重慶市中國(guó)土壤流失方程因子研究進(jìn)展

董麗霞，蔣光毅，張志蘭，符素華，鄭云澤

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875； 2.重慶市水土保持監(jiān)測(cè)總站，重慶 401147)

水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是落實(shí)國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)決策部署的重要支撐。土壤侵蝕模數(shù)計(jì)算是水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)必不可少的環(huán)節(jié)之一，而中國(guó)土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)是水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中水蝕區(qū)土壤侵蝕模數(shù)的計(jì)算方法。CSLE模型是考慮我國(guó)土壤侵蝕特點(diǎn)，同時(shí)借鑒美國(guó)通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)的建模思路而建立的一種適用于我國(guó)坡面土壤侵蝕評(píng)價(jià)的模型。CSLE/USLE模型中各因子的取值與地區(qū)的氣候、地形、土壤及土地利用等因素密切相關(guān)，計(jì)算方法及參數(shù)取值因地而異，因此確定適合不同地區(qū)的模型參數(shù)值對(duì)區(qū)域水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水土保持工作開(kāi)展、生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

重慶市地處川東山地丘陵區(qū)，有坡耕地面積約118.92萬(wàn)hm2，占全市耕地面積的47.14%[1]，同時(shí)紫色土分布面積約273.73萬(wàn)hm2，占全市土地面積的33.22%[2]，因此重慶市以紫色土分布為主的坡面水土流失非常嚴(yán)重，有水土流失面積254.45萬(wàn)hm2[3]。重慶市位于三峽庫(kù)區(qū)腹地，嚴(yán)重的水土流失不僅關(guān)乎土壤資源保護(hù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，而且對(duì)三峽水庫(kù)水質(zhì)及周邊水源地生態(tài)環(huán)境也具有重要影響，因此學(xué)者們對(duì)CSLE/USLE各因子在重慶市的適用情況開(kāi)展了大量的研究。為了確定適合于重慶市的CSLE各因子的計(jì)算公式或取值，本研究以文獻(xiàn)查閱的方式，通過(guò)中國(guó)知網(wǎng)等平臺(tái)，以重慶市、三峽庫(kù)區(qū)、紫色土+土壤侵蝕、USLE、CSLE為關(guān)鍵詞進(jìn)行文獻(xiàn)檢索，并逐篇篩選與補(bǔ)充，共獲得135篇相關(guān)文獻(xiàn)，通過(guò)對(duì)這些文獻(xiàn)的系統(tǒng)查閱，系統(tǒng)梳理和歸納了CSLE/USLE各因子的計(jì)算方法及參數(shù)取值等，以CSLE模型的因子結(jié)構(gòu)對(duì)各因子相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)概括，以期為重慶市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及水土保持工作開(kāi)展提供參考。

1 重慶市CSLE模型各因子研究現(xiàn)狀

CSLE模型的表達(dá)式[4]為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為多年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；R為多年平均降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；L為坡長(zhǎng)因子，無(wú)量綱；S為坡度因子，無(wú)量綱；B為生物措施因子，無(wú)量綱；E為工程措施因子，無(wú)量綱；T為耕作措施因子，無(wú)量綱。

1.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力(R)是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，其經(jīng)典算法是著名的EI30模型，即用一次降雨總動(dòng)能(E)與該次降雨最大30 min雨強(qiáng)(I30)的乘積計(jì)算降雨侵蝕力(R)。蔣光毅等[5-6]對(duì)重慶市R因子的經(jīng)典算法研究發(fā)現(xiàn)，EI5模型在重慶市使用效果較為理想。由于經(jīng)典模型數(shù)據(jù)獲取難度大且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此許多學(xué)者對(duì)重慶市R因子的簡(jiǎn)易算法進(jìn)行了研究，主要是建立日、月、年降雨量與經(jīng)典降雨侵蝕力算法(EI30)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)計(jì)算R因子值。

基于日雨量數(shù)據(jù)計(jì)算重慶市R因子值的模型主要有冪函數(shù)模型及一元二次函數(shù)模型等[7-9]，見(jiàn)表1。寧麗丹等[7]和繆馳遠(yuǎn)等[8]提出的日雨量降雨侵蝕力冪函數(shù)模型中的冪指數(shù)比較接近，分別為1.50和1.529 2；但冪函數(shù)前面的系數(shù)差異較大，寧麗丹等的冪函數(shù)系數(shù)值在0.09～1.05之間，平均值為0.57，而繆馳遠(yuǎn)等的則為1.157 3?；谠掠炅繑?shù)據(jù)計(jì)算R因子的模型主要有多項(xiàng)式模型[10]、冪函數(shù)模型[8,11]及其他形式模型[9]等(表2)?？婑Y遠(yuǎn)等[8]、王明曉[11]和史東梅等[9]研究提出了基于年雨量數(shù)據(jù)的R因子計(jì)算模型，但是公式的形式及系數(shù)均存在差異(表3)。

表1 基于日雨量數(shù)據(jù)的重慶市降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型

表2 基于月雨量數(shù)據(jù)的重慶市降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型

表3 基于年雨量數(shù)據(jù)的重慶市降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算模型

1.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子(K)是評(píng)價(jià)土壤對(duì)侵蝕敏感程度的指標(biāo)，是標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力下的土壤流失量。重慶市K因子的研究主要包括K因子影響因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定、測(cè)定方法、計(jì)算方法及其時(shí)空變異性等，主要集中在K值的測(cè)量和估算方面。國(guó)內(nèi)外有代表性的K值計(jì)算模型主要有5種，見(jiàn)表4。

許多學(xué)者根據(jù)表4中的模型計(jì)算重慶市的K值，并將其與野外實(shí)際降雨或人工模擬降雨等的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，分析并建立兩者之間的轉(zhuǎn)化方程，以尋找最適合重慶市的K因子計(jì)算方法。吳昌廣等[17]基于張科利等[18]的修正Shirazi模型計(jì)算得到三峽庫(kù)區(qū)各土類K值(表5)，與張科利等[18]的研究成果[四川遂寧紫色土K值0.019 1 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]對(duì)比發(fā)現(xiàn)修正Shirazi模型用于計(jì)算重慶市K值是可行的。張兵[19]、史東梅等[20]、姚云[21]研究發(fā)現(xiàn)利用模型計(jì)算所得K值均大于實(shí)測(cè)K值(表6)，這些模型基本上都不能直接應(yīng)用于重慶市K值的計(jì)算，但經(jīng)修正轉(zhuǎn)換的EPIC模型、諾謨模型在重慶市的適用性較好。

此外，許多學(xué)者基于土壤理化性質(zhì)的研究得到K因子的計(jì)算模型(表7)，考慮了土壤質(zhì)地、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤有機(jī)質(zhì)等參數(shù)的影響，但參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)存在差異。

表4 常見(jiàn)土壤可蝕性因子計(jì)算模型

表5 三峽庫(kù)區(qū)不同土類K值

表6 不同學(xué)者研究的紫色土K值

表7 基于土壤理化性質(zhì)的土壤可蝕性因子計(jì)算模型

1.3 坡長(zhǎng)坡度因子(LS)

坡長(zhǎng)因子是在降雨、土壤等其他條件都一致的情況下，某一坡長(zhǎng)的坡面土壤侵蝕量與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(坡長(zhǎng)22.13 m)坡面土壤侵蝕量的比值；坡度因子是在其他條件都一致的情況下，某一坡度坡面土壤流失量與坡度為5.13°坡面產(chǎn)生的土壤流失量之比。研究坡長(zhǎng)因子實(shí)質(zhì)上是研究坡長(zhǎng)與侵蝕關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。重慶市的坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式主要分為兩種類型，即冪函數(shù)模型及其他形式的坡長(zhǎng)因子計(jì)算模型[22-24]，見(jiàn)表8。這些模型大多是在USLE模型中的坡長(zhǎng)因子公式基礎(chǔ)上，根據(jù)重慶市實(shí)際情況，將22.13 m坡長(zhǎng)坡面上的坡長(zhǎng)因子標(biāo)準(zhǔn)化到20 m坡長(zhǎng)坡面上，只是冪指數(shù)值存在差異。陳正發(fā)[22]將冪指數(shù)值確定為定值0.34，而代數(shù)[23]認(rèn)為冪指數(shù)值隨坡度變化在0.1～0.5之間變化。楊艷生[24]采用地面平均坡度和相對(duì)高度指標(biāo)來(lái)計(jì)算坡長(zhǎng)因子值，參考標(biāo)準(zhǔn)條件坡度、相對(duì)高度分別為20°和362 m。

表8 重慶市坡長(zhǎng)因子計(jì)算公式

重慶市坡度因子計(jì)算公式主要有指數(shù)函數(shù)及線性分段函數(shù)兩種類型[22-24]，見(jiàn)表9。指數(shù)函數(shù)模型代表性公式有楊艷生[24]提出的坡度因子計(jì)算公式；線性分段函數(shù)模型有陳正發(fā)[22]和代數(shù)[23]提出的坡度因子計(jì)算公式。需要注意的是楊艷生[24]和陳正發(fā)[22]的坡度因子計(jì)算公式參考條件分別是20°和15°坡度，代數(shù)[23]的則是在34.8°坡度以下計(jì)算公式以15°為參考條件，以上以5.14°為參考條件。

表9 重慶市坡度因子計(jì)算公式

1.4 水土保持措施因子(B、E、T)

水土保持措施因子(B、E、T)指有措施條件下的土壤流失量與同等條件下連續(xù)清耕休閑地的土壤流失量之比[4]。凡是用種植和培育生物增加地表覆蓋的措施都稱為生物措施，如植樹、種草等；必須用推土機(jī)、挖掘機(jī)或人工修筑建造，而無(wú)法用一般耕作工具在耕作過(guò)程中完成的措施稱為工程措施，如梯田、谷坊等；凡是通過(guò)犁地、中耕等在耕作過(guò)程中完成的措施稱為耕作措施，如橫坡耕作、免耕等措施[25]。

(1)生物措施因子(B)。B因子值一般通過(guò)遙感影像和地面調(diào)查相結(jié)合的方法來(lái)獲取。2000年蔡崇法等[26]根據(jù)實(shí)地調(diào)查資料、徑流小區(qū)人工降雨及部分天然降雨資料提出三峽庫(kù)區(qū)B因子計(jì)算公式為

(2)

式中：c為植被蓋度，%。

2020年王銘烽[27]基于公式(2)計(jì)算得到2015年三峽庫(kù)區(qū)B因子空間分布情況，全區(qū)均值為0.103。庫(kù)區(qū)中游植被覆蓋最好，B因子均值最低，為0.080。主要土地利用類型中林地、草地、建設(shè)用地、水域和裸地的B值分別為0.062、0.082、0.901、0.993和0.952。

2011年吳昌廣[28]根據(jù)LIN et al.[29]在研究臺(tái)灣地區(qū)土壤侵蝕時(shí)提出的USLE模型中植被覆蓋與管理措施因子C值估算公式[公式(3)]，以及降雨侵蝕力的季節(jié)分布特征[公式(4)]分別計(jì)算三峽庫(kù)區(qū)1999、2009年的C因子值(按CSLE模型結(jié)構(gòu)歸為B因子值)，見(jiàn)表10。

(3)

(4)

式中：C為植被覆蓋與管理措施因子；Ci為第i個(gè)半月的C因子值；WRi為第i個(gè)半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，%；NDVI為歸一化植被指數(shù)。

表10 吳昌廣[28]研究三峽庫(kù)區(qū)1999、2009年不同土地類型B值

2011年郭宏忠等[30]參照中國(guó)-歐盟《流域管理項(xiàng)目土壤侵蝕監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)手冊(cè)》并根據(jù)不同土地利用方式和圖斑植被蓋度得到重慶仙魚小流域的B值，見(jiàn)表11。

表11 重慶仙魚小流域B值

2013年秦建軍[31]根據(jù)已有的研究成果并結(jié)合土地利用和植被蓋度的實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)得到開(kāi)縣的B值，見(jiàn)表12。

表12 開(kāi)縣不同土地利用現(xiàn)狀和不同植被蓋度下的B值

(2)工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)。水土保持E和T因子值一般根據(jù)相應(yīng)措施下的徑流小區(qū)觀測(cè)資料得到，如：2011年陳正發(fā)[22]研究得到重慶市T因子值范圍為0.180～0.763，E因子值范圍為0.032～0.184。若無(wú)觀測(cè)資料，主要基于賦值法獲取，如：才業(yè)錦[32]、郭宏忠等[30]等參照中國(guó)-歐盟《流域管理項(xiàng)目土壤侵蝕監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)手冊(cè)》資料賦值。依照劉寶元等[25]的中國(guó)水土保持措施分類標(biāo)準(zhǔn)將重慶市相關(guān)研究成果整理見(jiàn)表13。

表13 重慶市E、T因子值

2 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的系統(tǒng)梳理，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)者們關(guān)于重慶市CSLE/USLE模型的各個(gè)因子的研究已取得許多成果：提出了基于不同降雨量資料的降雨侵蝕力簡(jiǎn)易計(jì)算公式；提出了修正土壤可蝕性因子計(jì)算公式，并利用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算了主要土類的土壤可蝕性因子值；基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提出了坡度及坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕影響的定量評(píng)價(jià)公式；利用文獻(xiàn)資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了主要水土保持措施的B、E、T因子值。但是，目前重慶市各因子的計(jì)算基礎(chǔ)還需要統(tǒng)一。為了便于與國(guó)內(nèi)及國(guó)際上相同數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，建議所有因子的分析基礎(chǔ)都以5.14°坡度、22.13 m坡長(zhǎng)作為計(jì)算參考基準(zhǔn)，同時(shí)基于土類或土壤亞類的土壤可蝕性值和主要水土保持措施因子值需要利用坡面徑流小區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究。這些研究結(jié)果將直接服務(wù)于重慶市水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水土保持規(guī)劃與管理工作。