基于文獻統(tǒng)計的CSLE模型中耕作措施因子的確定

周曉瑩, 賈立志, 桑衛(wèi)國

(中央民族大學 生命與環(huán)境科學學院, 北京 100081)

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，它是由物理、化學和生物風化作用形成的地殼表層，由礦物顆粒、有機質(zhì)、水、空氣和生物組成[1-3]。土壤為人類生存提供了食物和纖維，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了養(yǎng)分和水，為工業(yè)生產(chǎn)提供了金屬和煤炭，并為各種生物有機體提供了生存空間[4-5]。土壤是重要的自然資源，維持著生物地球化學循環(huán)，為地球上生命的生存提供了物質(zhì)基礎[6]。因此，保護和合理利用土壤資源越來越引起人們的重視。但是，由自然因素和人類活動導致的土壤侵蝕仍是土壤退化的重要原因[7]。

土壤侵蝕會引起土壤滲透能力下降、團粒結構減少、養(yǎng)分流失等問題，從而影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，制約著經(jīng)濟的快速發(fā)展[8]。因此研究如何預測和防治土壤侵蝕具有非常重要的意義。長期以來，土壤侵蝕模型被國內(nèi)外學者廣泛用于水土流失的預測[9]。1978年，美國學者Wischmeier等[10]提出了著名的通用土壤流失方程——USLE模型，用R因子(降雨)、K因子(土壤可蝕性)、LS因子(坡度及坡長)、C因子(土地覆蓋和管理)和P因子(水土保持措施)來估算年平均土壤流失量。Renard[11]，Hu[12]等提出了修正后的通用土壤流失方程——RUSLE模型，此模型反映了土壤侵蝕與各種影響因素之間的關系，并量化了不同情況下的土壤侵蝕模數(shù)。與USLE模型相比，RUSLE模型的計算所依據(jù)的資料更多，預測值與前者相比更為精確[13]。基于以上模型，我國學者劉寶元等[14]通過對我國大部分地區(qū)土壤流失數(shù)據(jù)的分析，改進并提出了適用于中國的土壤流失預報模型——CSLE模型。在CSLE模型中，C因子(土地覆蓋和管理)和P因子(水土保持措施)被替換為B因子(生物措施)、E因子(工程措施)和T因子(耕作措施)，來預測不同的水土保持措施下坡耕地的年平均土壤流失量，更符合中國在漫長的水土流失防治歷史中對土壤保持的系統(tǒng)實踐[14-16]。

T因子(耕作措施，0≤T≤1)是CSLE模型中的一個重要因子，是指保護性耕作方式下的土壤流失量與傳統(tǒng)耕作方式下的土壤流失量之比，T因子取值越小，表示實施這種保護性耕作措施所帶來的水土保持效益越好[17]。T因子與保土和增產(chǎn)均有密切的關系，并且與B，E因子相比，T因子具有便于實施、見效快、成本低等特點，在全國各地的水土保持工作中廣泛應用。除此之外，目前很多研究也證明了T因子能夠顯著地減少坡耕地的水土流失。但是，在CSLE模型的計算中，T因子的取值大部分考慮沒有水土保持措施，而將其賦值為1[18-20]或對免耕、免耕覆蓋等保護性耕作措施未作考慮，僅考慮不同坡度下等高耕作下的T因子取值[21-22]。但是在實際中，會采用許多水土保持耕作措施來減少水土流失，比如：免耕、等高耕作和壟作區(qū)田等。也有部分運用CSLE模型計算土壤侵蝕率時，會考慮到水土保持耕作措施的影響，而根據(jù)一些局部區(qū)域的試驗得出，并沒有很好的代表性，很難在大區(qū)域推廣使用[23]。我國地域廣闊，土壤侵蝕地域差異較大。因此，我國水利部將全國分為東北黑土區(qū)、北方土石山區(qū)、北方風沙區(qū)、西北黃土高原區(qū)、南方紅壤區(qū)、西南紫色土區(qū)、青藏高原區(qū)和西南巖溶區(qū)8個水土保持區(qū)。各區(qū)域內(nèi)氣候、土壤、地形等自然環(huán)境及農(nóng)業(yè)耕作方式較為一致[24-25]。除北方風沙區(qū)和青藏高原區(qū)之外，其他6個區(qū)域均以水力侵蝕為主。因此，本文基于已經(jīng)發(fā)表的文獻，統(tǒng)計各個水土保持分區(qū)的已經(jīng)發(fā)表的野外試驗或者徑流小區(qū)的產(chǎn)沙資料，分析6個以水力侵蝕為主的水土保持區(qū)不同耕作措施的T因子的取值，以期為CSLE模型的應用中T因子的取值提供理論支撐和科學依據(jù)。

1 材料與方法

本文以“耕作”和“產(chǎn)沙”或“侵蝕”或“水土保持”和“中國”為關鍵詞，在CNKI及Web of Science上搜索、收集1992—2019年10月發(fā)表的文章，并按照以下條件進行篩選：(1) 產(chǎn)沙數(shù)據(jù)必須從野外觀測或試驗中獲得，在實驗室或溫室中進行試驗的文章剔除；(2) 在研究中，至少報告了一種保護性耕作方法，并用傳統(tǒng)耕作作為對照；(3) 文中包含產(chǎn)沙數(shù)據(jù)以及試驗重復次數(shù)；(4) 文中的保護性耕作土地和對照組傳統(tǒng)耕作土地都處在相同環(huán)境條件下(氣候、土壤類型、土壤含水量、溫濕度、地形、作物、耕作時間等)，耕作方式為唯一變量。如此以來，保護性耕作與傳統(tǒng)耕作產(chǎn)沙的差異可以看作是由不同耕作方式導致的。

經(jīng)過篩選，一共得到84篇文獻，共646組產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。其中，對于某一區(qū)域，如果某一種耕作方式的樣本量少于10的話，則認為沒有足夠代表性，應舍棄，舍棄后剩余609組產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。根據(jù)本研究的需要，主要收集以下資料：研究區(qū)域經(jīng)緯度以及所處的水土保持區(qū)，保護性耕作方式，保護性耕作下和傳統(tǒng)耕作下的產(chǎn)沙量。通常情況下，產(chǎn)沙量的數(shù)據(jù)在文本中或者表格中體現(xiàn)，如果產(chǎn)沙量以圖片形式出現(xiàn)，則運用GetData Graph Digitizer 2.25軟件提取?？傮w來說，發(fā)表的文獻的研究區(qū)域都分布在中國6個以水蝕為主的水土保持區(qū)。T因子可以根據(jù)以下公式計算[17]：

T=S1/S2

(1)

式中：T為耕作措施因子，無量綱，取值在0～1；S1為保護性耕作措施下的土壤流失量；S2為同等條件傳統(tǒng)耕作措施下的土壤流失量。

2 結果與分析

2.1 東北黑土區(qū)T因子取值

東北黑土區(qū)土壤以富含腐殖質(zhì)的黑土為主，土壤肥沃，是我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū)之一[26]。圖1是所搜集文獻中東北黑土區(qū)不同保護性耕作措施下T因子的平均值，由圖1可知，該地區(qū)所采用的保護性耕作措施主要有免耕秸稈覆蓋、等高耕作和壟作區(qū)田3種。在3種耕作方式中，等高耕作最多(121組數(shù)據(jù))。T因子的平均值表現(xiàn)為等高耕作(0.52±0.25)>免耕秸稈覆蓋(0.20±0.14)>壟作區(qū)田(0.15±0.12)。壟作區(qū)田的T因子取值最小，說明壟作區(qū)田這種保護性耕作措施下水土保持效果最好。Krishna等[27]研究發(fā)現(xiàn)，壟作區(qū)田可以有效減少地表徑流和增加土壤蓄水量。壟作區(qū)田可以通過縮短坡面長度和減小坡面坡度來控制水蝕、截留降水，避免了徑流的形成，從而達到保土保水的目的[28]。免耕秸稈覆蓋的T因子大于壟作區(qū)田小于等高耕作，說明免耕秸稈覆在減少土壤流失方面次于壟作區(qū)田但優(yōu)于等高耕作。Zhang等[29]研究表明，免耕耕作措施下的土壤團聚體含量一般高于傳統(tǒng)耕作。Liu等[30]研究表明，免耕秸稈覆蓋可以顯著提高土壤孔隙度、土壤飽和含水量和土壤含水量，提高土壤持水能力。但是，長期免耕可能增加土壤容重，降低土壤孔隙度，從而降低土壤導水率[31]。有研究表明，免耕秸稈覆蓋在減少徑流方面不如等高耕作，但在減少土壤流失方面優(yōu)于等高耕作[32]。因此，免耕秸稈覆蓋通過改善土壤性質(zhì)，減少了土壤流失，等高耕作通過截留地表徑流和增加滲透，減少了土壤流失。

2.2 北方土石山區(qū)T因子取值

北方土石山區(qū)土壤以棕壤、褐土和栗鈣土為主，區(qū)內(nèi)土層薄，水土流失造成的危害較大[24,33]。由圖2可知，北方土石山區(qū)所采用的保護性耕作措施主要有免耕、壟作區(qū)田和等高耕作+植物籬3種。在北方土石山區(qū)，采用等高耕作+植物籬這種保護性耕作措施較多(24組數(shù)據(jù))，其次是壟作區(qū)田(15組數(shù)據(jù))。所搜集文獻中，T因子的平均值表現(xiàn)為免耕(0.51±0.25)>壟作區(qū)田(0.46±0.24)>等高耕作+植物籬(0.17±0.09)。等高耕作+植物籬耕作措施下的T因子取值最小，說明這種耕作方式減少土壤流失的效果最好。Lamichhane[34]研究表明，植物籬顯著降低了徑流量，從而減少了土壤流失量。有研究發(fā)現(xiàn)，草籬平均減少了約30%～70%的地面徑流，50%～80%的土壤流失[35-36]。植物籬控制水土流失的原因主要是：(1) 植物籬攔截了地表徑流；(2) 植物對地面起到了覆蓋的作用，減少了雨滴擊濺侵蝕；(3) 植物根系改善了土壤的理化性質(zhì)，提高了土壤滲透能力，增加了土壤肥力[37-39]。

注：圖中數(shù)字標簽表示各種保護性耕作措施的數(shù)據(jù)量，下圖同。

圖2 北方土石山區(qū)不同保護性耕作措施T因子平均值

2.3 西北黃土高原區(qū)T因子取值

西北黃土高原區(qū)是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一，土壤以質(zhì)地松散的黃土為主[40]。嚴重的土壤侵蝕降低了土地生產(chǎn)力，限制了該區(qū)域的農(nóng)業(yè)發(fā)展[41]。由圖3可知，西北黃土高原區(qū)所采用的保護性耕作措施主要有免耕、免耕秸稈覆蓋和等高耕作3種。所搜集文獻中，關于免耕秸稈覆蓋這種保護性耕作措施的研究最多(72組數(shù)據(jù))。T因子的平均值表現(xiàn)為免耕(0.73±0.17)>免耕秸稈覆蓋(0.69±0.22)>等高耕作(0.27±0.22)。等高耕作的T因子取值最小，說明在西北黃土高原區(qū)采用等高耕作這種保護性耕作方式水土保持效果最好。趙龍山等[42]研究表明，等高耕作可以通過增加坡耕地的地表粗糙度、截留地表徑流來控制水土流失，使坡耕地產(chǎn)流量減小38.17%，產(chǎn)沙量減小65.6%。免耕和免耕秸稈覆蓋T因子取值較大的原因可能是：免耕和免耕秸稈覆蓋通過改善土壤性質(zhì)減少土壤流失，但由于黃土質(zhì)地松散，這兩種耕作方式所能起到的土壤改良效果有限，導致減少土壤侵蝕的效果并不明顯[31,40]。

圖3 西北黃土高原區(qū)不同保護性耕作措施T因子平均值

2.4 南方紅壤區(qū)T因子取值

南方紅壤區(qū)自然資源豐富，農(nóng)作物產(chǎn)量高，經(jīng)濟發(fā)展迅速。該區(qū)域降水較多，水力侵蝕嚴重[43]。由圖4可知，南方紅壤區(qū)所采用的保護性耕作措施主要有免耕秸稈覆蓋和等高耕作2種。該區(qū)域等高耕作最多(38組數(shù)據(jù))。T因子的平均值表現(xiàn)為等高耕作(0.54±0.32)>免耕秸稈覆蓋(0.11±0.08)。免耕秸稈覆蓋的T因子最小，說明在南方紅壤區(qū)采用這種耕作方式減少土壤侵蝕效果最好。前人研究表明，免耕秸稈覆蓋可以增加地表覆蓋，減少雨滴擊濺侵蝕，降低土壤容重，增加土壤孔隙度，改善土壤持水能力，使土壤養(yǎng)分增加，土壤微生物含量增加，從而減少了水土流失[30,44]。由于南方紅壤區(qū)降水量大且集中，年均降雨量達到800～2 500 mm，雨滴擊濺導致的侵蝕嚴重，而免耕秸稈覆蓋這種保護性耕作措施通過秸稈的覆蓋顯著減少了雨滴擊濺侵蝕[43]。等高耕作是南方紅壤區(qū)較多采用的保護性耕作方式，有研究表明，等高耕作的徑流調(diào)控效益可達到72.3%[45]。周怡雯等[46]研究發(fā)現(xiàn)，大雨強降雨下，免耕秸稈覆蓋和等高耕作均可以有效減少土壤侵蝕和養(yǎng)分流失，但是免耕秸稈覆蓋減少土壤養(yǎng)分流失的效果更好。

2.5 西南紫色土區(qū)T因子取值

西南紫色土區(qū)位于長江中上游，土壤以抗蝕性弱的紫色土為主，是重要的農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)基地，該區(qū)域土層薄，水土流失嚴重[47]。由圖5可知，該地區(qū)所采用的保護性耕作措施主要有免耕秸稈覆蓋、等高耕作、等高耕作+植物籬和聚土免耕4種。在4種耕作方式中，等高耕作最多(126組數(shù)據(jù))。T因子的平均值表現(xiàn)為等高耕作(0.48±0.27)>等高耕作+植物籬(0.47±0.24)>免耕秸稈覆蓋(0.44±0.29)>聚土免耕(0.32±0.15)。聚土免耕的T因子最小，說明這種耕作措施在減少該區(qū)域的土壤流失方面表現(xiàn)出最大的優(yōu)勢。聚土免耕是西南紫色土區(qū)特有的耕作方式，土壤保持效益優(yōu)于其他3種耕作方式。研究表明，這種保護性耕作方式具有網(wǎng)格狀結構，可以有效攔截地表徑流并增加土壤入滲。并且，長期聚土免耕可以使土壤養(yǎng)分、微生物含量、土壤酶活性等顯著提高，土壤容重顯著降低，并能提高作物產(chǎn)量[48-49]。

圖4 南方紅壤區(qū)不同保護性耕作措施T因子平均值

圖5 西南紫色土區(qū)不同保護性耕作措施T因子平均值

2.6 西南巖溶區(qū)T因子取值

西南巖溶區(qū)成土母質(zhì)以石灰?guī)r為主，土壤層薄，植被難以生長，土壤流失后易導致石漠化[24,50]。由圖6可知，西南巖溶區(qū)所采用的保護性耕作措施主要有免耕和等高耕作2種。所搜集文獻中，關于等高耕作這種保護性耕作措施的研究最多(15組數(shù)據(jù))。T因子的平均值表現(xiàn)為免耕(0.49±0.33)>等高耕作(0.38±0.33)。在本文提到的6個水土保持區(qū)中，西南巖溶區(qū)關于保護性耕作的報道最少，說明本地區(qū)采用保護性耕作措施較少，對此區(qū)域保護性耕作措施的研究也較少。在2種保護性耕作措施中，等高耕作的T因子最小，說明本地區(qū)采用這種保護性耕作措施的水土保持效益最好。西南巖溶區(qū)土壤層薄，只要有降水，就極易造成土壤流失，而等高耕作攔蓄了地表徑流，有效減少了土壤流失[42,51]。

圖6 西南巖溶區(qū)不同保護性耕作措施T因子平均值

本研究發(fā)現(xiàn)，同一水土保持區(qū)，不同耕作方式的T因子取值不同。但是相同的水土保持耕作措施在不同的水土保持區(qū)的T因子取值也有較大差異。出現(xiàn)這種情況的原因主要是與各個區(qū)域的溫度、降水、土壤條件等差異較大有關。等高耕作是各地區(qū)采用最多的保護性耕作措施(315組數(shù)據(jù))，這種耕作措施下的T因子在東北黑土區(qū)、西北黃土高原區(qū)、南方紅壤區(qū)、西南紫色土區(qū)、西南巖溶區(qū)的取值為分別為0.52±0.25，0.27±0.22，0.54±0.32，0.48±0.27，0.38±0.33。西北黃土高原的T因子取值最小，說明西北黃土高原地區(qū)采用等高耕作這種保護性耕作措施的水土保持效率最高。這是由于西北黃土高原區(qū)是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一，該地區(qū)的土壤以質(zhì)地松散、易侵蝕的黃土為主，地形溝壑縱橫，坡度較大，水土流失分布廣泛[40-41]。而采用等高耕作可以增加地表粗糙度、截留地表徑流，更適應該地區(qū)的土壤及地形特征，可有效減少水土流失[42,52]。免耕秸稈覆蓋也是各地區(qū)采用較多的保護性耕作措施(115組數(shù)據(jù))，各地區(qū)T因子取值表現(xiàn)為：西北黃土高原區(qū)(0.69±0.22)>西南紫色土區(qū)(0.44±0.29)>東北黑土區(qū)(0.20±0.14)>南方紅壤區(qū)(0.11±0.08)。西北黃土高原的T因子取值最大，南方紅壤區(qū)最小，說明采用免耕秸稈覆蓋這種保護性耕作措施，西北黃土高原地區(qū)的水土保持效率最低，南方紅壤區(qū)最高。南方紅壤區(qū)水熱條件充沛，降水量大且集中，雨滴擊濺侵蝕嚴重，是導致本地區(qū)水土流失的主要因素[43]。而免耕秸稈覆蓋增加了地表覆蓋度，大大減輕了雨滴對地表土壤的沖擊力，并通過改善土壤質(zhì)量進一步減少了水土流失[46]。總體來看，東北黑土區(qū)的T因子取值相對偏小(0.29±0.20)，說明東北黑土區(qū)采用各種保護性耕作措施的水土保持效率均較高，這與東北黑土區(qū)的自然條件密切相關。東北黑土區(qū)土壤肥沃，地形以平原為主，地表起伏較小，水土流失主要是由于大規(guī)模的土地開發(fā)利用導致的[53]。在此地區(qū)采用保護性耕作措施的水土保持效率較高，尤其是壟作區(qū)田，可以有效攔截地表徑流，從而起到保水保土的作用[27-28]。

3 結 論

(1) 我國采用的保護性耕作措施主要有免耕、免耕秸稈覆蓋、等高耕作、壟作區(qū)田、等高耕作+植物籬和聚土免耕6種。其中，等高耕作在除北方土石山區(qū)之外5個水土保持區(qū)中均為主要的保護性耕作措施，聚土免耕是西南紫色土區(qū)特有的保護性耕作措施。6個水土保持區(qū)中，關于西南紫色土區(qū)保護性耕作的研究最多，西南巖溶區(qū)研究最少。

(2) 由于不同水土保持措施減少土壤侵蝕的機理不同，在同一水土保持區(qū)，不同耕作方式的T因子取值不同。由于氣候、地形、土壤等條件的差異，相同的水土保持耕作措施在不同的水土保持區(qū)的T因子取值也有較大差異。