土壤保持功能評價方法研究

古 娟，王華靜

(1.四川師范大學(xué)，西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川成都 610068；2. 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都 610068)

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土壤保持功能評價方法研究

古 娟1,2，王華靜1,2

(1.四川師范大學(xué)，西南土地資源評價與監(jiān)測教育部重點實驗室，四川成都 610068；2. 四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川成都 610068)

在對土壤保持功能評價方法進(jìn)行總結(jié)和歸納的基礎(chǔ)上，對國內(nèi)外提出的土壤保持功能評價模型進(jìn)行比較，以期為土壤保持功能研究的發(fā)展提供參考。

土壤保持功能；土壤侵蝕；評價模型；定量指標(biāo)

土壤是人類生存和社會發(fā)展的基礎(chǔ)，任何生產(chǎn)、生活均離不開土壤。良好的土壤保持功能可以有效地降低土壤侵蝕造成的生態(tài)系統(tǒng)破壞，支撐更好的社會發(fā)展。土壤保持功能為土壤形成、植物固著等提供基礎(chǔ)，同時保障生態(tài)系統(tǒng)的基本服務(wù)功能[1]。目前水土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤侵蝕面積不斷增大，中國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，水土流失面積廣、數(shù)量大[2]。我國城市化的發(fā)展導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)失去原有的生產(chǎn)和生態(tài)功能，土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能保護(hù)越來越被重要[3]，已受到大量學(xué)者的關(guān)注。土壤保持功能包括減少地表土壤侵蝕及土壤侵蝕造成的廢棄土壤、保持土壤養(yǎng)分等方面，土壤保持功能的研究為生態(tài)系統(tǒng)的管理和保護(hù)提供了有效的依據(jù)，為緩解土壤侵蝕提供科學(xué)基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者對不同空間尺度和不同特征區(qū)域的土壤生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持功能采用了不同的評價方法進(jìn)行研究。筆者歸納和總結(jié)了土壤保持功能評價方法，以期為土壤侵蝕評價模型發(fā)展提供依據(jù)。

1　土壤保持功能評價模型

土壤保持功能評價主要是基于土壤保持量的計算結(jié)果，土壤侵蝕過程直接影響土壤保持量，近幾年來學(xué)者模擬土壤侵蝕物理過程，先后開發(fā)了通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評估模型 (In VEST)、風(fēng)蝕預(yù)報模型(WEPP)、荷蘭模型(LISEM)、歐洲水蝕預(yù)報模型(EROSEM)等[4]。

1.1基于通用水土流失方程的模型法通用水土流失方程(USLE)在不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，較為全面地考慮了影響土壤侵蝕的自然因素，通過降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長與坡度、作物覆蓋與管理以及水土保持措施五大因子進(jìn)行定量計算，具體形式如下：

Ar=R×K×LS×C×P

(1)

式中，Ar是現(xiàn)實土壤侵蝕量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蝕力指標(biāo)[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS是坡長坡度因子；C是地表植被覆蓋因子；P是土壤保持措施因子。

肖洋等[5]、孫平[6]結(jié)合USLE及GIS判斷土壤保持重要區(qū)、水田生態(tài)系統(tǒng)的水土保持量。肖寒等[7]、黃和平等[8]、趙立軍等[9]、韓永偉等[10]利用類似區(qū)域風(fēng)蝕流失量模型估算土壤保持功能及劃分情況。魯春霞等[11]、Ma等[12]、Baban等[13]借助GIS手段風(fēng)洞模擬高寒草地土壤保持功能，計算閩江流域土壤流失量。由于目前對草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的試驗研究不多，所以價值評價結(jié)果準(zhǔn)確性相對較差。Patel等[14]、Bayramov等[15]、Elci等[16]利用USLE方程推導(dǎo)出各年土壤侵蝕區(qū)侵蝕嚴(yán)重程度、預(yù)測巴庫第比利斯杰伊漢沿線管道、流域沉積厚度。Vemu等[17]結(jié)合流域侵蝕響應(yīng)模型(WERM)和通用流失方程(USLE)與地理信息系統(tǒng)估算流域的侵蝕風(fēng)險評估參數(shù)，對土壤保育規(guī)劃提供數(shù)據(jù)。Panagos等[18]基于USLE家庭模型的繼承，建立了一種有潛在服務(wù)的新模型(G2模型)，強(qiáng)調(diào)土壤侵蝕圖季節(jié)方面的降雨侵蝕力。通用水土流失方程可以對較大空間的侵蝕模型進(jìn)行預(yù)測，相對準(zhǔn)確地得到預(yù)測結(jié)果。

但是，通用水土流失方程使用的數(shù)據(jù)主要來自于美國落基山山脈以東地區(qū)，只適合于平緩坡地，而泥沙就地沉積的帶狀耕作措施等應(yīng)用受阻，且不能良好描述土壤侵蝕的物理過程。基于上述原因，研究者不斷完善推出了修改式通用水土流失方程(RUSLE)，修正了特殊情況下的降雨侵蝕力計算方法，完善USLE模型的不足[19]。

以RUSLE為模型的基本框架運用的水土流失方程修改式：

Ac=R×K×LS(1-C×P)

(2)

式中,Ac是土壤保持量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蝕力指標(biāo)[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS是坡長坡度因子；C是地表植被覆蓋因子；P是土壤保持措施因子。

付曉等[20]、蔣春麗等[21]采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)對土壤保持功能進(jìn)行評價，確定土壤保持功能重要區(qū)。李亦秋等[22]、韓永偉等[23]在GIS/RS技術(shù)的支持下，以RUSLE為基本框架，對各生態(tài)功能區(qū)土壤保持效益進(jìn)行評估。國外學(xué)者Durigon等[24]、Russo[25]、Mallick等[26]、Ozsoy等[27]、Yarbrough[28]、Panagopoulos等[29]、Yellishetty等[30]結(jié)合RUSLE模型和GIS技術(shù)評價土壤覆蓋，并對環(huán)境敏感區(qū)規(guī)劃提供有效依據(jù)，同時Durigon等[24]介紹了一種適用于高強(qiáng)度降雨熱帶地區(qū)的計算方法。Paparrizos等[31]利用歷史圖片和修正通用土壤流失方程(RUSLE)探討潛在的泥沙貢獻(xiàn)地點。

RUSLE模型也存在局限性：①它只能預(yù)測泥沙侵蝕過程中夾帶的而不是實際的泥沙；②預(yù)測長期的年平均土壤流失量和由特定風(fēng)暴或降雨事件引起的土壤流失存在局限性；③可以有效地預(yù)測短坡坡面片蝕，但不能準(zhǔn)確得出流量和長斜坡的數(shù)據(jù);④充分考慮不同土壤類型的分散性上存在問題。

1.2In VEST模型USLE和RUSLE方程能夠準(zhǔn)確地反映區(qū)域土壤侵蝕狀況，但計算中忽視地塊自身泥沙持留能力，結(jié)果存在一定偏差。美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會等聯(lián)合開發(fā)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合估價和權(quán)衡得失評估工具In VEST模型。該模型解決通用土壤流失方程不足的同時考慮了水庫泥沙疏?；ㄙM的服務(wù)價值，估算結(jié)果更準(zhǔn)確。

In VEST模型計算公式如下：

基于地貌和氣候條件的潛在土壤流失量：

RKLS=R×K×LS

(3)

存在植被覆蓋因子及實施水土保持措施條件下的實際土壤侵蝕量：

USLE=R×K×LS×C×P

(4)

土壤保持量：

sret=(RKLS-USLE)+ups_retain

(5)

清淤條件下的沉積物保留量：

(6)

式中,R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡度坡長因子；C為覆蓋和管理因子；P為土壤保持措施因子；sret為地塊沉積物保留量(t)；RKLS-USLE為地塊自身的沉積物保留量(t)；ups_retain為該地塊攔截上游地塊(不包括地塊自身)的沉積物量(t)；sed_ret_dr為清淤條件下地塊沉積物保留量(t)；dr_deadvol為水庫設(shè)計死庫容(m3)；c為水庫沉積物密度(t/m3)；dr_time為水庫剩余壽命(a)；contrib為流域內(nèi)像元的數(shù)量(個)。

李婷等[32]、王敏等[1]利用該模型評價土壤流失及土壤保持生態(tài)效益。InVEST模型已成功用于國外的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價，Nelson等[33]利用該模型分析了威拉米特河流流域的土地利用變化情況，為河流管理提供可靠依據(jù)。胡勝等[34]探討了不同視角下InVEST模型對土壤保持功能評價的對比。

InVEST模型包括水文和土地利用2個角度，該模型的沉積物保留量包括地塊自身的沉積物保留量和該地塊攔截上游地塊的沉積物，解決了通用水土流失方程忽略的地塊自身的攔截作用。雖然InVEST模型解決了通用模型的不足，對評價結(jié)果進(jìn)行可視化表達(dá)，但該模型忽視了重力侵蝕帶來的影響，部分?jǐn)?shù)據(jù)獲取存在難度，實際運用受阻。

1.3WEPP模型、歐洲的土壤侵蝕風(fēng)險評估(PESERA)模型等任志遠(yuǎn)等[35]在對西北地區(qū)植被的土壤保持效益研究中提出，不同特征區(qū)域適合應(yīng)用不同類型的模型，因此衍生出CREAMS(水文模型)、ANSWERA、AGNPS、EUROSEM(歐洲水蝕預(yù)報模型)、WEPP(水蝕預(yù)報模型)等模型；不同時空尺度也有相應(yīng)的模型，例如WEQ和WEPS模型。

張建[36]利用CREAMS模型計算黃土坡地徑流量及侵蝕量。張玉斌等[37]研究提出新一代水蝕預(yù)測模型——WEPP模型，該模型描述了細(xì)溝及細(xì)溝間侵蝕以及泥沙運動機(jī)理。Maalim等[38]采用WEPP模型，預(yù)測地下平鋪對新疆沙爾河流域、美國的高地侵蝕速率的影響，并對不同排水系數(shù)進(jìn)行評價。Zhang等[39]研究認(rèn)為不同分辨率的DEM產(chǎn)生了不同的侵蝕預(yù)測模型。AMPOFO等[40]利用WEPP模型證明了對耕地進(jìn)行間作體系有利于土壤侵蝕的修復(fù)。陳莉等[41]基于WEPS模型對天津郊區(qū)的土壤風(fēng)蝕情況進(jìn)行估算。賈寧鳳等[42]應(yīng)用AnnAGNPS模型評價黃土高原小流域的土壤侵蝕情況。Gericke[43]、Panagos等[44]使用了歐洲土壤侵蝕風(fēng)險評估(PESERA)模型估計歐洲試驗田土壤流失情況。

上述多種模型均是土壤保持功能評價的基礎(chǔ)，基于上述各類型的模型對土壤侵蝕量進(jìn)行計算，根據(jù)土壤保持價值進(jìn)行四位分法分級，效益越高土壤保持功能越強(qiáng)[35]。CREAMS模型適用于田塊尺度面積的降雨、徑流、侵蝕以及化合物流失的估算，但是模型要求田塊上的土地利用方式及耕作措施單一，土壤質(zhì)量及降雨均勻。WEPP模型涉及很多參數(shù)因子，數(shù)據(jù)獲取方面存在困難，實際應(yīng)用中存在很大的局限性。PESERA是一個基于過程的模型來評估長期平均土壤侵蝕速率。陳雅如等[45]、劉敏超等[46]、吳敬東[47]、杜英等[48]、高江波等[49]、張雪峰等[50]、于格等[51]分別基于上述模型對森林、草地、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)以及高寒草甸區(qū)和退耕還林工程的土壤保持功能進(jìn)行評價，并對其經(jīng)濟(jì)價值進(jìn)行初步評估。

2　定量指標(biāo)法

模型法模擬實際土壤侵蝕情況需要輸入大量的參數(shù)，參數(shù)獲取存在很大的困難，且評估模型中存在大量不確定因素的影響，因此評估難免存在誤差。模型法的局限性促使生態(tài)系統(tǒng)土壤保持功能評估新方法的發(fā)展，這類新方法是定量指標(biāo)法。該方法強(qiáng)調(diào)空間單元生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的準(zhǔn)確性和實用性，而不是估算的精確度和模擬還原度[53]。

大尺度區(qū)域的快速評估中，土壤保持功能的評價主要使用定量指標(biāo)法。與通用的水土流失方程相比，定量指標(biāo)法強(qiáng)調(diào)綠色植被、地形因子和土壤結(jié)構(gòu)因子在土壤保持中的作用，目前主要的參考模型是定量指標(biāo)模型：

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)

(7)

式中,Spro是土壤保持服務(wù)能力指數(shù)；NPPmean是評價區(qū)域多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力平均值；K是土壤可蝕性因子；Fslo是根據(jù)最大最小值法歸一化到0～1的評價區(qū)域坡度柵格圖。

3　小結(jié)

目前，國內(nèi)外關(guān)于土壤保持功能評價的模型有很多類型，基于不同特征區(qū)域以及不同空間尺度，不同地區(qū)特點不同，適用的模型也不同，實際運用中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況采用相關(guān)的模型進(jìn)行估算，當(dāng)下基于土壤流失方程及修改的土壤流失方程評價土壤保持功能的居多，應(yīng)用也較成熟。

研究表明,USLE和RUSLE方程忽略地塊自身的泥沙持有功能，不能很好地運用于不同土壤類型；RUSLE估算結(jié)果相比USLE方程更加貼近現(xiàn)實土壤侵蝕值，單一的運用水土流失方程進(jìn)行土壤侵蝕量估算和結(jié)合GIS技術(shù)的估算結(jié)果存在誤差。WEPP模型結(jié)果較前2種方程更準(zhǔn)確，但該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及眾多的參數(shù)，模型實用性有限；目前研究多集中在水土流失模型與遙感、GIS技術(shù)的結(jié)合運用上，基于中國復(fù)雜的地形條件進(jìn)行評價。WEPP模型不能很好地模擬強(qiáng)降雨地區(qū)的土壤侵蝕量。InVEST模型能夠設(shè)置不同的情景、空間和時間條件，對土壤生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進(jìn)行全面評價，具有更高的發(fā)展前景。但I(xiàn)nVEST模型忽略了重力侵蝕的影響，數(shù)據(jù)獲取也存在困難。

模型法是對實際土壤侵蝕情況的模擬，理論上最完善，但是數(shù)據(jù)獲取難以充分滿足，實際運用不能達(dá)到很好的效果；定量指標(biāo)法在一定的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上辨別單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力，對服務(wù)絕對量的準(zhǔn)確評估上有提升空間。模型法和定量指標(biāo)法均需要確定適合我國實際情況的參數(shù)及方法，形成系統(tǒng)的檢測目錄，2種類型的土壤保持功能評價方法均存在提升空間。

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Study on Soil Conservation Function Evaluation Method

GU Juan1,2, WANG Hua-jing1,2

(1. Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest China of Ministry of China, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610068; 2. The Faculty Geography Resource Sciences, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610066)

On the basis of summarizing and reviewing soil conservation function evaluation method, models for evaluating soil conservation function at home and abroad were compared, so as to provide reference for development of researches on soil conservation function.

Soil conservation function; Soil erosion; Evaluation model; Quantitative index

古娟(1992- )，女，重慶人，碩士研究生，研究方向：環(huán)境影響評價與分析。

2016-06-12

S 152.7+1

A

0517-6611(2016)21-047-03