坡面土壤侵蝕監(jiān)測技術研究現(xiàn)狀及展望

張錦娟,陸芳春,趙聚國

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020)

土壤侵蝕是在自然外營力 (水、重力、風、溫度變化等)和人為因素的作用下,地表土壤及其母質 (風化物或基巖)被剝蝕破壞、搬運和沉積的全過程。坡面是土壤侵蝕區(qū)最基本的地貌單元,是水蝕區(qū)基本的微地貌形態(tài)。坡面侵蝕過程往往伴隨著土壤養(yǎng)分的流失,是導致山區(qū)、丘陵區(qū)土壤資源退化、環(huán)境惡化的一個重要因素,也是江河泥沙淤積、水資源惡化的重要溯源。掌握坡面侵蝕從發(fā)生、發(fā)展到演變過程,離不開坡面土壤侵蝕監(jiān)測。本文在對坡面土壤侵蝕監(jiān)測技術研究現(xiàn)狀進行闡述的基礎上,提出了土壤侵蝕監(jiān)測技術的需求及發(fā)展方向。

1 坡面土壤侵蝕監(jiān)測技術研究現(xiàn)狀

1.1 坡面土壤侵蝕監(jiān)測研究進展

土壤侵蝕監(jiān)測是以保護生態(tài)環(huán)境、合理利用水土資源為目的,通過各種監(jiān)測技術、手段和方法,對水土流失的影響因子、現(xiàn)狀、強度、侵蝕模數(shù)、產生的危害和防治措施成效進行動態(tài)監(jiān)測和綜合評估。土壤侵蝕監(jiān)測工作是掌握水土流失區(qū)形勢、防治水土流失和水土保持規(guī)劃設計工作的前提,同時為水土保持監(jiān)督管理提供重要的數(shù)據(jù)支持。

土壤侵蝕監(jiān)測起源于徑流小區(qū)的水土流失觀測。19世紀80年代,德國土壤科學家Wollny首次從事科學定量測定水土流失試驗[1],他陸續(xù)研究了坡度、植被、土壤類型、坡向等因子對水土流失造成的影響。1912年Wollny曾在美國猶他州建立觀測小區(qū)進行放牧所導致的水土流失監(jiān)測。1917年Miller建立了第一個現(xiàn)代意義上的侵蝕小區(qū)。進入20世紀40年代后,Zingg、Smith和Wischmeier等美國土壤科學家通過長期試驗觀測研究各種自然因素對水土流失的影響,最后建立了美國通用水土流失方程。學者[2-4]借助于野外水土流失試驗、水文觀測、室內模型實驗等土壤侵蝕監(jiān)測的方法,獲取影響水土流失過程的氣候、土壤、地形、地質等各種因素的參數(shù)值,建立和修正了USLE、RUSLE、WEPP等水土流失預測評價模型。

我國的土壤侵蝕監(jiān)測開始于20世紀40年代,在天水、綏德、西峰等地建立了首批水土流失監(jiān)測站,到1960年,全國已有水土保持試驗工作站181處,利用這些試驗站的水土流失試驗觀測,對坡面水土流失的主要因子、水土保持主要措施以及小流域水土流失、土地利用變化進行了長期監(jiān)測,為水土保持科學發(fā)展提供了科學依據(jù)。20世紀80年代以后,水土流失的觀測手段和設備有了一定的改善,新的觀測試驗站點陸續(xù)投入運行,地面觀測在全國不同侵蝕類型區(qū)相繼展開。同時,隨著遙感技術的普及和國家投入的增加,全國及大區(qū)域的監(jiān)測工作全面開展,1999年至今,水利部每5 a組織開展一次全國土壤侵蝕遙感調查,并隨時發(fā)布成果公告。最近20 a,由于遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等地球空間技術和計算機技術的廣泛應用,使水土流失宏觀監(jiān)測得以快速發(fā)展,二者優(yōu)勢互補,有力地支持了國家和地方水土保持建設。但這一時期水土流失的地面監(jiān)測手段卻沒能得到同步發(fā)展,一些傳統(tǒng)并沿用至今的微觀坡面、小區(qū)流失監(jiān)測手段和估算方法已經不能滿足當前對水土流失定量化、精細化的要求。

1.2 坡面土壤侵蝕監(jiān)測的主要方法

土壤侵蝕微觀監(jiān)測主要依靠小區(qū)徑流定位觀測、土壤和泥沙理化分析、實地調查詢問等常規(guī)方法,根據(jù)不同的監(jiān)測對象和目的,所采用的方法不同。就坡面土壤侵蝕監(jiān)測而言,常用的有測釬法、人工調查法、糙率儀等方法,也有一些學者研究利用遙感和空間定位技術、三維掃描技術的方法來監(jiān)測坡面土壤流失[5-6]?？v觀坡面土壤侵蝕監(jiān)測的各種技術方法,可分為接觸式和非接觸式測量2類。接觸式測量一般為傳統(tǒng)的技術方法,對監(jiān)測人員的參與性要求較高,水土流失監(jiān)測環(huán)境具有一定的危險性,未來監(jiān)測手段發(fā)展的重點應為非接觸式測量。

1.2.1 接觸式測量

接觸式測量方法有人工手動測量 (侵蝕溝體積量測法)、測針法(地表糙率儀)、測釬法、核示蹤法等。

1.2.1.1 人工手動測量

人工手動測量 (侵蝕溝體積量測法)是坡面水土流失監(jiān)測中最常用的方法,即在監(jiān)測區(qū)內按一定比例選取樣地,通過調查樣地內侵蝕溝的數(shù)量(條數(shù)),測量每條或者幾條典型侵蝕溝的溝長、溝深、溝寬等要素,按近似形狀 (U型或V型等)估算侵蝕溝的體積得出土壤侵蝕量,該法操作簡單,應用普遍,但估算精度較低。

1.2.1.2 測針法

測針法由Kuripers提出,通過多根聯(lián)排測針測定地面基點的高度值,獲知微地貌的地形變化。Brough等曾就該法提出改進[7],在此基礎上具體化為“地表糙率儀”。它由51根測針組成,每根測針的長度為50 cm,測針間距為2 cm,在進行測定時,將該儀器沿坡面置于試測區(qū),依次讀取各測針的數(shù)值?！暗乇聿诼蕛x”的架設、觀測主觀性強,測量精度有限,目前已很少使用。

1.2.1.3 測釬法

測釬法通過在簡易水土流失觀測場有規(guī)律的埋設測釬來觀測土壤侵蝕量[8],是開發(fā)建設項目水土流失地面監(jiān)測的常用方法。從實踐應用來看[9-10],此方法存在控制點易遭到破壞、讀數(shù)主觀性強、外業(yè)工作量過大、測量精度不夠高等缺陷。

1.2.1.4 核示蹤法[11-12]

核示蹤法是20世紀60年代后興起的一種新型土壤侵蝕監(jiān)測方法,一般可以分成單核素示蹤、多核素復合示蹤及REE示蹤法等。核示蹤法判別土壤侵蝕的理論依據(jù)在于,土壤侵蝕和沉積作用是導致小范圍的侵蝕環(huán)境內土壤中示蹤劑的遷移和再分配的主要原因。該方法在定量研究土壤侵蝕演變過程及坡面侵蝕形態(tài)隨著降雨歷時的演變過程方面,較傳統(tǒng)方法具有優(yōu)越性。缺陷在于土壤樣品采集和樣品分析測試任務繁重、費用高昂,監(jiān)測點基準值確定的可靠性也影響了土壤侵蝕模數(shù)計算結果的準確性。

1.2.2 非接觸式測量

非接觸式測量方法目前主要依托空間遙感和定位技術,有高精度GPS、航拍圖像法和三維激光微地貌掃描儀法等。

1.2.2.1 高精度GPS[6]

高精度GPS法采用RTK(實時動態(tài)測量)技術,在理想環(huán)境下,具有高定位精度的特點,可達到厘米級。由于水土流失監(jiān)測作業(yè)環(huán)境往往地形復雜,從實踐效果來看,在天氣條件惡劣時,接收機難以搜索到足夠的衛(wèi)星數(shù)目,對于中小型坡面侵蝕溝,很難確保溝沿線、溝底地形特征線測量的質量。

1.2.2.2 航拍圖像法

航拍圖像法類似宏觀遙感影像監(jiān)測的做法,采用大比例尺多時相航拍影像監(jiān)測微地貌環(huán)境不同時段的侵蝕形態(tài)時,由于其空間分辨率及時間分辨率的不足,往往難以較好地反映坡面溝蝕在微小尺度上的特征和變化,尤其是溝深的變化。

1.2.2.3 三維激光掃描[6,13]

三維激光掃描儀法采用非接觸式激光技術測量地表,以此獲取地形或復雜物體的幾何圖形和影像數(shù)據(jù),并由后處理軟件處理以滿足不同的應用需要,被認為是繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術的革新,自產生以來已在很多領域得到應用。三維激光微地貌掃描儀應用于水土保持監(jiān)測,需要提供監(jiān)測場地的地形數(shù)據(jù),目前儀器成本高昂,操作、運轉較為復雜,當監(jiān)測區(qū)植被較為密集時,對監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性影響大,后期數(shù)據(jù)處理仍沒有理想的解決方法。

2 坡面土壤侵蝕監(jiān)測技術發(fā)展的需求

我國水土保持監(jiān)測實踐和理論研究都還是一個十分年輕的領域。近年來,水土保持研究和管理部門對水土保持監(jiān)測不斷提出更高的要求,監(jiān)測人員素質水平的提升,計算機信息技術、遙測技術、自動化地面測量技術的發(fā)展,為土壤侵蝕監(jiān)測技術進一步發(fā)展提供了人力和技術保障,加之日益緊迫的開發(fā)建設項目水土流失監(jiān)測的實踐需求,均為土壤侵蝕監(jiān)測技術的發(fā)展帶來契機。

2.1 促進水土流失理論研究發(fā)展的需求

坡面侵蝕形態(tài)變化與侵蝕溝道系統(tǒng)演變過程研究離不開坡面土壤侵蝕監(jiān)測。隨著侵蝕強度的遞進,坡面形態(tài)和溝道特征也在不斷變化[14]。利用先進技術手段觀測侵蝕過程中坡面不同坡位的坡度、坡形和溝道內外高差變化,可以進一步把握坡面土壤侵蝕演變過程,合理布設水土流失防治措施體系。新的監(jiān)測技術手段會促進基礎性理論研究成果的產生,對于提升水土流失地面監(jiān)測水平,提高坡面土壤侵蝕監(jiān)測工作效率均有所幫助。

2.2 水土保持監(jiān)測實踐工作的需求

隨著生產建設項目水土保持監(jiān)測工作的逐步規(guī)范,適合于各種自然條件和各類擾動區(qū)的坡面水土流失監(jiān)測技術成為監(jiān)測工作的一大難點和技術人員探討的重點。通過長期監(jiān)測實踐發(fā)現(xiàn),目前常用的地面定位觀測、抽樣調查和遙感監(jiān)測等方法和技術已不能完全滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)定量化、可靠化的需要。水土保持監(jiān)測實踐工作水平的提高需要依托各種水土保持地面監(jiān)測技術方法的研究,通過創(chuàng)新監(jiān)測的技術手段和方法,推動水土保持各項事業(yè)的進程,提高整個社會對水土保持工作的認可。

3 坡面土壤侵蝕監(jiān)測技術發(fā)展的方向

坡面土壤侵蝕監(jiān)測屬于微觀監(jiān)測范疇,僅提供水土流失面積、強度、侵蝕量的估算結果顯然不夠,坡面土壤侵蝕監(jiān)測要求監(jiān)測指標更加豐富、測量精度更高,需要掌握流失區(qū)侵蝕速率、徑流、流失量、侵蝕溝分布和微地貌環(huán)境動態(tài)變化數(shù)據(jù),為土壤侵蝕機理研究、宏觀監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)系與校正提供依據(jù)。目前常用的測釬法、人工調查法、糙率儀等技術方法,在科技含量、測量精度方面還有待提高,監(jiān)測手段的粗略性、薄弱性往往會制約水土流失監(jiān)測水平的發(fā)展,這一點在微觀監(jiān)測手段中表現(xiàn)得更加突出。在今后的研究中,不斷完善、創(chuàng)新各種監(jiān)測技術手段,仍將是全面深入研究坡面土壤侵蝕的前提。建立一套以非接觸式量測方法為主,以接觸式方法為輔,各種方法優(yōu)勢互補、有效結合的監(jiān)測方法體系是未來坡面土壤侵蝕監(jiān)測技術研究和發(fā)展的重要方向[15]。

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