坡面土壤侵蚀监测技术研究现状及展望

张锦娟,陆芳春,赵聚国

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020)

土壤侵蚀是在自然外营力 (水、重力、风、温度变化等)和人为因素的作用下,地表土壤及其母质 (风化物或基岩)被剥蚀破坏、搬运和沉积的全过程。坡面是土壤侵蚀区最基本的地貌单元,是水蚀区基本的微地貌形态。坡面侵蚀过程往往伴随着土壤养分的流失,是导致山区、丘陵区土壤资源退化、环境恶化的一个重要因素,也是江河泥沙淤积、水资源恶化的重要溯源。掌握坡面侵蚀从发生、发展到演变过程,离不开坡面土壤侵蚀监测。本文在对坡面土壤侵蚀监测技术研究现状进行阐述的基础上,提出了土壤侵蚀监测技术的需求及发展方向。

1 坡面土壤侵蚀监测技术研究现状

1.1 坡面土壤侵蚀监测研究进展

土壤侵蚀监测是以保护生态环境、合理利用水土资源为目的,通过各种监测技术、手段和方法,对水土流失的影响因子、现状、强度、侵蚀模数、产生的危害和防治措施成效进行动态监测和综合评估。土壤侵蚀监测工作是掌握水土流失区形势、防治水土流失和水土保持规划设计工作的前提,同时为水土保持监督管理提供重要的数据支持。

土壤侵蚀监测起源于径流小区的水土流失观测。19世纪80年代,德国土壤科学家Wollny首次从事科学定量测定水土流失试验[1],他陆续研究了坡度、植被、土壤类型、坡向等因子对水土流失造成的影响。1912年Wollny曾在美国犹他州建立观测小区进行放牧所导致的水土流失监测。1917年Miller建立了第一个现代意义上的侵蚀小区。进入20世纪40年代后,Zingg、Smith和Wischmeier等美国土壤科学家通过长期试验观测研究各种自然因素对水土流失的影响,最后建立了美国通用水土流失方程。学者[2-4]借助于野外水土流失试验、水文观测、室内模型实验等土壤侵蚀监测的方法,获取影响水土流失过程的气候、土壤、地形、地质等各种因素的参数值,建立和修正了USLE、RUSLE、WEPP等水土流失预测评价模型。

我国的土壤侵蚀监测开始于20世纪40年代,在天水、绥德、西峰等地建立了首批水土流失监测站,到1960年,全国已有水土保持试验工作站181处,利用这些试验站的水土流失试验观测,对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、土地利用变化进行了长期监测,为水土保持科学发展提供了科学依据。20世纪80年代以后,水土流失的观测手段和设备有了一定的改善,新的观测试验站点陆续投入运行,地面观测在全国不同侵蚀类型区相继展开。同时,随着遥感技术的普及和国家投入的增加,全国及大区域的监测工作全面开展,1999年至今,水利部每5 a组织开展一次全国土壤侵蚀遥感调查,并随时发布成果公告。最近20 a,由于遥感、地理信息系统、全球定位系统等地球空间技术和计算机技术的广泛应用,使水土流失宏观监测得以快速发展,二者优势互补,有力地支持了国家和地方水土保持建设。但这一时期水土流失的地面监测手段却没能得到同步发展,一些传统并沿用至今的微观坡面、小区流失监测手段和估算方法已经不能满足当前对水土流失定量化、精细化的要求。

1.2 坡面土壤侵蚀监测的主要方法

土壤侵蚀微观监测主要依靠小区径流定位观测、土壤和泥沙理化分析、实地调查询问等常规方法,根据不同的监测对象和目的,所采用的方法不同。就坡面土壤侵蚀监测而言,常用的有测钎法、人工调查法、糙率仪等方法,也有一些学者研究利用遥感和空间定位技术、三维扫描技术的方法来监测坡面土壤流失[5-6]。纵观坡面土壤侵蚀监测的各种技术方法,可分为接触式和非接触式测量2类。接触式测量一般为传统的技术方法,对监测人员的参与性要求较高,水土流失监测环境具有一定的危险性,未来监测手段发展的重点应为非接触式测量。

1.2.1 接触式测量

接触式测量方法有人工手动测量 (侵蚀沟体积量测法)、测针法(地表糙率仪)、测钎法、核示踪法等。

1.2.1.1 人工手动测量

人工手动测量 (侵蚀沟体积量测法)是坡面水土流失监测中最常用的方法,即在监测区内按一定比例选取样地,通过调查样地内侵蚀沟的数量(条数),测量每条或者几条典型侵蚀沟的沟长、沟深、沟宽等要素,按近似形状 (U型或V型等)估算侵蚀沟的体积得出土壤侵蚀量,该法操作简单,应用普遍,但估算精度较低。

1.2.1.2 测针法

测针法由Kuripers提出,通过多根联排测针测定地面基点的高度值,获知微地貌的地形变化。Brough等曾就该法提出改进[7],在此基础上具体化为“地表糙率仪”。它由51根测针组成,每根测针的长度为50 cm,测针间距为2 cm,在进行测定时,将该仪器沿坡面置于试测区,依次读取各测针的数值。“地表糙率仪”的架设、观测主观性强,测量精度有限,目前已很少使用。

1.2.1.3 测钎法

测钎法通过在简易水土流失观测场有规律的埋设测钎来观测土壤侵蚀量[8],是开发建设项目水土流失地面监测的常用方法。从实践应用来看[9-10],此方法存在控制点易遭到破坏、读数主观性强、外业工作量过大、测量精度不够高等缺陷。

1.2.1.4 核示踪法[11-12]

核示踪法是20世纪60年代后兴起的一种新型土壤侵蚀监测方法,一般可以分成单核素示踪、多核素复合示踪及REE示踪法等。核示踪法判别土壤侵蚀的理论依据在于,土壤侵蚀和沉积作用是导致小范围的侵蚀环境内土壤中示踪剂的迁移和再分配的主要原因。该方法在定量研究土壤侵蚀演变过程及坡面侵蚀形态随着降雨历时的演变过程方面,较传统方法具有优越性。缺陷在于土壤样品采集和样品分析测试任务繁重、费用高昂,监测点基准值确定的可靠性也影响了土壤侵蚀模数计算结果的准确性。

1.2.2 非接触式测量

非接触式测量方法目前主要依托空间遥感和定位技术,有高精度GPS、航拍图像法和三维激光微地貌扫描仪法等。

1.2.2.1 高精度GPS[6]

高精度GPS法采用RTK(实时动态测量)技术,在理想环境下,具有高定位精度的特点,可达到厘米级。由于水土流失监测作业环境往往地形复杂,从实践效果来看,在天气条件恶劣时,接收机难以搜索到足够的卫星数目,对于中小型坡面侵蚀沟,很难确保沟沿线、沟底地形特征线测量的质量。

1.2.2.2 航拍图像法

航拍图像法类似宏观遥感影像监测的做法,采用大比例尺多时相航拍影像监测微地貌环境不同时段的侵蚀形态时,由于其空间分辨率及时间分辨率的不足,往往难以较好地反映坡面沟蚀在微小尺度上的特征和变化,尤其是沟深的变化。

1.2.2.3 三维激光扫描[6,13]

三维激光扫描仪法采用非接触式激光技术测量地表,以此获取地形或复杂物体的几何图形和影像数据,并由后处理软件处理以满足不同的应用需要,被认为是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术的革新,自产生以来已在很多领域得到应用。三维激光微地貌扫描仪应用于水土保持监测,需要提供监测场地的地形数据,目前仪器成本高昂,操作、运转较为复杂,当监测区植被较为密集时,对监测数据的准确性影响大,后期数据处理仍没有理想的解决方法。

2 坡面土壤侵蚀监测技术发展的需求

我国水土保持监测实践和理论研究都还是一个十分年轻的领域。近年来,水土保持研究和管理部门对水土保持监测不断提出更高的要求,监测人员素质水平的提升,计算机信息技术、遥测技术、自动化地面测量技术的发展,为土壤侵蚀监测技术进一步发展提供了人力和技术保障,加之日益紧迫的开发建设项目水土流失监测的实践需求,均为土壤侵蚀监测技术的发展带来契机。

2.1 促进水土流失理论研究发展的需求

坡面侵蚀形态变化与侵蚀沟道系统演变过程研究离不开坡面土壤侵蚀监测。随着侵蚀强度的递进,坡面形态和沟道特征也在不断变化[14]。利用先进技术手段观测侵蚀过程中坡面不同坡位的坡度、坡形和沟道内外高差变化,可以进一步把握坡面土壤侵蚀演变过程,合理布设水土流失防治措施体系。新的监测技术手段会促进基础性理论研究成果的产生,对于提升水土流失地面监测水平,提高坡面土壤侵蚀监测工作效率均有所帮助。

2.2 水土保持监测实践工作的需求

随着生产建设项目水土保持监测工作的逐步规范,适合于各种自然条件和各类扰动区的坡面水土流失监测技术成为监测工作的一大难点和技术人员探讨的重点。通过长期监测实践发现,目前常用的地面定位观测、抽样调查和遥感监测等方法和技术已不能完全满足监测数据定量化、可靠化的需要。水土保持监测实践工作水平的提高需要依托各种水土保持地面监测技术方法的研究,通过创新监测的技术手段和方法,推动水土保持各项事业的进程,提高整个社会对水土保持工作的认可。

3 坡面土壤侵蚀监测技术发展的方向

坡面土壤侵蚀监测属于微观监测范畴,仅提供水土流失面积、强度、侵蚀量的估算结果显然不够,坡面土壤侵蚀监测要求监测指标更加丰富、测量精度更高,需要掌握流失区侵蚀速率、径流、流失量、侵蚀沟分布和微地貌环境动态变化数据,为土壤侵蚀机理研究、宏观监测数据联系与校正提供依据。目前常用的测钎法、人工调查法、糙率仪等技术方法,在科技含量、测量精度方面还有待提高,监测手段的粗略性、薄弱性往往会制约水土流失监测水平的发展,这一点在微观监测手段中表现得更加突出。在今后的研究中,不断完善、创新各种监测技术手段,仍将是全面深入研究坡面土壤侵蚀的前提。建立一套以非接触式量测方法为主,以接触式方法为辅,各种方法优势互补、有效结合的监测方法体系是未来坡面土壤侵蚀监测技术研究和发展的重要方向[15]。

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