chǔ)性工作，水土流失監(jiān)測在實(shí)踐中逐漸發(fā)展起來[3]，成為土壤侵蝕研究的經(jīng)典方法。徑流小區(qū)法是對坡地和小流域水土流失規(guī)律進(jìn)行定量研究的一種重要方法，自1915年誕生到2014年正好是100年。徑流小區(qū)法在水土保持監(jiān)測、科研、示范、推廣等方面做出的巨大貢獻(xiàn)和發(fā)揮的重要作用有目共睹，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，徑流小區(qū)法的監(jiān)測設(shè)備、技術(shù)和方法都有了長足進(jìn)步，有力地促進(jìn)了水土保持理論、技術(shù)、措施和政策的發(fā)展[3]，同時(shí)徑流小區(qū)法也成為從微觀尺度上研究和探索水土流失規(guī)律最有效的方法之一[4-6]。因此，系統(tǒng)了解徑流小區(qū)法在土壤侵蝕監(jiān)測研究中的技術(shù)更新及發(fā)展歷程，對總結(jié)和創(chuàng)新水土流失觀測與評價(jià)方法有著重要的意義。

1 個(gè)體探索階段(1915—1940年)

徑流小區(qū)試驗(yàn)法最初是由美國密蘇里農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的Miller及其同事于1915年基于開展農(nóng)作物種植及輪作措施對土壤侵蝕和產(chǎn)流的影響研究而創(chuàng)建的[7]，作為觀測試驗(yàn)的重要手段之一，設(shè)置的小區(qū)長27.66m、寬1.83 m，并于1923年第一次出版了野外試驗(yàn)小區(qū)成果，自此水土保持地面觀測有了特有的方法[8]。我國首次應(yīng)用徑流小區(qū)法是在1922—1927年，由南京金陵大學(xué)森林系美籍教授Lowermilk博士在一般性考察的基礎(chǔ)上，會(huì)同助教任承統(tǒng)、李德毅、沈?qū)W禮等，在山西沁源、寧武和山東青島林場建立了徑流小區(qū)，以觀測不同森林植被對水土流失的影響，實(shí)現(xiàn)了水土流失定量化研究[9]，并根據(jù)試驗(yàn)資料發(fā)表了《影響地表徑流和面蝕的因素》，這標(biāo)志著我國采用徑流小區(qū)觀測方法研究坡地水土流失規(guī)律的開始。徑流小區(qū)法水土流失量的計(jì)算公式為：St=γsShs(1-Ww)(其中：St為小區(qū)侵蝕泥沙總量；γs為侵蝕泥沙容重；S為蓄水池底面積；hs為沉積泥沙的平均厚度；Ww為沉積泥沙含水量)。1936年，Cook通過對大量徑流小區(qū)的分析，提出影響土壤侵蝕的三大因子[10]分別為土壤可蝕性、降雨侵蝕力、植被覆蓋性，為土壤侵蝕預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展提供了思路，也為后續(xù)研究工作奠定了基礎(chǔ)。

在該階段，采用徑流小區(qū)法比較容易掌握坡度、植被、土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)[3]，能區(qū)分各種徑流條件，有利于研究單項(xiàng)水土保持措施對水土流失的影響。但是在某些情況下，采用一種方法往往不能獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，尤其是徑流小區(qū)法無法提供較長時(shí)期的土壤侵蝕數(shù)據(jù)且具有勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)[11-12]，因此限制了其在土壤侵蝕過程研究中的應(yīng)用。

2 群體研究階段(1940—1960年)

在20多年的個(gè)體探索發(fā)展階段后，徑流小區(qū)法得到了更多學(xué)者的關(guān)注和應(yīng)用。1940年Zingg應(yīng)用徑流小區(qū)的模擬陣雨和野外條件研究了坡長、坡度與修筑梯田之間的關(guān)系，把土壤流失速率和坡度、坡長聯(lián)系了起來[13]。1941年，Smith在此基礎(chǔ)上，增加了水土保持措施因子和作物因子，為通用土壤流失方程的建立奠定了基礎(chǔ)[14]。1942年，舊中國農(nóng)林部在天水建立了水土保持實(shí)驗(yàn)區(qū)，通過徑流泥沙觀測開展了水土流失規(guī)律研究[3]。1952年，黃河水利委員會(huì)建立了西峰水土保持試驗(yàn)站，根據(jù)黃土高塬溝壑區(qū)水土保持工作需求，參考徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù)開展了水土保持試驗(yàn)研究[15]。1958年，長江流域規(guī)劃辦公室為觀測研究暴雨徑流關(guān)系、人類活動(dòng)對降雨徑流的影響及降雨徑流形成的物理過程，在唐河建成祁儀徑流實(shí)驗(yàn)站[16]。

在該階段，為適應(yīng)不同試驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅芯咳藛T對徑流小區(qū)法的觀測手段和設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，將徑流小區(qū)法作為探索坡面水土流失規(guī)律的橋梁，為土壤侵蝕觀測和水土保持研究提供了數(shù)據(jù)支撐，對探索水土流失的發(fā)生發(fā)展規(guī)律發(fā)揮了積極的作用。

3 發(fā)展壯大階段(1960—2000年)

20世紀(jì)中期，徑流小區(qū)法逐步進(jìn)入發(fā)展壯大時(shí)期，大大促進(jìn)了人們對水土流失和土壤侵蝕規(guī)律的認(rèn)識(shí)和理解。1971和1978年，美國學(xué)者Wischmeier和Smith對65 000場暴雨條件下8 250個(gè)侵蝕小區(qū)和2 500條小流域1年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，提出了經(jīng)驗(yàn)性的通用土壤流失方程(USLE)[17]——A=RKLSCP(其中：A為單位面積土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為作物覆蓋和管理因子；P為水保措施因子)。1973年中國科學(xué)院水土保持研究所以紙坊溝小流域?yàn)樵囼?yàn)區(qū)，開展了較為系統(tǒng)的水土流失定位監(jiān)測。目前，該試驗(yàn)區(qū)已成為“中國生態(tài)研究網(wǎng)絡(luò)”農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)站——安塞水土保持綜合試驗(yàn)站，建成了完整的水土流失監(jiān)測和山地綜合實(shí)驗(yàn)場[3]，建設(shè)各種徑流小區(qū)160多個(gè)，可以開展不同坡地、坡度、坡型的水土流失規(guī)律模擬試驗(yàn)，評估不同植被類型的水土保持效益，監(jiān)測農(nóng)、林、草地土壤生物量、含水量及養(yǎng)分平衡等。國家計(jì)劃委員會(huì)在1986—1990年建立了11個(gè)綜合試驗(yàn)示范區(qū)，在此基礎(chǔ)上開展了體系化的小流域土壤流失監(jiān)測與坡地保護(hù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等示范研究。隨著研究的逐步深入，鄭粉莉等(1994年)通過對在子午嶺林區(qū)中未開墾、開墾后土地上布設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)及大型坡面徑流場測定的徑流、泥沙資料進(jìn)行對比分析，提出在非林地的坡面上用標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)觀測資料建立的坡面土壤流失方程有局限性[18]，另根據(jù)大型坡面徑流場、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)和小流域把口站測定的徑流量、泥沙量資料，認(rèn)為利用標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)法測定的非林地泥沙量可以作為小流域把口站輸沙量的參考值，而利用大型坡面徑流場測定的林地與非林地泥沙量的比值可作為相似條件下小流域或林區(qū)與非林區(qū)泥沙量的比值。20世紀(jì)90年代末，陳淑華在閩東地區(qū)設(shè)計(jì)了6個(gè)不同處理徑流小區(qū)對茶園的水土流失進(jìn)行觀測[19]，結(jié)果顯示實(shí)施坡改梯+生物覆蓋的處理與傳統(tǒng)臺(tái)地耕作處理相比，土壤侵蝕量有明顯減少，土壤含水量也有所增加。

在該階段，通過建立徑流小區(qū)開展了大量的試驗(yàn)和監(jiān)測，分析了降雨、徑流、土壤侵蝕等之間的物理關(guān)系和影響機(jī)制，提出了土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的雛形，方法上呈現(xiàn)由以定位觀測為主的現(xiàn)狀描述到以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)觀測為主的模型構(gòu)建的變化趨勢，有助于把握坡面土壤侵蝕的演變過程，研究和計(jì)算水土保持單項(xiàng)措施對水土流失的影響及其減水減沙、保水保土效益[20-21]，推動(dòng)了土壤侵蝕研究和地面監(jiān)測技術(shù)方法的進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)水土流失綜合治理和制定相關(guān)水土保持措施提供了依據(jù)，基本確定了土壤侵蝕過程研究及水土流失規(guī)律監(jiān)測的大體方向。

4 成熟完善與多學(xué)科交叉應(yīng)用階段(2000年至今)

進(jìn)入21世紀(jì)后，徑流小區(qū)法在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)。李洪勛等(2006年)用徑流小區(qū)法研究了不同耕作措施對土壤侵蝕的影響[22]，結(jié)果表明沿等高線+薄膜覆蓋+秸稈覆蓋+開溝種植能有效減少土壤侵蝕，保護(hù)土壤耕作層，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。陳安強(qiáng)等(2007年)以土石山區(qū)徑流小區(qū)的徑流量和侵蝕量為研究對象，根據(jù)山東省臨朐縣辛莊試驗(yàn)站坡長10、20、40 m的徑流小區(qū)多年觀測資料，分析了坡長與徑流、侵蝕的關(guān)系[23]。隨后，彭韜等(2008年)通過對喀斯特坡地6種不同土地利用方式下徑流小區(qū)的地表徑流、植被穿透雨量及地下水出口水位變化進(jìn)行野外定點(diǎn)連續(xù)觀測[24]，結(jié)果表明6個(gè)徑流小區(qū)地表徑流系數(shù)均非常小，介于0.01%～12.81%之間，喀斯特坡地的地表徑流容易入滲轉(zhuǎn)為地下徑流，尤其是受人為活動(dòng)影響較大的徑流小區(qū)，地表徑流系數(shù)隨降雨量的變化呈指數(shù)函數(shù)型變化特征，容易產(chǎn)生地表徑流系數(shù)突變式增長。顧再柯等(2008年)分析了貴州省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)一期工程建成的8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的坡面徑流小區(qū)在運(yùn)行觀測中存在的問題，總結(jié)了監(jiān)測點(diǎn)徑流小區(qū)建設(shè)在布局、設(shè)計(jì)和施工中存在的不足[25]。林軍等(2009年)通過對北方土石山區(qū)不同坡長的徑流小區(qū)進(jìn)行徑流量和侵蝕量的觀測[26]，分析了不同條件下徑流小區(qū)降雨產(chǎn)生的徑流量、侵蝕量及其變化規(guī)律，并為土壤可蝕性計(jì)算提供了數(shù)據(jù)支持。廖煒等(2010年)以丹江口庫區(qū)鄖西縣坡面徑流小區(qū)為試驗(yàn)點(diǎn)，通過分析各小區(qū)的觀測數(shù)據(jù)[27]，篩選了坡面土壤侵蝕定性評價(jià)與定量預(yù)測指標(biāo)體系，利用勛西縣徑流小區(qū)的土壤侵蝕樣本驗(yàn)證了兩種模型在該地區(qū)坡面徑流小區(qū)定性評價(jià)與定量預(yù)測中的可行性。甄寶艷等(2010年)通過對桃林口水庫大暖泉徑流小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)、沖刷量、徑流深、植被覆蓋等指標(biāo)的監(jiān)測及分析[4]，得出隨著植被蓋度的增加產(chǎn)流次數(shù)與徑流量趨于減少的結(jié)論。唐有臻(2012年)以前陡小流域?yàn)槔?，對水土保持監(jiān)測徑流小區(qū)設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算進(jìn)行了研究[28]。謝頌華等(2013年)以江西水土保持生態(tài)科技園徑流小區(qū)為例，對徑流小區(qū)主體部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[29]，提出了徑流小區(qū)設(shè)計(jì)中應(yīng)把握的原則。

徑流小區(qū)法經(jīng)過了長期的發(fā)展，技術(shù)方法逐漸趨于成熟，由粗略統(tǒng)計(jì)到精確定量化，學(xué)科交叉性逐步增強(qiáng)，涉及領(lǐng)域逐步擴(kuò)展，在水土流失監(jiān)測、坡面土壤侵蝕定性定量評價(jià)、水土保持措施制定等方面發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了土壤侵蝕和水土流失監(jiān)測技術(shù)、方法的發(fā)展。

表1 徑流小區(qū)法百年發(fā)展歷程

5 結(jié) 語

縱觀徑流小區(qū)法在水土流失監(jiān)測應(yīng)用中的百年發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)：在時(shí)間上，經(jīng)歷了個(gè)體探索、群體研究、發(fā)展壯大、成熟完善與多學(xué)科交叉等4個(gè)階段；內(nèi)容上，經(jīng)歷了從監(jiān)測單一水土流失速率到監(jiān)測坡面營養(yǎng)元素變化、碳循環(huán)，甚至反演復(fù)雜坡面景觀變化的過程；方法上，呈現(xiàn)由定位觀測為主的現(xiàn)狀描述到以動(dòng)態(tài)適時(shí)觀測為主的模型構(gòu)建的特點(diǎn)；精度上，經(jīng)歷了由粗略統(tǒng)計(jì)到精確定量化的變化過程。徑流小區(qū)法為深入揭示水土流失規(guī)律，促進(jìn)土壤侵蝕監(jiān)測方法和技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，在水土流失監(jiān)測過程中發(fā)揮的作用無可替代。

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