美国的水土保持


一、美国水土流失概况

美国国土面积约937万km2，人口约2.5亿。地势为东西两侧高，中部低，山脉多呈南北走向。全国地形大致可分为4个区：东部为阿巴拉契亚山地，东南部为沿海平原，中部为平原，西部为落基山脉，丘陵平地约占本土面积的2/3。

美国的土地根据权属的不同，分为联邦土地和非联邦土地两部分。据美国农业部1992年调查，联邦土地约占国土面积的21%，其中88%分布在西部地区的11个州；非联邦土地约占国土面积的79%，其中绝大部分属私人所有，少量属州、县、市和其他非联邦政府机构所有。

(一)土壤侵蚀面积

1830～1930年是美国土壤侵蚀发展最严重的时期。据1934年美国内务部土壤侵蚀局对其本土所作的土壤侵蚀调查，土壤侵蚀面积达到428万km2，占其本土面积的55.5%(表1)。



30年代以来，经过长期不懈的治理，除西部沙漠山地外，东部和中部的水土流失已在很大程度上得到了控制。

(二)土壤侵蚀量

美国农业部1981年估计，全国因片蚀、沟蚀和风蚀而从非联邦土地流失的土壤为50亿t。其中农地土壤侵蚀量达30亿t(包括片蚀和细沟侵蚀量20亿t)，牧地、草地和林地流失量在20亿t以上。此外，每年约有10亿t土壤从非联邦土地的河岸、沟道、路边和建筑工地上流失。总计土壤侵蚀量达60亿t，而自然侵蚀或地质侵蚀可能占总侵蚀量的15～30%。农地的片蚀和细沟侵蚀在东半部，特别是依阿华、密苏里、伊利诺伊、印地安纳、密西西比等州和阿肯色州东部、田纳西州西部一带比较严重。尤其是在黄土分布的田纳西州西部，爱荷华州西部和密西西比州西北部一带，土壤年侵蚀模数达2500～5000t/km2，个别地区超过10000t/km2。在科罗拉多、新墨西哥和得克萨斯等州风蚀也很严重。

土壤侵蚀造成了美国土壤肥力的降低和土地资源的破坏。美国根据表土厚度、土壤再生能力和耕作方式的不同，确定森林草地的允许土壤侵蚀量为每年每平方公里50～500t，耕地为1250t，其它一般取225～1150t。但据80年代初估计，全国超过允许土壤侵蚀量的耕地、草地和牧场约有9733万ha。中西部地区的4360万ha农田中，有47%受到土壤侵蚀的影响。在玉米条播种植地带，平均年侵蚀量达1790t/km2以上。得克萨斯和新墨西哥的部分地区，年风蚀量达2240t/km2。全国已有1.42亿ha森林因放牧而遭到破坏(Papanek，1948)，每年增加荒地约20.2万ha。风蚀每年约破坏4400ha土地(Stallings，1957)。由于移民西进造成的植被破坏，在中西部的半干旱草原地带于1934年5月11日发生了有史以来的第一次大尘暴。其影响范围波及得克萨斯州至达科他州一带，毁坏了60～80万km2土地，引起举国震惊。同年，内布拉斯加州和达科他州的一次风暴，吹走了5亿多吨土壤，有些地方土壤侵蚀深达70cm。在亚利桑那州、爱达荷州、内华达州、新墨西哥州和犹他州，沙漠面积逐步扩大。

水库淤积也是一个问题。对1105座大、中、小型水库的淤积调查表明，在运行不到20年(有的略超过20年)的时间里，库容的损失达42.6亿m3，占原库容的3.9%。年库容损失率从0.16%上升到3.56%。库容越小，淤积越快(Mchenry，T.R，1971)。在水土流失地区的水库，据1953年统计，有10%的水库报废，有14%的水库已损失原有库容的50～75%，有23%的水库损失原有库容的25～50%(Task Comon Sediment Manual，1965)。据估算，美国水库每年淤积泥沙约12.3亿m3。

二、美国的水土保持

美国是开展水土保持工作较早的国家。早期移民开发造成的水土流失，迫使政府不得不寻找防治土壤侵蚀的方法，开展土壤侵蚀及水土保持研究，并取得显著的成效。

(一)水土保持工作的发展历程

美国的水土保持工作大致可以分为以下三个阶段：

第一阶段从19世纪末至20世纪30年代中期，为宣传准备阶段。1890～1920年发起的第一次水土保持运动，重点在造林。19世纪80年代后期，进行了全国土壤普查工作，一批土壤学家开始对土壤侵蚀问题有所关注。1914年，密苏里大学土壤系主任M.F.Miller首先建立侵蚀小区，开始较系统的土壤侵蚀研究。这是美国关于土壤、降雨、坡长、坡度和植被类型对土壤侵蚀影响的第一个综合性定量研究。其侵蚀小区(即径流小区)方法成为研究水土流失的经典方法。1928年前后，土壤学家H.H.Bennett根据土壤普查和试验结果，积极开展水土保持活动，被誉为美国水土保持之父。1930年，在农业部领导下成立了一个委员会，拟定了全国性土壤研究计划，国家拨出专款用于土壤侵蚀及其控制研究，在不同地理区建立了10个代表不同土壤、气候条件的土壤侵蚀试验站，为土壤侵蚀研究打下了基础。

第二阶段从30年代中期至50年代末，为通过立法、大规模开展土壤侵蚀研究和水土保持防治阶段。1934年5月12日西部大平原尘暴造成的巨大破坏，促使美国开始重视土壤侵蚀的研究和防治工作。1935年4月27日，国会通过水土保持法案，确认土壤侵蚀可能成为国家威胁，需要建立长期性的水土保持计划，并在全国成立了统一的水土保持机构。1937年，罗斯福总统在写给各州州长的信中指出：“毁坏自己土壤的国家，最终必然要毁掉自己。”要求在全国范围建立水土保持协作区和水土保持示范区，开展水土保持工作。原有的10个土壤侵蚀试验站发展为46个，分布于26个州。有关高等院校也纷纷建立了一批土壤侵蚀试验站。各试验站均按统一规范和计划进行观测，积累了大量实测资料。1956年，在大量前期研究和实测资料的基础上，首次提出了“通用土壤流失方程式”。各地小流域综合治理也在这一时期陆续开展。

第三阶段为60年代以来，为全面提高阶段。这一阶段的水土保持研究以扩大通用土壤流失方程式的应用领域和范围，建立预报土壤侵蚀的新型数学模型，研究改进覆盖耕作法、免耕、少耕法及其有关问题为主。同时，多次开展了全国自然资源清查。在治理方面则为适应农业大机具的应用，对原有梯田、地埂、渠道等水上保持设施进行了改造。同时拓展了水土保持的工作内容，从流失地块的治理向以小流域治理为中心、实现农村生态环境整体改善的方向发展，内容包括村镇美化、旅游娱乐设施、野生动物栖息地、以及化肥农药使用、牲畜粪便处理、水质污染改善、人类生活环境保护和农业能源自给等。

(二)水土保持机构

美国1933年8月在内政部成立了土壤侵蚀局(SES)，作为临时性的全国水土保持领导机构，当时仅有12人。1935年根据《水土保持法》，水土保持工作由内政部转到农业部，并成立了土壤保持局(SCS)。该局成立后，其任务又随着社会需要逐步进行了扩展和调整。主要是进行土地资源和水土流失调查、研究，开展水土保持规划、试验、示范、宣传，提供学校水土保持教材，提供水土保持所需的乔木、灌木、草类优良品种，同时依法与州县机构签订合同，兴建各项水土保持设施，推行小流域治理计划，参与全国水资源管理与野生动物和自然资源保护等，内容较广。其管理范围主要是占国土面积79%的非联邦土地，特别是农牧场主拥有的土地。

土壤保持局以下设三级机构，即州、区和小区。在50个州、2965个区及小区这三级都陆续设置了水土保持机构，共14000人左右。区和小区的工作，重点是从技术上协助当地农牧场主进行水土保持规划、设计，提供基本资料。

除政府机构外，半官方和民间组织也发挥着重要作用。各州政府设有水土保持委员会进行水土保持协调工作。各地都有水土保持协会，其成员不仅有农、牧场主，还有一批热心水土保持工作的志愿人员，从事水土流失治理和水土保持宣传、监督等活动。

1994年，随着工作领域的拓宽，土壤保持局更名为自然资源保护局(NRCS)，仍隶属农业部。其职责是负责非联邦土地上的自然资源保护工作，特别是定期开展土壤调查，提供全国分县土壤资源数据，为政府决策和国会立法提供依据；通过水土保持、除虫剂和养分管理、灌溉水管理、湿地的保护恢复、堤岸加固和淡水控制、野生动物栖息地的改善等措施，设计和建立区域性自然资源保护系统，指导和帮助地方搞好水土保持与其它自然资源的保护工作；提供保护和恢复水质、湿地以及减少土壤侵蚀所需的植物品种；评价预报土壤侵蚀、农业非点源污染、农业措施与管理方式对农牧业经济影响的新技术。但其核心任务仍是保护和改善土壤这一人类赖以生存的基本资源，协助土地所有者维护和提高土地资源质量，在提高土地生产力和保护环境之间寻求平衡。

此外，在占国土面积21%的联邦土地上，水土保持和自然资源保护由林业局负责。联邦土地在美国西部约占40%左右，在南部及其它地方一般不足20%，主要为森林和草场。该局在各主要林区也派驻有联邦政府职员。

(三)有关水土保持的法律、法规

美国的水土保持法律法规制定较早，并逐步完善，为水土保持工作提供了有效的法律保障。1935年4月，美国首次颁布了《水土保持法》，对土地开垦、耕作、工矿建设等水土流失防治做了相应规定，此后又作了多次修改。

除《水土保持法》外，其它有关法律法规对水土保持问题也有补充性的规定：

1936年6月颂布的《防洪法》，明确由土壤保持局负责在流域内开展水土保持工作，为防洪服务，并确定在12个州的11个流域进行洪水、泥沙控制。

1937年的《标准土壤保持地区法》，授权农牧场主组织地区性组织，开展土壤保持与水资源保护工作。

1939年的《农业拨款法》，明确土壤保持局管理灌溉与排水工作。

1944年修正的《防洪法》，要求加大流域治理力度，并批准农业部开展11个流域的综合治理，其中面积最小的为1119km2(1964年治理完毕)，最大的33697km2(到80年代才完成治理)。

1954年国会通过的《流域保护和防洪法》，授权农业部负责小流域综合治理。法案规定，流域面积小于1000km2的河流和库容小于1500万m3的水库，由农业部土壤保持局在技术上和财政上协助州政府规划和实施。流域面积大于1000km2的流域，由陆军工程兵团和大流域管理局负责治理。同时规定在防洪建筑物上游必须有50%的土地采取各种水土保持措施，才能批准拨款修建。

1956年修正的《水土保持与国内分配法》，提出了大平原土壤保持计划，提供大平原农牧场主长期技术援助与财政补助，并将该计划延续至1991年。

1962年颁布的《食物与农业法》，要求土壤保持局在技术、经济上对流域内的灌溉、排水以及土壤侵蚀、农业生产所造成的水、土污染防治给予支持。

1969年颁布的《自然资源保护法》，内容比较广泛，但水土资源的保护利用，即水土保持是其主要内容之一。

1973年的《公共法》，规定开展上地统计和监督管理计划，包括调查研究土壤侵蚀、泥沙淤积的危害，土地利用情况的变化与趋势等。

1976年颁布的《国有森林保护法》中也涉及到许多水土保持内容。

1977年的《露天采矿植被恢复法》，规定土壤保持局参与露天矿区的植被恢复。同年通过的《水土资源保护法》授权农业部对水、土及其他有关资源进行评价，以满足近期和远景需要。《洁净水法》要求土壤保持局在国家环境保护署的同意下，与土地使用者签订农村土地控制面源污染的5～10年合同。

此外，各州、县根据本地特点立法，对联邦法律法规进行补充，以有效保护水土资源。这些法律法规，明确规定了政府机构和公民对水土保持的权力、义务和职责，促进了水土保持工作的开展。

(四)小流域治理

1933年，当时的土壤侵蚀局首次在威斯康星州西南部的Coon Creek流域开展治理，修建梯田，实行等高条田耕作，取得了较好的示范作用。1936年8月又在北卡罗来纳州的BrownCreek流域建立了第一个水土保持区，从此形成了以水土保持区(或流域)为单元、协助农民开展水土保持的传统方法。

根据1954年通过的《流域保护和防洪法》，小流域治理由农业部负责。全美有流域面积在40～1000km2的小流域13000多个，其中需要治理的8300个。到70年代未，已经基本治理的约5000个，另有2000条正在进行规划和治理。平均每个小流域面积约240km2，有水库7个。农田的水土保持通常带有政府行为，如果农田的土壤流失超过了允许的土壤流失量，则必须采取相应的水土保持措施。

美国的小流域规划比较全面，其特点一是注重在评价土地资源的基础上，分析水土流失状况、成因及改善措施，并运用多学科的知识综合制定规则。二是在规划过程中特别重视与土地所有者密切合作，务使规划与其经济目标相一致，切实可行。三是体现了多目标性，即通过各种资源的保护，将防洪、水土保持、土地利用、林草地管理、居民点的发展、水质的监测和改善、野生动物保护及旅游点的建设等结合起来，以维护土壤生产能力，提高流域总体生活质量。采用的各项治理措施，包括工程与非工程措施，均按规定设计手册要求进行。其中免耕、少耕、残茬覆盖等保土耕作技术的应用尤为广泛，并且均有成套机械设备规模实施。

草皮排水沟道也十分普遍。由于耕地坡度一般较缓，故梯田比较少见。

(五)全国自然资源动态监测

美国开展全国性的水土资源清查已有50余年的历史。早期如1934年曾进行了全国土壤侵蚀调查，1945、1958和1967年陆续进行了水土保持调查，1975年又作了潜在耕地资源的调查研究。

1972年颁布的《乡村发展法》，授权土壤保持局定期开展资源清查，至少每5年发布一次有关水、土和其它资源情况的报告。1977年的《水土资源保护法》和1985年的《食品安全法》再次明确，资源保护计划应在资源清查评价的基础上进行。此后，土壤保持局分别在1977、1982、1987和1992年进行了4次全国自然资源的定期清查，以了解自然资源的状况和趋势，评价自然资源条件，研究资源使用方面的变化所造成的环境和经济影响，作为制定资源管理保护计划和政策的基础。清查的方法、范围和内容不断完善，清查数据库与其他机构的资源数据库相连接，通过计算机网络直接对用户开放。

1992年的调查工作从1991年秋季开始，1993年6月结束，采用遥感技术与野外查勘相结合的方式进行。调查范围包括美国本土的48个州以及夏威夷、波多黎各。

目前侵蚀比较严重、侵蚀量大的耕地主要分布在得克萨斯、明尼苏达、依阿华、蒙大拿、堪萨斯等5个州，其耕地侵蚀量占全美耕地侵蚀量的40%左右。

三、水土保持科学研究

美国的水土保持科研机构统归农业部农业研究局管理，其中多数设在各大学校园内。国家土壤侵蚀实验室、国家土壤耕作实验室、国家泥沙实验室就分别设在普渡大学、依阿华州立科技大学、密西西比州立大学校园内。这种方式于有利于广泛吸收各类人才开展协作，集科研、教学和推广于一体。科研课题根据需要而设，经费也比较充足，如国家泥沙实验室仅58人，其中17位科学家和工程师，年科研经费达500多万美元；路易斯安那州立大学海岸、能源和环境资源中心，年科研经费达900多万美元。

(一)新一代侵蚀预报模型

美国国家土壤侵蚀实验室是从事土壤侵蚀研究工作的重点单位之一，主要研究水力侵蚀的基本过程及水蚀预报模型。早在50年代后期，就曾与农业部农业研究局、土壤保持局、普渡大学等单位共同推导出著名的通用土壤流失方程式(USLE)。此后为了扩大该式的应用范围，又研究了修正的通用土壤流失方程式(RUSLE)。从80年代中期起，该实验室又与有关单位合作，开发新一代的水蚀预报模型(Water Erosion Prediction Project)，简称WEPP模型。该模型自1995年问世以来，在美国、德国、乌克兰等国的水土流失动态监测预报方面获得了广泛的应用。这个模型考虑了决定侵蚀的重要物理过程，能模拟和预测不同土壤、坡度和管理条件下的土壤侵蚀变化，能预报侵蚀的瞬间变化，估算水库、河流中泥沙沉积的变化。

即可定量表示土壤侵蚀、运移和沉积的全过程，通过计算机进行运算。WEPP模型主要由以下7个部分组成：

1.对降雨、温度、风等气候因子的模拟；

2.地表水和地下水的水文学运动；

3.水平衡和渗透；

4.土壤组成和变化；

5.植物生长和残留物分解及管理；

6.地表水力学运动；

7.侵蚀的形成和预测预报。

目前已经开发出坡面水蚀预报模型，正在研究以小流域为单元的预报模型。此次访问，获得了该所赠送的坡面水蚀预报模型软盘。

(二)保土耕作措施与控制地下水污染的综合研究

近些年来，免耕、少耕、残茬覆盖等保土耕作措施在美国获得了较广泛的应用，国家对采用保土耕作措施者给予补贴。这对控制农耕地的土壤侵蚀起到了积极作用。但随之而来的问题是，土壤的渗透作用增强，地表径流减少，加之杀虫剂、除草剂和化肥的大量使用，往往引起作为饮用水源的地下水污染。因此美国目前对保土耕作措施的研究重点，已经不是其减少土壤侵蚀的效益问题，而是这些措施对地下水质的影响及其控制措施。美国国家土壤耕作实验室、国家泥沙实验室和设于路易斯安那州立大学校园内的农业部农业研究局中南部地区巴吞鲁日水土研究站均开展了此类课题的研究。

(三)先进的技术和研究设备

美国3S技术(遥感、地理信息系统和全球定位系统)的应用十分普遍。各所大学和实验室的3S技术不仅普及，而且应用水平较高。农业部自然资源保护局开展的全国自然资源清查，主要借助了遥感与地理信息系统技术。路易斯安那州立大学海岸、能源和环境资源中心的陆地扫描实验室，直接接收卫星信息，经处理后编制各类专业图件。国家土壤耕作实验室采用全球定位系统，进行小流域调查与制图。据介绍，在美国很多基础信息都是免费提供的，如分辨率低于30米的遥感资料即可无偿提供给用户，从而为新技术的应用创造了有利条件。

国家土壤侵蚀实验室和泥沙实验室在土壤侵蚀实验中，均采用一种表面微地形激光扫描仪，来测定试验前后的微地形变化。该仪器主要由激光发射器、相机计算机和测架组成，测量快捷，水平和垂直精度都在0.2m左右，测量速度和测点间距都可调节，尤其适于室内试验使用。国家土壤耕作实验室内有一套设备，可以模拟各种温度、湿度和光照，用于研究植物生长条件和残茬的分解过程。其土壤分析采用机械手进行，可替代8名分析人员的工作。国家泥沙实验室的coodwin水溪试验场，自动化观测设备完善。该水溪为耶祖河支流，流域面积21.4km2。在其14个小区出口均设有测流站，通过量水槽或测桥测流。每个测流站都有一套电子数据采集系统，由计算机根据预订时间间隔向所控制的传感器发出测量指令，测量水位、水温、地温、降水等数据，自动抽取沙样。收集到的数据暂时储存，再按主机指令向泥沙实验室传输。