重慶市中國土壤流失方程因子研究進展

董麗霞，蔣光毅，張志蘭，符素華，鄭云澤

(1.北京師范大學 地理科學學部，北京 100875； 2.重慶市水土保持監測總站，重慶 401147)

水土流失動態監測是落實國家生態文明建設決策部署的重要支撐。土壤侵蝕模數計算是水土流失動態監測必不可少的環節之一，而中國土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)是水土流失動態監測中水蝕區土壤侵蝕模數的計算方法。CSLE模型是考慮我國土壤侵蝕特點，同時借鑒美國通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)的建模思路而建立的一種適用于我國坡面土壤侵蝕評價的模型。CSLE/USLE模型中各因子的取值與地區的氣候、地形、土壤及土地利用等因素密切相關，計算方法及參數取值因地而異，因此確定適合不同地區的模型參數值對區域水土流失動態監測、水土保持工作開展、生態文明建設具有重要意義。

重慶市地處川東山地丘陵區，有坡耕地面積約118.92萬hm2，占全市耕地面積的47.14%[1]，同時紫色土分布面積約273.73萬hm2，占全市土地面積的33.22%[2]，因此重慶市以紫色土分布為主的坡面水土流失非常嚴重，有水土流失面積254.45萬hm2[3]。重慶市位于三峽庫區腹地，嚴重的水土流失不僅關乎土壤資源保護與農業生產安全，而且對三峽水庫水質及周邊水源地生態環境也具有重要影響，因此學者們對CSLE/USLE各因子在重慶市的適用情況開展了大量的研究。為了確定適合于重慶市的CSLE各因子的計算公式或取值，本研究以文獻查閱的方式，通過中國知網等平臺，以重慶市、三峽庫區、紫色土+土壤侵蝕、USLE、CSLE為關鍵詞進行文獻檢索，并逐篇篩選與補充，共獲得135篇相關文獻，通過對這些文獻的系統查閱，系統梳理和歸納了CSLE/USLE各因子的計算方法及參數取值等，以CSLE模型的因子結構對各因子相關研究成果進行總結概括，以期為重慶市水土流失動態監測及水土保持工作開展提供參考。

1 重慶市CSLE模型各因子研究現狀

CSLE模型的表達式[4]為

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A為多年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；R為多年平均降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；L為坡長因子，無量綱；S為坡度因子，無量綱；B為生物措施因子，無量綱；E為工程措施因子，無量綱；T為耕作措施因子，無量綱。

1.1 降雨侵蝕力因子

降雨侵蝕力(R)是指降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，其經典算法是著名的EI30模型，即用一次降雨總動能(E)與該次降雨最大30 min雨強(I30)的乘積計算降雨侵蝕力(R)。蔣光毅等[5-6]對重慶市R因子的經典算法研究發現，EI5模型在重慶市使用效果較為理想。由于經典模型數據獲取難度大且費時費力，因此許多學者對重慶市R因子的簡易算法進行了研究，主要是建立日、月、年降雨量與經典降雨侵蝕力算法(EI30)之間的經驗關系來計算R因子值。

基于日雨量數據計算重慶市R因子值的模型主要有冪函數模型及一元二次函數模型等[7-9]，見表1。寧麗丹等[7]和繆馳遠等[8]提出的日雨量降雨侵蝕力冪函數模型中的冪指數比較接近，分別為1.50和1.529 2；但冪函數前面的系數差異較大，寧麗丹等的冪函數系數值在0.09～1.05之間，平均值為0.57，而繆馳遠等的則為1.157 3。基于月雨量數據計算R因子的模型主要有多項式模型[10]、冪函數模型[8,11]及其他形式模型[9]等(表2)。繆馳遠等[8]、王明曉[11]和史東梅等[9]研究提出了基于年雨量數據的R因子計算模型，但是公式的形式及系數均存在差異(表3)。

表1 基于日雨量數據的重慶市降雨侵蝕力簡易計算模型

表2 基于月雨量數據的重慶市降雨侵蝕力簡易計算模型

表3 基于年雨量數據的重慶市降雨侵蝕力簡易計算模型

1.2 土壤可蝕性因子

土壤可蝕性因子(K)是評價土壤對侵蝕敏感程度的指標，是標準小區上單位降雨侵蝕力下的土壤流失量。重慶市K因子的研究主要包括K因子影響因素及評價指標的確定、測定方法、計算方法及其時空變異性等，主要集中在K值的測量和估算方面。國內外有代表性的K值計算模型主要有5種，見表4。

許多學者根據表4中的模型計算重慶市的K值，并將其與野外實際降雨或人工模擬降雨等的實測值進行對比，分析并建立兩者之間的轉化方程，以尋找最適合重慶市的K因子計算方法。吳昌廣等[17]基于張科利等[18]的修正Shirazi模型計算得到三峽庫區各土類K值(表5)，與張科利等[18]的研究成果[四川遂寧紫色土K值0.019 1 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]對比發現修正Shirazi模型用于計算重慶市K值是可行的。張兵[19]、史東梅等[20]、姚云[21]研究發現利用模型計算所得K值均大于實測K值(表6)，這些模型基本上都不能直接應用于重慶市K值的計算，但經修正轉換的EPIC模型、諾謨模型在重慶市的適用性較好。

此外，許多學者基于土壤理化性質的研究得到K因子的計算模型(表7)，考慮了土壤質地、水穩性團聚體、土壤有機質等參數的影響，但參數選取標準存在差異。

表4 常見土壤可蝕性因子計算模型

表5 三峽庫區不同土類K值

表6 不同學者研究的紫色土K值

表7 基于土壤理化性質的土壤可蝕性因子計算模型

1.3 坡長坡度因子(LS)

坡長因子是在降雨、土壤等其他條件都一致的情況下，某一坡長的坡面土壤侵蝕量與標準小區(坡長22.13 m)坡面土壤侵蝕量的比值；坡度因子是在其他條件都一致的情況下，某一坡度坡面土壤流失量與坡度為5.13°坡面產生的土壤流失量之比。研究坡長因子實質上是研究坡長與侵蝕關系的數學表達形式。重慶市的坡長因子計算公式主要分為兩種類型，即冪函數模型及其他形式的坡長因子計算模型[22-24]，見表8。這些模型大多是在USLE模型中的坡長因子公式基礎上，根據重慶市實際情況，將22.13 m坡長坡面上的坡長因子標準化到20 m坡長坡面上，只是冪指數值存在差異。陳正發[22]將冪指數值確定為定值0.34，而代數[23]認為冪指數值隨坡度變化在0.1～0.5之間變化。楊艷生[24]采用地面平均坡度和相對高度指標來計算坡長因子值，參考標準條件坡度、相對高度分別為20°和362 m。

表8 重慶市坡長因子計算公式

重慶市坡度因子計算公式主要有指數函數及線性分段函數兩種類型[22-24]，見表9。指數函數模型代表性公式有楊艷生[24]提出的坡度因子計算公式；線性分段函數模型有陳正發[22]和代數[23]提出的坡度因子計算公式。需要注意的是楊艷生[24]和陳正發[22]的坡度因子計算公式參考條件分別是20°和15°坡度，代數[23]的則是在34.8°坡度以下計算公式以15°為參考條件，以上以5.14°為參考條件。

表9 重慶市坡度因子計算公式

1.4 水土保持措施因子(B、E、T)

水土保持措施因子(B、E、T)指有措施條件下的土壤流失量與同等條件下連續清耕休閑地的土壤流失量之比[4]。凡是用種植和培育生物增加地表覆蓋的措施都稱為生物措施，如植樹、種草等；必須用推土機、挖掘機或人工修筑建造，而無法用一般耕作工具在耕作過程中完成的措施稱為工程措施，如梯田、谷坊等；凡是通過犁地、中耕等在耕作過程中完成的措施稱為耕作措施，如橫坡耕作、免耕等措施[25]。

(1)生物措施因子(B)。B因子值一般通過遙感影像和地面調查相結合的方法來獲取。2000年蔡崇法等[26]根據實地調查資料、徑流小區人工降雨及部分天然降雨資料提出三峽庫區B因子計算公式為

(2)

式中：c為植被蓋度，%。

2020年王銘烽[27]基于公式(2)計算得到2015年三峽庫區B因子空間分布情況，全區均值為0.103。庫區中游植被覆蓋最好，B因子均值最低，為0.080。主要土地利用類型中林地、草地、建設用地、水域和裸地的B值分別為0.062、0.082、0.901、0.993和0.952。

2011年吳昌廣[28]根據LIN et al.[29]在研究臺灣地區土壤侵蝕時提出的USLE模型中植被覆蓋與管理措施因子C值估算公式[公式(3)]，以及降雨侵蝕力的季節分布特征[公式(4)]分別計算三峽庫區1999、2009年的C因子值(按CSLE模型結構歸為B因子值)，見表10。

(3)

(4)

式中：C為植被覆蓋與管理措施因子；Ci為第i個半月的C因子值；WRi為第i個半月降雨侵蝕力占全年侵蝕力比例，%；NDVI為歸一化植被指數。

表10 吳昌廣[28]研究三峽庫區1999、2009年不同土地類型B值

2011年郭宏忠等[30]參照中國-歐盟《流域管理項目土壤侵蝕監測評價手冊》并根據不同土地利用方式和圖斑植被蓋度得到重慶仙魚小流域的B值，見表11。

表11 重慶仙魚小流域B值

2013年秦建軍[31]根據已有的研究成果并結合土地利用和植被蓋度的實際調查數據得到開縣的B值，見表12。

表12 開縣不同土地利用現狀和不同植被蓋度下的B值

(2)工程措施因子(E)和耕作措施因子(T)。水土保持E和T因子值一般根據相應措施下的徑流小區觀測資料得到，如：2011年陳正發[22]研究得到重慶市T因子值范圍為0.180～0.763，E因子值范圍為0.032～0.184。若無觀測資料，主要基于賦值法獲取，如：才業錦[32]、郭宏忠等[30]等參照中國-歐盟《流域管理項目土壤侵蝕監測評價手冊》資料賦值。依照劉寶元等[25]的中國水土保持措施分類標準將重慶市相關研究成果整理見表13。

表13 重慶市E、T因子值

2 結 語

通過對相關文獻的系統梳理，可以發現學者們關于重慶市CSLE/USLE模型的各個因子的研究已取得許多成果：提出了基于不同降雨量資料的降雨侵蝕力簡易計算公式；提出了修正土壤可蝕性因子計算公式，并利用經驗公式法計算了主要土類的土壤可蝕性因子值；基于實測數據提出了坡度及坡長對土壤侵蝕影響的定量評價公式；利用文獻資料和實測數據得到了主要水土保持措施的B、E、T因子值。但是，目前重慶市各因子的計算基礎還需要統一。為了便于與國內及國際上相同數據進行比較，建議所有因子的分析基礎都以5.14°坡度、22.13 m坡長作為計算參考基準，同時基于土類或土壤亞類的土壤可蝕性值和主要水土保持措施因子值需要利用坡面徑流小區實測數據進一步研究。這些研究結果將直接服務于重慶市水土流失動態監測、水土保持規劃與管理工作。