基于小區(qū)實測數(shù)據(jù)的不同類型土壤可蝕性因子計算

楊 欣, 郭乾坤, 王愛娟, 劉寶元, 張蒙娜, 常琪琪

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875; 2.中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100048;3.水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心, 北京 100048; 4.水利部水土保持監(jiān)測中心, 北京 100055)

土壤可蝕性因子(K)是通用土壤流失方程(USLE)和中國土壤流失方程(CSLE)中的重要參數(shù)。各國學(xué)者對其研究可追溯至20世紀30年代，學(xué)者們提出了諸多評價土壤本身對侵蝕響應(yīng)的指標，如土壤中硅鋁鐵含量[1]，土壤浸濕熱[2]，土壤膨脹系數(shù)[3]，1～10 mm團聚體量、團聚狀況、團聚度和團聚體分散度[4]等，這些指標不同程度的體現(xiàn)了土壤性質(zhì)與侵蝕的關(guān)系，但均未建立土壤性質(zhì)與侵蝕量的定量關(guān)系，因而無法進行土壤侵蝕預(yù)報。隨著研究深入，Olson和Wischmeier[5]分析了大量小區(qū)觀測資料，提出土壤可蝕性因子(K)的概念，即單位降雨侵蝕力在標準小區(qū)上造成的土壤流失量。Wischmeier等人[6]明確美國標準小區(qū)為22.13 m坡長，5 m寬，9%坡度的休閑小區(qū)，并利用美國各地標準小區(qū)多年實測資料，建立了美國土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)庫，作為通用土壤流失方程(USLE)和修訂土壤流失方程(RUSLE)的重要組成部分。隨著USLE和RUSLE在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，K因子本地化的準確取值成為各國學(xué)者的研究熱點之一。我國水土流失形勢嚴峻，據(jù)第一次全國水利普查公報，我國水力侵蝕面積約1.29×106km2，且中度以上流失面積占總面積的21.2%[7]。我國學(xué)者基于不同地區(qū)積累的小區(qū)資料，開展了基于實測數(shù)據(jù)和土壤性質(zhì)估算K值的研究并取得了豐富的成果。但由于小區(qū)規(guī)格和管理標準不一、K值計算方法不一，我國尚未形成基于實測數(shù)據(jù)的K值數(shù)據(jù)庫。實際應(yīng)用中仍多采用Wischmeier或EPIC公式進行K值估算[8-9]，與實測數(shù)據(jù)相比誤差較大，無法真實的反映我國土壤對侵蝕的敏感程度[10]。鑒于此，本文基于全國水土保持監(jiān)測二期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的分布在全國不同侵蝕類型區(qū)的130個監(jiān)測點的長期觀測數(shù)據(jù)，補充收集學(xué)術(shù)論文和匯編資料中徑流小區(qū)實測數(shù)據(jù)，對全國主要土壤的K值進行系統(tǒng)計算，為我國土壤侵蝕預(yù)報模型提供較為可靠的K值；并在此基礎(chǔ)上，評價USLE或EPIC中K值計算方法在我國的適用性。

1 資料與方法

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

實測數(shù)據(jù)來源于全國水土流失動態(tài)監(jiān)測項目中開展監(jiān)測并進行資料整編的監(jiān)測點，用于計算不同土壤侵蝕類型區(qū)不同土壤類型的土壤可蝕性因子K值。這些監(jiān)測點基于全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)二期工程建設(shè)，在水土流失動態(tài)監(jiān)測項目支持下開展了連續(xù)觀測，并進行了年度資料整編。通過數(shù)據(jù)審核，選擇了小區(qū)觀測年限超過3 a，坡度坡長、土壤類型等信息記錄完整的裸坡和無水保措施的順坡耕作小區(qū)資料。收集了部分省(市、區(qū))監(jiān)測點的整編數(shù)據(jù)、已發(fā)表論文中徑流小區(qū)實測土壤侵蝕量數(shù)據(jù)，結(jié)合已有監(jiān)測點和臨近站實測的降雨量數(shù)據(jù)計算土壤可蝕性因子值，統(tǒng)一將其訂正到標準小區(qū)。共收集到130個監(jiān)測站的觀測資料，200余篇學(xué)術(shù)論文。將收集的數(shù)據(jù)按照土壤侵蝕類型區(qū)(不包括北方風沙區(qū)和青藏高原區(qū))進行整理，篩選后共有18個省(直轄市、自治區(qū))51個監(jiān)測站62個裸地小區(qū)和75個農(nóng)地小區(qū)，共685個小區(qū)年的數(shù)據(jù)可用于計算K值。小區(qū)基本情況詳見表1—2，選取的徑流小區(qū)涵蓋了我國主要土壤類型，具有較好的代表性。

1.2 土壤可蝕性K值計算方法

監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)采用侵蝕量與降雨侵蝕力和地形因子乘積的比值計算K值，并根據(jù)USLE中標準小區(qū)的定義，將徑流小區(qū)的坡長和坡度統(tǒng)一訂正到22.13 m坡長和5°坡度。坡耕地小區(qū)的T因子根據(jù)第一次全國水利普查中相應(yīng)耕作制度區(qū)輪作制度的水土保持措施因子值分區(qū)賦值。收集到的整編數(shù)據(jù)和文獻數(shù)據(jù)，只用文中的侵蝕量數(shù)據(jù)，采用觀測得到的降雨數(shù)據(jù)計算降雨侵蝕力，進而計算K因子。K采用下式計算：

(1)

坡度(S)坡長(L)因子值采用CSLE中的公式：

S=10.8sinθ+0.03 (θ≤5°)

(2)

S=16.8sinθ-0.5 (5°<θ≤10°)

(3)

S=21.91sinθ-0.96 (θ≥10°)

(4)

(5)

式中：θ——坡度(°)；λ——水平投影坡長(m)；m——坡長指數(shù)，m取值隨坡度發(fā)生變化。

基于降雨過程計算降雨侵蝕力的公式如下，主要用于有實測數(shù)據(jù)的監(jiān)測點：

(6)

R次=E·I30

(7)

(8)

er=0.29〔1-0.72exp(-0.082ir)〕

(9)

式中：m——所有降雨次數(shù)；R次——每次≥12 mm降雨和<12 mm但產(chǎn)流降雨的降雨侵蝕力〔(MJ·mm)/(hm2·h)〕；E——次降雨總動能(MJ/hm2)；er——每一時段的單位降雨動能〔MJ/(hm2·mm)〕；ir——r時段斷點雨強(mm/h)。

表1 水土保持監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)情況

基于日降雨量資料的降雨侵蝕力計算公式如下，采用文獻中小區(qū)的侵蝕量資料：

(10)

(11)

2 結(jié)果分析

2.1 基于監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)計算的K值

本研究基于23個水土保持監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)，計算得到我國不同土壤類型K因子值，因子值變化于0.000 8～0.037 5 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm) (表3)。

由表3可知，黑土、黃綿土和褐土的K值較大，黃棕壤和赤紅壤土壤可蝕性因子值最小。黑土和黃綿土相對其他土壤，粉粒含量較高，更容易遭受侵蝕。從表3可以看出，即使是同一種土壤，分布在不同省份，其K值差別也很大，尤其是南方地區(qū)，如分布在福建、廣東、四川省的紅壤K值接近，但是分布在湖南省的紅壤，其K值是前者的2.9倍，赤紅壤也存在這種情況，分布在廣東和福建省的赤紅壤K值相差8.3倍，分析原因認為主要是由于南方水熱條件較好，成土母質(zhì)差異大，即使是同一種土壤，其受自然條件和成土過程的影響，土壤性質(zhì)差別很大，需要積累更長序列的觀測資料來進一步率定K值。

注：①指呼盟水土保持中心監(jiān)測資料； ②指松遼委匯編資料； ③指黃河中游水土保持委員會； ④指歙縣站監(jiān)測資料； ⑤指四川水土保持試驗站成果匯編。

表3 基于水土保持監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)計算的K值(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)

2.2 基于文獻數(shù)據(jù)計算的K值

通過搜集文獻中徑流小區(qū)土壤流失量數(shù)據(jù)，采用觀測站的降雨量資料計算了各區(qū)域K值。除西南巖溶區(qū)東川和昭通K值明顯高于其他地區(qū)外，大多地方K值集中在0.001 1～0.042 1 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)范圍內(nèi)(表4)。對比表3—4發(fā)現(xiàn)，相同土壤類型的K值接近，即兩種渠道獲得的K值能夠代表真值。同時得出我國土壤可蝕性從北向南逐漸減小，黑土和黃綿土土壤可蝕性較大，紅壤、紫色土土壤可蝕性小，也就是說東北黑土區(qū)典型黑土的土壤抗蝕能力最弱，往南抗蝕能力逐漸增強。黃土高原北部K值較大，東南較小。北方土石山區(qū)和南方紅壤區(qū)整體K值變化不大。西南紫色土區(qū)徑流小區(qū)主要布設(shè)在四川盆地，K值較為一致。西南巖溶區(qū)滇東北地區(qū)的K值相比周邊地區(qū)偏高，分析發(fā)現(xiàn)東川、昭通兩站點的土壤流失量較區(qū)內(nèi)其他地區(qū)大，對結(jié)果造成一定影響，這可能是因為該區(qū)域地處干熱河谷區(qū)，從而導(dǎo)致土壤K因子值較高。

表4 基于文獻資料計算的我國土壤可蝕性因子(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)

2.3 實測和模型估算K值對比分析

對同時有實測K值、Wischmeier和EPIC公式估算K值的站點進行整理，分區(qū)對比估算值與實測值可以得出，不同區(qū)域直接利用Wischmeier或EPIC公式估算的土壤可蝕性因子值與實測值存在較大差異，最大可達10倍多，與張科利等[10]之前得出利用估算方程計算我國K值偏大的結(jié)論相似，說明公式估算法計算的K值與實測值偏差較大。從各區(qū)域擬合效果看，東北黑土區(qū)監(jiān)測點實測值與Wischmeier公式計算得到的K值最為接近，顯著性水平達到0.029(p<0.05)，這是由于Wischmeier公式是基于美國中西部農(nóng)業(yè)區(qū)的小區(qū)實測資料計算得到的，該區(qū)域土壤性質(zhì)與我國黑土區(qū)土壤性質(zhì)較為接近；黃土高原區(qū)和南方紅壤區(qū)的擬合效果相對較差。史學(xué)正與鄭海金等發(fā)現(xiàn)紅壤區(qū)實測K值與基于Wischmeier或EPIC公式的結(jié)果相差10倍，說明經(jīng)驗公式不適于該區(qū)域K值估算，應(yīng)加強小區(qū)觀測。北方土石山區(qū)，西南紫色土區(qū)和巖溶區(qū)徑流小區(qū)資料相對缺乏，且運用Wischmeier或EPIC公式進行K值估算的研究也不多，因此本文暫未進行二者關(guān)系分析，應(yīng)深入建設(shè)這些區(qū)域小區(qū)站點，同時加強小區(qū)的觀測和管理工作。

3 結(jié) 論

本研究利用徑流小區(qū)實測資料，建立了我國土壤可蝕性因子數(shù)據(jù)庫，研究得到我國主要土壤類型的可蝕性因子值范圍在0.000 8～0.070 5 (t·hm2·×h)/(hm2·MJ·mm)。黑土、黃綿土和褐土的K值較大，紅壤和紫色土可蝕性因子值較小。直接利用USLE或EPIC公式估算我國土壤可蝕性因子值與實測值相差較大，經(jīng)過修正，USLE估算公式在東北黑土區(qū)的K值估算時精度相對較高。由于目前可用的監(jiān)測點數(shù)據(jù)較少，加強監(jiān)測點管理并積累長序列的觀測數(shù)據(jù)是獲得比較準確的K值和建立相關(guān)經(jīng)驗公式的有效辦法。