英国土壤侵蚀科学研究综述

李薇,刘孝盈,徐炳丰,吴保生

(1.荷兰代尔夫特理工大学土木与地球科学学院水利工程系,2628CN,代尔夫特,荷兰;2.清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,100084,3.国际泥沙研究培训中心,100048,4.中国水利水电科学研究院,100048:北京)

英国土壤侵蚀科学研究综述

李薇1,2,刘孝盈3,4†,徐炳丰2,吴保生2

(1.荷兰代尔夫特理工大学土木与地球科学学院水利工程系,2628CN,代尔夫特,荷兰;2.清华大学水利系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,100084,3.国际泥沙研究培训中心,100048,4.中国水利水电科学研究院,100048:北京)

土壤侵蚀及其对生态和环境的影响越来越成为人类社会可持续发展的重要障碍,因而,土壤侵蚀机制研究、侵蚀预测和防治研究等备受关注。系统总结分析近年来英国土壤侵蚀的基本状况、侵蚀机制、侵蚀定量预测模型及土壤侵蚀防治方面的先进技术和成果,对我国土壤侵蚀的研究与治理具有重要参考价值和指导意义。

土壤侵蚀;影响因素;防治技术;定量模型;英国

土壤侵蚀导致大量土壤流失,引起地貌频繁变迁。据估算,全球水土流失面积约 1 643万 km2,占地表总面积的 10.95%,其中农业地区的土壤侵蚀最为严重[1-2]。在欧洲,年均土壤流失率为 1 000～2 000 t/(km2◦a),由侵蚀引起的土壤流失达 114万km2,占陆地面积的 17.4%,其中水蚀占 16%[3]。由于土壤侵蚀,大量泥沙和污染物进入河流,造成河道、湖泊、水库淤积和水资源污染,给农业灌溉、水利发电、水运、防洪和渔业带来不利影响[4-5]。以英国为例,其每年因耕地侵蚀而花费的河道疏浚费用高达 150万欧元[6]。土壤侵蚀及其生态、环境影响已成为当今亟待解决的资源问题。英国土壤侵蚀研究和治理成果斐然,能在一定程度上反映出当今该学科的发展水平和方向[3,7]。笔者概括了英国的土壤侵蚀状况,对近年来英国土壤侵蚀研究与治理的成果进行总结,旨在提出能为我国土壤侵蚀研究和防治借鉴的方案和建议。

1 英国土壤侵蚀概况与研究机构

英国的土壤侵蚀以水蚀为主,全国约有 44%的耕地面临水蚀威胁,年均水蚀率为 10～30 t/(km2◦a)[8],风蚀仅限于威尔士北部、英格兰和苏格兰东部的部分砂土地区[2]。侵蚀的土壤类型中则以人为活动引起的耕地侵蚀比例较大,主要侵蚀形式为细沟侵蚀[9],年平均侵蚀量为 220万 t,占每年土壤侵蚀总量的 95%[10-11]。

英国政府十分重视对土壤侵蚀的研究和防治。与此相关的机构主要有国家环境局(EA)、生态水文中心(CEH)、国家土壤调查局(NSI)、绿色环保研究所(IGER)、克兰菲尔德大学(Cranfield Univ.)国家土壤资源研究所(NSRI)、土壤调查研究中心(SSLRC)、英国土壤科学协会(BBBS)、农渔粮食部(MAFF)、农环粮食部 (DEFRA)、社区政府部(DCLG)、威尔士农业部(WOAD)、苏格兰环境保护局(SEPA)及英国洛桑实验站等。同时,英国也非常重视国际合作对土壤侵蚀研究与防治的重大意义,加入了众多国际组织(主要为欧洲国际组织),如欧洲环境组织(EEA)、经合组织(OECD)、欧共体统计办公室(Eurostat)、欧洲土壤研究中心 (ETC/S,1996—1999-12,由 EEA组建)、欧洲陆地环境研究中心(ETC/TE,2001-07成立)等。

2 土壤侵蚀影响因子

按照侵蚀营力属性,土壤侵蚀的影响因素可分为自然和人为 2大类。据调查,影响英国土壤侵蚀的自然因素主要包括气候、土壤类型和地表状况,而农耕、畜牧和城镇建设则是主要的人为影响因子。

2.1 气候因素

英国认为降水、气温、干旱、冰冻和风等是影响该国土壤侵蚀的主要气候因素。在湿润多雨的冬季,强降雨易引发泥浆流[8,12],造成英国耕地土壤大量流失[13],尤其在苏格兰雨量充沛地区,土壤流失率约为干旱地区的 5～10倍[14]。此外,EPIC模型对英国 Downs地区气候变化影响的研究表明,气温升高和二氧化碳浓度增加能促使作物生长,缩短土壤被侵蚀的时段,但土壤侵蚀强度却因此而增加[15]。对 Plynlimon地区泥炭土的观测发现,冬季的冰冻加速了泥炭土的侵蚀,而夏季的干旱不仅促使了秋冬季的暴雨侵蚀[16],也加剧了风蚀的强度[8]。干燥的春季风是新播种土壤发生风蚀的主要原因[16]。

2.2 土壤类型

英国研究表明,土壤颗粒粒径、矿物成分、黏土含量和土壤水文特性等对土壤侵蚀的影响不可忽视。据对英格兰 Shropshire东部 Bridgnoth地区草地和裸土土壤颗粒粒径的统计,草地的粗砂比例高于裸土[17];在 Moorfield和 Herefordshire地区的观测表明,粗粉砂最易遭受侵蚀[18]。威尔士高地的泥炭土侵蚀比矿物土严重[16],黏土含量在 10%～25%的土壤易被侵蚀[2],土壤的含水量增加或含钙量减少可能导致土壤的抗侵蚀性减弱[9,19]。另外,土壤侵蚀也与土壤中的物理、化学及生物作用密切相关,而这些在很大程度上决定于土壤中有机质的含量[8-9,20-21]。英国某些专家认为,某些地区土壤有机质含量过低将不能维持长期的农业种植,土壤结构的强度随有机质含量的减少而降低,增加了土壤的侵蚀风险。

2.3 地表状况

一些研究认为,植被盖度、表层土结构、坡度和河流分布密度等也是英国土壤侵蚀的重要影响因子。树木的生长可以有效降低土壤密实度,增加土壤透水性,达到保护土壤,防止侵蚀的效果[21-22]。对英格兰 Shropshire东部 Bridgnoth地区草地和裸土土壤颗粒粒径分析对比表明,种草可以有效避免和控制粗砂的侵蚀[17],然而,坡地和疏松表土却易受水蚀影响[19,23-24]。对威尔士 155个野外试点的测量结果发现,海拔 600m、坡度为 7°和大于 25°的野外沼泽侵蚀最为严重[16],山谷坡地在较强水流冲刷下也会发生沟蚀[2]。对苏格兰东部流域的土壤状况调查认为,密集的河流分布增加了河岸侵蚀和河道侵蚀的长度,因而水蚀的概率也大为增加[14]。

2.4 人为因素

人为活动对英国土地资源的威胁主要体现在不合理的土地利用和管理方式上[16,25-26]。在山区,过度放牧(主要是绵羊)[23,27]、不合时宜的机械耕种、密集小水库群[25]及娱乐用地等是导致植被破坏和土壤被风、雨、霜冻作用侵蚀的主要原因。在草原和低海拔的耕地,耕种时间、耕种深度、机械使用和行驶路线等是影响侵蚀的重要因素。长期连续耕种、秋季播种大麦、冬季休耕、开垦草地为耕地等人为活动使表层土变得疏松,易被侵蚀;过浅的苗圃种植、过重的机械使用,破坏了土壤结构,降低了土壤的抗蚀性;顺坡耕作、边坡破坏增加了土壤的水蚀风险[2]。目前,英国大约有 70%的农作物是冬季生长,耕种时间多为 8月至 12月,降雨历时长、强度大,大大增加了土壤侵蚀的风险[4]。此外,城镇建设占用了大量土地,使得可利用的土地资源不断减少。目前,英格兰和威尔士分别有 11%和 3%的土地被住宅和工业区代替,预计到 2016年,在英格兰该比例又会增加 1.3%[28],同时,土壤表层也因此而变得密实,透水性下降,在雨季易引发洪水而造成大规模的土壤侵蚀[8,12]。

3 土壤侵蚀模型

自 1971年以来,英国围绕土壤侵蚀强度和侵蚀率开展了许多研究项目[7],提高土壤侵蚀模型定量估计的准确性成为研究的热点。为此,英国近年来积极参与到欧洲环境组织(EEA)研究土壤侵蚀的项目当中,开发并掌握不同模型的先进技术和成果[3],为有效制定土壤侵蚀的控制方案提供了重要参考。

3.1 基于土壤侵蚀压力指标的风险预测模型

EEA于 1999年开发了基于土壤侵蚀压力指标的风险预测模型 DPSIR和 MF/MI[3]。DPSIR模型构建了土壤侵蚀影响因子、侵蚀压力、土壤状况、侵蚀影响以及土壤保护措施的链状关系,重点评价与社会经济因子相关的环境压力指标,同时区分了土壤侵蚀的直接(当地侵蚀)和间接(侵蚀泥沙的输移)影响;然而,过于简单的物理压力指标使其估算值与实际土壤侵蚀量相差较大。此后,该模型将农业耕种强度作为最重要的侵蚀影响因子,考虑由旅游和交通造成的地貌变化,加入详细的土壤保护措施分析,其预测能力大为提高[29-30]。MF/MI模型则建立了复杂的土壤侵蚀压力和土壤功能的相互关系,可预测由不同侵蚀压力综合作用造成的土壤功能减弱对生态、气候、水环境的影响。

3.2 基于侵蚀影响因子的土壤风险评价模型

基于影响因子的土壤侵蚀风险评价模型以Corine和 RIVM模型为代表[3]。Corine模型方案的提出始于 1985年,该模型在对通用土壤流失方程USLE大量简化的基础上[31],考虑地形、土壤性质、降雨和地貌的作用,对实际和潜在的土壤侵蚀风险进行评价和预测。其中,土壤结构、土层厚度和岩石比例决定其可蚀性,而气候因子为主要的压力指标,坡度、植被盖度和农耕管理代表了地表状况。目前,Corine模型能准确预测地中海地区存在最大的侵蚀风险,但由于侵蚀数据的缺乏,其应用范围还仅限于欧洲南部。

RIVM水蚀模型方案的开发比 Corine模型晚 6～8年,其对 USLE的应用比 Corine模型更简化,结合气候和经济影响因子可清晰预测 2010和 2050年欧洲水蚀情况。该模型是 IMAGE 2模型[32]的模块之一,基于地域可蚀性、降雨侵蚀性和土地利用压力这 3个主要参数对水蚀风险进行评价预测。其中,RIVM模型的土地利用压力信息比 Corine模型更完整,地域可蚀性因子与 Corine模型类似,包含了土壤类型和地貌的影响,而降雨侵蚀性因子中以固定时段的日最大降雨量计算月降雨总量的方法不具备足够的代表性,在理论和经验上均不如 USLE和Corine模型。此外,RIVM模型 50 km的分辨率和过于简化的影响参数也制约了其运用与推广。

3.3 基于散点数据和专家意见的统计分析模型

基于散点数据和专家意见的统计分析模型以Hot-spot和GLASOD(Global Assessment of Soil Degradation)模型为代表[3]。Hot-spot模型将欧洲大约 60个试验点的水力侵蚀数据(实测资料、文献数据及模型结果)与 GIS结合,得到在当前土地利用和气候影响条件下欧洲土壤侵蚀的风险状况。该模型首先从宏观上区划土壤侵蚀过程相似的区域,再对区域内试验点的侵蚀状况作详细统计。据 2001年的模型预测,欧洲土壤侵蚀以土地利用、表土性质和气候特点为标准分为东欧、南欧和黄土带 3大区域,其中,英格兰试验点除西南部外,年均土壤侵蚀率小于 130 t/(km2◦a)[33];然而,由于土壤侵蚀的地域分散性和时间间断性,该模型对非试验点的内插结果并不理想,但其仍然对基于影响因子及侵蚀过程的模拟有重要意义。

GLASOD模型始于 1988年,以统计分析各国专家意见为基础[34],得到第 1个全球范围的土壤侵蚀状况图。1995年,欧洲各国专家又对 GLASOD模型资料进行了更新[35],结果显示,水蚀是欧洲土壤流失的主要形式,侵蚀严重的土地比例低于 10%,其中英国土壤侵蚀程度较轻;然而,该模型 10 km的分辨率和非统一的评价标准,使得其应用将逐渐局限于仅做土壤利用决策上的参考。

3.4 基于物理过程和空间分布的定量预测模型

为实现基于统一评价标准的长期土壤侵蚀定量预测,1999年启动的 PESERA(Pan-European soil erosion risk assessment)项目以建立基于物理过程和空间分布的欧洲土壤侵蚀模型 PESERA为主要目标[36]。PESERA模型将降雨—径流、生物过程和泥沙输移模型相结合,以气候、土壤性质、地貌和地形因子为主要参数,采用 1 km的分辨率能清晰反应气候和土地利用变化的影响,使未来的土壤侵蚀定量预测和侵蚀治理方案评价成为可能。预测结果表明,英国大部分地区土壤侵蚀率低于 200 t/(km2◦a),而侵蚀率超过 500 t/(km2◦a)的土地仅限于苏格兰东南部、英格兰中部和南部的少量区域[37]。然而,模型对威尔士边境和英格兰西南部的粉土侵蚀量预测偏低,需要对这些地区的降雨—径流模拟和地貌参数做进一步的改进才能得到更可靠的土壤侵蚀预测结果。

4 土壤侵蚀防治技术

4.1 土壤侵蚀防治决策

英国认为,整体的规划管理是长期解决土壤侵蚀及其环境负效应的唯一方法[16]。控制侵蚀要考虑土壤和地貌特性[38],保证其与农业、经济、环境和社会目标相平衡,并为侵蚀土壤的修复提供资金支持。同时,土地的可持续利用被作为土壤侵蚀控制和治理的发展方向,农场规模的土壤可持续利用管理规划正逐渐受到重视[39-40]。在英国,土地根据水力和风力侵蚀程度分为 5个等级,通过统计各等级的侵蚀面积与治理范围和措施,确定各等级每年最有效的水土保持时间。此外,结合 GIS技术的土壤侵蚀风险评价和预测,也为制订有效的土壤侵蚀防治方案提供了重要信息。在决策的制订和执行上,英格兰、苏格兰、威尔士和北爱尔兰有各自独立的机构。DEFRA制定英格兰的土壤政策,EA负责英格兰和威尔士的土壤环境保护,而 DCLG着重未来策略的规划[8]。

4.2 土壤侵蚀防治措施

英国的土壤侵蚀防治围绕农业展开,多注重植被盖度及耕作方法,较少有大型工程[7,21]。其通过化学方法加速土壤熟化或泥炭岩掺石灰措施,将次等地改为优质良田[7,10],此外,环境、林业和建筑业法规中也加入了控制土壤侵蚀的内容[16]。目前,城镇土壤侵蚀[8,26]及耕地侵蚀的间接影响[5,12],如河道淤积和洪水威胁[4,6]也逐渐受到关注,成为土壤侵蚀防治的重点。

在英格兰,最普遍的防治措施是改变耕作季节和方式,以及在休耕地和易侵蚀的土地上种草[13,21]。具体表现为[8]:1)减少冬季谷物的种植,改为初秋和春天播种;2)在低地采用等高线耕作,减少湿地的机械使用,优先选择对土壤压力小的机械设备;3)种植和保护绿化防护带,以减少风蚀;4)保护易侵蚀的土坡,用缓冲带(如栅栏)拦截坡地泥沙;5)管理和控制放牧的区域与数量。

在威尔士,现行土壤侵蚀防治措施因地制宜,而寻求更好的水土保持和土壤侵蚀修复措施将是未来工作的重点[16]。现行措施有:1)非城镇地区,重点控制路边未保护土壤的侵蚀;2)农耕地区,政府定期发放基于农耕措施的土壤侵蚀防治手册;3)森林地区,建议经济林种植者采取措施以减少土壤退化;4)建筑用地,制定了有关土壤流失控制的建筑法规。

未来举措如下。1)采用更好的水土保持建议与措施:a)在农业地区,提高公众对农田土壤流失会造成经济环境损失的意识;b)明确国家农业环境计划和其他项目中的水土保持责任;c)确保土壤保持的管理方式与农业环境计划相符。2)修复侵蚀的土壤:a)围圈侵蚀土壤,禁入和禁牧,让该地区的草地自然恢复;b)在牲畜棚的周围和进口处铺上硬质材料;c)用栅栏保护沟渠和河流边岸,防止牲畜破坏河岸;d)将缓冲带与其他农田措施相结合,拦截细颗粒泥沙;e)恢复草地、灌木和乔木的种植;f)播种及利用肥料固土;g)利用草垫和土工织物适当维持表土,防止土壤颗粒的移动;h)用硬质材料如木头、水泥和石块修复小路。

5 启示与建议

总体而言,英国的土壤侵蚀并不严重,但从其对侵蚀因子的研究、侵蚀模型和评价方案的开发程度以及土地规划利用理念和土壤侵蚀防治技术可看出,英国仍然十分重视土壤侵蚀的研究和治理,因此,英国在土壤侵蚀方面的研究成果可为我国土壤侵蚀学科的建设发展提供有价值的参考。

1)英国基于压力指标、影响因子、物理过程的土壤侵蚀定量模型及散点数据与 GIS结合的先进技术均可借鉴,以提高我国土壤侵蚀和预报模型的精度。

2)英国对侵蚀影响因素的研究较为成熟,涉及气候、土壤类型、地表状况和人为活动等多个方面,可作为丰富我国土壤流失机制研究的理论资源。

3)英国逐渐将土壤物质成分的分析,如土壤中有机物、污染物和生物活性的分析,城镇土壤侵蚀以及土壤侵蚀造成的洪水危害纳入研究重点,对其借鉴有助于拓展我国土壤侵蚀领域的研究。

4)英国在土壤侵蚀防治中重视土壤质量及其可持续利用,兼顾农业、社会、环境、经济利益的整体规划管理理念,对我国土壤侵蚀的治理有积极的启示意义。

5)英国针对农耕地的侵蚀防治措施,可为我国耕地土壤侵蚀治理的规划和布局提供参考。

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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

项目名称:中国水利水电科学研究院 2007—2008专项“世界典型国家土壤侵蚀与泥沙科技前沿研究”(KY 0713);水利部948项目“水库功能评价体系与指标体系研究”(200833)

李薇(1984—),女,博士研究生。主要研究方向:水力学及河流动力学。E-mail:w.li@tudelft.nl

†责任作者简介:刘孝盈(1964—),男,教授级高工,博士,硕士生导师。主要研究方向:水土保持和泥沙。E-mail:liuxy@iwhr.com

(责任编辑:宋如华)