高天雷，武 萍，尹学明

(四川省林业调查规划院四川成都 610081)

土壤侵蚀严重影响着人类的可持续发展［1］，是我国生态、土壤、林业等学科研究的焦点问题之一［2］。虽然20世纪末期以来我国积极推动林业“两大工程”建设，并将生态战略提升到国家发展战略的层面，但从实际来看，我国土壤侵蚀现状依然严重。随着数学分析方法的不断成熟，利用模型对土壤侵蚀进行定量化研究已经成为重要的趋势［3］。围绕着土壤侵蚀模型，国内外学者开展了广泛的研究，本文对国内外有关土壤侵蚀模型的研究成果、模型特点进行了总结和分析，以期为更好指导土壤侵蚀的相关研究提供参考。

1 土壤侵蚀模型类型

土壤侵蚀研究可以追溯到19世纪末期。到20世纪30年代，现代数学引入到土壤侵蚀的相关研究之中，土壤侵蚀从定性研究走向定量研究阶段。按照研究方法、途径和目的的区分，土壤侵蚀模型可以分为物理过程模型、动力学模拟模型和因子分析模型等［4］。

1.1 物理模拟过程模型

物理过程模型是通过对降雨所形成的侵蚀产沙过程进行分析的一种模型。物理过程模型的目的是要阐明侵蚀产沙规律。在20世纪中叶以前，学者们从降雨、植被、坡度等方面对土壤侵蚀进行了单因素分析，为后来的土壤侵蚀模型研究奠定了基础。从20世纪中叶以来，依赖于信息技术和现代数学理论的不断发展，土壤侵蚀模型研究进入了多因素时代。Negev在考虑传统的降雨、植被恢复、坡度、坡长等因子外，还将薄层水流泥沙输移纳入模型之中［5］。梅耶则在Negev的基础上，提出了细沟土壤侵蚀平衡方程［6］。目前国外研究中，运用较广的模型是Wepp水蚀模型和欧洲土壤侵蚀模型［7］。Wepp水蚀模型对侵蚀的各个过程都有一定的涉及。欧洲土壤侵蚀模型则又细分为细沟间侵蚀和细沟侵蚀。此外荷兰根据自身的实际，提出了LISEM侵蚀模型。

目前国内研究，在土壤侵蚀物理模型方面，具有自主创新的研究成果较少，基本上是对国外成熟模型的引进和借鉴。刘克娜等人通过模拟野外降雨，讨论了细沟间侵蚀与降雨、坡度、地表结构等方面的关系，并据此提出了有关的预报模型［8］。文江苏，何小武［9］则认为细沟发育包括片流、线性水流发育、隐细沟、沟头侵蚀细沟等阶段。从国内学者模型结果来看，土壤侵蚀是一个受多因素控制的过程。其中:降雨动能对土壤侵蚀产沙量的影响最为明显。降雨动能其实起到了为土壤侵蚀提供初始动能的作用。此外坡度和坡长也是影响土壤侵蚀的主要因素。从物理学角度来看，坡长越长、坡度越大，沙粒的动能就越大。基于物理过程研究结果，学者们普遍认为消除降雨动能是降低土壤侵蚀的主要方法。由于我国地形复杂、土壤结构多样，学者们针对不同地形、地域构建了相关的物理过程模型。

整体来看，物理过程模型以模拟土壤侵蚀的物理形成为依据，具有一定的现实性;但是，物理过程侵蚀模型对经验参数的需求较大。因此，研究结果具有一定的主观性。

1.2 动力学模拟模型

动力学模拟模型是根据动力学理论解释侵蚀产沙过程。该类模型可以较好地了解时间序列、微观运移和流域下垫面对侵蚀产沙的影响。因此，运用价值较广。目前，CSU模型是具有代表性的动力学模拟模型，该模型由 Simons和 Li提出［，10］。CSU 模型利用网格系统将一个流域系统分为多个子系统。子系统使用坡面汇流公式计算。水流挟沙能力则采用Du-boys公式计算，悬移值计算采用Einstein公式，径流分离量则使用泥沙连续方程。从CSU模型来看，网格划分可以较好地简化流域下垫面带来的复杂程序，而且各类指标的计算也多以前人的成果为基础。但是该模型难以真实地反映流域下垫面的情况，因此，结果的真实性受到了一定的质疑。

Kineros模型是动力学模拟模型的另一个代表［5，10］。该模型充分容纳了渗透模型和动力波模型，可以较好地反映地表径流和土壤侵蚀过程。从该模型的实践来看，虽然对于渗透过程的描述效果较好，但是难以反映复杂地表的动力学过程。从土壤侵蚀模型的发展趋势来看，动力学模拟模型是未来的重要发展趋势，但要真正将动力学模拟模型用于实际土壤侵蚀预报，还需要学界的更多努力。

1.3 因子分析模型

因子分析模型是以因子分析方法为基础，通过数理统计方法，拟合出相关模型。因子分析模型是一种经验模型，在用于具体的个案研究中具有很强的现实性和精确度。目前，在因子分析模型中，常涉及的因子包括|降雨特征、地貌特征、土壤特征、植被情况、耕作方式等。因子分析模型所获得的结果统称为土壤流失方程式(USLE)。最早的USLE方程由美国学者Zingg提出［11］。该方程只含有两个自变量，分别为坡长和坡度，因变量为土壤侵蚀量。在早期的物理模拟模型中，学者们也提出了诸多的单因素方程，这也可以看成因子分析模型的早期成果。美国由于土壤侵蚀观察基站建立较早，在20世纪50年代就提出了一个通用的土壤流失方程式(美国方程式)。该方程式在20世纪60年代和70年代，随着观测数据的不断丰富，进行了一定的调整［12］。

相比于物理模拟过程模型和动力学模拟模型，因子分析模型直观、简便，而且可以根据具体的区域进行因子的调整，实用性极强。我国学者在因子分析模型方面获得了较多的成果。例如，高燕等［13］针对东北黑土区提出了相关的土壤流失方程式。韩晓燕等［14］等则针对黄土高原土壤侵蚀进行了因子分析，并提出了相关的USLE式。田国行等［15］对高速公路边坡土壤流失构建了USLE方程式。从实践效果来看，这些成果均较好地指导了相关的研究和实践。

2 3S技术在土壤侵蚀模型中的运用

3S技术的快速发展，为土壤侵蚀研究提供了新的方法论。土壤侵蚀是一个动态的变化过程。通过3S技术，可以较好地了解土壤侵蚀的动态情况，为土壤侵蚀模型的构建和评价提供更有效的方法。从国外来看，加拿大和美国利用3S技术在土壤侵蚀观测方面起步较早。加拿大在1972年、美国在1974年就建立了土地信息管理系统。该系统涵盖了土地利用、监测等多种功能，可以为土壤侵蚀模型的构建提供更多的观测数据［16］。

从我国的发展来看，学者们在土壤侵蚀模型的研究方面，加大了3S技术的运用。在张蕴潇和孙紫英［17］的研究中，借助3S技术对内蒙古土壤侵蚀模型进行了构建。在他们的研究中，发现降雨因子、土壤可蚀因子、生物因子、地形因子、人为因子等是影响内蒙古土壤侵蚀的主要因子。陈旭东等［18］借助3S技术和现代软件技术，以岳西县为研究区域，建立了该县土壤侵蚀预报分析软件库。通过软件的分析，可以较好地对即将发生的土壤侵蚀进行判断，尽量降低各种损失。在袁再建［19］的研究中，则利用GIS构建了分布式侵蚀产沙模型，并对空间尺度的转换进行了研究。他认为遥感技术在土壤侵蚀模型的构建中，将会发挥更加突出的作用，对于指导土壤侵蚀研究乃至全国土地管理都有重要意义。张喜旺等［20］认为3S技术不仅为土壤侵蚀模型的构建提供了数据支撑，而且还为土壤侵蚀模型的动态预测奠定了基础。3S技术可以为土壤侵蚀的研究提供空间分析依据，并提升侵蚀模型的动态预测能力。整体来看，随着3S技术的发展，3S技术已经成为现代土壤侵蚀研究的重要方法和支持，为土壤侵蚀模型的研究发展提供了更好的基础。

3 土壤侵蚀模型研究的趋势

随着新一轮工业革命的发展，人类社会活动的日益频繁，土壤侵蚀发生风险越来越多。土壤侵蚀已经成为当前严重影响人类生态文明的主要环境问题。在19世纪末期，土壤侵蚀就受到了学者们的重视。进入20世纪中期以来，随着现代数学理论和专业统计分析工具的不断发展，土壤侵蚀研究从定性分析逐步过渡到定量分析，并且从不同的研究视角，创建了多种土壤侵蚀模型。

从现有的模型来看，多是集中在小流域范围。大流域土壤侵蚀的复杂性高，而且数据量大，数据收集麻烦，目前关于大流域较为成功的土壤侵蚀模型还较少。此外，现有的研究往往假设流域是独立的、封闭的;但现实情况下，流域往往是相互联系、彼此影响的。关于多个流域交界处的土壤侵蚀研究目前几乎是一个空白。从具体的模型来看，物理模拟过程和动力学模拟模型以理论研究为基础，因此必须进一步强调相关理论基础研究，为模型的完善奠定更好的基础。在因子分析模型方面，在现有研究基础上，还必须结合模糊数学理论、聚类分析等现代数学发展成果，进一步提升因子分析在预测方面的价值。在具体的技术支撑方面，要结合现代地理信息系统等技术手段和SPSS等软件统计工具，简化繁杂的数据收集和处理工作，提升研究的效率。

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