土壤侵蝕模型研究進展

高天雷，武 萍，尹學明

(四川省林業(yè)調查規(guī)劃院四川成都 610081)

土壤侵蝕嚴重影響著人類的可持續(xù)發(fā)展［1］，是我國生態(tài)、土壤、林業(yè)等學科研究的焦點問題之一［2］。雖然20世紀末期以來我國積極推動林業(yè)“兩大工程”建設，并將生態(tài)戰(zhàn)略提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略的層面，但從實際來看，我國土壤侵蝕現(xiàn)狀依然嚴重。隨著數(shù)學分析方法的不斷成熟，利用模型對土壤侵蝕進行定量化研究已經(jīng)成為重要的趨勢［3］。圍繞著土壤侵蝕模型，國內外學者開展了廣泛的研究，本文對國內外有關土壤侵蝕模型的研究成果、模型特點進行了總結和分析，以期為更好指導土壤侵蝕的相關研究提供參考。

1 土壤侵蝕模型類型

土壤侵蝕研究可以追溯到19世紀末期。到20世紀30年代，現(xiàn)代數(shù)學引入到土壤侵蝕的相關研究之中，土壤侵蝕從定性研究走向定量研究階段。按照研究方法、途徑和目的的區(qū)分，土壤侵蝕模型可以分為物理過程模型、動力學模擬模型和因子分析模型等［4］。

1.1 物理模擬過程模型

物理過程模型是通過對降雨所形成的侵蝕產(chǎn)沙過程進行分析的一種模型。物理過程模型的目的是要闡明侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律。在20世紀中葉以前，學者們從降雨、植被、坡度等方面對土壤侵蝕進行了單因素分析，為后來的土壤侵蝕模型研究奠定了基礎。從20世紀中葉以來，依賴于信息技術和現(xiàn)代數(shù)學理論的不斷發(fā)展，土壤侵蝕模型研究進入了多因素時代。Negev在考慮傳統(tǒng)的降雨、植被恢復、坡度、坡長等因子外，還將薄層水流泥沙輸移納入模型之中［5］。梅耶則在Negev的基礎上，提出了細溝土壤侵蝕平衡方程［6］。目前國外研究中，運用較廣的模型是Wepp水蝕模型和歐洲土壤侵蝕模型［7］。Wepp水蝕模型對侵蝕的各個過程都有一定的涉及。歐洲土壤侵蝕模型則又細分為細溝間侵蝕和細溝侵蝕。此外荷蘭根據(jù)自身的實際，提出了LISEM侵蝕模型。

目前國內研究，在土壤侵蝕物理模型方面，具有自主創(chuàng)新的研究成果較少，基本上是對國外成熟模型的引進和借鑒。劉克娜等人通過模擬野外降雨，討論了細溝間侵蝕與降雨、坡度、地表結構等方面的關系，并據(jù)此提出了有關的預報模型［8］。文江蘇，何小武［9］則認為細溝發(fā)育包括片流、線性水流發(fā)育、隱細溝、溝頭侵蝕細溝等階段。從國內學者模型結果來看，土壤侵蝕是一個受多因素控制的過程。其中:降雨動能對土壤侵蝕產(chǎn)沙量的影響最為明顯。降雨動能其實起到了為土壤侵蝕提供初始動能的作用。此外坡度和坡長也是影響土壤侵蝕的主要因素。從物理學角度來看，坡長越長、坡度越大，沙粒的動能就越大。基于物理過程研究結果，學者們普遍認為消除降雨動能是降低土壤侵蝕的主要方法。由于我國地形復雜、土壤結構多樣，學者們針對不同地形、地域構建了相關的物理過程模型。

整體來看，物理過程模型以模擬土壤侵蝕的物理形成為依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實性;但是，物理過程侵蝕模型對經(jīng)驗參數(shù)的需求較大。因此，研究結果具有一定的主觀性。

1.2 動力學模擬模型

動力學模擬模型是根據(jù)動力學理論解釋侵蝕產(chǎn)沙過程。該類模型可以較好地了解時間序列、微觀運移和流域下墊面對侵蝕產(chǎn)沙的影響。因此，運用價值較廣。目前，CSU模型是具有代表性的動力學模擬模型，該模型由 Simons和 Li提出［，10］。CSU 模型利用網(wǎng)格系統(tǒng)將一個流域系統(tǒng)分為多個子系統(tǒng)。子系統(tǒng)使用坡面匯流公式計算。水流挾沙能力則采用Du-boys公式計算，懸移值計算采用Einstein公式，徑流分離量則使用泥沙連續(xù)方程。從CSU模型來看，網(wǎng)格劃分可以較好地簡化流域下墊面帶來的復雜程序，而且各類指標的計算也多以前人的成果為基礎。但是該模型難以真實地反映流域下墊面的情況，因此，結果的真實性受到了一定的質疑。

Kineros模型是動力學模擬模型的另一個代表［5，10］。該模型充分容納了滲透模型和動力波模型，可以較好地反映地表徑流和土壤侵蝕過程。從該模型的實踐來看，雖然對于滲透過程的描述效果較好，但是難以反映復雜地表的動力學過程。從土壤侵蝕模型的發(fā)展趨勢來看，動力學模擬模型是未來的重要發(fā)展趨勢，但要真正將動力學模擬模型用于實際土壤侵蝕預報，還需要學界的更多努力。

1.3 因子分析模型

因子分析模型是以因子分析方法為基礎，通過數(shù)理統(tǒng)計方法，擬合出相關模型。因子分析模型是一種經(jīng)驗模型，在用于具體的個案研究中具有很強的現(xiàn)實性和精確度。目前，在因子分析模型中，常涉及的因子包括|降雨特征、地貌特征、土壤特征、植被情況、耕作方式等。因子分析模型所獲得的結果統(tǒng)稱為土壤流失方程式(USLE)。最早的USLE方程由美國學者Zingg提出［11］。該方程只含有兩個自變量，分別為坡長和坡度，因變量為土壤侵蝕量。在早期的物理模擬模型中，學者們也提出了諸多的單因素方程，這也可以看成因子分析模型的早期成果。美國由于土壤侵蝕觀察基站建立較早，在20世紀50年代就提出了一個通用的土壤流失方程式(美國方程式)。該方程式在20世紀60年代和70年代，隨著觀測數(shù)據(jù)的不斷豐富，進行了一定的調整［12］。

相比于物理模擬過程模型和動力學模擬模型，因子分析模型直觀、簡便，而且可以根據(jù)具體的區(qū)域進行因子的調整，實用性極強。我國學者在因子分析模型方面獲得了較多的成果。例如，高燕等［13］針對東北黑土區(qū)提出了相關的土壤流失方程式。韓曉燕等［14］等則針對黃土高原土壤侵蝕進行了因子分析，并提出了相關的USLE式。田國行等［15］對高速公路邊坡土壤流失構建了USLE方程式。從實踐效果來看，這些成果均較好地指導了相關的研究和實踐。

2 3S技術在土壤侵蝕模型中的運用

3S技術的快速發(fā)展，為土壤侵蝕研究提供了新的方法論。土壤侵蝕是一個動態(tài)的變化過程。通過3S技術，可以較好地了解土壤侵蝕的動態(tài)情況，為土壤侵蝕模型的構建和評價提供更有效的方法。從國外來看，加拿大和美國利用3S技術在土壤侵蝕觀測方面起步較早。加拿大在1972年、美國在1974年就建立了土地信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋了土地利用、監(jiān)測等多種功能，可以為土壤侵蝕模型的構建提供更多的觀測數(shù)據(jù)［16］。

從我國的發(fā)展來看，學者們在土壤侵蝕模型的研究方面，加大了3S技術的運用。在張?zhí)N瀟和孫紫英［17］的研究中，借助3S技術對內蒙古土壤侵蝕模型進行了構建。在他們的研究中，發(fā)現(xiàn)降雨因子、土壤可蝕因子、生物因子、地形因子、人為因子等是影響內蒙古土壤侵蝕的主要因子。陳旭東等［18］借助3S技術和現(xiàn)代軟件技術，以岳西縣為研究區(qū)域，建立了該縣土壤侵蝕預報分析軟件庫。通過軟件的分析，可以較好地對即將發(fā)生的土壤侵蝕進行判斷，盡量降低各種損失。在袁再建［19］的研究中，則利用GIS構建了分布式侵蝕產(chǎn)沙模型，并對空間尺度的轉換進行了研究。他認為遙感技術在土壤侵蝕模型的構建中，將會發(fā)揮更加突出的作用，對于指導土壤侵蝕研究乃至全國土地管理都有重要意義。張喜旺等［20］認為3S技術不僅為土壤侵蝕模型的構建提供了數(shù)據(jù)支撐，而且還為土壤侵蝕模型的動態(tài)預測奠定了基礎。3S技術可以為土壤侵蝕的研究提供空間分析依據(jù)，并提升侵蝕模型的動態(tài)預測能力。整體來看，隨著3S技術的發(fā)展，3S技術已經(jīng)成為現(xiàn)代土壤侵蝕研究的重要方法和支持，為土壤侵蝕模型的研究發(fā)展提供了更好的基礎。

3 土壤侵蝕模型研究的趨勢

隨著新一輪工業(yè)革命的發(fā)展，人類社會活動的日益頻繁，土壤侵蝕發(fā)生風險越來越多。土壤侵蝕已經(jīng)成為當前嚴重影響人類生態(tài)文明的主要環(huán)境問題。在19世紀末期，土壤侵蝕就受到了學者們的重視。進入20世紀中期以來，隨著現(xiàn)代數(shù)學理論和專業(yè)統(tǒng)計分析工具的不斷發(fā)展，土壤侵蝕研究從定性分析逐步過渡到定量分析，并且從不同的研究視角，創(chuàng)建了多種土壤侵蝕模型。

從現(xiàn)有的模型來看，多是集中在小流域范圍。大流域土壤侵蝕的復雜性高，而且數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)收集麻煩，目前關于大流域較為成功的土壤侵蝕模型還較少。此外，現(xiàn)有的研究往往假設流域是獨立的、封閉的;但現(xiàn)實情況下，流域往往是相互聯(lián)系、彼此影響的。關于多個流域交界處的土壤侵蝕研究目前幾乎是一個空白。從具體的模型來看，物理模擬過程和動力學模擬模型以理論研究為基礎，因此必須進一步強調相關理論基礎研究，為模型的完善奠定更好的基礎。在因子分析模型方面，在現(xiàn)有研究基礎上，還必須結合模糊數(shù)學理論、聚類分析等現(xiàn)代數(shù)學發(fā)展成果，進一步提升因子分析在預測方面的價值。在具體的技術支撐方面，要結合現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)等技術手段和SPSS等軟件統(tǒng)計工具，簡化繁雜的數(shù)據(jù)收集和處理工作，提升研究的效率。

［1］劉瑞娟，張萬昌.基于動態(tài)產(chǎn)流機制的分布式土壤侵蝕模型研究［J］.水土保持通報，2010，30(6):139～144.

［2］夏軍，翟曉燕，張永勇.水環(huán)境非點源污染模型研究進展［J］.地理科學進展，2012，31(7):941～952.

［3］尹艷萍，盧文喜，許曉鴻，等.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的土壤侵蝕預測模型研究［J］.水土保持研究，2013，20(2):25～28.

［4］王小杰，李躍明.深圳市城市土壤侵蝕預測模型的初步建立［J］.中國農(nóng)村水利水電，2009，51(9):71～74.

［5］Singh R.，Panigrahy N，Philip G.Modified rainfall simulator infiltrometer for infiltration，runoff and erosion studies［J］.Agricultural Water Management，1999，41(3):167～175.

［6］Meyer W.B.，F(xiàn)oster II B.L.Change in land use and land cover:A global perspective［M］.London:Cambridge University Press，1970.

［7］劉娜，王克林，張偉，等.土壤侵蝕及其評價、檢驗方法研究進展［J］.中國農(nóng)學通報，2011，27(18):1～6.

［8］陳麗萍，查軒，黃少燕.土壤侵蝕情景模擬模型研究進展［J］.亞熱帶水土保持，2013，25(1):31～33.

［9］文江蘇，何小武.國外土壤侵蝕模型發(fā)展研究［J］.寧夏農(nóng)林科技，2012，53(4):92～93.

［10］柯克比 M.J.，摩根 R.P.C.，著.王禮先等，譯.土壤侵蝕［M］.北京:水利電力出版社，1987:70～125.

［11］Farres P.The role of time and aggregate size in the crusting process［J］.Earth Surface Processes，1985，3(3):243～254.

［12］Nearing M A，Bradford J M.Single water drop splash detachment and mechanical properties of soils［J］.Soil Science Society of A-merica Journal，1985，49(3):547～552.

［13］高燕，王曉欣，鞠嘩，等.東北黑土區(qū)土壤侵蝕模型研究現(xiàn)狀與展望［J］.東北水利水電，2010，28(12):16～17.

［14］韓曉燕，錢鞠，王磊，等.黃土高原土壤侵蝕(水蝕)多尺度過程與水土保持研究進展［J］.冰川凍土，2012，34(6):1487～1498.

［15］田國行，楊曉明，楊春.高速公路邊坡土壤侵蝕研究進展［J］.中外公路，2008，28(6):21～28.

［16］Tomlinson R.Thinking about GIS:Geographic Information System Planning for Managers［M］.Ottawa:ESRI Press，2007.

［17］張?zhí)N瀟，孫紫英.基于3S技術內蒙古水土保持土壤侵蝕模型建立及參數(shù)提?。跩］.內蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2012，33(4):108～112.

［18］陳旭東，程先福，鮑偉偉，等.基于ArcObjects的土壤侵蝕模型的設計與實現(xiàn)［J］.水土保持研究，2010，17(6):26～31.

［19］袁再建.基于GIS的分布式侵蝕產(chǎn)沙模型及其空間尺度轉換研究進展［J］.中國農(nóng)學通報，2012，28(9):293～296.

［20］張喜旺，周月敏，李曉松，等.土壤侵蝕評價遙感研究進展［J］.土壤通報，2010，41(4):1010～1017.