土壤侵蚀模型与水土保持管理

1.土壤侵蚀模型是水土保持管理的重要支撑工具

模型是对真实世界的定量表征,能够预测未来或不同情景下的结果,为决策提供参考。 土壤侵蚀模型能够发挥的作用主要包括:

1)预测多年平均降雨条件下不同土地利用和水土保持措施的土壤流失量,与容许土壤流失量比较,确定合适的土地利用方式和水土保持措施;

2)预测重现期降雨事件的土壤流失量,服务于水土保持措施设计,评估重大降雨事件发生的侵蚀及其影响;

3)预测次降雨事件或多年平均降雨条件下,不同土地利用、水土保持措施、肥料施用情况下径流和泥沙输移,及其导致的面源污染物输移,服务于河流水沙调节和肥料施用管理等;

4)评价区域水土流失面积、强度和分布,为区域规划服务;

5)通过对比水土流失防治工程或项目实施前后的土壤流失量、径流泥沙输移、及面源污染物输移等,评估工程或项目带来的保水保土、调节水沙和改善环境的水土保持效益。

任何土壤侵蚀模型研发都针对一定的目标,有适用条件或范围,没有万能的模型;因此了解模型建立条件、适用的对象特点、对输入变量或参数的要求等,是正确应用模型的前提。

在我国或世界范围应用比较广泛的有 USLE或其修订版、CREAMS 和 SWAT,它们有各自的适用条件和目的。

水土保持

USLE 和 CREAMS 均为坡面模型,前者只预报坡面细沟与细沟间侵蚀,用于水土保持措施布设或评价水土保持措施布设后的保土效益,无法估算径流、沟蚀或沉积等。 后者除能预报细沟与细沟间侵蚀外,还能预报径流量,以及侵蚀泥沙和径流导致的污染物输移,可用于面源污染物总量估算,指导针对控制面源污染物的水土保持措施布设。

SWAT 是一个流域模型,包括了坡面产流产沙和沟道汇流汇沙过程,及其导致的污染物输移。 通过定义和划分水文单元及子流域,实现了尺度较大的大流域模拟;然而径流和侵蚀的发生发展过程本质上是一个小尺度过程,需要高时空分辨率的高精度数据模拟这种过程,否则会导致模拟结果失真。

大尺度数据空间分辨率低与径流侵蚀过程空间分辨率高之间的矛盾,是应用模型首先需要考虑的,也是目前应用上述模型经常出现的问题。

如美国应用 USLE、我国应用 CSLE 开展大尺度区域土壤侵蚀强度评价时,并非直接将模型因子在区域范围内进行栅格运算,而是首先采用抽样方法确定拟开展计算的小尺度空间范围:美国选用一个坡面,我国选择一个面积 0.2 ~ 3 km2的小流域。

在这样的小尺度范围内,除降雨与土壤外,地形和水土保持措施因子的空间分布比例尺均不低于 1颐 1万,然后用模型以不低于 10 m 分辨率进行栅格计算。 再根据所有抽样的小尺度空间范围的计算结果,利用统计学原理估计区域总体特征。

如美国应用 USLE、我国应用 CSLE 开展大尺度区域土壤侵蚀强度评价时,并非直接将模型因子在区域范围内进行栅格运算,而是首先采用抽样方法确定拟开展计算的小尺度空间范围:美国选用一个坡面,我国选择一个面积 0.2 ~ 3 km2的小流域。

考虑到小流域是水土流失发生的基本空间表现单元,选择小流域显然比选择坡面更有代表性。

如果在大尺度范围内,即使采用 1:5 万比例尺数据计算各个因子,也已经无法真实反映侵蚀发生因子小尺度特征,如将起伏的地形平滑,将不同土地利用、不同水土保持措施的地块合并等。 如果侵蚀因子的误差已经很大,再利用模型计算的结果误差将会更大,且误差呈非线性增加。目前直接将粗分辨率数据代入坡面模型在大尺度区域范围内进行栅格计算的情况很多,这是对模型的错误应用。

2.长期高质量试验与监测数据是建立土壤侵蚀模型的基础

USLE 和 WEPP 的建立都基于大量观测和试验数据。 从 20 世纪 30 年代的径流小区观测,到 1965年发布 USLE,历经 30 多年的观测与研究,5 年内进行了 55 种土壤的人工降雨试验,建立了土壤可蚀性因子计算公式。 1989—1995 年 WEPP 研发过程中,进行了 35 种农地土壤和 18 种草地的人工降雨试验 。

目前的应用模型坡面侵蚀多采用 USLE及其后来的修订版。

我国 20 世纪 20 年代就有了土壤侵蚀观测,50年代建立了第一个土壤侵蚀预报模型,监测和模型研究均与国际同步,中间出现 60—70 年代的停滞,80 年代以后开始发展。 2004 年水利部实施了“全国水土保持监测网络和信息系统项目冶,但目前未能形成目标明确的数据支撑。

进一步规范监测设施设备、方法和资料整编,确保监测目标明确,质量可靠,长期进行,将是未来我国土壤侵蚀模型发展的根本保证。

3.面向用户或管理需求研发是成功推广应用土壤侵蚀模型的前提

USLE 和 WEPP 都是为了解决水土保持实践面临的问题。 什么样的水土保持措施能更好地保护土壤? 由此促生了 USLE。

模型以农业手册指南形式发布,其中的作物覆盖管理与水土保持措施均是针对各区域实际情况:考虑了不同作物组合的轮作方法、不同发育阶段的覆盖变化,种植过程中的耕作管理,如苗床准备、中耕(除草、松土、培土)、收获方式等;水土保持措施代表了应用最为广泛的梯田、等高耕作、免耕(留茬)、草田轮作或带状耕作等。

侵蚀理论的发展,尤其是细沟间侵蚀(溅蚀为主)和细沟侵蚀(水流冲刷为主)概念的提出,针对土壤侵蚀空间差异防治的需求, 促成了 WEPP 模型的开发。1985 年 WEPP 核心团队第一次会议提出应首先编写用户手册。

随后分别在美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)下属的 4 个技术中心、内政部的土地管理法局(BLM)、农业部林业局(FS)等部门进行了用户需求调研,最终的用户手册由 ARS、BLM 和 FS联合签署,不仅成为 WEPP 模型的开发指南,也为WEPP 模型开发与应用提供了资金和组织保障。

4.学科协同交叉和长期坚持是建立高水平可持续应用土壤侵蚀模型的保障

USLE 和 WEPP 不仅经历了从概念模型到数学模型、再到计算机模型的过程,更是由多学科、不同单位的科学家在 ARS 组织协调下共同开发。

USLE首次 以 农 业 手 册 282 号 发 布 之 前, Cook 、Zingg 、Simth 、Musgrave等众多科学家对土壤侵蚀因子与土壤流失量的定量关系已进行了长期研究,形成了概念模型和部分定量模型。

USDA-ARS 在普渡大学成立的数据中心,使 Wischmeier 能够利用众多数据提出降雨侵蚀力指数 EI30  ,给出标准小区定义,并据此计算了 22 种代表性土壤的可蚀性因子值。 随后的研究解决了美国东北地区融雪侵蚀降雨径流侵蚀力的估算,通过多种土壤的人工降雨试验,建立了基于土壤性质计算土壤可蚀性因子的公式(诺谟图),提出不规则坡的地形因子计算方法等,以农业手册 537 号发布 USLE 第二版 。

随着计算机技术的发展和新的研究成果的取得,RUSLE 以农业手册 703 号发布 ,并提供了计算机程序和相应的数据库。 RUSLE 考虑了冻融作用导致的土壤可蚀性因子的季节变化,将 C 因子表述为前期土地利用、冠层覆盖、地表覆盖、地表糙度和土壤水分等 5 个次因子的乘积形式。 近年刚修订的 RUSLE2,不仅大大增加了模型的复杂性,更是将模拟步长半月时段提高到日 。

文章来源： 中国水土保持科学的论文《土壤侵蚀模型在水土保持实践中的应用》

作者：谢摇云,岳天雨