土壤保持功能评价方法研究

古 娟，王华静

(1.四川师范大学，西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都 610068；2. 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都 610068)



土壤保持功能评价方法研究

古 娟1,2，王华静1,2

(1.四川师范大学，西南土地资源评价与监测教育部重点实验室，四川成都 610068；2. 四川师范大学地理与资源科学学院，四川成都 610068)

在对土壤保持功能评价方法进行总结和归纳的基础上，对国内外提出的土壤保持功能评价模型进行比较，以期为土壤保持功能研究的发展提供参考。

土壤保持功能；土壤侵蚀；评价模型；定量指标

土壤是人类生存和社会发展的基础，任何生产、生活均离不开土壤。良好的土壤保持功能可以有效地降低土壤侵蚀造成的生态系统破坏，支撑更好的社会发展。土壤保持功能为土壤形成、植物固着等提供基础，同时保障生态系统的基本服务功能[1]。目前水土流失现象严重，土壤侵蚀面积不断增大，中国是世界上水土流失最严重的国家之一，水土流失面积广、数量大[2]。我国城市化的发展导致土壤生态系统失去原有的生产和生态功能，土壤生态系统的功能保护越来越被重要[3]，已受到大量学者的关注。土壤保持功能包括减少地表土壤侵蚀及土壤侵蚀造成的废弃土壤、保持土壤养分等方面，土壤保持功能的研究为生态系统的管理和保护提供了有效的依据，为缓解土壤侵蚀提供科学基础。国内外学者对不同空间尺度和不同特征区域的土壤生态系统的土壤保持功能采用了不同的评价方法进行研究。笔者归纳和总结了土壤保持功能评价方法，以期为土壤侵蚀评价模型发展提供依据。

1　土壤保持功能评价模型

土壤保持功能评价主要是基于土壤保持量的计算结果，土壤侵蚀过程直接影响土壤保持量，近几年来学者模拟土壤侵蚀物理过程，先后开发了通用土壤流失方程(USLE)和修正的通用土壤流失方程(RUSLE)、生态系统服务和交易的综合评估模型 (In VEST)、风蚀预报模型(WEPP)、荷兰模型(LISEM)、欧洲水蚀预报模型(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)在不断发展的基础上，较为全面地考虑了影响土壤侵蚀的自然因素，通过降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长与坡度、作物覆盖与管理以及水土保持措施五大因子进行定量计算，具体形式如下：

Ar=R×K×LS×C×P

(1)

式中，Ar是现实土壤侵蚀量[t/(hm2·a)]；R是降雨侵蚀力指标[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蚀性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS是坡长坡度因子；C是地表植被覆盖因子；P是土壤保持措施因子。

肖洋等[5]、孙平[6]结合USLE及GIS判断土壤保持重要区、水田生态系统的水土保持量。肖寒等[7]、黄和平等[8]、赵立军等[9]、韩永伟等[10]利用类似区域风蚀流失量模型估算土壤保持功能及划分情况。鲁春霞等[11]、Ma等[12]、Baban等[13]借助GIS手段风洞模拟高寒草地土壤保持功能，计算闽江流域土壤流失量。由于目前对草地生态系统服务功能的试验研究不多，所以价值评价结果准确性相对较差。Patel等[14]、Bayramov等[15]、Elci等[16]利用USLE方程推导出各年土壤侵蚀区侵蚀严重程度、预测巴库第比利斯杰伊汉沿线管道、流域沉积厚度。Vemu等[17]结合流域侵蚀响应模型(WERM)和通用流失方程(USLE)与地理信息系统估算流域的侵蚀风险评估参数，对土壤保育规划提供数据。Panagos等[18]基于USLE家庭模型的继承，建立了一种有潜在服务的新模型(G2模型)，强调土壤侵蚀图季节方面的降雨侵蚀力。通用水土流失方程可以对较大空间的侵蚀模型进行预测，相对准确地得到预测结果。

但是，通用水土流失方程使用的数据主要来自于美国落基山山脉以东地区，只适合于平缓坡地，而泥沙就地沉积的带状耕作措施等应用受阻，且不能良好描述土壤侵蚀的物理过程。基于上述原因，研究者不断完善推出了修改式通用水土流失方程(RUSLE)，修正了特殊情况下的降雨侵蚀力计算方法，完善USLE模型的不足[19]。

以RUSLE为模型的基本框架运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是降雨侵蚀力指标[MJ·mm/(hm2·h·a)]；K是土壤可蚀性因子[t·h/(MJ·mm)]；LS是坡长坡度因子；C是地表植被覆盖因子；P是土壤保持措施因子。

付晓等[20]、蒋春丽等[21]采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)对土壤保持功能进行评价，确定土壤保持功能重要区。李亦秋等[22]、韩永伟等[23]在GIS/RS技术的支持下，以RUSLE为基本框架，对各生态功能区土壤保持效益进行评估。国外学者Durigon等[24]、Russo[25]、Mallick等[26]、Ozsoy等[27]、Yarbrough[28]、Panagopoulos等[29]、Yellishetty等[30]结合RUSLE模型和GIS技术评价土壤覆盖，并对环境敏感区规划提供有效依据，同时Durigon等[24]介绍了一种适用于高强度降雨热带地区的计算方法。Paparrizos等[31]利用历史图片和修正通用土壤流失方程(RUSLE)探讨潜在的泥沙贡献地点。

RUSLE模型也存在局限性：①它只能预测泥沙侵蚀过程中夹带的而不是实际的泥沙；②预测长期的年平均土壤流失量和由特定风暴或降雨事件引起的土壤流失存在局限性；③可以有效地预测短坡坡面片蚀，但不能准确得出流量和长斜坡的数据;④充分考虑不同土壤类型的分散性上存在问题。

1.2In VEST模型USLE和RUSLE方程能够准确地反映区域土壤侵蚀状况，但计算中忽视地块自身泥沙持留能力，结果存在一定偏差。美国斯坦福大学、世界自然基金会等联合开发了生态系统服务功能综合估价和权衡得失评估工具In VEST模型。该模型解决通用土壤流失方程不足的同时考虑了水库泥沙疏浚花费的服务价值，估算结果更准确。

In VEST模型计算公式如下：

基于地貌和气候条件的潜在土壤流失量：

RKLS=R×K×LS

(3)

存在植被覆盖因子及实施水土保持措施条件下的实际土壤侵蚀量：

USLE=R×K×LS×C×P

(4)

土壤保持量：

sret=(RKLS-USLE)+ups_retain

(5)

清淤条件下的沉积物保留量：

(6)

式中,R为降雨侵蚀力因子；K为土壤可蚀性因子；LS为坡度坡长因子；C为覆盖和管理因子；P为土壤保持措施因子；sret为地块沉积物保留量(t)；RKLS-USLE为地块自身的沉积物保留量(t)；ups_retain为该地块拦截上游地块(不包括地块自身)的沉积物量(t)；sed_ret_dr为清淤条件下地块沉积物保留量(t)；dr_deadvol为水库设计死库容(m3)；c为水库沉积物密度(t/m3)；dr_time为水库剩余寿命(a)；contrib为流域内像元的数量(个)。

李婷等[32]、王敏等[1]利用该模型评价土壤流失及土壤保持生态效益。InVEST模型已成功用于国外的生态系统服务功能评价，Nelson等[33]利用该模型分析了威拉米特河流流域的土地利用变化情况，为河流管理提供可靠依据。胡胜等[34]探讨了不同视角下InVEST模型对土壤保持功能评价的对比。

InVEST模型包括水文和土地利用2个角度，该模型的沉积物保留量包括地块自身的沉积物保留量和该地块拦截上游地块的沉积物，解决了通用水土流失方程忽略的地块自身的拦截作用。虽然InVEST模型解决了通用模型的不足，对评价结果进行可视化表达，但该模型忽视了重力侵蚀带来的影响，部分数据获取存在难度，实际运用受阻。

1.3WEPP模型、欧洲的土壤侵蚀风险评估(PESERA)模型等任志远等[35]在对西北地区植被的土壤保持效益研究中提出，不同特征区域适合应用不同类型的模型，因此衍生出CREAMS(水文模型)、ANSWERA、AGNPS、EUROSEM(欧洲水蚀预报模型)、WEPP(水蚀预报模型)等模型；不同时空尺度也有相应的模型，例如WEQ和WEPS模型。

张建[36]利用CREAMS模型计算黄土坡地径流量及侵蚀量。张玉斌等[37]研究提出新一代水蚀预测模型——WEPP模型，该模型描述了细沟及细沟间侵蚀以及泥沙运动机理。Maalim等[38]采用WEPP模型，预测地下平铺对新疆沙尔河流域、美国的高地侵蚀速率的影响，并对不同排水系数进行评价。Zhang等[39]研究认为不同分辨率的DEM产生了不同的侵蚀预测模型。AMPOFO等[40]利用WEPP模型证明了对耕地进行间作体系有利于土壤侵蚀的修复。陈莉等[41]基于WEPS模型对天津郊区的土壤风蚀情况进行估算。贾宁凤等[42]应用AnnAGNPS模型评价黄土高原小流域的土壤侵蚀情况。Gericke[43]、Panagos等[44]使用了欧洲土壤侵蚀风险评估(PESERA)模型估计欧洲试验田土壤流失情况。

上述多种模型均是土壤保持功能评价的基础，基于上述各类型的模型对土壤侵蚀量进行计算，根据土壤保持价值进行四位分法分级，效益越高土壤保持功能越强[35]。CREAMS模型适用于田块尺度面积的降雨、径流、侵蚀以及化合物流失的估算，但是模型要求田块上的土地利用方式及耕作措施单一，土壤质量及降雨均匀。WEPP模型涉及很多参数因子，数据获取方面存在困难，实际应用中存在很大的局限性。PESERA是一个基于过程的模型来评估长期平均土壤侵蚀速率。陈雅如等[45]、刘敏超等[46]、吴敬东[47]、杜英等[48]、高江波等[49]、张雪峰等[50]、于格等[51]分别基于上述模型对森林、草地、农业生态系统以及高寒草甸区和退耕还林工程的土壤保持功能进行评价，并对其经济价值进行初步评估。

2　定量指标法

模型法模拟实际土壤侵蚀情况需要输入大量的参数，参数获取存在很大的困难，且评估模型中存在大量不确定因素的影响，因此评估难免存在误差。模型法的局限性促使生态系统土壤保持功能评估新方法的发展，这类新方法是定量指标法。该方法强调空间单元生态系统服务能力的准确性和实用性，而不是估算的精确度和模拟还原度[53]。

大尺度区域的快速评估中，土壤保持功能的评价主要使用定量指标法。与通用的水土流失方程相比，定量指标法强调绿色植被、地形因子和土壤结构因子在土壤保持中的作用，目前主要的参考模型是定量指标模型：

Spro=NPPmean×(1-K)×(1-Fslo)

(7)

式中,Spro是土壤保持服务能力指数；NPPmean是评价区域多年生态系统净初级生产力平均值；K是土壤可蚀性因子；Fslo是根据最大最小值法归一化到0～1的评价区域坡度栅格图。

3　小结

目前，国内外关于土壤保持功能评价的模型有很多类型，基于不同特征区域以及不同空间尺度，不同地区特点不同，适用的模型也不同，实际运用中应根据当地实际情况采用相关的模型进行估算，当下基于土壤流失方程及修改的土壤流失方程评价土壤保持功能的居多，应用也较成熟。

研究表明,USLE和RUSLE方程忽略地块自身的泥沙持有功能，不能很好地运用于不同土壤类型；RUSLE估算结果相比USLE方程更加贴近现实土壤侵蚀值，单一的运用水土流失方程进行土壤侵蚀量估算和结合GIS技术的估算结果存在误差。WEPP模型结果较前2种方程更准确，但该模型结构复杂，涉及众多的参数，模型实用性有限；目前研究多集中在水土流失模型与遥感、GIS技术的结合运用上，基于中国复杂的地形条件进行评价。WEPP模型不能很好地模拟强降雨地区的土壤侵蚀量。InVEST模型能够设置不同的情景、空间和时间条件，对土壤生态系统服务功能进行全面评价，具有更高的发展前景。但InVEST模型忽略了重力侵蚀的影响，数据获取也存在困难。

模型法是对实际土壤侵蚀情况的模拟，理论上最完善，但是数据获取难以充分满足，实际运用不能达到很好的效果；定量指标法在一定的生态学基础上辨别单元的生态系统服务能力，对服务绝对量的准确评估上有提升空间。模型法和定量指标法均需要确定适合我国实际情况的参数及方法，形成系统的检测目录，2种类型的土壤保持功能评价方法均存在提升空间。

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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，重庆人，硕士研究生，研究方向：环境影响评价与分析。

2016-06-12

S 152.7+1

A

0517-6611(2016)21-047-03