我国坡地土壤侵蚀影响因子C的研究进展

摇

第13卷摇第6期2015年12月

ScienceofSoilandWaterConservation

中国水土保持科学

Vol.13摇No.6Dec.2015

我国坡地土壤侵蚀影响因子C的研究进展

(1郾西北农林科技大学资源环境学院,712100,陕西杨凌;2郾西北农林科技大学水土保持研究所,712100,陕西杨凌)摘要:为完善及促进我国土壤侵蚀预测预报工作的完善与进展,在阅读大量文献资料和试验研究的基础上,对照美国的研究成果,回顾与展望了C因子的研究。从研究现状来看,我国的研究大致可划分为资料累积、研究和深化研究3个阶段,已取得了可喜的成绩。今后还需强化对C因子的系统定位观测和模拟实验,构建适用于不同水土流失类型区的计算模型。

关键词:C因子;坡耕地研究现状;中国;展望中图分类号:S157

文献标志码:A

文章编号:1672鄄3007(2015)06鄄0001鄄11

吴发启1,林青涛2,路陪2,王钰2

Researchprogressofsoilerosioninfluence

factorsCinslopingfieldinChina

(1郾SchoolofResourcesandEnvironments,NorthwestA&FUniversity,712100,Yangling,Shaanxi,China;

WuFaqi1,LinQingtao2,LuPei2,WangYu2

2郾InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,712100,Yangling,Shaanxi,China)

Abstract:InordertopromotetheperfectionandprogressofsoilerosionpredictionworkinChina,weStatesonthebasisofliteraturereviewandexperimentalstudy.Fromthepointofresearchstatus,thedataaccumulationstage,researchstageandfurtherresearchstage.Westillhavetostrengthenthesuitablefordifferenttypesofsoilandwaterlossregions.摇摇中国位于欧亚大洲东部,太平洋西岸,土地幅员辽阔,跨越了不同的生物气候带。复杂的地质地貌结构使她成为了一个多丘陵与山地的国家(山地丘陵面积约占国土总面积的70%)。中国是世界农业发展最早的国家之一,长期的人类活动与自然因素相互的作用使土壤侵蚀愈演愈烈,已成为头号环境问题[13]。中国有耕地1郾2亿hm2,其中坡耕地占到20%左右,坡耕地侵蚀量占流域产沙总量的60%~70%[4];因此,坡耕地是水土保持研究与治理的重点区域。在水力侵蚀区,坡耕地的水土流失主要受降雨(R)、土壤(K)、地形(LS)、作物覆盖及管理

收稿日期:20151109摇修回日期:20151120

第一作者简介:吴发启(1957—),男,博士,教授。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E鄄mail:wufaqi@263.net

makeareviewofthestudyofCfactorsandgiveprospecttoitbycontrastingwiththeresultsofUnitedresearchofCfactorinChinahasobtainedhugeachievementswhichcanbedividedintothreestagesforsystematicstationaryobservationandsimulationexperimentsofCfactorandbuildcalculationmodelsKeywords:Cfactor;researchstatusofslopecropland;China;prospect

(C)和人为治理措施(P)等的影响。纵观研究态势可知,C因子在我国研究起步较晚,系统性较差,难以满足土壤侵蚀预测预报及水土保持规划的需求[5];另一方面,研究者普遍认为C因子在土壤侵蚀预报中是最为敏感的因子,对预报精度影响很大[67],故本文就我国坡耕地作物植被对水土流失影响的研究状况作以回顾,以促进该领域的研究。

1摇C因子的内涵与发展

作物植被覆盖及管理的防蚀作用可用植被作用

摇

2

中国水土保持科学2015年

系数来表述,是有植被覆盖地的土壤流失量与相同0~1之间。当无植被作用时,C=0;当植被作用达最大时,C=1。此概念最早是由美国学者G.W.Musgrave提出的,并在马氏土壤流失预报方程中得到了应用,也为后续通用流失方程(USLE)、修正通用土壤流失方程(RUSLE)和WEPP模型的研制起到了很大的促进作用[8]。

坡地C因子的发展与完善是与分析其作物的条件下无植被覆盖地的土壤流失量之比,其值介于

条件有关,还受制于前期土地利用、土壤水分、播种时的整地与播种方式、生长过程中的定苗、锄草、追肥,以及土壤结皮等因素的综合作用,因此,在修正土壤流失方程中,对C值的计算采用了次因子法,即在土壤流失率计算中考虑前期土地利用次因子(PLU)、冠层覆盖次因子(CC)、地面覆盖次因子(SC)、地表糙度次因子(SR)和土壤水分次因子(SM)等,使C值的计算更加科学合理[1324]。在美国最新一代水蚀预报模型(WEPP)中,C因子考虑得更为详细,并分散在土壤模块、植物生长模块和残留物分解模块等子模块中[2528]。上述C因子的发是一个非常复杂的因子。

展情况见表1,可见C因子受多个环境因素的影响,

生长特征和影响因素密切相关的。在通用流失方程中,C因子的计算主要考虑了作物的生长阶段和降雨侵蚀力2个因素,即作物每个生长阶段的值与该作物同一生长阶段所具有的R值占全年R值的百分数乘积的总和[912];然而,作物的生长不仅与气候

表1摇美国C因子计算方法

Tab.1摇CalculationmethodofCfactorinAmerica

模型Model

版本Version

计算步长Calculationstep摇1965年版5个农作期,1978年版6个

USLE

1965[11]、1978[12]

农作期

摇1965:5cropsta鄄ges;1978:6cropsta鄄ges

C因子的演变EvolutionoftheCfactor摇手册查询法/标准小区法/USLE方程反算法

摇Handbookquerymethod/StandardUSLE

说明

摇式中:SLRi为第i个时段内研究地块与对照裸露地的土壤流失比率;EIi为第i时段内的降雨侵蚀力比例,%;n为时段数。SLRiisthesoilerosionratioofresearchplotstothecontrolwithini鄄thtimeperiod;EIiisthepercentageofrainfallerosivitywithi鄄thtimeperiod;nisnum鄄beroftimeperiod

Definition

plotmethod/Anti鄄inferencemethodof摇C=

SLRiEIi移i=1

n

摇式中:PLU为前期土地利用次因子;CC为

摇次因子法(5个次因子)摇Subfac鄄tormethod(Fivesubfactors)摇SLR=PLU·CC·SC·SR·SM

冠层覆盖次因子;SC为地面覆盖次因子;SR为地面糙度次因子;SM为土壤水分次因子。PLUissubfactoroftheearlystageoflanduse;CCissubfactorofcanopycover;SCissubfactorofgroundcoverage;SRissubfactorofsurfaceroughness;SMissubfactorofsoilmoisture摇式中:c为日覆盖管理因子;cc为日冠层覆盖次因;gc为日地表覆盖次因子,sr为地表糙度次因子;rh为日垄高次因;sb为日土壤

摇次因子法(7个次因子)

RUSLE2

2008[19]

摇1d

摇tors)

生物量次因子;sc为日土壤固结次因子;sm为日前期土壤湿度次因子。cisdailycover鄄managementfactor;ccisdailycanopycoversubfactor;gcisdailygroundcoveragesubfac鄄tor;sristhegroundsurfaceroughnesssubfac鄄soilbiomasssubfactor;scisdailysoilconsolida鄄tionsub鄄factor;smisdailyantecedentsoilmois鄄turesubfactor

RUSLE

1997[18]

摇15d

Subfactormethod(Sevensubfac鄄

摇c=cc·gc·sr·rh·sb·sc·sm

tor;rhisdailyridgeheightsubfactor;sbisdaily

摇

摇第6期

吴发启等:我国坡地土壤侵蚀影响因子C的研究进展

表1(续)摇

3

模型Model

摇

版本Version1995年第一

计算步长Calculationstep

C因子的演变EvolutionoftheCfactor摇9个功能模:天气随机生成模块、冬季过程模块、灌溉模块、水文过程模块、土壤模块、植物生长模块、残留物分解模块、地表径流模块、侵蚀模块。事实上,C因子的内容分散在了众多的模块之中,与C因子计算内容最为相关的模块是植物生长模块和残留物分解模块

说明

摇9functionmodule:weatherrandomlymod鄄

Definition

WEPP

2012年版

版[28],最新版为摇firstversionpub鄄latestversionpub鄄lishedin2012

摇1天day

ule,winterprocessmodule,irrigationmodule,hydrologicalprocessmodule,soilmodule,plantgrowthmodule,Residuedecompositionmodule,surfacerunoffmodule,erosionmodule.Infact,theCfactorscatteredinawiderangeofthemodule,thecontentofplantgrowthandresiduedecompositionmodulesarethemostrelatedtoCfactorcalculation

lishedin1995,the

2摇我国C因子的研究现状及进展

我国C因子的研究大致可划分为资料积累、研2郾1摇资料积累阶段发和深化研究3个阶段。

该阶段主要经历了2个时期:一是1941—1942年在黄土高原的陇南、关中的荆峪关、四川北碚和福建河田等地设立了水土保持试验观测站,采取径流小区法研究侵蚀问题;二是1950—1953年在黄土高原不同侵蚀类型区相继建立了西峰、绥德和天水水土保持科学试验站,这些站除了采用径流小区法观测水土流失外,还采用把口站法监测小流域的侵蚀状况[2,29]。就小区观测资料来看,3个站大约积累

了近2000余组的数据(表2),为后续研究奠定了一定的基础。如表2所示,当时的观测主要是服务于农业生长,难免观测内容变化快且系统性、长期性的2郾2摇研发阶段观测数据较少。

20世纪70年代末以来,随着通用流失方程的

引进与传入,我国学者对C因子开展了较为广泛的研究[9,3032]。该阶段的研究成果主要体现在以下3方面:

体现在2方面:一是在美国通用土壤流失方程(USLE)、修正通用流失方程(RUSLE)和水蚀预报模型(WEPP)的推广应用中,C因子均有研

1)成果覆盖面较广。研究成果的覆盖面主要

表2摇黄土高原地区野外径流小区观测资料统计

Tab.2摇Statisticsofobservationdataforfieldrunoffplotsintheloessplateau

区域Region

观测年限Observationduration

径流场数Numberofrunoffplot

径流场规格runoffplot4毅~18毅20m

摇坡度slopedegree:摇坡长slopelength:

828

Sizeof

数据量DataSize/组Group

研究内容Researchcontents

摇作物种类、坡度、轮作、间作、雨量、平均降雨强度、Imax、植被覆盖度、耕作深度、耕作方式。Typeofrainfallintensity,Imax,vegetationcoverage,cultiva鄄tiondepth,cultivationway

天水Tianshui

1945—195729crops,slopedegree,intercropping,rainfall,average

绥德Suide

1954—195826

12毅~29毅

摇坡度slopedegree:摇坡长slopelength:

322

摇作物种类、坡度、坡长、雨量、平均降雨强度、Imax、植被覆盖度、耕作深度、耕作方式。Typeofcrops,slopedegree,intercropping,rainfall,averagerainfallintensity,Imax,depth,cultivationway

vegetation

coverage,

cultivation

15m,20m

西峰Xifeng

1955—198043

0郾17毅~28郾15毅

摇坡度slopedegree:摇坡长slopelength:

758

摇作物种类、留茬、坡度、坡长、雨量、平均降雨强

度、I30、I60、Imax、植被覆盖度、耕作深度、耕作方式。Typeofcrops,slopedegree,slopelength,rainfall,averagerainfallintensity,I30,I60,Imax,vegetationcoverage,cultivationdepth,cultivationway

15~40m,100m

摇

4

中国水土保持科学2015年

究[25,3342];二是研究区域几乎包括了全国(除台湾省外)所有的水蚀区,见表3。

2)形成了C因子的基本计算式。30余年来,

应用、模仿和直接采用通用土壤流失方程、修正土壤流失方程中的基本算法。随着试验研究工作的开展与资料积累,许多学者建立了适用于特定研究区域的经验计算公式。总体来看,主要有手册查询法、标准小区法、次因子法、反算法和盖度法等,见表4。

我国学者对C因子的研究主要是本着服务于土壤侵蚀的预测预报;因此,C因子的估算就显得非常

重要。起初,人们主要是在C因子的概念指导下,

表3摇中国大陆C因子研究区域分布

Tab.摇StudyareadistributionofC鄄factorsinChinamainland

水蚀区名称water鄄erosionregion

西北黄土高原区Northwestloessplateau

东北低山丘陵与漫岗丘陵区Northeastlowmountainandhillyarea北方山地丘陵区Northernhillyarea南方山地丘陵区Southernhillyarea

四川盆地及周围山地丘陵区Sichuanbasinandthesurroundinghillyarea云贵高原区YunguiPlateau

文献数量Literaturequantity

11341451

文献编号ReferencesNo.[31][34][39][4348][59][62][35][49][63][36][50][61][64]

[38][40][41][5155][60][6569][42][5658][70][37]

表4摇C因子计算方法一览表

Tab.4摇AlistofcalculationmethodofCfactor

方法名称Method摇手册查询法method

SLRiEIi移i=1AA忆

n

C因子计算公式CalculationformulaofCfactor

文献Reference[11][12][34][35][51][59][60][66]

Handbookquery摇C=

摇标准小区法Standardplotmethod

摇C=

摇式中:A为一定条件下有植被覆盖坡地土壤流失量;A忆为同等条件下适时翻耕、连续休闲对照地上lossamountofcontrastlandwithtimelyploughing,continuousleisureonthesamecondition摇C=

AR·K·LS·P

[11][12][31][34][35][36][37][44][45][49][51]

的土壤流失量。Aissoillossamountofslopinglandwithvegetationcoverageoncertaincondition;A忆issoil

摇反算法Anti鄄inferencemethod

摇式中:A为土壤流失量,t/(km2·a);R为降雨侵蚀力因子;K为土壤可蚀性因子;LS为坡长、坡度因

2

子;C为植被覆盖与管理因子;P为水土保持措施因子。Aissoillossamount,t/(km·a);Risrainfall鄄runofferosivityfactor;Kissoilerodibilityfactor;LSisslopelengthandsteepnessfactors;Ciscoverandmanagementfactor;Pissupportpracticefactor摇SLR=PLU·CC·SC·SR·SM;摇c=cc·gc·sr·rh·sb·sc·sm;

[11][12][52][61]

摇A=R·RC·K·KC·L·S·C1·C2·C3·C4·C5·C6·C7·C8·C9·P。

摇式中:RC为缓坡地降雨动能修正系数,KC为年内不同时间土壤可蚀性因子修正系数,C1为裸露地面

摇

Subfactormethod

次因子法

积次因子,C2为作物残茬次因子,C3为耕作强度次因子,C4为土壤残余结合作用次因子,C5为植物细根次因子,C6为地面粗糙度次因子,C7为土壤有机质含量次因子,C8为地表台阶次因子,C9为等高耕种次因子。RCiscorrectioncoefficientofRainfallkineticenergy;KCiscorrectioncoefficientofsoilerodibili鄄tyfactorofdifferenttimewithintheyear;C1isareaofbarelandsubfactor;C2iscropresiduesubfactor;C3istillageintensitysubfactor;C4issoilresidualbindingeffectsubfactor;C5isfinerootsofplantsubfactor;C6contourtillagesubfactor

[18][19][20][38][42]

issoilroughnesssubfactor;C7issoilorganicmattercontentsubfactor;C8issurfacestepssubfactor;C9is