土壤保持功能評價方法研究

古 娟，王華靜

(1.四川師范大學，西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都 610068；2. 四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都 610068)

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土壤保持功能評價方法研究

古 娟1,2，王華靜1,2

(1.四川師范大學，西南土地資源評價與監測教育部重點實驗室，四川成都 610068；2. 四川師范大學地理與資源科學學院，四川成都 610068)

在對土壤保持功能評價方法進行總結和歸納的基礎上，對國內外提出的土壤保持功能評價模型進行比較，以期為土壤保持功能研究的發展提供參考。

土壤保持功能；土壤侵蝕；評價模型；定量指標

土壤是人類生存和社會發展的基礎，任何生產、生活均離不開土壤。良好的土壤保持功能可以有效地降低土壤侵蝕造成的生態系統破壞，支撐更好的社會發展。土壤保持功能為土壤形成、植物固著等提供基礎，同時保障生態系統的基本服務功能[1]。目前水土流失現象嚴重，土壤侵蝕面積不斷增大，中國是世界上水土流失最嚴重的國家之一，水土流失面積廣、數量大[2]。我國城市化的發展導致土壤生態系統失去原有的生產和生態功能，土壤生態系統的功能保護越來越被重要[3]，已受到大量學者的關注。土壤保持功能包括減少地表土壤侵蝕及土壤侵蝕造成的廢棄土壤、保持土壤養分等方面，土壤保持功能的研究為生態系統的管理和保護提供了有效的依據，為緩解土壤侵蝕提供科學基礎。國內外學者對不同空間尺度和不同特征區域的土壤生態系統的土壤保持功能采用了不同的評價方法進行研究。筆者歸納和總結了土壤保持功能評價方法，以期為土壤侵蝕評價模型發展提供依據。

1　土壤保持功能評價模型

土壤保持功能評價主要是基于土壤保持量的計算結果，土壤侵蝕過程直接影響土壤保持量，近幾年來學者模擬土壤侵蝕物理過程，先后開發了通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)、生態系統服務和交易的綜合評估模型 (In VEST)、風蝕預報模型(WEPP)、荷蘭模型(LISEM)、歐洲水蝕預報模型(EROSEM)等[4]。

1.1基于通用水土流失方程的模型法通用水土流失方程(USLE)在不斷發展的基礎上，較為全面地考慮了影響土壤侵蝕的自然因素，通過降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長與坡度、作物覆蓋與管理以及水土保持措施五大因子進行定量計算，具體形式如下：

Ar=R×K×LS×C×P

(1)

式中，Ar是現實土壤侵蝕量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蝕力指標[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS是坡長坡度因子；C是地表植被覆蓋因子；P是土壤保持措施因子。

肖洋等[5]、孫平[6]結合USLE及GIS判斷土壤保持重要區、水田生態系統的水土保持量。肖寒等[7]、黃和平等[8]、趙立軍等[9]、韓永偉等[10]利用類似區域風蝕流失量模型估算土壤保持功能及劃分情況。魯春霞等[11]、Ma等[12]、Baban等[13]借助GIS手段風洞模擬高寒草地土壤保持功能，計算閩江流域土壤流失量。由于目前對草地生態系統服務功能的試驗研究不多，所以價值評價結果準確性相對較差。Patel等[14]、Bayramov等[15]、Elci等[16]利用USLE方程推導出各年土壤侵蝕區侵蝕嚴重程度、預測巴庫第比利斯杰伊漢沿線管道、流域沉積厚度。Vemu等[17]結合流域侵蝕響應模型(WERM)和通用流失方程(USLE)與地理信息系統估算流域的侵蝕風險評估參數，對土壤保育規劃提供數據。Panagos等[18]基于USLE家庭模型的繼承，建立了一種有潛在服務的新模型(G2模型)，強調土壤侵蝕圖季節方面的降雨侵蝕力。通用水土流失方程可以對較大空間的侵蝕模型進行預測，相對準確地得到預測結果。

但是，通用水土流失方程使用的數據主要來自于美國落基山山脈以東地區，只適合于平緩坡地，而泥沙就地沉積的帶狀耕作措施等應用受阻，且不能良好描述土壤侵蝕的物理過程。基于上述原因，研究者不斷完善推出了修改式通用水土流失方程(RUSLE)，修正了特殊情況下的降雨侵蝕力計算方法，完善USLE模型的不足[19]。

以RUSLE為模型的基本框架運用的水土流失方程修改式：

Ac=R×K×LS(1-C×P)

(2)

式中,Ac是土壤保持量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蝕力指標[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蝕性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS是坡長坡度因子；C是地表植被覆蓋因子；P是土壤保持措施因子。

付曉等[20]、蔣春麗等[21]采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)對土壤保持功能進行評價，確定土壤保持功能重要區。李亦秋等[22]、韓永偉等[23]在GIS/RS技術的支持下，以RUSLE為基本框架，對各生態功能區土壤保持效益進行評估。國外學者Durigon等[24]、Russo[25]、Mallick等[26]、Ozsoy等[27]、Yarbrough[28]、Panagopoulos等[29]、Yellishetty等[30]結合RUSLE模型和GIS技術評價土壤覆蓋，并對環境敏感區規劃提供有效依據，同時Durigon等[24]介紹了一種適用于高強度降雨熱帶地區的計算方法。Paparrizos等[31]利用歷史圖片和修正通用土壤流失方程(RUSLE)探討潛在的泥沙貢獻地點。

RUSLE模型也存在局限性：①它只能預測泥沙侵蝕過程中夾帶的而不是實際的泥沙；②預測長期的年平均土壤流失量和由特定風暴或降雨事件引起的土壤流失存在局限性；③可以有效地預測短坡坡面片蝕，但不能準確得出流量和長斜坡的數據;④充分考慮不同土壤類型的分散性上存在問題。

1.2In VEST模型USLE和RUSLE方程能夠準確地反映區域土壤侵蝕狀況，但計算中忽視地塊自身泥沙持留能力，結果存在一定偏差。美國斯坦福大學、世界自然基金會等聯合開發了生態系統服務功能綜合估價和權衡得失評估工具In VEST模型。該模型解決通用土壤流失方程不足的同時考慮了水庫泥沙疏浚花費的服務價值，估算結果更準確。

In VEST模型計算公式如下：

基于地貌和氣候條件的潛在土壤流失量：

RKLS=R×K×LS

(3)

存在植被覆蓋因子及實施水土保持措施條件下的實際土壤侵蝕量：

USLE=R×K×LS×C×P

(4)

土壤保持量：

sret=(RKLS-USLE)+ups_retain

(5)

清淤條件下的沉積物保留量：

(6)

式中,R為降雨侵蝕力因子；K為土壤可蝕性因子；LS為坡度坡長因子；C為覆蓋和管理因子；P為土壤保持措施因子；sret為地塊沉積物保留量(t)；RKLS-USLE為地塊自身的沉積物保留量(t)；ups_retain為該地塊攔截上游地塊(不包括地塊自身)的沉積物量(t)；sed_ret_dr為清淤條件下地塊沉積物保留量(t)；dr_deadvol為水庫設計死庫容(m3)；c為水庫沉積物密度(t/m3)；dr_time為水庫剩余壽命(a)；contrib為流域內像元的數量(個)。

李婷等[32]、王敏等[1]利用該模型評價土壤流失及土壤保持生態效益。InVEST模型已成功用于國外的生態系統服務功能評價，Nelson等[33]利用該模型分析了威拉米特河流流域的土地利用變化情況，為河流管理提供可靠依據。胡勝等[34]探討了不同視角下InVEST模型對土壤保持功能評價的對比。

InVEST模型包括水文和土地利用2個角度，該模型的沉積物保留量包括地塊自身的沉積物保留量和該地塊攔截上游地塊的沉積物，解決了通用水土流失方程忽略的地塊自身的攔截作用。雖然InVEST模型解決了通用模型的不足，對評價結果進行可視化表達，但該模型忽視了重力侵蝕帶來的影響，部分數據獲取存在難度，實際運用受阻。

1.3WEPP模型、歐洲的土壤侵蝕風險評估(PESERA)模型等任志遠等[35]在對西北地區植被的土壤保持效益研究中提出，不同特征區域適合應用不同類型的模型，因此衍生出CREAMS(水文模型)、ANSWERA、AGNPS、EUROSEM(歐洲水蝕預報模型)、WEPP(水蝕預報模型)等模型；不同時空尺度也有相應的模型，例如WEQ和WEPS模型。

張建[36]利用CREAMS模型計算黃土坡地徑流量及侵蝕量。張玉斌等[37]研究提出新一代水蝕預測模型——WEPP模型，該模型描述了細溝及細溝間侵蝕以及泥沙運動機理。Maalim等[38]采用WEPP模型，預測地下平鋪對新疆沙爾河流域、美國的高地侵蝕速率的影響，并對不同排水系數進行評價。Zhang等[39]研究認為不同分辨率的DEM產生了不同的侵蝕預測模型。AMPOFO等[40]利用WEPP模型證明了對耕地進行間作體系有利于土壤侵蝕的修復。陳莉等[41]基于WEPS模型對天津郊區的土壤風蝕情況進行估算。賈寧鳳等[42]應用AnnAGNPS模型評價黃土高原小流域的土壤侵蝕情況。Gericke[43]、Panagos等[44]使用了歐洲土壤侵蝕風險評估(PESERA)模型估計歐洲試驗田土壤流失情況。

上述多種模型均是土壤保持功能評價的基礎，基于上述各類型的模型對土壤侵蝕量進行計算，根據土壤保持價值進行四位分法分級，效益越高土壤保持功能越強[35]。CREAMS模型適用于田塊尺度面積的降雨、徑流、侵蝕以及化合物流失的估算，但是模型要求田塊上的土地利用方式及耕作措施單一，土壤質量及降雨均勻。WEPP模型涉及很多參數因子，數據獲取方面存在困難，實際應用中存在很大的局限性。PESERA是一個基于過程的模型來評估長期平均土壤侵蝕速率。陳雅如等[45]、劉敏超等[46]、吳敬東[47]、杜英等[48]、高江波等[49]、張雪峰等[50]、于格等[51]分別基于上述模型對森林、草地、農業生態系統以及高寒草甸區和退耕還林工程的土壤保持功能進行評價，并對其經濟價值進行初步評估。

2　定量指標法

模型法模擬實際土壤侵蝕情況需要輸入大量的參數，參數獲取存在很大的困難，且評估模型中存在大量不確定因素的影響，因此評估難免存在誤差。模型法的局限性促使生態系統土壤保持功能評估新方法的發展，這類新方法是定量指標法。該方法強調空間單元生態系統服務能力的準確性和實用性，而不是估算的精確度和模擬還原度[53]。

大尺度區域的快速評估中，土壤保持功能的評價主要使用定量指標法。與通用的水土流失方程相比，定量指標法強調綠色植被、地形因子和土壤結構因子在土壤保持中的作用，目前主要的參考模型是定量指標模型：

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)

(7)

式中,Spro是土壤保持服務能力指數；NPPmean是評價區域多年生態系統凈初級生產力平均值；K是土壤可蝕性因子；Fslo是根據最大最小值法歸一化到0～1的評價區域坡度柵格圖。

3　小結

目前，國內外關于土壤保持功能評價的模型有很多類型，基于不同特征區域以及不同空間尺度，不同地區特點不同，適用的模型也不同，實際運用中應根據當地實際情況采用相關的模型進行估算，當下基于土壤流失方程及修改的土壤流失方程評價土壤保持功能的居多，應用也較成熟。

研究表明,USLE和RUSLE方程忽略地塊自身的泥沙持有功能，不能很好地運用于不同土壤類型；RUSLE估算結果相比USLE方程更加貼近現實土壤侵蝕值，單一的運用水土流失方程進行土壤侵蝕量估算和結合GIS技術的估算結果存在誤差。WEPP模型結果較前2種方程更準確，但該模型結構復雜，涉及眾多的參數，模型實用性有限；目前研究多集中在水土流失模型與遙感、GIS技術的結合運用上，基于中國復雜的地形條件進行評價。WEPP模型不能很好地模擬強降雨地區的土壤侵蝕量。InVEST模型能夠設置不同的情景、空間和時間條件，對土壤生態系統服務功能進行全面評價，具有更高的發展前景。但InVEST模型忽略了重力侵蝕的影響，數據獲取也存在困難。

模型法是對實際土壤侵蝕情況的模擬，理論上最完善，但是數據獲取難以充分滿足，實際運用不能達到很好的效果；定量指標法在一定的生態學基礎上辨別單元的生態系統服務能力，對服務絕對量的準確評估上有提升空間。模型法和定量指標法均需要確定適合我國實際情況的參數及方法，形成系統的檢測目錄，2種類型的土壤保持功能評價方法均存在提升空間。

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Study on Soil Conservation Function Evaluation Method

GU Juan1,2, WANG Hua-jing1,2

(1. Key Laboratory of Land Resources Evaluation and Monitoring in Southwest China of Ministry of China, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610068; 2. The Faculty Geography Resource Sciences, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610066)

On the basis of summarizing and reviewing soil conservation function evaluation method, models for evaluating soil conservation function at home and abroad were compared, so as to provide reference for development of researches on soil conservation function.

Soil conservation function; Soil erosion; Evaluation model; Quantitative index

古娟(1992- )，女，重慶人，碩士研究生，研究方向：環境影響評價與分析。

2016-06-12

S 152.7+1

A

0517-6611(2016)21-047-03