張錦娟,陸芳春,趙聚國(guó)

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

土壤侵蝕是在自然外營(yíng)力 (水、重力、風(fēng)、溫度變化等)和人為因素的作用下,地表土壤及其母質(zhì) (風(fēng)化物或基巖)被剝蝕破壞、搬運(yùn)和沉積的全過程。坡面是土壤侵蝕區(qū)最基本的地貌單元,是水蝕區(qū)基本的微地貌形態(tài)。坡面侵蝕過程往往伴隨著土壤養(yǎng)分的流失,是導(dǎo)致山區(qū)、丘陵區(qū)土壤資源退化、環(huán)境惡化的一個(gè)重要因素,也是江河泥沙淤積、水資源惡化的重要溯源。掌握坡面侵蝕從發(fā)生、發(fā)展到演變過程,離不開坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)。本文在對(duì)坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述的基礎(chǔ)上,提出了土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求及發(fā)展方向。

1 坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

土壤侵蝕監(jiān)測(cè)是以保護(hù)生態(tài)環(huán)境、合理利用水土資源為目的,通過各種監(jiān)測(cè)技術(shù)、手段和方法,對(duì)水土流失的影響因子、現(xiàn)狀、強(qiáng)度、侵蝕模數(shù)、產(chǎn)生的危害和防治措施成效進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和綜合評(píng)估。土壤侵蝕監(jiān)測(cè)工作是掌握水土流失區(qū)形勢(shì)、防治水土流失和水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的前提,同時(shí)為水土保持監(jiān)督管理提供重要的數(shù)據(jù)支持。

土壤侵蝕監(jiān)測(cè)起源于徑流小區(qū)的水土流失觀測(cè)。19世紀(jì)80年代,德國(guó)土壤科學(xué)家Wollny首次從事科學(xué)定量測(cè)定水土流失試驗(yàn)[1],他陸續(xù)研究了坡度、植被、土壤類型、坡向等因子對(duì)水土流失造成的影響。1912年Wollny曾在美國(guó)猶他州建立觀測(cè)小區(qū)進(jìn)行放牧所導(dǎo)致的水土流失監(jiān)測(cè)。1917年Miller建立了第一個(gè)現(xiàn)代意義上的侵蝕小區(qū)。進(jìn)入20世紀(jì)40年代后,Zingg、Smith和Wischmeier等美國(guó)土壤科學(xué)家通過長(zhǎng)期試驗(yàn)觀測(cè)研究各種自然因素對(duì)水土流失的影響,最后建立了美國(guó)通用水土流失方程。學(xué)者[2-4]借助于野外水土流失試驗(yàn)、水文觀測(cè)、室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)等土壤侵蝕監(jiān)測(cè)的方法,獲取影響水土流失過程的氣候、土壤、地形、地質(zhì)等各種因素的參數(shù)值,建立和修正了USLE、RUSLE、WEPP等水土流失預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)模型。

我國(guó)的土壤侵蝕監(jiān)測(cè)開始于20世紀(jì)40年代,在天水、綏德、西峰等地建立了首批水土流失監(jiān)測(cè)站,到1960年,全國(guó)已有水土保持試驗(yàn)工作站181處,利用這些試驗(yàn)站的水土流失試驗(yàn)觀測(cè),對(duì)坡面水土流失的主要因子、水土保持主要措施以及小流域水土流失、土地利用變化進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),為水土保持科學(xué)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)。20世紀(jì)80年代以后,水土流失的觀測(cè)手段和設(shè)備有了一定的改善,新的觀測(cè)試驗(yàn)站點(diǎn)陸續(xù)投入運(yùn)行,地面觀測(cè)在全國(guó)不同侵蝕類型區(qū)相繼展開。同時(shí),隨著遙感技術(shù)的普及和國(guó)家投入的增加,全國(guó)及大區(qū)域的監(jiān)測(cè)工作全面開展,1999年至今,水利部每5 a組織開展一次全國(guó)土壤侵蝕遙感調(diào)查,并隨時(shí)發(fā)布成果公告。最近20 a,由于遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等地球空間技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,使水土流失宏觀監(jiān)測(cè)得以快速發(fā)展,二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),有力地支持了國(guó)家和地方水土保持建設(shè)。但這一時(shí)期水土流失的地面監(jiān)測(cè)手段卻沒能得到同步發(fā)展,一些傳統(tǒng)并沿用至今的微觀坡面、小區(qū)流失監(jiān)測(cè)手段和估算方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對(duì)水土流失定量化、精細(xì)化的要求。

1.2 坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)的主要方法

土壤侵蝕微觀監(jiān)測(cè)主要依靠小區(qū)徑流定位觀測(cè)、土壤和泥沙理化分析、實(shí)地調(diào)查詢問等常規(guī)方法,根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象和目的,所采用的方法不同。就坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)而言,常用的有測(cè)釬法、人工調(diào)查法、糙率儀等方法,也有一些學(xué)者研究利用遙感和空間定位技術(shù)、三維掃描技術(shù)的方法來監(jiān)測(cè)坡面土壤流失[5-6]?？v觀坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)的各種技術(shù)方法,可分為接觸式和非接觸式測(cè)量2類。接觸式測(cè)量一般為傳統(tǒng)的技術(shù)方法,對(duì)監(jiān)測(cè)人員的參與性要求較高,水土流失監(jiān)測(cè)環(huán)境具有一定的危險(xiǎn)性,未來監(jiān)測(cè)手段發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)為非接觸式測(cè)量。

1.2.1 接觸式測(cè)量

接觸式測(cè)量方法有人工手動(dòng)測(cè)量 (侵蝕溝體積量測(cè)法)、測(cè)針法(地表糙率儀)、測(cè)釬法、核示蹤法等。

1.2.1.1 人工手動(dòng)測(cè)量

人工手動(dòng)測(cè)量 (侵蝕溝體積量測(cè)法)是坡面水土流失監(jiān)測(cè)中最常用的方法,即在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)按一定比例選取樣地,通過調(diào)查樣地內(nèi)侵蝕溝的數(shù)量(條數(shù)),測(cè)量每條或者幾條典型侵蝕溝的溝長(zhǎng)、溝深、溝寬等要素,按近似形狀 (U型或V型等)估算侵蝕溝的體積得出土壤侵蝕量,該法操作簡(jiǎn)單,應(yīng)用普遍,但估算精度較低。

1.2.1.2 測(cè)針法

測(cè)針法由Kuripers提出,通過多根聯(lián)排測(cè)針測(cè)定地面基點(diǎn)的高度值,獲知微地貌的地形變化。Brough等曾就該法提出改進(jìn)[7],在此基礎(chǔ)上具體化為“地表糙率儀”。它由51根測(cè)針組成,每根測(cè)針的長(zhǎng)度為50 cm,測(cè)針間距為2 cm,在進(jìn)行測(cè)定時(shí),將該儀器沿坡面置于試測(cè)區(qū),依次讀取各測(cè)針的數(shù)值?！暗乇聿诼蕛x”的架設(shè)、觀測(cè)主觀性強(qiáng),測(cè)量精度有限,目前已很少使用。

1.2.1.3 測(cè)釬法

測(cè)釬法通過在簡(jiǎn)易水土流失觀測(cè)場(chǎng)有規(guī)律的埋設(shè)測(cè)釬來觀測(cè)土壤侵蝕量[8],是開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失地面監(jiān)測(cè)的常用方法。從實(shí)踐應(yīng)用來看[9-10],此方法存在控制點(diǎn)易遭到破壞、讀數(shù)主觀性強(qiáng)、外業(yè)工作量過大、測(cè)量精度不夠高等缺陷。

1.2.1.4 核示蹤法[11-12]

核示蹤法是20世紀(jì)60年代后興起的一種新型土壤侵蝕監(jiān)測(cè)方法,一般可以分成單核素示蹤、多核素復(fù)合示蹤及REE示蹤法等。核示蹤法判別土壤侵蝕的理論依據(jù)在于,土壤侵蝕和沉積作用是導(dǎo)致小范圍的侵蝕環(huán)境內(nèi)土壤中示蹤劑的遷移和再分配的主要原因。該方法在定量研究土壤侵蝕演變過程及坡面侵蝕形態(tài)隨著降雨歷時(shí)的演變過程方面,較傳統(tǒng)方法具有優(yōu)越性。缺陷在于土壤樣品采集和樣品分析測(cè)試任務(wù)繁重、費(fèi)用高昂,監(jiān)測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值確定的可靠性也影響了土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2.2 非接觸式測(cè)量

非接觸式測(cè)量方法目前主要依托空間遙感和定位技術(shù),有高精度GPS、航拍圖像法和三維激光微地貌掃描儀法等。

1.2.2.1 高精度GPS[6]

高精度GPS法采用RTK(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量)技術(shù),在理想環(huán)境下,具有高定位精度的特點(diǎn),可達(dá)到厘米級(jí)。由于水土流失監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境往往地形復(fù)雜,從實(shí)踐效果來看,在天氣條件惡劣時(shí),接收機(jī)難以搜索到足夠的衛(wèi)星數(shù)目,對(duì)于中小型坡面侵蝕溝,很難確保溝沿線、溝底地形特征線測(cè)量的質(zhì)量。

1.2.2.2 航拍圖像法

航拍圖像法類似宏觀遙感影像監(jiān)測(cè)的做法,采用大比例尺多時(shí)相航拍影像監(jiān)測(cè)微地貌環(huán)境不同時(shí)段的侵蝕形態(tài)時(shí),由于其空間分辨率及時(shí)間分辨率的不足,往往難以較好地反映坡面溝蝕在微小尺度上的特征和變化,尤其是溝深的變化。

1.2.2.3 三維激光掃描[6,13]

三維激光掃描儀法采用非接觸式激光技術(shù)測(cè)量地表,以此獲取地形或復(fù)雜物體的幾何圖形和影像數(shù)據(jù),并由后處理軟件處理以滿足不同的應(yīng)用需要,被認(rèn)為是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的革新,自產(chǎn)生以來已在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。三維激光微地貌掃描儀應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè),需要提供監(jiān)測(cè)場(chǎng)地的地形數(shù)據(jù),目前儀器成本高昂,操作、運(yùn)轉(zhuǎn)較為復(fù)雜,當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)植被較為密集時(shí),對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性影響大,后期數(shù)據(jù)處理仍沒有理想的解決方法。

2 坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的需求

我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)踐和理論研究都還是一個(gè)十分年輕的領(lǐng)域。近年來,水土保持研究和管理部門對(duì)水土保持監(jiān)測(cè)不斷提出更高的要求,監(jiān)測(cè)人員素質(zhì)水平的提升,計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、自動(dòng)化地面測(cè)量技術(shù)的發(fā)展,為土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供了人力和技術(shù)保障,加之日益緊迫的開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失監(jiān)測(cè)的實(shí)踐需求,均為土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展帶來契機(jī)。

2.1 促進(jìn)水土流失理論研究發(fā)展的需求

坡面侵蝕形態(tài)變化與侵蝕溝道系統(tǒng)演變過程研究離不開坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)。隨著侵蝕強(qiáng)度的遞進(jìn),坡面形態(tài)和溝道特征也在不斷變化[14]。利用先進(jìn)技術(shù)手段觀測(cè)侵蝕過程中坡面不同坡位的坡度、坡形和溝道內(nèi)外高差變化,可以進(jìn)一步把握坡面土壤侵蝕演變過程,合理布設(shè)水土流失防治措施體系。新的監(jiān)測(cè)技術(shù)手段會(huì)促進(jìn)基礎(chǔ)性理論研究成果的產(chǎn)生,對(duì)于提升水土流失地面監(jiān)測(cè)水平,提高坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)工作效率均有所幫助。

2.2 水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)踐工作的需求

隨著生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)工作的逐步規(guī)范,適合于各種自然條件和各類擾動(dòng)區(qū)的坡面水土流失監(jiān)測(cè)技術(shù)成為監(jiān)測(cè)工作的一大難點(diǎn)和技術(shù)人員探討的重點(diǎn)。通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),目前常用的地面定位觀測(cè)、抽樣調(diào)查和遙感監(jiān)測(cè)等方法和技術(shù)已不能完全滿足監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)定量化、可靠化的需要。水土保持監(jiān)測(cè)實(shí)踐工作水平的提高需要依托各種水土保持地面監(jiān)測(cè)技術(shù)方法的研究,通過創(chuàng)新監(jiān)測(cè)的技術(shù)手段和方法,推動(dòng)水土保持各項(xiàng)事業(yè)的進(jìn)程,提高整個(gè)社會(huì)對(duì)水土保持工作的認(rèn)可。

3 坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向

坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)屬于微觀監(jiān)測(cè)范疇,僅提供水土流失面積、強(qiáng)度、侵蝕量的估算結(jié)果顯然不夠,坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)要求監(jiān)測(cè)指標(biāo)更加豐富、測(cè)量精度更高,需要掌握流失區(qū)侵蝕速率、徑流、流失量、侵蝕溝分布和微地貌環(huán)境動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù),為土壤侵蝕機(jī)理研究、宏觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)系與校正提供依據(jù)。目前常用的測(cè)釬法、人工調(diào)查法、糙率儀等技術(shù)方法,在科技含量、測(cè)量精度方面還有待提高,監(jiān)測(cè)手段的粗略性、薄弱性往往會(huì)制約水土流失監(jiān)測(cè)水平的發(fā)展,這一點(diǎn)在微觀監(jiān)測(cè)手段中表現(xiàn)得更加突出。在今后的研究中,不斷完善、創(chuàng)新各種監(jiān)測(cè)技術(shù)手段,仍將是全面深入研究坡面土壤侵蝕的前提。建立一套以非接觸式量測(cè)方法為主,以接觸式方法為輔,各種方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、有效結(jié)合的監(jiān)測(cè)方法體系是未來坡面土壤侵蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)研究和發(fā)展的重要方向[15]。

[1]王禮先,朱金兆.水土保持學(xué)[M].2版.北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2005.

[2]Wischmeier W H,Smith D.D.Predicting rainfall erosion losses:A guide toconservation planning[M].Washington,D.C.:US Department of Agricuture,1978.

[3]Renard.K G,Foster G R,Weesies G A,et a1.Predicting Soil Erosion by Water:A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE)[M].Washington,D.C.:US Department of Agriculture,1997.

[4]Shapley A.N,Williams J R.EPIC-Erosion/Productivity Impact Calculator[M].Washington,D.C.:US Department of Agriculture,1990.

[5]Betts,Derose.Digital elevation models as a tool for monitoring and measuring gully erosion[J].Journal of Applied Geophysics,1999(1):91-101.

[6]張鵬,鄭粉莉,王彬,等.高精度GPS,三維激光掃描和測(cè)針板三種測(cè)量技術(shù)監(jiān)測(cè)溝蝕過程的對(duì)比研究[J].水土保持通報(bào),2008,28(5):11-16.

[7]Biough D L,Jarrett A R.Simple technique for approximating surface storage of sift-tilled fields[J].Am.Soc.Agric.Eng.1992(92):885-890.

[8]水利部水土保持司,水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心.水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2002.

[9]候琳,康博文,彭鴻.高速公路建設(shè)土壤流失特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)方法探討 [J].中國(guó)水土保持科學(xué),2004(11):32-33.

[10]李俊,李海林,李健.關(guān)于水土保持監(jiān)測(cè)中測(cè)釬應(yīng)用的思考[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2009(1):21-22.

[11]宋煒,劉普靈,楊明義,等.坡面侵蝕形態(tài)轉(zhuǎn)變過程的REE示蹤法研究 [J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào),2003,21(6):711-715.

[12]唐翔宇,楊浩,曹慧,等.137Cs法估算南方紅壤地區(qū)土壤侵蝕作用的初步研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2001,15(3):4-8.

[13]于泳,王一峰.淺談基于GIS的三維激光掃描儀在水土保持方案編制中應(yīng)用的可行性 [J].水土保持學(xué)報(bào),2007,19(2):53-55.

[14]張振克.小型人為坡與面防土治壤侵蝕對(duì)策、坡面演化與防治對(duì)策 [J].中國(guó)水土保持,1998(5):16-17.

[15]葉碎高,張錦娟,聶國(guó)輝,等.便攜式侵蝕溝測(cè)量?jī)x研究報(bào)告[R].杭州:浙江省水利河口研究院,浙江廣川工程咨詢有限公司,2009.