李薇,劉孝盈,徐炳豐,吳保生

(1.荷蘭代爾夫特理工大學(xué)土木與地球科學(xué)學(xué)院水利工程系,2628CN,代爾夫特,荷蘭;2.清華大學(xué)水利系水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,100084,3.國際泥沙研究培訓(xùn)中心,100048,4.中國水利水電科學(xué)研究院,100048:北京)

英國土壤侵蝕科學(xué)研究綜述

李薇1,2,劉孝盈3,4?,徐炳豐2,吳保生2

(1.荷蘭代爾夫特理工大學(xué)土木與地球科學(xué)學(xué)院水利工程系,2628CN,代爾夫特,荷蘭;2.清華大學(xué)水利系水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點實驗室,100084,3.國際泥沙研究培訓(xùn)中心,100048,4.中國水利水電科學(xué)研究院,100048:北京)

土壤侵蝕及其對生態(tài)和環(huán)境的影響越來越成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要障礙,因而,土壤侵蝕機制研究、侵蝕預(yù)測和防治研究等備受關(guān)注。系統(tǒng)總結(jié)分析近年來英國土壤侵蝕的基本狀況、侵蝕機制、侵蝕定量預(yù)測模型及土壤侵蝕防治方面的先進技術(shù)和成果,對我國土壤侵蝕的研究與治理具有重要參考價值和指導(dǎo)意義。

土壤侵蝕;影響因素;防治技術(shù);定量模型;英國

土壤侵蝕導(dǎo)致大量土壤流失,引起地貌頻繁變遷。據(jù)估算,全球水土流失面積約 1 643萬 km2,占地表總面積的 10.95%,其中農(nóng)業(yè)地區(qū)的土壤侵蝕最為嚴(yán)重[1-2]。在歐洲,年均土壤流失率為 1 000～2 000 t/(km2?a),由侵蝕引起的土壤流失達(dá) 114萬km2,占陸地面積的 17.4%,其中水蝕占 16%[3]。由于土壤侵蝕,大量泥沙和污染物進入河流,造成河道、湖泊、水庫淤積和水資源污染,給農(nóng)業(yè)灌溉、水利發(fā)電、水運、防洪和漁業(yè)帶來不利影響[4-5]。以英國為例,其每年因耕地侵蝕而花費的河道疏浚費用高達(dá) 150萬歐元[6]。土壤侵蝕及其生態(tài)、環(huán)境影響已成為當(dāng)今亟待解決的資源問題。英國土壤侵蝕研究和治理成果斐然,能在一定程度上反映出當(dāng)今該學(xué)科的發(fā)展水平和方向[3,7]。筆者概括了英國的土壤侵蝕狀況,對近年來英國土壤侵蝕研究與治理的成果進行總結(jié),旨在提出能為我國土壤侵蝕研究和防治借鑒的方案和建議。

1 英國土壤侵蝕概況與研究機構(gòu)

英國的土壤侵蝕以水蝕為主,全國約有 44%的耕地面臨水蝕威脅,年均水蝕率為 10～30 t/(km2?a)[8],風(fēng)蝕僅限于威爾士北部、英格蘭和蘇格蘭東部的部分砂土地區(qū)[2]。侵蝕的土壤類型中則以人為活動引起的耕地侵蝕比例較大,主要侵蝕形式為細(xì)溝侵蝕[9],年平均侵蝕量為 220萬 t,占每年土壤侵蝕總量的 95%[10-11]。

英國政府十分重視對土壤侵蝕的研究和防治。與此相關(guān)的機構(gòu)主要有國家環(huán)境局(EA)、生態(tài)水文中心(CEH)、國家土壤調(diào)查局(NSI)、綠色環(huán)保研究所(IGER)、克蘭菲爾德大學(xué)(Cranfield Univ.)國家土壤資源研究所(NSRI)、土壤調(diào)查研究中心(SSLRC)、英國土壤科學(xué)協(xié)會(BBBS)、農(nóng)漁糧食部(MAFF)、農(nóng)環(huán)糧食部 (DEFRA)、社區(qū)政府部(DCLG)、威爾士農(nóng)業(yè)部(WOAD)、蘇格蘭環(huán)境保護局(SEPA)及英國洛桑實驗站等。同時,英國也非常重視國際合作對土壤侵蝕研究與防治的重大意義,加入了眾多國際組織(主要為歐洲國際組織),如歐洲環(huán)境組織(EEA)、經(jīng)合組織(OECD)、歐共體統(tǒng)計辦公室(Eurostat)、歐洲土壤研究中心 (ETC/S,1996—1999-12,由 EEA組建)、歐洲陸地環(huán)境研究中心(ETC/TE,2001-07成立)等。

2 土壤侵蝕影響因子

按照侵蝕營力屬性,土壤侵蝕的影響因素可分為自然和人為 2大類。據(jù)調(diào)查,影響英國土壤侵蝕的自然因素主要包括氣候、土壤類型和地表狀況,而農(nóng)耕、畜牧和城鎮(zhèn)建設(shè)則是主要的人為影響因子。

2.1 氣候因素

英國認(rèn)為降水、氣溫、干旱、冰凍和風(fēng)等是影響該國土壤侵蝕的主要氣候因素。在濕潤多雨的冬季,強降雨易引發(fā)泥漿流[8,12],造成英國耕地土壤大量流失[13],尤其在蘇格蘭雨量充沛地區(qū),土壤流失率約為干旱地區(qū)的 5～10倍[14]。此外,EPIC模型對英國 Downs地區(qū)氣候變化影響的研究表明,氣溫升高和二氧化碳濃度增加能促使作物生長,縮短土壤被侵蝕的時段,但土壤侵蝕強度卻因此而增加[15]。對 Plynlimon地區(qū)泥炭土的觀測發(fā)現(xiàn),冬季的冰凍加速了泥炭土的侵蝕,而夏季的干旱不僅促使了秋冬季的暴雨侵蝕[16],也加劇了風(fēng)蝕的強度[8]。干燥的春季風(fēng)是新播種土壤發(fā)生風(fēng)蝕的主要原因[16]。

2.2 土壤類型

英國研究表明,土壤顆粒粒徑、礦物成分、黏土含量和土壤水文特性等對土壤侵蝕的影響不可忽視。據(jù)對英格蘭 Shropshire東部 Bridgnoth地區(qū)草地和裸土土壤顆粒粒徑的統(tǒng)計,草地的粗砂比例高于裸土[17];在 Moorfield和 Herefordshire地區(qū)的觀測表明,粗粉砂最易遭受侵蝕[18]。威爾士高地的泥炭土侵蝕比礦物土嚴(yán)重[16],黏土含量在 10%～25%的土壤易被侵蝕[2],土壤的含水量增加或含鈣量減少可能導(dǎo)致土壤的抗侵蝕性減弱[9,19]。另外,土壤侵蝕也與土壤中的物理、化學(xué)及生物作用密切相關(guān),而這些在很大程度上決定于土壤中有機質(zhì)的含量[8-9,20-21]。英國某些專家認(rèn)為,某些地區(qū)土壤有機質(zhì)含量過低將不能維持長期的農(nóng)業(yè)種植,土壤結(jié)構(gòu)的強度隨有機質(zhì)含量的減少而降低,增加了土壤的侵蝕風(fēng)險。

2.3 地表狀況

一些研究認(rèn)為,植被蓋度、表層土結(jié)構(gòu)、坡度和河流分布密度等也是英國土壤侵蝕的重要影響因子。樹木的生長可以有效降低土壤密實度,增加土壤透水性,達(dá)到保護土壤,防止侵蝕的效果[21-22]。對英格蘭 Shropshire東部 Bridgnoth地區(qū)草地和裸土土壤顆粒粒徑分析對比表明,種草可以有效避免和控制粗砂的侵蝕[17],然而,坡地和疏松表土卻易受水蝕影響[19,23-24]。對威爾士 155個野外試點的測量結(jié)果發(fā)現(xiàn),海拔 600m、坡度為 7°和大于 25°的野外沼澤侵蝕最為嚴(yán)重[16],山谷坡地在較強水流沖刷下也會發(fā)生溝蝕[2]。對蘇格蘭東部流域的土壤狀況調(diào)查認(rèn)為,密集的河流分布增加了河岸侵蝕和河道侵蝕的長度,因而水蝕的概率也大為增加[14]。

2.4 人為因素

人為活動對英國土地資源的威脅主要體現(xiàn)在不合理的土地利用和管理方式上[16,25-26]。在山區(qū),過度放牧(主要是綿羊)[23,27]、不合時宜的機械耕種、密集小水庫群[25]及娛樂用地等是導(dǎo)致植被破壞和土壤被風(fēng)、雨、霜凍作用侵蝕的主要原因。在草原和低海拔的耕地,耕種時間、耕種深度、機械使用和行駛路線等是影響侵蝕的重要因素。長期連續(xù)耕種、秋季播種大麥、冬季休耕、開墾草地為耕地等人為活動使表層土變得疏松,易被侵蝕;過淺的苗圃種植、過重的機械使用,破壞了土壤結(jié)構(gòu),降低了土壤的抗蝕性;順坡耕作、邊坡破壞增加了土壤的水蝕風(fēng)險[2]。目前,英國大約有 70%的農(nóng)作物是冬季生長,耕種時間多為 8月至 12月,降雨歷時長、強度大,大大增加了土壤侵蝕的風(fēng)險[4]。此外,城鎮(zhèn)建設(shè)占用了大量土地,使得可利用的土地資源不斷減少。目前,英格蘭和威爾士分別有 11%和 3%的土地被住宅和工業(yè)區(qū)代替,預(yù)計到 2016年,在英格蘭該比例又會增加 1.3%[28],同時,土壤表層也因此而變得密實,透水性下降,在雨季易引發(fā)洪水而造成大規(guī)模的土壤侵蝕[8,12]。

3 土壤侵蝕模型

自 1971年以來,英國圍繞土壤侵蝕強度和侵蝕率開展了許多研究項目[7],提高土壤侵蝕模型定量估計的準(zhǔn)確性成為研究的熱點。為此,英國近年來積極參與到歐洲環(huán)境組織(EEA)研究土壤侵蝕的項目當(dāng)中,開發(fā)并掌握不同模型的先進技術(shù)和成果[3],為有效制定土壤侵蝕的控制方案提供了重要參考。

3.1 基于土壤侵蝕壓力指標(biāo)的風(fēng)險預(yù)測模型

EEA于 1999年開發(fā)了基于土壤侵蝕壓力指標(biāo)的風(fēng)險預(yù)測模型 DPSIR和 MF/MI[3]。DPSIR模型構(gòu)建了土壤侵蝕影響因子、侵蝕壓力、土壤狀況、侵蝕影響以及土壤保護措施的鏈狀關(guān)系,重點評價與社會經(jīng)濟因子相關(guān)的環(huán)境壓力指標(biāo),同時區(qū)分了土壤侵蝕的直接(當(dāng)?shù)厍治g)和間接(侵蝕泥沙的輸移)影響;然而,過于簡單的物理壓力指標(biāo)使其估算值與實際土壤侵蝕量相差較大。此后,該模型將農(nóng)業(yè)耕種強度作為最重要的侵蝕影響因子,考慮由旅游和交通造成的地貌變化,加入詳細(xì)的土壤保護措施分析,其預(yù)測能力大為提高[29-30]。MF/MI模型則建立了復(fù)雜的土壤侵蝕壓力和土壤功能的相互關(guān)系,可預(yù)測由不同侵蝕壓力綜合作用造成的土壤功能減弱對生態(tài)、氣候、水環(huán)境的影響。

3.2 基于侵蝕影響因子的土壤風(fēng)險評價模型

基于影響因子的土壤侵蝕風(fēng)險評價模型以Corine和 RIVM模型為代表[3]。Corine模型方案的提出始于 1985年,該模型在對通用土壤流失方程USLE大量簡化的基礎(chǔ)上[31],考慮地形、土壤性質(zhì)、降雨和地貌的作用,對實際和潛在的土壤侵蝕風(fēng)險進行評價和預(yù)測。其中,土壤結(jié)構(gòu)、土層厚度和巖石比例決定其可蝕性,而氣候因子為主要的壓力指標(biāo),坡度、植被蓋度和農(nóng)耕管理代表了地表狀況。目前,Corine模型能準(zhǔn)確預(yù)測地中海地區(qū)存在最大的侵蝕風(fēng)險,但由于侵蝕數(shù)據(jù)的缺乏,其應(yīng)用范圍還僅限于歐洲南部。

RIVM水蝕模型方案的開發(fā)比 Corine模型晚 6～8年,其對 USLE的應(yīng)用比 Corine模型更簡化,結(jié)合氣候和經(jīng)濟影響因子可清晰預(yù)測 2010和 2050年歐洲水蝕情況。該模型是 IMAGE 2模型[32]的模塊之一,基于地域可蝕性、降雨侵蝕性和土地利用壓力這 3個主要參數(shù)對水蝕風(fēng)險進行評價預(yù)測。其中,RIVM模型的土地利用壓力信息比 Corine模型更完整,地域可蝕性因子與 Corine模型類似,包含了土壤類型和地貌的影響,而降雨侵蝕性因子中以固定時段的日最大降雨量計算月降雨總量的方法不具備足夠的代表性,在理論和經(jīng)驗上均不如 USLE和Corine模型。此外,RIVM模型 50 km的分辨率和過于簡化的影響參數(shù)也制約了其運用與推廣。

3.3 基于散點數(shù)據(jù)和專家意見的統(tǒng)計分析模型

基于散點數(shù)據(jù)和專家意見的統(tǒng)計分析模型以Hot-spot和GLASOD(Global Assessment of Soil Degradation)模型為代表[3]。Hot-spot模型將歐洲大約 60個試驗點的水力侵蝕數(shù)據(jù)(實測資料、文獻數(shù)據(jù)及模型結(jié)果)與 GIS結(jié)合,得到在當(dāng)前土地利用和氣候影響條件下歐洲土壤侵蝕的風(fēng)險狀況。該模型首先從宏觀上區(qū)劃土壤侵蝕過程相似的區(qū)域,再對區(qū)域內(nèi)試驗點的侵蝕狀況作詳細(xì)統(tǒng)計。據(jù) 2001年的模型預(yù)測,歐洲土壤侵蝕以土地利用、表土性質(zhì)和氣候特點為標(biāo)準(zhǔn)分為東歐、南歐和黃土帶 3大區(qū)域,其中,英格蘭試驗點除西南部外,年均土壤侵蝕率小于 130 t/(km2?a)[33];然而,由于土壤侵蝕的地域分散性和時間間斷性,該模型對非試驗點的內(nèi)插結(jié)果并不理想,但其仍然對基于影響因子及侵蝕過程的模擬有重要意義。

GLASOD模型始于 1988年,以統(tǒng)計分析各國專家意見為基礎(chǔ)[34],得到第 1個全球范圍的土壤侵蝕狀況圖。1995年,歐洲各國專家又對 GLASOD模型資料進行了更新[35],結(jié)果顯示,水蝕是歐洲土壤流失的主要形式,侵蝕嚴(yán)重的土地比例低于 10%,其中英國土壤侵蝕程度較輕;然而,該模型 10 km的分辨率和非統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn),使得其應(yīng)用將逐漸局限于僅做土壤利用決策上的參考。

3.4 基于物理過程和空間分布的定量預(yù)測模型

為實現(xiàn)基于統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)的長期土壤侵蝕定量預(yù)測,1999年啟動的 PESERA(Pan-European soil erosion risk assessment)項目以建立基于物理過程和空間分布的歐洲土壤侵蝕模型 PESERA為主要目標(biāo)[36]。PESERA模型將降雨—徑流、生物過程和泥沙輸移模型相結(jié)合,以氣候、土壤性質(zhì)、地貌和地形因子為主要參數(shù),采用 1 km的分辨率能清晰反應(yīng)氣候和土地利用變化的影響,使未來的土壤侵蝕定量預(yù)測和侵蝕治理方案評價成為可能。預(yù)測結(jié)果表明,英國大部分地區(qū)土壤侵蝕率低于 200 t/(km2?a),而侵蝕率超過 500 t/(km2?a)的土地僅限于蘇格蘭東南部、英格蘭中部和南部的少量區(qū)域[37]。然而,模型對威爾士邊境和英格蘭西南部的粉土侵蝕量預(yù)測偏低,需要對這些地區(qū)的降雨—徑流模擬和地貌參數(shù)做進一步的改進才能得到更可靠的土壤侵蝕預(yù)測結(jié)果。

4 土壤侵蝕防治技術(shù)

4.1 土壤侵蝕防治決策

英國認(rèn)為,整體的規(guī)劃管理是長期解決土壤侵蝕及其環(huán)境負(fù)效應(yīng)的唯一方法[16]。控制侵蝕要考慮土壤和地貌特性[38],保證其與農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、環(huán)境和社會目標(biāo)相平衡,并為侵蝕土壤的修復(fù)提供資金支持。同時,土地的可持續(xù)利用被作為土壤侵蝕控制和治理的發(fā)展方向,農(nóng)場規(guī)模的土壤可持續(xù)利用管理規(guī)劃正逐漸受到重視[39-40]。在英國,土地根據(jù)水力和風(fēng)力侵蝕程度分為 5個等級,通過統(tǒng)計各等級的侵蝕面積與治理范圍和措施,確定各等級每年最有效的水土保持時間。此外,結(jié)合 GIS技術(shù)的土壤侵蝕風(fēng)險評價和預(yù)測,也為制訂有效的土壤侵蝕防治方案提供了重要信息。在決策的制訂和執(zhí)行上,英格蘭、蘇格蘭、威爾士和北愛爾蘭有各自獨立的機構(gòu)。DEFRA制定英格蘭的土壤政策,EA負(fù)責(zé)英格蘭和威爾士的土壤環(huán)境保護,而 DCLG著重未來策略的規(guī)劃[8]。

4.2 土壤侵蝕防治措施

英國的土壤侵蝕防治圍繞農(nóng)業(yè)展開,多注重植被蓋度及耕作方法,較少有大型工程[7,21]。其通過化學(xué)方法加速土壤熟化或泥炭巖摻石灰措施,將次等地改為優(yōu)質(zhì)良田[7,10],此外,環(huán)境、林業(yè)和建筑業(yè)法規(guī)中也加入了控制土壤侵蝕的內(nèi)容[16]。目前,城鎮(zhèn)土壤侵蝕[8,26]及耕地侵蝕的間接影響[5,12],如河道淤積和洪水威脅[4,6]也逐漸受到關(guān)注,成為土壤侵蝕防治的重點。

在英格蘭,最普遍的防治措施是改變耕作季節(jié)和方式,以及在休耕地和易侵蝕的土地上種草[13,21]。具體表現(xiàn)為[8]:1)減少冬季谷物的種植,改為初秋和春天播種;2)在低地采用等高線耕作,減少濕地的機械使用,優(yōu)先選擇對土壤壓力小的機械設(shè)備;3)種植和保護綠化防護帶,以減少風(fēng)蝕;4)保護易侵蝕的土坡,用緩沖帶(如柵欄)攔截坡地泥沙;5)管理和控制放牧的區(qū)域與數(shù)量。

在威爾士,現(xiàn)行土壤侵蝕防治措施因地制宜,而尋求更好的水土保持和土壤侵蝕修復(fù)措施將是未來工作的重點[16]?，F(xiàn)行措施有:1)非城鎮(zhèn)地區(qū),重點控制路邊未保護土壤的侵蝕;2)農(nóng)耕地區(qū),政府定期發(fā)放基于農(nóng)耕措施的土壤侵蝕防治手冊;3)森林地區(qū),建議經(jīng)濟林種植者采取措施以減少土壤退化;4)建筑用地,制定了有關(guān)土壤流失控制的建筑法規(guī)。

未來舉措如下。1)采用更好的水土保持建議與措施:a)在農(nóng)業(yè)地區(qū),提高公眾對農(nóng)田土壤流失會造成經(jīng)濟環(huán)境損失的意識;b)明確國家農(nóng)業(yè)環(huán)境計劃和其他項目中的水土保持責(zé)任;c)確保土壤保持的管理方式與農(nóng)業(yè)環(huán)境計劃相符。2)修復(fù)侵蝕的土壤:a)圍圈侵蝕土壤,禁入和禁牧,讓該地區(qū)的草地自然恢復(fù);b)在牲畜棚的周圍和進口處鋪上硬質(zhì)材料;c)用柵欄保護溝渠和河流邊岸,防止牲畜破壞河岸;d)將緩沖帶與其他農(nóng)田措施相結(jié)合,攔截細(xì)顆粒泥沙;e)恢復(fù)草地、灌木和喬木的種植;f)播種及利用肥料固土;g)利用草墊和土工織物適當(dāng)維持表土,防止土壤顆粒的移動;h)用硬質(zhì)材料如木頭、水泥和石塊修復(fù)小路。

5 啟示與建議

總體而言,英國的土壤侵蝕并不嚴(yán)重,但從其對侵蝕因子的研究、侵蝕模型和評價方案的開發(fā)程度以及土地規(guī)劃利用理念和土壤侵蝕防治技術(shù)可看出,英國仍然十分重視土壤侵蝕的研究和治理,因此,英國在土壤侵蝕方面的研究成果可為我國土壤侵蝕學(xué)科的建設(shè)發(fā)展提供有價值的參考。

1)英國基于壓力指標(biāo)、影響因子、物理過程的土壤侵蝕定量模型及散點數(shù)據(jù)與 GIS結(jié)合的先進技術(shù)均可借鑒,以提高我國土壤侵蝕和預(yù)報模型的精度。

2)英國對侵蝕影響因素的研究較為成熟,涉及氣候、土壤類型、地表狀況和人為活動等多個方面,可作為豐富我國土壤流失機制研究的理論資源。

3)英國逐漸將土壤物質(zhì)成分的分析,如土壤中有機物、污染物和生物活性的分析,城鎮(zhèn)土壤侵蝕以及土壤侵蝕造成的洪水危害納入研究重點,對其借鑒有助于拓展我國土壤侵蝕領(lǐng)域的研究。

4)英國在土壤侵蝕防治中重視土壤質(zhì)量及其可持續(xù)利用,兼顧農(nóng)業(yè)、社會、環(huán)境、經(jīng)濟利益的整體規(guī)劃管理理念,對我國土壤侵蝕的治理有積極的啟示意義。

5)英國針對農(nóng)耕地的侵蝕防治措施,可為我國耕地土壤侵蝕治理的規(guī)劃和布局提供參考。

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Review of soil erosion research in UK

LiWei1,2,Liu Xiaoying3,4,Xu Bingfeng2,Wu Baosheng2

(1.Section of Hydraulic Engineering,Faculty of CivilEngineering and Geosciences,Delft University of Technology,2628 CN,Delft,the Netherlands;2.State Key Lab.of Hydroscience and Engineering,Tsinghua Univ.,100084,3.International Research and Training Centre on Erosion and Sedimentation,100048,4.China Institute ofWater Resources and Hydropower Research,100048:Beijing,China)

Soil erosion and the corresponding environmental and ecological impacts have progressively been the impediments to the sustainable development of the human society.Thus the soil erosion mechanism and its prediction aswellas the protection have been the focusesof research community.This paper systematically reviews the current status and mechanism of soil erosion,state-of-the-art of quantitative predictivemodeling as well as outcomes of soil conservation in the United Kingdom in the past several years.The fruitful research results and technologies deserve considerable attention and can serve as invaluable references for further research and control of soil erosion in China.

soilerosion;impact factor;controlmeasures;quantitativemodeling;UK

2009-02-27

2009-11-09

項目名稱:中國水利水電科學(xué)研究院 2007—2008專項“世界典型國家土壤侵蝕與泥沙科技前沿研究”(KY 0713);水利部948項目“水庫功能評價體系與指標(biāo)體系研究”(200833)

李薇(1984—),女,博士研究生。主要研究方向:水力學(xué)及河流動力學(xué)。E-mail:w.li@tudelft.nl

?責(zé)任作者簡介:劉孝盈(1964—),男,教授級高工,博士,碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持和泥沙。E-mail:liuxy@iwhr.com

(責(zé)任編輯:宋如華)