礫石含量對土壤可蝕性因子估算的影響*

楊苗苗，楊勤科?，張科利，李玉茹，3，王春梅，龐國偉

（1. 西北大學城市與環境學院，西安 710127；2. 北京師范大學地理科學學部，北京 100875；3. 自然資源部第一地理信息制圖院，西安 710054）

土壤可蝕性因子（soil erodibility factor，K）是USLE[1]、RUSLE[2]，以及EPIC[3]、AGNPS[4]等模型的基本參數；可蝕性因子值又是采用USLE/CSLE等模型來進行區域土壤侵蝕調查與制圖所必須的重要數據[5-7]。自Wischmeier[1]正式提出土壤可蝕性因子（K）以來，國內外學者對此進行了大量研究，提出了若干種土壤可蝕性因子估算方法。比較成熟的算法有USLE-K算法[1]、RUSLE2-K算法[8]、EPIC-K算法[3]和基于平均幾何粒徑的算法[9]等四種。這些算法均基于土壤理化性狀指標（粒徑、有機質、結構和滲透性等）來計算土壤可蝕性K值（式（1）～式（3））[1]。土壤可蝕性因子計算模型中的粒徑包括黏粒含量、粉粒含量、砂粒含量，但均不涉及土壤剖面礫石含量和土壤表面礫石覆蓋（Rock Fragments，≥2mm顆粒）。

而大量研究表明，土壤剖面中的礫石含量（以下簡稱剖面礫石）和土壤表面礫石覆蓋對土壤水文、土壤侵蝕產沙過程和土地利用等具有重要影響[10-13]。Brakensiek等[14]建立了基于剖面礫石含量推算飽和導水率的方法。Poesen等[15]證明，土壤表層礫石覆蓋可以減少土壤可蝕性，并可以用指數衰減函數來定量估算。Zhou和Shao[16-17]認為，當土壤中礫石含量大于40%時，土壤滲透速率下降，土壤飽和導水率增加。Jomaa等[18]室內水槽試驗表明，礫石覆蓋 可以減緩雨滴打擊，并減少地表水流，降低徑流輸移能力，一定程度上可以減輕土壤侵蝕。Hlavá?iková等[19]發現剖面礫石可以使飽和導水率降低，進而增加地表徑流和侵蝕產沙。馬晨雷等[20]也印證了礫石覆蓋使坡面總侵蝕量呈負指數減少，且礫石覆蓋在沖刷流量較小的情況下，對坡面侵蝕量的減少效果更明顯。

盡管R?mkens等[9]在RUSLE手冊中提到了礫石對土壤可蝕性因子的影響，并將其分解為土壤剖面中礫石含量影響和土壤表面礫石覆蓋影響兩個方面。但是在土壤可蝕性因子計算與制圖研究中（如梁音等[21]；王彬[22]），均未考慮剖面礫石和礫石覆蓋對土壤可蝕性的影響。Panagos等[23]在歐洲土壤可蝕性因子計算時，對剖面礫石和礫石覆蓋的影響進行了分析，并認為礫石校正因子的應用使K-因子平均降低15%。若不考慮剖面礫石的影響，剖面含礫石較多土壤可蝕性因子將被低估；若不考慮礫石覆蓋的影響，分布于山地丘陵土壤的可蝕性將被高估。迄今為止，仍然沒有全球范圍內礫石含量對土壤可蝕性因子計算值的訂正方法和結果。

本研究在全球范圍內，利用比較容易獲取的表層土壤（0～15 cm）質地等級、土壤剖面礫石含量、土壤表面礫石覆蓋等分析估算剖面礫石含量和礫石覆蓋對土壤可蝕性因子的影響，以期使土壤可蝕性的計算更加完整準確，進而提高區域土壤侵蝕預報的精度，本研究對全球土壤碳收支的模擬研究也具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 研究區域及數據

作為全球土壤侵蝕制圖研究計劃的一部分，本研究在全球范圍內展開。考慮到南極大陸和北極的格陵蘭地區數據資料的缺失，同時這些地區多被冰雪覆蓋，因此本研究不包括南極大陸和格陵蘭等地。為了便于全面分析土壤剖面礫石的影響及其空間分布，研究區包括了水蝕地區、風蝕地區和高寒地區。研究區總面積約1.32億km2，約占地球表面面積（1.48億km2）的89.2%，與全球土壤屬性數據產品（SoilGrids）覆蓋的范圍基本一致。

本研究所用基本數據為 ISRIC 發布的SoilGrids[24]，包括土壤類型圖和土壤性狀圖（表層0～15 cm和土壤表面）等（表1）。該數據最新版的原始分辨率為7.5弧秒，分析過程中重采樣成30弧秒。

1.2 土壤可蝕性因子計算

考慮到USLE模型中的土壤可蝕性因子（K）算法較為全面地考慮了各種土壤理化性狀，也在區域土壤侵蝕調查制圖中得到了比較廣泛的應用（如Lu等[25]；梁音等[21]；Panagos等[23]；Borrelli等[5]），本研究以此為例討論土壤粗顆粒物質對土壤可蝕性因子的影響。USLE的土壤可蝕性因子計算公式如下：

式中，Mc為黏粒含量，Msilt為粉砂粒含量，Mvfs為極細砂粒含量，OM為有機質含量（%），s為土壤結構等級，Pf為滲透性等級，Kp為土壤滲透指數對可蝕性的影響，不考慮剖面礫石影響的計算結果為Kpf，考慮剖面礫石影響的計算結果為Kpc。

1.3 剖面礫石含量影響的計算

本研究根據土壤孔隙度和飽和導水率關系，及Brakensiek等[14]的方法，通過分析剖面礫石對土壤滲透等級的影響來估算剖面礫石對土壤可蝕性因子的影響。具體計算過程如下：用土壤質地等級和表 2規則[26-28]，推算未考慮剖面礫石條件下的滲透等級指數Pf；用Pf據表2反推飽和導水率Ks；然后推算有剖面礫石（也叫田間土壤）和沒有剖面礫石的飽和導水率（分別為Kb和Ks）的比例（式（4）），并根據式（5）反推包含了剖面礫石的土壤飽和導水率Kb（式（5））。

式中，Kb為含有剖面礫石的土壤飽和導水率，Ks為沒有剖面礫石的土壤飽和導水率，CRFVOL為土壤剖面（0～15 cm）礫石含量。

根據表2中Pf與最后一列擬合成一個簡單模型 （式（6）），再將Kb代入，計算田間土壤（包含剖面礫石）的滲透性等級指數Pc。

表2 基于土壤質地等級/飽和導水率和滲透系數（P）關系表 Table 2 Relationship between classes of soil texture/saturated hydraulic conductivity and permeability coefficient（P）

最后，將Pf和Pc代入式（7）和式（8）計算未考慮剖面礫石的土壤可蝕性因子（Kf）和有剖面礫石影響的土壤可蝕性因子（Kc）。

1.4 礫石覆蓋影響的計算

野外調查和觀察表明，丘陵山區的土壤也廣泛存在礫石覆蓋[10，29]，但目前尚無礫石覆蓋度的數據產品。本研究將土壤表面礫石含量近似作為礫石覆蓋度，采用Poesen的算法（式（9））[15]計算礫石覆 蓋下的可蝕性衰減系數St。

式中，St為土壤可蝕性衰減系數，Rc為礫石覆蓋率（%）。

1.5 剖面礫石含量和礫石覆蓋的總影響計算

將St與式（7）和式（8）計算結果結合，土壤屬性數據代入式(1)，利用本項目開發的土壤可蝕性因子計算工具（K_tool），計算得到質地分量kt、有機質分量k0、土壤結構性分量ks，通過不考慮剖面礫石和考慮剖面礫石的土壤滲透性分量（Kpf和Kpc）推算得到不考慮剖面礫石和考慮剖面礫石的土壤可蝕性因子（Kf,Kc）。將礫石覆蓋影響因子（St）與Kc相乘，得到考慮剖面礫石和礫石覆蓋影響的土壤可蝕性因子Kcs，將礫石覆蓋影響因子（St）與Kf相乘，得到未考慮剖面礫石和有礫石覆蓋影響的土壤可蝕性因子Kfs。

2 結 果

2.1 剖面礫石含量對土壤可蝕性的影響

比較未考慮剖面礫石和考慮剖面礫石時土壤可蝕性因子Kf和Kc發現，考慮剖面礫石含量（圖1a）使土壤可蝕性因子值增加，全球范圍內土壤可蝕性因子值增加0.001123（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1），平均增加為5.43%。究其原因是因為土壤剖面中礫石的增加會降低土壤孔隙度，進而減少入滲，增加地表徑流和土壤侵蝕產沙[9，23]。本研究計算結果表明，剖面礫石使土壤飽和導水率平均減少11.57%，使土壤滲透性等級增加5.68%（土壤入滲速率降低）。土壤可蝕性因子增加最多的地方在剖面礫石含量較高（土壤平均幾何粒徑較大）的撒哈拉地區（圖1b和圖1c），增幅大于20%；減小最少的地方見于北美大平原、亞馬遜平原、拉普拉塔平原、東歐平原、西西伯利亞平原和華北平原，減幅<1%（圖1d）。一般而言，影響較大的區域為山地和高原，包括：南北美洲的科迪勒拉山系（南美安第斯山、北美落基山脈）、加拿大東部拉布拉多高原、美國東部阿巴拉契亞山脈、東非高原和北部的撒哈拉沙漠、歐洲西北部斯堪的納維亞山脈、西亞地區的伊朗高原、阿拉伯高原、青藏高原和天水、東西伯利亞山地、澳洲大陸的大部分地區（圖1d）。這些地方的地形起伏度多大于200 m。與剖面礫石含量（圖1a）對比表明，剖面礫石含量越高的地方影響越明顯，特別是剖面礫石含量大于20%的地區。影響比較小的區域多見于平原，如美國中西部大平原、南美平原、印度平原、東歐平原、中國的東北和華北平原、及西伯利亞平原等地區，這些地方的地形起伏度多小于60 m。

將Kc與Kf的差值（圖1c）與土壤類型圖對比可見，當土壤類型為砂性土（Arenosols）、低活性淋溶土（Lixisols）、灰壤（Podzols）、薄層土（Leptosols）、疏松巖性土（Regosols）和鐵鋁土（Ferralsols）時，對土壤可蝕性因子影響較大。因為這類土壤發育較弱，剖面礫石含量和砂粒含量較高，平均值分別為10.511%和61.211%，黏粒含量和有機碳含量較低，均值分別為19.28%和23.14%，且大多分布在干旱地區或呈酸性，土壤比較松散[29]，所以較容易受到侵蝕。當土壤類型為硅膠結土（Durisols）、滯水潛育土（Stagnosols）、黏磐土（Planosols）、漂白淋溶土（Albeluvisols）和有機土（Histosols）時，對土壤可蝕性因子影響較小。這是因為這類土壤多分布在森林地帶，剖面礫石含量和砂粒含量較低，平均值分別為5.185%和41.72%，黏粒含量和有機碳含量較高，平均值分別為24.44%和71.60%。

2.2 礫石覆蓋對土壤可蝕性的影響

全球范圍內而言，礫石覆蓋使土壤可蝕性因子衰減系數平均為0.911，山地高原荒漠地區可蝕性衰減系數St的均值分別為0.641和0.681，使土壤可蝕性因子降低約8.9%和18.7%。礫石覆蓋使K值和土壤侵蝕減小的原理在于，礫石覆蓋減緩了雨滴打擊，減少了地表水流速度，降低了徑流輸移能力，進而減輕土壤侵蝕[17-18，20]。由礫石覆蓋度和礫石衰減系數圖（圖2）可以看出，礫石覆蓋較大的區域主要見于山地和高原，如南北美洲的太平洋沿岸山地（科迪勒拉山系）、加拿大東部拉布拉多高原、西亞地區的伊朗高原、青藏高原及澳大利亞零星地區。與前述剖面礫石影響比較，范圍較小。這些地方土壤表面礫石覆蓋度較大，平均值為21.16%。而其他地區（平原、波狀平原和俄羅斯遠東地區的緩坡丘陵等）則影響輕微，礫石衰減系數一般為0.9左右。就土壤類型看，影響比較大的有暗色土（Umbrisols）、薄層土（Leptosols）、疏松巖性土（Regosols）和寒凍土（Cryosols）；St平均值較低，衰減系統介于0.57～0.63，平均為0.60（表3）。這組土壤發育程度較低，粗顆粒成分和地表礫石覆蓋度較大[29]，平均礫石覆蓋度為16.13%，所以對St的影響更大。而其他地區（平原、緩坡丘陵等）則影響輕微，土壤類型為聚鐵網紋土（Plinthosols）、鐵鋁土（Ferralsols）、黏綈土（Nitisols）和黏磐土（Planosols）等土壤，衰減系統介于0.84～0.92，平均為0.88；這組土壤發育相對較好、礫石覆蓋度較低，平均為4.31%。

表3 幾種土壤類型的St均值 Table 3 Mean of St（soil erodibility reduction factor）relative to soil types

2.3 剖面礫石含量和礫石覆蓋的總影響

前述分析可見，剖面礫石和礫石覆蓋對土壤可蝕性因子均具有影響，但方向相反，這與前期研究的認識一致[15，30]。對不考慮剖面礫石和礫石覆蓋、只考慮剖面礫石、只考慮礫石覆蓋、同時考慮了剖面礫石和礫石覆蓋影響的土壤可蝕性因子計算（Kf、Kc、Kfs、Kcs）的統計（圖3）表明，剖面礫石使土壤可蝕性因子增加（增幅0.001 1（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1））、礫石覆蓋使土壤可蝕性因子減小（減幅0.0024（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1））、當剖面礫石和礫石覆蓋均考慮時總體上使土壤可蝕性因子減小（減幅0.001（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1））。土壤可蝕性因子降低區域占總面積62.7%，增加區域占總面積31.1%，減少和增加的均值分別為0.006 4（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1）和0.000 9（t·hm2·h）· （hm–2·MJ–1·mm–1），其中明顯增減的面積分別約占20%。這說明從總體上看，礫石覆蓋的作用更大，如果不考慮剖面礫石和礫石覆蓋，則總體使土壤可蝕性因子被高估。不考慮剖面礫石和礫石覆蓋的土壤可蝕性因子和考慮了礫石含量的土壤可蝕性因子差值圖（圖4）可以清晰地表達粗顆粒物質的綜合影響。礫石覆蓋影響為主的情形（相對于Kf，土壤可蝕性因子值減小，圖面上的紫色區域）見于山地、高原和戈壁，地理區域詳見3.1，這些區域土壤可蝕性因子減小的平均值為0.009 1（t·hm2·h）· （hm–2·MJ–1·mm–1）；主 要 的 土 壤 類 型 為 薄 層 土（Leptosols）、高活性淋溶土（Luvisols）、鈣積土（Calcisols）、灰壤（Podzols）等。剖面礫石影響為主的情形（相對于Kf，土壤可蝕性因子值增加，圖面上的綠色區域）見于土壤剖面礫石含量比較高的地區，但這些地區零星分布，主要見于北美的東北部、南美的東部和西北部、非洲的東部、西歐以及澳洲大陸的北部；這些區域土壤可蝕性因子增加的平均值為0.001 9（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1）。主要的土壤類型為砂性土（Arenosols）、鐵鋁土（Ferralsols）、雛形土（Cambisols）和寒凍土（Cryosols）等。基本未影響的情形（相對于Kf，土壤可蝕性因子值變幅絕對值小于0.000 1，圖面上的灰色區域）見于平原，如美國中西部大平原、南美平原、印度平原、東歐平原、中國的東北和華北平原、及西伯利亞平原等地區，面積占6.18%。土壤類型主要有有機土（Histosols）、低活性強酸土（Acrisols）、漂白淋溶土（Albeluvisols）等。這些地方基本上為平原，土壤剖面礫石含量（12.3%）、和礫石覆蓋（12.7%）含量小，對土壤可蝕性因子沒有明顯的影響。

2.4 礫石含量對土壤侵蝕評價的影響

6個樣區的分析表明（表4），以礫石覆蓋為主的情況如下（SS1, SS3和SS6樣區），土壤剖面礫石的作用使土壤水蝕流失速率略增加（幅度為2.3%～4.7%，平均為2.6%），土壤表面礫石覆蓋和剖面礫石共同作用使流失速率減少17%～28.4%、平均為22.8%（土壤水蝕流失速率減小181 t·(km–2·a–1)）；由此推算單獨礫石覆蓋使之減少19.5%～31.6%，平均為27.3%。以剖面礫石作用為主的樣區（SS2, SS5），剖面礫石的作用使流失速率略有增加，幅度為3.7%～10.5%、平均為7.0%，礫石覆蓋和剖面礫石共同作用下流失速率增加2.1%～7.6%，平均為4.85%（土壤水蝕流失速率增加7 t·(km–2·a–1)），單獨礫石覆蓋使之減少1.6%～2.9%，平均為2.3%。兩種作用均有的一個樣區（SS4）位于澳大利亞，剖面礫石的作用使流失速率增加17.1%，共同作用減小8.4%（土壤水蝕流失速率減小2 t·（km–2·a–1）），推算礫石覆蓋單獨減少25.5%，剖面礫石的作用略大。全球范圍內，剖面礫石作用使土壤水蝕流失速率增加4.8%，礫石覆蓋和剖面礫石共同作用使流失速率減少14.7%（土壤水蝕流失速率減小54 t·(km–2·a–1）），由此推算單獨礫石覆蓋使之減少19.5%。

表4 典型樣區礫石含量對土壤水蝕流失速率的影響 Table 4 Effects of rock fragment on soil erosion rate in the sample areas

3 討 論

3.1 礫石覆蓋

文獻報道（如Miller和Guthrie[10]；Weil 和 Brady[28]）、野外觀察和1 cm分辨率高分無人機影像（圖5a）均表明，丘陵山區土壤廣泛存在礫石覆蓋。在戈壁地區地表礫石覆蓋度可達到50%[10，31-32]，黃土地區碳酸鹽結核（俗名料姜石）出露地表，也屬于類似情況[33]。美國西部大約有17%的土系礫石含量大于35%，所占面積超過15%[10]。所以，盡管土壤侵蝕模型研究者注意到了這個問題（如畢小剛[34]；R?mkens[9]），但由于缺少覆蓋大區域的礫石覆蓋度數據（類似于 LUCAS database，Panagos[23]），目前最高分辨率的衛星影像也無法提取這些信息（圖5b），所以長期以來的K值計算大多數未考慮礫石覆蓋的影響。

作為一種初步的嘗試和無奈的研究方案，本文用土壤表面礫石含量代替礫石覆蓋，雖然實現了對礫石覆蓋影響的分析，但因為土壤學中所用數據和礫石覆蓋的概念不完全相同[10，27]，因此本文分析的土壤表面礫石覆蓋，未考慮大石塊（cm級甚至更大）的覆蓋，理論上講是不嚴密的。與Panagos等[23]的分析相比（圖6），一方面其空間格局相似、并且總影響與歐洲地區的接近（土壤侵蝕速率減少16%左右），一方面本文的結果偏大。今后可通過改善數據（如典型地區野外調查、查閱土壤普查報告等），分析土壤普查和制圖數據中對于礫石相關的土相的記載[27]，逐步改善礫石覆蓋含量對土壤可蝕性影響的全面估算。

3.2 關于相關K因子算法的修正

本文引言部分提到，土壤可蝕性因子的估算有多種算法，如USLE-K算法[1]、RUSLE2-K算法[8]、EPIC-K算法[3]和基于平均幾何粒徑的算法[9]等。本文作為一種方法的探討，以USLE-K算法為例進行分析，形成的計算方法對其他算法基本適用。礫石覆蓋計算，只需要礫石覆蓋度數據，用式（9）完成礫石覆蓋下的可蝕性衰減系數St計算，然后用式（11）可完成對任一可蝕性因子計算結果的礫石覆蓋的修正，這一過程與土壤可蝕性因子算法無關。但是對于剖面粗砂影響的修正，因為需要通過土壤飽和導水率—土壤滲透性（式（6）和式（8））來推算K值的增減，所以式（11）對EPIC算法、基于幾何平均粒徑的算法還不能直接應用，需要進一步研究。

3.3 礫石含量對K的影響機理

礫石覆蓋對土壤產流、侵蝕產沙的影響比較復雜。一些研究與本文的計算結果并不一致，如Zavala等[35]的研究表明，礫石存在會增加地表積水、阻滯產流、增加入滲、降低土壤流失速率。王蕙等[13]的研究表明，土壤中礫石的存在將對整個水文循環產生影響，嵌套于土壤中的礫石可以增加地表入滲，阻礙坡面侵蝕。同時，還有試驗研究表明，礫石（包括土壤剖面中的和土壤表面覆蓋的）影響，需要考慮的因素較多，包括礫石的位置和形狀、土壤孔隙類型、土壤表面坡度和侵蝕的微形態特征等[11，30，36]。 這些研究均表明，礫石覆蓋對土壤侵蝕的影響比較復雜，有待從侵蝕產沙物理過程出發集成更多的試驗研究數據，全面評估礫石覆蓋對入滲、產流和侵蝕產沙的影響，進而準確評價其對土壤可蝕性因子的影響。

3.4 礫石含量對風蝕的可蝕性影響

研究表明礫石覆蓋對風蝕速率有重要影響[32，37-38]。一些風蝕預報模型，如風蝕方程（Wind Erosion Equation，WEQ）[39]、修正風蝕方程（Revised Wind Erosion Equation，RWEQ）[40]、風蝕預報系統（Wind Erosion Prediction System，WEPS）等[41]，均需要土壤可蝕性因子（soil erodibility factor）。盡管風蝕模型中的土壤可蝕性因子與USLE的K因子的估算方法有所不同，但礫石覆蓋、剖面礫石含量均對其有影響[38]。因此，如果將本研究的式（8）、 式（10）和式（11）做必要的修改，有可能用于風蝕預報方程WEP的土壤可蝕性因子計算、提高風蝕預報的精度。

4 結 論

基于全球1 km分辨率土壤屬性數據SoilGrids的計算表明，土壤剖面中礫石的存在，使土壤滲透性等級增加5.68%，土壤飽和導水率降低11.57%，全球土壤可蝕性因子增加4.43%；礫石覆蓋通過保護土壤免遭雨滴打擊和徑流沖刷減少土壤侵蝕，在山地、荒漠（沙漠和戈壁）地區，這一影響會使土壤可蝕性值減小約18.7%；土壤剖面礫石含量和土壤表面礫石覆蓋的綜合影響，使土壤可蝕性因子降低5.52%。以礫石覆蓋影響為主的地區，土壤可蝕性因子可降低0.0091（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1）；以剖面礫石影響為主的地區，土壤可蝕性因子增加0.0019（t·hm2·h）·（hm–2·MJ–1·mm–1）；初步計算礫石含量可使全球土壤流失速率減少約54 t·km–2·a–1（14.7%）。在土壤可蝕性因子（K）計算和制圖中充分考慮礫石含量的影響，計算所得土壤可蝕性因子會更加準確；同時，本研究對風蝕預報也具有參考價值。

致 謝中山大學上官微副教授對本文數據應用提供了指導意見，特此致謝！