黄土高原地区土壤侵蚀研究方法综述 Review of Soil Erosion Research Methods in the Chinese Loess Plateau

doi:10.12677/ojswc.2013.11006

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Open Journal of Soil and Water Conservation水土保持, 2013, 1, 24-27

http://dx.doi.org/10.12677/ojswc.2013.11006 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ojswc.html)

Open Access

Review of Soil Erosion Research Methods in the Chinese

Loess Plateau*

Dong Li, Xia Wei#, Ya ojun Li

College of Resources and Environment, Lanzhou University, Lanzhou

Email: 1017557759@qq.com, #weix@lzu.edu.cn

Received: Dec. 4th, 2013; revised: Dec. 18th, 2013; accepted: Dec. 23rd, 2013

mits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. In accordance of the

Abstract: Soil ero sion is a complex and comprehensive en vironmental problem, especially in the area of the

Loess Plateau, China. The research methods of the soil erosion are divided into experimental and model

methods in the Loess Plateau area. The existing research methods of soil erosion, including remote sensing

monitoring, rainfall simulation experiments, tracer technique and hydrological models, are reviewed and

summarized. The characteristics, limitations, application and development direction of various research

methods are analyzed and discussed to provide relevant references for the further study on soil erosion in the

Loess Plateau.

Keywords: Soil Erosion; Research Methods; Remote Sensing; Tracer Method; The Loess Plateau

黄土高原地区土壤侵蚀研究方法综述*

李东，魏霞#，李耀军

兰州大学资源环境学院，兰州

Email: 1017557759@qq.com, #weix@lzu.edu.cn

收稿日期：2013 年12 月4日；修回日期：2013 年12 月18日；录用日期：2013年12 月23 日

摘要：土壤侵蚀是复杂的综合性环境问题，在我国黄土高原地区尤为突出，针对此类问题将黄土高

原地区对土壤侵蚀的研究分为实验法和模型法两大类，并对包括遥感监测、降雨模拟、示踪技术和水

文模型在内的研究方法进行了综述与归纳，分析探讨了各种研究方法的特点、局限性、使用情况及发

展方向，为研究黄土高原地区土壤侵蚀规律及其机理研究提供了相关参考。

关键词：土壤侵蚀；研究方法；遥感；示踪法；黄土高原

1. 引言

当今土壤侵蚀研究在世界广受重视，国际上在土

壤侵蚀机理研究、土壤流失方程等方面都取得了新进

展。中国是土壤侵蚀最严重的国家之一[1]，其中最突

出地区是黄土高原，占总量的 50%以上，而且面积大，

范围广，强度大，形成因素复杂[2]，土壤侵蚀既破坏

了土壤资源造成土壤退化，又引起了生态环境恶化水

旱灾害增多制约着水土资源综合开发和利用[3]。

为更好解决土壤侵蚀的问题，我国学者采取了各

*基金项目：国家自然科学基金(41001154，51109103)；中国博士后

科学基金项目(20110490862)；兰州大学中央高校基本科研业务费

项目(lzujbky-2012-139)。

#通讯作者。

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种方法进行研究，包括有地球化学方法、遥感研究方

法、水文模型法等，但有时单一研究方法由于自身的

限制无法满足实际工作的要求，需要根据研究目的和

研究区域的自然条件选择不同方法。因此及时了解土

壤侵蚀研究方法与动态，并结合实际情况对黄土高原

地区水土流失的研究进行回顾，归纳总结现有土壤侵

蚀研究方法与手段及存在的问题有着非常重要的意

义。

2. 通过模拟实验对土壤侵蚀的研究

模拟实验法包括降雨侵蚀模拟、径流小区实验观

测和地球化学方法等，基本思路都是通过实验与观测

结果来研究土壤侵蚀过程及变化规律，从而进一步推

求研究流域内的侵蚀强度与侵蚀速率[4]或是分析土壤

侵蚀的发生来源，通过调节变化实验条件也可以对土

壤侵蚀过程与某影响因子的响应关系进行研究分析。

这类研究方法的特点是可行性强简单易操作，结果直

观可人为控制变量，能在短时期内重复试验缩短试验

周期，在小尺度范围内有着较高的准确性，但计算结

果不免带有假定性，适应性有限。

2.1. 降雨侵蚀模拟与径流小区观测

模拟降雨实验时通常利用人工降雨装置来模拟

降雨过程，既可在室内进行，也可在野外进行，能节

约大量人力物力，效率高且结果直观，可有效地解决

数据收集的局限性问题，避免了不确定因素的影响，

具有重要的理论和实际意义。在进行实验时可人为调

控降雨量大小、降雨强度和降雨历时，并结合表土层

的移动或补充[5]来观察和讨论土壤侵蚀过程与降雨类

型和土壤特性的响应关系，但该方法在较大尺度范围

内应用时具有局限性，该方法未来的发展方向将是采

用计算机自适应控制技术来智能模拟降雨过程。

径流小区观测实验适用于永久性观测站长期观

测，操作简单可行性强，适用范围广泛，但调查过程

费时费力而且不直观。在四十年代初，我国甘肃天水

首次开展径流小区观测工作，此后许多水土保持试验

站都采用了这一研究方法。

2.2 地球化学方法

地球化学方法主要是指示踪技术，近几十年来得

到了广泛运用，主要包括稳定性稀土元素示踪法[6]和

同位素示踪法[7]。示踪技术的取样精确、直观，分析

更深入，是一种强大的研究工具，既可以用于对侵蚀

速率及侵蚀强度的研究，也可以用于分析土壤侵蚀的

发生来源，在研究溶质运移方面具有非常重要的作

用，但单一示踪法都存在不同的局限性，在许多实际

应用过程中受到实际条件和成本因素的限制，要准确

解释示踪结果会非常困难，需要应用复杂的数据解释

方法。

2.2.1. 稳定性稀土元素示踪法

稀土元素示踪法是指用稀土元素作为示踪剂，通

过采集侵蚀信息，利用中子分析技术推测研究区域的

侵蚀和沉积量的研究方法[8]。稀土元素用于示踪的是

镧系的 14 种元素包括 La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、

Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu，一般选

取稀土元素时应考虑土壤背景值、实验时施加量、容

易识别和探测且不易被植物吸收等特征。在黄土高原

地区 La、Ce、Nd、Sm、Eu、Dy、Yb 的应用最为常

见，在施放方法上，可分为段面法、条带法、点状法

三种。

在黄土高原地区刘普灵，田均良[9]等描述了稀土

元素示踪法的原理与操作并通过实例论证了该方法

的可靠性。琚彤军、刘普灵等[10]通过中子活化分析技

术研究并测定了黄土高原地区主要类型土壤的稀土

元素含量丰度及分布规律。

大量研究结果表明稳定性稀土元素示踪法虽然

其结果可靠，准确度与精确度高，但野外操作困难，

定位点的选择要求较高，对小流域泥沙来源研究效果

不佳。

2.2.2. 同位素示踪法

同位素示踪法是以放射性核素作为示踪剂进行

标记研究的方法。该方法的特点是灵敏度强、定位准、

方法便捷。放射性核素法是指以 137Cs、

7Be、

10Be、

210Pb、

226Ra、228Ra、240Pu、3H、241Am 等[11]做为示踪剂运用

于土壤侵蚀研究的技术方法，其中137Cs 示踪技术较

为完善，但 137Cs 难以提供次降雨或短期内土壤侵蚀

的信息，因此需要找到一种即能反映次降雨土壤侵蚀

的信息，又有连续性来源的核素来深入研究土壤侵蚀

规律，而 7Be 就具有这种特点，但对 7Be 在示踪侵蚀

过程中的研究也不完善，尤其是对 7Be时空分布规律

和植被覆盖对土壤中7Be 含量变化影响等问题的研究

黄土高原地区土壤侵蚀研究方法综述

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较少。

贾成霞等[11]研究证明7Be 通量与纬度和降雨有

关，高纬地区大于低纬的地区，降雨多的地区高于降

雨少的地区，丁晋利等[12]用7Be 示踪技术研究了坡面

侵蚀速率、侵蚀方式和沉积物的再分布等问题，张风

宝[13]认为 7Be 示踪法未来的发展方向是研究区域内土

壤中 7Be 的连续性动态变化，精确描述植被类型和植

被覆盖度与 7Be比例含量的关系等。

3. 通过模型计算对土壤侵蚀的研究

对土壤侵蚀模型的研究按研究特点的不同可大

致划为三个大类，包括经验统计模型、物理过程模型

和基于 3s 技术的土壤侵蚀模型。

3.1. 经验统计模型

经验统计模型以Wischmeier W. H.等提出的通用

土壤流失方程 USLE (Universal Soil Loss Equation)为

标志[14]，经验性的 USLE 模型[15,16]数学表达式为：A =

R·K·L·S·C·P。式中：A为土壤流失量；R为降雨侵蚀

力因子；K为土壤可蚀性因子；L为坡长因子，S为

坡度因子；C为植被覆盖和管理因子；P为土壤保持

措施因子。

通用土壤流失方程 USLE 模型中各影响因子物理

参数都具有实际意义，具有结构简单、考虑因素较为

全面、成本低、计算精度较高等优点[17]，有许多土壤

侵蚀模型都是根据 USLE 模型改进得来的，比如

AGNPS、CREAMS、SWRRB 和ANSWERS 等，该模

型的缺陷是只能计算年降雨侵蚀量而不能对次降雨

侵蚀量进行准确计算，而且该方程必须建立在缓坡的

条件下，坡度范围必须在 3%~18%之间。1978 年威斯

奇迈尔和史密斯对USLE 模型进行了修正，1985 年美

国为了提高 USLE精度与适用范围，又利用计算机技

术对 USLE 模型进行了又一次修订，并在 1997 年颁

布了通用土壤流失方程的修订方程 RUSLE，RUSIE

比USIE 的优势在于准确度更高，适用范围更广，而

且还制成了计算机模型更便于计算。

3.2. 物理过程模型

物理过程模型主要以物理过程为基础，最早出现

在20 世纪 60年代，通过结合各种数学模型和数学方

法，并利用水文、气象、水力等原理，将数学模型简

化，最后总结土壤侵蚀量与影响因子之间的定量关

系。物理过程模型的优势在于可在其它地区广泛的推

广应用，但模型随着模型复杂性的增加与模型输入的

不确定性因素的增加，误差将累计增大，最终影响其

结果的精度与准确性。这类模型最有代表性的是水蚀

预报模型(WEPP)和欧洲土壤侵蚀模型(EUROSEM)。

水蚀预报模型 WEPP是复杂的连续物理过程模

型，包括有坡面版、流域版和网格版[18]。WEPP模型

将整个流域划分为坡面、沟道和蓄水池三部分，并将

地表径流分成细沟流和细沟间径流，用 Yahn 方程计

算泥沙输移，WEPP 模型能反映侵蚀产沙的时空分布、

外延性好，但它计算需要的参数多，运行成本高，且

不能用于预报河道的侵蚀过程。

EUROSEM 是一个动态配制模型，是基于物理成

因的次降雨分布式侵蚀模型，其最大优点就是动态

性，它能模拟小到单块田地，大到小型流域在一场暴

雨下由于沟间侵蚀与细沟侵蚀过程而造成的泥沙在

土表的侵蚀、输移及沉积，除了可以计算径流量和土

壤流失总量以外，还可以生成次降雨中水文图和产沙

图，可模拟细沟侵蚀，适用于缓坡为主的小流域，但

不能很好地模拟切沟侵蚀[19]。

国内黄土高原地区对该类模型的研究代表是蔡

强国基于黄土高原地区的复杂地形而建立的侵蚀量

计算公式，以及对于小流域尺度基于黄土土壤侵蚀的

特点建立的小流域分布式水蚀模型WEPM 1.0[20]。

3.3. 基于“3S”技术的土壤侵蚀模型

基于“3S”技术土壤侵蚀模型研究是土壤侵蚀预

报的一种全新技术手段，它能获取 RS 和GPS 等提供

的时间和空间信息，实时动态模拟侵蚀发生、发展及

演化过程，反应侵蚀时空变化，精确估算流域土壤侵

蚀量，目前人们利用遥感技术进行土壤侵蚀调查已成

为热点，利用卫星影像可以对地表植被盖度、地形地

貌、土壤、地球化学异常等信息进行读取、分析与处

理，该方法不仅具有信息丰富、覆盖面广、时效性强、

数据更新快等特征[21]，因此在卫星系统覆盖范围内得

到了广泛的应用，但有时会出现成像有阴影、解译困

难等现象，所以单纯地只利用遥感方法进行土壤侵蚀

研究是具有局限性的，基于“3S”技术的土壤侵蚀模

型的代表是 LISEM 模型和 SEMMED 模型，另外随着

GIS技术和分布式水文模型的发展与结合，为土壤侵

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蚀定量研究提供了更为有效的分析工具，SWAT 模型

便是其中的代表。

桑广书[22]在大量实地考察基础上利用遥感观测

法研究了黄土高原典型地区的地貌演变与土壤侵蚀

规律。宋艳华[23]对SWAT 模型在黄土高原地区的适用

性进行了评价。秦伟[24]运用 GIS和RUSLE 模型对黄

土高原四面窖沟流域的土壤侵蚀强度进行了评估。

现阶段国内土壤侵蚀模型研究以中小尺度范围

为主，大尺度范围的研究较少，在小流域范围内，研

究主要侧重于土壤侵蚀动态监测，缺乏动态演变过程

方面的研究。

4. 土壤侵蚀研究的讨论及展望

虽然近几年来我国土壤侵蚀研究取得了重要进

展，但由于我国黄土高原地区生态环境与经济发展之

间的尖锐矛盾，水土保持研究仍存在着许多亟待解决

的问题。

水文模型依赖于长期系统的观测资料，由于条件

限制，目前研究的数据资料还不够全面和丰富，这在

很大程度上制约了模型的适用性。

对7Be 示踪目前尚处于初级阶段，测量结果往往

存在较大误差，因此探求准确测定方法是今后的发展

方向。同时虽然很多研究对土壤中 7Be含量进行了分

析，但是由于测量需要时间，因此数据不多，只是对

它们之间的关系进行了初步的研究，缺乏更为系统的

研究总结。

随着遥感技术和地理信息系统技术的发展，遥感

技术不仅自身水平有很大提高，而且各种遥感资料的

应用也越来越广泛，特别是在地质、地理、土壤和水

文等领域的应用已达到较高的水平。建立水土保持工

程效果和效益土壤侵蚀评价模型和水土保持决策支

持系统，为水土保持规划和工作实施的开展提供科学

依据是今后土壤侵蚀研究工作的重点和方向，有利于

土壤侵蚀研究方法的进一步创新与发展。

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