周 來(lái), 李艷潔, 孫玉軍

(省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083)

土壤侵蝕是世界性環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響著人類(lèi)生存環(huán)境的安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。定量估測(cè)土壤侵蝕的狀況是治理土壤侵蝕的前提。評(píng)估土壤侵蝕的模型有基于物理過(guò)程的過(guò)程模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如修正土壤流失方?revised universal soil loss equation, RUSLE)[2]，農(nóng)業(yè)面源模型(agricultural non-point-source pollution model, AGNPS)[3]，改進(jìn)的通用土壤流失方程(modified universal soil loss equation, MUSLE)[4]。由于基于物理過(guò)程的過(guò)程模型考慮了水運(yùn)動(dòng)的物理過(guò)程，因而能夠更加準(zhǔn)確的模擬土壤侵蝕的物理過(guò)程，估算結(jié)果的效果就優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。然而基于過(guò)程的模型對(duì)于輸入數(shù)據(jù)的要求和計(jì)算過(guò)程很復(fù)雜，所以沒(méi)能得到廣泛應(yīng)用,與之相反，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂泻?jiǎn)單實(shí)用的結(jié)構(gòu)、對(duì)輸入數(shù)據(jù)的要求低且能對(duì)土壤侵蝕情況進(jìn)行很好的評(píng)估和預(yù)測(cè)，因而得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在發(fā)展中國(guó)家[5-7]。在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，最流行的是美?guó)農(nóng)業(yè)部提出的通用土壤流失方程USLE和修正的通用土壤流失方程RUSLE。修正的通用土壤流失方程承襲了通用土壤流失方程的思想，對(duì)各因子的計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)。后來(lái)發(fā)展的許多其他的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且罁?jù)它們的思想而改進(jìn)或者提出的。在中國(guó)，修正的通用土壤流失方程被引進(jìn)后得到了廣泛應(yīng)用，并于2011年經(jīng)劉寶元等[8]改進(jìn)提出了中國(guó)土壤流失方程(Chinese soil loss equation, CSLE)。然而通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)土壤侵蝕的研究發(fā)現(xiàn)，在土壤流失方程的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)于其各因子的單位的應(yīng)用存在不規(guī)范現(xiàn)象，若是單位不準(zhǔn)確則會(huì)造成評(píng)估結(jié)果的極大不確定性，不利于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和科研結(jié)果順利轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。國(guó)內(nèi)對(duì)于此方面的整理的文章非常少，使得初學(xué)者對(duì)此會(huì)非常困惑，為此本文對(duì)修正的通用土壤流失方程的歷史發(fā)展、各因子的意義和單位進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼?，旨在?shí)現(xiàn)RUSLE的科學(xué)準(zhǔn)確的應(yīng)用。

1 修正的通用土壤流失方程

修正的通用土壤流失方程是對(duì)通用土壤流失方程的改進(jìn),土壤流失方程最早是美國(guó)農(nóng)業(yè)部為治理農(nóng)田土壤侵蝕而提出的侵蝕預(yù)測(cè)方程，最終預(yù)測(cè)在特定的土壤類(lèi)型、降雨?duì)顩r、地形及管理措施的情況下的年均土壤侵蝕速率。它也適用于施工場(chǎng)地和其他非農(nóng)業(yè)用地，但不預(yù)測(cè)沉積和來(lái)自溝渠、河岸、河床沖刷的沉積物產(chǎn)量[9]。修正的土壤流失方程的計(jì)算公式為：

A=R×K×LS×C×P

(1)

式中：A——土壤流失速率;R——年平均降雨侵蝕力;K——土壤可蝕性因子;LS——地形(坡長(zhǎng)坡度)因子;C——植被覆蓋—管理措施因子;P——水土保持措施因子。

2 方程中土壤流失速率和各因子的常見(jiàn)單位類(lèi)型和相互轉(zhuǎn)換

在該方程的推廣和應(yīng)用過(guò)程中，就曾經(jīng)對(duì)其中各個(gè)量的值和單位進(jìn)行過(guò)討論，主要是美制單位和國(guó)際制單位之間的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。Mithcell等[10]認(rèn)為直接設(shè)定單一轉(zhuǎn)換因子以實(shí)現(xiàn)美制單位和國(guó)際單位的土壤流失速率的轉(zhuǎn)換，但是這個(gè)做法無(wú)法解決使用國(guó)際單位的國(guó)家的該方程的各個(gè)因子的計(jì)算問(wèn)題。Foster等[11]給出了土壤流失速率和各個(gè)因子的單位換算系數(shù)，這使得使用各種不同單位的國(guó)家對(duì)于RUSLE經(jīng)驗(yàn)方程的應(yīng)用更加方便，其轉(zhuǎn)換系數(shù)如表1所示。

通用土壤流失方程和修正的通用土壤流失方程最早起源于美國(guó)，所以最初的各因子的單位均是采用的美制單位,修正的通用土壤流失方程是對(duì)通用土壤流失方程各因子的計(jì)算方法的改進(jìn)。后來(lái)修正的通用土壤流失方程在世界各地尤其是發(fā)展中國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。中國(guó)引進(jìn)該方程后，對(duì)許多地區(qū)進(jìn)行了土壤侵蝕評(píng)估，也相應(yīng)的建立了許多相關(guān)的各種因子的統(tǒng)計(jì)模型，甚至有些直接把其他國(guó)家使用的統(tǒng)計(jì)模型直接應(yīng)用于國(guó)內(nèi)。對(duì)于該方程應(yīng)用過(guò)程中的單位使用也存在差異，大部分是通過(guò)各地區(qū)建立的各因子統(tǒng)計(jì)模型以國(guó)際制單位系統(tǒng)表示，最后相乘得到的是以國(guó)際直單位表示的土壤侵蝕量[12-15]。而另一部分則是通過(guò)相應(yīng)的各因子統(tǒng)計(jì)模型計(jì)算得到各個(gè)因子以美制單位系統(tǒng)表示的計(jì)算結(jié)果，最后再乘以224.2將土壤侵蝕量轉(zhuǎn)換為國(guó)際制單位[16-17]。對(duì)于這2種方法的選擇應(yīng)根據(jù)本地區(qū)所建立的各因子計(jì)算方法所采用的單位體系進(jìn)行計(jì)算，不能為了追求使用美制單位而采用沒(méi)有經(jīng)過(guò)適用性驗(yàn)證的其他地區(qū)的計(jì)算方法。

表1 土壤流失速率和各因子由美制單位轉(zhuǎn)換成國(guó)際制單位的轉(zhuǎn)換系數(shù)

注：① 美國(guó)年和小時(shí)可寫(xiě)作“hr”和“yr”，國(guó)際上寫(xiě)做“h”和“y”； ② 1 ft·tonf×2.712×10-3=1 MJ； ③ 1 acre×0.407 1=1 hectare； ④ 1 ha=1 hm2； ⑤ 1 hundreds of foot·tonf·inch=100 foot·tonf·inch； ⑥ 由美制單位轉(zhuǎn)換得到的國(guó)際單位的小數(shù)位數(shù)應(yīng)該與之前的美制單位保持一致； ⑦ 土壤流失量的單位“ton/(acre·year)”的分母上的“year”通常省略不寫(xiě)，t/hm2，kg/m2同理。

3 國(guó)內(nèi)R和K因子的算法及其單位總結(jié)

在中國(guó)根據(jù)水利部的土壤侵蝕強(qiáng)度劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，土壤流失速率的單位是t/(km2·a)[18]。國(guó)內(nèi)主流的土壤侵蝕估計(jì)中使用的單位焦耳系統(tǒng)，單位面積有2種即平方千米(km2)和公頃(hm2)。

3.1 國(guó)內(nèi)R因子的計(jì)算方法及其單位

降雨侵蝕力因子(R)是指降雨導(dǎo)致土壤侵蝕的潛力的大小，是土壤侵蝕的動(dòng)力因素。降雨侵蝕力的計(jì)算受區(qū)域影響，不同地區(qū)具有不同的降雨侵蝕力計(jì)算方法。國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的降雨侵蝕力的計(jì)算方法如表2所示(只列出了單位較為具有代表性的幾個(gè)計(jì)算式)。

表2 國(guó)內(nèi)降雨侵蝕力因子(R)的計(jì)算

注：海河流域太行山區(qū)的研究未給出具體R單位，但從數(shù)量級(jí)、所得的最終結(jié)果推斷其單位為美制單位(foot·tonf·inch·acre-1·hour-1)。

在利用修正的通用土壤侵蝕方程RUSLE或者其改進(jìn)形式進(jìn)行某個(gè)地區(qū)的土壤侵蝕狀態(tài)評(píng)估過(guò)程中，降雨侵蝕力因子是關(guān)鍵因子之一。作為土壤侵蝕動(dòng)力因子，降雨的侵蝕能力是無(wú)法忽視的，其大小將很大程度上影響土壤侵蝕狀況。對(duì)于降雨侵蝕力的計(jì)算所需研究區(qū)降雨數(shù)據(jù)，尤其是較小區(qū)域的數(shù)據(jù)明顯不足，無(wú)論是記錄的時(shí)間長(zhǎng)度還是監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間密度。如在國(guó)內(nèi)的某個(gè)縣的土壤侵蝕狀態(tài)評(píng)估中，所能獲得的降雨數(shù)據(jù)大多是縣氣象站一個(gè)站點(diǎn)所記錄的近幾年的降雨數(shù)據(jù)。以福建省將樂(lè)縣為例，將樂(lè)縣氣象局僅能提供近1 a的日將雨數(shù)據(jù)和近五年的月降雨數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)在中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上能夠下載將樂(lè)縣周邊的4個(gè)縣的近50 a的月雨量數(shù)據(jù)，然而無(wú)論從氣象站點(diǎn)數(shù)量還是監(jiān)測(cè)精度上來(lái)說(shuō)都是較差的。為此許多學(xué)者采取了空間差值的方法進(jìn)行彌補(bǔ)，也有需許多學(xué)者直接將某個(gè)數(shù)值帶入公式。

降雨數(shù)據(jù)的記錄精度或者研究學(xué)者所能獲得到的降雨資料的精度也不盡相同。每個(gè)地區(qū)的降雨侵蝕力因子的計(jì)算的公式選擇也存在著問(wèn)題。降雨侵蝕力計(jì)算公式的建立是個(gè)長(zhǎng)期實(shí)地監(jiān)測(cè)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析建模的過(guò)程，許多地區(qū)尚未建立適合該地區(qū)的降雨侵蝕力計(jì)算公式，許多公式的推廣應(yīng)用還有待檢驗(yàn)。降雨侵蝕力計(jì)算公式的選擇不同對(duì)于降雨侵蝕力因子的最終計(jì)算值影響會(huì)很大，這是由于降雨侵蝕力計(jì)算公式是統(tǒng)計(jì)計(jì)算而來(lái)且不同地區(qū)存在很大差異的原因。因此找到適合研究區(qū)的降雨侵蝕力計(jì)算公式，并且獲得適合該公式的降雨數(shù)據(jù)是成功計(jì)算降雨侵蝕力的重要前提。

因此應(yīng)根據(jù)所能獲得的降雨數(shù)據(jù)精度選擇適合本地的降雨侵蝕力計(jì)算公式，進(jìn)而明確計(jì)算所得降雨侵蝕力值的單位，本著公式內(nèi)所有因子的單位系相一致的原則進(jìn)行計(jì)算或轉(zhuǎn)換。

3.2 國(guó)內(nèi)K值的計(jì)算方法及其單位

土壤可蝕性因子K表示的是土壤被雨水侵蝕、搬運(yùn)的難易程度的重要指標(biāo)，是影響土壤侵蝕的土壤內(nèi)在因素。土壤可蝕性因子的值是在單位降雨侵蝕力或動(dòng)能下某種土壤和標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(22.13 m長(zhǎng)，9%的坡度)內(nèi)連續(xù)清耕條件下的土壤的土壤流失速率的比值[23]。Willams等[24]發(fā)展的EPCI模型是通過(guò)土壤的物理結(jié)構(gòu)組成(及砂粒、粉粒、黏粒的百分含量(%)和有機(jī)質(zhì)的含量來(lái)估算土壤的可蝕性因子，其計(jì)算方法如公式2所示。

K= {0.2+0.3exp〔-0.025 6Sd(1-Si/100)〕}×〔Si/(Cl+Si)〕0.3×{1.0-0.25C/〔C+exp(3.72-2.95C)〕}×

〔1.0-0.7(1-Sd/100)〕/{1-Sd/100+exp〔-5.51+22.9(1-Sd/100)〕}

(2)

式中：K——土壤可蝕性因子[(t·hm2·h)/( MJ·hm2·mm)]；Sd——砂粒含量(%)；Si——粉粒含量(%)；Cl——黏粒含量(%)；C——有機(jī)碳含量(%)

后人又據(jù)此提出了許多基于土壤理化性質(zhì)的模型。由于通過(guò)野外取土帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以后人對(duì)不同土壤類(lèi)型的K值采取直接賦值的方法[25-27]。本文以福建省將樂(lè)縣的土壤類(lèi)型為例進(jìn)行說(shuō)明(如表3所示)。

表3 不同類(lèi)型的土壤K值 (t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)

注：二單位轉(zhuǎn)換系數(shù)(c2)=0.131 7。

得到研究區(qū)內(nèi)的土壤類(lèi)型空間分布圖、各土壤類(lèi)型的K值，再利用GIS就可以得到我們所需要的K值圖層，這種方法具有高效、節(jié)省人力和時(shí)間成本、結(jié)果可靠的優(yōu)點(diǎn)。

土壤可蝕性因子的計(jì)算也同樣重要，其單位的選擇將直接影響土壤侵蝕量的計(jì)算準(zhǔn)確性，它的單位的確定需要與降雨侵蝕力因子的單位系統(tǒng)保持一致。中國(guó)的土壤可蝕性因子K值的變化區(qū)間是0.001～0.04(t·hm2·h)/(hm2·MJ·mm)[28]。對(duì)于所搜集到的土壤可蝕性因子的賦值的單位我們可以從其數(shù)量級(jí)來(lái)進(jìn)行大致判斷即中國(guó)的土壤可蝕性因子若采用國(guó)際制單位則其K值在10-3～10-2之間。土壤可蝕性因子的計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源可以是土壤普查的數(shù)據(jù)，剖面點(diǎn)的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)也可以是前人對(duì)該地區(qū)各類(lèi)土壤的賦值數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)的選擇應(yīng)綜合考慮研究區(qū)的大小、計(jì)算精度的需求、剖面點(diǎn)的空間分布以及工作量的大小等各種因素。對(duì)于中大尺度如全國(guó)、區(qū)域、省份的土壤侵蝕量計(jì)算宜利用土壤普查數(shù)據(jù)，而對(duì)于小尺度的如某個(gè)縣的范圍宜根據(jù)前人的研究成果對(duì)研究區(qū)內(nèi)的各種土壤類(lèi)型進(jìn)行賦值或者分土壤類(lèi)型和空間分布進(jìn)行剖面采樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

在RUSLE模型中，R和K因子的單位的確定對(duì)于最后侵蝕狀況的評(píng)估影響很大。R和K的單位系統(tǒng)要保持一致，否則得出的土壤流失速率是沒(méi)有任何意義的。對(duì)于不同單位系統(tǒng)的選擇應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的范圍大小而定，較大區(qū)域如全國(guó)或省大區(qū)域宜選用t/(km2·a)，反之選擇t/(hm2·a)。

4 結(jié) 論

4.1 總 結(jié)

修正的通用土壤流失方程RUSLE雖然屬于經(jīng)驗(yàn)性模型但在世界各地尤其是發(fā)展中國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸發(fā)展和改進(jìn)出的許多種形式的土壤侵蝕方程也大都基于它的思想。RUSLE模型不僅形式簡(jiǎn)單(若干因子相乘的形式)，還充分考慮了影響土壤侵蝕的降雨、土壤、地形、植被、水土保持措施等因素，使得定量化描述土壤侵蝕狀況更為簡(jiǎn)潔有效。

為了實(shí)現(xiàn)RUSLE對(duì)土壤侵蝕的預(yù)估，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了相關(guān)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)。其中，降雨侵蝕力的估測(cè)由于各國(guó)家和地區(qū)的監(jiān)測(cè)水平差別很大，所以建立的計(jì)算方法的精度也存在著很大的差別。各個(gè)國(guó)家和地區(qū)建立的降雨侵蝕力方程存在著區(qū)域局限性，許多未進(jìn)行公式建立地區(qū)的土壤侵蝕估算存在著巨大的不確定性。某地區(qū)的公式的建立需要小區(qū)試驗(yàn)的觀測(cè)和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)的積累，存在著一定的難度。土壤可蝕性因子的計(jì)算也需要較大的人力和財(cái)力，尤其是區(qū)域等大尺度、土壤種類(lèi)豐富的地區(qū)。諸多限制因素的存在使得國(guó)內(nèi)在各因子計(jì)算公式的選擇時(shí)存在著一定的混亂。

4.2 展 望

修正的通用土壤流失方程RUSLE作為科學(xué)、簡(jiǎn)單的土壤侵蝕狀況評(píng)估方法將繼續(xù)得到推廣和應(yīng)用。未來(lái)對(duì)該方程的發(fā)展將是繼續(xù)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的改進(jìn)，并逐步發(fā)展適合各地區(qū)的土壤侵蝕方程。各地區(qū)的降雨侵蝕力公式的建立和各土壤類(lèi)型的K值賦值或計(jì)算及其空間分布是準(zhǔn)確使用通用土壤侵蝕方程的前提。

對(duì)于降雨侵蝕力因子的計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證現(xiàn)有的降雨侵蝕力計(jì)算方法的地區(qū)適用性將是未來(lái)的發(fā)展方向之一。明確現(xiàn)有的降雨侵蝕力計(jì)算公式的適用范圍，規(guī)范降雨侵蝕力因子的計(jì)算對(duì)于準(zhǔn)確計(jì)算土壤侵蝕量具有重要意義。對(duì)于沒(méi)有進(jìn)行降雨侵蝕力計(jì)算公式的地區(qū)，應(yīng)該建立適用于本地區(qū)的降雨侵蝕力計(jì)算公式。降雨侵蝕力公式的建立應(yīng)該充分考慮該地區(qū)的降雨數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度，即若該地區(qū)僅能獲得月降雨量數(shù)據(jù)那么宜建立月雨量模型，若可以獲得該地區(qū)的日雨量模型，則應(yīng)建立日雨量模型。若能建立該地區(qū)的日雨量和月雨量模型，將極大地方便不同研究學(xué)者的土壤侵蝕模擬工作。此外，對(duì)于侵蝕降雨的監(jiān)測(cè)更加精細(xì)，包括對(duì)降雨數(shù)據(jù)的記錄以及對(duì)不同季節(jié)、同一次侵蝕降水內(nèi)的不同時(shí)段內(nèi)的差異的研究將會(huì)是可選擇的研究方向。對(duì)于土壤可蝕性因子的計(jì)算，進(jìn)一步完善各地區(qū)范圍內(nèi)各類(lèi)土壤的K值的賦值并提高其精度是今后的一個(gè)研究方向。明確各區(qū)域內(nèi)的各土壤類(lèi)型的K值賦值結(jié)合區(qū)域內(nèi)的土壤類(lèi)型的空間分布，將極大地降低土壤侵蝕量的工作量。

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