通用土壤流失方程研究進展

張艷靈 張 紅

(山西大學環(huán)境與資源學院)

1 引言

土壤侵蝕伴隨著人類社會的發(fā)展，產生的環(huán)境問題越來越嚴重，對全球經濟社會的可持續(xù)發(fā)展產生了很大的負面影響。全球土壤侵蝕面積約1.643 ×107km2，占地球陸地總面積的10.95%。我國是世界上遭受土壤侵蝕頗為嚴重的國家之一，據(jù)估算，每年因土壤流失而造成的間接經濟損失在100 億元以上［1］。土壤侵蝕引發(fā)土地退化，使土地的生產率降低，進而影響到產量和品質。由于土壤流失，會將污染物質帶入地表徑流中，直接或間接地對異地(侵蝕區(qū)的相鄰地區(qū)，包括位于侵蝕流域的下游地區(qū)、湖泊和近海地區(qū))的環(huán)境及經濟的可持續(xù)發(fā)展帶來威脅，直接影響到人類的生存發(fā)展條件［2］。因此，應用科學合理的土壤侵蝕估算模型，對區(qū)域土壤流失量進行估算具有重要的現(xiàn)實意義。

美國學者在20 世紀70年代，提出了土壤流失通用方程USLE(Universal Soil Loss Equation)，之后又出現(xiàn)了歐洲學者的EUROSEM 和LISEM 模型，澳大利亞學者的GUEST 模型等。這幾種土壤流失量估算理論模型，幾乎都包含了與土壤流失相關的因子。歐洲學者建立的LISEM 模型，首次將土壤侵蝕模型與GIS 技術有效結合［3］，但USLE 仍是目前世界范圍內應用于土壤流失預報最為普遍的通用方程。我國引入土壤流失通用方程USLE 后，對其各因子進行了深入探索，取得了顯著成效。

2 USLE 土壤流失方程的發(fā)展

通用土壤流失方程USLE 是美國學者研究建立的一種經驗性模型，立足研究由降雨引起的水動力土壤侵蝕，在美國最初是專門為農田土壤侵蝕預報而創(chuàng)立的，后來逐漸延伸到其他類型土地的土壤侵蝕預報［4］。通用土壤流失方程USLE，其數(shù)學表達是影響土壤流失的6 個變量因子相乘的方程形式:

這個公式的形成，經歷了幾十年的探索與研究。早在1917年，美國密蘇里大學M.F.Miller 就創(chuàng)立了“侵蝕小區(qū)”，為后來的土壤侵蝕研究打下了堅實的基礎。1936年，H.L.Cook 通過對大量的徑流小區(qū)試驗數(shù)據(jù)及觀測資料進行分析，得出制約土壤侵蝕的3 個因子，即土壤可蝕性因子、降雨侵蝕力因子和植被覆蓋度因子［5］。水土保持學者辛格(zingg)，在1940年提出了能夠全面反映土壤流失因素的一般公式，根據(jù)已有的實驗數(shù)據(jù)及觀測資料，建立了單位面積土壤流失量與坡度和坡長的指數(shù)關系:

式中，A 是單位面積土地上的平均土壤流失量;C 是一個回歸常數(shù);S 是坡度;L 是坡長［6］。

從(2)式中可以看出，辛格當時考慮到影響土壤流失量的只是地面坡度與坡長兩個因素。

水土保持學者史密斯(Smith)于1941 -1946年發(fā)展了辛格的公式:

式中，C 是作物因子，它與(2)式中C 的含義不同;P 是水土保持措施因子。史密斯在方程中增加了植物保護土壤的作用因子C 和水土保持措施因子P。

布勞因在1947年仔細研究了不同土壤類型、輪作和坡長情況，進一步充實了土壤侵蝕預報方程。后來，美國地域性的水土保持協(xié)會在方程中又增補了降雨因素，使方程基本完善起來。

1971年，Wischmeier 在對美國8 000 多個試驗小區(qū)資料進行研究后，改良以前的方程式，提出了現(xiàn)在流行的土壤流失通用方程式:

式中，A 為年平均土壤流失量，t/(km2·a);R為降雨徑流侵蝕因子;K 為土壤可蝕性因子;LS 為地形地貌因子(坡長、坡度因子);C 為耕作管理(植被覆蓋)因子;P 為水土保持因子。

該方程式的特點是考慮到的侵蝕因子更為全面，把影響土壤流失量的各因子都定量化，然后將各因子相乘，就可以估算出該地區(qū)的土壤侵蝕量，以制定符合該地條件的農田管理或水土保持措施。

3 通用土壤流失方程的研究及應用

3.1 降雨徑流侵蝕因子

自Wischmeier 提出以次降雨總動能E 與30 min 最大雨強I30之積作為降雨侵蝕力的指標，并應用于USLE 方程，從此，降雨侵蝕力在世界范圍內受到學者們的熱忱關注與研究。由于每個地域的降水過程及強度資料獲得并不容易，因此國內外學者研究提出了不同地區(qū)降雨侵蝕力的另外表示方法［7］。Richardson 建立的冪函數(shù)結構日降雨量估算公式，是日降雨量估算方法中的經典，但模型中的參數(shù)具有明顯的區(qū)域差異和季節(jié)變化，不便直接應用。伍育鵬等［8］選擇分布在我國不同氣候帶的10 個氣象站降雨數(shù)據(jù)，對比國內外幾種年降雨侵蝕力計算方法，得出分區(qū)域進行擬合使用年降雨量的指數(shù)函數(shù)，用于估算我國多年平均年降雨侵蝕力，這種方法不僅便捷，而且較精確。根據(jù)降雨的時間尺度，分年、月及日降雨資料的估算方法，其中以日降雨量方法計算精度最高。謝云等［9］借助我國8 個氣象站的次降雨和日降雨資料，通過研究次、日降雨關系，簡化了EI30指標用于估算降雨侵蝕力的方法，而且便于更廣泛的使用。但是，日最大雨強不易獲得，仍然限制著在區(qū)域土壤侵蝕研究中的應用。章文波等［10］利用我國71 個代表性氣象站的資料，創(chuàng)建并利用日雨量估算降雨侵蝕力的模型，并提出了模型參數(shù)的估計方法。結果表明，此方法能夠用來估算多年平均降雨侵蝕力及其季節(jié)分布，并且估算的降雨侵蝕力精度與所在區(qū)域的降雨特征有關。

3.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子是研究土壤侵蝕的基礎，是土壤侵蝕的一個非常重要的指標，它能反映出土壤本身抵抗侵蝕的特性。國外學者對土壤可蝕性K 值進行了很多的研究，Wischmeier 等的諾模公式以及Williams 等發(fā)展的EPIC 公式是應用最多的經驗公式。我國從20 世紀50年代開始進入土壤可蝕性研究領域，80年代后國外較為成熟的經驗公式才逐漸被引用來研究土壤可蝕性K 值，其中對這兩種經驗公式進行對比研究的有鄭海金等［11］，他們創(chuàng)建了15 個標準徑流小區(qū)并經過連續(xù)5年的定點監(jiān)測，運用這兩種公式計算并分析紅壤土壤的可蝕性K 值，并以此來對比諾模公式與EPIC 公式在當?shù)氐倪m宜性。國內學者也有直接利用經驗公式來研究土壤侵蝕的，張金池等［12］通過結合傳統(tǒng)統(tǒng)計學和地統(tǒng)計學，利用EPIC 公式的土壤可蝕性K 值算法，研究了鄧下小流域土壤可蝕性K 值空間分布狀況及不同植被覆蓋對其的影響。張科利等［12，13］對黃土高原地區(qū)土壤可蝕性強弱和其變化規(guī)律進行了研究分析，通過回顧已經搞過的土壤侵蝕研究成果，提出了我國土壤可蝕性標準小區(qū)定義。張科利等［14］通過野外觀測，計算出一組土壤可蝕性實測值，并通過此值分析探討了我國土壤可蝕性的估算問題，結果表明，國外現(xiàn)有的可蝕性估算模型中估算的K 值大于我國土壤可蝕性實測值。史學正等［15］用人工模擬降雨來分析我國亞熱帶土壤的可蝕性，還用諾漠公式估算土壤可蝕性K 值，由于與人工模擬降雨測得的K 值相差大，因此，他認為該地大多數(shù)土壤不能直接用諾漠方法來估算K 值。

3.3 地形地貌因子

地形因子分為坡度因子(S)和坡長因子(L)，一般把它們放在一起作為一個因子考慮，國內外的專家們對此進行了大量的研究。坡度因子對侵蝕作用有著很大的影響。李鵬等［16］運用動力原理開展了侵蝕坡度是否存在臨界值的研究，在室內模擬實驗基礎上研究了黃土高原地區(qū)坡面水動力與侵蝕產沙的關系，對揭示坡面侵蝕動力過程也有很大的參考價值。鄭良勇等［17］通過室內模擬實驗對黃土高原陡坡土壤侵蝕特性進行了研究，結果顯示出陡坡徑流平均流速隨著徑流量和坡度的增大而呈波動增加趨勢。江忠善等［18］以我國坡面水蝕預報模型研究成果為基礎，加之考慮坡面侵蝕特征，提出了我國坡面水蝕預報模型的基本形式。坡長因子也對侵蝕作用有著很大的影響，我國學者們對坡長L 因子的研究多為其值的計算。zingg［19］發(fā)現(xiàn)土壤流失量與坡長L 的1.6 次方極為相關。楊子生［20］通過在滇東北山區(qū)設置試驗小區(qū)并對其坡長進行了連續(xù)3年的觀測，得到了相應的坡長值。坡長因子與坡度因子的測算，除了應用實測法外，還可依據(jù)相應的坡長因子與坡度因子相關公式，然后使用AcrGis 中的柵格工具自動生成坡度、坡長因子值。

3.4 耕作管理(植被覆蓋)因子

早在1882年，Wollny 就通過小區(qū)實驗來分析植被覆蓋對土壤侵蝕的影響。自20 世紀30年代開展土壤流失預報研究以來，關于水土保持措施與土壤侵蝕關系的研究一直很受重視［21］。蔡崇法等［22］根據(jù)實地調查的第一手資料，建立了植被管理因子與該指數(shù)的相關經驗方程，以此確定了定量計算USLE 方程中C 因子指標的方法。楊學明等［23］利用土壤流失公式，模擬計算出了吉林省兩市黑土區(qū)坡耕地在不同土地管理方式下的土壤流失強度，據(jù)此得出保護性耕作能夠有效地減小吉林黑土的流失強度。宋現(xiàn)鋒等［24］采用多時相Landsat TM/ETM 遙感圖像和天氣模擬相結合的方法，來估算植物管理因子值。馬超飛等［25］對影像數(shù)據(jù)中的植被指數(shù)進行歸一化處理，得到了植被管理因子，并能表現(xiàn)出植被的分布。從我國的研究中不難發(fā)現(xiàn)，對于植被管理因子的研究方法不盡一致，而且不同研究得到的植被管理因子值也有一定的差異，也不存在可比性。所以，現(xiàn)有研究得出的植被管理因子值，也只能在相應的研究區(qū)域使用，不能推廣到更大的范圍。

3.5 水土保持因子

水土保持因子表征了水土保持措施對土壤流失的作用。國內外學者在對水土保持因子的長期研究中，取得了許多成果。1941年，Smith D.D 首次將水土保持措施因子引用到土壤流失估算方程中對土壤侵 蝕 進 行 估 算［26］。1965年，由 Wischmeier 與Smith［27］創(chuàng)建的土壤流失方程USLE 中，也把水土保持措施放到對土壤侵蝕影響的因子中。水土保持措施因子P 值，通常要采用實地測定法獲取，因子取值為0 -1 之間。國內學者也對水土保持因子進行了大量研究。水建國等［28］在研究水土保持因子時，限制農作物的種植標準，結果得出不同土地利用方式的年水土流失情況不同，作物的覆蓋度對泥沙流失的影響有差別。符素華等［29］利用北京密云水庫20 個坡面徑流試驗小區(qū)的實測數(shù)據(jù)，分析得出流域內不同水土保持措施下的水土保持效益值，為水土流失治理提供了科學依據(jù)。范建榮等［30］利用不同流域總計343 次產流產沙的實測數(shù)據(jù)，計算出了7種主要水土保持措施因子值，也能為水土流失治理提供良好的科學依據(jù)。焦菊英等［31］根據(jù)黃土高原幾個地區(qū)的草地徑流小區(qū)數(shù)據(jù)，研究了降雨指標與坡耕地侵蝕性標準之間的關系，得出結論為當降雨指標小于坡耕地侵蝕性標準時，草地并不會發(fā)揮其水土保持作用，反之才會產生水土保持的效益。

4 結語

在幾十年的時間里，通用土壤流失方程經過眾多學者與專家對其不斷探索、實踐、發(fā)展和完善，現(xiàn)已成為計算土壤侵蝕量的基本工具，越來越受到人們的關注。通過以上的介紹，我們可以看到國外的土壤侵蝕研究已經取得了眾多的成果，并且在土壤侵蝕模型方面占主導地位。不難發(fā)現(xiàn)，對于土壤侵蝕的計算是要有大量的試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)做基礎的，并且要依據(jù)科學建模，然后因地制宜地結合當?shù)赝寥狼治g特征來估算土壤侵蝕量［32］。我國許多學者對土壤侵蝕的研究也在不斷發(fā)展和深化，同時積累了大量的試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)。在我國目前尚未有自己測算土壤侵蝕的工具及計算公式情況下，土壤通用流失方程(USLE)不失為一種好的估算公式與方法。通過USLE 公式的運用，我們可以估算某一地區(qū)的土壤流失量，了解其水土流失狀況，從而為土地管理和防治水土流失提供一定的科學依據(jù)［33］。土壤通用流失方程經過幾十年的發(fā)展，雖然得到了長足發(fā)展，但它仍然是一種經驗性的估算方法，在一些方面還是具有一定的缺陷與不足。例如，土壤流失量的估算要依據(jù)大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)收集的過程中難免會遇到難以收集的情況，這樣就給方程應用造成了困難。再者，方程本身是描述定量因子的，不會顯示出數(shù)據(jù)的變化。實踐證明，USLE 不太適用于壟作、等高耕作以及那些使泥沙就地沉積的帶狀耕作措施等［34］。

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