土壤侵蝕模型在水土保持實踐中的應用

謝 云，岳天雨

關君蔚先生一直強調水土保持理論研究應指導生產實踐。作為一位從事水土保持科學研究入行不早的晚輩，對此深有感觸。值此先生誕辰100周年之際，從土壤侵蝕模型的實踐應用角度談談體會，紀念先生。

自然科學研究的最終目標是能準確預測未來，針對預測結果及其影響，為人類提供與自然和諧相處和人類社會可持續(xù)發(fā)展的應對方案和措施。實現(xiàn)這一目標的基本方法就是數(shù)學模型，它是用數(shù)學公式對科學規(guī)律的定量表達，是對科學理論的高度概括和總結，代表著學科發(fā)展水平，也是貫徹當今科學發(fā)展觀思想的重要支撐。土壤侵蝕伴隨人類農耕活動而產生［1］，我國勞動人民在長期的生產實踐中總結了減輕土壤侵蝕的水土保持經驗［2］，但對此有深刻認識并進行科學研究的歷史并不長。任何學科應有自己的研究對象和獨特方法，以此為準，水土保持學科初建可追溯至德國土壤學家Ewald Wollny于19世紀末期采用徑流小區(qū)方法研究地形、植被覆蓋和土壤類型對土壤侵蝕的影響［3］，至今只有100多年的歷史。1912年美國學者將徑流小區(qū)引入美國，尤其是在Bennett等［4］的呼吁下，先后于20—40年代建立了多個水土保持試驗站，為土壤侵蝕定量研究提供了必需的數(shù)據(jù)基礎［5］。1939年美國“水土保持之父”Bennett編寫的《Soil Conservation》一書，標志著水土保持基本理論的初步形成。如果以Zingg［6］1940年發(fā)表的土壤侵蝕與坡度和坡長關系模型為起點，土壤侵蝕模型研究至今已有近80年的歷史。我國20世紀20年代開始進行土壤侵蝕監(jiān)測，40年代在黃土高原建立水土保持試驗站［7］，1953年提出土壤侵蝕經驗模型［8］。從起步看，無論是定量監(jiān)測還是模型研究都幾乎與美國同步，但目前差距拉大?？偨Y土壤侵蝕模型研究和應用歷史，比較其發(fā)展和應用狀況，有助于我國土壤侵蝕模型研究。本文將以幾個代表性土壤侵蝕模型為例，通過對其發(fā)展和應用的綜述，提出個人思考。

1 土壤侵蝕模型發(fā)展歷程

土壤侵蝕模型研究近80年的過程中，模型的性質從經驗發(fā)展到機理，模擬的空間尺度從坡面到小流域、大流域或區(qū)域，模擬的內容從侵蝕、沉積、產沙到污染物富集與遷移，模型的應用從水土保持措施選擇與布設、侵蝕影響生產力、到水土保持效益和水土資源管理等。這種日新月異的發(fā)展，除源于土壤侵蝕理論的不斷提高，很大程度上得益于計算機、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)等新技術的支撐。

1.1 美國經驗模型USLE的建立與完善

經驗模型是對大量試驗觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎上建立的一系列數(shù)學公式。通用土壤流失方程USLE(Universal soil loss equation)是基于大量天然降雨和人工降雨徑流小區(qū)觀測和試驗資料建立的預報坡面多年平均土壤流失量的經驗模型，從最早出現(xiàn) USLE 的名稱［9］，到以手冊正式發(fā)布［10］，以及至今天，不僅進行了不斷修訂完善［11-13］，還被廣泛應用［14-16］。

徑流小區(qū)是土壤侵蝕研究的基本手段，最早由德國土壤學家Wollny在1882年采用，研究坡度、植物覆蓋、土壤類型、坡向等對土壤侵蝕的影響［3］，創(chuàng)立了土壤侵蝕研究獨有的徑流小區(qū)方法，他因此被稱為“水土保持研究的先驅者”［5］。20世紀初，美國學者采用該方法研究過度放牧地和農地土壤侵蝕，Miller等建立的水平投影坡長27.66 m(90.75英尺)、寬1.83 m(6英尺)、面積51 m2(1/80英畝)的坡面徑流小區(qū)，成為之后典型徑流的小區(qū)基本規(guī)格。該小區(qū)作為歷史紀念物至今保留在美國密蘇里大學校園內［5］。西部開發(fā)導致的土壤侵蝕，尤其是1934年橫掃美國的“黑風暴”，促使美國在20世紀20—40年代陸續(xù)建立了35個水土保持試驗站［17］，布設徑流小區(qū)觀測侵蝕因素與農地土壤流失量的關系，對土壤侵蝕規(guī)律有了系統(tǒng)而深入的認識［18-20］。Cook［21］1936年總結提出影響土壤侵蝕的三組因子:土壤可蝕性(soil erodibility)、潛在侵蝕力(potential erosivity)和覆蓋保護能力(cover protectivity)，詳細描述了每一組因子包括的次一級因子，實質是土壤侵蝕經驗模型的概念模型。Zingg［6］1940年第一個用數(shù)學方程描述土壤流失量與坡度和坡長的指數(shù)回歸方程。Smith［22］1941年在方程中增加了作物因子C和水土保持措施因子P。Browning等［23］1947年增加了土壤可蝕性和管理因子取值表。Musgrave［24］1947年總結性提出美國玉米帶坡面土壤侵蝕模型，增加了最大30 min降雨強度冪函數(shù)表示的降雨因子。Smith等［25］1948年首次提出基于“土壤流失比例”的方程，將植被覆蓋與管理因子C定義為某種特定黏土和輪作條件下、3%坡度、水平投影坡長27.43 m(90英尺)、順坡上下耕作農地的年平均土壤流失量，其余坡度S、坡長L、土壤類型K、水土保持措施P等都是無量綱因子，通過實際情況下的土壤流失量與C值的比值獲得。土壤流失比率的提出，從統(tǒng)計學角度在一定程度上解決了變量之間交互作用的問題。這種無量綱因子的乘積形式為USLE所采用。Meyer［5］1984年對上述發(fā)展過程進行了詳細闡述。1954年美國農業(yè)部在Purdue大學成立了徑流與土壤流失數(shù)據(jù)中心(Runoff and Soilloss Data Center)，是現(xiàn)在國家土壤侵蝕研究實驗室(National Soil Erosion Research Laboratory)的前身，負責收集、處理和分析全美觀測資料［26］。對這些數(shù)據(jù)的整理和分析，促成USLE的誕生。幾個重要進展包括:1)Wischmeier等［9］1958年利用620次降雨徑流觀測結果，通過分析單變量或多變量組合共19個變量與土壤流失量的回歸關系后，提出了降雨侵蝕力指數(shù)EI30:一次降雨總動能(E)與該次降雨最大30 min降雨強度(I30)的乘積。進一步計算了EI30季節(jié)分布、多年平均年總量、次降雨頻率分布等對土壤流失量預報結果的影響，提出將該指標作為USLE 的降雨侵蝕力因子 R［27］。2)Wischmeier［28］1960年利用各種作物小區(qū)觀測結果，提出C因子分5個階段計算每階段的土壤流失比率(某種作物管理和覆蓋條件下的土壤流失量與同等條件裸地土壤流失量的比值)，然后用各階段EI30占全年EI30比例的加權平均得到，同時反映了作物覆蓋、管理擾動和降雨季節(jié)變化對土壤侵蝕的共同影響。3)Olson等［29］1963年提出計算土壤可蝕性因子的標準小區(qū)概念，并用裸地和作物小區(qū)觀測結果確定了22種代表性土壤的K因子值。1965年美國農業(yè)部農業(yè)手冊282號發(fā)布USLE［10］。1978年農業(yè)手冊537號再次發(fā)布USLE將應用地區(qū)從落基山以東擴展至全國［11］。1997 年農業(yè)手冊第 703 號發(fā)布 RUSLE［12］(Revised universal soil loss equation)，總結了19世紀70—90年代最新研究成果，并發(fā)布了計算機模型。

USLE模型的發(fā)展給我們如下啟示:一是徑流小區(qū)監(jiān)測對于模型的建立和完善起到了至關重要的作用;二是土壤侵蝕影響因子多樣，組合復雜，彼此間相互作用，只有選用相對獨立的因子，才能正確建立和應用USLE;三是USLE中的參數(shù)需要根據(jù)當?shù)赜^測結果進行率定。

1.2 中國坡面經驗模型的建立與發(fā)展

1922—1927年，首次在山西沁源、寧武東寨，山東青島林場建立了徑流小區(qū)，觀測不同森林植被和植被破壞對水土流失的影響［7］。美國水土保持局首任副局長羅德民(W．C．Lowdermilk)曾2次來中國工作近7年［30］，于1944年幫助建立了我國第一個水土保持試驗站——黃河水利委員會天水水土保持試驗站(原名天水水土保持試驗區(qū))。新中國成立后，1951、1952年分別建立了黃河水利委員會西峰和綏德水土保持科學試驗站，與早期建站的天水站一起組成聞名全國的水土保持科學研究“三大支柱站”［7］。1953 年劉善建［8］利用天水水土保持試驗站1945—1949年的觀測資料，建立了黃土高原農地土壤流失量經驗方程式，是我國第一個土壤侵蝕預報模型。只比Zingg［6］1940年的模型晚十幾年。無論從土壤侵蝕監(jiān)測到土壤侵蝕模型研究，我國幾乎與國際同時起步，但經過19世紀60—70年代的停滯，監(jiān)測和模型研究都明顯滯后。

19世紀80年代開始，我國學者將USLE引入我國，開始了大量土壤侵蝕影響因子的定量研究，對于模型發(fā)展起到了重要的推動作用［31-36］。牟金澤等［37］利用天水水土保持實驗站資料，以20 m水平投影坡長和5.07°坡度的休閑地為標準小區(qū)，計算了土壤可蝕性因子、坡長指數(shù)、坡度指數(shù)以及不同耕作制度和水土保持措施因子值。江忠善等［31］利用天水、西峰、綏德和子洲試驗站徑流小區(qū)觀測資料，指出EI30指標在黃土高原適用，提出以水平投影坡長20 m和坡度10°休耕裸地作為標準小區(qū)，以此為基礎確定了坡長因子和坡度因子公式。張憲奎等［33］建立黑龍江省土壤流失方程，確定降雨侵蝕力指標應該采用E60I30，提出以水平投影坡長20 m和坡度8.75°休耕裸地作為標準小區(qū)，確定了黑土、白漿土和暗棕壤的土壤可蝕性因子，建立坡長因子和坡度因子公式，并給出了玉米、高粱、大豆和小麥4種作物4個生育期的土壤流失比例及其C因子值，以及主要水土保持措施P因子值。黃炎和等［38］在閩東南利用安溪縣試驗站資料，提出以水平投影坡長20 m和坡度10°為標準小區(qū)，建立了坡長因子與坡度因子指數(shù)函數(shù)修訂公式，給出大豆與印尼綠豆輪作的C因子值。周伏建等［34］研究福建省土壤流失方程，確定降雨侵蝕力指標為EI60。楊子生［36］研究云南省土壤流失方程，確定降雨侵蝕力指標應該采用E60I30，提出以水平投影坡長20 m和坡度5°休耕裸地作為標準小區(qū)，確定了紅壤、黃壤和紫色土的土壤可蝕性因子值，建立了坡長因子和坡度因子公式，給出了玉米、馬鈴薯、黃豆和玉米－黃豆間作4種種植制度下4個生育期的土壤流失比例及其C因子值，以及主要水土保持措施P因子值。王萬忠等［35］對已有土壤侵蝕因子的定量研究進行了綜述，給出了各個因子的定量評估方法。需要指出的是，USLE通過定義降雨侵蝕力指標、標準小區(qū)與土壤可蝕性因子，以及其他影響因子的土壤流失比率，解決了因子的相互作用問題，上述因子取值或估算方法，不僅取決于這些指標、標準小區(qū)規(guī)定、流失比率定義，還要根據(jù)當?shù)貤l件自然與人為因素的組合作用確定，這是 Wischmeier一直強調的［39-40］。

USLE在我國的應用過程中，應注意以下幾個問題:一是USLE降雨侵蝕力指標為EI30，如果有其他指標與土壤流失量的關系更好而被選擇，應建立與EI30的轉換關系，以實現(xiàn)結果可比。二是USLE采用美制單位導致降雨侵蝕力數(shù)值偏大，為縮小其除以100，這在以后產生了單位誤用情形，為此，F(xiàn)oster等［41］1981年專門撰文將美制單位轉換為國際單位制，應用時應特別注意。三是標準小區(qū)是計算土壤可蝕性、坡度和坡長因子定義的計算標準，而非建設標準。觀測時須確保土壤裸露和、順坡耕作方式管理、破除結皮等，無須按規(guī)定的坡度和坡長標準建立，否則會導致原始土壤剖面破壞，影響土壤可蝕性結果。計算時按規(guī)定的坡度和坡長標準修訂即可。四是建立坡度和坡長因子公式時，應以標準小區(qū)規(guī)定的坡度(9%)和坡長(22.13 m)標準為準，而非任意確定坡度或坡長，否則導致結果不可比。

Liu等［42］根據(jù)這一建模思想，在對我國徑流小區(qū)資料分析基礎上，建立了中國土壤流失方程(CSLE，Chinese soil loss equation)。該方程全部采用我國各地區(qū)觀測資料，對每個變量進行了系統(tǒng)研究，在以下方面不同于USLE:一是根據(jù)中國悠久農業(yè)歷史形成的水土保持措施體系，在總結國內外分類基礎上，提出水土保持措施的三分法分類［43］，分別以植被覆蓋與生物措施因子B、工程措施因子E和耕作措施因子T 3個變量，反映覆蓋和水土保持措施對土壤侵蝕的影響，將USLE中C因子的作物管理、P因子與耕作有關的部分獨立為耕作措施。提出了我國主要耕作措施因子值［44］，以及不同作物輪作制度的輪作因子計算方法與取值［45］。二是針對我國陡坡(10°～25°)農地情形，指出 USLE和RUSLE的坡度公式不適用陡坡情況，建立了陡坡坡度因子公式。三是論證了降雨侵蝕力EI30指標在我國適用［46］，給出次和日侵蝕性降雨標準分別為12和10 mm［47-48］，考慮到降雨過程資料不易獲得，建立了采用不同精度降水資料估算降雨侵蝕力的方法［48］。四是根據(jù)標準小區(qū)定義和裸地小區(qū)觀測結果，計算了我國主要土壤可蝕性因子值。2004年水利部實施了“全國水土保持監(jiān)測網絡和信息系統(tǒng)項目”［7］，部分資料被采用計算土壤可蝕性因子值和耕作措施因子值。

1.3 機理模型的建立與發(fā)展

早在 20 世紀 40 年代，Ellision［49］1944 年發(fā)現(xiàn)的雨滴濺蝕過程，揭示了土壤侵蝕的動力學機理，機理模型以此為基礎逐漸發(fā)展起來。其中幾個重要階段有［50］:Meyer等［51］1969 年給出了雨滴和徑流對土壤顆粒分離和泥沙輸移的數(shù)學表達，F(xiàn)oster等［52］1972年建立了徑流分離速率與泥沙含量和徑流挾沙力之比的函數(shù)關系，Meyer等［53］1975年提出了細溝與細溝間侵蝕的概念，這些成為機理模型的基本方程。

1985年美國農業(yè)部水土保持局組織開展新一代土壤侵蝕模型——水蝕預報項目WEPP(Water erosion prediction project)，旨在克服USLE估計短時間土壤流失量誤差大，未考慮沉積，無法反映土壤流失量空間差異等缺陷，能用于水土保持和環(huán)境規(guī)劃［54］。WEPP模擬的主要過程包括入滲、徑流、雨滴和徑流分離作用、泥沙輸移、沉積、植物生長和殘茬分解等。1995年發(fā)布DOS操作系統(tǒng)的坡面和流域版，1999年改為Windows界面。為了利用DEM自動生成流域邊界、溝道和坡面，1996年開始開發(fā)基于 GIS的 WEPP版本，2001年發(fā)布 GeoWEPP，2004年網絡版GeoWEPP發(fā)布，可以通過互聯(lián)網與農業(yè)部國家土壤侵蝕研究實驗室服務器連接。Flanagan等［55］將WEPP開發(fā)的30多年歷程分為3個階段:

1)1985—1989年完成模型雛形。1987年完成的用戶手冊由農業(yè)部(USDA，United States Department of Agriculture)下屬的農業(yè)研究局(ARS，Agriculture Research Service)、林業(yè)局(FS，F(xiàn)orest Service)、水土保持局(SCS，Soil Conservation Service)，以及內政部(USDOI，United States Department of the Interior)下屬的土地管理局(BLM，Bureau of Land Management)聯(lián)合簽發(fā)，不僅成為以后模型開發(fā)的指南。更確保了模型的推廣應用。期間在55個地點的33種農地土壤和24種草地土壤進行了人工模擬降雨試驗，確定方程參數(shù)，進行模型驗證。1989年完成計算機程序編寫。

2)1989—1995年完善模型。在繼續(xù)進行模型測試、水文過程參數(shù)化、模型驗證的同時，增加了新的模擬過程，如非均勻水文過程、灌溉、冬季過程、壤中流、植物生長、殘茬分解、細溝水文過程與侵蝕、攔蓄沉積等，完成了模型技術手冊編寫，1995年發(fā)布DOS系統(tǒng)的坡面和小流域版。

3)1995年至今，WEPP版本不斷更新，包括改變操作系統(tǒng)，與地理信息系統(tǒng)(GIS)和互聯(lián)網結合。

歐盟幾乎與美國同步在1986年提出開展機理模型研究［56］，于1994年推出歐洲土壤侵蝕模型EUROSEM［57］(European soil erosion model)，1998 年發(fā)布了基于地理信息系統(tǒng)的新版本［58］。EUROSEM是坡地或小流域尺度、模擬次降雨徑流、細溝間和細溝侵蝕及沉積的分布式模型，考慮了地表覆蓋對植被截留和降雨動能的影響，巖石覆蓋對細溝間侵蝕、入滲和徑流的影響［59］。

與此同時，澳大利亞開發(fā)了坡面次降雨侵蝕模型 GUEST［60］(Griffith university erosion system template)。1998年引入Hairsine等提出的坡面水流侵蝕［61-62］和雨滴濺蝕［63］過程，使其繼續(xù)發(fā)展和完善，主要包括雨滴分離、徑流分離和泥沙沉積3個子過程，并考慮了降雨和徑流的再分離過程。由于限于裸地和坡度均勻情況，限制了模型的應用。由于分布式過程模型需要考慮空間水流流路、進行空間運算等，需要與地理信息系統(tǒng)軟件結合。

荷蘭烏得勒支大學和阿姆斯特丹大學土壤物理所以荷蘭南部Limburg黃土地區(qū)為對象，研發(fā)了自帶GIS刪格計算功能PC-Raster工具的土壤侵蝕模型 LISEM［64］(Limburg soil erosion model)。不僅實現(xiàn)了徑流和侵蝕的空間計算，還能輸入遙感數(shù)據(jù)，也可采用其他GIS軟件，具有很強的靈活性。該模型包括植被截留、地表徑流、垂直和側向壤中流、匯流、雨滴和徑流分離和徑流輸沙等過程，還考慮了農用機械，礫石覆蓋等的影響。由于模型參數(shù)獲取不易，運行難度和成本較高。

我國從19世紀80年代中期以后也開始了土壤侵蝕機理模型研究，王禮先等［65］基于水動力學原理，建立了陡坡有林地和裸露地的侵蝕過程模型，考慮雨滴濺蝕、徑流沖刷對土壤侵蝕的影響。段建南等［66］構建了干旱地區(qū)坡面過程模型，以日為步長，將土壤侵蝕過程分為水相和泥沙相，分別計算濺蝕分離和徑流輸移量，取二者的小值為侵蝕量。史景漢等［67］應用Horton下滲理論和河網匯流理論建立了小流域降雨徑流概念模型，模擬超滲產流過程，用滯后演算法分單元計算匯流，用馬斯京根分段連續(xù)演算法計算河道匯流，疊加得到流域出口斷面徑流過程，還包括輸沙過程。包為民等［68］考慮北方超滲產流和冬季積雪融化機制，結合小流域坡面產沙、匯沙和溝道產沙、匯沙模型，提出了中大型流域水沙耦合模擬物理模型。蔡強國等［69］建立了適用于黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產沙過程模型，針對該地區(qū)地形和侵蝕產沙垂直分帶規(guī)律，分為坡面、溝坡和溝道3個子模型，模擬次降雨徑流和侵蝕產沙過程。

從國內外機理模型現(xiàn)狀看，依然處于研究型階段，尚未實現(xiàn)應用。機理模型發(fā)展給我們的啟示有:一是應面向管理部門按用戶需求設計，確保模型從設計、研發(fā)到應用都有目標和用戶保障。以用戶需求報告作為模型研發(fā)指南，不僅能提高模型研發(fā)效率，更為應用提供可能。二是應采用多學科、多部門、長時期交叉協(xié)作，聯(lián)合攻關的組織方式，避免重復，發(fā)揮優(yōu)勢。三是應通過大量人工模擬實驗進行模型參數(shù)率定和結果驗證，確保模型普適性。四是不斷與新的信息技術結合推出更新版本，確保模型的可持續(xù)性。

1.4 應用模型的建立與發(fā)展

土壤侵蝕應用模型的開發(fā)主要源于土壤侵蝕導致土地生產力下降乃至破壞的當?shù)赜绊懀约皬搅髂嗌硵y帶化學成分污染水體的異地影響。以下介紹幾個主要模型。

1977年的美國頒布資源保護法，要求農業(yè)部定期評價全國水土資源現(xiàn)狀，EPIC(Erosion productivity impact calculator)應運而生［70］，目的是評價美國各農業(yè)產區(qū)土壤侵蝕對土壤生產力的影響。1985年成功用于資源保護法的第二次評估:定量評價了全美135個土地資源區(qū)的土壤侵蝕影響。EPIC模擬氣候、土壤、地形、作物管理等一致的地塊或小型集水區(qū)，以日為步長，包括天氣、水文、侵蝕、營養(yǎng)物、土壤溫度、植物生長及其環(huán)境影響、耕作和經濟收支等過程。侵蝕模擬提供了7種可選模型［71-72］，在世界范圍內得到廣泛應用，Gassman等［73］對此進行了總結。伴隨需求和技術發(fā)展，模型不斷更新，并與GIS以及其他模型等結合，應用領域和空間尺度不斷擴大。1996年［74］更名為 Environmental Policy Integrated Climate(EPIC)。

具有“里程碑”意義、得到廣泛應用的面源污染模型是 CREAMS［75］(Chemicals，runoff，and erosion from agricultural management systems)，它首次對面源污染的水文、侵蝕和污染物遷移過程進行了綜合定量描述，也是模擬有相同氣候、土壤、地形、作物管理等的地塊，以日為步長，主要包括徑流、侵蝕和污染物遷移。污染物主要指氮、磷和農藥。隨后研發(fā)了地下水污染物遷移GLEAMS(Groundwater loading effects of agricultural management systems)模型為擴充版，評價營養(yǎng)物和農藥在根層內部或通過根層到達根層以下的遷移過程及其潛在影響［76］。為了評估流域范圍內的牲畜養(yǎng)殖和土壤侵蝕導致的面源污染，美國明尼蘇達州率先開發(fā)了流域版面源污染模型 AGNPS［77］(Agricultural non-point-source pollution model)，模擬面積2～93 km2(500～23 000英畝)的流域，將其劃分為若干個條件一致的格網，模擬次降雨形成的每個格網徑流、泥沙和污染物向流域出口的輸移，污染物包括氮、磷和化學耗氧量。為了評價流域牲畜養(yǎng)殖導致的環(huán)境污染問題，在美國環(huán)境署“Livestock and the environment:A national pilot project(NPP)”項目資助下，1996 年開始研發(fā) APEX［78］(Agricultural policy/environmental eXtender)，用于模擬不同自然條件、土地利用、牲畜養(yǎng)殖排污管理情景。它集成了EPIC模擬內容，將模擬空間尺度拓展至面積超過2 500 km2的流域。模擬時，將流域劃分若干相同土壤和管理條件的子區(qū)域，增加了不同條件子流域之間的污染物遷移過程模擬，牲畜養(yǎng)殖產生的液態(tài)和固態(tài)污染物排放情景與管理模擬，水土保持措施對肥料施用區(qū)域侵蝕產生的污染物攔截效應評價等，因此能進行流域土地管理與水質評估［78-81］。Arnold 等［82］1987 年將 EPIC、CREAMS、GLEAMS模型集成，誕生了SWRRB模型(Simulator for water resources in rural basins)，模擬全美鄉(xiāng)村流域土地管理對徑流泥沙輸移的影響，模擬空間尺度較EPIC、CREAMS、GLEAMS增大，可多至10個流域，但依然無法模擬面積更大的流域。隨后開發(fā)的徑流流路 ROTO［83］(Routing outputs to outlet) 與SWRRB結合，可模擬幾千平方公里的大流域，并最終發(fā)展為 SWAT［84］(Soil and water assessment tool)模型，不僅不斷更新形成多個版本，而且在世界范圍內得到廣泛應用［85］。

上述幾個代表性應用模型的發(fā)展給我們如下啟示:一是應用模型研究緊緊圍繞國家需求，主要面向水土資源保護和環(huán)境影響;二是模型研發(fā)是在已有經驗或機理模型基礎上，與計算機技術的集成;三是建立伊始，模擬對象單一、過程少、尺度小，隨后不斷總結經驗和更新，向對象復雜、過程多、尺度大的方向發(fā)展，具有明顯的繼承性，并不斷與最新計算機計算結合推出更新版本;四是對成熟模型進行培訓，擴展用戶群。

2 土壤侵蝕模型應用

2.1 區(qū)域土壤侵蝕調查

1934年的“大風暴”，引起美國社會和公眾對土壤侵蝕的廣泛關注，首次全國侵蝕調查(National erosion reconnaissance survey)啟動，促成1935年水土保持法頒布，并在內政部成立水土保持局(Soil Conservation Service)，后改為農業(yè)部負責，Bennett是首任局長。1945、1958和1965年先后開展了全國水土保持需求調查(Conservation needs invento-ry)，均以統(tǒng)計調查為主。1972年的鄉(xiāng)村發(fā)展法(Pural Development Act)和1977年的資源保護法(Resource Conservation and Recovery Act)授權美國農業(yè)部水土保持局，至少每5年對非聯(lián)邦土地和水資源現(xiàn)狀與趨勢進行評估，稱為國家資源調查(National resources inventory)。采用分層二階段不等概空間抽樣方法，在第1階段首先確定基本抽樣單元PSU(Primary sampling unit)，第2階段確定抽樣點，采用USLE計算農地抽樣點的土壤流失量［14］。隨后每隔5年，分別在1982、1987、1992和1997年開展了同樣的調查和計算。雖然每次PSU和抽樣點數(shù)略有差別，但通過插值方法，均維持著30萬多個PSU和80萬多個抽樣點。2000年以后開始每年輪流抽樣，每5年發(fā)布報告。2006年以后采用RUSLE替代USLE。調查結果不僅促進了土地資源保護政策的制定，如1985年出臺的糧食安全法(Food Security Act)包含的土地資源保護條款，而且掌握了水土流失發(fā)生發(fā)展動態(tài)。2012年發(fā)布的報告［86］表明:1982—2012年的30年間，全美耕地土壤流失量減少了44%，水蝕由1982年的15.9億t/a減少到2012年的9.6億t/a，水蝕模數(shù)從1982年的849 t/(km2·a)降到2012 年的596 t/(km2·a)。1997 年以后侵蝕模數(shù)降低速度雖然放緩，但依然呈下降趨勢。土壤侵蝕主要集中在中部地區(qū)。美國10個農業(yè)產區(qū)中，玉米帶和北部平原2個區(qū)集中了54%的水力侵蝕。阿巴拉契亞區(qū)的水力侵蝕模數(shù)減幅最大，從1982年的1 524.3 t/(km2·a)降至2007年的717.3 t/(km2·a)，減少53%。1982年有68.4萬 km2耕地的土壤侵蝕模數(shù)大于容許土壤流失量，占耕地面積的40%，到2007年已減少到40.1萬km2，僅占耕地面積的28%。

20世紀80年代末期直至本世紀初期，我國開展的土壤侵蝕遙感調查，采用了侵蝕影響因子的分級指標，包括土地利用、植被覆蓋度和坡度。廣義而言，屬于指數(shù)(Index-based)模型［87］。此次調查不僅是國際上最早使用遙感技術進行的全國土壤侵蝕調查，而且在完善我國土壤侵蝕分類分級標準中發(fā)揮了重要作用。2010—2012年國務院領導的第一次全國水利普查土壤侵蝕普查中，水力侵蝕普查采用了CSLE［88］。它與遙感調查方法最大的不同在于:一是考慮的自然因素更加全面。影響土壤侵蝕的自然因素是降雨、土壤、地形和植被覆蓋，遙感調查只考慮了后2個因素，沒有考慮侵蝕動力降雨和被侵蝕對象土壤。如果都是農地，意味著同樣坡度的農地，在年降雨量超過1 000 mm的南方與小于800 mm的北方土壤侵蝕強度一致。二是考慮了水土保持措施的作用。遙感調查在考慮人為因素影響時，只考慮了土地利用的差異，意味著采取的水土流失治理措施無法得到體現(xiàn)。遙感能夠快速高效獲得大范圍數(shù)據(jù)，尤其是隨著高分影像數(shù)據(jù)可獲得性越來越高，將遙感與模型結合，將會有更為廣闊的前景。

2.2 水土保持環(huán)境效益評價

2002年的農業(yè)預算中，保護性措施投入資金較1996年增加80%，迫切需要回答投入的效益。2004年農業(yè)部啟動了保護效益評價項目CEAP(Conservation effects assessment project)，旨在定量評價保護措施的環(huán)境效益，包括2部分內容:小流域尺度和全國或區(qū)域尺度［89］。小流域尺度是通過收集各類資料，利用模型模擬方法，研究水土保持措施對土壤質量和水質的定量影響，確定為實現(xiàn)環(huán)境目標布設的水土保持措施地點和類型。全國共選擇38個代表性小流域，分別進行模型率定、評價社會經濟因素和其他相關保護性項目(如肥料管理、排水灌溉工程、節(jié)水工程)的影響等。采用的模型包括 APEX、SWAT和AnnAGNPS等。全國或區(qū)域尺度是在該尺度下評價實施保護性措施帶來的環(huán)境影響和效益，評估未來水土保持需求，更好實現(xiàn)環(huán)境和資源保護目標，包括4種生態(tài)系統(tǒng)類型:耕地、草地、濕地和野生動植物棲息地，采用的方法和關注的內容各有不同。耕地采用抽樣和模型相結合的方法，首先利用APEX模型，以NRI調查點數(shù)據(jù)和農戶調查數(shù)據(jù)為基礎建立模型數(shù)據(jù)庫，模擬地塊尺度實施水土保持措施減少的土壤流失量、N、P污染物輸移和農藥危險性的降低，土壤質量的改善。然后將APEX模型輸出結果與SWAT模型集成，評價因水土保持措施減少的輸移及其對下游的效益。草地評價與農地類似，以NRI草地抽樣點數(shù)據(jù)和農戶調查數(shù)據(jù)為基礎建立模型數(shù)據(jù)庫，利用草地土壤侵蝕模型RHEM［90］(Rangeland hydrology and erosion model)，模擬地塊尺度草地水土保持措施減少的土壤流失量，再利用SWAT模型模擬因減少對下游的效益。濕地評價目標是生態(tài)服務功能，選擇典型濕地區(qū)域11個，通過收集數(shù)據(jù)，建立濕地生態(tài)服務功能指標和模型，評價水土保持措施對生態(tài)服務功能的影響。野生動植物棲息地評價處于起步階段，確定受影響顯著的指示性生物及其棲息地，觀測種類或種群變化，定性評價水土保持措施對棲息地生態(tài)與環(huán)境影響，定量評價指示性生物數(shù)量的變化。小流域研究是為了定量評價水土保持措施在小流域尺度上減少的泥沙、徑流和污染物排放量，率定相關參數(shù)。其輸出結果是區(qū)域或全國尺度評價采用大流域模型的輸入變量，通過模型模擬，以定量評價減少的泥沙、徑流和污染物排放量，在區(qū)域或全國尺度帶來的異地影響環(huán)境效益。截至目前，小流域尺度和區(qū)域尺度均取得了大量成果［91］，區(qū)域尺度耕地效益評價已經發(fā)布了11個流域的報告，濕地效益評價已經發(fā)布了7個濕地區(qū)域的生態(tài)服務功能評價報告。

3 土壤侵蝕模型發(fā)展與應用的啟示

3.1 土壤侵蝕模型是水土保持管理的重要支撐工具

模型是對真實世界的定量表征，能夠預測未來或不同情景下的結果，為決策提供參考。土壤侵蝕模型能夠發(fā)揮的作用主要包括:1)預測多年平均降雨條件下不同土地利用和水土保持措施的土壤流失量，與容許土壤流失量比較，確定合適的土地利用方式和水土保持措施;2)預測重現(xiàn)期降雨事件的土壤流失量，服務于水土保持措施設計，評估重大降雨事件發(fā)生的侵蝕及其影響;3)預測次降雨事件或多年平均降雨條件下，不同土地利用、水土保持措施、肥料施用情況下徑流和泥沙輸移，及其導致的面源污染物輸移，服務于河流水沙調節(jié)和肥料施用管理等;4)評價區(qū)域水土流失面積、強度和分布，為區(qū)域規(guī)劃服務;5)通過對比水土流失防治工程或項目實施前后的土壤流失量、徑流泥沙輸移、及面源污染物輸移等，評估工程或項目帶來的保水保土、調節(jié)水沙和改善環(huán)境的水土保持效益。

任何土壤侵蝕模型研發(fā)都針對一定的目標，有適用條件或范圍，沒有萬能的模型;因此了解模型建立條件、適用的對象特點、對輸入變量或參數(shù)的要求等，是正確應用模型的前提。前文介紹的幾個主要模型中，在我國或世界范圍應用比較廣泛的有USLE或其修訂版、CREAMS和SWAT，它們有各自的適用條件和目的。USLE和CREAMS均為坡面模型，前者只預報坡面細溝與細溝間侵蝕，用于水土保持措施布設或評價水土保持措施布設后的保土效益，無法估算徑流、溝蝕或沉積等。后者除能預報細溝與細溝間侵蝕外，還能預報徑流量，以及侵蝕泥沙和徑流導致的污染物輸移，可用于面源污染物總量估算，指導針對控制面源污染物的水土保持措施布設。SWAT是一個流域模型，包括了坡面產流產沙和溝道匯流匯沙過程，及其導致的污染物輸移。通過定義和劃分水文單元及子流域，實現(xiàn)了尺度較大的大流域模擬;然而徑流和侵蝕的發(fā)生發(fā)展過程本質上是一個小尺度過程，需要高時空分辨率的高精度數(shù)據(jù)模擬這種過程，否則會導致模擬結果失真。大尺度數(shù)據(jù)空間分辨率低與徑流侵蝕過程空間分辨率高之間的矛盾，是應用模型首先需要考慮的，也是目前應用上述模型經常出現(xiàn)的問題。如美國應用USLE、我國應用CSLE開展大尺度區(qū)域土壤侵蝕強度評價時，并非直接將模型因子在區(qū)域范圍內進行柵格運算，而是首先采用抽樣方法確定擬開展計算的小尺度空間范圍:美國選用一個坡面［14］，我國選擇一個面積0.2～3 km2的小流域［88］。在這樣的小尺度范圍內，除降雨與土壤外，地形和水土保持措施因子的空間分布比例尺均不低于1∶1萬，然后用模型以不低于10 m分辨率進行柵格計算。再根據(jù)所有抽樣的小尺度空間范圍的計算結果，利用統(tǒng)計學原理估計區(qū)域總體特征。考慮到小流域是水土流失發(fā)生的基本空間表現(xiàn)單元，選擇小流域顯然比選擇坡面更有代表性。如果在大尺度范圍內，即使采用1:5萬比例尺數(shù)據(jù)計算各個因子，也已經無法真實反映侵蝕發(fā)生因子小尺度特征，如將起伏的地形平滑，將不同土地利用、不同水土保持措施的地塊合并等。如果侵蝕因子的誤差已經很大，再利用模型計算的結果誤差將會更大，且誤差呈非線性增加。目前直接將粗分辨率數(shù)據(jù)代入坡面模型在大尺度區(qū)域范圍內進行柵格計算的情況很多，這是對模型的錯誤應用。

3.2 長期高質量試驗與監(jiān)測數(shù)據(jù)是建立土壤侵蝕模型的基礎

USLE和WEPP的建立都基于大量觀測和試驗數(shù)據(jù)。從20世紀30年代的徑流小區(qū)觀測，到1965年發(fā)布USLE，歷經30多年的觀測與研究，5年內進行了55種土壤的人工降雨試驗，建立了土壤可蝕性因子計算公式［17］。1989—1995年 WEPP研發(fā)過程中，進行了35種農地土壤和18種草地的人工降雨試驗［55］。目前的應用模型坡面侵蝕多采用USLE及其后來的修訂版［73］。

我國20世紀20年代就有了土壤侵蝕觀測，50年代建立了第一個土壤侵蝕預報模型，監(jiān)測和模型研究均與國際同步，中間出現(xiàn)60—70年代的停滯，80年代以后開始發(fā)展。2004年水利部實施了“全國水土保持監(jiān)測網絡和信息系統(tǒng)項目”，但目前未能形成目標明確的數(shù)據(jù)支撐。進一步規(guī)范監(jiān)測設施設備、方法和資料整編，確保監(jiān)測目標明確，質量可靠，長期進行，將是未來我國土壤侵蝕模型發(fā)展的根本保證。

3.3 面向用戶或管理需求研發(fā)是成功推廣應用土壤侵蝕模型的前提

USLE和WEPP都是為了解決水土保持實踐面臨的問題。什么樣的水土保持措施能更好地保護土壤?由此促生了USLE。模型以農業(yè)手冊指南形式發(fā)布，其中的作物覆蓋管理與水土保持措施均是針對各區(qū)域實際情況:考慮了不同作物組合的輪作方法、不同發(fā)育階段的覆蓋變化，種植過程中的耕作管理，如苗床準備、中耕(除草、松土、培土)、收獲方式等;水土保持措施代表了應用最為廣泛的梯田、等高耕作、免耕(留茬)、草田輪作或帶狀耕作等。侵蝕理論的發(fā)展，尤其是細溝間侵蝕(濺蝕為主)和細溝侵蝕(水流沖刷為主)概念的提出，針對土壤侵蝕空間差異防治的需求，促成了WEPP模型的開發(fā)。1985年WEPP核心團隊第一次會議提出應首先編寫用戶手冊。隨后分別在美國農業(yè)部(USDA)農業(yè)研究局(ARS)下屬的4個技術中心、內政部的土地管理法局(BLM)、農業(yè)部林業(yè)局(FS)等部門進行了用戶需求調研，最終的用戶手冊由ARS、BLM和FS聯(lián)合簽署，不僅成為WEPP模型的開發(fā)指南，也為WEPP模型開發(fā)與應用提供了資金和組織保障。

3.4 學科協(xié)同交叉和長期堅持是建立高水平可持續(xù)應用土壤侵蝕模型的保障

USLE和WEPP不僅經歷了從概念模型到數(shù)學模型、再到計算機模型的過程，更是由多學科、不同單位的科學家在ARS組織協(xié)調下共同開發(fā)。USLE首次以農 業(yè) 手 冊 282 號 發(fā) 布 之 前，Cook［21］、Zingg［6］、Simth［22，25］、Musgrave［24］等眾多科學家對土壤侵蝕因子與土壤流失量的定量關系已進行了長期研究，形成了概念模型和部分定量模型。USDAARS在普渡大學成立的數(shù)據(jù)中心，使Wischmeier能夠利用眾多數(shù)據(jù)提出降雨侵蝕力指數(shù) EI30［9，27］，給出標準小區(qū)定義，并據(jù)此計算了22種代表性土壤的可蝕性因子值［29］。隨后的研究解決了美國東北地區(qū)融雪侵蝕降雨徑流侵蝕力的估算，通過多種土壤的人工降雨試驗，建立了基于土壤性質計算土壤可蝕性因子的公式(諾謨圖)，提出不規(guī)則坡的地形因子計算方法等，以農業(yè)手冊537號發(fā)布USLE第二版［11］。隨著計算機技術的發(fā)展和新的研究成果的取得，RUSLE以農業(yè)手冊703號發(fā)布［12］，并提供了計算機程序和相應的數(shù)據(jù)庫。RUSLE考慮了凍融作用導致的土壤可蝕性因子的季節(jié)變化，將C因子表述為前期土地利用、冠層覆蓋、地表覆蓋、地表糙度和土壤水分等5個次因子的乘積形式。近年剛修訂的RUSLE2，不僅大大增加了模型的復雜性，更是將模擬步長半月時段提高到日［90］。

WEPP在USDA-ARS組織下，以國家土壤侵蝕實驗室為平臺，從1985年開始開發(fā)至今，經歷了4任項目主持，先后有200多位各界學者參與［55］。1995 年由 USDA-ARS，USDA-NRCS，USDA-FS 和USDI-BLM聯(lián)合署名，首次發(fā)布技術手冊和模型軟件。

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