高天雷，武 萍，尹學(xué)明

(四川省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院四川成都 610081)

土壤侵蝕嚴(yán)重影響著人類的可持續(xù)發(fā)展［1］，是我國(guó)生態(tài)、土壤、林業(yè)等學(xué)科研究的焦點(diǎn)問題之一［2］。雖然20世紀(jì)末期以來我國(guó)積極推動(dòng)林業(yè)“兩大工程”建設(shè)，并將生態(tài)戰(zhàn)略提升到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的層面，但從實(shí)際來看，我國(guó)土壤侵蝕現(xiàn)狀依然嚴(yán)重。隨著數(shù)學(xué)分析方法的不斷成熟，利用模型對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行定量化研究已經(jīng)成為重要的趨勢(shì)［3］。圍繞著土壤侵蝕模型，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛的研究，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)土壤侵蝕模型的研究成果、模型特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和分析，以期為更好指導(dǎo)土壤侵蝕的相關(guān)研究提供參考。

1 土壤侵蝕模型類型

土壤侵蝕研究可以追溯到19世紀(jì)末期。到20世紀(jì)30年代，現(xiàn)代數(shù)學(xué)引入到土壤侵蝕的相關(guān)研究之中，土壤侵蝕從定性研究走向定量研究階段。按照研究方法、途徑和目的的區(qū)分，土壤侵蝕模型可以分為物理過程模型、動(dòng)力學(xué)模擬模型和因子分析模型等［4］。

1.1 物理模擬過程模型

物理過程模型是通過對(duì)降雨所形成的侵蝕產(chǎn)沙過程進(jìn)行分析的一種模型。物理過程模型的目的是要闡明侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律。在20世紀(jì)中葉以前，學(xué)者們從降雨、植被、坡度等方面對(duì)土壤侵蝕進(jìn)行了單因素分析，為后來的土壤侵蝕模型研究奠定了基礎(chǔ)。從20世紀(jì)中葉以來，依賴于信息技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的不斷發(fā)展，土壤侵蝕模型研究進(jìn)入了多因素時(shí)代。Negev在考慮傳統(tǒng)的降雨、植被恢復(fù)、坡度、坡長(zhǎng)等因子外，還將薄層水流泥沙輸移納入模型之中［5］。梅耶則在Negev的基礎(chǔ)上，提出了細(xì)溝土壤侵蝕平衡方程［6］。目前國(guó)外研究中，運(yùn)用較廣的模型是Wepp水蝕模型和歐洲土壤侵蝕模型［7］。Wepp水蝕模型對(duì)侵蝕的各個(gè)過程都有一定的涉及。歐洲土壤侵蝕模型則又細(xì)分為細(xì)溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕。此外荷蘭根據(jù)自身的實(shí)際，提出了LISEM侵蝕模型。

目前國(guó)內(nèi)研究，在土壤侵蝕物理模型方面，具有自主創(chuàng)新的研究成果較少，基本上是對(duì)國(guó)外成熟模型的引進(jìn)和借鑒。劉克娜等人通過模擬野外降雨，討論了細(xì)溝間侵蝕與降雨、坡度、地表結(jié)構(gòu)等方面的關(guān)系，并據(jù)此提出了有關(guān)的預(yù)報(bào)模型［8］。文江蘇，何小武［9］則認(rèn)為細(xì)溝發(fā)育包括片流、線性水流發(fā)育、隱細(xì)溝、溝頭侵蝕細(xì)溝等階段。從國(guó)內(nèi)學(xué)者模型結(jié)果來看，土壤侵蝕是一個(gè)受多因素控制的過程。其中:降雨動(dòng)能對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)沙量的影響最為明顯。降雨動(dòng)能其實(shí)起到了為土壤侵蝕提供初始動(dòng)能的作用。此外坡度和坡長(zhǎng)也是影響土壤侵蝕的主要因素。從物理學(xué)角度來看，坡長(zhǎng)越長(zhǎng)、坡度越大，沙粒的動(dòng)能就越大?；谖锢磉^程研究結(jié)果，學(xué)者們普遍認(rèn)為消除降雨動(dòng)能是降低土壤侵蝕的主要方法。由于我國(guó)地形復(fù)雜、土壤結(jié)構(gòu)多樣，學(xué)者們針對(duì)不同地形、地域構(gòu)建了相關(guān)的物理過程模型。

整體來看，物理過程模型以模擬土壤侵蝕的物理形成為依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)性;但是，物理過程侵蝕模型對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的需求較大。因此，研究結(jié)果具有一定的主觀性。

1.2 動(dòng)力學(xué)模擬模型

動(dòng)力學(xué)模擬模型是根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論解釋侵蝕產(chǎn)沙過程。該類模型可以較好地了解時(shí)間序列、微觀運(yùn)移和流域下墊面對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響。因此，運(yùn)用價(jià)值較廣。目前，CSU模型是具有代表性的動(dòng)力學(xué)模擬模型，該模型由 Simons和 Li提出［，10］。CSU 模型利用網(wǎng)格系統(tǒng)將一個(gè)流域系統(tǒng)分為多個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)使用坡面匯流公式計(jì)算。水流挾沙能力則采用Du-boys公式計(jì)算，懸移值計(jì)算采用Einstein公式，徑流分離量則使用泥沙連續(xù)方程。從CSU模型來看，網(wǎng)格劃分可以較好地簡(jiǎn)化流域下墊面帶來的復(fù)雜程序，而且各類指標(biāo)的計(jì)算也多以前人的成果為基礎(chǔ)。但是該模型難以真實(shí)地反映流域下墊面的情況，因此，結(jié)果的真實(shí)性受到了一定的質(zhì)疑。

Kineros模型是動(dòng)力學(xué)模擬模型的另一個(gè)代表［5，10］。該模型充分容納了滲透模型和動(dòng)力波模型，可以較好地反映地表徑流和土壤侵蝕過程。從該模型的實(shí)踐來看，雖然對(duì)于滲透過程的描述效果較好，但是難以反映復(fù)雜地表的動(dòng)力學(xué)過程。從土壤侵蝕模型的發(fā)展趨勢(shì)來看，動(dòng)力學(xué)模擬模型是未來的重要發(fā)展趨勢(shì)，但要真正將動(dòng)力學(xué)模擬模型用于實(shí)際土壤侵蝕預(yù)報(bào)，還需要學(xué)界的更多努力。

1.3 因子分析模型

因子分析模型是以因子分析方法為基礎(chǔ)，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，擬合出相關(guān)模型。因子分析模型是一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在用于具體的個(gè)案研究中具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)性和精確度。目前，在因子分析模型中，常涉及的因子包括|降雨特征、地貌特征、土壤特征、植被情況、耕作方式等。因子分析模型所獲得的結(jié)果統(tǒng)稱為土壤流失方程式(USLE)。最早的USLE方程由美國(guó)學(xué)者Zingg提出［11］。該方程只含有兩個(gè)自變量，分別為坡長(zhǎng)和坡度，因變量為土壤侵蝕量。在早期的物理模擬模型中，學(xué)者們也提出了諸多的單因素方程，這也可以看成因子分析模型的早期成果。美國(guó)由于土壤侵蝕觀察基站建立較早，在20世紀(jì)50年代就提出了一個(gè)通用的土壤流失方程式(美國(guó)方程式)。該方程式在20世紀(jì)60年代和70年代，隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的不斷豐富，進(jìn)行了一定的調(diào)整［12］。

相比于物理模擬過程模型和動(dòng)力學(xué)模擬模型，因子分析模型直觀、簡(jiǎn)便，而且可以根據(jù)具體的區(qū)域進(jìn)行因子的調(diào)整，實(shí)用性極強(qiáng)。我國(guó)學(xué)者在因子分析模型方面獲得了較多的成果。例如，高燕等［13］針對(duì)東北黑土區(qū)提出了相關(guān)的土壤流失方程式。韓曉燕等［14］等則針對(duì)黃土高原土壤侵蝕進(jìn)行了因子分析，并提出了相關(guān)的USLE式。田國(guó)行等［15］對(duì)高速公路邊坡土壤流失構(gòu)建了USLE方程式。從實(shí)踐效果來看，這些成果均較好地指導(dǎo)了相關(guān)的研究和實(shí)踐。

2 3S技術(shù)在土壤侵蝕模型中的運(yùn)用

3S技術(shù)的快速發(fā)展，為土壤侵蝕研究提供了新的方法論。土壤侵蝕是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。通過3S技術(shù)，可以較好地了解土壤侵蝕的動(dòng)態(tài)情況，為土壤侵蝕模型的構(gòu)建和評(píng)價(jià)提供更有效的方法。從國(guó)外來看，加拿大和美國(guó)利用3S技術(shù)在土壤侵蝕觀測(cè)方面起步較早。加拿大在1972年、美國(guó)在1974年就建立了土地信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涵蓋了土地利用、監(jiān)測(cè)等多種功能，可以為土壤侵蝕模型的構(gòu)建提供更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)［16］。

從我國(guó)的發(fā)展來看，學(xué)者們?cè)谕寥狼治g模型的研究方面，加大了3S技術(shù)的運(yùn)用。在張?zhí)N瀟和孫紫英［17］的研究中，借助3S技術(shù)對(duì)內(nèi)蒙古土壤侵蝕模型進(jìn)行了構(gòu)建。在他們的研究中，發(fā)現(xiàn)降雨因子、土壤可蝕因子、生物因子、地形因子、人為因子等是影響內(nèi)蒙古土壤侵蝕的主要因子。陳旭東等［18］借助3S技術(shù)和現(xiàn)代軟件技術(shù)，以岳西縣為研究區(qū)域，建立了該縣土壤侵蝕預(yù)報(bào)分析軟件庫(kù)。通過軟件的分析，可以較好地對(duì)即將發(fā)生的土壤侵蝕進(jìn)行判斷，盡量降低各種損失。在袁再建［19］的研究中，則利用GIS構(gòu)建了分布式侵蝕產(chǎn)沙模型，并對(duì)空間尺度的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。他認(rèn)為遙感技術(shù)在土壤侵蝕模型的構(gòu)建中，將會(huì)發(fā)揮更加突出的作用，對(duì)于指導(dǎo)土壤侵蝕研究乃至全國(guó)土地管理都有重要意義。張喜旺等［20］認(rèn)為3S技術(shù)不僅為土壤侵蝕模型的構(gòu)建提供了數(shù)據(jù)支撐，而且還為土壤侵蝕模型的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。3S技術(shù)可以為土壤侵蝕的研究提供空間分析依據(jù)，并提升侵蝕模型的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)能力。整體來看，隨著3S技術(shù)的發(fā)展，3S技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代土壤侵蝕研究的重要方法和支持，為土壤侵蝕模型的研究發(fā)展提供了更好的基礎(chǔ)。

3 土壤侵蝕模型研究的趨勢(shì)

隨著新一輪工業(yè)革命的發(fā)展，人類社會(huì)活動(dòng)的日益頻繁，土壤侵蝕發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)越來越多。土壤侵蝕已經(jīng)成為當(dāng)前嚴(yán)重影響人類生態(tài)文明的主要環(huán)境問題。在19世紀(jì)末期，土壤侵蝕就受到了學(xué)者們的重視。進(jìn)入20世紀(jì)中期以來，隨著現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析工具的不斷發(fā)展，土壤侵蝕研究從定性分析逐步過渡到定量分析，并且從不同的研究視角，創(chuàng)建了多種土壤侵蝕模型。

從現(xiàn)有的模型來看，多是集中在小流域范圍。大流域土壤侵蝕的復(fù)雜性高，而且數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)收集麻煩，目前關(guān)于大流域較為成功的土壤侵蝕模型還較少。此外，現(xiàn)有的研究往往假設(shè)流域是獨(dú)立的、封閉的;但現(xiàn)實(shí)情況下，流域往往是相互聯(lián)系、彼此影響的。關(guān)于多個(gè)流域交界處的土壤侵蝕研究目前幾乎是一個(gè)空白。從具體的模型來看，物理模擬過程和動(dòng)力學(xué)模擬模型以理論研究為基礎(chǔ)，因此必須進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)相關(guān)理論基礎(chǔ)研究，為模型的完善奠定更好的基礎(chǔ)。在因子分析模型方面，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，還必須結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論、聚類分析等現(xiàn)代數(shù)學(xué)發(fā)展成果，進(jìn)一步提升因子分析在預(yù)測(cè)方面的價(jià)值。在具體的技術(shù)支撐方面，要結(jié)合現(xiàn)代地理信息系統(tǒng)等技術(shù)手段和SPSS等軟件統(tǒng)計(jì)工具，簡(jiǎn)化繁雜的數(shù)據(jù)收集和處理工作，提升研究的效率。

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