鐘莉娜，趙文武，*

(1.北京師范大學(xué)，地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875;2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院土地資源系，北京 100875)

1 大會(huì)簡(jiǎn)介

2013年歐洲地球科學(xué)聯(lián)盟(European Geosciences Union，EGU)聯(lián)合大會(huì)于4月7日—4月12日在奧地利首都維也納舉行。每年一度的EGU會(huì)議是歐洲地球科學(xué)領(lǐng)域最為盛大的事件，來(lái)自全球95個(gè)國(guó)家和地區(qū)的1.1萬(wàn)多名科學(xué)工作者歡聚一堂，就地球科學(xué)相關(guān)學(xué)科最新進(jìn)展進(jìn)行交流和討論。2013年EGU會(huì)議共設(shè)有22個(gè)分會(huì)場(chǎng)，6天會(huì)期內(nèi)共有4684場(chǎng)口頭報(bào)告、8207份展板。會(huì)議內(nèi)容覆蓋面廣，涵蓋行星探索、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、氣候、能源和資源等眾多方面。綜合來(lái)看，2013年EGU重點(diǎn)關(guān)注的是全球變化下地球系統(tǒng)過(guò)程與變化及其相互作用，相關(guān)研究進(jìn)展為有效應(yīng)對(duì)全球變化、推進(jìn)地球可持續(xù)發(fā)展提供了理論支撐，促進(jìn)了地球科學(xué)、行星科學(xué)和空間科學(xué)的發(fā)展。會(huì)議主要以口頭報(bào)告(Oral programme)、展板(Poster programme)和微討論(Pico programme)三種形式展開。EGU會(huì)議為科學(xué)家，特別是青年科學(xué)家提供了展示自己研究成果的國(guó)際平臺(tái)，推動(dòng)了不同領(lǐng)域地球科學(xué)專家學(xué)者的國(guó)際交流與合作。

會(huì)議為土壤科學(xué)安排了系列分會(huì)場(chǎng)，涵蓋土壤化學(xué)、土壤侵蝕模型、土壤污染和治理、土壤和環(huán)境以及生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用、土地退化及水保措施等土壤科學(xué)研究中的前沿領(lǐng)域和熱點(diǎn)話題。土壤侵蝕是土壤科學(xué)體系的重要內(nèi)容之一，也是當(dāng)今人類面臨的最普遍、持續(xù)性的生態(tài)環(huán)境問題之一，已經(jīng)成為中國(guó)乃至全球重大的環(huán)境問題之一［1-2］。土壤侵蝕不僅造成土壤養(yǎng)分流失、土地生產(chǎn)力下降，而且使土壤有機(jī)C、N的含量及土壤組分產(chǎn)生較大變化，引發(fā)自然災(zāi)害加劇、生態(tài)環(huán)境惡化等諸多的嚴(yán)重問題［3-4］。而土壤侵蝕模型是監(jiān)測(cè)水土流失和評(píng)估水保措施效益的有效手段。土壤侵蝕模型的發(fā)展動(dòng)向一直是相關(guān)專家重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，本文主要對(duì)EGU大會(huì)上土壤侵蝕模型的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行介紹和評(píng)述。

2 EGU會(huì)議土壤侵蝕模型研究進(jìn)展

不同的土地利用類型和氣候等多種環(huán)境要素都會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響，土壤侵蝕模型的產(chǎn)生使量化和描述土壤侵蝕率和土壤再分配成為可能［5］。侵蝕模型為不同環(huán)境、不同時(shí)空條件下的水土保持工作提供了有效工具。土壤流失的發(fā)生、土壤的分離、沉積物的轉(zhuǎn)移是受多種因素影響的非線性過(guò)程［6］，因此想要建立一個(gè)精確并有普遍適用性的土壤侵蝕模型比較困難。從19世紀(jì)30年代關(guān)于土壤侵蝕的第一個(gè)坡面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷饺缃竦拇蟪叨任锢砬治g模型，所有關(guān)于土壤侵蝕率、沉積率和產(chǎn)沙量的預(yù)測(cè)方法都有不同程度的不確定性。同時(shí)，由于模型尺度依賴性的存在，模型在不同的時(shí)空條件下有不同的適用性，模型的適用性使得每一個(gè)模型的驗(yàn)證程序都有其獨(dú)特性［7-8］。綜合來(lái)看，本屆EGU會(huì)議關(guān)于土壤侵蝕模型的報(bào)告和討論可以分為三個(gè)方面:土壤侵蝕模型的新發(fā)展、模型的應(yīng)用、模型的不確定性。

2.1 土壤侵蝕模型的新發(fā)展

土壤侵蝕模型的發(fā)展是一個(gè)曲折的過(guò)程。土壤侵蝕定量研究最早由1877年德國(guó)土壤學(xué)家Ewald Wollny提出。侵蝕模型在之后的發(fā)展過(guò)程中遇到過(guò)不少難題，其中最主要的是沒有考慮到土壤抗剪強(qiáng)度和水文過(guò)程、徑流產(chǎn)生、坡面沉積物的擴(kuò)散路徑和運(yùn)移方向以及植被依賴性對(duì)土壤侵蝕的影響等。

隨著對(duì)土壤侵蝕機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深化，越來(lái)越多的影響因子被納入考慮范圍，土壤侵蝕模型研究取得了豐碩成果?；趯?duì)美國(guó)30個(gè)州10000多個(gè)徑流小區(qū)近30年資料的觀測(cè)與分析，綜合考慮土壤侵蝕與土壤可蝕性、坡度、植被、坡長(zhǎng)和雨強(qiáng)的關(guān)系，有關(guān)學(xué)者提出了通用土壤流失方程(USLE);在深入了解水文過(guò)程(如入滲、徑流和泥沙運(yùn)移過(guò)程)的情況下，KINEROS、LISEM、WEPP、PESERA等模型相繼問世;認(rèn)識(shí)到泥沙選擇性運(yùn)移過(guò)程(如運(yùn)移和供給限制、運(yùn)移路徑)對(duì)土壤侵蝕的影響后，MAHLERAN等模型隨即產(chǎn)生。雖然建立的侵蝕模型具有較強(qiáng)的實(shí)用性，但其在應(yīng)用過(guò)程中仍存在很多問題。于是便有學(xué)者針對(duì)應(yīng)用中存在的問題對(duì)模型進(jìn)行了修正，以提高模型的精度。例如，對(duì)USLE模型修正后得到了RUSLE模型，RUSLE較USLE而言功能更多，適用范圍更廣。此外，也有學(xué)者注意到了尺度問題在侵蝕模型研究中的重要性，通過(guò)對(duì)模型的不斷驗(yàn)證，得到了不同模型的適用尺度。例如，LISEM適用于1—100hm2的流域，WEEP只適用不大于1km2的小流域，而RUSLE在不同空間尺度流域內(nèi)均有較好的適用性。

雖然土壤侵蝕模型研究取得了巨大進(jìn)展，但由于土壤侵蝕過(guò)程以及影響因子的復(fù)雜性，目前土壤侵蝕模型研究面臨諸多新的挑戰(zhàn)。例如，如何實(shí)現(xiàn)同一過(guò)程、不同類型模型間的整合，以便從整體和系統(tǒng)的角度模擬整個(gè)土壤侵蝕的過(guò)程;怎樣盡最大的可能使模型能夠運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)上的免費(fèi)數(shù)據(jù);怎樣在數(shù)學(xué)模型中包含盡量多的校正技術(shù)，在提高模型精度的同時(shí)提高模型的適用范圍;如何量化降雨過(guò)程中徑流的動(dòng)態(tài)變化和人類活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響，并將人類活動(dòng)和徑流動(dòng)態(tài)變化作為侵蝕模型的輸入?yún)?shù)，參與模型的計(jì)算等等。

2.2 不同空間尺度的模型應(yīng)用

土壤侵蝕模型具有尺度依賴性，模型研究空間范圍的大小會(huì)對(duì)土壤侵蝕模型的模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。目前，土壤侵蝕模型已被應(yīng)用到了小區(qū)、流域、全球等多個(gè)尺度。EGU會(huì)議中，侵蝕模型在小區(qū)、流域、全球尺度上的應(yīng)用均有所涉及。

會(huì)上提及的應(yīng)用在小區(qū)尺度上的侵蝕模型有SERT、WATEM/SEDEM、ModRMMF、IC、RHEM等等。以ModRMMF和IC模型為例，會(huì)上有報(bào)告將這兩個(gè)土壤侵蝕模型應(yīng)用在西班牙東北部的地中海農(nóng)業(yè)小區(qū)，同時(shí)估算兩個(gè)模型的土壤侵蝕量，并試圖通過(guò)兩個(gè)模型的對(duì)比與修正來(lái)提高模型的模擬精度。

流域是水文響應(yīng)的基本單元，也是研究土壤侵蝕的理想空間尺度［9］。土壤侵蝕模型在流域上的應(yīng)用分析對(duì)侵蝕模型的研究具有十分重要的意義。會(huì)議提到了TETIS、Landsoil model、SWAT、Erosion 3D、KINEROS2等侵蝕模型在流域尺度上的應(yīng)用。以TETIS模型為例，報(bào)告將研究區(qū)放在比利牛斯山中南部的ésera流域。研究人員利用TETIS模型估算了ésera流域的產(chǎn)沙量，并據(jù)此對(duì)流域中侵蝕較嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

目前，涉及全球尺度土壤侵蝕的研究較少，主要原因是收集全球尺度的土壤侵蝕研究數(shù)據(jù)相對(duì)困難，模型模擬結(jié)果有較大不確定性。EGU會(huì)議上對(duì)全球尺度土壤侵蝕的研究也相對(duì)較少。有學(xué)者對(duì)氣候變化條件下的全球尺度土壤侵蝕進(jìn)行了模型模擬。研究選用RUSLE模型作為土壤侵蝕量的預(yù)測(cè)模型，將全球按照經(jīng)緯度劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格，并通過(guò)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的土壤侵蝕量估算全球的侵蝕量。

2.3 土壤侵蝕模型的不確定性

隨著人們對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的了解和認(rèn)識(shí)，土壤侵蝕模型變得越來(lái)越復(fù)雜，但通過(guò)對(duì)模型模擬精度的驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)侵蝕模型的模擬結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間仍存在不可忽視的偏差［10-12］。

在EGU會(huì)議的相關(guān)報(bào)告中，有多位學(xué)者結(jié)合現(xiàn)有土壤侵蝕模型，將侵蝕模型的模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證土壤侵蝕模型的精度，發(fā)現(xiàn)多數(shù)侵蝕模型的模擬精度都需要進(jìn)一步提高。例如，有研究將SWAT模型應(yīng)用到比利牛斯山脈前的內(nèi)陸河流域，以估算流域內(nèi)土壤侵蝕狀況。研究結(jié)果表明，在無(wú)外部輸出、全部水流匯集到一個(gè)湖中的內(nèi)陸河流域，即使應(yīng)用分辨率很高的數(shù)字高程模型(5m)，SWAT模型在使用自動(dòng)劃分分水嶺功能的情況下，模擬結(jié)果也不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)土壤侵蝕的狀況。在德國(guó)下薩克森州，有研究將土壤侵蝕模型Erosion 3D的模擬結(jié)果與實(shí)際長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Erosion 3D模型模擬的整體結(jié)果良好，在多數(shù)情況下能夠辨識(shí)土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域，但是對(duì)土壤侵蝕量的預(yù)測(cè)值卻明顯高于實(shí)際值。

在研討土壤侵蝕模型不確定性同時(shí)，與會(huì)專家也探討了提高模型模擬精度的可能途徑。一方面，由于土壤沉積物的運(yùn)移會(huì)隨著觀測(cè)的時(shí)空尺度而發(fā)生變化，要提高模型的模擬精度，必須在深入研究侵蝕機(jī)理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)理論、試驗(yàn)和模型三方面的融合;另一方面，也需要通過(guò)模型有效性系數(shù)等方法，通過(guò)模型參數(shù)率定、模型驗(yàn)證和不確定性分析等來(lái)提高模型模擬精度;此外，加強(qiáng)學(xué)科之間的交流，將氣候變化模型、景觀連通性模型等引入土壤侵蝕模型的研發(fā)中，也有助于提高模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

3 會(huì)議啟示

本次會(huì)議關(guān)于土壤侵蝕模型的探討緊緊圍繞土壤侵蝕模型的新發(fā)展、模型應(yīng)用和模型的不確定性三個(gè)方面展開，重點(diǎn)討論了土壤侵蝕模型在不同尺度、不同環(huán)境中的應(yīng)用和模型的不確定性。EGU會(huì)議中關(guān)于土壤侵蝕模型的探討有許多值得我們借鑒的地方，對(duì)促進(jìn)我國(guó)土壤侵蝕模型發(fā)展具有良好的借鑒意義。(1)重視不同尺度、不同類型土壤侵蝕模型間的整合。雖然不同尺度、不同類型的侵蝕過(guò)程具有一定的相似性，但也存在明顯的差異?，F(xiàn)有土壤模型大都針對(duì)某一尺度、某一類型的侵蝕過(guò)程進(jìn)行描述。將不同尺度、不同類型的土壤侵蝕模型有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)不同侵蝕模型間的整合，從整體和系統(tǒng)的角度研究土壤侵蝕過(guò)程，對(duì)土壤侵蝕時(shí)空演變規(guī)律的整體把握具有十分積極的意義。

(2)加強(qiáng)侵蝕機(jī)理的研究，了解侵蝕過(guò)程中不同階段的規(guī)律和特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上完善模型，實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕量的動(dòng)態(tài)、快速監(jiān)測(cè)。從土壤侵蝕模型的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，模型的每一次發(fā)展都基于對(duì)侵蝕機(jī)理的更進(jìn)一步了解。當(dāng)前，人為干擾、極端氣候?qū)ν寥狼治g的影響越來(lái)越突出，對(duì)土壤侵蝕機(jī)理的深入研究，需特別考慮人為因素、氣候變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響。

(3)推進(jìn)GIS和RS技術(shù)在土壤侵蝕模型研究中的應(yīng)用，為土壤模型的發(fā)展提供現(xiàn)代技術(shù)的支持。地理信息系統(tǒng)(GIS)具有較強(qiáng)的空間數(shù)據(jù)處理和分析能力，能夠滿足用戶在數(shù)據(jù)處理分析方面的需求。對(duì)GIS進(jìn)行二次開發(fā)，將新開發(fā)的模塊添加到ARCGIS環(huán)境中，可以實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕模型的模塊化。遙感(RS)已成為土壤侵蝕模型研究不可或缺的數(shù)據(jù)源，在宏觀、快速等方面RS具有其他技術(shù)不可替代的優(yōu)越性。不斷推進(jìn)GIS和RS一體化技術(shù)在土壤侵蝕模型研究中的廣泛應(yīng)用是土壤侵蝕模型研究的必然趨勢(shì)。

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