西南喀斯特地區水土保持措施因子值計算與評價

郭繼成，顧再柯，苑 爽，張科利

(1.北京師范大學 地理學與遙感科學學院，北京 100875；2.貴州省水土保持監測站，貴州 貴陽 550002)

通用土壤流失方程USLE是美國研制的用于定量預報農地或草地坡面多年平均土壤流失量的一個經驗性的土壤侵蝕預報模型，我國于20世紀80年代引入該模型，并陸續進行了模型的修訂和應用研究工作。2001年劉寶元根據我國水土保持措施特點，建立了中國土壤流失方程(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)，該公式形式簡單、便于推廣應用，其準確性在第一次全國水利普查中得到了驗證[2]。我國西南喀斯特地區生態環境脆弱、人為破壞嚴重，是長江和珠江流域泥沙的主要來源[3-4]。考慮到西南喀斯特地區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題，借助貴州龍里、遵義、畢節等地的野外徑流場實測資料，分析計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的應用提供參考。

1 資料收集

以貴州省水土流失監測中心布設的黔南布依族苗族自治州龍里縣生態園野外徑流場、遵義市遵義縣樂山鎮野外徑流場和畢節市七星關區鴨池鎮野外徑流場為試驗基地(以下簡稱龍里徑流場、遵義徑流場和畢節徑流場)，收集徑流場中各徑流小區的土壤侵蝕資料。3個徑流場氣候、地形等特征相似，均位于北亞熱帶季風濕潤氣候區，屬典型的西南喀斯特地區，降雨多集中在夏季，年均降雨量分別為859.3、1 024.0、863.0 mm。

各徑流場數據采集時間分別為畢節徑流場2007—2013年，龍里徑流場2008—2010、2012年(2011年發生管理交接，故缺少當年實測資料)，遵義徑流場2008—2012年。畢節徑流場布設水保措施小區11個，其中生物措施小區6個、工程措施小區1個、耕作措施小區4個；龍里徑流場布設生物措施小區16個，其中水保林小區6個、經果林小區6個和人工草地小區4個；遵義徑流場布設水保措施小區24個，其中生物措施小區20個、耕作措施小區4個。3個徑流場共布設野外徑流小區51個，設置水保措施16種，各小區基本情況見表1。

2 研究方法

2.1 裸露對照小區土壤侵蝕量的計算

CSLE模型中B、E、T因子是指分別實施了生物、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休閑農耕地土壤侵蝕量的比值[1]。要計算B、E、T因子值必須先獲取裸露對照小區的土壤侵蝕量。

表1 各徑流場不同措施小區布設情況

在我國，裸露對照小區一般選擇坡度15°、坡長20 m、寬5 m的清耕休閑地[5]。結合西南地區耕地實際坡度特點及野外徑流小區坡度特征，在畢節徑流場選取坡度15°、坡長20 m的清耕休閑地徑流小區作為畢節徑流場的裸露對照小區，該小區土壤侵蝕模數為4 303.36 t/(km2·a)。根據畢節徑流場裸露對照小區土壤侵蝕模數，采用式(1)、(2)[6]估算遵義徑流場和龍里徑流場裸露對照小區土壤侵蝕模數。計算公式為

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，龍里、畢節、遵義徑流場分別取0.713、0.696、0.680；P為年降雨量，mm；A0為畢節徑流場中裸露對照小區土壤侵蝕模數，t/(km2·a)；R0為畢節地區降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h)；A為龍里、遵義徑流場中裸露對照小區土壤侵蝕模數，t/(km2·a)。

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

2.2 B、E、T因子值的計算

根據收集到的2007—2013年3個徑流場中各小區的土壤侵蝕數據，計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階段的T因子值。對于一個實施了生物或耕作或工程措施的小區，將每年歷次降雨產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[t/(km2·a)]；將該小區多年平均土壤侵蝕模數除以裸露對照小區多年平均土壤侵蝕模數，就得到該小區的B或E或T因子值。為減少誤差，每種措施在同一個徑流場設有重復小區(情況一)，部分措施在不同徑流場也設有重復小區(情況二)，如經濟林(梨樹)小區在龍里、遵義和畢節徑流場有布設，水保林(馬尾松)小區在遵義、畢節徑流場有布設，等高耕作(玉米)在遵義、畢節徑流場都有布設。對于情況一，將某徑流場重復小區的B、E、T因子值取平均，得到該徑流場某種水土保持措施小區的B、E、T因子值；對于情況二，要在情況一得到的因子值的基礎上再對各徑流場相同水保措施的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，越不容易發生土壤侵蝕，反之，則越容易發生土壤侵蝕。

耕作措施在作物不同生長階段T因子值的估算方法為：依據農戶走訪調查結果，將當地主要農作物——馬鈴薯、玉米的生長階段大致分為苗期、發育期、成熟期、殘茬期4個階段，見表2；按照不同作物的不同生長階段和裸露對照小區多年平均土壤侵蝕模數，計算出耕作措施小區不同作物在不同生長階段的多年平均土壤侵蝕模數；將耕作措施小區不同作物在不同生長階段的多年平均土壤侵蝕模數除以裸露對照小區的多年平均土壤侵蝕模數，即得到該種作物在不同生長階段的T因子值。

表2 西南喀斯特地區主要農作物生長階段

3 結果及分析

3.1 因子值計算結果及分析

利用畢節、遵義、龍里徑流場的野外徑流小區資料，計算得到16種水保措施的B、E、T因子值，見表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水土保持效果較好，與類似地區生物措施因子值計算成果基本吻合[7-8]。生物措施中，經果林(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的原生木本植物，在自然狀態下生長情況很好，因為其生物量大、覆蓋度高，林下覆蓋有數厘米厚的枯枝落葉層，所以板栗林地的土壤侵蝕量很小[8]；自然狀態下的白三葉草生長狀況很好，地表覆蓋度有的甚至高達100%，但人工草地的白三葉系人工種植，其生長對環境要求較高，易受雜草影響，加上生長緩慢，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需要考慮當地的土壤條件是否適宜。此外，經濟林B因子平均值為0.003，略大于水保林的0.001 9。分析其原因，可能是經濟林相比于水保林更容易受人為活動干擾，地表也會受到不同程度的擾動。對于不同的植被類型，B因子值分布呈現闊葉林>針闊混交林>針葉林的特點。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，對地表的保護作用弱于針葉林；而針闊葉混交林兼具針葉林和闊葉林的特點，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坡耕地的主要作物種類。耕作措施中，馬鈴薯作物小區T因子值為0.087 2，大于玉米作物小區的0.006 9。這可能是因為馬鈴薯小區的生物量相對較低，植被覆蓋度較低，同時馬鈴薯收獲時挖開地表會對地表造成一定的擾動，因而土壤流失量相對較大。而玉米生長期長，生物量相對馬鈴薯較大，覆蓋度較高，且收獲過程沒有對地表造成明顯擾動，收獲后玉米殘茬對地表有一定的覆蓋作用，因而土壤流失量相對較小。從水土保持的角度來看，在西南喀斯特地區實施等高耕作時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最常見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，可見單獨實施工程措施(水平梯田)的水土保持效果不佳。

3.2 不同生長階段T因子值變化

馬鈴薯、玉米在不同生長階段的T因子值見表4，不同時期的T因子值差異較大，呈現苗期>發育期>殘茬期>成熟期的特點，即從作物的發芽到成熟，T因子值逐漸減小；作物收獲之后，T因子值又明顯增大。這樣的變化特征體現了作物對地表的保護作用隨著作物的生長發育(即隨著植被覆蓋度的增大)而逐步增強的特點，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主要是由于該時期地表覆蓋度很低，對地表的保護作用小，侵蝕性降雨直接打擊地面容易產生土壤侵蝕；相比苗期，發育期、成熟期、殘茬期因子值均較小；馬鈴薯在發育期、成熟期、殘茬期的因子值為玉米在相應時期因子值的10倍左右，說明在西南喀斯特地區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階段的T因子值

4 結 語

基于位于典型西南喀斯特地區的3個野外徑流場的51個徑流小區的實測資料，計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，并對其進行了分析，結果如下：

(1) 計算得到典型西南喀斯特地區水土保持生物、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作物——馬鈴薯、玉米在不同生長階段的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因子值呈現闊葉林>針闊混交林>針葉林的特點；經濟林B因子值略大于水保林。等高耕作時，玉米比馬鈴薯的T因子值小，說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，說明單純實施工程措施的水土保持效果不如實施生物措施和耕作措施的。

(3) 實施等高耕作的馬鈴薯、玉米在不同生長時期T因子值大小關系為苗期>發育期>殘茬期>成熟期，馬鈴薯在發育期、成熟期、殘茬期的T因子值為玉米在相應時期因子值的10倍左右。

[參考文獻]

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

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

[3] 楊長春.喀斯特地區土壤侵蝕研究進展[J].中國水土保持,2012(3):15-17,34.

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

[5] 張科利，劉寶元，蔡永明.土壤侵蝕預報研究中的標準小區問題論證[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,1992,12(4):1-9, 18.

[8] 于東升,史學正,呂喜璽.低丘紅壤區不同土地利用方式C值及可持續性評價[J].土壤侵蝕與水土保持學報,1998,4(1):71-76.

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