土壤侵蚀模型进展

土壤侵蚀模型进展
摘要
土壤侵蚀及其模型的研究，长期以来一直是国内外学者研究的重点。

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，管理和维持人类长期生存环境的重要技术工具，受到世界各国的普遍重视；本文总结了中国土壤侵蚀模型的主要成果，对经验统计模型、物理成因模型、国外模型在我国的应用方面作了介绍；在总结和评价中国土壤侵蚀模型的基础上，提出近年来，人们对土壤水蚀形成过程及其模拟进行了广泛研究，并针对不同研究对象与目的，建立了土壤水蚀的经验预报模型、物理过程模型和分布式模型。

在对国内外一些主要的土壤水蚀模型进行评述的基础上，讨论土壤侵蚀模型研究与GIS技术和BP神经网络理论结合的发展趋势，同时结合土壤水蚀模型的开发和应用情况，提出了土壤侵蚀预报模型研究亟待解决的一些问题和我国土壤侵蚀预报模型研究的设想。

文中概述了土壤侵蚀模型的发展历程，分析了土壤侵蚀模型研究存在的问题，指出了未来的研究方向。

关键词土壤侵蚀模型研究进展发展方向
土壤侵蚀是指土壤或成土母质在外力（水、风）作用下被破坏剥蚀、搬运和沉积的过程。

土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程。

广泛应用的“水土流失”一词是指在水力作用下，土壤表层及其母质被剥蚀、冲刷搬运而流失的过程。

土壤侵蚀是人们普遍关注的生态环境问题之一；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。

土壤侵蚀是导致土地资源退化乃致彻底破坏的主要原因，作为可持续发展中的重要环节，土壤侵蚀已成为恶化生态环境、制约农业生产的重要因素[1]。

土壤侵蚀预报是有效监测土壤侵蚀和评估水保措施效益的手段。

土壤侵蚀模型则是进行土壤流失监测和预报的重要工具。

土壤侵蚀模型的研究是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。

一个多世纪以来，国内外学者为土壤侵蚀模型的建立做了大量的工作。

特别是近几十年来，随着遥感(RS)和地理信息系统(GIS)等相关学科的迅速发展和土壤侵蚀机理研究的不断积累，土壤侵蚀模型研究和模拟预报技术越来越受到人们的重视。

但是，到目前为止，有关土壤侵蚀的一些理论问题尚未能很好地解决，对侵蚀产生机理的认识仍不完全清楚，因此及时了解国际土壤侵蚀研究动态，并结合我国实际创造性地开展该领域的研究工作，具有重要意义。

1、国内土壤侵蚀经验模型研究状况
根据建模研究对象的不同，土壤侵蚀模型又有坡面土壤侵蚀模型和流域土壤侵蚀模型之分；从土壤侵蚀预报模型的研究对象看，土壤侵蚀模型近些年来已经从坡面土壤侵蚀模型向流域侵蚀产沙模型发展；由于坡面模型没有考虑相邻坡面、小区之间，坡面与沟道之间的径流泥沙作用过程，将它外推到流域时有很大的局限性；流域是自然界中完整的降雨K侵蚀K产沙系统，因而流域模型更符合实际情况；小区试验研究和坡面土壤侵蚀模型研究和发展是流域侵蚀产沙模型的基础。

流域土壤侵蚀预报模型又可分为集总式模型和分布式模型两种。

集总模型反映流域的总体平均或者平均行为。

分布式模型则将流域划分为若干网络“通过对每个网格的赋值来反映影响土壤侵蚀的各种因素在流域内的差异”然后根据一系列反映
侵蚀过程的运算程序计算各个网格的产流产沙“最后进行合理归并”从而达到比较准确地预报整个流域产流产沙的目的，分布式模型比集总式模型更能准确地自然小流域的侵蚀状况。

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。

1.1中国土壤流失模型(Chinese Soil Loss Equation ,CS LE)
刘宝元等[2]以US LE为蓝本,利用黄土丘陵沟壑区安塞、子洲、离石、延安等径流小区的实测资料,建立了中国土壤流失预报方程：A = RK LSB ET。

式中：A 为多年平均土壤流失量；R为降雨侵蚀力，计算公式为R = EI30 ；K为土壤可蚀性因子；S为坡度；L为坡长；B为水土保持生物措施因子；E为水土保持工程措施因子；T为水土保持耕作措施因子。

该模型的主要优点是根据我国水土保持措施的实际情况，将US LE中的作物和水土保持措施变成生物（B）、工程（E）和水土保持耕作措施（T）因子，但是该模型与US LE类似,缺乏对物理过程的考虑,对陡坡地特有的浅沟侵蚀考虑不够。

1.2小流域宏观产沙模型
尹国康等认为，气象—水文因素和包括人类活动影响在内的地表物理性质因素，是控制土壤侵蚀的2个重要方面。

因此，降雨和径流、流域面积、流域地面沟壑密度、流域高差比、地面沟壑切割深度、流域植被与治理度、地面岩石抗蚀性等因素，是选择指标的主要对象，通过分析筛选和回归计算[3]，提出小流域宏观产沙模型：
Msa/ Mwa = 31182 I0183
式中：Msa为年产沙模数；Mwa为年径流模数；I为流域地表综合特性指标，I = R015h D012h Rp- 018Rs- 315，式中Rh为流域高差比，Dh为地面崎岖度，Rp为淤地坝等治理措施的有效面积与流域总面积之比，Rs为地面组成物质的抗蚀性和渗透性。

1.3未治理流域暴雨产沙预报模型
江忠善[1]等根据陕北、晋西、陇东南黄土丘陵区沟道小流域实测资料,建立了未治理流域的暴雨产沙预报模型：
Ms = 0137M1115J KP
式中：Ms为一次暴雨的流域产沙模数；M为一次暴雨的洪量模数；J为流域平均坡度; K为土壤可蚀性因子，以黄土中沙粒和粉粒占总量的比例表示；P为植被作用系数(作物被覆与裸露情况相对照的径流小区侵蚀量比例)。

该模型能反映小流域动力、地形、土壤、植被等因素对流域产沙的综合影响，适用于黄土丘陵区没有或者很少开展水土保持工作的流域产沙计算；但由于没有考虑水土保持因子，不能用于流域水土保持治理的减沙效益评价。

2、国外土壤侵蚀经验模型研究状况
2.1国际上水蚀预报模型的四个阶段
对土壤侵蚀模型国内外已经做了大量的研究[4]，国际上水蚀预报模型大体上经过了四个阶段：
试验观测数据，建立土壤侵蚀基础数据库，结合统计分析和对土壤侵蚀因子的概化，建立估算土壤流失统计模型；
基于水蚀过程的研究成果，结合泥沙连续方程和数理方法，开发物理模型；
基于物理模型的成果与GIS 结合，开发分布式水蚀预报模型；
基于坡面和小流域水蚀预报模型的研究成果及遥感和地理信息系统的应用，开发区域土壤侵蚀模型。

2.2国内外土壤侵蚀模型的发展过程
国内外土壤侵蚀模型的发展过程[5]，可以大致划分为经验统计模型、物理过程模型与分布式模型三个阶段。

这三个阶段并没有严格的时间上的区别。

自从1877 年德国土壤学家Ewald Wollny 定量化研究土壤侵蚀开始，到20世纪60年代美国通用土壤流失方程U SL E (Universal Soil Loss Equation)的建立，这一阶段的研究基本上是经验性的[6]。

60年代以后，随着侵蚀机理的发展[12]，逐步建立了一些有物理成因基础、能模拟侵蚀物理过程的数学模型。

但是，由于土壤侵蚀问题涉及面广，侵蚀基本规律中有许多问题仍然不清楚，物理模型中仍然具有深刻的经验统计的烙印，基本上都是将整个流域视为一个整体进行研究的集总式模型。

90 年代以后，地理信息系统和遥感科学的发展及其在土壤侵蚀模型中的广泛应用，不仅可以将土壤侵蚀模型与GIS集成起来，方便预测预报土壤侵蚀[13]。

更为重要的是将土壤侵蚀模型由传统的集总式发展到分布式高度。

2.3土壤侵蚀的主要模型
土壤侵蚀模型作为定量研究土壤侵蚀的有效工具，在深入研究土壤侵蚀过程和指导水土流失治理的实践中发挥重要的作用[7]。

因此，研究者在不同区域进行了许多有益的探索，针对不同尺度建立一系列的土壤侵蚀模型，其中主要模型有USLE／RUSLE、CREAMS／GLEAMS、WEPP／Ge—oWEPP、SEMWE、LISEM、AGNPS、AN—SWERS、EUROSEM、CASC2D等。

然而由于土壤侵蚀过程的复杂性，在土壤侵蚀模型构建过程中[8]，往往会存在很多问题。

并且在已经建立并应用的模型中，也有许多需要进一步完善的地方。

对于目前土壤侵蚀模型总体上存在的问题进行分析和明确，有助于推动土壤侵蚀模型研究的深人；本文在国内外研究文献的基础上，从模型的过程的模拟、时空变异、验证和不确定性几方面系统总结了土壤侵蚀模型研究中的几个问题[9]。

3、土壤侵蚀模型发展的新动态
3.1基于GIS的土壤侵蚀模型
1991 年，在荷兰农业部和地方政府的资助下，De Roo建立了LISEM(Limberg Soil Erosion Model)模型[10]。

LISEM模型较详细地考虑了土壤侵蚀产沙的各个环节，能较好地模拟土壤侵蚀发生过程，并与GIS连接[11]。

我国学者也研究了GIS与遥感技术在土壤侵蚀模型中的应用。

胡良军等以GIS为工具，提取沟壑密度G、汛期降雨量P、大于0.125 mm风干土水稳性团粒含量S、植被盖度C和坡耕地面积比M等5个参数[11] ，建立了黄土高原区域水土流失评价模型：L = 305 210 P0.17887G1.19945M0.101898S– 0.109616e- 0.100144C
应用GIS可以方便地进行参数输入，也可将模型的计算结果描述土壤侵蚀空间分布差异，同时用户可用GIS模型中的数据分析工具[14]，根据所需目的进行数据分析和查询。

这些优点使得GIS与土壤侵蚀分布模型的结合，成为当前侵蚀模型研究发展的一个重要方向。

3.2 BP神经网络模型在土壤侵蚀模型中的应用
随着计算机技术的发展，计算机神经网络技术也广泛应用于土壤侵蚀预报中。

尚金成等讨论了多层神经元网络能以任意精度逼近非线性模型的能力，以及其自学习自适应特性，对于水文系统的径流预报进行了探讨[15]，提出了一种基于多层神经元网络的自适应径流预报模型。

张科利等通过实体模型的计算及结果分析表明，作为一种方法，神经网络理论用来预报土壤流失是可行的。

张小峰等应用BP神经网络模型的基本原理，以流域降水条件为基本因子，建立了流域产流产沙BP网络预报模型，该模型能用于定量分析流域人类活动对产流产沙的影响。

神经网络模型在土壤侵蚀中的应用，为侵蚀产沙预报提供了一种新思路，但由于模型自身的特点，很难考虑流域内空间变化对产沙的影响。

4、展望
土壤侵蚀是复杂的人文和自然地理过程,既受自然因素影响，又受人类活动的干扰，并且各种因素之间的交互影响错综复杂，难以准确把握。

到目前为止，侵蚀产沙中的许多问题仍未能很好地解决，对侵蚀产沙基本规律的认识还不完全清楚，即使在物理成因模型中，仍存在大量依靠经验手段来加以确定的变量。

所以，在物理成因模型方面，还需要进一步注重侵蚀机理分析，尤其是以侵蚀因子为基础的侵蚀预报要向侵蚀过程的量化研究和理论完善发展。

从土壤侵蚀模型的研究现状及存在问题来看，今后土壤侵蚀模型还应在以下方面作重点研究。

4.1土壤侵蚀模型的空间尺度转换研究
土壤侵蚀模型的研究主要在坡面到小流域尺度上展开，坡面是土壤侵蚀发生的策源地，影响侵蚀产沙和泥沙汇集的因素相对较为简单，对坡面侵蚀进行模拟是流域模拟的基础。

小流域的土壤侵蚀自成一个完整的体系，土壤侵蚀不仅包括雨滴溅蚀、片蚀、细沟和浅沟侵蚀, 还包括重力侵蚀、潜蚀以及沟道侵蚀，但由于未参与河道过程，没有包括侵蚀堆积和再侵蚀过程，与大中流域的侵蚀产沙和输移过程是不同的，不能简单地将坡面或小流域的研究成果直接在大中尺度流域应用。

因此不同尺度流域之间土壤侵蚀究竟有什么样的内在联系，如何将坡面和小流域所获得的研究成果应用到大中流域，是土壤侵蚀模型研究迫切需要解决的问题。

4.2新技术与土壤侵蚀模型结合的研究
建立大中流域土壤侵蚀模型，提高模拟精度，必须解决模型输入的空间分散性和不均匀性，并考虑不同单元的水沙形成及模拟参数的不同，而建立分布式模型是目前一条有效的途径。

3S技术在土壤侵蚀模型中的应用为建立分布式土壤侵蚀模型提了有力的工具。

在应用中，RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位, GIS进行相应的空间分析，从而高效率高精度、动态地进行流域土壤侵蚀空间分析和过程模拟预测，这样使得与GIS结合的土壤侵蚀模型比传统的土壤侵蚀模型具有更强大的生命力，成为当前和今后土壤侵蚀模型研究的重点。

参考文献
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