水土流失區(qū)土壤可蝕性估算研究

水土流失區(qū)土壤可蝕性估算研究

水土流失是世界環(huán)境的主題之一，也是其他環(huán)境問題日益嚴重的原因。為了有效地防治水土流失,需要深入開展土壤侵蝕及其環(huán)境效應的定量評價研究。土壤可蝕性是表征土壤性質(zhì)對侵蝕敏感程度的指標,是進行土壤侵蝕和水土流失定量評價的重要依據(jù)。因此,關于土壤可蝕性的研究,一直是國內(nèi)外學者關注的重要領域。國外從20世紀30年代開始研究土壤性質(zhì)與侵蝕的關系,我國也從50年代開始了這方面的工作,在土壤可蝕性的研究方面取得了不少成果。關于土壤可蝕性研究,大體上可以分作三個階段:土壤可蝕性評價指標確定、美國通用流失方程(USLE)中K值的測定和估算、土壤可蝕性指標的時空變化及不確定性分析。Bennent研究了土壤硅鐵鋁率與土壤侵蝕的關系,并提出了相應的分級標準。Middletton指出土壤浸濕熱的大小與土壤侵蝕率的高低成正比。Bouyoucos則研究了土壤質(zhì)地與侵蝕程度的定量關系。朱顯謨是我國最早研究土壤性質(zhì)對侵蝕影響作用的學者,他將土壤影響作用分為抗沖性和抗蝕性,并測定了土壤的膨脹系數(shù)和分散速度等性質(zhì)與侵蝕的關系。田積瑩等、史德明等等通過研究土壤物理性質(zhì)與侵蝕的關系,對土壤可蝕性指標進行了評價。朱顯謨、李勇等通過抗沖槽試驗和索波列夫抗沖儀,測定了黃土的相對抗沖性指標。周佩華等、吳普特等分別嘗試了用小區(qū)資料對黃土的可蝕性進行分析計算,他們將單位徑流深所引起的侵蝕模數(shù)作為土壤抗沖性強弱的指標。雖然上述學者從不同方面研究了土壤性質(zhì)與土壤侵蝕的關系,提出了一些定量化評價指標,但真正具有預報價值的指標是由Olson和Wischmeier于1963年提出的土壤可蝕性K指標,即用標準小區(qū)上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量多少來表征土壤性質(zhì)對侵蝕的影響作用大小。圍繞土壤可蝕性K值的測定與估算,Smith、Young和Mutchler、Romkens等學者根據(jù)其研究結果,各自提出了適用于不同條件的土壤可蝕性值估算式。美國學者Calvin等、意大利學者Zanchi通過研究土壤可蝕性的季節(jié)變化,提出了用月平均氣溫計算土壤可蝕性值逐月變化的公式。Ei-Swaify等和日本學者細山田建議在進行USLE應用推廣時,按干濕季的不同分別計算可蝕性值。Bajracharya等的研究表明,土壤可蝕性值變化同降雨侵蝕力的相關性很小。Rejman等對波蘭東南部黃土帶土壤可蝕性的時間空間變化做了統(tǒng)計分析,表明土壤可蝕性值大小與土壤含水量密切相關。Wall等的研究指出,土壤可蝕性季節(jié)變化與土壤性質(zhì)的季節(jié)變化密切相關。從20世紀90年代初以來,我國許多學者也按照USLE的思路,先后對內(nèi)蒙古、黑龍江、廣東、福建、江西、遼寧、云南等地主要土壤的可蝕性進行了觀測研究[22,23,24,25,26,27,28,29],得到了一些土壤的可蝕性值,在土壤可蝕性值估算方面也進行過嘗試。經(jīng)過幾十年的努力,雖然我國在土壤性質(zhì)對侵蝕的影響作用評價方面取得了一些進展,但目前仍存在很多問題。評價土壤可蝕性的指標多種多樣,測算土壤可蝕性值的徑流小區(qū)和降雨侵蝕力R值的計算方法也不盡統(tǒng)一,在有些研究中甚至出現(xiàn)降雨侵蝕力和土壤可蝕性指標單位的錯誤。同時,由于沒有一組統(tǒng)一規(guī)范指導下的土壤可蝕性指標實測值,許多關于土壤可蝕性值估算的研究尚缺乏驗證。所有這些問題的存在,不僅引起了我國土壤可蝕性研究的混亂,極大地妨礙了土壤侵蝕預報研究的進程,而且在很大程度上也限制了與國外同類研究的比較和交流。本文在分析布設在我國東部不同水土流失區(qū)小區(qū)實測資料的基礎上,對我國土壤可蝕性值問題進行了系統(tǒng)研究,觀測計算了一組土壤可蝕性K值,并對無實測資料地區(qū)土壤可蝕性估算問題進行了探討。其結果對我國土壤可蝕性研究向規(guī)范性和系統(tǒng)性發(fā)展,以及土壤侵蝕預報工作的推進都有重要意義。同時,這組實測值也可為我國不同地區(qū)的土壤可蝕性估算研究提供了一個尺度上的參照。1數(shù)據(jù)和方法1.1關于標本地區(qū)的劃分土壤可蝕性K是美國通用流失方程(USLE)中評價土壤對侵蝕影響作用的因子,是與其他諸因子匹配使用的定量指標。因此,要得到統(tǒng)一的、具有可比性的土壤可蝕性K值,必須明確標準小區(qū)和統(tǒng)一降雨侵蝕力的計算。美國USLE中定義的標準小區(qū)為坡長22.13m,坡度為9%,連續(xù)保持清耕休閑狀態(tài)的小區(qū)。根據(jù)中國水土流失嚴重區(qū)的地形條件、農(nóng)作習慣,同時考慮我國現(xiàn)有資料的坡度范圍等,作者曾討論過中國的標準小區(qū)問題,建議采樣坡長20m、坡度15°的清耕休閑小區(qū)作為土壤侵蝕預報研究的標準小區(qū)。經(jīng)過幾年的觀測實踐,考慮到區(qū)域地形特征的差異,建議在東北黑土區(qū)可以采用USLE中定義的標準小區(qū)規(guī)范,以便于觀測小區(qū)的布設。只是在計算土壤可蝕性K值時需要交待清楚,以便統(tǒng)一訂正。1.2坡長和坡長之間的關系根據(jù)USLE中的定義,土壤可蝕性K值是標準小區(qū)上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量。USLE的表達式為:A=R×K×L×S×C×P(1)式中:A為單位面積上多年的平均土壤流失量,R為降雨侵蝕力因子,K為土壤可蝕性因子,L為坡長因子,S為坡度因子,C為覆蓋-管理因子,P為水土保持措施因子。根據(jù)USLE的構建原理和各因子的定義取值,在標準小區(qū)上,土壤可蝕性指標值可以根據(jù)下式直接計算:Κ=AR(2)K=AR(2)若觀測小區(qū)不是標準小區(qū),需要首先對觀測資料予以訂正,然后再經(jīng)過上述程序計算土壤可蝕性K值。在資料訂正時,如果小區(qū)坡長不是標準小區(qū)要求的坡長坡度,采用以下公式對坡度和坡長進行訂正。坡度S采用劉寶元等提出的陡坡公式:S=21.91sinθ-0.96(3)坡長L采用USLE中的公式:L=(λ20)m(4)L=(λ20)m(4)其中,m為系數(shù)。當坡度大于5%,m=0.5;當坡度介于3.5～4.5之間時,m=0.4;當坡度介于1～3之間時,m=0.3;當坡度小于1%時,m=0.2。如果實際小區(qū)處理不是標準小區(qū)要求的完全裸露地,需要根據(jù)實際觀測確定的覆蓋因子(C)或水土保持因子(P)值予以訂正,然后再計算土壤可蝕性K值。為了便于與國外同類研究比較,本文在計算土壤可蝕性值時,先將土壤流失量資料統(tǒng)一訂正到USLE標準小區(qū)規(guī)范上,再計算可蝕性值大小。1.3研究樣本與數(shù)據(jù)來源由于中國水土流失類型多樣,土壤類型眾多,建立土壤可蝕性值數(shù)據(jù)庫是十分艱巨的工作。為了獲得中國水土流失嚴重區(qū)土壤可蝕性K值,我們分別在東北黑土區(qū)的黑龍江93農(nóng)場和賓縣、北方土石山區(qū)的密云、西北黃土高原的陜西綏德、西南石質(zhì)山區(qū)四川綏寧和南方紅壤丘陵區(qū)福建安溪建立了6個觀測點,分別建立了坡長為20m,坡度為15°和5°(93農(nóng)場)的觀測小區(qū),同步觀測不同土壤的水土流失。每次降雨過后,即時觀測徑流并采集泥沙樣,計算土壤侵蝕量。用自記雨量器記錄降雨過程,計算降雨侵蝕力。由于觀測期間賓縣和綏德兩地的產(chǎn)流次數(shù)太少,文中使用了前人的觀測資料。另外,在本研究中除了綏德、子洲和離石站外,其他各地全為裸露小區(qū)。對于這三個站C的取值,根據(jù)張巖等對安塞站作物覆蓋的研究結果,農(nóng)地平均C值為0.517,考慮到綏德、子洲和離石的降水情況,本研究中綏德和子洲兩站C值取安塞侵蝕較大的蕎麥地C值0.74,離石站則取0.5來訂正。對于所引用的前人研究結果,都訂正到了統(tǒng)一的標準小區(qū)上。2中國主要土壤的雕刻值2.1土壤可蝕性實測值的獲取土壤可蝕性指標值是進行土壤侵蝕預報的必要依據(jù),野外小區(qū)觀測是獲取不同土壤可蝕性值的主要途徑。而且,建立我國土壤可蝕性值基本數(shù)據(jù)庫也是開展侵蝕預報的基礎工作。但由于我國幅員遼闊,土壤類型多樣,在每一種土壤上都建立觀測小區(qū)顯然也不現(xiàn)實。為此,可以通過對不同地區(qū)典型土壤進行的同步觀測,獲取一組土壤流失資料,計算土壤可蝕性實測值,建立土壤可蝕性基本控制點,再推廣到其他土壤類型。因此,獲取一組土壤可蝕性實測值是我國土壤可蝕性及侵蝕預報研究的必要步驟。根據(jù)我們布設在不同水土流失區(qū)的小區(qū)觀測數(shù)據(jù),結合以往有關站點的觀測資料,計算中國代表性土壤的可蝕性K值如表1。2.2與美國比我國土壤可蝕性計算值比較就所研究的土壤類型而言,我國土壤可蝕性K值變化于0.001～0.04之間,且相對集中于0.007～0.02。東北黑土區(qū)的黑土、白漿土和黃土高原地區(qū)的黃綿土,以及四川盆地的紫色土分別為可蝕性值較高的土壤。南方紅壤丘陵區(qū)的磚紅壤、紅壤,北方土石山區(qū)的粗骨褐土等土類的可蝕性值相對較小。另外,就一個地區(qū)而言,土壤可蝕性值大小也會因土壤性質(zhì)的差別有很大變化,如同屬黃土高原的陜西安塞和山西離石等地的土壤可蝕性值要比北部地區(qū)小。美國通用流失方程中公布的主要土壤類型的可蝕性值變化于0.004～0.091之間,且比較集中于0.03～0.05之間。與美國相比,我國土壤可蝕性K值普遍偏小。究其原因,一方面我國與美國在計算降雨侵蝕力時采用的侵蝕性降雨標準略有差異,同樣一場降雨侵蝕力計算結果不同。另一方面我國的徑流小區(qū)一年內(nèi)觀測時間不夠長,基本上沒有冬季資料。再一方面是我國大部分地區(qū)都是橫坡耕作,而美國基本上為順坡耕作。由于這些差異的存在,使得我國土壤可蝕性計算值普遍偏小。我國土壤可蝕性值大小與美國實測值這種明顯差異的存在,提醒我們在建立適合中國條件的侵蝕預報模型時,對美國已有的研究成果首先需要用實測值來驗證,不能直接照搬,否則,預測結果將會誤差很大。3土壤可蝕性值估算方法缺乏實測資料驗證由于自然界存在的土壤類型多種多樣,對每一種土壤都實施觀測,確定其可蝕性值大小不論從人力物力,還是時間上都很難實現(xiàn)。因此,在獲取一組可靠的土壤可蝕性實測值以后,應該研究其估算問題。關于土壤可蝕性值的估算研究,國內(nèi)外已有許多成果。但由于國外土壤可蝕性實測值與我國實測值之間存在明顯的差異,國外關于土壤可蝕性估算的研究成果不能直接在我國使用。國內(nèi)相關研究又多缺乏實測資料的驗證,或者只是一個觀測點的結果。因此,目前我國仍沒有一個從根本上解決土壤可蝕性值估算的方法。3.1土壤性質(zhì)的測量對于我國土壤可蝕性的估算問題,最簡捷的方法就是參照國外的研究成果,用我國的實測資料進行驗證。如果計算精度可行,就可以修訂使用。如果國外已有研究成果經(jīng)修訂仍不適用于我國的土壤類型,再考慮根據(jù)我國的數(shù)據(jù)資料建立估算公式。為此,我們首先考慮用土壤可蝕性實測值來驗證已有的估算公式。盡管關于土壤可蝕性值估算的研究很多,但具有代表性的成果為Wischmeier等提出的方法、EPIC模型中的計算方法,以及Shirazi等所建立的公式。Wischmeier等選用粉粒+極細砂粒含量、砂粒含量、有機質(zhì)含量、結構和入滲5項土壤特性指標,通過分析其與土壤可蝕性因子K值之間的關系,提出了土壤可蝕性K值估算公式(5)。K=[2.1×10-4M1.14(12-OM)+3.35(s-2)+2.5(p-3)]/100(5)式中,M為美國粒徑分級制中的(粉粒+極細砂)%與(100-粘粒)之積,OM為土壤有機質(zhì)含量,s為結構系數(shù),p為滲透性等級。EPIC模型中,采用考慮土壤有機碳和粒徑組成資料的公式(6)來估算土壤可蝕性值。Κ={0.2+0.3exp[0.0256SAΝ(1-SΙL/100)]}(SΙLCLA+SΙL)0.3(1.0-0.25CC+exp(3.72-2.95C))(1.0-0.7SΝ1SΝ1+exp(-5.51+22.9SΝ1))(6)K={0.2+0.3exp[0.0256SAN(1?SIL/100)]}(SILCLA+SIL)0.3(1.0?0.25CC+exp(3.72?2.95C))(1.0?0.7SN1SN1+exp(?5.51+22.9SN1))(6)式中,SAN、SIL、CLA為砂粒、粉粒、粘粒含量,C則為土壤有機碳含量(%),SN1=1-SAN/100。由于在使用公式(5)和公式(6)來估算土壤可蝕性時,需要粒徑組成、有機質(zhì)、土壤入滲等多種資料,在沒有足夠資料的情況下,Shirazi等建議可用只考慮幾何平均粒徑(Dg)的公式(7)來計算土壤可蝕性。Κ=7.954{0.0017+0.0494exp[-12(log(Dg)+1.6750.6986)2]}(7)K=7.954{0.0017+0.0494exp[?12(log(Dg)+1.6750.6986)2]}(7)根據(jù)公式(5)～公式(7)的要求,對表1中10種土壤(鶴山、岳西和懷柔無土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)資料)的粒徑組成、有機質(zhì)含量、透水特性和結構等級等土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)進行收集和整理,分別用公式(5)～公式(7)計算了所觀測土壤的土壤可蝕性值Knomo、Kepic和Kformlar。用估算值與對應的實測值繪制1∶1線圖,得到圖1。圖中散點分布趨勢表明,對所研究的土壤類型而言,不論用哪一個估算公式,其結果都是估算值遠遠大于實測值。說明在美國土壤流失預報時所采用的土壤可蝕性值估算公式都不能直接應用于我國土壤的可蝕性值計算。這一結果與史學正研究南方土壤可蝕性后的結論相同。但是,仔細分析各公式計算點的變化發(fā)現(xiàn),盡管圖1中關系點都偏離1∶1線,但各類計算點都表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。為了進一步分析估算值與實測值之間的關系,改變橫坐標范圍得圖2,顯示除計算值Knomo與實測值關系圖中有兩個點偏離較大外,其他兩個公式的估算結果與實測值之間存在一定的線形關系。對Knomo與實測值關系圖作進一步分析發(fā)現(xiàn),兩個偏離點分別為位于東北的黑龍江賓縣的白漿土和遼寧西豐的棕壤。考慮到東北地區(qū)獨特的自然地理環(huán)境特征,凍融過程對侵蝕的影響作用顯著,必然也就影響到東北地區(qū)土壤對侵蝕的響應過程,使水土流失強度與其影響因素之間的關系復雜化,應該單獨分析。為此,先將白漿土和棕壤資料剔除再作相關統(tǒng)計分析,得到以下3個估算值與實測值之間的關系式:Κ=-0.03336+0.74488Κnomor=0.721?p=0.043(8)K=?0.03336+0.74488Knomor=0.721?p=0.043(8)Κ=-0.01383+0.51575Κepicr=0.613?p=0.106(9)K=?0.01383+0.51575Kepicr=0.613?p=0.106(9)Κ=-0.00911+0.55066Κformular=0.705?p=0.051(10)各關系式的相關系數(shù)大小表明,除用EPIC模型中的公式(6)估算值相關性稍差外,在不考慮東北地區(qū)的我國東部其他地區(qū),用公式(5)和用公式(7)計算的可蝕性值與實測值之間的相關性大體相當,且具有較好的相關性。這一結果表明,盡管用公式(5)～公式(7)計算的土壤可蝕性值與實測值大小相差甚遠,但通過公式(8)～公式(10)修正后仍可以用作我國東部地區(qū)土壤可蝕性值的估算?？梢愿鶕?jù)掌握的資料選擇使用,為土壤侵