東北黑土區(qū)農(nóng)田植被土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研究設(shè)計(jì)

嚴(yán)爾梅 歐陽(yáng)力 焉 嵐

（1黑龍江省水土保持科學(xué)研究院 2丹東市三灣水利樞紐及輸水工程建設(shè)管理局）

1 研究目的意義

素有土中珍品之稱(chēng)的“黑土”，是一種具有深厚腐殖質(zhì)層的土壤，因其具有良好的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，肥力高，非常適合農(nóng)作物和其他植物生長(zhǎng)。東北黑土區(qū)，是指東北三省及內(nèi)蒙古自治區(qū)有黑色表土層分布的區(qū)域，主要土類(lèi)包括黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土、暗棕壤和棕壤。經(jīng)過(guò)多年的大規(guī)模開(kāi)墾，東北黑土區(qū)現(xiàn)已成為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，享有“中國(guó)糧倉(cāng)”之美譽(yù)，對(duì)于保障糧食安全，具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，長(zhǎng)期以來(lái)該區(qū)域采用以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價(jià)的“重用輕養(yǎng)”掠奪式開(kāi)墾方式，再加上水土流失影響與破壞，導(dǎo)致黑土資源持續(xù)減少，層次變薄，土地退化。特別是近50年來(lái)的高強(qiáng)度連作，加速了土壤有機(jī)質(zhì)的礦化，致使黑土資源損失速度加快。據(jù)調(diào)查，在坡度較大或耕作較久的地方，黑土厚度已由20世紀(jì)50年代的平均60-70 cm下降到20-30 cm，部分區(qū)域已露出成土母質(zhì)，使土地喪失了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。造成這種惡果的主要原因是日益嚴(yán)重的土壤侵蝕，因此東北黑土區(qū)被列為急需治理的三大侵蝕區(qū)之一。

植被是防治土壤侵蝕、控制水土流失最有效、最可持續(xù)的措施，植被覆蓋因子C是通用土壤流失方程（USLE）中表述植被控制土壤侵蝕效益的指標(biāo)。東北黑土區(qū)的地形，主要為山前波狀起伏臺(tái)地或漫崗地，坡度一般為1-5°，主要植被為農(nóng)作物，因此，植被覆蓋因子C可以視作農(nóng)作物覆蓋因子C。如果能夠?qū)r(nóng)作物覆蓋因子C進(jìn)行科學(xué)的定量評(píng)價(jià)，建立適合東北黑土區(qū)的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，就可以充分認(rèn)識(shí)農(nóng)作物防治土壤侵蝕的效益與機(jī)理，從而為定量研究和正確預(yù)測(cè)黑土區(qū)的土壤侵蝕規(guī)律提供理論依據(jù)。

2 已有土壤侵蝕模型研究成果評(píng)價(jià)

土壤侵蝕模型是土壤侵蝕量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、水土資源管理、水土保持效益定量評(píng)價(jià)的有效工具，最為著名的土壤侵蝕模型有通用土壤流失方程（USLE）和修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）。USLE形式簡(jiǎn)單，考慮因素全面，是應(yīng)用最廣泛的侵蝕模型。國(guó)內(nèi)學(xué)者以USLE和RUSLE為基礎(chǔ)，利用徑流小區(qū)觀測(cè)資料，根據(jù)各自研究區(qū)域的實(shí)際情況，先后提出了不同的坡面侵蝕預(yù)報(bào)模型。其中，最為典型的是劉寶元研究確立的中國(guó)土壤流失模型CSLE和江忠善提出的坡面水蝕預(yù)報(bào)模型。劉寶元的CSLE模型，適用于全國(guó)范圍的坡面侵蝕預(yù)報(bào)，形式簡(jiǎn)單，其最大優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)我國(guó)水土保持措施的實(shí)際，將USLE中的覆蓋與管理兩大因子，修正為水土保持3大措施因子，即植物措施因子（植被覆蓋因子）、工程措施因子和水土保持耕作措施因子。江忠善的坡面水蝕預(yù)報(bào)模型，是在通用土壤流失方程中增加了淺溝侵蝕因子后建立的，模型結(jié)構(gòu)符合黃土丘陵區(qū)的地貌特點(diǎn)，考慮了陡坡地的淺溝侵蝕，使預(yù)報(bào)精度大大提高。這些模型均結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，考慮因素較為全面，但模型的估算精度，主要取決于植被覆蓋因子C和土壤可蝕性因子K，只能估算土壤侵蝕量，但沒(méi)有侵蝕部位信息，因此無(wú)法指導(dǎo)坡面的水土保持措施配置。造成這種現(xiàn)象的根源，在于各因子的測(cè)算方法缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得不同地區(qū)的因子值沒(méi)有可比性。為此，李占斌等指出，對(duì)坡面土壤侵蝕模型參數(shù)的定量表述及其標(biāo)準(zhǔn)化，是土壤侵蝕研究的重點(diǎn)。由此可見(jiàn)，坡面土壤侵蝕模型中各參數(shù)的定量化研究，是提高模型精度和適應(yīng)性的關(guān)鍵，也是當(dāng)前土壤侵蝕研究中亟待解決的重要問(wèn)題。

農(nóng)作物覆蓋因子C，作為通用土壤流失方程USLE中控制土壤流失強(qiáng)度的一個(gè)重要影響因子，其值具有多變性。如美國(guó)玉米地的C因子，取值就有120余種，而且變化幅度大（其值雖在0-1范圍內(nèi)，但在USLE諸因子中變化幅度是最大的，可相差2-3個(gè)數(shù)量級(jí)）。因此，關(guān)于C因子的研究成為應(yīng)用USLE的焦點(diǎn)。

如果能夠準(zhǔn)確計(jì)算農(nóng)作物覆蓋因子C，就能建立更為準(zhǔn)確的土壤流失預(yù)報(bào)方程，直接計(jì)算黑土地的土壤流失量；就能以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，開(kāi)展大尺度的土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；就能開(kāi)展不同農(nóng)作物防治土壤侵蝕效益的科學(xué)評(píng)價(jià)；就能為東北黑土區(qū)優(yōu)良水土保持農(nóng)作物的選擇和田間管理提供依據(jù)。

開(kāi)展農(nóng)作物覆蓋因子C的定量研究，是正確應(yīng)用通用土壤流失方程的前提和關(guān)鍵。其研究，不但可為通用土壤流失方程的應(yīng)用提供可靠參數(shù)，還可以為正確評(píng)價(jià)農(nóng)作物的水土保持效益以及科學(xué)栽培管理提供依據(jù)。

3 農(nóng)作物C因子的主要研究?jī)?nèi)容

3.1 C因子與農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)系

農(nóng)作物的水土保持作用，與其種類(lèi)、密度、蓋度、高度、生物量等指標(biāo)密切相關(guān)。在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中，這些指標(biāo)大都處在不斷變化中，其水土保持作用也在不斷變化。因此，首先必須建立農(nóng)作物的生長(zhǎng)模型，以準(zhǔn)確描述農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中的蓋度、高度、生物量等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，從而為農(nóng)作物覆蓋與管理因子C的計(jì)算奠定基礎(chǔ)。東北黑土區(qū)的主要農(nóng)作物為玉米、大豆和小麥，從播種出苗到收割，要定時(shí)間調(diào)查其地面蓋度、生長(zhǎng)高度、地上生物量、地下根系量等，為建立東北黑土區(qū)主要農(nóng)作物的生長(zhǎng)模型提供參數(shù)。同時(shí)，利用人工降雨試驗(yàn)，研究不同農(nóng)作物在不同生長(zhǎng)季節(jié)的土壤侵蝕量，并與休閑地的同期土壤侵蝕量進(jìn)行對(duì)比，以此分析東北黑土區(qū)主要農(nóng)作物的C因子與生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)系。

3.2 C因子與農(nóng)作物密度、覆蓋度的關(guān)系

農(nóng)作物的密度是指單位面積上農(nóng)作物的株數(shù)，密度越大，對(duì)地表徑流的阻礙作用也就越大，徑流造成的土壤侵蝕量就越小。所以，密度是研究C因子時(shí)必須重點(diǎn)考慮的要素之一，也是農(nóng)作物田間管理的主要指標(biāo)。覆蓋度是指農(nóng)作物枝葉的投影面積與所占地面面積之比，與種植密度密切相關(guān)。覆蓋度越大，植物對(duì)地表的保護(hù)性就越好，雨滴直接打擊地表的機(jī)會(huì)就越少，土壤侵蝕量相應(yīng)就越小。如果能夠建立農(nóng)作物密度與覆蓋度關(guān)系模型，就可以根據(jù)不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的覆蓋度，計(jì)算其此階段農(nóng)作物的C因子值。這項(xiàng)研究?jī)?nèi)容，也可通過(guò)人工降雨對(duì)比試驗(yàn)給予解決。

3.3 C因子與地上生物量和地下生物量的關(guān)系

生物量是反映農(nóng)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的重要指標(biāo)，包括地上生物量和地下生物量。一般而言，同種農(nóng)作物的生物量越大，地表覆蓋度就越大，地下生物量（根量）就越多，土壤侵蝕量就越少。因此，生物量是決定C因子的關(guān)鍵值，尤其是C因子與0-10 cm土層的根系量。在農(nóng)作物的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段，其生物量是不同的，如果能夠建立農(nóng)作物的生物量模型，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。

3.4 C因子計(jì)算模型的建立

在上述三個(gè)子模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)分析方法，深入研究C因子與農(nóng)作物類(lèi)型、密度、覆蓋度、地上生物量、地下生物量等要素間的關(guān)系，探尋影響C因子的關(guān)鍵因素，就可初步建立C因子計(jì)算模型。

3.5 C因子計(jì)算模型的應(yīng)用

利用現(xiàn)代遙感等大尺度地面監(jiān)測(cè)手段，結(jié)合人工調(diào)查，即可獲取農(nóng)作物地面覆蓋等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，借助地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，將關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)代入C因子計(jì)算模型，就可以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)區(qū)域的土壤侵蝕量，從而為東北黑土區(qū)土壤流失的大尺度監(jiān)測(cè)與管理提供有效工具。

4 試驗(yàn)研究方案設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)地選擇

在黑龍江不同土壤類(lèi)型區(qū)域，選擇不同坡度（1°、3°、5°、7°）的農(nóng)地和水土保持林地作為試驗(yàn)地。

4.2 作物生長(zhǎng)過(guò)程調(diào)查

在所選擇的試驗(yàn)地上，從農(nóng)作物出苗后開(kāi)始，觀測(cè)其物候期，并調(diào)查不同物候期的密度、覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層根系量等，利用調(diào)查數(shù)據(jù)建立農(nóng)作物生長(zhǎng)模型、密度與覆蓋度關(guān)系模型、生物量模型。

4.3 實(shí)驗(yàn)裝置率定

實(shí)驗(yàn)的主要裝置為人工模擬降雨器，降雨面積100 m2，降雨強(qiáng)度5-200 mm/h，降雨均勻度系數(shù)大于85%。試驗(yàn)前對(duì)人工降雨器進(jìn)行率定，率定的主要內(nèi)容包括降雨量、降雨強(qiáng)度、雨滴分布和降雨均勻度。

4.4 野外實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究要素設(shè)定為5個(gè)，分別是農(nóng)作物類(lèi)型、密度、覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層的根系量，各要素分別設(shè)置10個(gè)水平。為了減少野外試驗(yàn)次數(shù)，擬采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。按照5因素10水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行野外人工模擬降雨試驗(yàn)。按照大樣本理論，初步設(shè)想開(kāi)展50次以上試驗(yàn)，每次3次重復(fù)，共需150次以上的人工降雨試驗(yàn)。每次試驗(yàn)均設(shè)置無(wú)植被的對(duì)照。

4.5 數(shù)據(jù)調(diào)查測(cè)定

在農(nóng)作物和人工林生長(zhǎng)過(guò)程中，調(diào)查其覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層（林地大于此）的根系量。利用野外徑流小區(qū)中的TDR測(cè)定土壤含水量；利用自記雨量計(jì)觀測(cè)降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨過(guò)程；利用徑流池內(nèi)徑流泥沙，測(cè)定徑流量和土壤侵蝕量。

4.6 建立初步模型

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中正交試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析方法，分析農(nóng)作物類(lèi)型、密度、覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層的根系量等要素指標(biāo)對(duì)C因子值的影響程度（貢獻(xiàn)率），建立各要素與C因子的關(guān)系模型。同時(shí)，按照各要素對(duì)C因子的貢獻(xiàn)率大小，篩選出主要的影響因素?；蛘呃弥鞒煞址治?、相關(guān)分析等方法，確定影響C因子值的關(guān)鍵要素。以關(guān)鍵要素為基礎(chǔ)，建立C因子計(jì)算初步模型。

4.7 模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)

利用當(dāng)?shù)仄旅鎻搅餍^(qū)多年的實(shí)測(cè)資料，對(duì)C因子值計(jì)算的初步模型進(jìn)行驗(yàn)證。如果精度達(dá)不到要求，需要對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行修正，直到滿(mǎn)足精度為止，最終確定C因子計(jì)算模型。

4.8 模型應(yīng)用

按照3.5的思路，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)東北黑土區(qū)的土壤流失量，實(shí)現(xiàn)大尺度水土流失的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。在具體應(yīng)用過(guò)程中，再進(jìn)一步研究完善預(yù)報(bào)模型。

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