我國(guó)坡地土壤侵蝕影響因子C的研究進(jìn)展

吳發(fā)啟， 林青濤， 路陪， 王鈺

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

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我國(guó)坡地土壤侵蝕影響因子C的研究進(jìn)展

吳發(fā)啟1， 林青濤2， 路陪2， 王鈺2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

摘要：為完善及促進(jìn)我國(guó)土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作的完善與進(jìn)展，在閱讀大量文獻(xiàn)資料和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)照美國(guó)的研究成果，回顧與展望了C因子的研究。從研究現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)的研究大致可劃分為資料累積、研究和深化研究3個(gè)階段，已取得了可喜的成績(jī)。今后還需強(qiáng)化對(duì)C因子的系統(tǒng)定位觀測(cè)和模擬實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建適用于不同水土流失類型區(qū)的計(jì)算模型。

關(guān)鍵詞：C因子； 坡耕地研究現(xiàn)狀； 中國(guó)； 展望

中國(guó)位于歐亞大洲東部，太平洋西岸，土地幅員遼闊，跨越了不同的生物氣候帶。復(fù)雜的地質(zhì)地貌結(jié)構(gòu)使她成為了一個(gè)多丘陵與山地的國(guó)家(山地丘陵面積約占國(guó)土總面積的70%)。中國(guó)是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展最早的國(guó)家之一，長(zhǎng)期的人類活動(dòng)與自然因素相互的作用使土壤侵蝕愈演愈烈，已成為頭號(hào)環(huán)境問(wèn)題[1-3]。中國(guó)有耕地1.2億hm2，其中坡耕地占到20%左右，坡耕地侵蝕量占流域產(chǎn)沙總量的60%～70%[4]；因此，坡耕地是水土保持研究與治理的重點(diǎn)區(qū)域。在水力侵蝕區(qū)，坡耕地的水土流失主要受降雨(R)、土壤(K)、地形(LS)、作物覆蓋及管理(C)和人為治理措施(P)等的影響?？v觀研究態(tài)勢(shì)可知，C因子在我國(guó)研究起步較晚，系統(tǒng)性較差，難以滿足土壤侵蝕預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及水土保持規(guī)劃的需求[5]；另一方面，研究者普遍認(rèn)為C因子在土壤侵蝕預(yù)報(bào)中是最為敏感的因子，對(duì)預(yù)報(bào)精度影響很大[6-7]，故本文就我國(guó)坡耕地作物植被對(duì)水土流失影響的研究狀況作以回顧，以促進(jìn)該領(lǐng)域的研究。

1C因子的內(nèi)涵與發(fā)展

作物植被覆蓋及管理的防蝕作用可用植被作用系數(shù)來(lái)表述，是有植被覆蓋地的土壤流失量與相同條件下無(wú)植被覆蓋地的土壤流失量之比，其值介于0～1之間。當(dāng)無(wú)植被作用時(shí)，C=0；當(dāng)植被作用達(dá)最大時(shí)，C=1。此概念最早是由美國(guó)學(xué)者G. W. Musgrave提出的，并在馬氏土壤流失預(yù)報(bào)方程中得到了應(yīng)用，也為后續(xù)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進(jìn)作用[8]。

坡地C因子的發(fā)展與完善是與分析其作物的生長(zhǎng)特征和影響因素密切相關(guān)的。在通用流失方程中，C因子的計(jì)算主要考慮了作物的生長(zhǎng)階段和降雨侵蝕力2個(gè)因素，即作物每個(gè)生長(zhǎng)階段的值與該作物同一生長(zhǎng)階段所具有的R值占全年R值的百分?jǐn)?shù)乘積的總和[9-12]；然而，作物的生長(zhǎng)不僅與氣候條件有關(guān)，還受制于前期土地利用、土壤水分、播種時(shí)的整地與播種方式、生長(zhǎng)過(guò)程中的定苗、鋤草、追肥，以及土壤結(jié)皮等因素的綜合作用，因此，在修正土壤流失方程中，對(duì)C值的計(jì)算采用了次因子法，即在土壤流失率計(jì)算中考慮前期土地利用次因子(PLU)、冠層覆蓋次因子(CC)、地面覆蓋次因子(SC)、地表糙度次因子(SR)和土壤水分次因子(SM)等，使C值的計(jì)算更加科學(xué)合理[13-24]。在美國(guó)最新一代水蝕預(yù)報(bào)模型(WEPP)中，C因子考慮得更為詳細(xì)，并分散在土壤模塊、植物生長(zhǎng)模塊和殘留物分解模塊等子模塊中[25-28]。上述C因子的發(fā)展情況見表1，可見C因子受多個(gè)環(huán)境因素的影響，是一個(gè)非常復(fù)雜的因子。

表1　美國(guó)C因子計(jì)算方法

表1(續(xù))

2我國(guó)C因子的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

我國(guó)C因子的研究大致可劃分為資料積累、研發(fā)和深化研究3個(gè)階段。

2.1資料積累階段

該階段主要經(jīng)歷了2個(gè)時(shí)期：一是1941—1942年在黃土高原的隴南、關(guān)中的荊峪關(guān)、四川北碚和福建河田等地設(shè)立了水土保持試驗(yàn)觀測(cè)站，采取徑流小區(qū)法研究侵蝕問(wèn)題；二是1950—1953年在黃土高原不同侵蝕類型區(qū)相繼建立了西峰、綏德和天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，這些站除了采用徑流小區(qū)法觀測(cè)水土流失外，還采用把口站法監(jiān)測(cè)小流域的侵蝕狀況[2，29]。就小區(qū)觀測(cè)資料來(lái)看，3個(gè)站大約積累了近2 000余組的數(shù)據(jù)(表2)，為后續(xù)研究奠定了一定的基礎(chǔ)。如表2所示，當(dāng)時(shí)的觀測(cè)主要是服務(wù)于農(nóng)業(yè)生長(zhǎng)，難免觀測(cè)內(nèi)容變化快且系統(tǒng)性、長(zhǎng)期性的觀測(cè)數(shù)據(jù)較少。

2.2研發(fā)階段

20世紀(jì)70年代末以來(lái)，隨著通用流失方程的引進(jìn)與傳入，我國(guó)學(xué)者對(duì)C因子開展了較為廣泛的研究[9，30-32]。該階段的研究成果主要體現(xiàn)在以下3方面：

1) 成果覆蓋面較廣。研究成果的覆蓋面主要體現(xiàn)在2方面：一是在美國(guó)通用土壤流失方程(USLE)、修正通用流失方程(RUSLE)和水蝕預(yù)報(bào)模型(WEPP)的推廣應(yīng)用中，C因子均有研究[25，33-42]；二是研究區(qū)域幾乎包括了全國(guó)(除臺(tái)灣省外)所有的水蝕區(qū)，見表3。

2) 形成了C因子的基本計(jì)算式。30余年來(lái)，我國(guó)學(xué)者對(duì)C因子的研究主要是本著服務(wù)于土壤侵蝕的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；因此，C因子的估算就顯得非常重要。起初，人們主要是在C因子的概念指導(dǎo)下，應(yīng)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。隨著試驗(yàn)研究工作的開展與資料積累，許多學(xué)者建立了適用于特定研究區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式?？傮w來(lái)看，主要有手冊(cè)查詢法、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)法、次因子法、反算法和蓋度法等，見表4。

表2　黃土高原地區(qū)野外徑流小區(qū)觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)

表3　中國(guó)大陸C因子研究區(qū)域分布

表4　C因子計(jì)算方法一覽表

表4(續(xù))

3)研究尺度擴(kuò)展，新技術(shù)得到了應(yīng)用。C因子的研究與應(yīng)用現(xiàn)已從小區(qū)、坡面、小流域擴(kuò)展到中大流域和區(qū)域，遙感技術(shù)也得到了普及[41,46-47,53,55,59,62-70]。馮強(qiáng)等[15]研究分析后認(rèn)為土地利用/覆蓋類型直接賦值法、遙感影像波段組合或植被指數(shù)估計(jì)法、光譜混合分析法和地統(tǒng)計(jì)學(xué)與遙感影像結(jié)合分析法等均可用于C因子的研究。

2.3深化研究階段

大量研究證實(shí)森林植被的防蝕能力主要體現(xiàn)在冠層對(duì)降雨的再分配、凋落物的持水和根系固土等3方面[10]。與林地相比，作物坡地缺乏凋落層，且人為干擾程度頻率高，是造成水土流失強(qiáng)烈的主要原因之一[71]；但人為適時(shí)的耕作管理等也會(huì)增加地表的粗糙程度，并與作物冠層、根系共同作用后達(dá)到防蝕的效果。為此，10余年來(lái)不少學(xué)者在這些方面做了較為系統(tǒng)的研究，使C因子的研究不斷深化。

1) 作物冠層對(duì)降雨的再分配。作物冠層對(duì)降雨的再分配主要包括了冠層截留、莖稈流和穿透雨3部分。不少學(xué)者針對(duì)當(dāng)?shù)氐闹饕魑锞醒芯縖72-79]；但從某一地區(qū)作物的種類及系統(tǒng)性研究來(lái)看，馬波等[80,82-88]及馬璠等[81，89]的研究更為完整[80-89]，見表5。

表5　不同作物冠下穿透雨、莖稈流和冠層截留

注：以10°坡面，40 mm/h降雨強(qiáng)度為例。Note: take 10 ° slope，40 mm/h rainfall intensity as an example.

2) 作物根系的固土作用。在自然界中，作物根系與土壤共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)合體，根系可以通過(guò)分泌物等將周圍的細(xì)小顆粒凝聚在一起，從而對(duì)復(fù)合體起到一種“加筋”作用，使其大大增強(qiáng)了抗雨滴打擊和徑流沖刷的能力[90]。表6反映的是玉米等4種作物抗剪強(qiáng)度的研究結(jié)果[91-94]，從表中可知，隨著作物的生長(zhǎng)，根系固土能力增強(qiáng)。

表6　作物不同生長(zhǎng)期土壤抗剪強(qiáng)度變化

注：以10°坡面為例。 Note: take 10 ° slope as an example.

3) 地表糙度的作用。在作物栽培管理中，人們通過(guò)整床、定苗、鋤草、追肥等措施往往使地表形成凹凸不平的微地形。這種微地形對(duì)降雨進(jìn)行再分配后影響到徑流和泥沙的變化。黃土高原當(dāng)?shù)厝罕娫谧魑锕芾碇谐２捎玫牡雀吒?、等高點(diǎn)種和鋤耕(鋤草)的試驗(yàn)研究結(jié)果說(shuō)明，在降雨強(qiáng)度為2和1 mm/h時(shí)，它們的平均填洼量分別是平整坡面的27.7、3.15和2.99倍，產(chǎn)流時(shí)間平均推遲8.93、3.45和1.49 min，從而使產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量大大減小，但粗糙度的減流減沙作用也會(huì)隨著坡度的增大出現(xiàn)增減變化[95-102]。

4)土壤結(jié)皮的作用。在降雨打擊和徑流壓力作用下，往往會(huì)在農(nóng)地表面形成土壤結(jié)皮。結(jié)皮的存在限制了土壤水與環(huán)境的交換，削弱了雨水入滲，對(duì)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育也造成了一定影響。研究表明，非結(jié)皮土壤的平均入滲率是結(jié)皮土壤的1.25倍，平均產(chǎn)沙量為1.28倍，而結(jié)皮土壤的平均產(chǎn)流量是非結(jié)皮土壤的1.15倍[103-111]。

圖1　不同生育期作物坡面平均入滲速率變化特征(降雨強(qiáng)度80 mm/h)Fig.1　　Characteristics of average infiltration rate changing on crop slope in different growth 　stages under the condition of 80 mm/h rainfall intensity

5)作物坡地的入滲與產(chǎn)流產(chǎn)沙。在上述因素的綜合作用下，作物坡地的平均入滲速率隨葉面積指數(shù)的增大而增加，而產(chǎn)流產(chǎn)沙則減少，見圖1、圖2[87-89，112-116]。

3結(jié)論與展望

綜上所述，我國(guó)作物坡地C因子的研究大致可劃分為資料累積、研發(fā)和深化研究3個(gè)階段。經(jīng)幾十年的努力，取得了一定的成就，但從觀測(cè)、研究?jī)?nèi)容的整體性和系統(tǒng)性來(lái)看，該項(xiàng)工作還需強(qiáng)化，仍然是我國(guó)水土保持工作者一項(xiàng)義不容辭的艱巨工作[60]。為此，提出以下建議：

圖2　作物不同生育期作物坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程變化(10°坡面，降雨強(qiáng)度80 mm/h)Fig.2　　Runoff and Sediment yield process changes of different crops in different growth stages under the 　condition of 10°slop and 80 mm/h rainfall intensity

1) 在我國(guó)不同水土流失類型區(qū)，特別是水力侵蝕類型區(qū)強(qiáng)化和建立主要作物坡地的徑流觀測(cè)小區(qū)，對(duì)水土流失影響因子及作物生物學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)；

2) 強(qiáng)化室內(nèi)綜合模擬試驗(yàn)研究，彌補(bǔ)野外試驗(yàn)的缺陷；

3) 對(duì)國(guó)內(nèi)已有的研究、觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，為建立不同水土流失類型區(qū)(二級(jí)區(qū)即可，強(qiáng)烈水土流失類型區(qū)可下延到3級(jí)區(qū))和全國(guó)范圍內(nèi)C因子的計(jì)算模型奠定基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Research progress of soil erosion influence

factorsCin sloping field in China

Wu Faqi1, Lin Qingtao2, Lu Pei2, Wang Yu2

(1.School of Resources and Environments, Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China；

2.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China)

Abstract:In order to promote the perfection and progress of soil erosion prediction work in China, we make a review of the study of C factors and give prospect to it by contrasting with the results of United States on the basis of literature review and experimental study. From the point of research status, the research of C factor in China has obtained huge achievements which can be divided into three stages for data accumulation stage, research stage and further research stage. We still have to strengthen the systematic stationary observation and simulation experiments of C factor and build calculation models suitable for different types of soil and water loss regions.

Keywords:C factor; research status of slope cropland; China; prospect

作者簡(jiǎn)介：第一 吳發(fā)啟(1957—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:wufaqi@263.net

收稿日期：2015-11-09修回日期： 2015-11-20

中圖分類號(hào)：S157

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3007(2015)06-0001-11