基于國內(nèi)文獻的RUSLE模型參數(shù)獲取方法分析

葉 蕾，史正濤

(云南師范大學 地理學部，云南 昆明 650500)

0 前言

RUSLE模型即修正的通用水土流失模型，是美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護局(NSCS)于1992年正式?jīng)Q定實施的，并在世界范圍內(nèi)得到了推廣[1]。RUSLE模型公式結(jié)構(gòu)合理、方法簡單、使用范圍廣。自RUSLE發(fā)布以來，其在世界的水土保持規(guī)劃工作中得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)量眾多的土壤侵蝕研究者應(yīng)用RUSLE模型進行了大量的研究。但此模型是NSCS在美國學者Wischmeier[2]等基于大量的小區(qū)觀測資料和人工模型的降雨試驗資料建立的USLE模型的基礎(chǔ)上進行改進的[3]，但模型的建立所使用的數(shù)據(jù)主要來自于美國落基山山脈以東區(qū)域，僅適用于平緩坡地，不適合壟作、等高耕作以及泥沙就地沉積的帶狀耕作措施等地帶。而在中國，由于地形復雜，山地與高原占比重，耕地主要分布在坡地與丘陵，因此大量的中國學者在應(yīng)用RUSLE模型時結(jié)合研究區(qū)的地理環(huán)境，對RUSLE模型進行了改進，但各個區(qū)域使用的方法并沒有統(tǒng)一的標準，導致各個地區(qū)土壤侵蝕量的對比存在一定的困難。針對這個問題，通過對近二十年的國內(nèi)RUSLE模型國內(nèi)相關(guān)文章進行整理，分析研究國內(nèi)RUSLE模型各參數(shù)取值主要研究方法及其使用地區(qū)，并對C、P因子各個土地利用/覆被的取值范圍進行歸納，提出適合于中國各個地區(qū)的參數(shù)取值方法及C、P取值范圍。

1 RUSLE模型的簡介

RUSLE模型基本結(jié)構(gòu)[2，4]

A=R·K·LS·C·P

式中：A為預測土壤侵蝕量(t/hm·s)；R為降水侵蝕力(cm/h·a)；K為標準小區(qū)條件下的土壤侵蝕性(t小時)；LS為坡長和坡度的侵蝕作用無量綱因子；C為覆蓋和管理無量綱因子；P為水保措施(如等高、梯田、淤積等)無量綱因子。影響土壤侵蝕的4個重要因子(R—氣候；K—土壤；LS—地形；C、P—土地利用和管理)均表達在此關(guān)系中，但在RUSLE中，對USLE中的一些因子做了進一步的分解，從而得出更明確的物理含義及預測的精確性[4，5]。

2 國內(nèi)RUSLE模型參數(shù)計算方法

通過對國內(nèi)文獻進行分析，對近20年國內(nèi)RUSLE方程相關(guān)文章中各個模型參數(shù)的主要取值方法和使用地區(qū)進行歸納，并對C、P因子各個土地利用/覆被取值范圍進行總結(jié)。

2.1 R因子的計算方法

R因子的取值方法主要包括以下幾種：Wischmeier等[3]原始算法，章文波等[6]研究方法，周伏建等[7]研究方法。

2.1.1 Wischmeier的R值原始算法

美國學者Wischmeier等[3]在1959年在美國明確提出降水侵蝕力研究方法。該方法以在美國進行的8 250個小區(qū)降雨實驗資料為基礎(chǔ)，分析了降雨動能、降雨強度、前期降雨量和最后耕作活動等土壤流失的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)降雨總動能與最大30 min雨強的乘積EI30與土壤流失量關(guān)系最好[4]。目前使用Wischmeier等的R值原始算法計算R值的研究區(qū)分布主要包括中國的東北[8，9]、華東[10，11]、西北[12，13]、西南地區(qū)[14，15]。

2.1.2 章文波等R值計算方法

章文波等[6]的R值計算方法主要是基于日降水量擬合模型來估算降水侵蝕力，通過半月侵蝕力(24個半月)的累計總和得出年降水侵蝕力，公式簡單，計算方便。使用章文波等R值計算方法計算R值的研究區(qū)分布主要包括中國東北[16]、華北[17]、西北[18，19]等地區(qū)。

2.1.3 周伏建等的R值計算方法

周伏建等[7]的R值計算方法，是基于福建省安溪、南安、龍海、將樂、長汀5個試驗站的小區(qū)實驗得出的。通過對5個站點各時段雨強(mm/min)和5、10、20、30、60 min最大時段雨強(cm/h)及其對應(yīng)的土壤流失量進行記錄與統(tǒng)計，總結(jié)出適合于福建省的降雨侵蝕力R值的簡便算法。使用該R值計算方法來計算R值的區(qū)域主要集中在福建省[20，21]和與福建省氣候、水文條件等較為相似的地區(qū)[22]。

2.2 K因子的計算方法

K因子的取值方法主要包括以下幾種：EPIC的模型公式，Wischmeier[3]等的可蝕性諾謨方程，劉寶元等[23]K值計算方法。

2.2.1K因子計算的EPIC模型公式

EPIC是1981年被開發(fā)出來用于評估美國土壤侵蝕和土壤生產(chǎn)力之間關(guān)系的一個數(shù)學模型。它主要由氣候、水文、侵蝕沉積、營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、殺蟲劑、作物生長、土壤溫度、耕作、經(jīng)濟作物環(huán)境控制等因子和30多個方程組成。

EPIC模型公式求K值的方法在中國應(yīng)用十分廣泛，幾乎在中國的任何地區(qū)[24-29]進行的土壤可蝕性實驗都可使用EPIC模型進行計算。

2.2.2K因子計算的Wischmeier等的可蝕性諾謨方程

Wischmeier等[3]選用粉粒+極細砂礫含量、砂礫含量、有機質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)系數(shù)和滲透性等級5項土壤特性指標，通過分析其與土壤可蝕性因子K值之間的關(guān)系，提出了土壤可蝕性K值的計算公式。使用該公式計算K因子的方法應(yīng)用在中國的華北[30]、華東[31]、西南[32-34]等地區(qū)。

2.2.3K因子計算的劉寶元等計算方法

劉元寶[23]的K因子的計算方法，是在Wischmeier等[3]的可蝕性諾謨方程公式上進行改進的，改進后的公式更加適用于在各土壤顆粒資料稀缺時使用，可直接使用土壤顆粒的平均幾何粒徑。使用劉寶元等K值研究方法計算K值的區(qū)域，主要集中在中國的西北[19]和西南[35]地區(qū)。

2.3 LS因子的取值方法

LS因子的L和S因子的取值方法可以分為：L因子的取值方法主要有：Wischmeier等[3]的L因子計算方法、Van Remortel[36]等的L因子取值方法；S因子的取值方法主要包括：McCool等[37]的S因子取值方法、劉寶元等[23]的S因子取值方法、以及結(jié)合McCool等[37]和劉寶元等[38]兩者的取值方法。

2.3.1L因子的取值方法

L因子的取值方式主要包括以下幾種：Wischmeier等[3]的L因子計算方法、Van Remortel等[36]的L因子取值方法等。

(1)Wischmeier等的L因子計算方法

Wischmeier等[3]的L因子計算方法是1978年由Wischmeier和Smith[3]兩人共同推出的計算坡長因子的方法。該方法在中國主要應(yīng)用在華北[39]、華南[40]、華東[41]、西北[42]和西南[43、44]地區(qū)。

(2)Van Remortel等的L因子計算方法

Van Remortel等[34]的L因子計算方法是Van Remortel等[34]先后采用Arc Map軟件的宏語言開發(fā)的基于Wischmeierhe和Smith[3]的坡長坡度因子計算公式的算法；其公式與Wischmeierhe和Smith[3]的相同，只是式中的L為坡長因子，θ為DEM提取的坡度值，α為坡度坡長指數(shù)，β為細溝侵蝕和面蝕的比值。該方法在中國主要集中應(yīng)用在西南[43]和華東[44]地區(qū)。

2.3.2S因子的計算方法

S因子的取值方式主要包括以下幾種：McCool等[37]的S因子取值方法、劉寶元等的S因子取值方法、以及結(jié)合McCool和劉寶元等兩者的取值方法。

(1)McCool的S因子計算方法

McCool等[37]的S因子計算方法的資料來源主要來自于美國緩坡地的觀測數(shù)據(jù)，在中國使用McCool等的方法計算坡度因子的地區(qū)主要集中在中國華東[20]、西南[15、35]地區(qū)。

(2)劉寶元等的S因子計算方法

劉寶元等[38]的S因子的計算方法是根據(jù)西北地區(qū)的天水、安塞、綏德3個試驗站的徑流小區(qū)資料建立的陡坡地條件下坡度因子的算法，在中國使用了此方法計算坡度因子的地區(qū)主要在中國的華東[46]、西北[42]、西南[47]地區(qū)。

(3)McCool和劉寶元等聯(lián)合的S因子計算方法

McCool等[37]和劉寶元等[38]的聯(lián)合的公式是將McCool等方法和劉寶元等方法聯(lián)合起來進行坡度因子計算的方法，該方法級可兼顧緩坡地帶也可兼顧陡坡地帶，是較為適合中國大部分地區(qū)的。McCool等和劉寶元等方法計算坡度因子的方法在中國的各個地區(qū)[16、18、28、41、48]均有使用，其結(jié)合緩坡和陡坡的方式更加適合中國的大多數(shù)地區(qū)。

2.4 C因子的研究方法

C因子的取值方法主要包括：蔡崇法等[49]研究方法、張巖等[50]研究方法等研究方法，并對不同土地利用/覆蓋類型下的C因子的取值范圍進行分析。

2.4.1C因子的計算方法

2.4.1.1 蔡崇法等的C因子研究方法

蔡崇法等[47]的C因子研究方法是基于植被或作物覆蓋度進行計算的。C的最小值為0，即不產(chǎn)生土壤流失；而C的最大值為1，即為標準狀況。使用該方法計算C因子的地區(qū)廣泛的分布于中國各個地區(qū)[15、20、27、28、37、40、51]。

2.4.1.2 張巖等的C因子計算方法

張巖[50]等的C因子計算方法是張巖等人基于甘肅天水和陜西安塞水土保持實驗資料得出來的，該試驗計算了7種主要農(nóng)作物(安塞谷子、安塞黃豆、安塞馬鈴薯、安塞蕎麥、天水玉米+大豆、天水冬麥、天水扁豆)的土壤流失比率，并對黃土高原7種作物(蕎麥、馬鈴薯、谷子、大豆、冬麥、玉米+大豆、扁豆)進行了計算，得出其C值在0.23～0.74。該研究方法主要應(yīng)用于與其小區(qū)實驗環(huán)境較為相似的中國西北[19、30]地區(qū)。

2.4.2C因子的取值

只有部分文獻給出了各土地利用/覆被類型的具體數(shù)值，對給出具體值的土地利用/覆被的取值進行歸納，整理出水體、居民地、水田、旱地、林地、灌木林、疏林地、草地、裸地各個土地利用/覆被類型的C值取值(表1)。

表1 各個土地利用/覆被類型的C值取值范圍Tab.1 Value range of C value of each land use/cover type

由上表可知，寫出水體C因子具體取值的文獻中水體的C因子取值主要為0，即在此類土地利用/覆蓋類型下不產(chǎn)生土壤流失；居民地的C因子取值主要取0；水田的C因子取值范圍主要集中在0.1～1范圍內(nèi)，取值為0.12，且都集中在西南地區(qū)，取值為0.18，在全國各地皆有應(yīng)用；旱地取值范圍主要集中在0.1～1范圍內(nèi)，取值0.21，分布在西南地區(qū)，取值0.31分布在西南和華南地區(qū)，值為0.46的分布華中、東北地區(qū)；林地C因子林地的C因子取值范圍主要集中在0.001～0.01，具體取值0.004的在華北和西北地區(qū)，取值0.005的主要在東北地區(qū)，取值最多的為0.006，主要在華東和華南地區(qū)；灌木林地取值主要集中在0.01～0.1，取值0.083的在華北、西北地區(qū)，0.017的在華南、華中、西南，0.05的在西南、東北地區(qū)；疏林地C因子取值范圍主要集中在0.01～0.1，具體取值0.017分布在華南和西南地區(qū)，0.05在西南、東北地區(qū)；裸土地取值主要取值為1，即為標準概況；草地的C因子取值范圍主要集中在0.01～0.1，0.04和0.05取值分別在西南和西北地區(qū)。

2.5 P因子的計算方法

P因子的研究方法主要包括以下幾種：蔡崇法等[49]研究方法、游松財?shù)萚52]研究方法等研究方法，并對寫出的不同土地利用/覆被類型下的P因子的取值范圍進行分析。

2.5.1P因子的計算方法

(1)蔡崇法等P因子研究方法

蔡崇法等[49]P因子研究方法是基于坡面侵蝕試驗研究的結(jié)果，再結(jié)合卜兆宏等[53]研究結(jié)果，對不同的土地利用類型進行復制，使用此方法的地區(qū)主要集中分布在中國的華東[41]和西南[15]地區(qū)。

(2)游松財?shù)萈因子研究方法

游松財?shù)萚52]P因子研究方法是在對在印度尼西亞(CSAR，1995)的P因子研究成果進行分析的基礎(chǔ)上，通過對TM微信影像(1991-11-7)進行監(jiān)督分類，獲取土地利用現(xiàn)狀，對不同的土地利用類型進行賦值；使用了游松財?shù)鹊腜因子計算方法計算P因子的地區(qū)主要分布在中國的西南[54]地區(qū)。

2.5.2P因子的取值

部分文獻給出了各土地利用/覆被類型的P值具體數(shù)值。對給出具體值的土地利用/覆被的取值進行歸納、整理出各個土地利用/覆被類型的P值取值范圍(表2)。

表2 各個土地利用/覆被類型的P值取值范圍Tab.2 P value range of each land use/cover type

由表2可知，在國內(nèi)，水體的P因子取值范圍主要為0，即代表根本不會發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)；居民地P因子的取值主要集中在0和1兩個極端之上，即根本不會發(fā)生土壤侵蝕的地區(qū)和未采取任何水圖保持措施的地區(qū)；水田取值0.01應(yīng)用于華東地區(qū)，0.03在東北、西南地區(qū)，0.1和0.15分別在西南和西南、華東地區(qū)；旱地P因子具體取值在0.25、0.35、0.4、0.45、0.6這幾個數(shù)值之中，應(yīng)用于中國華東、東北、西北、西南等地；林地取值的在全國范圍內(nèi)主要為1，即未采取任何水保措施，其次為0.015應(yīng)用于華南、華東地區(qū)；灌木林地的取值范圍主要為1，0.2主要應(yīng)用于華南地區(qū)；裸土地的取值主要為1，0.7主要在西北地區(qū)；草地的P因子取值主要為1，其次為取值0.2.

3 結(jié)論與討論

為提高國內(nèi)RUSLE模型使用效率，基于2000～2019年國內(nèi)RUSLE模型應(yīng)用文獻，對RUSLE各個參數(shù)主要取值方法使用條件、使用區(qū)域進行總結(jié)與分析?？偨Y(jié)得出：(1)R因子的計算包括Wischmeier等的原始算法、章文波、周伏健等研究方法；中國大部分地區(qū)R因子取值建議采用Wischmeier等的原始算法，該方法在降水資料詳盡的情況下，可以更加精準的求出R因子的值。(2)K因子計算主要包括EPIC的模型、Wischmeier等的可蝕性諾謨方程、劉寶元等K值計算方法等；建議全國各地區(qū)K因子計算可用經(jīng)典的EPIC公式，該公式充分考慮各種土壤類型，可適用于各類土壤組成的地區(qū)。(3)L因子取值方法：Wischmeier、Van Remortel等的L因子計算法；在中國大部分地區(qū)推薦使用Van Remortel等的L因子取值方法，該方法通過在軟件中實現(xiàn)LS值計算，簡單方便，適用于絕大多數(shù)地區(qū)；S因子的取值方法主要包括：McCool、劉寶元以及結(jié)合McCool和劉寶元等兩者的取值方法；S因子取值建議采用最后一種，該方法兼顧緩坡與陡坡地形，在中國的使用較廣。(4)C因子的取值包括蔡崇法、張巖等方法；在中國建議使用蔡崇法等法計算C因子，該方法計算簡便，更加適用于各種不同的土地利用類型；C因子各個土地利用/覆被的取值建議控制在如下范圍內(nèi)：水體取值為0；居民地取值為0；水田取值范圍在0.1～1；旱地取值范圍在0.1～1；林地取值范圍在0.001～0.01；灌木林地取值范圍在：0.01～0.1；疏林地范圍在0.01～0.1；裸土為1；草地取值范圍在0.01～0.1。(5)P因子的取值方法主要包括：蔡崇法和游松財?shù)确椒ā＝ㄗh進行P因子計算時，采用蔡崇法等方法，該方法基于實驗，使得取值更加可靠；P因子各個土地利用/覆被的建議取值范圍：水體的P因子取值為0；居民地P因子的取值主要集中在0；水田P因子推薦P值為0.01；旱地P因子推薦取值范圍為0.25～0.6；林地的P因子取值推薦為1；灌木林地的P因子取值推薦為1；疏林地的P因子取值范圍主要為0.1～1；裸土地的P因子取值主要為1；草地的P因子取值為1。

綜上所述，對RUSLE方程各個因子取值方法及C、P因子不同土地利用/覆被參數(shù)取值的歸納與建議，可為中國范圍內(nèi)該方程各個因子計算提供了統(tǒng)一的選擇標準。同時，也有助于中國不同地區(qū)之間土壤侵蝕量的比較。