《土壤侵蚀研究方法》介绍了土壤侵蚀研究所需要的基本方法，包括土壤侵蚀速率的测量、模拟实验、侵蚀模型、调查与制图、仪器与设备等，并且介绍了每种方法的作用、用法和常见问题与错误。了解这些方法有助于开展土壤侵蚀研究。

第1章绪论
　　土壤侵蚀是指风和水等外营力对土壤的消损过程（刘宝元等，2018）。美国科学家L.D.Meyer把土壤侵蚀的研究内容概括为5个方面：涉及的原理、出现的过程、预测的方法、相关的数据和控制的措施。
　　上述内容所采用的研究方法主要有实地观察、定位监测、核素示踪、模拟实验、模型构建与应用、调查与制图、数理统计分析与推理等。
　　1.1小区小流域定位监测
　　定量测量土壤侵蚀速率是土壤侵蚀研究*重要的一步。土壤侵蚀定量测量主要有两种方法：径流小区法和核素示踪法，高程测量法精度太低不能作为科学测量的一种方法。径流小区又称径流侵蚀小区，也可称为土壤侵蚀实验小区，是*基础、***且*重要的研究方法之一。德国科学家Ewald Wollny于1882年和1883年进行实验和观测（Baver，1938），他用边长80cm的方形小区研究了土壤类型、坡度和坡向对土壤侵蚀的影响，同时也研究了不同作物和种植密度对降雨的拦截作用。美国土壤学家Baver（1938）认为EwaldWollny这项研究是土壤侵蚀定量研究的先驱工作。30多年后，美国采用了这种方法并加以改进，*终Miller、Benette等学者利用6英尺①宽，72.6英尺长，即1/100英亩②的小区，测量、计算和对比土壤侵蚀速率（Meyer，1984）。后来，Wischmeier和Smith（1978）定义了单位小区（unitplot），我国将其翻译成标准小区。标准小区和降雨侵蚀力的提出对土壤侵蚀研究起到了巨大的推动作用，使得不同气候条件和农田管理措施的资料可以进行对比和统一分析。另外，标准小区也是测量土壤可蚀性的小区。
　　小区监测土壤侵蚀的精度从侵蚀厚度的角度来说可以到纳米级，其精度小于土壤形成速率就可以满足土壤侵蚀研究和水土保持实践的需求。而土壤形成速率为0.025～0.08mm/a，即25～80叫/a，也就是说，小区监测精度在小于25叫时就能满足水土保持生产实践的需要。径流小区是土壤侵蚀研究科学而**的方法，按大小可划分为微型小区、典型小区和大型小区。在美国*常用的小区面积为1/100英亩，约40.5m2。其面积在中国为100m2，因为中国*早在甘肃省天水建设径流小区时参考美国小区长度，取整数20m，由于农作物不是行播且比较稀疏，需要更宽一点的小区才有代表性，所以选择了5m宽。这两种小区是典型小区，用于测量不同坡度、不同作物、不同水土保持措施土壤侵蚀研究方法的土壤流失速率，也是测量土壤可蚀性的小区。另外两种小区分别是微型小区和大型小区。微型小区多用于人工模拟降雨实验，以及雨滴击溅侵蚀、土壤可蚀性、秸秆覆盖或砾石覆盖等研究，有时也称其为土盘。大型小区有时也称为径流场，用于浅沟切沟侵蚀观测、坡面汇流影响、水土保持措施配置效益、梯田工程措施效益等。具有代表性的微型小区是EwaldWollny（1882年）的小区，大小为80cmx80cm（Baver，1938）；具有代表性的大型小区是SampsonA.W.于1912年在犹他（Utah）州，建设的两个10英亩（约4hm2）的小区（Sampson and Weyl，1918），以及1963年在陕西子洲团山沟建设的9号径流场，面积为1.72hm2。根据前人研究成果，我们可以将小区坡长<10m的作为微型小区，10～100m和>100m的分别作为典型小区和大型小区。
　　小流域监测也是土壤侵蚀研究的范畴，一般来说，水文测量的小河站仍然比较大，而且其目的和土壤侵蚀研究不同。土壤侵蚀研究一般采用对比小流域的方法，即选取一个经过治理的小流域与一个未经治理的小流域进行对比，如一个植被覆盖良好而另一个植被状况不佳，或者一个以梯田为主而另一个梯田稀少等。小流域的面积在中国一般为0.2～200km2，因为子洲县岔巴沟流域内的小支沟——团山沟是0.18km2，岔巴沟是198km2。在水土保持领域，通常将面积小于50km2的区域视为小流域治理的范畴。而在美国的土壤保持工作中，小汇水区也被称为小流域。在水文学领域，面积小于1000km2的区域通常被称作小流域。此外，美国国家环境保护局（EPA）（2003）认为，面积为200km2的流域以及100km2左右的子流域，是进行流域管理规划较为理想的规模。
　　1.2核素示踪方法在土壤侵蚀研究中的作用
　　土壤侵蚀研究中的核素示踪方法，特别是137Cs示踪方法主要有两个重要的作用：**，该方法能快速地定量评估多年平均土壤侵蚀量，该数值是真实的侵蚀量，而其他方法一般是用土壤流失量来近似估算；第二，该方法能揭示土壤侵蚀的空间分布，这是径流小区方法难以做到的，因为径流小区只能通过不同坡长的变化来间接反映，几乎无法全面展现土壤侵蚀的空间分布特征。然而，核素示踪方法的精度受到多种因素的制约，因此必须经过径流小区的验证和校正。
　　1.3模拟实验的用途及其与野外监测的关系
　　模拟实验主要包括人工模拟降雨实验和人工模拟径流实验，同时也包括雨滴击溅实验、土壤抗冲性实验等。人工模拟实验有室内和野外两种，室内模拟实验的优点是容易控制，如坡度的调节、流量的大小、含沙水流的形成等。野外模拟实验的优点是土壤、植被等更接近自然状况。然而，无论是哪种模拟实验，其*大的缺陷是规模小，和实际有很大差别。因此，模拟实验的用途是研究基本规律，如随着坡度的增加土壤侵蚀的变化规律、植被覆盖度对土壤侵蚀的影响等。由于模拟实验条件与现实情况有很大的相似性，所以发现的规律也适用于实际。虽然野外监测结果反映真实的情况，但获取数据的速度极为缓慢，理论上讲，要全面监测从一年一遇到百年一遇暴雨引发的侵蚀情况，需要100年。而通常情况下，至少需要一个包含丰水年和枯水年的完整周期，即大约20年或更长时间来收集足够的数据。模拟实验则可以快速获取不同暴雨条件下的侵蚀结果，所以可以利用模拟实验得出规律，结合野外实际监测数据确定其实际大小并校正计算公式。
　　1.4模型的构建与应用
　　无论从水土保持的生产实践出发，还是从土壤侵蚀研究的本质需求来看，科学且精确地测量土壤侵蚀速率都是*要且必须解决的问题，我们必须掌握不同坡度、各种土地利用方式下的土壤侵蚀速率。然而，无论从时间还是财力、物力来说，测量是有限的，即便有无限的财力、物力和时间，也不能在每一寸土地上都进行测量或者都建成径流小区。因此，用有限的测量满足无限的需求就必须借助模型，这就是构建模型的原因和必要性。此外，模型能预测不同土地利用方式、不同水土保持措施在不同自然背景条件下的土壤侵蚀速率，这是水土保持规划和生态建设所需要的。
　　1.5区域土壤侵蚀调查与制图
　　土壤侵蚀调查的目的是了解现状，即评估在目前的土地利用和管理条件下，土壤侵蚀的程度如何，是否超过容许土壤流失速率。若超出该速率，则意味着土地面临退化风险；反之，若未超出，则土地可保持持续利用状态。区域调查旨在全面了解土壤侵蚀的面积、强度和分布。所谓土壤侵蚀的面积是该区域内土壤侵蚀速率超过容许土壤流失速率的区域范围。区域调查通常涵盖不同级别的地理单元，如一个规划治理区（如几平方公里到几百平方公里或更大）、某个行政区如县、省、国家、大洲甚至全球）、某个流域（如黄河、无定河甚至一个小流域）。将调查结果以某种形式绘制在地图上称为制图。土壤侵蚀制图可表达的内容有侵蚀模数等值线、强度分级和水土流失面积百分比等。不同尺度和范围的制图，其表达方式和反映的内容不同，因此应用也不同。打印出的地图有一个重要的组成部分是比例尺，电子地图可以带有比例尺，但被大大弱化了。比例尺可以放大和缩小，虽然放大能看得更清楚些，但基本信息不会变。遥感影像的分辨率与地图比例尺之间存在一定关联，但这种关系并非严格的数学对应，因为不同的应用背景和解读方式可能导致理解和判断上的差异。一般而言，地图比例尺越大，其所能展现的细节越多，遥感影像的分辨率也就越高。以1:10000的专题地图为例，通常认为其分辨率为20m。这是因为地图上可辨识的*小图斑通常为2mmx2mm，即小于2mm的对象在地图上无法清晰显示。由于1:10000的比例尺意味着图上1mm代表实地10m，因此2mm的图斑对应实地20m，故该比例尺下的地图分辨率可视为20m。同理，1:50000的地图分辨率则为100m。然而，当我们将这种思路反向应用于遥感影像时，可能会产生一些误解。例如，20m分辨率的遥感影像对应的比例尺是1:20万，这看似与之前的逻辑不符，因为比例尺相差了20倍。但实际上，这里所考虑的是人的肉眼在影像上能辨识的*小物体尺寸。若设定肉眼能辨识的*小物体为0.1mm，且该影像的地面分辨率为20m，则0.1mm与20m的比例正好是1:20万。因此，虽然遥感影像的分辨率与地图比例尺之间存在一定的关联，但在具体应用中需要结合实际情况和需求进行灵活理解和判断。
　　1.6新技术与数理统计
　　其他科学技术的发展可以在方法论上给本学科带来解决问题的新途径，使得本学科有新的突破。例如，径流小区的出现，人工降雨机的使用，137Cs示踪方法的应用，自动采样器的研制，遥感（RS）、地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）技术的应用，径流泥沙自动监测仪器的发明等，都将对土壤侵蚀研究起到推动作用。然而，很多新的技术若要被广泛认同和推广一般需要较长时间。更值得注意的是，新技术经常被误用，并且人们一味追新求异，忽视了传统方法的重要性，可能导致科学在一定时期内出现退步。如果既要及时应用新技术又要保持传统方法，就需要有组织地进行研判。例如，建设一个试验站和实验室时，需要多方人员在中立和谐的氛围中认真讨论、分析、辩论；休会期间查阅资料，复会后继续讨论；并确保有专家学者、行政领导、当地居民、技术人员等多方人员的参与。
　　数理统计方法是建立逻辑思维、得出正确结论*有效的途径。在数理统计的基础上讨论问题很容易形成一致意见，否则会陷入无休止的争论中。应用数学方法，特别是数理统计方法，能够得出一些具有规律性的结论，并将人类获得的知识推广应用于生产实践。例如，研究坡度对土壤侵蚀的影响时，如果不建立数学公式，就只能停留在经验层面，无法上升到科学高度，也不能指导水土保持规划和措施的实施。再如，一个典型调查可以发现一些问题，但其准确性无法量化，而利用数理统计方法得出的结论即使存在一定误差，也能明确知道误差的范围。因此，在专业教育中，必须包含适当或者足够的数理统计内容。
　　1.7野外工作的重要性
　　科学的精髓在于格物致知，即通过接触事物来获得知识。土壤侵蚀是在自然背景下受到人为影响的结果，与自然因素密不可分。水土保持是一项实践性极强的工作，脱离实践，土壤侵蚀研究便无从谈起。野外考察能够让我们发现问题、理解过程、获取知识并激发灵感，也使我们灵活运用书本知识。通过野外考察，我们不仅能真正领悟前人的思想和精髓，还能发现他们的不足之处，从而使研究更有意义，推动科学的进步与发展。
　　第2章径流小区土壤侵蚀监测
　　径流小区是监测和研究土壤侵蚀*主要且*重要的手段。布设径流小区时，目的需明确，并且监测小区应具有对比性，地点的选择需考虑代表性、观测与管理的安全性与方便性。
　　2.1监测内容
　　径流小区的监测包括降水、径流、泥沙、覆盖度和土壤水分5项必测内容。此外，可根据实际需要监测作物产量和养分流失（水质）等。在监测过程中，记录表、计算表以及后期的整理表对于确保监测工作的顺利进行具有极其重要的意义，表2-1是径流小区监测常用的记录表和计算表。记录表和计算表的左侧*好保持一致，便于结果的录入和计算，从而减少错误。
　　2.2监测设施
　　径流小区监测设施主要包括径流小区和相关仪器设备。监测方式主要分为传统人工监测、半自动监测和全自动监测。
　　2.2.1径流小区
　　径流小区按面积大小可分为微型小区、典型小区、大型小区（集水区或径流场）；按不同试验目的可分为裸地小区（标准小区或土壤可蚀性小区）、坡长小区、坡度小区和水土保

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 小区小流域定位监测 1
1.2 核素示踪方法在土壤侵蚀研究中的作用 2
1.3 模拟实验的用途及其与野外监测的关系 2
1.4 模型的构建与应用 3
1.5 区域土壤侵蚀调查与制图 3
1.6 新技术与数理统计 4
1.7 野外工作的重要性 4
参考文献 4
第2章 径流小区土壤侵蚀监测 6
2.1 监测内容 6
2.2 监测设施 6
2.2.1 径流小区 6
2.2.2 降雨监测设备 8
2.2.3 径流泥沙人工监测设备 10
2.2.4 径流小区半自动监测设备 11
2.2.5 径流小区自动监测设备 13
2.3 径流小区田间操作与管护 15
2.3.1 基本要求 15
2.3.2 田间操作记录 16
2.3.3 田间管护 16
2.4 降雨观测 17
2.4.1 雨量器 17
2.4.2 虹吸式自记雨量计 18
2.4.3 翻斗式数字雨量计 20
2.4.4 降雨过程摘录与计算 20
2.5 径流和泥沙监测 22
2.5.1 径流取样 22
2.5.2 样品室内处理 25
2.5.3 径流量和土壤流失量计算 26
2.6 覆盖度观测 27
2.7 土壤水分观测 28
2.8 作物测产 30
2.8.1 野外采样 30
2.8.2 室内样品处理 31
2.8.3 产量计算 31
2.9 资料整理 32
2.9.1 资料说明 32
2.9.2 径流小区监测资料整编 34
2.10 径流小区设备的选择与监测常见问题 38
2.10.1 径流小区设备的选择 38
2.10.2 径流小区监测常见问题 38
第3章 小流域径流泥沙监测 51
3.1 监测内容 51
3.2 监测设施与设备 51
3.2.1 降雨观测设备 51
3.2.2 水位与流量观测设备 52
3.2.3 泥沙观测设备 61
3.2.4 设施设备日常检查与维护 63
3.3 监测与计算 63
3.3.1 降雨观测 63
3.3.2 径流和泥沙监测 63
3.3.3 径流量与产沙量计算 65
3.3.4 径流过程分割 73
3.3.5 土壤水分 75
3.3.6 水质监测 76
3.3.7 下垫面条件野外调查 76
3.4 资料整编 77
3.4.1 资料说明 77
3.4.2 整编表 78
参考文献 82
第4章 区域水土流失调查 83
4.1 概述 83
4.1.1 区域水土流失调查目的与意义 83
4.1.2 数据获取与分析方法 84
4.1.3 区域水土流失调查分类 85
4.2 国内外区域水土流失调查方法简介 86
4.2.1 美国土壤侵蚀抽样调查 86
4.2.2 中国土壤侵蚀遥感调查 97
4.2.3 网格计算方法 98
4.3 中国土壤侵蚀抽样调查 100
4.3.1 技术路线与方法 100
4.3.2 抽样设计 102
4.3.3 资料准备 104
4.3.4 野外调查 107
4.3.5 数据处理 112
4.3.6 土壤侵蚀因子计算 115
4.3.7 全国土壤侵蚀强度评价 128
参考文献 132
第5章 人工模拟降雨试验方法 134
5.1 人工模拟降雨的作用 134
5.2 天然降雨特性 134
5.2.1 次降雨量 134
5.2.2 降雨强度 135
5.2.3 雨滴大小分布 135
5.2.4 雨滴终点速度 136
5.2.5 降雨动能 138
5.3 人工模拟降雨特性 138
5.3.1 人工模拟降雨的设计要求 138
5.3.2 人工模拟降雨与天然降雨的差异 140
5.3.3 人工模拟降雨试验结果的校正与应用 140
5.4 人工模拟降雨设备发展历程 141
5.5 常见人工模拟降雨设备类型 142
5.6 室内人工降雨 143
5.6.1 实验设计 143
5.6.2 设备组成及运行方法 143
5.7 野外人工模拟降雨 145
5.7.1 试验设计 145
5.7.2 设备组成及运行方法 145
参考文献 151
第6章 人工模拟径流试验 153
6.1 人工模拟径流系统的组成与用途 153
6.1.1 人工模拟径流系统组成 153
6.1.2 变坡试验水槽的类型与规格 155
6.1.3 流量与坡度设置 157
6.2 流速测量 158
6.2.1 流量法 158
6.2.2 染色法 158
6.2.3 盐溶液电导法 160
6.2.4 水深测量 161
6.3 下垫面糙率 163
6.3.1 测针法 163
6.3.2 激光扫描法 164
6.3.3 摄像测量法 165
6.4 人工加沙方法 166
6.4.1 泥浆泵法 166
6.4.2 双水槽法 167
6.4.3 加沙漏斗法 168
6.4.4 圆筒式输沙器 168
6.4.5 带式供沙机 169
6.5 土壤分离能力 169
6.5.1 土壤分离能力测定过程 169
6.5.2 影响土壤分离能力测定的因素 170
6.5.3 输沙对土壤分离过程的影响及动力机制 171
6.6 坡面径流挟沙力 172
6.6.1 影响径流挟沙力的主要因素 172
6.6.2 研究径流挟沙力的主要方法 173
6.6.3 测定径流挟沙力时需要注意的关键问题 174
参考文献 174
第7章 中国土壤侵蚀模型——CSLE 176
7.1 降雨侵蚀力因子 176
7.2 土壤可蚀性因子 177
7.3 坡长因子和坡度因子 179
7.4 植被覆盖与生物措施因子 179
7.4.1 植被覆盖随季节变化情况下的观测与计算 180
7.4.2 控制植被覆盖不随季节变化情况下的观测与计算 181
7.5 工程措施因子 181
7.6 耕作措施因子 182
7.7 CSLE 应用问与答 184
参考文献 184
第8章 土壤侵蚀示踪技术 185
8.1 能谱分析方法 185
8.1.1 放射性衰变 185
8.1.2 γ 射线探测方法 187
8.1.3 能谱分析方法精度比较 192
8.2 137Cs示踪技术 196
8.2.1 原理 196
8.2.2 采样方法 199
8.2.3 测试方法 201
8.2.4 样品活度计算方法 208
8.2.5 土壤侵蚀/沉积量计算方法 210
8.3 210Pb在土壤侵蚀中的应用 217
8.3.1 210Pb的时空分布 217
8.3.2 采样方法 218
8.3.3 210Pb的样品处理与测量 218
8.3.4 应用210Pb测定泥沙沉积率 218
8.3.5 应用210Pb测定土壤侵蚀速率 220
8.3.6 210Pb方法的优缺点及存在问题 221
8.4 7Be在土壤侵蚀中的应用 221
8.4.1 7Be示踪土壤侵蚀的原理 221
8.4.2 7Be样品采集与处理 222
8.4.3 土壤样品中7Be的测定 223
8.4.4 土壤中7Be活度的计算 224
8.4.5 7Be示踪估算土壤侵蚀速率模型 224
8.4.6 7Be示踪技术在研究土壤侵蚀中的应用 230
8.5 稀土元素（REE）示踪技术 231
8.5.1 REE示踪土壤侵蚀的优点 231
8.5.2 REE施放量的计算方法 231
土壤侵蚀研究方法
8.5.3 REE的施放方法 233
8.5.4 样品采集 235
8.5.5 分析方法及分析质量控制、分析精度计算 235
8.5.6 各个类型区土壤侵蚀量计算 235
8.6 复合指纹 236
8.6.1 复合指纹识别沉积物来源的原理与技术框架 236
8.6.2 样品采集方法 239
8.6.3 样品测试 240
8.6.4 应用案例 241
8.7 土壤磁化率示踪技术 245
8.7.1 土壤磁性特征及影响因素 245
8.7.2 土壤磁化率技术应用原理 249
8.7.3 野外采样及注意事项 252
8.7.4 室内测定及计算 253
8.7.5 磁化率技术在东北黑土区应用实践 258
8.7.6 磁化率技术应用展望 265
8.8 物质光谱分析 266
8.8.1 原理 267
8.8.2 采样方法 268
8.8.3 测试方法及模型 268
8.8.4 应用案例及注意事项 269
参考文献 271
第9章 地面覆盖度监测 284
9.1 目估法 284
9.2 穿刺法 284
9.3 地面照相测量法 285
9.3.1 垂直照相设备 285
9.3.2 地面照相测量法的实施步骤 287
9.3.3 照片预处理及植被覆盖度计算 288
9.4 无人机照相测量法 291
9.4.1 HAGFVC算法原理与流程 292
9.4.2 CMA算法原理与流程 294
9.4.3 3S-CNN算法原理 295
9.5 遥感影像估算法 297
9.5.1 应用归一化植被指数计算植被覆盖度 297
9.5.2 多源数据融合计算植被覆盖度 297
9.5.3 用光合植被和非光合植被计算地面盖度 299
参考文献 301
第10章 土壤侵蚀影响生产力试验与调查 304
10.1 移去表土法 304
10.1.1 原理 304
10.1.2 应用案例 305
10.2 配土法 306
10.2.1 原理 306
10.2.2 应用案例 307
10.3 剖面线调查法 307
10.3.1 原理 307
10.3.2 应用案例 308
10.4 对比小区法 309
10.4.1 原理 309
10.4.2 应用案例 309
参考文献 311
第11章 暴雨土壤侵蚀调查 313
11.1 目的与意义 313
11.2 调查范围与调查内容. 313
11.2.1 调查范围 313
11.2.2 调查内容 313
11.3 资料收集 313
11.3.1 基础资料 314
11.3.2 降雨水文资料 314
11.3.3 径流小区和小流域次暴雨实测资料 314
11.3.4 其他 316
11.4 外业调查 316
11.4.1 前期准备 316
11.4.2 小流域无人机航摄与解译 317
11.4.3 小流域洪峰流量调查 319
11.4.4 坡耕地细沟侵蚀调查 321
11.4.5 浅沟和切沟调查 323
11.4.6 道路损毁调查 326
11.4.7 重力侵蚀调查 329
11.4.8 梯田损毁调查 330
11.4.9 生物措施损毁调查 332