土壤侵蝕預(yù)報模型的研究進(jìn)展綜述

楊曉+黎武+羊秀娟

摘 要：土壤侵蝕預(yù)報模型是由美國引進(jìn)的，經(jīng)過不斷地消化與改進(jìn)，現(xiàn)已成為我國進(jìn)行水土流失計算與預(yù)測的重要工具。該文簡單介紹了土壤侵蝕預(yù)報模型的發(fā)展歷程、公式及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕預(yù)報模型；土壤流失方程；研究進(jìn)展

中圖分類號 S159 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）13-0072-03

Review of Research Progress in Soil Erosion Prediction Model

Yang Xiao et al.

（School of Land and Resources，China West Normal University，Nanchong 637009，China）

Abstract：The soil erosion predication model was imported from America. Though researchers continuous improve and absorb that has became an important tool in calculation and prediction of soil erosion. This paper briefly introduces the course of its development，formula and application.

Key words：Soil erosion prediction model；USLE；Research progress

1 歷史背景

RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）模型為修正的通用土壤流失模型，是1997年由美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局（NRCS）正式?jīng)Q定實施的一個模型[1]，其前身為USLE（Universal Soil Loss Equation），即通用土壤流失方程，它的提出在美國及其他國家的土壤侵蝕方面都得到了廣泛的響應(yīng)。20世紀(jì)50年代開始，美國以在落基山脈以東地區(qū)8250個徑流試驗小區(qū)收集的資料為依據(jù)，在Wischmeier的領(lǐng)導(dǎo)下得到通用土壤流失方程USLE，并作為定量坡面年平均土壤流失量的經(jīng)驗性土壤侵蝕預(yù)報模型[2-3]，1956年美國農(nóng)業(yè)部頒布的農(nóng)業(yè)手冊282號標(biāo)志著土壤流失方程的正式推廣及應(yīng)用，但其在全球的通用性具有一定的局限性，并不完全適用于各國的實際情況。我國于20世紀(jì)40年代建立第一個水土保持試驗站——天水水土保持試驗區(qū)[4]，在大量研究和觀測的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了許多具有區(qū)域性的土壤侵蝕定量模型。20世紀(jì)80年代開始，引進(jìn)通用土壤流失方程與中國土壤侵蝕特點相結(jié)合，進(jìn)行了一系列的訂正研究[5]，開始建立具有中國特色的土壤侵蝕預(yù)報模型。隨著研究的深入，研究者們開創(chuàng)了將GIS、RS與USLE進(jìn)行結(jié)合的新思路，并得到了推廣[6-7]，GIS與USLE二者的結(jié)合不僅能夠體現(xiàn)土壤侵蝕的空間異質(zhì)性，還能夠有效地提高水土保持措施空間布置的合理性[2]，其較為全面的考慮了影響土壤侵蝕的各個因素，且具有一定的精度[8]，并將其應(yīng)用到了對地震危險性與地震風(fēng)險的評估[9]。1992年美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局（USDA-ARS）提出了USLE的新一代模型RUSLE[1]，該模型較USLE具有很大的改善，其數(shù)據(jù)范圍更為廣泛，侵蝕因子的計算也更加精確，適用范圍更廣[8]，目前已發(fā)展成為流域管理規(guī)劃及對土壤侵蝕風(fēng)險進(jìn)行評價的有效手段[10]，之后美國農(nóng)業(yè)部又先后頒布了RUSLE2、RUSLE3等相關(guān)模型。由于各研究區(qū)實地情況不同，直接采用美國的因子取值并不合適，故在我國各個地區(qū)具有屬于自己的RUSLE，便于方便地區(qū)水土流失的計算與預(yù)測。

2 基本公式及改進(jìn)

RUSLE模型與USLE模型的結(jié)構(gòu)基本相同，主要有降雨侵蝕力R，標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)條件下土壤可侵蝕量K，坡長與坡度因子LS，覆蓋與管理因子C，水土保持措施因子P，其基本公式為：

[A=R×K×LS×C×P] （1）

式中，A即為預(yù)測土壤侵蝕量[1]。

劉寶元通過借鑒美國土壤侵蝕預(yù)報模型建立了具有中國特色的中國土壤流失方程CSLE（Chinese Soil Loss Equation），簡單實用，其公式[11，12]為：

[A=R×K×L×S×B×E×T] （2）

其中，A為多年平均土壤流失量，R為降雨侵蝕力，K為土壤可蝕性，L、S分別為坡長、坡度因子，B、E、T分別為水土保持的生物措施、工程措施、耕作措施因子。

馮泮極通過計算及單位換算，得到適用于福山流域的通用土壤流失方程，其公式[13]為：

[A=0.224RKLSCP] （3）

其中，0.224為美制單位換算成kg/m2的換算系數(shù)。

孫文義運(yùn)用修正的土壤流失方程對黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤保持量進(jìn)行估算，其公式[14]為：

[Ac=Ap-Ar=RKLS（1-CP）] （4）

其中，Ac是單位面積上土壤保持量，Ap是單位面積上潛在的土壤侵蝕量，Ar是單位面積上實際土壤侵蝕量；因未考慮植被覆蓋和水土保持措施情況下的土壤侵蝕量，故C=1，P=1。

此外，還有金沙江流域土壤流失方程[15]，與SDR相結(jié)合的流域土壤流失脆弱性評價模型[16]，與GIS技術(shù)相結(jié)合的土壤侵蝕預(yù)報模型[17，18]等。

3 研究進(jìn)展

經(jīng)過不斷地探索、實踐、發(fā)展與完善，土壤侵蝕預(yù)報模型已經(jīng)成為計算土壤侵蝕量的重要工具，取得了顯著的成果，并在各地區(qū)出現(xiàn)了因地制宜的土壤侵蝕預(yù)報模型，對各地區(qū)水土流失治理與防治工作奠定了堅定的基礎(chǔ)[19]。

降雨侵蝕力是降雨引起的土壤侵蝕潛在的能力，是降雨的物理性質(zhì)的函數(shù)[20]。美國學(xué)者Wischmeier認(rèn)為判斷土壤流失量最好的指標(biāo)是暴雨動能與30min最大降雨強(qiáng)度的乘積，其表達(dá)式為[R=E·Iao][21]，但其算法數(shù)據(jù)要求較高，獲取較為困難；我國降雨侵蝕力基本沿用了其形式，但在不同的地區(qū)由于降雨動能和時段雨強(qiáng)的不同出現(xiàn)了不同的組合形式[22]。學(xué)者們積極地改進(jìn)土壤侵蝕模型，以便本土降雨侵蝕力因子的計算。如張憲奎[23]的黑龍江省R因子的最佳指標(biāo)：[R=E60I30]；黃炎和[24]閩東南地區(qū)的[R=1120.019P1.5682i]；曲麗英[25]福建省的[R=i=112（-2.6398+0.3046Pi）]，等等。

土壤可蝕性是20世紀(jì)30年代由Middeton提出的評價土壤受侵蝕侵蝕營力破壞性能大小的一個指標(biāo)，也是土壤對分離和搬運(yùn)的侵蝕作用的敏感性[26]，是指在雨滴擊濺和徑流沖刷等外營力的作用下，土壤被分散與搬移的難易程度，而土壤可蝕性指標(biāo)是指試驗中利用土壤流失量對土壤中某些性質(zhì)進(jìn)行測定來對土壤可蝕性進(jìn)行評價[27]；受空間變化、土壤性質(zhì)以及人類活動等因素的影響，土壤可蝕性測定的方法也存在差異[26]。當(dāng)前研究在相關(guān)概念的定義、指標(biāo)的選取、分析時空分異特征等方面都具有一定的成果[28]，如吳昌廣[29]對三峽庫區(qū)采用修正后的幾何平均粒徑模型中K值計算方法；劉斌濤[30]對青藏高原地區(qū)采用模型計算和面積加權(quán)分析方法來探索K值的空間分布特征，等等。

坡長坡度復(fù)合因子是地表徑流輸沙能力的量度[31]，坡長因子在很大程度上決定模型計算的精度，坡長指數(shù)隨著坡度的變化而不同[32]，將坡地進(jìn)行分段計算每段的LS值，進(jìn)而求出整個坡面LS值，能夠有效地反映不同坡形下土壤侵蝕的狀況[33]。對LS的計算一般都是以DEM為基礎(chǔ)，而在DEM中對LS值進(jìn)行提取會因分辨率不同導(dǎo)致獲取的LS值不固定，故選擇合適的DEM對研究區(qū)域LS值的合理獲取十分必要。例如，王邦隱[34]研究表明對陜北縣南溝流域LS值的較準(zhǔn)確提取應(yīng)采用分辨率為5m的DEM數(shù)據(jù)；吳東亮[35]以View GIS為平臺，開發(fā)模塊對LS值在研究流域坡面上的分布進(jìn)行計算，并將其結(jié)果存放在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；楊勤科[36]結(jié)合Van Remortel代碼開發(fā)了LS-Reg工具，方便對較大流域地區(qū)進(jìn)行LS值的自動計算。

覆蓋與管理因子是指地表在一定的覆蓋和管理措施下土壤流失量與在同等條件下的經(jīng)過適時翻耕、連續(xù)休閑的對照地的土壤流失量之比，不同作物生長期的降雨量決定著C值的大小，降低C值能使治理土壤侵蝕的投入資金最小化[37]。人工賦值法、小區(qū)實驗法和基于植被蓋度的遙感數(shù)據(jù)定量估算法是當(dāng)前確定C值的3個主要方法，植被覆蓋度越高，C值越小[38]；不同的土地利用方式對C值的計算有不同的公式[39]，各小區(qū)標(biāo)準(zhǔn)不同，C值的計算公式也不相同[40，41]。

水土保持措施因子是用來評價最佳管理措施的一個重要因子，是指在同等條件下，實施等高耕作、梯田等水土保持措施之后的土壤流失量與在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上的比值[42]。西南土石山區(qū)水平梯田在不同坡度下具有不同的P值[43]；以遼寧土地利用類型為統(tǒng)計單元，通過研究計算各水土保持因子值為水土保持提供可靠的參考[44]；劉寶元將水土保持措施細(xì)分為生物措施、工程措施、耕作措施用來規(guī)范各因子的計算[42]。

隨著研究者對土壤侵蝕預(yù)報模型研究的不斷深入，其應(yīng)用相當(dāng)廣泛，與GIS、RS等技術(shù)的結(jié)合使得土壤侵蝕預(yù)報模型成功的在農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、林業(yè)等各方面的應(yīng)用中占據(jù)了一定的地位，為各研究區(qū)水土流失的預(yù)防與治理提供了一定的手段。在未來的發(fā)展中，土壤侵蝕預(yù)報模型應(yīng)進(jìn)一步完善，在操作計算方面更加簡化，實現(xiàn)應(yīng)用的普遍性，使之成為進(jìn)行水土流失治理與防治的強(qiáng)有力的手段。

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