謝 云，岳天雨

關(guān)君蔚先生一直強(qiáng)調(diào)水土保持理論研究應(yīng)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。作為一位從事水土保持科學(xué)研究入行不早的晚輩，對(duì)此深有感觸。值此先生誕辰100周年之際，從土壤侵蝕模型的實(shí)踐應(yīng)用角度談?wù)勼w會(huì)，紀(jì)念先生。

自然科學(xué)研究的最終目標(biāo)是能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來，針對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果及其影響，為人類提供與自然和諧相處和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)對(duì)方案和措施。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的基本方法就是數(shù)學(xué)模型，它是用數(shù)學(xué)公式對(duì)科學(xué)規(guī)律的定量表達(dá)，是對(duì)科學(xué)理論的高度概括和總結(jié)，代表著學(xué)科發(fā)展水平，也是貫徹當(dāng)今科學(xué)發(fā)展觀思想的重要支撐。土壤侵蝕伴隨人類農(nóng)耕活動(dòng)而產(chǎn)生［1］，我國(guó)勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)了減輕土壤侵蝕的水土保持經(jīng)驗(yàn)［2］，但對(duì)此有深刻認(rèn)識(shí)并進(jìn)行科學(xué)研究的歷史并不長(zhǎng)。任何學(xué)科應(yīng)有自己的研究對(duì)象和獨(dú)特方法，以此為準(zhǔn)，水土保持學(xué)科初建可追溯至德國(guó)土壤學(xué)家Ewald Wollny于19世紀(jì)末期采用徑流小區(qū)方法研究地形、植被覆蓋和土壤類型對(duì)土壤侵蝕的影響［3］，至今只有100多年的歷史。1912年美國(guó)學(xué)者將徑流小區(qū)引入美國(guó)，尤其是在Bennett等［4］的呼吁下，先后于20—40年代建立了多個(gè)水土保持試驗(yàn)站，為土壤侵蝕定量研究提供了必需的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［5］。1939年美國(guó)“水土保持之父”Bennett編寫的《Soil Conservation》一書，標(biāo)志著水土保持基本理論的初步形成。如果以Zingg［6］1940年發(fā)表的土壤侵蝕與坡度和坡長(zhǎng)關(guān)系模型為起點(diǎn)，土壤侵蝕模型研究至今已有近80年的歷史。我國(guó)20世紀(jì)20年代開始進(jìn)行土壤侵蝕監(jiān)測(cè)，40年代在黃土高原建立水土保持試驗(yàn)站［7］，1953年提出土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］。從起步看，無論是定量監(jiān)測(cè)還是模型研究都幾乎與美國(guó)同步，但目前差距拉大。總結(jié)土壤侵蝕模型研究和應(yīng)用歷史，比較其發(fā)展和應(yīng)用狀況，有助于我國(guó)土壤侵蝕模型研究。本文將以幾個(gè)代表性土壤侵蝕模型為例，通過對(duì)其發(fā)展和應(yīng)用的綜述，提出個(gè)人思考。

1 土壤侵蝕模型發(fā)展歷程

土壤侵蝕模型研究近80年的過程中，模型的性質(zhì)從經(jīng)驗(yàn)發(fā)展到機(jī)理，模擬的空間尺度從坡面到小流域、大流域或區(qū)域，模擬的內(nèi)容從侵蝕、沉積、產(chǎn)沙到污染物富集與遷移，模型的應(yīng)用從水土保持措施選擇與布設(shè)、侵蝕影響生產(chǎn)力、到水土保持效益和水土資源管理等。這種日新月異的發(fā)展，除源于土壤侵蝕理論的不斷提高，很大程度上得益于計(jì)算機(jī)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和遙感(RS)等新技術(shù)的支撐。

1.1 美國(guó)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚒SLE的建立與完善

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菍?duì)大量試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上建立的一系列數(shù)學(xué)公式。通用土壤流失方程USLE(Universal soil loss equation)是基于大量天然降雨和人工降雨徑流小區(qū)觀測(cè)和試驗(yàn)資料建立的預(yù)報(bào)坡面多年平均土壤流失量的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從最早出現(xiàn) USLE 的名稱［9］，到以手冊(cè)正式發(fā)布［10］，以及至今天，不僅進(jìn)行了不斷修訂完善［11-13］，還被廣泛應(yīng)用［14-16］。

徑流小區(qū)是土壤侵蝕研究的基本手段，最早由德國(guó)土壤學(xué)家Wollny在1882年采用，研究坡度、植物覆蓋、土壤類型、坡向等對(duì)土壤侵蝕的影響［3］，創(chuàng)立了土壤侵蝕研究獨(dú)有的徑流小區(qū)方法，他因此被稱為“水土保持研究的先驅(qū)者”［5］。20世紀(jì)初，美國(guó)學(xué)者采用該方法研究過度放牧地和農(nóng)地土壤侵蝕，Miller等建立的水平投影坡長(zhǎng)27.66 m(90.75英尺)、寬1.83 m(6英尺)、面積51 m2(1/80英畝)的坡面徑流小區(qū)，成為之后典型徑流的小區(qū)基本規(guī)格。該小區(qū)作為歷史紀(jì)念物至今保留在美國(guó)密蘇里大學(xué)校園內(nèi)［5］。西部開發(fā)導(dǎo)致的土壤侵蝕，尤其是1934年橫掃美國(guó)的“黑風(fēng)暴”，促使美國(guó)在20世紀(jì)20—40年代陸續(xù)建立了35個(gè)水土保持試驗(yàn)站［17］，布設(shè)徑流小區(qū)觀測(cè)侵蝕因素與農(nóng)地土壤流失量的關(guān)系，對(duì)土壤侵蝕規(guī)律有了系統(tǒng)而深入的認(rèn)識(shí)［18-20］。Cook［21］1936年總結(jié)提出影響土壤侵蝕的三組因子:土壤可蝕性(soil erodibility)、潛在侵蝕力(potential erosivity)和覆蓋保護(hù)能力(cover protectivity)，詳細(xì)描述了每一組因子包括的次一級(jí)因子，實(shí)質(zhì)是土壤侵蝕經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母拍钅Ｐ?。Zingg［6］1940年第一個(gè)用數(shù)學(xué)方程描述土壤流失量與坡度和坡長(zhǎng)的指數(shù)回歸方程。Smith［22］1941年在方程中增加了作物因子C和水土保持措施因子P。Browning等［23］1947年增加了土壤可蝕性和管理因子取值表。Musgrave［24］1947年總結(jié)性提出美國(guó)玉米帶坡面土壤侵蝕模型，增加了最大30 min降雨強(qiáng)度冪函數(shù)表示的降雨因子。Smith等［25］1948年首次提出基于“土壤流失比例”的方程，將植被覆蓋與管理因子C定義為某種特定黏土和輪作條件下、3%坡度、水平投影坡長(zhǎng)27.43 m(90英尺)、順坡上下耕作農(nóng)地的年平均土壤流失量，其余坡度S、坡長(zhǎng)L、土壤類型K、水土保持措施P等都是無量綱因子，通過實(shí)際情況下的土壤流失量與C值的比值獲得。土壤流失比率的提出，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度在一定程度上解決了變量之間交互作用的問題。這種無量綱因子的乘積形式為USLE所采用。Meyer［5］1984年對(duì)上述發(fā)展過程進(jìn)行了詳細(xì)闡述。1954年美國(guó)農(nóng)業(yè)部在Purdue大學(xué)成立了徑流與土壤流失數(shù)據(jù)中心(Runoff and Soilloss Data Center)，是現(xiàn)在國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室(National Soil Erosion Research Laboratory)的前身，負(fù)責(zé)收集、處理和分析全美觀測(cè)資料［26］。對(duì)這些數(shù)據(jù)的整理和分析，促成USLE的誕生。幾個(gè)重要進(jìn)展包括:1)Wischmeier等［9］1958年利用620次降雨徑流觀測(cè)結(jié)果，通過分析單變量或多變量組合共19個(gè)變量與土壤流失量的回歸關(guān)系后，提出了降雨侵蝕力指數(shù)EI30:一次降雨總動(dòng)能(E)與該次降雨最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)的乘積。進(jìn)一步計(jì)算了EI30季節(jié)分布、多年平均年總量、次降雨頻率分布等對(duì)土壤流失量預(yù)報(bào)結(jié)果的影響，提出將該指標(biāo)作為USLE 的降雨侵蝕力因子 R［27］。2)Wischmeier［28］1960年利用各種作物小區(qū)觀測(cè)結(jié)果，提出C因子分5個(gè)階段計(jì)算每階段的土壤流失比率(某種作物管理和覆蓋條件下的土壤流失量與同等條件裸地土壤流失量的比值)，然后用各階段EI30占全年EI30比例的加權(quán)平均得到，同時(shí)反映了作物覆蓋、管理擾動(dòng)和降雨季節(jié)變化對(duì)土壤侵蝕的共同影響。3)Olson等［29］1963年提出計(jì)算土壤可蝕性因子的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)概念，并用裸地和作物小區(qū)觀測(cè)結(jié)果確定了22種代表性土壤的K因子值。1965年美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)手冊(cè)282號(hào)發(fā)布USLE［10］。1978年農(nóng)業(yè)手冊(cè)537號(hào)再次發(fā)布USLE將應(yīng)用地區(qū)從落基山以東擴(kuò)展至全國(guó)［11］。1997 年農(nóng)業(yè)手冊(cè)第 703 號(hào)發(fā)布 RUSLE［12］(Revised universal soil loss equation)，總結(jié)了19世紀(jì)70—90年代最新研究成果，并發(fā)布了計(jì)算機(jī)模型。

USLE模型的發(fā)展給我們?nèi)缦聠⑹?一是徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)對(duì)于模型的建立和完善起到了至關(guān)重要的作用;二是土壤侵蝕影響因子多樣，組合復(fù)雜，彼此間相互作用，只有選用相對(duì)獨(dú)立的因子，才能正確建立和應(yīng)用USLE;三是USLE中的參數(shù)需要根據(jù)當(dāng)?shù)赜^測(cè)結(jié)果進(jìn)行率定。

1.2 中國(guó)坡面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑴c發(fā)展

1922—1927年，首次在山西沁源、寧武東寨，山東青島林場(chǎng)建立了徑流小區(qū)，觀測(cè)不同森林植被和植被破壞對(duì)水土流失的影響［7］。美國(guó)水土保持局首任副局長(zhǎng)羅德民(W．C．Lowdermilk)曾2次來中國(guó)工作近7年［30］，于1944年幫助建立了我國(guó)第一個(gè)水土保持試驗(yàn)站——黃河水利委員會(huì)天水水土保持試驗(yàn)站(原名天水水土保持試驗(yàn)區(qū))。新中國(guó)成立后，1951、1952年分別建立了黃河水利委員會(huì)西峰和綏德水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，與早期建站的天水站一起組成聞名全國(guó)的水土保持科學(xué)研究“三大支柱站”［7］。1953 年劉善建［8］利用天水水土保持試驗(yàn)站1945—1949年的觀測(cè)資料，建立了黃土高原農(nóng)地土壤流失量經(jīng)驗(yàn)方程式，是我國(guó)第一個(gè)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。只比Zingg［6］1940年的模型晚十幾年。無論從土壤侵蝕監(jiān)測(cè)到土壤侵蝕模型研究，我國(guó)幾乎與國(guó)際同時(shí)起步，但經(jīng)過19世紀(jì)60—70年代的停滯，監(jiān)測(cè)和模型研究都明顯滯后。

19世紀(jì)80年代開始，我國(guó)學(xué)者將USLE引入我國(guó)，開始了大量土壤侵蝕影響因子的定量研究，對(duì)于模型發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用［31-36］。牟金澤等［37］利用天水水土保持實(shí)驗(yàn)站資料，以20 m水平投影坡長(zhǎng)和5.07°坡度的休閑地為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，計(jì)算了土壤可蝕性因子、坡長(zhǎng)指數(shù)、坡度指數(shù)以及不同耕作制度和水土保持措施因子值。江忠善等［31］利用天水、西峰、綏德和子洲試驗(yàn)站徑流小區(qū)觀測(cè)資料，指出EI30指標(biāo)在黃土高原適用，提出以水平投影坡長(zhǎng)20 m和坡度10°休耕裸地作為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，以此為基礎(chǔ)確定了坡長(zhǎng)因子和坡度因子公式。張憲奎等［33］建立黑龍江省土壤流失方程，確定降雨侵蝕力指標(biāo)應(yīng)該采用E60I30，提出以水平投影坡長(zhǎng)20 m和坡度8.75°休耕裸地作為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，確定了黑土、白漿土和暗棕壤的土壤可蝕性因子，建立坡長(zhǎng)因子和坡度因子公式，并給出了玉米、高粱、大豆和小麥4種作物4個(gè)生育期的土壤流失比例及其C因子值，以及主要水土保持措施P因子值。黃炎和等［38］在閩東南利用安溪縣試驗(yàn)站資料，提出以水平投影坡長(zhǎng)20 m和坡度10°為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，建立了坡長(zhǎng)因子與坡度因子指數(shù)函數(shù)修訂公式，給出大豆與印尼綠豆輪作的C因子值。周伏建等［34］研究福建省土壤流失方程，確定降雨侵蝕力指標(biāo)為EI60。楊子生［36］研究云南省土壤流失方程，確定降雨侵蝕力指標(biāo)應(yīng)該采用E60I30，提出以水平投影坡長(zhǎng)20 m和坡度5°休耕裸地作為標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)，確定了紅壤、黃壤和紫色土的土壤可蝕性因子值，建立了坡長(zhǎng)因子和坡度因子公式，給出了玉米、馬鈴薯、黃豆和玉米－黃豆間作4種種植制度下4個(gè)生育期的土壤流失比例及其C因子值，以及主要水土保持措施P因子值。王萬忠等［35］對(duì)已有土壤侵蝕因子的定量研究進(jìn)行了綜述，給出了各個(gè)因子的定量評(píng)估方法。需要指出的是，USLE通過定義降雨侵蝕力指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)與土壤可蝕性因子，以及其他影響因子的土壤流失比率，解決了因子的相互作用問題，上述因子取值或估算方法，不僅取決于這些指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)規(guī)定、流失比率定義，還要根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件自然與人為因素的組合作用確定，這是 Wischmeier一直強(qiáng)調(diào)的［39-40］。

USLE在我國(guó)的應(yīng)用過程中，應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:一是USLE降雨侵蝕力指標(biāo)為EI30，如果有其他指標(biāo)與土壤流失量的關(guān)系更好而被選擇，應(yīng)建立與EI30的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)結(jié)果可比。二是USLE采用美制單位導(dǎo)致降雨侵蝕力數(shù)值偏大，為縮小其除以100，這在以后產(chǎn)生了單位誤用情形，為此，F(xiàn)oster等［41］1981年專門撰文將美制單位轉(zhuǎn)換為國(guó)際單位制，應(yīng)用時(shí)應(yīng)特別注意。三是標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)是計(jì)算土壤可蝕性、坡度和坡長(zhǎng)因子定義的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，而非建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。觀測(cè)時(shí)須確保土壤裸露和、順坡耕作方式管理、破除結(jié)皮等，無須按規(guī)定的坡度和坡長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)建立，否則會(huì)導(dǎo)致原始土壤剖面破壞，影響土壤可蝕性結(jié)果。計(jì)算時(shí)按規(guī)定的坡度和坡長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)修訂即可。四是建立坡度和坡長(zhǎng)因子公式時(shí)，應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)規(guī)定的坡度(9%)和坡長(zhǎng)(22.13 m)標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)，而非任意確定坡度或坡長(zhǎng)，否則導(dǎo)致結(jié)果不可比。

Liu等［42］根據(jù)這一建模思想，在對(duì)我國(guó)徑流小區(qū)資料分析基礎(chǔ)上，建立了中國(guó)土壤流失方程(CSLE，Chinese soil loss equation)。該方程全部采用我國(guó)各地區(qū)觀測(cè)資料，對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在以下方面不同于USLE:一是根據(jù)中國(guó)悠久農(nóng)業(yè)歷史形成的水土保持措施體系，在總結(jié)國(guó)內(nèi)外分類基礎(chǔ)上，提出水土保持措施的三分法分類［43］，分別以植被覆蓋與生物措施因子B、工程措施因子E和耕作措施因子T 3個(gè)變量，反映覆蓋和水土保持措施對(duì)土壤侵蝕的影響，將USLE中C因子的作物管理、P因子與耕作有關(guān)的部分獨(dú)立為耕作措施。提出了我國(guó)主要耕作措施因子值［44］，以及不同作物輪作制度的輪作因子計(jì)算方法與取值［45］。二是針對(duì)我國(guó)陡坡(10°～25°)農(nóng)地情形，指出 USLE和RUSLE的坡度公式不適用陡坡情況，建立了陡坡坡度因子公式。三是論證了降雨侵蝕力EI30指標(biāo)在我國(guó)適用［46］，給出次和日侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)分別為12和10 mm［47-48］，考慮到降雨過程資料不易獲得，建立了采用不同精度降水資料估算降雨侵蝕力的方法［48］。四是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)定義和裸地小區(qū)觀測(cè)結(jié)果，計(jì)算了我國(guó)主要土壤可蝕性因子值。2004年水利部實(shí)施了“全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)項(xiàng)目”［7］，部分資料被采用計(jì)算土壤可蝕性因子值和耕作措施因子值。

1.3 機(jī)理模型的建立與發(fā)展

早在 20 世紀(jì) 40 年代，Ellision［49］1944 年發(fā)現(xiàn)的雨滴濺蝕過程，揭示了土壤侵蝕的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，機(jī)理模型以此為基礎(chǔ)逐漸發(fā)展起來。其中幾個(gè)重要階段有［50］:Meyer等［51］1969 年給出了雨滴和徑流對(duì)土壤顆粒分離和泥沙輸移的數(shù)學(xué)表達(dá)，F(xiàn)oster等［52］1972年建立了徑流分離速率與泥沙含量和徑流挾沙力之比的函數(shù)關(guān)系，Meyer等［53］1975年提出了細(xì)溝與細(xì)溝間侵蝕的概念，這些成為機(jī)理模型的基本方程。

1985年美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局組織開展新一代土壤侵蝕模型——水蝕預(yù)報(bào)項(xiàng)目WEPP(Water erosion prediction project)，旨在克服USLE估計(jì)短時(shí)間土壤流失量誤差大，未考慮沉積，無法反映土壤流失量空間差異等缺陷，能用于水土保持和環(huán)境規(guī)劃［54］。WEPP模擬的主要過程包括入滲、徑流、雨滴和徑流分離作用、泥沙輸移、沉積、植物生長(zhǎng)和殘茬分解等。1995年發(fā)布DOS操作系統(tǒng)的坡面和流域版，1999年改為Windows界面。為了利用DEM自動(dòng)生成流域邊界、溝道和坡面，1996年開始開發(fā)基于 GIS的 WEPP版本，2001年發(fā)布 GeoWEPP，2004年網(wǎng)絡(luò)版GeoWEPP發(fā)布，可以通過互聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室服務(wù)器連接。Flanagan等［55］將WEPP開發(fā)的30多年歷程分為3個(gè)階段:

1)1985—1989年完成模型雛形。1987年完成的用戶手冊(cè)由農(nóng)業(yè)部(USDA，United States Department of Agriculture)下屬的農(nóng)業(yè)研究局(ARS，Agriculture Research Service)、林業(yè)局(FS，F(xiàn)orest Service)、水土保持局(SCS，Soil Conservation Service)，以及內(nèi)政部(USDOI，United States Department of the Interior)下屬的土地管理局(BLM，Bureau of Land Management)聯(lián)合簽發(fā)，不僅成為以后模型開發(fā)的指南。更確保了模型的推廣應(yīng)用。期間在55個(gè)地點(diǎn)的33種農(nóng)地土壤和24種草地土壤進(jìn)行了人工模擬降雨試驗(yàn)，確定方程參數(shù)，進(jìn)行模型驗(yàn)證。1989年完成計(jì)算機(jī)程序編寫。

2)1989—1995年完善模型。在繼續(xù)進(jìn)行模型測(cè)試、水文過程參數(shù)化、模型驗(yàn)證的同時(shí)，增加了新的模擬過程，如非均勻水文過程、灌溉、冬季過程、壤中流、植物生長(zhǎng)、殘茬分解、細(xì)溝水文過程與侵蝕、攔蓄沉積等，完成了模型技術(shù)手冊(cè)編寫，1995年發(fā)布DOS系統(tǒng)的坡面和小流域版。

3)1995年至今，WEPP版本不斷更新，包括改變操作系統(tǒng)，與地理信息系統(tǒng)(GIS)和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合。

歐盟幾乎與美國(guó)同步在1986年提出開展機(jī)理模型研究［56］，于1994年推出歐洲土壤侵蝕模型EUROSEM［57］(European soil erosion model)，1998 年發(fā)布了基于地理信息系統(tǒng)的新版本［58］。EUROSEM是坡地或小流域尺度、模擬次降雨徑流、細(xì)溝間和細(xì)溝侵蝕及沉積的分布式模型，考慮了地表覆蓋對(duì)植被截留和降雨動(dòng)能的影響，巖石覆蓋對(duì)細(xì)溝間侵蝕、入滲和徑流的影響［59］。

與此同時(shí)，澳大利亞開發(fā)了坡面次降雨侵蝕模型 GUEST［60］(Griffith university erosion system template)。1998年引入Hairsine等提出的坡面水流侵蝕［61-62］和雨滴濺蝕［63］過程，使其繼續(xù)發(fā)展和完善，主要包括雨滴分離、徑流分離和泥沙沉積3個(gè)子過程，并考慮了降雨和徑流的再分離過程。由于限于裸地和坡度均勻情況，限制了模型的應(yīng)用。由于分布式過程模型需要考慮空間水流流路、進(jìn)行空間運(yùn)算等，需要與地理信息系統(tǒng)軟件結(jié)合。

荷蘭烏得勒支大學(xué)和阿姆斯特丹大學(xué)土壤物理所以荷蘭南部Limburg黃土地區(qū)為對(duì)象，研發(fā)了自帶GIS刪格計(jì)算功能PC-Raster工具的土壤侵蝕模型 LISEM［64］(Limburg soil erosion model)。不僅實(shí)現(xiàn)了徑流和侵蝕的空間計(jì)算，還能輸入遙感數(shù)據(jù)，也可采用其他GIS軟件，具有很強(qiáng)的靈活性。該模型包括植被截留、地表徑流、垂直和側(cè)向壤中流、匯流、雨滴和徑流分離和徑流輸沙等過程，還考慮了農(nóng)用機(jī)械，礫石覆蓋等的影響。由于模型參數(shù)獲取不易，運(yùn)行難度和成本較高。

我國(guó)從19世紀(jì)80年代中期以后也開始了土壤侵蝕機(jī)理模型研究，王禮先等［65］基于水動(dòng)力學(xué)原理，建立了陡坡有林地和裸露地的侵蝕過程模型，考慮雨滴濺蝕、徑流沖刷對(duì)土壤侵蝕的影響。段建南等［66］構(gòu)建了干旱地區(qū)坡面過程模型，以日為步長(zhǎng)，將土壤侵蝕過程分為水相和泥沙相，分別計(jì)算濺蝕分離和徑流輸移量，取二者的小值為侵蝕量。史景漢等［67］應(yīng)用Horton下滲理論和河網(wǎng)匯流理論建立了小流域降雨徑流概念模型，模擬超滲產(chǎn)流過程，用滯后演算法分單元計(jì)算匯流，用馬斯京根分段連續(xù)演算法計(jì)算河道匯流，疊加得到流域出口斷面徑流過程，還包括輸沙過程。包為民等［68］考慮北方超滲產(chǎn)流和冬季積雪融化機(jī)制，結(jié)合小流域坡面產(chǎn)沙、匯沙和溝道產(chǎn)沙、匯沙模型，提出了中大型流域水沙耦合模擬物理模型。蔡強(qiáng)國(guó)等［69］建立了適用于黃土丘陵溝壑區(qū)小流域侵蝕產(chǎn)沙過程模型，針對(duì)該地區(qū)地形和侵蝕產(chǎn)沙垂直分帶規(guī)律，分為坡面、溝坡和溝道3個(gè)子模型，模擬次降雨徑流和侵蝕產(chǎn)沙過程。

從國(guó)內(nèi)外機(jī)理模型現(xiàn)狀看，依然處于研究型階段，尚未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。機(jī)理模型發(fā)展給我們的啟示有:一是應(yīng)面向管理部門按用戶需求設(shè)計(jì)，確保模型從設(shè)計(jì)、研發(fā)到應(yīng)用都有目標(biāo)和用戶保障。以用戶需求報(bào)告作為模型研發(fā)指南，不僅能提高模型研發(fā)效率，更為應(yīng)用提供可能。二是應(yīng)采用多學(xué)科、多部門、長(zhǎng)時(shí)期交叉協(xié)作，聯(lián)合攻關(guān)的組織方式，避免重復(fù)，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。三是應(yīng)通過大量人工模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型參數(shù)率定和結(jié)果驗(yàn)證，確保模型普適性。四是不斷與新的信息技術(shù)結(jié)合推出更新版本，確保模型的可持續(xù)性。

1.4 應(yīng)用模型的建立與發(fā)展

土壤侵蝕應(yīng)用模型的開發(fā)主要源于土壤侵蝕導(dǎo)致土地生產(chǎn)力下降乃至破壞的當(dāng)?shù)赜绊?，以及徑流泥沙攜帶化學(xué)成分污染水體的異地影響。以下介紹幾個(gè)主要模型。

1977年的美國(guó)頒布資源保護(hù)法，要求農(nóng)業(yè)部定期評(píng)價(jià)全國(guó)水土資源現(xiàn)狀，EPIC(Erosion productivity impact calculator)應(yīng)運(yùn)而生［70］，目的是評(píng)價(jià)美國(guó)各農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)土壤侵蝕對(duì)土壤生產(chǎn)力的影響。1985年成功用于資源保護(hù)法的第二次評(píng)估:定量評(píng)價(jià)了全美135個(gè)土地資源區(qū)的土壤侵蝕影響。EPIC模擬氣候、土壤、地形、作物管理等一致的地塊或小型集水區(qū)，以日為步長(zhǎng)，包括天氣、水文、侵蝕、營(yíng)養(yǎng)物、土壤溫度、植物生長(zhǎng)及其環(huán)境影響、耕作和經(jīng)濟(jì)收支等過程。侵蝕模擬提供了7種可選模型［71-72］，在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，Gassman等［73］對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)。伴隨需求和技術(shù)發(fā)展，模型不斷更新，并與GIS以及其他模型等結(jié)合，應(yīng)用領(lǐng)域和空間尺度不斷擴(kuò)大。1996年［74］更名為 Environmental Policy Integrated Climate(EPIC)。

具有“里程碑”意義、得到廣泛應(yīng)用的面源污染模型是 CREAMS［75］(Chemicals，runoff，and erosion from agricultural management systems)，它首次對(duì)面源污染的水文、侵蝕和污染物遷移過程進(jìn)行了綜合定量描述，也是模擬有相同氣候、土壤、地形、作物管理等的地塊，以日為步長(zhǎng)，主要包括徑流、侵蝕和污染物遷移。污染物主要指氮、磷和農(nóng)藥。隨后研發(fā)了地下水污染物遷移GLEAMS(Groundwater loading effects of agricultural management systems)模型為擴(kuò)充版，評(píng)價(jià)營(yíng)養(yǎng)物和農(nóng)藥在根層內(nèi)部或通過根層到達(dá)根層以下的遷移過程及其潛在影響［76］。為了評(píng)估流域范圍內(nèi)的牲畜養(yǎng)殖和土壤侵蝕導(dǎo)致的面源污染，美國(guó)明尼蘇達(dá)州率先開發(fā)了流域版面源污染模型 AGNPS［77］(Agricultural non-point-source pollution model)，模擬面積2～93 km2(500～23 000英畝)的流域，將其劃分為若干個(gè)條件一致的格網(wǎng)，模擬次降雨形成的每個(gè)格網(wǎng)徑流、泥沙和污染物向流域出口的輸移，污染物包括氮、磷和化學(xué)耗氧量。為了評(píng)價(jià)流域牲畜養(yǎng)殖導(dǎo)致的環(huán)境污染問題，在美國(guó)環(huán)境署“Livestock and the environment:A national pilot project(NPP)”項(xiàng)目資助下，1996 年開始研發(fā) APEX［78］(Agricultural policy/environmental eXtender)，用于模擬不同自然條件、土地利用、牲畜養(yǎng)殖排污管理情景。它集成了EPIC模擬內(nèi)容，將模擬空間尺度拓展至面積超過2 500 km2的流域。模擬時(shí)，將流域劃分若干相同土壤和管理?xiàng)l件的子區(qū)域，增加了不同條件子流域之間的污染物遷移過程模擬，牲畜養(yǎng)殖產(chǎn)生的液態(tài)和固態(tài)污染物排放情景與管理模擬，水土保持措施對(duì)肥料施用區(qū)域侵蝕產(chǎn)生的污染物攔截效應(yīng)評(píng)價(jià)等，因此能進(jìn)行流域土地管理與水質(zhì)評(píng)估［78-81］。Arnold 等［82］1987 年將 EPIC、CREAMS、GLEAMS模型集成，誕生了SWRRB模型(Simulator for water resources in rural basins)，模擬全美鄉(xiāng)村流域土地管理對(duì)徑流泥沙輸移的影響，模擬空間尺度較EPIC、CREAMS、GLEAMS增大，可多至10個(gè)流域，但依然無法模擬面積更大的流域。隨后開發(fā)的徑流流路 ROTO［83］(Routing outputs to outlet) 與SWRRB結(jié)合，可模擬幾千平方公里的大流域，并最終發(fā)展為 SWAT［84］(Soil and water assessment tool)模型，不僅不斷更新形成多個(gè)版本，而且在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用［85］。

上述幾個(gè)代表性應(yīng)用模型的發(fā)展給我們?nèi)缦聠⑹?一是應(yīng)用模型研究緊緊圍繞國(guó)家需求，主要面向水土資源保護(hù)和環(huán)境影響;二是模型研發(fā)是在已有經(jīng)驗(yàn)或機(jī)理模型基礎(chǔ)上，與計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成;三是建立伊始，模擬對(duì)象單一、過程少、尺度小，隨后不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和更新，向?qū)ο髲?fù)雜、過程多、尺度大的方向發(fā)展，具有明顯的繼承性，并不斷與最新計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)合推出更新版本;四是對(duì)成熟模型進(jìn)行培訓(xùn)，擴(kuò)展用戶群。

2 土壤侵蝕模型應(yīng)用

2.1 區(qū)域土壤侵蝕調(diào)查

1934年的“大風(fēng)暴”，引起美國(guó)社會(huì)和公眾對(duì)土壤侵蝕的廣泛關(guān)注，首次全國(guó)侵蝕調(diào)查(National erosion reconnaissance survey)啟動(dòng)，促成1935年水土保持法頒布，并在內(nèi)政部成立水土保持局(Soil Conservation Service)，后改為農(nóng)業(yè)部負(fù)責(zé)，Bennett是首任局長(zhǎng)。1945、1958和1965年先后開展了全國(guó)水土保持需求調(diào)查(Conservation needs invento-ry)，均以統(tǒng)計(jì)調(diào)查為主。1972年的鄉(xiāng)村發(fā)展法(Pural Development Act)和1977年的資源保護(hù)法(Resource Conservation and Recovery Act)授權(quán)美國(guó)農(nóng)業(yè)部水土保持局，至少每5年對(duì)非聯(lián)邦土地和水資源現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)估，稱為國(guó)家資源調(diào)查(National resources inventory)。采用分層二階段不等概空間抽樣方法，在第1階段首先確定基本抽樣單元PSU(Primary sampling unit)，第2階段確定抽樣點(diǎn)，采用USLE計(jì)算農(nóng)地抽樣點(diǎn)的土壤流失量［14］。隨后每隔5年，分別在1982、1987、1992和1997年開展了同樣的調(diào)查和計(jì)算。雖然每次PSU和抽樣點(diǎn)數(shù)略有差別，但通過插值方法，均維持著30萬多個(gè)PSU和80萬多個(gè)抽樣點(diǎn)。2000年以后開始每年輪流抽樣，每5年發(fā)布報(bào)告。2006年以后采用RUSLE替代USLE。調(diào)查結(jié)果不僅促進(jìn)了土地資源保護(hù)政策的制定，如1985年出臺(tái)的糧食安全法(Food Security Act)包含的土地資源保護(hù)條款，而且掌握了水土流失發(fā)生發(fā)展動(dòng)態(tài)。2012年發(fā)布的報(bào)告［86］表明:1982—2012年的30年間，全美耕地土壤流失量減少了44%，水蝕由1982年的15.9億t/a減少到2012年的9.6億t/a，水蝕模數(shù)從1982年的849 t/(km2·a)降到2012 年的596 t/(km2·a)。1997 年以后侵蝕模數(shù)降低速度雖然放緩，但依然呈下降趨勢(shì)。土壤侵蝕主要集中在中部地區(qū)。美國(guó)10個(gè)農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)中，玉米帶和北部平原2個(gè)區(qū)集中了54%的水力侵蝕。阿巴拉契亞區(qū)的水力侵蝕模數(shù)減幅最大，從1982年的1 524.3 t/(km2·a)降至2007年的717.3 t/(km2·a)，減少53%。1982年有68.4萬 km2耕地的土壤侵蝕模數(shù)大于容許土壤流失量，占耕地面積的40%，到2007年已減少到40.1萬km2，僅占耕地面積的28%。

20世紀(jì)80年代末期直至本世紀(jì)初期，我國(guó)開展的土壤侵蝕遙感調(diào)查，采用了侵蝕影響因子的分級(jí)指標(biāo)，包括土地利用、植被覆蓋度和坡度。廣義而言，屬于指數(shù)(Index-based)模型［87］。此次調(diào)查不僅是國(guó)際上最早使用遙感技術(shù)進(jìn)行的全國(guó)土壤侵蝕調(diào)查，而且在完善我國(guó)土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)揮了重要作用。2010—2012年國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的第一次全國(guó)水利普查土壤侵蝕普查中，水力侵蝕普查采用了CSLE［88］。它與遙感調(diào)查方法最大的不同在于:一是考慮的自然因素更加全面。影響土壤侵蝕的自然因素是降雨、土壤、地形和植被覆蓋，遙感調(diào)查只考慮了后2個(gè)因素，沒有考慮侵蝕動(dòng)力降雨和被侵蝕對(duì)象土壤。如果都是農(nóng)地，意味著同樣坡度的農(nóng)地，在年降雨量超過1 000 mm的南方與小于800 mm的北方土壤侵蝕強(qiáng)度一致。二是考慮了水土保持措施的作用。遙感調(diào)查在考慮人為因素影響時(shí)，只考慮了土地利用的差異，意味著采取的水土流失治理措施無法得到體現(xiàn)。遙感能夠快速高效獲得大范圍數(shù)據(jù)，尤其是隨著高分影像數(shù)據(jù)可獲得性越來越高，將遙感與模型結(jié)合，將會(huì)有更為廣闊的前景。

2.2 水土保持環(huán)境效益評(píng)價(jià)

2002年的農(nóng)業(yè)預(yù)算中，保護(hù)性措施投入資金較1996年增加80%，迫切需要回答投入的效益。2004年農(nóng)業(yè)部啟動(dòng)了保護(hù)效益評(píng)價(jià)項(xiàng)目CEAP(Conservation effects assessment project)，旨在定量評(píng)價(jià)保護(hù)措施的環(huán)境效益，包括2部分內(nèi)容:小流域尺度和全國(guó)或區(qū)域尺度［89］。小流域尺度是通過收集各類資料，利用模型模擬方法，研究水土保持措施對(duì)土壤質(zhì)量和水質(zhì)的定量影響，確定為實(shí)現(xiàn)環(huán)境目標(biāo)布設(shè)的水土保持措施地點(diǎn)和類型。全國(guó)共選擇38個(gè)代表性小流域，分別進(jìn)行模型率定、評(píng)價(jià)社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和其他相關(guān)保護(hù)性項(xiàng)目(如肥料管理、排水灌溉工程、節(jié)水工程)的影響等。采用的模型包括 APEX、SWAT和AnnAGNPS等。全國(guó)或區(qū)域尺度是在該尺度下評(píng)價(jià)實(shí)施保護(hù)性措施帶來的環(huán)境影響和效益，評(píng)估未來水土保持需求，更好實(shí)現(xiàn)環(huán)境和資源保護(hù)目標(biāo)，包括4種生態(tài)系統(tǒng)類型:耕地、草地、濕地和野生動(dòng)植物棲息地，采用的方法和關(guān)注的內(nèi)容各有不同。耕地采用抽樣和模型相結(jié)合的方法，首先利用APEX模型，以NRI調(diào)查點(diǎn)數(shù)據(jù)和農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立模型數(shù)據(jù)庫，模擬地塊尺度實(shí)施水土保持措施減少的土壤流失量、N、P污染物輸移和農(nóng)藥危險(xiǎn)性的降低，土壤質(zhì)量的改善。然后將APEX模型輸出結(jié)果與SWAT模型集成，評(píng)價(jià)因水土保持措施減少的輸移及其對(duì)下游的效益。草地評(píng)價(jià)與農(nóng)地類似，以NRI草地抽樣點(diǎn)數(shù)據(jù)和農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立模型數(shù)據(jù)庫，利用草地土壤侵蝕模型RHEM［90］(Rangeland hydrology and erosion model)，模擬地塊尺度草地水土保持措施減少的土壤流失量，再利用SWAT模型模擬因減少對(duì)下游的效益。濕地評(píng)價(jià)目標(biāo)是生態(tài)服務(wù)功能，選擇典型濕地區(qū)域11個(gè)，通過收集數(shù)據(jù)，建立濕地生態(tài)服務(wù)功能指標(biāo)和模型，評(píng)價(jià)水土保持措施對(duì)生態(tài)服務(wù)功能的影響。野生動(dòng)植物棲息地評(píng)價(jià)處于起步階段，確定受影響顯著的指示性生物及其棲息地，觀測(cè)種類或種群變化，定性評(píng)價(jià)水土保持措施對(duì)棲息地生態(tài)與環(huán)境影響，定量評(píng)價(jià)指示性生物數(shù)量的變化。小流域研究是為了定量評(píng)價(jià)水土保持措施在小流域尺度上減少的泥沙、徑流和污染物排放量，率定相關(guān)參數(shù)。其輸出結(jié)果是區(qū)域或全國(guó)尺度評(píng)價(jià)采用大流域模型的輸入變量，通過模型模擬，以定量評(píng)價(jià)減少的泥沙、徑流和污染物排放量，在區(qū)域或全國(guó)尺度帶來的異地影響環(huán)境效益。截至目前，小流域尺度和區(qū)域尺度均取得了大量成果［91］，區(qū)域尺度耕地效益評(píng)價(jià)已經(jīng)發(fā)布了11個(gè)流域的報(bào)告，濕地效益評(píng)價(jià)已經(jīng)發(fā)布了7個(gè)濕地區(qū)域的生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)報(bào)告。

3 土壤侵蝕模型發(fā)展與應(yīng)用的啟示

3.1 土壤侵蝕模型是水土保持管理的重要支撐工具

模型是對(duì)真實(shí)世界的定量表征，能夠預(yù)測(cè)未來或不同情景下的結(jié)果，為決策提供參考。土壤侵蝕模型能夠發(fā)揮的作用主要包括:1)預(yù)測(cè)多年平均降雨條件下不同土地利用和水土保持措施的土壤流失量，與容許土壤流失量比較，確定合適的土地利用方式和水土保持措施;2)預(yù)測(cè)重現(xiàn)期降雨事件的土壤流失量，服務(wù)于水土保持措施設(shè)計(jì)，評(píng)估重大降雨事件發(fā)生的侵蝕及其影響;3)預(yù)測(cè)次降雨事件或多年平均降雨條件下，不同土地利用、水土保持措施、肥料施用情況下徑流和泥沙輸移，及其導(dǎo)致的面源污染物輸移，服務(wù)于河流水沙調(diào)節(jié)和肥料施用管理等;4)評(píng)價(jià)區(qū)域水土流失面積、強(qiáng)度和分布，為區(qū)域規(guī)劃服務(wù);5)通過對(duì)比水土流失防治工程或項(xiàng)目實(shí)施前后的土壤流失量、徑流泥沙輸移、及面源污染物輸移等，評(píng)估工程或項(xiàng)目帶來的保水保土、調(diào)節(jié)水沙和改善環(huán)境的水土保持效益。

任何土壤侵蝕模型研發(fā)都針對(duì)一定的目標(biāo)，有適用條件或范圍，沒有萬能的模型;因此了解模型建立條件、適用的對(duì)象特點(diǎn)、對(duì)輸入變量或參數(shù)的要求等，是正確應(yīng)用模型的前提。前文介紹的幾個(gè)主要模型中，在我國(guó)或世界范圍應(yīng)用比較廣泛的有USLE或其修訂版、CREAMS和SWAT，它們有各自的適用條件和目的。USLE和CREAMS均為坡面模型，前者只預(yù)報(bào)坡面細(xì)溝與細(xì)溝間侵蝕，用于水土保持措施布設(shè)或評(píng)價(jià)水土保持措施布設(shè)后的保土效益，無法估算徑流、溝蝕或沉積等。后者除能預(yù)報(bào)細(xì)溝與細(xì)溝間侵蝕外，還能預(yù)報(bào)徑流量，以及侵蝕泥沙和徑流導(dǎo)致的污染物輸移，可用于面源污染物總量估算，指導(dǎo)針對(duì)控制面源污染物的水土保持措施布設(shè)。SWAT是一個(gè)流域模型，包括了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙和溝道匯流匯沙過程，及其導(dǎo)致的污染物輸移。通過定義和劃分水文單元及子流域，實(shí)現(xiàn)了尺度較大的大流域模擬;然而徑流和侵蝕的發(fā)生發(fā)展過程本質(zhì)上是一個(gè)小尺度過程，需要高時(shí)空分辨率的高精度數(shù)據(jù)模擬這種過程，否則會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果失真。大尺度數(shù)據(jù)空間分辨率低與徑流侵蝕過程空間分辨率高之間的矛盾，是應(yīng)用模型首先需要考慮的，也是目前應(yīng)用上述模型經(jīng)常出現(xiàn)的問題。如美國(guó)應(yīng)用USLE、我國(guó)應(yīng)用CSLE開展大尺度區(qū)域土壤侵蝕強(qiáng)度評(píng)價(jià)時(shí)，并非直接將模型因子在區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行柵格運(yùn)算，而是首先采用抽樣方法確定擬開展計(jì)算的小尺度空間范圍:美國(guó)選用一個(gè)坡面［14］，我國(guó)選擇一個(gè)面積0.2～3 km2的小流域［88］。在這樣的小尺度范圍內(nèi)，除降雨與土壤外，地形和水土保持措施因子的空間分布比例尺均不低于1∶1萬，然后用模型以不低于10 m分辨率進(jìn)行柵格計(jì)算。再根據(jù)所有抽樣的小尺度空間范圍的計(jì)算結(jié)果，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理估計(jì)區(qū)域總體特征。考慮到小流域是水土流失發(fā)生的基本空間表現(xiàn)單元，選擇小流域顯然比選擇坡面更有代表性。如果在大尺度范圍內(nèi)，即使采用1:5萬比例尺數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)因子，也已經(jīng)無法真實(shí)反映侵蝕發(fā)生因子小尺度特征，如將起伏的地形平滑，將不同土地利用、不同水土保持措施的地塊合并等。如果侵蝕因子的誤差已經(jīng)很大，再利用模型計(jì)算的結(jié)果誤差將會(huì)更大，且誤差呈非線性增加。目前直接將粗分辨率數(shù)據(jù)代入坡面模型在大尺度區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行柵格計(jì)算的情況很多，這是對(duì)模型的錯(cuò)誤應(yīng)用。

3.2 長(zhǎng)期高質(zhì)量試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是建立土壤侵蝕模型的基礎(chǔ)

USLE和WEPP的建立都基于大量觀測(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從20世紀(jì)30年代的徑流小區(qū)觀測(cè)，到1965年發(fā)布USLE，歷經(jīng)30多年的觀測(cè)與研究，5年內(nèi)進(jìn)行了55種土壤的人工降雨試驗(yàn)，建立了土壤可蝕性因子計(jì)算公式［17］。1989—1995年 WEPP研發(fā)過程中，進(jìn)行了35種農(nóng)地土壤和18種草地的人工降雨試驗(yàn)［55］。目前的應(yīng)用模型坡面侵蝕多采用USLE及其后來的修訂版［73］。

我國(guó)20世紀(jì)20年代就有了土壤侵蝕觀測(cè)，50年代建立了第一個(gè)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，監(jiān)測(cè)和模型研究均與國(guó)際同步，中間出現(xiàn)60—70年代的停滯，80年代以后開始發(fā)展。2004年水利部實(shí)施了“全國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)項(xiàng)目”，但目前未能形成目標(biāo)明確的數(shù)據(jù)支撐。進(jìn)一步規(guī)范監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)備、方法和資料整編，確保監(jiān)測(cè)目標(biāo)明確，質(zhì)量可靠，長(zhǎng)期進(jìn)行，將是未來我國(guó)土壤侵蝕模型發(fā)展的根本保證。

3.3 面向用戶或管理需求研發(fā)是成功推廣應(yīng)用土壤侵蝕模型的前提

USLE和WEPP都是為了解決水土保持實(shí)踐面臨的問題。什么樣的水土保持措施能更好地保護(hù)土壤?由此促生了USLE。模型以農(nóng)業(yè)手冊(cè)指南形式發(fā)布，其中的作物覆蓋管理與水土保持措施均是針對(duì)各區(qū)域?qū)嶋H情況:考慮了不同作物組合的輪作方法、不同發(fā)育階段的覆蓋變化，種植過程中的耕作管理，如苗床準(zhǔn)備、中耕(除草、松土、培土)、收獲方式等;水土保持措施代表了應(yīng)用最為廣泛的梯田、等高耕作、免耕(留茬)、草田輪作或帶狀耕作等。侵蝕理論的發(fā)展，尤其是細(xì)溝間侵蝕(濺蝕為主)和細(xì)溝侵蝕(水流沖刷為主)概念的提出，針對(duì)土壤侵蝕空間差異防治的需求，促成了WEPP模型的開發(fā)。1985年WEPP核心團(tuán)隊(duì)第一次會(huì)議提出應(yīng)首先編寫用戶手冊(cè)。隨后分別在美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究局(ARS)下屬的4個(gè)技術(shù)中心、內(nèi)政部的土地管理法局(BLM)、農(nóng)業(yè)部林業(yè)局(FS)等部門進(jìn)行了用戶需求調(diào)研，最終的用戶手冊(cè)由ARS、BLM和FS聯(lián)合簽署，不僅成為WEPP模型的開發(fā)指南，也為WEPP模型開發(fā)與應(yīng)用提供了資金和組織保障。

3.4 學(xué)科協(xié)同交叉和長(zhǎng)期堅(jiān)持是建立高水平可持續(xù)應(yīng)用土壤侵蝕模型的保障

USLE和WEPP不僅經(jīng)歷了從概念模型到數(shù)學(xué)模型、再到計(jì)算機(jī)模型的過程，更是由多學(xué)科、不同單位的科學(xué)家在ARS組織協(xié)調(diào)下共同開發(fā)。USLE首次以農(nóng) 業(yè) 手 冊(cè) 282 號(hào) 發(fā) 布 之 前，Cook［21］、Zingg［6］、Simth［22，25］、Musgrave［24］等眾多科學(xué)家對(duì)土壤侵蝕因子與土壤流失量的定量關(guān)系已進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，形成了概念模型和部分定量模型。USDAARS在普渡大學(xué)成立的數(shù)據(jù)中心，使Wischmeier能夠利用眾多數(shù)據(jù)提出降雨侵蝕力指數(shù) EI30［9，27］，給出標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)定義，并據(jù)此計(jì)算了22種代表性土壤的可蝕性因子值［29］。隨后的研究解決了美國(guó)東北地區(qū)融雪侵蝕降雨徑流侵蝕力的估算，通過多種土壤的人工降雨試驗(yàn)，建立了基于土壤性質(zhì)計(jì)算土壤可蝕性因子的公式(諾謨圖)，提出不規(guī)則坡的地形因子計(jì)算方法等，以農(nóng)業(yè)手冊(cè)537號(hào)發(fā)布USLE第二版［11］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的研究成果的取得，RUSLE以農(nóng)業(yè)手冊(cè)703號(hào)發(fā)布［12］，并提供了計(jì)算機(jī)程序和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。RUSLE考慮了凍融作用導(dǎo)致的土壤可蝕性因子的季節(jié)變化，將C因子表述為前期土地利用、冠層覆蓋、地表覆蓋、地表糙度和土壤水分等5個(gè)次因子的乘積形式。近年剛修訂的RUSLE2，不僅大大增加了模型的復(fù)雜性，更是將模擬步長(zhǎng)半月時(shí)段提高到日［90］。

WEPP在USDA-ARS組織下，以國(guó)家土壤侵蝕實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，從1985年開始開發(fā)至今，經(jīng)歷了4任項(xiàng)目主持，先后有200多位各界學(xué)者參與［55］。1995 年由 USDA-ARS，USDA-NRCS，USDA-FS 和USDI-BLM聯(lián)合署名，首次發(fā)布技術(shù)手冊(cè)和模型軟件。

［1］ BENNETT H H．Soil Conservation［M］．Washington，D．C:McGraw-Hill Book Company，1939:10．

［2］ 辛樹幟，蔣德麒．中國(guó)水土保持概論［M］．北京:農(nóng)業(yè)出版社，1982:23．XIN Shuzhi，JIANG Deqi．Introduction to soil and water conservation in China［M］．Beijing:Agricultural Publishing House，1982:23．

［3］ BAVER L D．Ewald Wollny—A pioneer in soil and water conservation research［C］．Soil Science Society Proceedings，1938:330．

［4］ BENNETT H H，CHAPLINE W R．Soil erosion:a national menace［M］．Washington，D．C:U．S．Dept．of Agriculture Circular vol．33，U．S．Government Printing Office，1928．

［5］ MEYER L D．Evolution of the universal soil loss equation［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1984，39:99．

［6］ ZINGGA W．Degree and length of land slope as it affects soil loss in runoff［J］．Agricultural Engineering，1940，21:59．

［7］ 郭索彥，李智廣．我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)的發(fā)展歷程與成就［J］．中國(guó)水土保持科學(xué)，2009，7(5):19．GUO Suoyan，LI Zhiguang．Development and achievements of soil and water conservation monitoring in China［J］．Science of Soil and Water Conservation，2009，7(5):19．

［8］ 劉善建．天水水土流失測(cè)驗(yàn)的初步分析［J］．科學(xué)通報(bào)，1953，12:59．LIU Shanjian．Preliminary analysis of soil loss experiment in Tianshui［J］．Chinese Science Bulletin，1953，12:59．

［9］ WISCHMEIER W H，SMITH D D．Rainfall energy and its relationship to soil loss［J］．Transactions of American Geophysical Union，1958，39(2):285．

［10］WISCHMEIER W H，SMITH D D．Predicting rainfall erosion losses from cropland east of the rocky mountains［M］．Washington，D．C:USDA Agricultural Handbook No．282，1965:1．

［11］WISCHMEIER W H，SMITH D D．Predicting rainfall erosion losses［M］．Washington，D．C:USDA Agricultural Handbook No．537，1978:1．

［12］ RENARD K G，F(xiàn)OSTER G R，WEESIES G A，et al．Predicting soil erosion by Walter:a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation(RUSLE)［M］．National Technical Information Service，United States Department of Agriculture(USDA)，1997:1．

［13］ FOSTER G R．Science documentation，revised universal soil loss equation version 2(RUSLE2)［M］．Washington，D．C:USDA-Agricultural Research Service，2013:1．

［14］NUSSER SM，GOEBEL J J．The national resources inventory:a long-term multi-resource monitoring programme［J］．Environmental and Ecological Statistics，1997，4(3):181．

［15］ LU H，GALLANT J，PROSSER I P，et al．Prediction of sheet and rill erosion over the Australian continent，incorporating monthly soil loss distribution［R］．Canberra:CSIRO Land and Water Technical Report，2001:1．

［16］GRIMM M，JONES R，MONTANARELLA L．Soil erosion risk in Europe［M］．Ispra:European Commission，Joint Research Center，Institute for Environment＆ Sustainability，European Soil Bureau，2002:1．

［17］ GILLEY J E，F(xiàn)LANAGAN D C．Early investment in soil conservation research continues to provide dividends［J］．Transactions of the ASABE，2007，50(5):1595．

［18］ MIDDLETON H E．Properties of soils which influence soil erosion［M］．Washington，D．C:USDA Tech．Bull，178，1930:119．

［19］ DULEY F，ACKERMAN F．Runoff and erosion from plots of different lengths［J］．Journal of Agricultural Research，1934，48:505．

［20］MUSGRAVE G W．The infiltration capacity of soils in relation to the control of surface runoff and erosion［J］．Journal of the American Society of Agronomy，1935:336．

［21］ COOK H L．The nature and controlling variables of the water erosion process［C］．Soil Science Society of America Proceedings，1936，1:60．

［22］ SMITH D D．Interpretation of soil conservation data for field use［J］．Agricultural Engineering，1941，22:173．

［23］BROWNING G M，PARISH CL，GLASSJA．A method for determining the use and limitation of rotation and conservation practices in control of soil erosion in Iowa［C］．Soil Science Society of America Proceedings，1947，(23):249．

［24］ MUSGRAVE G W．The quantitative evaluation of factors in water erosion—A first approximation［J］．Journal Soil and Water Conservation，1947，2:133．

［25］ SMITH D D，WHITT D M．Evaluating soil losses from field areas［J］．Agricultural Engineering，1948，29:394．

［26］ WISCHMEIER W H．Punched cards record runoff and soil-loss data［J］．Agricultural Engineering，1955:664．

［27］ WISCHMEIER W H．A rainfall erosion index for a universal soil-loss equation［C］．Soil Science Society Proceedings，1959，23(3):246．

［28］ WISCHMEIER W H．Cropping-management factor evaluations for a universal soil-loss equation［C］．Soil Science Society of America Proceedings，1960，23:322．

［29］OLSON T G，WISCHMEIER WH．Soil-erodibility evaluations for soils on the runoff and erosion stations［C］．Soil Science Society of America Proceedings，1963，72:319．

［30］許國(guó)華．羅德民博士與中國(guó)的水土保持事業(yè)［J］．中國(guó)水土保持，1984(1):39．XU Guohua．Dr．Lowdermilk and Chinese soil and water conservation course［J］．Soil and Water Conservation in China，1984(1):39．

［31］江忠善，李秀英．黃土高原土壤流失方程中降雨侵蝕力和地形因子的研究［J］．中國(guó)科學(xué)院西北水土保持研究所集刊，1988(7):40．JIANG Zhongshan，LI Xiuying．Study on the rainfall erosivity and the topographic factor of predicting soil loss equation in the loess plateau［J］．Memoir of Northwestern Institute of Soil and Water Conservation Academia Sinica，1988(7):40．

［32］孫保平，趙廷寧，齊實(shí)．USLE在西吉縣黃土丘陵溝壑區(qū)的應(yīng)用［J］．西北水土保持研究所集刊，1990(12):50．SUN Baoping，ZHAO Tingning，QI Shi．Application of USLE in loessial gully hill area［J］．Memoir of Northwestern Institute of Soil and Water Conservation Academia Sinica，1990(12):50．

［33］張憲奎，許靖華，盧秀琴，等．黑龍江省土壤流失方程的研究［J］．水土保持通報(bào)，1992，12(4):1．ZHANG Xiankui，XU Linghua，LU Xiuqin，et al．A Study on the soil loss equation in Heilongjiang Province［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，1992，12(4):1．

［34］周伏建，陳明華，林福興，等．福建省土壤流失預(yù)報(bào)研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，1995，9(1):25．ZHOU Fujian，CHEN Minghua，LIN Fuxing，et al．A study on soil loss prediction in Fujian Province［J］．Jour-nal of Soil and Water Conservation，1992，12(4):1．

［35］王萬忠，焦菊英．中國(guó)的土壤侵蝕因子定量評(píng)價(jià)研究［J］．水土保持通報(bào)，1996，16(5):1．WANG Wanzhong，JIAO Juying．Quantitative evaluation on factors influencing soil erosion in China［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，1992，12(4):1．

［36］楊子生．滇東北山區(qū)坡耕地土壤流失方程研究［J］．水土保持通報(bào)，1999，19(1):1．YANG Zisheng．Study on soil loss equation of cultivated slopeland in northeast mountain region of Yunnan Province［J］．Bulletin of Soil and Water Conservation，1999，19(1):1．

［37］牟金澤，孟慶枚．降雨侵蝕土壤流失預(yù)報(bào)方程的初步研究［J］．中國(guó)水土保持，1983(6):23．MOU Jinze，MENG Qingmei．Preliminary study on equations of soil erosion by rainfall［J］．Soil and Water Conservation in China，1983(6):23．

［38］黃炎和，盧程隆，付勤，等．閩東南土壤流失預(yù)報(bào)研究．水土保持學(xué)報(bào)，1993，7(4):13．HUANG Yanhe，LU Chenglong，F(xiàn)U Qin，et al．Study on the soil loss prediction in southeast Fujian［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1993，7(4):13．

［39］ WISCHMEIERWH．Use and misuse of the universal soil loss equation［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1976，31:5．

［40］ WISCHMEIER W H．The USLE:Some reflections［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1984，39:105．

［41］ FOSTER G R，MCCOOL D K，RENARD K G，et al．Conversion of the universal soil loss equation to SI metric units［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1981，36:355．

［42］ LIU B Y，ZHANGK L，XIE Y．An empirical soil loss equation［C］．Beijing:Proceedings—Process of soil erosion and its environment effect(Vol．II)，2002，12:21．

［43］劉寶元，劉瑛娜，張科利，等．中國(guó)水土保持措施分類［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2013，27(2):80．LIU Baoyuan，LIUYingna，ZHANGKeli，et al．Classification for soil conservation practices in China［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2013，27(2):80．

［44］郭乾坤，劉寶元，朱少波，等．中國(guó)主要水土保持耕作措施因子［J］．中國(guó)水土保持，2013(10):22．GUO Qiankun，LIU Baoyuan，ZHU Shaobo，et al．Main factors of soil conservation tillage practices in China［J］．Soil and Water Conservation in China，2013(10):22．

［45］ GUO Qiankun，LIU Baoyuan，XIE Yun，et al．Estimation of USLE crop and management factor values for crop rotation systems in China［J］．Journal of Integrative Agriculture，2015，14(9):1877．

［46］章文波，謝云，劉寶元．用雨量和雨強(qiáng)計(jì)算次降雨侵蝕力［J］．地理研究，2002，21(3):384．ZHANG Wenbo，XIE Yun，LIU Baoyuan．Estimation of rainfall erosivity using rainfall amount and rainfall intensity［J］．Geographical Research，2002，21(3):384．

［47］謝云，劉寶元，章文波．侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)研究［J］．水土保持學(xué)報(bào)，2000，14(4):6．XIE Yun，LIU Baoyuan，ZHANG Wenbo．Study on standard of erosive rainfall［J］．Journal of Soil and Water Conservation，2000，14(4):6．

［48］ XIE Yun，YIN Shuiqing，LIU Baoyuan，et al．Models for estimating daily rainfall erosivity in China［J］．Journal of Hydrology，2016，535:547．

［49］ ELLISON W D．Studies of raindrop erosion［J］．Agricultural Engineering，1944，25:131．

［50］ NEARING M A，F(xiàn)OSTER G R，LANE L J，et al．A process-based soil erosion model for USDA-water erosion prediction project technology［J］．Transactions of the ASAE，1989，32(5):1587．

［51］MEYER L D，WISCHMEIER W H．Mathematical simulation of the process of soil erosion by water［J］．Transactions of the ASAE，1969:754．

［52］FOSTER G E，MEYER L D．Transport of soil particles by shallow flow［J］．Transactions of the ASAE，1972:99．

［53］ MEYER L D，F(xiàn)OSTER GR，NIKOLOV S．Effect of flow rate and canopy on rill erosion［J］．Transactions of the ASAE，1975:905．

［54］LAFLEN JM，F(xiàn)LANAGAN D C．The development of U．S．soil erosion prediction and modeling［J］．International Soil and Water Conservation Research，2013，1(2):1．

［55］FLANAGAN D C，GILLEY JE，F(xiàn)RANTI T G．Water erosion prediction project(WEPP):development history，model capabilities，and future enhancements［J］．Transactions of the ASABE 2007，50(5):1603．

［56］ BALKEMA．Soil erosion in the European Community:Impact of changing agriculture(edited by Chisci G，Morgan R P C) ［C］．Rotterdam:Proceedings of a seminar on land degradation due to hydrological phenomena in hilly areas:impact of change of land use and management，1985．

［57］ MORGAN R P C，QUINTON J N，RICKSON R J．Modelling methodology for soil erosion assessment and soil conservation design:the EUROSEM approach［J］．Outlook on Agriculture，1994，23:5．

［58］ MORGAN R P C，QUINTON J N，SMITH R E，et al．The European soil erosion model(EUROSEM):Documentation and user guide［M］．Bedfordshire:Silsoe Col-lege，Cranfield University，1998b．

［59］ MORGAN R P C，QUINTON J N，SMITH R E，et al．The European soil erosion model(EUROSEM):A dynamic approach for predicting sediment transport from fields and small catchments［J］．Earth Surface Processes Landforms，1998a，23:527．

［60］ MISRA R K，ROSE C W．Manual for use of program GUEST［M］．Brisbane:Division of Australian Environmental Studies，Griffith University，1989．

［61］HAIRSINE PB，ROSE CW．Modeling water erosion due to overland flow using phydical principles．1．Sheet flow［J］．Water Resources Research，1992a，28:237．

［62］HAIRSINE PB，ROSE CW．Modeling water erosion due to overland flow using physical principles．1．Rill flow［J］．Water Resources Research，1992b，28:245．

［63］HAIRSINE P B，ROSE C W．Rainfall detachment and deposition:Sediment transport in the absence of flowdriven processes［J］．Soil Science Society of America Journal，1991，55:320．

［64］ DE ROO A P J．The LISEM project:An introduction［J］．Hydrological Processes，1996，10:1021．

［65］王禮先，吳長(zhǎng)文．陡坡林地坡面保土作用的機(jī)理［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，16(4):1．WANG Lixian，WU Changwen．Study on the mechanism of soil conservation effect of forested hillslope［J］．Journal of Beijing Forestry University，1994，16(4):1．

［66］段建南，李保國(guó)，石元春，等．應(yīng)用于土壤變化的坡面侵蝕過程模擬［J］．土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4(1):47．DUAN Jiannan，LI Baoguo，SHI Yuanchun，et al．Simulation on slope erosion process for soil change［J］．Journal of Soil Erosion and Soil and Water Conservation，1998，4(1):47．

［67］史景漢，郝建忠，熊運(yùn)阜，等．黃丘一副區(qū)小流域暴雨洪水輸沙過程預(yù)報(bào)模型［J］．中國(guó)水土保持，1989(1):32．SHI Jinghan，HAO Jianzhong，XIONG Yunfu，et al．A prediction model for the sediment transport of Huangqiu 1st area watershed［J］．Soil and Water Conservation in China，1989(1):32．

［68］包為民，陳耀庭．中大流域水沙耦合模擬物理概念模型［J］．水科學(xué)進(jìn)展，1994，5(4):287．BAO Weimin，CHEN Yaoting．A conceptual flow-sedimentation coupled simulation model for large basins［J］．Advances in Water Science，1994，5(4):287．

［69］蔡強(qiáng)國(guó)，陸兆熊，王貴平．黃土丘陵溝壑區(qū)典型小流域侵蝕產(chǎn)沙過程模型［J］．地理學(xué)報(bào)，1996，51(2):108．CAI Qiangguo，LU Zhaoxiong，WANG Guiping．Processbased soil erosion and sediment yield model in a small basin in the hilly loess region［J］．Acta Geographica Sinica，1996，51(2):108．

［70］WILLIAMSJ R，Jones C A，Dyke P T．A modeling approach to determining the relationship between erosion and soil productivity［J］．TRANSACTIONSof the ASAE，1984，27(1):129．

［71］ WILLIAMSJ R．The erosion productivity impact calculator(EPIC)model:A case history［J］．In:Phil．Trans．R．Soc．Lond．1990，329:421．

［72］ SHARPLEY A N，WILLIAMS J R．EPIC-erosion/productivity impact calculator:1．Model documentation［M］．Washington，DC:USDA Technical Bulletin No．1768，1990:1．

［73］GASSMAN PW，WILLIAMSJR，BENSON V W，et al．Historical development and applications of the EPIC and APEX models［C］．Ottawa:ASAE/CSAE annual international meeting(paper No．042097)，2005:1．

［74］WILLIAMSJR，NEARING M，NICKS A，et al．Using soil erosion models for global change studies［J］．Journal of Soil and Water Conservation，1996，51(5):381．

［75］ KNISEL W G．CREAMS，a field scale model for chemicals，runoff，and erosion from agricultural management systems［M］．Washington，D．C:U．S．Dept．Agric．Conserv．Res．Rept．No．26，1980:1．

［76］ Blackland Research ＆ Extension Center set:Models［EB/OL］．［2017-06-04］．http:∥blackland．tamu．edu/models/．

［77］YOUNG R A，ONSTAD C A，BOSCH D D，et al．AGNPS，agricultural non-point-source pollution model．A watershed analysis tool［M］．Washington，D．C:U．S．Department of Agriculture，Conservation Research Report 35，1987:1．

［78］WILLIAMS J R，ARNOLD J G，SRINIVASAN R．The APEX model，BRC report No．00-06［M］．Texas:Texas Agric．Expt．Station，Texas Agric．Exten．Service，Texas A＆M University，2000:1．

［79］ WILLIAMSJ R，JONES C A，GASSMAN P W，et al．Simulation of animal waste management with APEX［J］．Innovations and New Horizons in Livestock and Poultry Manure Management，1995:22．

［80］ WILLIAMSJR．The APEX manure management component［C］．Proceedings of the Total Maximum Daily Load(TMDL)Environmental Regulations Conf．，2002:44．

［81］ Texax A＆M AgriLife Research set:agricultural policy/environmental eXtender model|Epic＆APEX Models［［EB/OL］．［2017-06-04］．http:∥epicapex．tamu．edu/apex/．

［82］ARNOLD J G，WILLIAMS J R．Validation of SWRRB-simulator for water resource in rural basins［J］．Journal of Water Resources Planning and Management，1987，113:243．

［83］ ARNOLD J G，WILLIAMSJR，MAIDMENT D R．Continuous-time water and sediment-routing model for large basins［J］．Journal of Hydraulic Engineering，1995，121(2)．

［84］ GASSMAN PW，REYESM R，GREEN CH，et al．The soil and water assessment tool:historical development，applications，and future research directions［J］．Transactions of the ASABE，2007，50(4):1211．

［85］ Soil and Water Assessment Tool set:Conferences［EB/OL］．［2017-06-04］．http:∥swat．tamu．edu/conferences/．

［86］ USDA-NRCS．2012 national resources inventory summary report［R］．Washington，D．C:USDA-NRCS，2015:1．

［87］ TOY T J，F(xiàn)OSTER G R，RENARD K G．Soil erosion:processes，prediction，measurement，and control［M］．New York:John Wiley＆ Sons，2002:128．

［88］國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)水利普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室．第一次全國(guó)水利普查培訓(xùn)教材之六:水土保持情況普查［M］．北京:中國(guó)水利水電出版社，2010:206．First National Census of Water Leading Group Office of the State Council．Sixth textbook of first national census of water:census of soil and water conservation situation［M］．Beijing:China Water＆Power Press，2010:206．

［89］ USDA-Natural Resources Conservation Service set:Conservation Effects Assessment Project［EB/OL］．［2017-06-04］．https:∥www．nrcs．usda．gov/wps/portal/nrcs/main/national/technical/nra/ceap/．

［90］ BRISKE D D．Conservation benefits of rangeland practices:assessment，recommendations，and knowledge gaps［M］．Washington，D．C:United States Department of Agriculture， Natural Resources Conservation Service，2011:1．

［91］ United States Department of Agriculture-Natural Resource Conservation Service［EB/OL］．［2017-06-04］．https:∥www．nrcs．usda．gov．