土壤侵蚀监测的历史回顾与展望

土壤侵蚀监测的历史回顾与展望

土壤是地球的“皮肤”。在自然力和人类活动的作用下，土壤和其他材料在土壤侵蚀、分离、运输和沉积后形成土壤侵蚀。土壤侵蚀不仅造成诸如土壤养分流失、土地退化等原生问题,还带来诸如洪水泛滥、河道淤积、水体面源污染等次生环境问题,是当今世界普遍关注的环境问题。土壤侵蚀监测对土壤侵蚀发生、发展、危害及水土流失防治效益进行调查、观测和分析,为认识水土流失现状、研究土壤侵蚀规律、制订水土流失防治规划、设计水土保持措施、评价水土保持效益和行政监督执法提供指导。自开始土壤侵蚀研究以来,土壤侵蚀监测技术不断发展。1882年德国土壤学家建立了微型径流观测小区,开拓了土壤侵蚀定量监测的历史。径流观测小区的出现和迅速发展,积累了大量的观测数据,为土壤侵蚀预报模型的提出奠定了基础。常规土壤侵蚀监测方法主要包括调查法、径流小区法、侵蚀针法、水文法、模型估算法和遥感解译法等。常规方法野外工作量大、效率低、周期长,不能适应现代土壤侵蚀监测高时效性、自动化、系统化的发展趋势。随着现代认识和技术水平的发展,土壤侵蚀监测技术出现多学科的交叉结合,监测精度也由定性到半定量、定量和精确定量的提升。先进的多元数据遥感监测、航拍技术、多孔径雷达技术、光电探测技术等开始融入土壤侵蚀监测领域。笔者主要介绍现代地形测量、核素示踪、沉积泥沙反演和现代原位监测等现代土壤侵蚀监测方法和技术,期待促进土壤侵蚀监测新方法和新技术的推广与应用。1土壤侵蚀dem土壤侵蚀和沉积在地形上表现出细微变化,现代地形测量技术监测土壤侵蚀和沉积的前提是能够甄别出这种微地形变化,即满足精度要求。传统土壤侵蚀调查借助地形图在野外目视判读勾绘侵蚀图斑,只能实现定性或半定量的评价。数字化测量技术的发展解决了传统方法费时费力,精度低的缺点。数字高程模型(DEM)的出现极大方便了现代地形景观演化研究。利用DEM进行土壤侵蚀监测主要分2类:1)直接利用数字高程模型计算土壤侵蚀量或沉积量;2)利用DEM提取地貌特征值(坡度、坡长、坡向等),结合相关模型和水沙统计资料分析土壤侵蚀或沉积。1.1激光微扫描三维激光扫描是20世纪90年代中期发展起来的以激光应用为基础的实景复制技术。三维激光扫描仪在不接触被测目标,不对流域坡面产生人为干扰的情况下获取目标若干点数据,进行高精度的三维逆向模拟,重建目标的全景三维数据或模型。基本原理是由激光脉冲二极管周期性发射出激光脉冲经旋转棱镜射向目标,电子扫描探测器接受并记录反射回来的激光脉冲,产生接受信号,光学编码器记录整个过程的时间差和激光脉冲角度,微电脑根据距离和角度计算采集点三维信息。目标范围内连续扫描便形成“点云”数据,经后处理软件对“点云”处理,转换成绝对坐标系中的模型并以多种格式输出。土壤侵蚀监测对2个时相的目标扫描数据进行配准和叠加处理,分析计算土壤侵蚀和沉积量。赵军等用激光微地形扫描仪对放水冲刷后的坡面地表进行扫描,得到不同坡度细沟侵蚀等高线图,分析出侵蚀体积与侵蚀投影面积的关系,结果表明:坡度越小,侵蚀面积越大,沟蚀体积越小。潘少奇等分析了由三维激光扫描获取的不同精度DEM对地形和流域特征研究的影响。1.2基准站和监测站的跟踪全球定位系统(GPS)的实时动态测量技术采用实时处理2个测站载波相位观测量的差分方法,实时三维定位,精度可达到厘米级。基本原理是:2台GPS接收机分别作为基准站和流动站并同时保持对5颗以上卫星的跟踪。基准站接收机将所有可见卫星观测值通过无线电实时发送给流动站接收机。流动站根据相对定位原理处理本机和来自基准站接收机的卫星观测数据,计算用户站的三维坐标。利用GPS获取目标多时相DEM并将其配准到同一坐标系,对比获取目标的土壤侵蚀量或沉积量。游智敏等介绍了用高精度GPS监测切沟侵蚀过程的技术并将其运用于黑龙江漫川漫岗黑土区,展示出了高精度GPS在切沟侵蚀监测中的高精度、快速度等优越性。1.3图像压缩和数字影像检测摄影测量技术用于土壤侵蚀研究始于20世纪60年代,人们利用航空像片获取、识别土壤侵蚀信息。摄影测量发展到当代,经历了模拟摄影测量、解析摄影测量和数字摄影测量3个发展阶段。特别是数字摄影测量的出现,融合了摄影测量和数字影像的基本原理,应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等技术,将摄取对象以数字方式表达。GPS辅助动态精密定位,实现空中自动三角测量,提高摄影测量的效率和精度,即利用安装在飞行器上和设在地面多个基准站的GPS获取航摄仪曝光时刻摄站的三维坐标,将其视为附加摄影测量观测值引入摄影测量区域网平差中,以空中控制代替地面控制来进行区域网平差。R.C.Derose等用摄影测量产品生成DEM研究新西兰冲沟侵蚀的发育过程,计算2时相的冲沟侵蚀产沙量。L.P.Prosser等基于摄影测量技术阐释了地形因素对冲沟发育的影响。1.4合成孔径雷达干涉测量系统合成孔径雷达(SAR)以飞机或者卫星为搭载平台,通过接受能动微波传感器发射微波被地面反射的信息来判断地表的起伏和特征。SAR同时还记录反射电磁波的相位信息。合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)是将SAR单视复数(SLC)影像中的相位信息提取出来,进行相位干涉处理得到目标点三维信息。由于InSAR是相干成像系统,对每一地面像点都同时记录雷达波的振幅和相位信息。差分雷达干涉测量利用重复轨道观测获取干涉相位,通过差分处理去除2次观测的共有量,得到形变相位,反算地形变化量。差分雷达干涉测量具有一定的穿透能力,能克服不良天气的影响,对地形变化监测精度可以达到厘米级或者更高,具有连续空间覆盖特征。1.5遥感及飞行控制系统低空无人飞行器遥感是随计算机、GPS和飞行控制技术发展而兴起的一种遥感测量系统,集飞行器控制技术、遥感传感技术、通讯技术、GPS差分定位技术于一体,以无人飞行器为飞行平台,高分辨率数字遥感设备为机载传感器,获取低空高分辨率遥感数据。性能稳定、质量轻的无人驾驶飞行平台是该系统的基本硬件设施。遥感传感器和控制系统用于获取遥感影像,是系统的重要组成部分。飞行控制系统用于飞行器控制和携带设备管理,是系统的中枢神经。无线电遥测遥控系统则用于向地面发送飞行数据和遥感设备的状态参数,遥控系统则是地面人员向飞行器及设备发出任务命令的传输系统。无人飞行器低空遥感系统具有机动、快速、经济等优势,解决了传统航空摄影技术对机场和天气条件的依赖性、成本高、周期长等问题,在土壤侵蚀监测中具有广泛的应用前景。1.6探针侵蚀深度计算光电侵蚀针是在一个透明的聚丙烯管中依次排列的一组光电池感应可见光,入射子激光发出的光生载流子在外加偏压下进入外电路后,将光信号转变为电信号,形成可测光电流,根据探针传感器产生的电压与探针暴露长度正比例关系推算侵蚀深度。光电侵蚀针可自动监测土壤侵蚀和沉积过程,连续记录地貌变化。2土壤侵蚀和沉积相的确定随着核素分析技术的发展和利用,核素示踪成为土壤侵蚀监测的一种新方法。核素示踪在不改变原地貌、不需要固定的野外观测设施的条件下对土壤侵蚀进行定量表达,具有成本小,劳动强度低,分析和量化精度高等特点。其基本原理是:测定研究区土壤核素含量和空间分布,比较其核素含量与环境核素的输入量,即本底值的差异来表征该区的侵蚀或沉积。当测量点的核素含量超过了本底值,表明该点存在沉积过程;当测量点的核素含量低于本底值,表明该点发生侵蚀过程。建立土壤侵蚀、泥沙沉积与核素含量之间的定量关系,利用定量模型将测量点的核素含量转换为土壤侵蚀或沉积量。核素示踪的关键是核素本底值的确定,可以通过长期核素沉降监测数据计算得到,也可在研究区内或附近选取本底值样点测得。本底值样点一般选取为既没有发生侵蚀也没有发生沉积的部位。目前,应用放射性核素示踪土壤侵蚀成为研究热点。常用的137Cs、210Pbex和7Be都是大气散落核素,即分散于大气中的核尘埃随干湿沉降到达地表后快速、强烈地吸附在土壤颗粒上,形成土壤中的放射性核素。吸附于土壤颗粒上的核素随土壤颗粒运用发生迁移,土壤中核素的运动和再分布能够反映出土壤颗粒侵蚀和再分布的情况。1土壤侵蚀速率环境中不存在天然137Cs,土壤中的137Cs系人为来源。137Cs产生于20世纪50—70年代的大气核试验,半衰期为30.2a。核爆炸产生的137Cs进入平流层后在全球范围内分布,进入对流层后随降水或降尘到达表层土壤。137Cs沉降量的差异反映了研究区降雨量和距离137Cs扩散地远近的差异。到达地表的137Cs与土壤黏土颗粒紧密结合,不被淋溶和植物吸收,随土壤颗粒发生机械迁移,成为示踪土壤侵蚀速率和侵蚀空间分布的理想物质。非农耕地土壤剖面中,137Cs主要分布在土壤表层0～5cm内,向下呈指数衰减,20cm以下基本不含137Cs;农耕地土壤剖面中,人为翻耕混合作用使137Cs均匀分布于犁耕层内。137Cs可估算自1963年以来的平均土壤侵蚀速率。目前已开发出基于各种理论基础的转换模型,表1概括出137Cs示踪各模型的优缺点及适用范围。137Cs法于20世纪90年代引入我国,张信宝等最先用137Cs研究黄土高原土壤侵蚀速率。齐永青等探讨中国137Cs本底值的区域分布特征。文安邦等用137Cs示踪法研究了长江上游水土保持“长治”重点治理区的云贵高原、川中丘陵区和三峡库区的紫色土坡耕地土壤侵蚀速率,结果表明影响紫色土坡耕地平均侵蚀速率的主要因子为坡度、坡长、降雨量和土壤粒度,计算结果与对应地区的径流观测基本一致。冯明义等对比黄土高原赵家沟小流域1993年前后坝库泥沙淤积量及其137Cs含量,分析了黄土丘陵区梁峁坡地退耕后流域输沙模数的变化,结果表明退耕后短期内流域产沙没有减少,反而有所增加。2大气来源及侵蚀速率与137Cs不同,210Pbex和7Be都是天然大气核素,向土壤的输入基本恒定。210Pbex的半衰期为22.2a,产生于土壤中的部分222Rn进入大气衰变成210Pbex后通过干湿沉降到达地面,与土壤表层的黏土矿物和有机质结合,成为土壤中210Pbex的大气来源。210Pbex主要分布在土壤表层的0～20cm内,可示踪过去100a内的土壤平均侵蚀速率。张信宝等推导出用以计算土壤侵蚀速率的非农耕地和农耕地土壤中210Pbex稳定态分布质量平衡模型。3be沉降特性宇宙射线轰击地球大气中氧原子和氮原子靶核形成7Be通过干湿沉降达到地面,半衰期为53.3d。P.J.Wallbrink研究得出7Be的湿沉降量与降雨量存在一定的相关关系:湿沉降通量/(Bq/m2)=1.03×降雨量/mm+0.42(R2=0.6),而月均干沉降的贡献率仅占3%～8%,影响7Be沉降通量的主要因素是降雨。沉降到地表的7Be有很少一部分随水流流走,大部分被快速吸附在土壤颗粒上,与Fe-Mn氧化物和有机质结合,在自然条件下不易被溶析,随着土壤颗粒的运动而迁移,为示踪土壤季节性再分布奠定了基础。7Be主要分布在土壤表层的0～2cm内,适用于示踪短期或次降雨土壤侵蚀。白占国等利用7Be示踪喀斯特地区土壤侵蚀的季节性变化。贺秀斌等用7Be示踪工程建设弃土弃渣场的水土流失速率。137Cs、210Pbex和7Be的示踪特点见表2。4侵蚀风险高度单核素示踪存在核素分布变异性大的问题。半衰期和空间分布的差异决定了复合核素示踪可提高示踪精确度。石辉等指出可联合137Cs和210Pbex研究侵蚀发生过程。杨明义等根据7Be和137Cs的剖面分布特征,在农耕地小区用人工降雨精确得到面蚀和沟蚀产生的土壤侵蚀量。李俊杰等联合137Cs和210Pbex研究三江源区东西样带土壤侵蚀特征。3积序列的重新解释湖泊或塘库沉积泥沙是流域侵蚀土壤的汇,记录流域近期环境变化。泥沙反演法利用保存在湖泊或塘库泥沙沉积序列中的各种信息来重构流域土壤侵蚀和沉积过程。沉积泥沙反演主要通过2种途径实现:1)利用积沙量计算湖泊或塘库淤沙模数、河流含沙量、泥沙输移率、土壤侵蚀速率;2)利用保存在泥沙中的各种物理、化学、生物和放射性性质示踪泥沙来源,研究流域侵蚀时空分布。图1概括了沉积泥沙反演法的上述2种实施途径。3.1土壤侵蚀模数计算沉积泥沙测量通过确定流域侵蚀面积、沉积面积和沉积时间,用塘库泥沙沉积量来推算淤沙模数。在不考虑泥沙输移比或者泥沙输移比已知的前提下,计算流域土壤侵蚀模数。谢良胜等在不考虑岩溶盆地型喀斯特地区泥沙输移比的情况下,测定了乌蒙山脉麻窝山盆地泥沙沉积厚度,计算泥沙沉积量,结合侵蚀面积和淤积时间求得汇水流域土壤侵蚀速率高达2900.55t/(km2·a)。张广兴等用建库时的库容减去现在测量所得的库容求得川中丘陵区塘库的淤积量,利用非线性回归分析,求出影响因子与塘库淤积的关系,拟合出塘库淤积与各个土壤侵蚀影响因子的关系模型。3.2沉积物沉积物固结代3.2.1沉积泥沙中张力分布特征Cs作为人为核素,输入具有确定的时间模式,137Cs在沉积泥沙剖面的垂直分布对应着这一时间模式,因此137Cs是理想的沉积泥沙计年示踪剂。137Cs在全球范围的广泛分布始于1952年的热核试验,土壤中最早监测到137Cs的存在始于1954年。全球137Cs沉降的主要时期为1958年,1963年沉降量达到最大,以后逐年减少,1984年北半球137Cs沉降量已达到检测限以下。1986年前苏联切尔诺贝利核泄漏事故使得全球部分地区137Cs沉降呈现短暂的增加。137Cs大气沉降的时间模式见表3。吸附有137Cs的土壤被剥离、运移、沉积,形成沉积泥沙。沉积剖面137Cs浓度的变化主要取决于汇入湖库泥沙的137Cs浓度变化。侵蚀越严重的流域,137Cs含量降低越快。淤积泥沙剖面中137Cs浓度的递减速率取决于流域内土地利用方式及土壤侵蚀程度。沉积泥沙中137Cs的垂直分布与大气沉降137Cs时间分布相关,沉积泥沙垂直剖面中各层137Cs值反映了各个沉积层形成时期的大气137Cs沉降量,137Cs在沉积泥沙中的特异值可用作时标。137Cs计年的时标见表3。在未受人为扰动或可识别的人为扰动条件下,采集沉积泥沙柱样,测量各层的137Cs含量,根据137Cs值的垂直分布甄别出特定年份的沉积层即可作为沉积层的时标,估算泥沙沉积速率。结合塘库管理和流域上游泥沙淤积情况,可进一步计算流域的输沙模数和土壤侵蚀模数。国内万国江等首先用137Cs计年法研究了红枫湖沉积物剖面的侵蚀示踪。贺秀斌等根据湖库沉积剖面中1970年以后的137Cs浓度递减速率,推导出农耕和非农耕流域平均表层侵蚀速率的理论模型,根据实测数据验证表明该模型具有较高的精确度,为区域水土流失评价提供了便捷的替代性技术方法。曾理等根据文献资料总结了中国地区湖泊沉积物中137Cs分布特征和影响因素,影响137Cs沉积剖面分布的因素包括纬度、海拔、地貌、降雨、植被和人为活动。张信宝对国内一些湖泊沉积剖面不同于典型剖面的原因、不应存在1974年的次蓄积峰、青藏高原大气污染核事故的屏蔽作用等方面进行了探讨。齐永青等分析了川中丘陵区和三峡库区塘库沉积137Cs特点,确定了1963年以来的塘库淤沙量,并根据淤积面积计算了淤沙模数,结合塘库管理和流域上游泥沙淤积情况分析了流域输沙模数和侵蚀模数。3.2.2非本片型pcr中小企业土壤中原位产生的210Pb与土壤中的226Ra平衡,称为本源210Pb;而土壤中的部分222Rn向大气中扩散,衰变产生210Pb后沉降进入土壤中,这部分210Pb不与母体226Ra平衡,称为非本源210Pb,即210Pbex。210Pbex广泛的自然来源、特殊的分配关系、其半衰期适合现代人类活动时间尺度环境过程的示踪使其作为理想的研究流域侵蚀过程示踪剂。通过淤积泥沙柱芯中不同层样品的210Pbex的比活度分析,可以计算湖泊或塘库的淤积速率或某一层的淤积年龄。张敬等比较了210Pbex计年的不同模式的计算精度和适用范围。137Cs和210Pbex计年的基本原理不同,目前研究倾向于将137Cs计年结果与210Pbex计年进行比较,以得出更加准确的计算精度。3.3与沉积泥沙转换模型泥沙来源“指纹”识别技术通过在泥沙和物源间建立一套“指纹”系统,即一系列泥沙性质,比较侵蚀泥沙和物源“指纹”性质的差异得出泥沙潜在来源对流域侵蚀产沙的相对贡献。结合塘库淤积泥沙总量,计算流域不同侵蚀部分的侵蚀模数和产沙模数。这种运用基于以下3个基本前提:1)“指纹”在物源间存在显著差异,具备对潜在沙源的诊断能力;2)“指纹”因子具有保存特性(conservativeproperty);3)转换模型具有客观计算侵蚀产沙贡献比的潜力。目前使用的“指纹”性质包括泥沙的矿物特性、粒度特征、养分、孢粉组合、同位素、放射性核素等(图1)。王晓利用黄土高原砒砂岩区小流域泥沙输移比接近1,流域产沙与沉积泥沙组成基本相同的特性,研究泥沙粒度分布建立黄土高原砒砂岩区3条典型支沟淤积泥沙来源,结果表明沟谷地是流域产沙的主要来源。J.Cater等以泥沙中的C、N、各种形态磷(总磷、无机磷、有机磷)、金属元素(Pb、Zn、K、Ca、Mg、Na、Cu、Al)和放射性核素(137Cs、226Ra、210Pb)作为“指纹”因子鉴别了流经城市河流系统泥沙来源,结果表明不同季节流域不同地区存在侵蚀产沙区变化。张信宝等研究了黄土高原土壤和沉积泥沙中孢粉的分布特征,表明:现代沉积物中,草地和坡耕地不是主要的土壤侵蚀区,古代侵蚀中沟谷地的侵蚀程度相对偏低,运用孢粉示踪流域植被和泥沙来源具有一定的潜力。龙翼等研究了陕北淤地坝中12.73m沉积泥沙剖面,其中的54个洪水沉积层分别为31a的洪水沉积组合,并根据泥沙剖面中泥沙粒度和孢粉浓度的变化,计算了每个堆积层相应暴雨的产沙模数,结合已有输沙资料,证明该地区研究年限内的土壤侵蚀强度与现代接近。4土壤侵蚀自动监测系统的构成随着现代数据采集、无线传输和数据自动分析技术的发展,现代原位观测成为土壤侵蚀监测发展的新方向。不同于径流小区、侵蚀针等传统原位监测技术,以土壤侵蚀自动监测系统为代表的现代原位监测满足了监测数据时效性和完