土壤侵蝕預(yù)報模型的研究進展綜述

楊曉+黎武+羊秀娟

摘 要：土壤侵蝕預(yù)報模型是由美國引進的，經(jīng)過不斷地消化與改進，現(xiàn)已成為我國進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；研究進展

中圖分類號 S159 文獻標識碼 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80年代開始，引進通用土壤流失方程與中國土壤侵蝕特點相結(jié)合，進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)劃及對土壤侵蝕風險進行評價的有效手段[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

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，標準小區(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認為判斷土壤流失量最好的指標是暴雨動能與30min最大降雨強度的乘積，其表達式為[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的不同出現(xiàn)了不同的組合形式[22]。學(xué)者們積極地改進土壤侵蝕模型，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：[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，也是土壤對分離和搬運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，而土壤可蝕性指標是指試驗中利用土壤流失量對土壤中某些性質(zhì)進行測定來對土壤可蝕性進行評價[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]。當前研究在相關(guān)概念的定義、指標的選取、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]，將坡地進行分段計算每段的LS值，進而求出整個坡面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)標準不同，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準小區(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，使之成為進行水土流失治理與防治的強有力的手段。

參考文獻

[1]陳云明，劉國彬，鄭粉莉，等.RUSLE侵蝕模型的應(yīng)用及進展[J].水土保持研究，2004，11（4）：80-83.

[2]傅世鋒，查軒.基于GIS和USLE的東圳庫區(qū)土壤侵蝕量預(yù)測研究[J].地球信息科學(xué)，2008，10（3）：390-395.

[3]K.G.RENARD，G.R.FOSTER，G.A.WEESIES，et al. Predicting soil erosion by water ：A guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation[J].Handbook Department of Agriculture Washington DC，1993，（703）：

[4]許國華.羅德民博士與中國的水土保持事業(yè)[J].中國水土保持，1984（1）：41-44.

[5]謝云，林燕，張巖. 通用土壤流失方程的發(fā)展與應(yīng)用[J].地理科學(xué)進展，2003，22（3）：179-187.

[6]卜兆宏，唐萬龍，楊林章，等.水土流失定量遙感方法新進展及其在太湖流域的應(yīng)用[J].土壤學(xué)報，2003，40（1）：1-9.

[7]E.Z.NYAKATAWA，K.C.REDDY，J.L.LEMUNYON. Predicting soil erosion in conservation tillage cotton production systems using the revised universal soil loss wquation（RUSLE）[J].Soil Tillage Research，2001，（57）：213-224.

[8] 李宏偉，鄭鈞瀠，彭慶衛(wèi)，等.國外土壤侵蝕預(yù)報模型研究進展[J].中國人口·資源與環(huán)境，2016，26（S1）：183-185.

[9]奈科拉索娃，柯索波科夫，陶夏新，等.借助USLE識別中國中部地震活動性空間模式[J].世界地震工程，2016，32（2）：170-175.

[10]周璟，張旭東，何丹，等.基于GIS與RUSLE的武陵山區(qū)小流域土壤侵蝕評價研究[J].長江流域資源與環(huán)境，2011，20（4）：468-474.

[11]蔡強國，劉紀根.關(guān)于我國土壤侵蝕模型研究進展[J].地理科學(xué)進展，2003，22（3）：142-150.

[12]鄭粉莉，劉峰，楊勤科，等.土壤侵蝕預(yù)報模型研究進展[J].水土保持通報，2001，21（6）：16-18+32.

[13]馮泮極，遲明春，曲延恩.通用土壤流失方程在福山流域的應(yīng)用[J].山東水利科技，1997（4）：14-16.

[14]孫文義，邵全琴，劉紀遠.黃土高原不同生態(tài)系統(tǒng)水土保持服務(wù)功能評價[J].自然資源學(xué)報，2014，29（3）：365-376.

[15]楊子生.云南省金沙江流域土壤流失方程研究[J].山地學(xué)報，2002，20（S1）：1-9.

[16]陳煉鋼，錢新，施勇，等.基于RUSLE和SDR的香溪河流域土壤流失脆弱區(qū)識別[J].中國科技論文，2012，7（5）：395-402.

[17]范麗麗，沈珍瑤，劉瑞民.基于GIS的大寧河流域土壤侵蝕評價及其空間特征研究[J].北京師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，43（5）：563-566.

[18]龍?zhí)煊澹瑔潭兀矎姡?基于GIS和RULSE的三峽庫區(qū)土壤侵蝕量估算分析[J].灌溉排水學(xué)報，2012，31（2）：33-37.

[19]張艷靈，張紅.通用土壤流失方程研究進展[J].山西水土保持科技，2013（2）：12-15.

[20]王萬忠.黃土地區(qū)降雨侵蝕力R指標的研究[J].中國水土保持，1987（12）：36-40+67.

[21]王萬忠.黃土地區(qū)降雨特性與土壤流失關(guān)系的研究Ⅱ——降雨侵蝕力指標R值的探討[J].水土保持通報，1983，（5）：62-64，26.

[22]張文源. 貴州喀斯特黃壤坡面降雨侵蝕特征研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2015.

[23]張憲奎，盧秀琴，詹敏，等.土壤流失預(yù)報方程中R指標的研究[J].水土保持科技情報，1991（4）：49-48.

[24]黃炎和，盧程隆，鄭添發(fā)，等.閩東南降雨侵蝕力指標R值的研究[J].水土保持學(xué)報，1992 6（4）：1-5.

[25]曲麗英，劉廉海. 廈門市降雨侵蝕力指標R值研究[J].中國水利，2005（16）：60-61.

[26]宋陽，劉連友，嚴平，等.土壤可蝕性研究述評[J].干旱區(qū)地理，2006 29（1）：124-131.

[27]王彬，鄭粉莉，M R M M J.水蝕過程的土壤可蝕性研究述評[J].水土保持研究，2013，20（1）：277-286.

[28]魏慧，趙文武，王晶. 土壤可蝕性研究述評[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2017（8）：1-13.

[29]吳昌廣，曾毅，周志翔，等.三峽庫區(qū)土壤可蝕性K值研究[J].中國水土保持科學(xué)，2010，8（3）：8-12.

[30]劉斌濤，陶和平，史展，等.青藏高原土壤可蝕性K值的空間分布特征[J].水土保持通報，2014，34（4）：11-16.

[31]LAND.MOORE，JOHNP.WILSON，陳奇伯. 坡長、坡度因素的簡單計算方法（Ⅰ）[J].水土保持科技情報，1995，（2）：30-33.

[32]秦偉，朱清科，張巖. 通用土壤流失方程中的坡長因子研究進展[J].中國水土保持科學(xué)，2010，8（2）：117-124.

[33]張照錄，崔繼紅. 通用土壤流失方程最新研究改進分析[J].地球信息科學(xué)，2004，6（4）：51-55.

[34]汪邦穩(wěn)，楊勤科，劉志紅，等.基于DEM和GIS的修正通用土壤流失方程地形因子值的提取[J].中國水土保持科學(xué)，2007，5（2）：18-23.

[35]吳東亮，劉鵬舉，唐小明，等.基于GIS的柵格化坡面徑流路徑模擬與LS值計算[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，23（5）：10-14.

[36]楊勤科，郭偉玲，張宏鳴，等.基于DEM的流域坡度坡長因子計算方法研究初報[J].水土保持通報，2010，30（2）：203-206+211.

[37]馮強，趙文武.USLE/RUSLE中植被覆蓋與管理因子研究進展[J].生態(tài)學(xué)報，2014，34（16）：4461-4472.

[38]鄂立思.烏裕爾河流域土壤侵蝕時空分布特征及影響因素研究[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學(xué)，2015.

[39]許晨純.小流域尺度土壤侵蝕評價指數(shù)模型的修正及應(yīng)用[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2016.

[40]江忠善，王志強，劉志.黃土丘陵區(qū)小流域土壤侵蝕空間變化定量研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1996，2（1）：1-9.

[41]劉秉正，劉世海，鄭隨定.作物植被的保土作用及作用系數(shù)[J].水土保持研究，1999，6（2）：33-37，114.

[42]范建榮，王念忠，陳光，等.東北地區(qū)水土保持措施因子研究[J].中國水土保持科學(xué)，2011，9（3）：75-78，92.

[43]劉斌濤，宋春風，史展，等.西南土石山區(qū)水平梯田的水土保持措施因子[J].中國水土保持，2015（4）：36-39.

[44]劉振宇.基于水土保持措施因子及其分布特征探析[J].水資源開發(fā)與管理，2017（2）：37-40，44. （責編：張宏民）