中国土壤侵蚀预报模型研究进展摘要：土壤侵蚀模型作为了解土壤侵蚀过程与强度,掌握土地资源发展动态,指导人们合理利用土地资源的重要工具，受到世界各国的普遍重视。
本文总结了中国土壤侵蚀预报模型的主要研究成果，在总结和评价这些模型的基础上，提出今后我国的主要研究方向：（1）注重土壤侵蚀模型的理论研究；（2）加强对重力侵蚀、洞穴侵蚀机制的研究；（3）充分利用先进的RS、GIS技术,为侵蚀模型的研究提供大量的数据源,以利于对土壤侵蚀模型的检验。
关键词：土壤侵蚀模型、研究方向、问题Review of Research Progress in Soil Erosion Prediction Model in China Soil erosion model which is regarded as the tool to understand the soil erosion processes and intensity, to master the dynamic of land resources development, to guide the rational use of land resources, having attracted the widespread attention of the world.This paper summarizes the main findings of Chinese Soil Erosion Prediction Model and on the basis of summarying and evaluating these models it indicates the directions of the future research : (1) focus on soil erosion model theoretical research; (2) focus on the research of gravity erosion, cave erosion mechanism,; (3) take full advantage of the advanced RS and GIS technology for the study of erosion models which provide a large number of data sources to facilitate the inspection of soil erosion model.近年来，土壤侵蚀成为人们关注的生态环境热点之一。
土壤侵蚀预报是有效监测水土流失和评估水保措施效益的手段,侵蚀模型则是进行土壤流失监测和预报的重要工具。
土壤侵蚀预报模型的研究是世界土壤侵蚀学科的前沿领域和土壤侵蚀过程定量研究的有效手段。
根据土壤侵蚀模型的建模手段和方法,一般可以将其分为经验统计模型和物理成因模型。
经验统计模型是利用大量的试验观测资料,借助于统计方法,定量表述影响土壤侵蚀因子的指标,进而得出计算土壤流失量的方程式。
物理成因模型以土壤侵蚀的物理过程为基础,利用水文学、水力学、土壤学、河流泥沙动力学以及其他相关学科的基本原理,根据已知降雨、径流条件来描述土壤侵蚀产沙过程,从而预报在给定时段内的土壤侵蚀量。
根据土壤侵蚀模型预报对象的不同,又可将土壤侵蚀模型分为坡面土壤侵蚀模型和流域或网格(区域)土壤侵蚀模型。
我国学者在土壤侵蚀模型研究的各个层面上进行了大量工作,取得了很多成果。
其中,区域尺度研究的应用更为广泛。
在小流域土壤侵蚀模型的研究方面,以对统计模型及引进的统计模型中各因子的本地化研究较多,对基于过程的物理模型系统研究较少,特别是适合我国国情的系统的过程模型更少。
本文希望对我国土壤侵蚀模型的主要研究成果进行总结,并对其中的一些问题进行了评述,以期为今后的土壤侵蚀模型研究进展提供一定的参考意见。
提出了预报模型亟待解决的关键问题,以促进我国土壤侵蚀预报模型的建立,为生态环境改善提供科学依据。
1.经验统计模型经验模型主要从侵蚀产沙因子角度入手,建立径流、产沙与降雨、植被、土壤、土地利用、耕作方式、水保措施等之间的多元回归因子关系式。
经验公式结构简单,计算方便,在制定公式使用资料范围内具有可靠的精度,但是模型被移植到其它区域使用时以及向建模条件外延时,模型精度难以控制,模型的实用性受到影响。
这类侵蚀产沙模型以坡面模型和小流域侵蚀产沙模型为代表,同时也包括部分区域性的侵蚀产沙预报模型,这些通常不考虑侵蚀产沙过程,称之为“黑箱”或“灰箱”模型,在模型形式上主要是采用侵蚀产沙因子的多元回归方程式。
自1953年刘善建首次提出坡面土壤侵蚀量的公式来[2],不同的学者根据当地的实际情况,建立了不同的土壤侵蚀经验模型。
现介绍我国目前主要的侵蚀产沙经验模型。
1.1坡面侵蚀产沙经验模型坡面经验模型主要参考或直接利用USLE的基本形式,结合我国当地的地貌特征,然后根据我国的观测资料,计算土壤侵蚀的各影响值。
关于各侵蚀因子的定量研究,比较成熟的是降雨径流因子、地形(坡度、坡长)因子的研究,植被因子和水土保持因子的系统研究较少。
在这些模型中,比较有代表性的是江忠善[2]和刘宝元[4]的经验侵蚀模型。
江忠善[3](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式:A=aKP0.999I2.63730S0.88L0.286GVC式中:A为次降雨侵蚀量;a为系数、无量纲;K为士壤因子系数;P为降雨量;I30为次降雨过程中30分钟最大降雨强度;S为坡度;L为坡长;G为浅沟侵蚀影响系数,当坡面无浅沟侵蚀时,G=1;V为植被影响系数;C为水土保持措施影响系数。
对于裸露坡面、V和C皆为1。
该模型同以往模型相比,一是模型结构符合黄土丘陵区地貌特点,考虑了黄土坡面特有的浅沟侵蚀类型。
二是应用地理信息系统软件建立空间水土流失数据库,实现了侵蚀预报模型与GIS相结合。
由于模型模拟面积有限,因此在模型的推广应用时,需要一系列参数体系的修正,才能保证模型在外延时的正确性。
刘宝元[4](2001)建立了中国土壤流失方程(CSLE——Chinese Soil Loss Equation),可以用于计算坡面上多年平均年土壤流失量,此模型确立了一个中国土壤侵蚀预报模型的基本形式,形式简单实用。
容易在不同地区推广应用,其基本形式为:A=RKLSBETA是坡面上多年平均年土壤流失量(吨(公顷-1·年-1);R是降雨侵蚀力(兆焦耳(毫米(公顷-1·小时-1·年-1);K是土壤可蚀性(吨(公顷(小时(公顷-1·兆焦耳-1·毫米-1);L是地形的坡长因子(无量纲单位);S是地形的坡度因子(无量纲单位);B是水土保持的生物措施因子(无量纲单位);E是水土保持的工程措施因子(无量纲单位);T是水土保持的耕作措施因子(无量纲单位)。
全国性CSLE模型建立和应用的关键在于以下四个方面:资料标准的统一、修正;不同区域各因子的修正体系的确立;模型在不同区域流域内的验证;新技术RS、GIS在实际预测中的应用等。
但此模型也只能适用于缓坡地,对浅沟、切沟侵蚀等一些侵蚀方式没有考虑;同时,由于一些因子的标准在不同地区的差异,模型的推广也受到一定的限制。
1.2流域侵蚀产沙经验模型流域侵蚀产沙经验统计模型中,由于试验观测资料的差异,模型中所考虑的影响土壤侵蚀的影响因素也有所不同,但主要从水文、气象、下垫面因素考虑。
水文气象因子包括降雨量、径流量等;下垫面因子包括流域几何特征、地貌特征、土壤特征、植被与土地利用、水土保持措施等。
比较有代表性的流域侵蚀产沙经验模型主要有以下4个:江忠善[5](1980)根据黄土高原羊道沟、团山沟、吕二沟等10个小流域(集水面积0.18～187km2)资料,得到次暴雨流域产沙公式,主要参数有流域坡降、土壤可蚀性因子、植被作用系数,建立了产沙与径流的非线性关系式;此模型最大的不足是在不同集水面积的流域侵蚀产沙计算中,缺乏对泥沙输移过程的考虑,同时将侵蚀产沙关系式采用从坡面到流域之间的简单外延,忽略了流域侵蚀产沙的空间尺度变异规律。
范瑞瑜[6](1985)建立了黄河中游地区小流域土壤侵蚀预报模型,此模型探讨了不同地区小流域自然及人为因素间影响流失量的有关参变数,经统计分析,选取了下列有关因子:1)降雨影响侵蚀因子(R); 2)土壤可蚀性指标(K); 3)流域平均坡度(J); 4)植被影响侵蚀系数(C); 5)工程措施影响侵蚀系数(P)。
模型结构简单明了,实用性强。
但此模型在以下几个方面存在不足:在针对黄河中游地区小流域土壤侵蚀预报计算中,采用平均雨强及降雨年侵蚀力的方法概化了黄河中游地区高强度短历时暴雨在年侵蚀产沙中的重要作用,在实际预测中精度会受到影响。
采用流域平均坡度作为地形因子的测算依据,在黄土高原复杂的地貌条件下仍存在较多问题,不能很好反映流域的沟壑密度,这一点将直接影响模型的预测效果。
金争平[7](1991)通过对影响小流域侵蚀产沙的17个因子进行统计分析,找出影响皇甫川区小流域土壤侵蚀的主导因子,以主导因子建立适用于不同条件的若干泥沙预报方程。
此预报方程综合考虑了影响小流域侵蚀产沙的各个因子,但其适用范围只能在皇甫川流域,对泥沙侵蚀规律和定量预报方面还不够理想。
模型对于近年来在黄土高原地区进行的大规模水土流失治理的工程措施缺少考虑,使得模型较难实际推广应用。
李钜章[8](1999)利用黄河中游不同区域具有大量淤地坝的条件,再通过侵蚀影响因素机理的分析、在侵蚀形态类型区的划分等基础上探讨侵蚀变权模型。
首先选择了155个“闷葫芦”淤地坝,采集每个坝的平均淤积量,以及相应流域的侵蚀产沙影响因素:植被盖度、降雨量、沟谷密度、切割深度、地表组成物质、>15°的坡耕地面积比等资料,采用变权形式,建立侵蚀强度宏观估算模型。
最后用年降水量与年输沙量的关系对模型进行改进,得到了适用于多沙区粗沙区的侵蚀量计算模型。
此模型采用的是淤地坝资料,仅能反映多年平均状态,不能反映年际侵蚀与降雨的变化对侵蚀的影响,更不能反映单次暴雨对侵蚀的影响。
除了上述经验模型外,孙立达[9],杨艳生[10],周伏建[11],陈法扬[12],周佩华[13]等人也提出了相应的经验侵蚀产沙模型。
这些模型都是对分析影响侵蚀产沙的因素,结合当地的条件,采用数理统计的方法分析得到的。
如在江忠善的侵蚀模型里,将浅沟侵蚀影响以修正系数的方式代到USLE方程中;而刘宝元则将USLE中的作物和水土保持措施两大因子变为三大措施因子,即生物、工程和水土保持耕作措施三大因子。