重庆市中国土壤流失方程因子研究进展

董丽霞，蒋光毅，张志兰，符素华，郑云泽

(1.北京师范大学 地理科学学部，北京 100875； 2.重庆市水土保持监测总站，重庆 401147)

水土流失动态监测是落实国家生态文明建设决策部署的重要支撑。土壤侵蚀模数计算是水土流失动态监测必不可少的环节之一，而中国土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CSLE)是水土流失动态监测中水蚀区土壤侵蚀模数的计算方法。CSLE模型是考虑我国土壤侵蚀特点，同时借鉴美国通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)的建模思路而建立的一种适用于我国坡面土壤侵蚀评价的模型。CSLE/USLE模型中各因子的取值与地区的气候、地形、土壤及土地利用等因素密切相关，计算方法及参数取值因地而异，因此确定适合不同地区的模型参数值对区域水土流失动态监测、水土保持工作开展、生态文明建设具有重要意义。

重庆市地处川东山地丘陵区，有坡耕地面积约118.92万hm2，占全市耕地面积的47.14%[1]，同时紫色土分布面积约273.73万hm2，占全市土地面积的33.22%[2]，因此重庆市以紫色土分布为主的坡面水土流失非常严重，有水土流失面积254.45万hm2[3]。重庆市位于三峡库区腹地，严重的水土流失不仅关乎土壤资源保护与农业生产安全，而且对三峡水库水质及周边水源地生态环境也具有重要影响，因此学者们对CSLE/USLE各因子在重庆市的适用情况开展了大量的研究。为了确定适合于重庆市的CSLE各因子的计算公式或取值，本研究以文献查阅的方式，通过中国知网等平台，以重庆市、三峡库区、紫色土+土壤侵蚀、USLE、CSLE为关键词进行文献检索，并逐篇筛选与补充，共获得135篇相关文献，通过对这些文献的系统查阅，系统梳理和归纳了CSLE/USLE各因子的计算方法及参数取值等，以CSLE模型的因子结构对各因子相关研究成果进行总结概括，以期为重庆市水土流失动态监测及水土保持工作开展提供参考。

1 重庆市CSLE模型各因子研究现状

CSLE模型的表达式[4]为

A=R·K·L·S·B·E·T

(1)

式中：A为多年平均土壤流失量，t/(hm2·a)；R为多年平均降雨侵蚀力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K为土壤可蚀性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；L为坡长因子，无量纲；S为坡度因子，无量纲；B为生物措施因子，无量纲；E为工程措施因子，无量纲；T为耕作措施因子，无量纲。

1.1 降雨侵蚀力因子

降雨侵蚀力(R)是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，其经典算法是著名的EI30模型，即用一次降雨总动能(E)与该次降雨最大30 min雨强(I30)的乘积计算降雨侵蚀力(R)。蒋光毅等[5-6]对重庆市R因子的经典算法研究发现，EI5模型在重庆市使用效果较为理想。由于经典模型数据获取难度大且费时费力，因此许多学者对重庆市R因子的简易算法进行了研究，主要是建立日、月、年降雨量与经典降雨侵蚀力算法(EI30)之间的经验关系来计算R因子值。

基于日雨量数据计算重庆市R因子值的模型主要有幂函数模型及一元二次函数模型等[7-9]，见表1。宁丽丹等[7]和缪驰远等[8]提出的日雨量降雨侵蚀力幂函数模型中的幂指数比较接近，分别为1.50和1.529 2；但幂函数前面的系数差异较大，宁丽丹等的幂函数系数值在0.09～1.05之间，平均值为0.57，而缪驰远等的则为1.157 3。基于月雨量数据计算R因子的模型主要有多项式模型[10]、幂函数模型[8,11]及其他形式模型[9]等(表2)。缪驰远等[8]、王明晓[11]和史东梅等[9]研究提出了基于年雨量数据的R因子计算模型，但是公式的形式及系数均存在差异(表3)。

表1 基于日雨量数据的重庆市降雨侵蚀力简易计算模型

表2 基于月雨量数据的重庆市降雨侵蚀力简易计算模型

表3 基于年雨量数据的重庆市降雨侵蚀力简易计算模型

1.2 土壤可蚀性因子

土壤可蚀性因子(K)是评价土壤对侵蚀敏感程度的指标，是标准小区上单位降雨侵蚀力下的土壤流失量。重庆市K因子的研究主要包括K因子影响因素及评价指标的确定、测定方法、计算方法及其时空变异性等，主要集中在K值的测量和估算方面。国内外有代表性的K值计算模型主要有5种，见表4。

许多学者根据表4中的模型计算重庆市的K值，并将其与野外实际降雨或人工模拟降雨等的实测值进行对比，分析并建立两者之间的转化方程，以寻找最适合重庆市的K因子计算方法。吴昌广等[17]基于张科利等[18]的修正Shirazi模型计算得到三峡库区各土类K值(表5)，与张科利等[18]的研究成果[四川遂宁紫色土K值0.019 1 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)]对比发现修正Shirazi模型用于计算重庆市K值是可行的。张兵[19]、史东梅等[20]、姚云[21]研究发现利用模型计算所得K值均大于实测K值(表6)，这些模型基本上都不能直接应用于重庆市K值的计算，但经修正转换的EPIC模型、诺谟模型在重庆市的适用性较好。

此外，许多学者基于土壤理化性质的研究得到K因子的计算模型(表7)，考虑了土壤质地、水稳性团聚体、土壤有机质等参数的影响，但参数选取标准存在差异。

表4 常见土壤可蚀性因子计算模型

表5 三峡库区不同土类K值

表6 不同学者研究的紫色土K值

表7 基于土壤理化性质的土壤可蚀性因子计算模型

1.3 坡长坡度因子(LS)

坡长因子是在降雨、土壤等其他条件都一致的情况下，某一坡长的坡面土壤侵蚀量与标准小区(坡长22.13 m)坡面土壤侵蚀量的比值；坡度因子是在其他条件都一致的情况下，某一坡度坡面土壤流失量与坡度为5.13°坡面产生的土壤流失量之比。研究坡长因子实质上是研究坡长与侵蚀关系的数学表达形式。重庆市的坡长因子计算公式主要分为两种类型，即幂函数模型及其他形式的坡长因子计算模型[22-24]，见表8。这些模型大多是在USLE模型中的坡长因子公式基础上，根据重庆市实际情况，将22.13 m坡长坡面上的坡长因子标准化到20 m坡长坡面上，只是幂指数值存在差异。陈正发[22]将幂指数值确定为定值0.34，而代数[23]认为幂指数值随坡度变化在0.1～0.5之间变化。杨艳生[24]采用地面平均坡度和相对高度指标来计算坡长因子值，参考标准条件坡度、相对高度分别为20°和362 m。

表8 重庆市坡长因子计算公式

重庆市坡度因子计算公式主要有指数函数及线性分段函数两种类型[22-24]，见表9。指数函数模型代表性公式有杨艳生[24]提出的坡度因子计算公式；线性分段函数模型有陈正发[22]和代数[23]提出的坡度因子计算公式。需要注意的是杨艳生[24]和陈正发[22]的坡度因子计算公式参考条件分别是20°和15°坡度，代数[23]的则是在34.8°坡度以下计算公式以15°为参考条件，以上以5.14°为参考条件。

表9 重庆市坡度因子计算公式

1.4 水土保持措施因子(B、E、T)

水土保持措施因子(B、E、T)指有措施条件下的土壤流失量与同等条件下连续清耕休闲地的土壤流失量之比[4]。凡是用种植和培育生物增加地表覆盖的措施都称为生物措施，如植树、种草等；必须用推土机、挖掘机或人工修筑建造，而无法用一般耕作工具在耕作过程中完成的措施称为工程措施，如梯田、谷坊等；凡是通过犁地、中耕等在耕作过程中完成的措施称为耕作措施，如横坡耕作、免耕等措施[25]。

(1)生物措施因子(B)。B因子值一般通过遥感影像和地面调查相结合的方法来获取。2000年蔡崇法等[26]根据实地调查资料、径流小区人工降雨及部分天然降雨资料提出三峡库区B因子计算公式为

(2)

式中：c为植被盖度，%。

2020年王铭烽[27]基于公式(2)计算得到2015年三峡库区B因子空间分布情况，全区均值为0.103。库区中游植被覆盖最好，B因子均值最低，为0.080。主要土地利用类型中林地、草地、建设用地、水域和裸地的B值分别为0.062、0.082、0.901、0.993和0.952。

2011年吴昌广[28]根据LIN et al.[29]在研究台湾地区土壤侵蚀时提出的USLE模型中植被覆盖与管理措施因子C值估算公式[公式(3)]，以及降雨侵蚀力的季节分布特征[公式(4)]分别计算三峡库区1999、2009年的C因子值(按CSLE模型结构归为B因子值)，见表10。

(3)

(4)

式中：C为植被覆盖与管理措施因子；Ci为第i个半月的C因子值；WRi为第i个半月降雨侵蚀力占全年侵蚀力比例，%；NDVI为归一化植被指数。

表10 吴昌广[28]研究三峡库区1999、2009年不同土地类型B值

2011年郭宏忠等[30]参照中国-欧盟《流域管理项目土壤侵蚀监测评价手册》并根据不同土地利用方式和图斑植被盖度得到重庆仙鱼小流域的B值，见表11。

表11 重庆仙鱼小流域B值

2013年秦建军[31]根据已有的研究成果并结合土地利用和植被盖度的实际调查数据得到开县的B值，见表12。

表12 开县不同土地利用现状和不同植被盖度下的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因子值一般根据相应措施下的径流小区观测资料得到，如：2011年陈正发[22]研究得到重庆市T因子值范围为0.180～0.763，E因子值范围为0.032～0.184。若无观测资料，主要基于赋值法获取，如：才业锦[32]、郭宏忠等[30]等参照中国-欧盟《流域管理项目土壤侵蚀监测评价手册》资料赋值。依照刘宝元等[25]的中国水土保持措施分类标准将重庆市相关研究成果整理见表13。

表13 重庆市E、T因子值

2 结 语

通过对相关文献的系统梳理，可以发现学者们关于重庆市CSLE/USLE模型的各个因子的研究已取得许多成果：提出了基于不同降雨量资料的降雨侵蚀力简易计算公式；提出了修正土壤可蚀性因子计算公式，并利用经验公式法计算了主要土类的土壤可蚀性因子值；基于实测数据提出了坡度及坡长对土壤侵蚀影响的定量评价公式；利用文献资料和实测数据得到了主要水土保持措施的B、E、T因子值。但是，目前重庆市各因子的计算基础还需要统一。为了便于与国内及国际上相同数据进行比较，建议所有因子的分析基础都以5.14°坡度、22.13 m坡长作为计算参考基准，同时基于土类或土壤亚类的土壤可蚀性值和主要水土保持措施因子值需要利用坡面径流小区实测数据进一步研究。这些研究结果将直接服务于重庆市水土流失动态监测、水土保持规划与管理工作。