郭繼成，顧再柯，苑 爽，張科利

(1.北京師范大學(xué) 地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875；2.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站，貴州 貴陽(yáng) 550002)

通用土壤流失方程USLE是美國(guó)研制的用于定量預(yù)報(bào)農(nóng)地或草地坡面多年平均土壤流失量的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，我國(guó)于20世紀(jì)80年代引入該模型，并陸續(xù)進(jìn)行了模型的修訂和應(yīng)用研究工作。2001年劉寶元根據(jù)我國(guó)水土保持措施特點(diǎn)，建立了中國(guó)土壤流失方程(CSLE)[1]，將水土保持措施因子分為生物措施因子(B)、工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)，該公式形式簡(jiǎn)單、便于推廣應(yīng)用，其準(zhǔn)確性在第一次全國(guó)水利普查中得到了驗(yàn)證[2]。我國(guó)西南喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、人為破壞嚴(yán)重，是長(zhǎng)江和珠江流域泥沙的主要來(lái)源[3-4]?？紤]到西南喀斯特地區(qū)水土保持措施資料缺乏，尤其是CSLE模型中B、E、T因子值量化困難的問(wèn)題，借助貴州龍里、遵義、畢節(jié)等地的野外徑流場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，分析計(jì)算了三大類水土保持措施因子值——B、E、T，以期為CSLE模型在西南喀斯特地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 資料收集

以貴州省水土流失監(jiān)測(cè)中心布設(shè)的黔南布依族苗族自治州龍里縣生態(tài)園野外徑流場(chǎng)、遵義市遵義縣樂(lè)山鎮(zhèn)野外徑流場(chǎng)和畢節(jié)市七星關(guān)區(qū)鴨池鎮(zhèn)野外徑流場(chǎng)為試驗(yàn)基地(以下簡(jiǎn)稱龍里徑流場(chǎng)、遵義徑流場(chǎng)和畢節(jié)徑流場(chǎng))，收集徑流場(chǎng)中各徑流小區(qū)的土壤侵蝕資料。3個(gè)徑流場(chǎng)氣候、地形等特征相似，均位于北亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，屬典型的西南喀斯特地區(qū)，降雨多集中在夏季，年均降雨量分別為859.3、1 024.0、863.0 mm。

各徑流場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間分別為畢節(jié)徑流場(chǎng)2007—2013年，龍里徑流場(chǎng)2008—2010、2012年(2011年發(fā)生管理交接，故缺少當(dāng)年實(shí)測(cè)資料)，遵義徑流場(chǎng)2008—2012年。畢節(jié)徑流場(chǎng)布設(shè)水保措施小區(qū)11個(gè)，其中生物措施小區(qū)6個(gè)、工程措施小區(qū)1個(gè)、耕作措施小區(qū)4個(gè)；龍里徑流場(chǎng)布設(shè)生物措施小區(qū)16個(gè)，其中水保林小區(qū)6個(gè)、經(jīng)果林小區(qū)6個(gè)和人工草地小區(qū)4個(gè)；遵義徑流場(chǎng)布設(shè)水保措施小區(qū)24個(gè)，其中生物措施小區(qū)20個(gè)、耕作措施小區(qū)4個(gè)。3個(gè)徑流場(chǎng)共布設(shè)野外徑流小區(qū)51個(gè)，設(shè)置水保措施16種，各小區(qū)基本情況見(jiàn)表1。

2 研究方法

2.1 裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕量的計(jì)算

CSLE模型中B、E、T因子是指分別實(shí)施了生物、工程或耕作措施坡地的土壤侵蝕量與其他條件都相同的連續(xù)休閑農(nóng)耕地土壤侵蝕量的比值[1]。要計(jì)算B、E、T因子值必須先獲取裸露對(duì)照小區(qū)的土壤侵蝕量。

表1 各徑流場(chǎng)不同措施小區(qū)布設(shè)情況

在我國(guó)，裸露對(duì)照小區(qū)一般選擇坡度15°、坡長(zhǎng)20 m、寬5 m的清耕休閑地[5]。結(jié)合西南地區(qū)耕地實(shí)際坡度特點(diǎn)及野外徑流小區(qū)坡度特征，在畢節(jié)徑流場(chǎng)選取坡度15°、坡長(zhǎng)20 m的清耕休閑地徑流小區(qū)作為畢節(jié)徑流場(chǎng)的裸露對(duì)照小區(qū)，該小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)為4 303.36 t/(km2·a)。根據(jù)畢節(jié)徑流場(chǎng)裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，采用式(1)、(2)[6]估算遵義徑流場(chǎng)和龍里徑流場(chǎng)裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)。計(jì)算公式為

R=2.035 4(aP)1.215 9+45.564 9

(1)

A=A0R/R0

(2)

上二式中：R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h)；a為侵蝕性降雨占年降雨量的比例系數(shù)，龍里、畢節(jié)、遵義徑流場(chǎng)分別取0.713、0.696、0.680；P為年降雨量，mm；A0為畢節(jié)徑流場(chǎng)中裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)；R0為畢節(jié)地區(qū)降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h)；A為龍里、遵義徑流場(chǎng)中裸露對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)，t/(km2·a)。

計(jì)算得到龍里、遵義徑流場(chǎng)的土壤侵蝕模數(shù)分別為4 407.43、5 142.71 t/(km2·a)。

2.2 B、E、T因子值的計(jì)算

根據(jù)收集到的2007—2013年3個(gè)徑流場(chǎng)中各小區(qū)的土壤侵蝕數(shù)據(jù)，計(jì)算了不同水土保持措施下的B、E、T因子值和耕作措施在不同作物生長(zhǎng)階段的T因子值。對(duì)于一個(gè)實(shí)施了生物或耕作或工程措施的小區(qū)，將每年歷次降雨產(chǎn)生的單位面積土壤侵蝕量(t/km2)求和，得到年土壤侵蝕量；把各年份的土壤侵蝕量求平均，得到多年平均侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]；將該小區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)除以裸露對(duì)照小區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)，就得到該小區(qū)的B或E或T因子值。為減少誤差，每種措施在同一個(gè)徑流場(chǎng)設(shè)有重復(fù)小區(qū)(情況一)，部分措施在不同徑流場(chǎng)也設(shè)有重復(fù)小區(qū)(情況二)，如經(jīng)濟(jì)林(梨樹(shù))小區(qū)在龍里、遵義和畢節(jié)徑流場(chǎng)有布設(shè)，水保林(馬尾松)小區(qū)在遵義、畢節(jié)徑流場(chǎng)有布設(shè)，等高耕作(玉米)在遵義、畢節(jié)徑流場(chǎng)都有布設(shè)。對(duì)于情況一，將某徑流場(chǎng)重復(fù)小區(qū)的B、E、T因子值取平均，得到該徑流場(chǎng)某種水土保持措施小區(qū)的B、E、T因子值；對(duì)于情況二，要在情況一得到的因子值的基礎(chǔ)上再對(duì)各徑流場(chǎng)相同水保措施的B、E、T因子值取平均值。B、E、T因子值越小，表明該措施防治土壤侵蝕效果越好，越不容易發(fā)生土壤侵蝕，反之，則越容易發(fā)生土壤侵蝕。

耕作措施在作物不同生長(zhǎng)階段T因子值的估算方法為：依據(jù)農(nóng)戶走訪調(diào)查結(jié)果，將當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物——馬鈴薯、玉米的生長(zhǎng)階段大致分為苗期、發(fā)育期、成熟期、殘茬期4個(gè)階段，見(jiàn)表2；按照不同作物的不同生長(zhǎng)階段和裸露對(duì)照小區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算出耕作措施小區(qū)不同作物在不同生長(zhǎng)階段的多年平均土壤侵蝕模數(shù)；將耕作措施小區(qū)不同作物在不同生長(zhǎng)階段的多年平均土壤侵蝕模數(shù)除以裸露對(duì)照小區(qū)的多年平均土壤侵蝕模數(shù)，即得到該種作物在不同生長(zhǎng)階段的T因子值。

表2 西南喀斯特地區(qū)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)階段

3 結(jié)果及分析

3.1 因子值計(jì)算結(jié)果及分析

利用畢節(jié)、遵義、龍里徑流場(chǎng)的野外徑流小區(qū)資料，計(jì)算得到16種水保措施的B、E、T因子值，見(jiàn)表3。

表3 不同水土保持措施的因子值

(1)B因子值。各生物措施小區(qū)的生物措施因子值B為0.000 7～0.012 6，表明生物措施在西南喀斯特地區(qū)水土保持效果較好，與類似地區(qū)生物措施因子值計(jì)算成果基本吻合[7-8]。生物措施中，經(jīng)果林(板栗)B因子值最小，為0.000 7，人工草地(白三葉)B因子值最大，為0.0126。分析原因，板栗是西南喀斯特地區(qū)的原生木本植物，在自然狀態(tài)下生長(zhǎng)情況很好，因?yàn)槠渖锪看蟆⒏采w度高，林下覆蓋有數(shù)厘米厚的枯枝落葉層，所以板栗林地的土壤侵蝕量很小[8]；自然狀態(tài)下的白三葉草生長(zhǎng)狀況很好，地表覆蓋度有的甚至高達(dá)100%，但人工草地的白三葉系人工種植，其生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境要求較高，易受雜草影響，加上生長(zhǎng)緩慢，影響了水土保持效果，因此選擇白三葉草作為生物措施物種時(shí)需要考慮當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件是否適宜。此外，經(jīng)濟(jì)林B因子平均值為0.003，略大于水保林的0.001 9。分析其原因，可能是經(jīng)濟(jì)林相比于水保林更容易受人為活動(dòng)干擾，地表也會(huì)受到不同程度的擾動(dòng)。對(duì)于不同的植被類型，B因子值分布呈現(xiàn)闊葉林>針闊混交林>針葉林的特點(diǎn)。其原因可能是針葉林四季常綠，常年覆蓋度幾乎保持不變，水土保持效果較好；闊葉林的覆蓋度在冬春季有明顯的降低，對(duì)地表的保護(hù)作用弱于針葉林；而針闊葉混交林兼具針葉林和闊葉林的特點(diǎn)，其植被覆蓋度介于針葉林和闊葉林之間。

(2)T因子值。馬鈴薯和玉米是西南喀斯特地區(qū)坡耕地的主要作物種類。耕作措施中，馬鈴薯作物小區(qū)T因子值為0.087 2，大于玉米作物小區(qū)的0.006 9。這可能是因?yàn)轳R鈴薯小區(qū)的生物量相對(duì)較低，植被覆蓋度較低，同時(shí)馬鈴薯收獲時(shí)挖開(kāi)地表會(huì)對(duì)地表造成一定的擾動(dòng)，因而土壤流失量相對(duì)較大。而玉米生長(zhǎng)期長(zhǎng)，生物量相對(duì)馬鈴薯較大，覆蓋度較高，且收獲過(guò)程沒(méi)有對(duì)地表造成明顯擾動(dòng)，收獲后玉米殘茬對(duì)地表有一定的覆蓋作用，因而土壤流失量相對(duì)較小。從水土保持的角度來(lái)看，在西南喀斯特地區(qū)實(shí)施等高耕作時(shí)種植玉米比種植馬鈴薯水土保持效果更好。

(3)E因子值。水平梯田是西南喀斯特地區(qū)最常見(jiàn)的水土保持工程措施之一[8]，坡改梯后E因子值為0.124 4，大于張憲奎等[7]、顧再柯等[9]的研究成果。水平梯田的因子值大于耕作措施和生物措施，可見(jiàn)單獨(dú)實(shí)施工程措施(水平梯田)的水土保持效果不佳。

3.2 不同生長(zhǎng)階段T因子值變化

馬鈴薯、玉米在不同生長(zhǎng)階段的T因子值見(jiàn)表4，不同時(shí)期的T因子值差異較大，呈現(xiàn)苗期>發(fā)育期>殘茬期>成熟期的特點(diǎn)，即從作物的發(fā)芽到成熟，T因子值逐漸減?。蛔魑锸斋@之后，T因子值又明顯增大。這樣的變化特征體現(xiàn)了作物對(duì)地表的保護(hù)作用隨著作物的生長(zhǎng)發(fā)育(即隨著植被覆蓋度的增大)而逐步增強(qiáng)的特點(diǎn)，即地表覆蓋度越大，因子值就越小，反之因子值就越大。苗期因子值較大且接近于1主要是由于該時(shí)期地表覆蓋度很低，對(duì)地表的保護(hù)作用小，侵蝕性降雨直接打擊地面容易產(chǎn)生土壤侵蝕；相比苗期，發(fā)育期、成熟期、殘茬期因子值均較小；馬鈴薯在發(fā)育期、成熟期、殘茬期的因子值為玉米在相應(yīng)時(shí)期因子值的10倍左右，說(shuō)明在西南喀斯特地區(qū)種植玉米比馬鈴薯具有更好的防止土壤侵蝕的效果。

表4 主要作物在不同生長(zhǎng)階段的T因子值

4 結(jié) 語(yǔ)

基于位于典型西南喀斯特地區(qū)的3個(gè)野外徑流場(chǎng)的51個(gè)徑流小區(qū)的實(shí)測(cè)資料，計(jì)算了水土保持措施中生物措施、工程措施和耕作措施的因子值B、E、T，并對(duì)其進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

(1) 計(jì)算得到典型西南喀斯特地區(qū)水土保持生物、工程和耕作措施的因子值B、E、T，以及等高耕作條件下主要農(nóng)作物——馬鈴薯、玉米在不同生長(zhǎng)階段的T因子值。

(2) 生物措施B因子值最小的是板栗，最大的是白三葉；B因子值呈現(xiàn)闊葉林>針闊混交林>針葉林的特點(diǎn)；經(jīng)濟(jì)林B因子值略大于水保林。等高耕作時(shí)，玉米比馬鈴薯的T因子值小，說(shuō)明等高耕作條件下玉米的水土保持效益較好；工程措施(水平梯田)的E因子值最大，說(shuō)明單純實(shí)施工程措施的水土保持效果不如實(shí)施生物措施和耕作措施的。

(3) 實(shí)施等高耕作的馬鈴薯、玉米在不同生長(zhǎng)時(shí)期T因子值大小關(guān)系為苗期>發(fā)育期>殘茬期>成熟期，馬鈴薯在發(fā)育期、成熟期、殘茬期的T因子值為玉米在相應(yīng)時(shí)期因子值的10倍左右。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Liu Baoyuan, Zhang Keli, Xie Yun.An empirical soil loss equation[C]//Beijing: 12th ISCO Conference, 2002:21-25.

[2] 中華人民共和國(guó)水利部.第一次全國(guó)水利普查水土保持情況公報(bào)[J].中國(guó)水土保持,2013(10):2-3.

[3] 楊長(zhǎng)春.喀斯特地區(qū)土壤侵蝕研究進(jìn)展[J].中國(guó)水土保持,2012(3):15-17,34.

[4] 曹建華,蔣忠誠(chéng),楊德生,等.中國(guó)西南巖溶區(qū)土壤允許流失量及防治對(duì)策[J].中國(guó)水土保持,2008(12): 40-45.

[5] 張科利，劉寶元，蔡永明.土壤侵蝕預(yù)報(bào)研究中的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)問(wèn)題論證[J].地理研究，2000,19(3)：297-302.

[6] 戴海倫,苑爽,張科利,等.貴州省降雨侵蝕力時(shí)空變化特征研究[J].水土保持研究,2013,20(1):37-41.

[7] 張憲奎,許靖華,盧秀琴,等.黑龍江省土壤流失方程的研究[J].水土保持通報(bào),1992,12(4):1-9, 18.

[8] 于東升,史學(xué)正,呂喜璽.低丘紅壤區(qū)不同土地利用方式C值及可持續(xù)性評(píng)價(jià)[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1998,4(1):71-76.

[9] 顧再柯,王鈺,劉鳳仙.適合貴州非石質(zhì)山區(qū)坡耕地整治的兩種實(shí)用技術(shù)[J].中國(guó)水土保持,2007(3):40-42.