徑流小區法監測水土流失的百年歷程(1915—2014年)

李 月，周運超，白曉永，秦羅義，李盼龍，羅光杰，張斯嶼

( 1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550000；2.中國科學院 普定喀斯特生態系統觀測研究站，貴州 普定 562100；3.中國科學院地球化學研究所 環境地球化學國家重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

水土流失是導致生態環境惡化和土地生產力下降的主要原因之一[1-2]。作為一項重要的水土保持基礎性工作，水土流失監測在實踐中逐漸發展起來[3]，成為土壤侵蝕研究的經典方法。徑流小區法是對坡地和小流域水土流失規律進行定量研究的一種重要方法，自1915年誕生到2014年正好是100年。徑流小區法在水土保持監測、科研、示范、推廣等方面做出的巨大貢獻和發揮的重要作用有目共睹，隨著應用領域的擴展和科學技術的進步，徑流小區法的監測設備、技術和方法都有了長足進步，有力地促進了水土保持理論、技術、措施和政策的發展[3]，同時徑流小區法也成為從微觀尺度上研究和探索水土流失規律最有效的方法之一[4-6]。因此，系統了解徑流小區法在土壤侵蝕監測研究中的技術更新及發展歷程，對總結和創新水土流失觀測與評價方法有著重要的意義。

1 個體探索階段(1915—1940年)

徑流小區試驗法最初是由美國密蘇里農業試驗站的Miller及其同事于1915年基于開展農作物種植及輪作措施對土壤侵蝕和產流的影響研究而創建的[7]，作為觀測試驗的重要手段之一，設置的小區長27.66m、寬1.83 m，并于1923年第一次出版了野外試驗小區成果，自此水土保持地面觀測有了特有的方法[8]。我國首次應用徑流小區法是在1922—1927年，由南京金陵大學森林系美籍教授Lowermilk博士在一般性考察的基礎上，會同助教任承統、李德毅、沈學禮等，在山西沁源、寧武和山東青島林場建立了徑流小區，以觀測不同森林植被對水土流失的影響，實現了水土流失定量化研究[9]，并根據試驗資料發表了《影響地表徑流和面蝕的因素》，這標志著我國采用徑流小區觀測方法研究坡地水土流失規律的開始。徑流小區法水土流失量的計算公式為：St=γsShs(1-Ww)(其中：St為小區侵蝕泥沙總量；γs為侵蝕泥沙容重；S為蓄水池底面積；hs為沉積泥沙的平均厚度；Ww為沉積泥沙含水量)。1936年，Cook通過對大量徑流小區的分析，提出影響土壤侵蝕的三大因子[10]分別為土壤可蝕性、降雨侵蝕力、植被覆蓋性，為土壤侵蝕預報技術發展提供了思路，也為后續研究工作奠定了基礎。

在該階段，采用徑流小區法比較容易掌握坡度、植被、土壤質地等數據[3]，能區分各種徑流條件，有利于研究單項水土保持措施對水土流失的影響。但是在某些情況下，采用一種方法往往不能獲得準確的監測數據，尤其是徑流小區法無法提供較長時期的土壤侵蝕數據且具有勞動強度大的缺點[11-12]，因此限制了其在土壤侵蝕過程研究中的應用。

2 群體研究階段(1940—1960年)

在20多年的個體探索發展階段后，徑流小區法得到了更多學者的關注和應用。1940年Zingg應用徑流小區的模擬陣雨和野外條件研究了坡長、坡度與修筑梯田之間的關系，把土壤流失速率和坡度、坡長聯系了起來[13]。1941年，Smith在此基礎上，增加了水土保持措施因子和作物因子，為通用土壤流失方程的建立奠定了基礎[14]。1942年，舊中國農林部在天水建立了水土保持實驗區，通過徑流泥沙觀測開展了水土流失規律研究[3]。1952年，黃河水利委員會建立了西峰水土保持試驗站，根據黃土高塬溝壑區水土保持工作需求，參考徑流小區觀測數據開展了水土保持試驗研究[15]。1958年，長江流域規劃辦公室為觀測研究暴雨徑流關系、人類活動對降雨徑流的影響及降雨徑流形成的物理過程，在唐河建成祁儀徑流實驗站[16]。

在該階段，為適應不同試驗目的和要求，研究人員對徑流小區法的觀測手段和設備進行了改進，將徑流小區法作為探索坡面水土流失規律的橋梁，為土壤侵蝕觀測和水土保持研究提供了數據支撐，對探索水土流失的發生發展規律發揮了積極的作用。

3 發展壯大階段(1960—2000年)

20世紀中期，徑流小區法逐步進入發展壯大時期，大大促進了人們對水土流失和土壤侵蝕規律的認識和理解。1971和1978年，美國學者Wischmeier和Smith對65 000場暴雨條件下8 250個侵蝕小區和2 500條小流域1年的觀測數據進行了分析，提出了經驗性的通用土壤流失方程(USLE)[17]——A=RKLSCP(其中：A為單位面積土壤流失量；R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；L為坡長因子；S為坡度因子；C為作物覆蓋和管理因子；P為水保措施因子)。1973年中國科學院水土保持研究所以紙坊溝小流域為試驗區，開展了較為系統的水土流失定位監測。目前，該試驗區已成為“中國生態研究網絡”農田生態系統站——安塞水土保持綜合試驗站，建成了完整的水土流失監測和山地綜合實驗場[3]，建設各種徑流小區160多個，可以開展不同坡地、坡度、坡型的水土流失規律模擬試驗，評估不同植被類型的水土保持效益，監測農、林、草地土壤生物量、含水量及養分平衡等。國家計劃委員會在1986—1990年建立了11個綜合試驗示范區，在此基礎上開展了體系化的小流域土壤流失監測與坡地保護、農業生產、經濟發展等示范研究。隨著研究的逐步深入，鄭粉莉等(1994年)通過對在子午嶺林區中未開墾、開墾后土地上布設的標準小區及大型坡面徑流場測定的徑流、泥沙資料進行對比分析，提出在非林地的坡面上用標準小區觀測資料建立的坡面土壤流失方程有局限性[18]，另根據大型坡面徑流場、標準小區和小流域把口站測定的徑流量、泥沙量資料，認為利用標準小區法測定的非林地泥沙量可以作為小流域把口站輸沙量的參考值，而利用大型坡面徑流場測定的林地與非林地泥沙量的比值可作為相似條件下小流域或林區與非林區泥沙量的比值。20世紀90年代末，陳淑華在閩東地區設計了6個不同處理徑流小區對茶園的水土流失進行觀測[19]，結果顯示實施坡改梯+生物覆蓋的處理與傳統臺地耕作處理相比，土壤侵蝕量有明顯減少，土壤含水量也有所增加。

在該階段，通過建立徑流小區開展了大量的試驗和監測，分析了降雨、徑流、土壤侵蝕等之間的物理關系和影響機制，提出了土壤侵蝕預報模型的雛形，方法上呈現由以定位觀測為主的現狀描述到以動態實時觀測為主的模型構建的變化趨勢，有助于把握坡面土壤侵蝕的演變過程，研究和計算水土保持單項措施對水土流失的影響及其減水減沙、保水保土效益[20-21]，推動了土壤侵蝕研究和地面監測技術方法的進展，為實現水土流失綜合治理和制定相關水土保持措施提供了依據，基本確定了土壤侵蝕過程研究及水土流失規律監測的大體方向。

4 成熟完善與多學科交叉應用階段(2000年至今)

進入21世紀后，徑流小區法在被廣泛應用的同時，也迎來了新的發展機遇和挑戰。李洪勛等(2006年)用徑流小區法研究了不同耕作措施對土壤侵蝕的影響[22]，結果表明沿等高線+薄膜覆蓋+秸稈覆蓋+開溝種植能有效減少土壤侵蝕，保護土壤耕作層，促進農業的可持續發展。陳安強等(2007年)以土石山區徑流小區的徑流量和侵蝕量為研究對象，根據山東省臨朐縣辛莊試驗站坡長10、20、40 m的徑流小區多年觀測資料，分析了坡長與徑流、侵蝕的關系[23]。隨后，彭韜等(2008年)通過對喀斯特坡地6種不同土地利用方式下徑流小區的地表徑流、植被穿透雨量及地下水出口水位變化進行野外定點連續觀測[24]，結果表明6個徑流小區地表徑流系數均非常小，介于0.01%～12.81%之間，喀斯特坡地的地表徑流容易入滲轉為地下徑流，尤其是受人為活動影響較大的徑流小區，地表徑流系數隨降雨量的變化呈指數函數型變化特征，容易產生地表徑流系數突變式增長。顧再柯等(2008年)分析了貴州省水土保持監測網絡與信息系統一期工程建成的8個監測點的坡面徑流小區在運行觀測中存在的問題，總結了監測點徑流小區建設在布局、設計和施工中存在的不足[25]。林軍等(2009年)通過對北方土石山區不同坡長的徑流小區進行徑流量和侵蝕量的觀測[26]，分析了不同條件下徑流小區降雨產生的徑流量、侵蝕量及其變化規律，并為土壤可蝕性計算提供了數據支持。廖煒等(2010年)以丹江口庫區鄖西縣坡面徑流小區為試驗點，通過分析各小區的觀測數據[27]，篩選了坡面土壤侵蝕定性評價與定量預測指標體系，利用勛西縣徑流小區的土壤侵蝕樣本驗證了兩種模型在該地區坡面徑流小區定性評價與定量預測中的可行性。甄寶艷等(2010年)通過對桃林口水庫大暖泉徑流小區產流次數、沖刷量、徑流深、植被覆蓋等指標的監測及分析[4]，得出隨著植被蓋度的增加產流次數與徑流量趨于減少的結論。唐有臻(2012年)以前陡小流域為例，對水土保持監測徑流小區設計及相關計算進行了研究[28]。謝頌華等(2013年)以江西水土保持生態科技園徑流小區為例，對徑流小區主體部分進行優化設計[29]，提出了徑流小區設計中應把握的原則。

徑流小區法經過了長期的發展，技術方法逐漸趨于成熟，由粗略統計到精確定量化，學科交叉性逐步增強，涉及領域逐步擴展，在水土流失監測、坡面土壤侵蝕定性定量評價、水土保持措施制定等方面發揮了重要作用，促進了土壤侵蝕和水土流失監測技術、方法的發展。

表1 徑流小區法百年發展歷程

5 結 語

縱觀徑流小區法在水土流失監測應用中的百年發展歷程可以發現：在時間上，經歷了個體探索、群體研究、發展壯大、成熟完善與多學科交叉等4個階段；內容上，經歷了從監測單一水土流失速率到監測坡面營養元素變化、碳循環，甚至反演復雜坡面景觀變化的過程；方法上，呈現由定位觀測為主的現狀描述到以動態適時觀測為主的模型構建的特點；精度上，經歷了由粗略統計到精確定量化的變化過程。徑流小區法為深入揭示水土流失規律，促進土壤侵蝕監測方法和技術的發展奠定了基礎，在水土流失監測過程中發揮的作用無可替代。

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