李國(guó)英：深入研究黃土高原土壤侵蝕規(guī)律
來源： 水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)網(wǎng) 上傳日期:2018-07-24 打印本文章 【字體】 大 中 小黃土高原，西起日月山，東至太行山，南界秦嶺，北抵陰山，總面積64萬(wàn)平方千米,大部分為黃土覆蓋，厚度50～100米，局部厚度可達(dá)250米以上，是世界上黃土分布最集中、覆蓋厚度最深的區(qū)域。黃土的主要成分為粉粒，結(jié)構(gòu)松散，孔隙度大，透水性強(qiáng)，遇水易崩解，抗沖蝕性差。據(jù)測(cè)定，黃土高原水土流失面積達(dá)45.4萬(wàn)平方千米，約占其總面積的70％，進(jìn)入黃河的泥沙均來自于這一地區(qū)。其中，年侵蝕模數(shù)大于8000噸每平方千米的極強(qiáng)度水蝕面積達(dá)8.5萬(wàn)平方千米,占全國(guó)同類面積的64％；年侵蝕模數(shù)大于15000噸每平方千米的劇烈水蝕面積達(dá)3.7萬(wàn)平方千米,占全國(guó)同類面積的89％。黃土高原是全國(guó)乃至全世界土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)。
黃河下游洪水主要來自中游三個(gè)區(qū)域：一是河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間，二是龍門至三門峽區(qū)間，三是三門峽至花園口區(qū)間。三個(gè)不同來源區(qū)的洪水以不同的組合形式，形成花園口站的大洪水或特大洪水。在黃河下游洪水的三個(gè)來源區(qū)中，有兩個(gè)位于黃土高原地區(qū)。
由此可見，對(duì)黃河上中游地區(qū)的水庫(kù)建設(shè)與運(yùn)行，以及黃河下游的防洪與河床演變來講，研究黃土高原地區(qū)的產(chǎn)匯流及土壤侵蝕規(guī)律顯得極其重要。
降雨產(chǎn)匯流及洪水演進(jìn)相對(duì)于土壤侵蝕而言，具有廣泛性，由此決定了對(duì)其研究的普遍性。從機(jī)理層面上講，前者的物理成因也較為明晰。迄今為止，關(guān)于降雨產(chǎn)匯流及洪水演進(jìn)的研究成果，特別是基于機(jī)理性揭示的研究成果較為完善，且在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。然而，與此相應(yīng)的土壤侵蝕研究，由于不同地區(qū)的土壤組成不同，造成的侵蝕強(qiáng)度不同，由此產(chǎn)生的影響度差異較大，因此，對(duì)其研究的普遍性受到制約，即便是不同國(guó)家開展了相應(yīng)的研究，但因所關(guān)注的目標(biāo)不盡相同，致使研究成果的使用被限制在苛刻的具體條件下，很難推而廣之。
一、美國(guó)土壤侵蝕規(guī)律研究
美國(guó)于1917年建立了世界上第一批用于土壤侵蝕觀測(cè)的小區(qū)。從20世紀(jì)30年代開始，美國(guó)進(jìn)行大規(guī)模的坡面土壤侵蝕試驗(yàn)觀測(cè)、預(yù)報(bào)和防治研究，并于1954年在普度大學(xué)成立了國(guó)家徑流泥沙數(shù)據(jù)中心（即美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室的前身），系統(tǒng)整理分布在全國(guó)24個(gè)州47個(gè)地區(qū)11000余個(gè)站-年試驗(yàn)小區(qū)的土壤侵蝕資料，在此基礎(chǔ)上，建立了通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation,簡(jiǎn)稱USLE）。
1965年美國(guó)農(nóng)業(yè)部出版的農(nóng)業(yè)手冊(cè)，向全國(guó)推薦了通用土壤流失方程，應(yīng)用于水土保持規(guī)劃。1978年以后，美國(guó)對(duì)此方程及其相應(yīng)農(nóng)業(yè)手冊(cè)進(jìn)行修改補(bǔ)充，并對(duì)方程中各個(gè)因子繼續(xù)進(jìn)行研究。1993年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室頒布了修正的通用土壤流失方程（Revised Universal Soil Loss Equation,簡(jiǎn)稱RUSLE），主要用于預(yù)報(bào)長(zhǎng)時(shí)期平均的土壤流失量。2000年，該機(jī)構(gòu)又頒布了最新版本的RUSLE，用于預(yù)報(bào)不同生態(tài)系統(tǒng)（農(nóng)田、礦區(qū)、建筑工地、耕地等）的土壤流失量。
在USLE的應(yīng)用過程中，美國(guó)農(nóng)業(yè)部意識(shí)到，該方程只是一個(gè)以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的回歸統(tǒng)計(jì)模型，缺乏比較嚴(yán)密的機(jī)理揭示，不能反映土壤流失的物理過程，只能計(jì)算年平均土壤流失量，而對(duì)于次降雨過程所產(chǎn)生的土壤流失無法計(jì)算。為此，美國(guó)農(nóng)業(yè)部決定，從1985年開始，著手研究一項(xiàng)為期10年的“水力侵蝕預(yù)報(bào)項(xiàng)目”（Water Erosion Prediction Project，簡(jiǎn)稱WEPP），以便取代USLE。1987年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室組織全美有關(guān)科研、教學(xué)、生產(chǎn)單位共同攻關(guān)，完成了此項(xiàng)研究的需求分析報(bào)告，提出了WEPP的基本框架。1995年8月，正式頒布了WEPP95。之后，1998年、2000年和2001年又分別頒布了不同的版本。由于WEPP為過程模型，因此較USLE具有明顯的優(yōu)越性，突出地表現(xiàn)在它可以模擬如下過程：用氣候發(fā)生器模擬日降雨量、降雨歷時(shí)等降雨要素；模擬降雨入滲、徑流、蒸散發(fā)、土壤水下滲；利用土壤基本特性計(jì)算土壤可蝕性、臨界剪切力、水力傳導(dǎo)率等。其最大特點(diǎn)，一是可以估算土壤侵蝕的時(shí)空分布，即全坡面或坡面任意一點(diǎn)的土壤凈流失量及其隨時(shí)間的變化；二是實(shí)現(xiàn)了侵蝕預(yù)報(bào)模型與GIS相結(jié)合。
值得注意的是，WEPP不能用于切溝和河道侵蝕，只能用于排水溝和農(nóng)田臨時(shí)切溝侵蝕預(yù)報(bào)。
二、歐洲土壤侵蝕規(guī)律研究
土壤侵蝕在中歐、南歐相對(duì)嚴(yán)重，而在北歐表現(xiàn)得不突出。自20世紀(jì)70年代以來，德國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家先后從美國(guó)引進(jìn)了通用土壤流失方程（USLE），并結(jié)合本國(guó)情況推廣應(yīng)用了這一經(jīng)驗(yàn)方程。如德國(guó)利用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)，結(jié)合降雨－徑流模型和泥沙演算模型，建立了中歐大流域產(chǎn)沙模型，并應(yīng)用于奧地利的Lech河。英國(guó)根據(jù)歐洲平原地區(qū)的土壤侵蝕特點(diǎn)，建立了以緩坡為主的小流域侵蝕模型。荷蘭提出了用于地中海地區(qū)的半經(jīng)驗(yàn)性的分布式區(qū)域土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，通過比較雨水的擊濺分離和徑流輸移能力估算年土壤流失量。
為了制定歐洲的土壤保護(hù)政策，政策制定者不僅需要知道局部地區(qū)的土壤侵蝕情況，而且更重要的是要了解整個(gè)歐洲的土壤侵蝕情況。在這樣的背景下，從2000年開始，由比利時(shí)Leuven大學(xué)、英國(guó)Leeds大學(xué)、法國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)研究院INRA、歐盟DG聯(lián)合研究中心、希臘雅典農(nóng)業(yè)大學(xué)、西班牙國(guó)家自然資源地區(qū)研究會(huì)等組成聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行泛歐洲土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，即建立PESERA模型（Pan-Europen Soil Erosion Risk Assessment）。該項(xiàng)研究周期為3年，投資184萬(wàn)歐元。研究分三個(gè)階段。第一階段是開發(fā)基于過程的空間分布模型，以替代通用土壤流失方程（因后者缺乏可靠的物理基礎(chǔ)和與更高的分辨率模型的兼容性）；第二階段是對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和與其他侵蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行比較；第三階段是對(duì)模型的應(yīng)用，在國(guó)家級(jí)和歐洲級(jí)建立用戶組。目前，此項(xiàng)研究已按計(jì)劃完成。模型結(jié)構(gòu)見下圖。
PESERA為物理過程模型，可模擬地表坡度和平面的二維變化，結(jié)合GIS可包含93層地理信息，模型網(wǎng)格的大小根據(jù)實(shí)際需求而定。
三、黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究
黃土高原是我國(guó)土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)，我國(guó)的土壤侵蝕規(guī)律研究是從黃土高原開始的，并一直將其作為研究和治理的重點(diǎn)。早在1941年1月，黃河水利委員會(huì)在甘肅省天水市建立了隴南水土保持試驗(yàn)區(qū)；同年7月，在陜西省長(zhǎng)安縣建立了關(guān)中水土保持試驗(yàn)區(qū)。20世紀(jì)50年代初，黃河水利委員會(huì)先后建立了天水、西峰、綏德3個(gè)水土保持科學(xué)試驗(yàn)站。到20世紀(jì)90年代，黃土高原地區(qū)成立的水土保持試驗(yàn)站（所）達(dá)到31處，技術(shù)人員超過了1000人，具有較好的試驗(yàn)研究基礎(chǔ)。
從20世紀(jì)50年代開始，我國(guó)水土保持科研工作者在黃土高原地區(qū)對(duì)其土壤侵蝕規(guī)律進(jìn)行研究，先后提出了若干用于計(jì)算土壤侵蝕量的產(chǎn)沙模型。
1953年，黃河水利委員會(huì)規(guī)劃設(shè)計(jì)處劉善建根據(jù)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的徑流小區(qū)觀測(cè)資料，提出了用于計(jì)算坡耕地年侵蝕量的經(jīng)驗(yàn)方程，這在黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究史上尚屬首次。
20世紀(jì)60年代，黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所根據(jù)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站的徑流小區(qū)觀測(cè)資料，建立了適用于黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的土壤侵蝕預(yù)報(bào)方程。這期間，天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站也建立了適用于黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的土壤流失方程。
20世紀(jì)70年代，美國(guó)通用流失方程（USLE）引入我國(guó)，一些學(xué)者以該方程為原型，同時(shí)根據(jù)各自研究對(duì)象的具體情況，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)修正，先后在黃土高原地區(qū)建立了若干土壤流失預(yù)報(bào)方程。如20世紀(jì)70年代末，中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所江忠善等根據(jù)陜北、晉西、隴東南黃土丘陵溝壑區(qū)10條典型溝道小流域（面積0.18～187平方千米）的實(shí)測(cè)資料，經(jīng)多元回歸分析，建立了未治理小流域的次暴雨洪水產(chǎn)沙量預(yù)報(bào)方程。這一時(shí)期，牟金澤等根據(jù)陜北子洲岔巴溝流域的實(shí)測(cè)資料，經(jīng)多元回歸分析，也建立了流域一次暴雨和全年的產(chǎn)沙量預(yù)報(bào)方程。南京大學(xué)尹國(guó)康等根據(jù)晉、陜、甘黃土丘陵溝壑區(qū)58個(gè)小流域（面積0.19～329平方千米）的觀測(cè)和調(diào)查資料，建立了小流域年產(chǎn)沙模型。黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所建立了適用于黃土丘陵溝壑區(qū)坡耕地的土壤侵蝕方程。
20世紀(jì)80年代中期以來，黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究呈現(xiàn)兩大趨勢(shì)。
一是流域侵蝕產(chǎn)沙的統(tǒng)計(jì)回歸模型研究，由不考慮空間變化的單一模型向能夠反映空間變化的分布模型轉(zhuǎn)變。其典型代表為江忠善等建立的小流域地塊侵蝕產(chǎn)沙模型。針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙的基本特征，將小流域的溝間地和溝谷地兩個(gè)地貌單元區(qū)別對(duì)待，分別建立次降雨侵蝕產(chǎn)沙量計(jì)算模型。
二是以侵蝕產(chǎn)沙物理過程為基礎(chǔ)的能夠反映流域侵蝕產(chǎn)沙時(shí)空變化的模擬模型開始起步并得到發(fā)展。其典型代表為湯立群、陳國(guó)祥等建立的黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙動(dòng)力學(xué)模型。該模型根據(jù)流域侵蝕產(chǎn)沙的垂直分帶規(guī)律，將每個(gè)單元流域進(jìn)一步劃分為梁峁坡、溝谷坡和溝槽三個(gè)侵蝕產(chǎn)沙區(qū)。
四、黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究與歐美國(guó)家對(duì)比
（一）土壤侵蝕規(guī)律研究的對(duì)象差異較大，黃土高原的土壤侵蝕規(guī)律研究難度最大
無論是美國(guó)還是歐洲，其廣泛分布的陸地坡面，特別是坡耕地，不僅是降雨徑流和侵蝕產(chǎn)沙的主要來源地，而且因其水土流失而導(dǎo)致土壤肥力下降，生產(chǎn)能力降低。因此，他們都把坡面水土流失的試驗(yàn)研究和治理列為水土保持工作的重點(diǎn)。美國(guó)通用土壤流失方程（USLE）的建立，就是用于預(yù)報(bào)降雨侵蝕力作用下農(nóng)耕地的年土壤流失量。WEPP的研發(fā)目標(biāo)也是面向坡面的（不能用于溝道侵蝕），即估算全坡面或坡面上任意一點(diǎn)的土壤凈流失量及隨時(shí)間的變化。歐洲研發(fā)土壤侵蝕模型，無論是經(jīng)驗(yàn)性的，還是基于機(jī)理揭示的物理意義明確的過程模型，均是面向歐洲緩坡地形的。一般地，對(duì)于坡面特別是緩坡地面的土壤侵蝕而言，以降雨為侵蝕營(yíng)力的水蝕過程并不十分復(fù)雜，在取得長(zhǎng)期的、大量的坡面侵蝕觀測(cè)資料的基礎(chǔ)上，輔以必要的土壤物理力學(xué)研究，即可建立和率定使用效果較好的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。
而黃土高原地區(qū)，特別是黃土丘陵溝壑區(qū)，在內(nèi)外營(yíng)力的作用下，發(fā)育成梁峁坡、溝谷坡和溝谷底三個(gè)各具特征的類型地帶，相應(yīng)年侵蝕模數(shù)分別為0.5萬(wàn)～1.5萬(wàn)噸每平方千米、1.5萬(wàn)～2.0萬(wàn)噸每平方千米、2.5萬(wàn)～3.0萬(wàn)噸每平方千米。上述三種類型地帶的侵蝕現(xiàn)象為：梁峁坡以水力侵蝕為主，其上部侵蝕方式主要為濺蝕、細(xì)溝侵蝕和沖溝侵蝕，下部形成陷穴和漏斗等潛蝕；溝谷坡的侵蝕受水力和重力雙重作用，主要侵蝕形式有溝谷擴(kuò)展、下切和溝頭延伸，其中陡坡懸崖常出現(xiàn)滑塌、瀉溜等重力侵蝕現(xiàn)象；溝谷底的侵蝕同樣受水力和重力雙重作用，主要侵蝕形式為側(cè)蝕、下切和溯源侵蝕。這樣的侵蝕類型與美國(guó)和歐洲單一的緩坡水力侵蝕類型相比，要復(fù)雜得多。其復(fù)雜性不僅反映在侵蝕類型上，而且更重要的是不同侵蝕類型的侵蝕機(jī)理差異較大，特別是重力侵蝕，具有一定的隨機(jī)性，在相似的降雨和土壤組成情況下，某一區(qū)域可能發(fā)生，而在另一個(gè)區(qū)域卻不一定發(fā)生。
?。ǘ┡c歐美國(guó)家相比，黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究缺乏統(tǒng)一組織與協(xié)調(diào)推進(jìn)的主導(dǎo)行為
美國(guó)用于揭示土壤侵蝕規(guī)律的預(yù)報(bào)模型，無論是USLE還是WEPP，都由美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室組織全美有關(guān)科研、教學(xué)、生產(chǎn)單位等統(tǒng)一制定研發(fā)計(jì)劃，協(xié)調(diào)推進(jìn)整體研究，并將研發(fā)成果統(tǒng)一發(fā)布供全國(guó)使用。歐洲研發(fā)的PESERA，也是由歐共體在統(tǒng)一研發(fā)框架下協(xié)調(diào)有序地聯(lián)合推進(jìn)的，其成果通過在國(guó)家級(jí)層面及歐洲級(jí)層面分別建立用戶組被使用。相比之下，我國(guó)對(duì)黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的研究缺乏國(guó)家層面的總體計(jì)劃和統(tǒng)一組織，致使幾十年來所建立的土壤侵蝕模型均是不同研究單位及其研究者各自為戰(zhàn)的結(jié)果。由于單個(gè)研究單位及其研究者掌握的觀測(cè)資料十分有限，所建立的土壤侵蝕模型參數(shù)均缺乏較大范圍的檢驗(yàn)，因此，模型的使用條件和范圍無法不受到很大限制。同時(shí)，由于缺乏整體推進(jìn)的目標(biāo)和管理措施，不可避免地出現(xiàn)不少研究單位和研究者重復(fù)立項(xiàng)研究現(xiàn)象。到頭來，累計(jì)花錢不少，推廣應(yīng)用困難。更有甚者，觀測(cè)項(xiàng)目設(shè)置和觀測(cè)資料的積累與模型研發(fā)目標(biāo)脫節(jié)，一方面觀測(cè)所得的資料模型研發(fā)用不上或不好用，另一方面模型研發(fā)和率定所需要的觀測(cè)項(xiàng)目及觀測(cè)資料屬于空白。比如，野外坡面侵蝕試驗(yàn)多采用在坡面上對(duì)比布設(shè)寬5米、長(zhǎng)20米的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)、因子試驗(yàn)小區(qū)，用以觀測(cè)土地利用、坡度等因子與侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)系，但對(duì)于黃土高原特別是黃土丘陵溝壑區(qū)而言，若不進(jìn)行全坡面侵蝕觀測(cè)是難以全面反映出降雨與坡面的侵蝕關(guān)系的。強(qiáng)調(diào)指出，黃土丘陵溝壑區(qū)的重力侵蝕十分嚴(yán)重，且機(jī)理十分復(fù)雜，但面向重力侵蝕的觀測(cè)不匹配，這將給建立重力侵蝕模型帶來極大的困難。
?。ㄈ┡c歐美國(guó)家相比，黃土高原土壤侵蝕的物理過程模型研究較為滯后
20世紀(jì)80年代中期以來，美國(guó)和歐洲都意識(shí)到，用多元回歸方法建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，缺乏充分的物理基礎(chǔ)，只能反映較長(zhǎng)時(shí)段土壤侵蝕的平均空間變化，而對(duì)于土壤侵蝕的物理過程無法模擬。同時(shí)，此類模型均是根據(jù)一定區(qū)域內(nèi)的實(shí)測(cè)資料建立起來的，地域性強(qiáng)，外延效果差。因此，美國(guó)和歐洲都把目光轉(zhuǎn)向研發(fā)具有物理成因的能夠模擬土壤侵蝕過程的數(shù)學(xué)模型上，如WEPP和PESERA，并開始應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。相比之下，我國(guó)的土壤侵蝕模型研究，經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)回歸模型研發(fā)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而反映物理成因的模擬模型尚處于起步階段。就目前已取得的初步成果看，此類模型的建立，往往對(duì)實(shí)際的侵蝕產(chǎn)沙過程作過多簡(jiǎn)化或抽象化處理，比如，多數(shù)只能模擬坡面濺蝕、片蝕和細(xì)溝侵蝕產(chǎn)沙過程，而對(duì)包括淺溝、切溝、沖溝的各級(jí)溝道侵蝕，特別是重力侵蝕及坡面和溝道中泥沙的沉積及搬運(yùn)過程進(jìn)行大幅度簡(jiǎn)化，因此大大影響了模型的模擬精度，使得此類模型的應(yīng)用效果大打折扣。
?。ㄋ模┡c歐美國(guó)家相比，黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究的野外與室內(nèi)模擬技術(shù)支持條件較差
黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的研究，需要有足夠的觀測(cè)資料支持，但一般的傳統(tǒng)野外觀測(cè)手段很難滿足在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)建立模型的需要。這有兩方面的原因，一是黃土高原每年的天然降雨次數(shù)有限，特別是能夠產(chǎn)生徑流的降雨頻次更少（如天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站梁家坪試驗(yàn)場(chǎng)徑流小區(qū)，1945～1956年12年內(nèi)觀測(cè)到的降雨次數(shù)共758次，其中產(chǎn)生徑流的降雨只有88次，僅占總降雨次數(shù)的12％），即便每次都能夠被詳細(xì)觀測(cè)記錄，要積累滿足建模要求所需要的樣本值也需要很長(zhǎng)的時(shí)間；二是天然降雨的雨強(qiáng)無法控制，原始觀測(cè)資料不能進(jìn)行雨強(qiáng)分選，這就給建立不同雨強(qiáng)條件下的土壤侵蝕模型帶來了極大困難。因此，黃土高原的土壤侵蝕模型建立，需要配套建設(shè)野外人工降雨系統(tǒng)，控制影響主導(dǎo)因素，在天然的下墊面上觀測(cè)由人工控制可分選不同雨強(qiáng)降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，同時(shí)可根據(jù)需要隨時(shí)實(shí)施人工降雨，以加快觀測(cè)進(jìn)度，做到短時(shí)間內(nèi)積累足夠的基本數(shù)據(jù)。
早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)就開展了野外人工模擬降雨試驗(yàn)，50年代進(jìn)一步改善了人工降雨模擬裝置，用以模擬天然降雨的主要特性，如雨滴譜、雨滴末速度和降雨能量對(duì)坡面土壤的擊濺、分離和徑流輸移等，據(jù)此研究土壤侵蝕的發(fā)生、演變規(guī)律、侵蝕因子定量關(guān)系、不同土壤可蝕性、侵蝕過程中養(yǎng)分流失等，為USLE方程的建立補(bǔ)充了大量的僅靠野外天然降雨觀測(cè)站所不能在短期內(nèi)得到的基本數(shù)據(jù)。20世紀(jì)60年代以后，美國(guó)的野外人工降雨裝置進(jìn)一步改進(jìn)，使得其降雨覆蓋面更大、雨滴下落距離更高，與天然降雨的相似性更強(qiáng)。與此同時(shí)，人們注意到，野外的天然降雨觀測(cè)和人工降雨觀測(cè)均在原狀的下墊面條件下進(jìn)行，它對(duì)于建立多元回歸的產(chǎn)流產(chǎn)沙模型十分有效，但對(duì)于揭示坡面和溝道侵蝕的土壤內(nèi)部微觀力學(xué)機(jī)理（如不同深度土層相對(duì)移動(dòng)的力學(xué)參數(shù)等）卻無能為力。因此，在室內(nèi)開展深入的模擬分析研究就被提上日程。近些年來，美國(guó)、日本等國(guó)家均廣泛開展室內(nèi)人工降雨侵蝕試驗(yàn)，用以研究土壤微觀侵蝕機(jī)理，建立具有物理意義的土壤侵蝕方程。如美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室，利用室內(nèi)人工降雨模擬水滴擊濺侵蝕情況下的土壤水入滲機(jī)理，建立了土壤水入滲方程；利用室內(nèi)人工降雨模擬坡面徑流侵蝕，研究坡面細(xì)溝水流侵蝕產(chǎn)沙過程及泥沙輸移規(guī)律，建立細(xì)溝侵蝕方程等。
相比之下，我國(guó)用于黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究的野外人工降雨模擬試驗(yàn)比美國(guó)晚了約30年，盡管取得了大量的富有成效的試驗(yàn)結(jié)果，但就其模擬理論和測(cè)驗(yàn)技術(shù)來看，仍有許多亟待改進(jìn)和完善的地方。如黃土高原的土壤侵蝕既有坡面侵蝕，也有溝道侵蝕，在美國(guó)和歐洲，他們的野外人工降雨主要用于模擬坡面侵蝕，而黃土高原的野外人工降雨僅僅做到模擬坡面侵蝕是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)對(duì)包括由坡面和溝道組成的完整流域的侵蝕、產(chǎn)沙過程進(jìn)行模擬研究。然而，到目前為止，就溝道侵蝕而言，野外人工降雨模擬仍面臨著嚴(yán)格比尺意義的侵蝕試驗(yàn)理論、方法與技術(shù)的障礙。我國(guó)用于黃土高原土壤侵蝕研究的室內(nèi)降雨試驗(yàn)開始于20世紀(jì)60年代，經(jīng)過60～80年代的不斷改進(jìn)，于90年代初得到進(jìn)一步完善，為黃土高原土壤侵蝕微觀機(jī)理研究提供了相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備條件。但室內(nèi)人工降雨模擬土壤侵蝕在相似性上面臨的問題比野外人工降雨要大得多，對(duì)這一問題的解決目前尚未令人滿意。
?。ㄎ澹┡c歐美國(guó)家相比，黃土高原土壤侵蝕模型運(yùn)行的基礎(chǔ)支持水平差距較大
無論是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，還是物理過程模型，支持其運(yùn)行的基礎(chǔ)信息采集系統(tǒng)建設(shè)至關(guān)重要。在這一方面，美國(guó)和歐洲都能夠做到模型與信息技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用RS、GIS和GPS，使其模型運(yùn)行既簡(jiǎn)便又準(zhǔn)確，模型計(jì)算結(jié)果可用圖形形式輸出，能直觀、形象地表示出計(jì)算結(jié)果和描述土壤侵蝕空間分布的差異性。如歐洲PESERA模型輸入?yún)?shù)主要為地形、土壤和植被覆蓋資料，其中，地形參數(shù)可直接在DEM中讀取，土壤參數(shù)在土壤空間分布圖中讀取，植被覆蓋參數(shù)可直接在土地利用圖中讀取。歐洲的有些動(dòng)態(tài)模型，其程序代碼完全用GIS命令構(gòu)成，以便于用其分析流域的空間變化，可以直接應(yīng)用RS和GIS數(shù)據(jù)，這就使土壤侵蝕和徑流過程空間變異以及水土保持措施的精確空間定位成為可能。也有一些模型綜合使用多時(shí)相陸地衛(wèi)星TM影像、GIS中的數(shù)字地形模型（DTM）、數(shù)字土壤圖。其中，多時(shí)相陸地衛(wèi)星TM影像用來提取植被特征參數(shù)。利用GIS軟件從DTM中提取地形參數(shù)和徑流流向參數(shù)，用以表現(xiàn)地形特征并用來估算地表徑流輸移能力。數(shù)字土壤圖用于評(píng)價(jià)土壤特性空間分布。相比之下，我國(guó)土壤侵蝕模型運(yùn)行的基礎(chǔ)條件較差，參數(shù)的選取大多由手工統(tǒng)計(jì)操作，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也致使模型輸入的空間分散性和不均勻性不能得到準(zhǔn)確體現(xiàn)。
五、黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究的應(yīng)用需求、研究途徑和保障措施
?。ㄒ唬?yīng)用需求
研究黃土高原土壤侵蝕規(guī)律的目的在于應(yīng)用，換言之，要以應(yīng)用方面的需求為原則確立黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究的方向和目標(biāo)。應(yīng)用需求主要反映在以下三個(gè)方面。
1.淤地壩及大型攔沙庫(kù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的需要
為了控制黃土高原地區(qū)的水土流失，需要在該地區(qū)修建淤地壩和大型攔沙庫(kù)。無論是淤地壩還是大型攔沙庫(kù)，都有一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其壩高及泄水建筑物規(guī)模的確定均與壩址上游的來水來沙條件密切相關(guān)，這就要求弄清楚一定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下的洪水和泥沙來量、峰值和過程，黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究應(yīng)能滿足這一要求。
2．水土保持措施效益評(píng)估的需要
對(duì)水土保持措施效益進(jìn)行分析評(píng)估，主要是基于有措施與無措施在某一區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕量的差異。這就要求對(duì)某一區(qū)域在相同水文條件下的土壤侵蝕量進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算并不要求針對(duì)場(chǎng)次降雨的土壤侵蝕量，而應(yīng)是立足于長(zhǎng)系列下的土壤侵蝕量之差。
3．黃河水沙調(diào)控體系科學(xué)運(yùn)行的需要
水少、沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，是黃河諸多問題的根源所在。對(duì)此，黃河治理的措施應(yīng)是增水、減沙、調(diào)水調(diào)沙。就黃河全流域而言，蘭州以上河段和潼關(guān)以下河段來水相對(duì)較清，托克托至龍門和龍門至潼關(guān)河段來水含沙量較大，這種“兩清兩渾”的水沙特性，客觀上具備全河調(diào)水調(diào)沙的可能性。同時(shí)，在黃河的上游、中游、下游河段均有水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)造成的河道淤積、主槽萎縮現(xiàn)象，因此，也具有全河調(diào)水調(diào)沙迫切的客觀要求?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)，解決黃河水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)問題需要建立全河水沙調(diào)控體系，以便在更大空間上進(jìn)行多種模式及其組合運(yùn)行。水沙調(diào)控體系的任務(wù)是將不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系調(diào)整到相對(duì)“和諧”狀態(tài)，與水土保持措施效益評(píng)估的要求不同，水沙調(diào)控體系的運(yùn)行是針對(duì)場(chǎng)次洪水和泥沙的，因此，在對(duì)洪水做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)泥沙做出相應(yīng)的預(yù)報(bào)，即要求做出洪水和泥沙的耦合預(yù)報(bào)。
?。ǘ┭芯客緩?
1．按應(yīng)用要求設(shè)計(jì)黃土高原土壤侵蝕模型框架
要滿足上述三方面的應(yīng)用要求，黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究至少應(yīng)建立兩類分析計(jì)算模型。一類是基于長(zhǎng)系列的或多年平均情況的統(tǒng)計(jì)回歸模型；另一類是基于場(chǎng)次降雨的具有物理成因的產(chǎn)沙及其輸移過程模型。黃土高原范圍遼闊，不同區(qū)域土壤侵蝕類型差異較大，因此，應(yīng)區(qū)別不同地貌、地質(zhì)條件，分區(qū)進(jìn)行模型建設(shè)（可借鑒分布式水文模型并實(shí)現(xiàn)與其耦合）。
2．按模型框架及所需參數(shù)對(duì)野外觀測(cè)資料進(jìn)行整編
黃土高原土壤侵蝕野外觀測(cè)開始于20世紀(jì)40～50年代，天水、西峰、綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站分別成立于1941年1月、1951年10月和1952年9月，主要觀測(cè)方法是在坡面布設(shè)徑流小區(qū)，觀測(cè)降雨（雨強(qiáng)、雨量、前期降雨等）、地形（坡度、坡長(zhǎng)、坡面徑流對(duì)溝蝕的影響等）、植被、土壤等項(xiàng)因素對(duì)水土流失的影響。截至目前，上述三站已積累了豐富的野外觀測(cè)資料。但觀測(cè)初期并沒有設(shè)定建立土壤侵蝕模型的框架及其參數(shù)，因此，所取得的觀測(cè)資料需要按照新設(shè)立的模型框架及其參數(shù)進(jìn)行分析整理。
3．為彌補(bǔ)天然降雨樣本的不足，應(yīng)根據(jù)模型框架及其參數(shù)設(shè)置建設(shè)“模型黃土高原”
“模型黃土高原”分為兩部分，一部分是野外的，另一部分是室內(nèi)的。野外部分基于原狀下墊面，按照新設(shè)立的模型框架及其參數(shù)要求，依靠模擬人工降雨系統(tǒng)，實(shí)施不同雨強(qiáng)、雨量及過程的人工降雨，并在此前提下取得建模參數(shù)。室內(nèi)部分基于土壤內(nèi)部侵蝕機(jī)理的研究，為模型建立提供土壤力學(xué)指標(biāo)參數(shù)。
?。ㄈ┍Ｕ洗胧?
1．組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)
為了在黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究中強(qiáng)化統(tǒng)一組織與協(xié)調(diào)推進(jìn)的主導(dǎo)行為，應(yīng)由流域機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)組建攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。因?yàn)榱饔驒C(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)黃土高原水土流失治理的總體規(guī)劃和黃河水沙調(diào)控體系的建設(shè)與運(yùn)行，為滿足黃土高原水土流失區(qū)淤地壩和攔沙庫(kù)建設(shè)、水土保持措施效益評(píng)估以及黃河水沙調(diào)控體系建設(shè)與運(yùn)行的要求，再?zèng)]有其他單位比流域機(jī)構(gòu)更為迫切更能準(zhǔn)確地提出黃土高原各支流和黃河干流水沙條件的需求了。當(dāng)然，該攻關(guān)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)包括水土保持、泥沙、水文、土力學(xué)、水力學(xué)、地質(zhì)、土壤、RS、GIS、GPS等方面的專家。特別指出，黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究不可能一蹴而就，需要一個(gè)較為長(zhǎng)期的過程，這就需要穩(wěn)定一支研究隊(duì)伍，分階段逐步推進(jìn)研究計(jì)劃。
2．提供資金保障
黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究非一般性的純理論研究，它是一項(xiàng)極其重要的應(yīng)用研究。其研究成果關(guān)系到黃土高原水土流失區(qū)特別是多沙粗沙區(qū)水土保持措施的布局與建設(shè)，關(guān)系到黃河水沙調(diào)控體系的建設(shè)與科學(xué)運(yùn)行。其研究對(duì)象的復(fù)合性和復(fù)雜性，不僅決定了對(duì)其研究的周期相對(duì)比較長(zhǎng)，而且在研究的手段上，需要的觀測(cè)、勘察、試驗(yàn)等環(huán)節(jié)都需要大量的物化成本，因此，對(duì)黃土高原土壤侵蝕規(guī)律研究應(yīng)該提供足夠且穩(wěn)定的資金投入。
來源：黃河網(wǎng)·黃河報(bào) 2006年8月29日
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