湖泊流域土壤侵蝕研究方法進展

中圖分類號：F301 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2025）增-0059-05

0 引言

土壤作為關(guān)乎人類生存的物質(zhì)基礎(chǔ)與自然資源，具有不可再生的屬性。自然界的土壤，在水力、風力、凍融或重力等外營力作用下，土壤及其母質(zhì)存在被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程，即土壤侵蝕[。土壤侵蝕是一個世界性的威脅，是世界各國土地退化的主要原因，是導致生態(tài)環(huán)境惡化和土地生產(chǎn)力下降的主要原因，嚴重的侵蝕可能導致土壤荒漠化，給生態(tài)和人類發(fā)展帶來了極大的影響2]。定量評估區(qū)域土壤侵蝕分布特征是制定水土保持生態(tài)環(huán)境治理規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提[3]，是世界性的環(huán)境問題之一。因此，定量估算土壤侵蝕速率及分布特征，對于預(yù)防和治理不同地區(qū)的土壤侵蝕具有重要意義。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，土壤侵蝕監(jiān)測使用的方法逐漸變得精確，也從室外監(jiān)測發(fā)展到室內(nèi)監(jiān)測、預(yù)報和模擬；從小規(guī)模單邊坡監(jiān)測向大規(guī)模區(qū)域綜合檢測發(fā)展。

本文通過歸納總結(jié)不同時期土壤侵蝕研究方法并總結(jié)其優(yōu)缺點，旨在為土壤侵蝕研究者在根據(jù)研究對象選擇研究方法時提供理論依據(jù)，進而推動我國土壤侵蝕的相關(guān)研究進程。

1傳統(tǒng)土壤侵蝕研究方法

傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究方法包括高差法[4、野外調(diào)查法[5]、徑流小區(qū)法[]。

高差法包括實地測量法[7和航空攝影法[8]，兩者基本原理都是在一定的時間間隔內(nèi)測量觀測點的高程值，根據(jù)其高差變化來推斷土壤侵蝕的程度和速率。實地測量法通常是在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)立固定的觀測點，定期測量這些點的高度變化，計算出土壤侵蝕的深度和總量。航空攝影法則是通過使用無人機對研究區(qū)進行低空攝影，獲取研究區(qū)的清晰影像分析地形變化9，優(yōu)點在于無需人工測量高程，提升了作業(yè)效率。但其提供的數(shù)據(jù)精確度不高，且研究周期偏長，僅適用于短期的小范圍監(jiān)測。

野外調(diào)查法包括侵蝕針法[10]和捕沙器法[11]，侵蝕針法是用立在坡面和細溝上標有刻度的鐵釘來紀錄侵蝕的垂直厚度[10]。適用于現(xiàn)場監(jiān)測，成本低，精度高，操作簡單易用，但也有自動化程度低，觀測范圍小、長期觀測艱巨的缺點，其次，在現(xiàn)場布設(shè)侵蝕針也會引起土壤擾動，布設(shè)于農(nóng)耕地的侵蝕針也容易受到土壤類型、濕度、植被覆蓋、耕作活動等因素的影響。捕沙器法則是挖坑將盒子放入坑中，在斜坡上收集表面徑流和沉積物。主要適用于測量風蝕情況。為確定捕沙器收集的泥沙來源面積，需要圈閉范圍，導致忽略了坡長和由此產(chǎn)生的徑流的影響[11]

兩者都有自動化程度低、觀測范圍小、長期觀測艱巨的缺點。

徑流小區(qū)法最早在1877年完成了最初的徑流小區(qū)實驗[8]，是根據(jù)泥沙平衡原理，利用不同土地利用類型及地貌類型小區(qū)觀測資料和小流域出站□觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合流域土地利用類型面積估算流域內(nèi)不同類型泥沙源地對總侵蝕量的貢獻[12]。該方法是獲取當?shù)貜搅?、泥沙量方便快捷的方法之一，但其需要的歷史資料多，尺度轉(zhuǎn)換難度大，不適合在野外進行快速檢測。

由于土壤侵蝕不僅受到土壤自身理化性質(zhì)的影響，還有外力的作用；且土壤侵蝕往往是一個長期的過程。傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究方法雖然易于操作，原理簡單，但需要耗費大量的人力成本，且難以進行較長時期的土壤侵蝕量的定量估算。

2土壤侵蝕模型模擬法

土壤侵蝕模型模擬法最初由20世紀70年代由美國農(nóng)業(yè)部研發(fā)[13]，通過建立數(shù)學模型來模擬王壤侵蝕過程，這些模型通?；谕寥狼治g的物理、化學和生物過程，結(jié)合氣象、地形、植被等影響因素，對土壤侵蝕進行定量描述和預(yù)測。常用的模型包括通用土壤流失方程（UniversalSoilLoss Equation，USLE）[13]、修正的通用土壤流失方程（Revised Universal SoilLoss Equation，RUSLE）[14]、中國土壤流失方程（Chinese SoilLossEquation，CSLE）[15]等，其中RUSLE模型的應(yīng)用較為廣泛。

20世紀50年代，美國以落基山脈以東近萬個土壤侵蝕數(shù)據(jù)為依據(jù)，于1965年正式提出了USLE這一經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚13]。USLE模型本質(zhì)上是以重用于預(yù)測面蝕和溝蝕引起的年平均土壤流失量的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停C合考慮了降雨、土壤可蝕性、作物管理、地形因子和水土保持措施五個因子[16]。但USLE模型是基于特定條件下的觀測數(shù)據(jù)建立的，因此其在不同條件的研究區(qū)應(yīng)用時可能會存在適用性問題。

1992年美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局在USLE模型的基礎(chǔ)上提出了RUSLE模型[14]，其對部分因子的計算進行了修正和改進，提高了模型的預(yù)測精度和適用性，其基本原理與USLE模型類似。

自RUSLE模型提出以來，各國學者對其進行了大量的研究和改進，以提高模型的預(yù)測精度，現(xiàn)有的研究主要集中在兩個方面： ① 針對不同研究區(qū)的特點和實際情況，對模型中的各個因子進行修正和細化[17-20]。中國學者還基于國內(nèi)水土保持措施的特殊性，對各個參數(shù)本土化處理，在RUSLE模型的基礎(chǔ)上提出了CSLE模型[21]。 ② 通過實地觀測數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)和函數(shù)對RUSLE模型進行集成和校準，評估模型的精準度和實用性，進一步提高模型在當?shù)氐倪m用性。

土壤侵蝕模型法建立后，就因其結(jié)構(gòu)簡潔、參數(shù)物理意義明確、計算簡單、實用性強，迅速被美國許多地區(qū)及世界各國采用；然而，模型模擬若要得到可靠的土壤侵蝕結(jié)果，前提條件是對研究區(qū)的耕作模式和土地利用歷史有詳盡的了解；在缺乏長期水土保持監(jiān)測的區(qū)域，土壤侵蝕研究模型所得數(shù)據(jù)精度則會受到一定的限制[22]。此外，模擬結(jié)果還常常受制于模擬實驗代表性和模擬適用性的影響[23]。

3核素示蹤法

放射性核素在土壤侵蝕中的應(yīng)用，是從1960年研究小區(qū)中對核素 ⁹⁰Sr 的應(yīng)用開始逐步發(fā)展起來的[24]。核素示蹤法可以克服上述兩種研究方法的缺陷，具有快捷簡便，精確度高的優(yōu)點。目前Be、²¹⁰Pb_ex 、 ¹³⁷Cs 的技術(shù)較為成熟，應(yīng)用也較為廣泛。

3.1 （20 ¹³⁷Cs 示蹤技術(shù)在土壤侵蝕估算中的應(yīng)用

137Cs是20世紀中葉核武器爆炸試驗及核電站事故（核泄漏）釋放到大氣中的產(chǎn)物，是一種全球分布的人工放射性核素，世界各地的監(jiān)測站都記錄了這種沉降物的時間和空間分布，其是研究地球表面土壤侵蝕、泥沙輸移和沉積的一種很好的示蹤元素[25，26]。自1954年開始， ¹³⁷Cs 已在全球范圍內(nèi)在環(huán)境樣本中被檢測到，1956一1965年是核塵埃的主要產(chǎn)出期，其中以1963一1964年濃度最大，1963年《禁止核試驗條約》簽署后，核試驗沉降物迅速下降，自上世紀70年代后期以來，¹³⁷Cs 的大氣沉降微乎其微[27]

¹³⁷Cs 示蹤土壤侵蝕的基本原理是研究區(qū)內(nèi)某一土壤剖面 ¹³⁷Cs 含量低于或高于研究區(qū)的 ¹³⁷Cs 背景值，則表明該土壤剖面所在的位置由侵蝕或沉積發(fā)生；再根據(jù)建立 ¹³⁷Cs 流失量和土壤流失量之間的定量關(guān)系（即土壤侵蝕的估算模型），估算該處的土壤侵蝕量或沉積量[28]。

1965年美國橡樹嶺國家試驗室研究首次揭示了 ¹³⁷Cs 在測量土壤流失速率方面的潛力，發(fā)現(xiàn)土壤流失量與137Cs流失量之間存在對數(shù)關(guān)系[29]截至目前， ¹³⁷Cs 已被廣泛用于長期的土壤侵蝕估算，應(yīng)用該技術(shù)來研究土壤侵蝕的兩個關(guān)鍵問題在于，一是研究區(qū)土壤中 ¹³⁷Cs 背景值的確定，二是建立土壤剖面的 ¹³⁷Cs 的流失量與土壤的侵蝕量之間的定量關(guān)系，只有建立了兩者之間相對準確的定量關(guān)系，才能對土壤剖面中的侵蝕量進行可靠的定量估算[30]。最初關(guān)于 ¹³⁷Cs 示蹤法的初步定量研究大多采用經(jīng)驗公式，隨著對 ¹³⁷Cs 的廣泛使用和深入研究，計算模型逐漸從經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦^渡到理論模型。其中，質(zhì)量平衡模型[31]是較為完善且使用廣泛的一種定量模型，現(xiàn)在仍被許多學者廣泛使用及改進。

3.2 ²¹⁰Pb_ex 示蹤技術(shù)在土壤侵蝕估算中的應(yīng)用

²¹⁰Pb 是鈾衰變系列的天然產(chǎn)物，半衰期為22.26a ，它來源于 ²²⁶Ra 的衰變產(chǎn)物 ²²²Rn 的衰變，同位素 ²²⁶Ra 天然存在于土壤和巖石中，會生成²¹⁰Pb ，與其母體處于放射性平衡狀態(tài)；少量的²²²Rn 從土壤中擴散將 ²¹⁰Pb 引入大氣，隨后沉降至表層土壤，被土壤顆粒所吸附[32]。在土壤中滲透后，該物質(zhì)被黏粒礦物及有機質(zhì)緊密吸附，難以發(fā)生淋溶和垂直遷移，其在土壤內(nèi)部的再分布主要受限于土壤侵蝕、堆積以及耕作等物理作用的影響，而與其他因素無關(guān)。這部分的 ²¹⁰Pb 就是²¹⁰Pb_ex ，也通常被稱為“非載體來源 ²¹⁰Pb^′′ 或“外源性 ²¹⁰Pb^′ ，。 ²¹⁰Pb_ex 示蹤土壤侵蝕同 ¹³⁷Cs 類似，將采樣點土壤中 ²¹⁰Pb_ex 含量低于或高于背景值點，則表明該點發(fā)生了侵蝕（沉積）。根據(jù) ²¹⁰Pb_ex 的減少量或增加量，通過轉(zhuǎn)換模型，定量估算該處土壤侵蝕量或沉積量。

²¹⁰Pb_ex 應(yīng)用于土壤侵蝕方面的研究相對較少，1997年首次將其與 ¹³⁷Cs 相結(jié)合，隨后在此基礎(chǔ)上建立了農(nóng)耕地的21°Pbex穩(wěn)定態(tài)質(zhì)量平衡模型[33]。2003年在中英兩國土壤剖面中 ²¹⁰Pb_ex 的深度分布研究中建立了農(nóng)田侵蝕速率的穩(wěn)定態(tài)模型[34]。由于單一同位素示蹤土壤侵蝕的結(jié)果仍具有一定的不確定性，且 ¹³⁷Cs 和 ²¹⁰Pb_ex 定量估算土壤侵蝕的原理相似，將兩種核素結(jié)合起來對研究區(qū)的土壤侵蝕及沉積狀況進行定量研究的方法也較為流行[35]，核素示蹤的結(jié)果也能用來與土壤侵蝕模型估算的結(jié)果進行比較，評估模型的估算效果[36]。由于¹³⁷Cs 的半衰期為30.1a，土壤中 ¹³⁷Cs 的含量會隨著時間推移越來越低，測試難度逐漸加大。因此找到半衰期和 ¹³⁷Cs 相近，易于測定的替代性示蹤核素，不僅有助于發(fā)現(xiàn)新的土壤侵蝕研究方法，還能將其應(yīng)用于土壤侵蝕過程、空間分布格局以及變化趨勢的研究，可以有效提高研究結(jié)果的精度。 ²¹⁰Pb_ex 作為一種非人工核素，同樣能夠進行長時段測定，運用 ²¹⁰Pb_ex 進行土壤侵蝕的研究，在¹³⁷Cs 含量很少甚至在探測極限以下的地區(qū)計算土攘侵蝕速率是今后發(fā)展的必然趨勢。

核素示蹤法可以進行較大面積的侵蝕研究，也無需在野外設(shè)立長期監(jiān)測站，僅憑一次野外采樣就可以計算幾十年的土壤侵蝕/沉積速率，降低了研究成本；也無需研究區(qū)的歷史資料，對于長期無水土保持監(jiān)測的地區(qū)更便捷。雖然核素示蹤法不需要特殊的野外設(shè)施，但測定土壤中核素含量對研究人員的技術(shù)水平要求較高；且土壤中的核素含量會受到土壤母質(zhì)和背景值的影響，這可能導致計算結(jié)果準確性受到影響。

4結(jié)論與展望

（1）傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究方法包括高差法、野外調(diào)查法和徑流小區(qū)法，都具有直觀、操作簡單的特點，但僅適用于短期的小范圍監(jiān)測，容易受到自然和人為因素的影響，增加了維護的成本和工作量。

（2）王壤侵蝕模型模擬法隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛，模型的空間尺度和應(yīng)用范圍逐步從小尺度發(fā)展到大尺度。較為常用的模型有USLE、RUSLE和CSLE三種，均屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，模型的計算精度往往會受到不同因子的計算方式和不同研究區(qū)歷史資料詳盡程度的影響。土壤侵蝕模型未來的研究可以從模型參數(shù)優(yōu)化、模型集成與融合、智能化與自動化、跨學科交叉研究四個方面進行改進和發(fā)展，將土壤侵蝕與氣象學、地理學、生態(tài)學等多學科進行交叉研究，深入探討土壤侵蝕的機理和過程，為模型的改進和發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

（3）核素地球化學示蹤法具有快捷簡便，能夠定量計算大范圍、長時段的土壤侵蝕量的優(yōu)點，其中 ¹³⁷CsFH²¹⁰Pb_ex 的技術(shù)更為成熟，應(yīng)用也更為廣泛；但由于 ¹³⁷Cs 是人工核素，隨著時間推移其在土壤中的含量逐漸降低； ²¹⁰Pb_ex 作為半衰期和 ¹³⁷Cs 接近的示蹤核素，同樣能夠進行長時段測定，并且其作為自然情況下產(chǎn)生的核素，在土壤中的含量更為穩(wěn)定。運用 ²¹⁰Pb_ex 進行土壤侵蝕速率研究，并和面源污染估算結(jié)合；并在此基礎(chǔ)上探索更加高效的檢測核素含量的方法，并探究新核素在研究土壤侵蝕方面的潛力，是今后研究發(fā)展的趨勢。

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AdvancesinSoilErosionResearchMethods

TUShu-yu，HUANG Yue（School of Earth Sciences，Yunnan Unicersity，Kunming 650500，China）

Abstract：Soilerosionstandsasapromient globalenvironmentalisue，hichnotonlyleadstolandegradation，utalsosfar reachingmpactsonwaterresources，ecologicalevironmentandhumansocietyPrecisequanitativeinvestigationsintosoilrosion offerrucial isightsfosinglcalsoilonditinsonseingadeaningslresouce，aswellaseveloingadsein soilndwaterconservationstrategies.Thispaperreviewsthehstoryofsoilerosionindifrentperoids，andsummarizethehree mainresearchmethodsofsolrosion：taditioalsoilrosionresearchmethod，soilrosionodelsimulationmethd，duclide tracermethodhichwillprovidevitalteoreticalbasisforfutureindepthexplorationsofsoilerosionandteiscoeryofoel research avenues.

Keywords：Soilerosion;Traditionalmethods;Soil erosionmodel;Nucleartracer method;Researchprogress