皖西皖南土壤可蝕性值及估算方法驗證

(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

土壤是人類賴以生存的基礎資源[1]，但受自然和人為活動的影響，土壤退化已成為全球最嚴重的環(huán)境問題之一[2-3]。土壤侵蝕是導致土壤退化的重要成因[2,4]，其侵蝕強度大小除受降雨[5-6]、地形[7]、植被[8]等外部因素影響外，還取決于土壤本身的抗侵蝕能力[9]。土壤可蝕性是表征土壤抗侵蝕能力的主要指標，其值的定量研究依然是土壤侵蝕領域的熱點，備受國內外學者關注[10]。當前土壤可蝕性研究主要集中在可蝕性值估算應用及影響因素評價兩方面，一是利用估算模型和定義，基于徑流小區(qū)觀測資料與土壤理化數(shù)據(jù)，對不同類型的土壤可蝕性進行定量評估，并通過與實測值的比較，選擇適宜的評估方法[11-12]；二是通過小區(qū)試驗，量化土地利用類型[13]、植被恢復[14]和耕作方式[15-16]等對土壤可蝕性的影響；這些研究成果在土地資源評價、水土流失預測等方面得到了廣泛應用[10]。但實際中因長期定位觀測資料覆蓋范圍有限，土壤類型和土壤特性空間變異大等因素影響，土壤可蝕性值估算難以驗證，研究成果不宜跨區(qū)域推廣[17]。因此，不同區(qū)域土壤可蝕性值估算與驗證尚需進一步研究。

皖西、皖南分別地處安徽大別山區(qū)和江南丘陵山地區(qū)，總面積52 683 km2，涉及人口967.5萬，內有大別山、黃山等風景名勝，盛產特色茶葉和堅果，是安徽省重要生態(tài)功能區(qū)和名優(yōu)特產品生產基地。但因地形地貌和人為活動的影響，該地區(qū)水土流失分布范圍廣，水土流失面積約8 271 km2，土壤資源有限，生態(tài)環(huán)境脆弱[18]。為更好地保護水土資源，實現(xiàn)生態(tài)、農業(yè)可持續(xù)發(fā)展，急需加強對該地區(qū)土壤可蝕性的研究。鑒于未見相關研究報到，筆者利用徑流小區(qū)實測資料和估算模型，分別獲取該地區(qū)主要土壤可蝕性實測值和估算值，并以此構建土壤可蝕性實測值與估算值的關系方程，為該區(qū)域土壤資源評價和水土流失預測提供支撐。

1 研究區(qū)概況

皖西、皖南分別位于安徽省的西部(E115°22′7″～ E117°10′18″， N30°15′19″～N31°46′51″)和南部(E116°39′19″～E119°37′19″， N29°25′8″～N30°59′29″)，地貌以丘陵山地為主，溝壑縱橫，山勢雄偉，坡度陡峻，地形復雜，平均坡度15°～40°，平均海拔500～1 000 m。該地區(qū)為暖溫帶—亞熱帶氣候過渡帶，年降水量豐沛，為1 200～2 200 mm，但降雨徑流時空分布不均，主汛期降水量占年降水量的40%～60%，徑流量占年徑流量55%～70%，年均徑流深600～1000 mm；年均氣溫14℃～15℃，≥10℃年積溫4 800℃～5 200℃。地帶性土壤有黃棕壤、黃紅壤、黃壤與紅壤，土層較薄，平均厚度不足1 m，因水土流失等原因，粗骨土分布廣泛[19]。該區(qū)植被屬暖溫帶常綠落葉闊葉混交林帶與亞熱帶常綠闊葉林帶，原始植被保存較少，現(xiàn)有植被多為天然次生林，植被覆蓋率60%以上，主要以馬尾松林、毛竹林為主[20]。

20世紀五六十年代，皖西、皖南原始植被遭到嚴重破壞，地表土壤流失殆盡；目前天然次生林雖然大范圍恢復，但該地區(qū)降雨量大、地形復雜以及花崗巖發(fā)育的土壤質粗砂松、有機質含量少，土壤抗蝕能力差，加之受人為活動的影響，坡耕地、經濟林地和稀疏林地水土流失依然嚴重[18]。

2 材料與方法

2.1 資料來源

皖西、皖南水土流失區(qū)1980年代建有4個水土保持實驗站，現(xiàn)均納入全國水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)。降雨和土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于2011～2016年試驗站的觀測，土壤理化性質數(shù)據(jù)來源于實地取樣和室內測試分析。試驗站徑流小區(qū)特征和資料年限情況見表1。

表1 皖西、皖南水土保持試驗站徑流小區(qū)特征Tab.1 Information of soil and water conservation stations in south and west of Anhui, China

2.2 觀測與取樣方法

試驗站的降雨和土壤侵蝕資料按次降雨觀測統(tǒng)計，土壤取樣采用“S”路線法，每個徑流小區(qū)取15個樣點，深度為0～20 cm，用塑料桶將土壤充分混勻，挑出石塊等雜物后，用四分法棄去多余部分，最后保留2 kg，用封口袋裝好，貼上標簽帶回實驗室風干，用Mastersize3000激光粒度儀測試土壤粒徑組成，用重鉻酸鉀容量法測試土壤有機質，用沙維諾夫干、濕篩法分別測定土壤團粒含量和水穩(wěn)性團粒含量。

2.3 實測值計算

根據(jù)通用水土流失方程(Universal Soil Loss Equation，簡稱USLE)的定義，土壤可蝕性值是標準小區(qū)單位降雨侵蝕力引起的土壤流失量。USLE方程見式(1)。

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中，A為單位面積上多年的平均土壤流失量，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；L為坡長因子，無量綱；S為坡度因子，無量綱；C為覆蓋-管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱[21]。根據(jù)USLE定義取值，在標準小區(qū)上，L、S、C、P均為1，所以，土壤可蝕性實測值可直接用式(2)計算。

(2)

本文采用的徑流小區(qū)由于坡度、坡長和覆蓋-管理措施與USLE的標準小區(qū)不同，因此需要訂正，坡度因子訂正公式見式(3)[11]，坡長因子訂正公式見式(4)[11]。覆蓋—管理因子值基于每個小區(qū)的管理記錄，依據(jù)USLE手冊確定[22]。土壤可蝕性實測值計算見式(5)。

S=21.9sinθ-0.96

(3)

式中，θ為徑流小區(qū)的坡度，(°)。

(4)

式中，λ為坡長，m；n為系數(shù)，當坡度≥ 5%，n=0.5，當坡度為3.5%～4.5%時，n=0.4，當坡度為1%～3% 時，n=0.3，當坡度小于1%時，n=0.2。

(5)

式中，R值基于次降雨資料利用USLE中降雨侵蝕力計算方法獲取[21]。

2.4 估算值計算

土壤可蝕性值估算方法研究較多，具有代表性的有諾謨公式[21]、EPIC模型[23]和Shirazi 等[24]建立的幾何平均粒徑公式。本文用研究區(qū)的實測資料對我國應用最為廣泛的諾謨公式(式(6))和EPIC模型(式(7))進行土壤可蝕性估算和驗證。

K=[2.1×10-4(N1×N2)1.14(12-Om)+

3.25(H-2)+2.5(T-3)]/100

(6)

式中，N1為極細砂+粉砂含量，%；N2為100-黏粒含量，%；N1和N2的土壤級配參數(shù)按照美國制粒徑分級體制，黏粒為< 0.002 mm、粉砂為0.002～0.05 mm、極細砂為0.05～0.10 mm、砂粒為0.10～2.00 mm；Om為有機質百分含量，%；H為土壤結構等級系數(shù)，用土壤團粒含量來確定[21]；T為土壤滲透等級系數(shù)，用土壤質地確定土壤滲透等級具體參數(shù)值[21]。

(7)

式中，SAN為砂粒(2～0.05 mm)含量，%；SIL為粉粒(0.05～0.002 mm)含量，%；CLA為黏粒(<0.002 mm)含量，%；Ct為土壤有機碳含量(Ct=0.058 3×土壤有機質含量)，%；SN1=1-SAN/100。

為了便于與同類研究進行比較，獲取的可蝕性值采用國際單位，式(6)、(7)估算的值為美國慣用單位，將其乘以0.131 7則可轉變?yōu)閲H制單位[21]。文中數(shù)據(jù)處理主要采用SPSS 19.0和Excel 2007。

3 結果與討論

3.1 實測值特征

基于實測數(shù)據(jù)資料，利用式(3)、(4)、(5)和USLE中降雨侵蝕力、覆蓋—管理措施因子值確定方法，獲取皖西、皖南4個水土保持試驗站主要土壤可蝕性實測值，詳見表2。

表2 皖西、皖南主要土壤可蝕性實測值Tab.2 Measured values of soil erodibility for main type soil in south and west of Anhui, China

從表2 可以看出，皖西、皖南不同種類的土壤可蝕性實測值差異較大，變化范圍為0.013～0.043 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，紅壤可蝕性實測值最大，黃棕壤最小，紅壤的可蝕性實測值是黃棕壤的3.3倍。與其它3種土壤相比，紅壤可蝕性較大主要是由土壤結構造成的，紅壤因鐵鋁淀積形成網(wǎng)紋層，土壤入滲率低，降雨形成地表徑流大，沖刷能力強；地表植被破壞后，土壤遭到剝蝕、搬運，加之紅壤水穩(wěn)性差，所以土壤易遭侵蝕[25]。

皖西、皖南主要土壤可蝕性實測值與已有研究結果具有較好的一致性。皖西、皖南的粗骨土、黃棕壤和黃紅壤可蝕性實測值與太湖流域相應土壤種類相比，最大相差不超過0.006 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)[26]；皖南紅壤可蝕性實測值與贛北紅壤相比，相差不超過0.01 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)[12]。

3.2 估算值特征

基于皖西、皖南水土保持試驗站地表裸露徑流小區(qū)的土壤理化數(shù)據(jù)，采用式(6)、(7)分別獲取EPIC模型估算的土壤可蝕性值(記為KEPIC)和諾謨公式估算的土壤可蝕性值(記為KNM)，見表3。

表3 皖西、皖南主要土壤可蝕性估算值Tab.3 Simulated values of soil erodibility for main type soil in south and west of Anhui, China

從表中可以看出，同一種土壤不同方法估算的土壤可蝕性值差異較大。對EPIC模型和諾謨公式估算值進行方差分析，結果表明在0.05顯著水平以下，兩組估算值存在顯著差異，諾謨公式估算的土壤可蝕性比EPIC模型估算的高42.0%。不同的估算方法對土壤可蝕性估算結果影響較大，在沒有實測資料驗證情況下，合理選擇土壤可蝕性估算方法比較困難，因此，根據(jù)區(qū)域土壤特點，對土壤可蝕性估算方法進行驗證十分必要[27]。

3.3 估算方法驗證與修正

為比較研究區(qū)土壤可蝕性實測值(記為KSC)與估算值的差異，利用實測值對應估算值繪制1∶1線圖，分別獲得實測值與EPIC模型估算值1∶1線圖和實測值與諾謨公式估算值1∶1線圖(見圖1)。

從圖中可以看出，土壤可蝕性的估算明顯高于實測值。利用SPSS軟件進行方差分析，在0.05顯著水平下，EPIC模型估算值和諾謨公式估算值均與實測值存在顯著差異，EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性值比實測值分別高96.1%和178.5%。結果表明EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性偏高，不能直接應用于皖西、皖南的土壤可蝕性計算，該結果與張科利[11]、史學正[27]等研究中國和亞熱帶土壤可蝕性的結論相一致。

以上分析說明，利用實測資料估算土壤可蝕性的方法是科學獲取土壤可蝕性值的重要手段，但因土壤類型和特性空間變異大，在不同區(qū)域，土壤可蝕性估算方法表現(xiàn)的適宜性不同[11,27]。例如，在東北黑土區(qū)，諾謨公式經修正后可用于獲取該地區(qū)的土壤可蝕性值[28]；在贛北地區(qū)，諾謨公式和EPIC模型經修正后均可用于計算該地區(qū)的可蝕性值[12]。在皖西、皖南地區(qū)，EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性值遠遠大于實測值，該兩種方法估算的土壤可蝕性值不宜直接應用。因此，皖西、皖南地區(qū)的土壤可蝕性評估方法還需進一步的研究，這對實現(xiàn)區(qū)域水土流失準確監(jiān)測和水土保持生態(tài)科學建設具有重要的意義。

圖1 皖西皖南主要土壤可蝕性實測值與估算值1∶1線圖Fig.1 Comparison between estimated values and measured values of soil erodibility

4 結 論

(1) 皖西、皖南不同種類的土壤可蝕性實測值差異較大，其值范圍0.013～0.043 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，黃棕壤最小，紅壤最大，紅壤可蝕性值是黃棕壤的3.3倍，各土壤可蝕性實測值與已有同類土壤研究結果具有較好的一致性。

(2) 同一種土壤不同方法估算的土壤可蝕性值差異較大，在沒有實測資料驗證情況下，合理選擇土壤可蝕性估算方法比較困難。

(3) 與實測值相比，用EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性值偏高，不能直接應用于皖西、皖南的土壤可蝕性計算。