皖西皖南土壤可蚀性值及估算方法验证

(安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，水利水资源安徽省重点实验室，安徽 合肥 230088)

土壤是人类赖以生存的基础资源[1]，但受自然和人为活动的影响，土壤退化已成为全球最严重的环境问题之一[2-3]。土壤侵蚀是导致土壤退化的重要成因[2,4]，其侵蚀强度大小除受降雨[5-6]、地形[7]、植被[8]等外部因素影响外，还取决于土壤本身的抗侵蚀能力[9]。土壤可蚀性是表征土壤抗侵蚀能力的主要指标，其值的定量研究依然是土壤侵蚀领域的热点，备受国内外学者关注[10]。当前土壤可蚀性研究主要集中在可蚀性值估算应用及影响因素评价两方面，一是利用估算模型和定义，基于径流小区观测资料与土壤理化数据，对不同类型的土壤可蚀性进行定量评估，并通过与实测值的比较，选择适宜的评估方法[11-12]；二是通过小区试验，量化土地利用类型[13]、植被恢复[14]和耕作方式[15-16]等对土壤可蚀性的影响；这些研究成果在土地资源评价、水土流失预测等方面得到了广泛应用[10]。但实际中因长期定位观测资料覆盖范围有限，土壤类型和土壤特性空间变异大等因素影响，土壤可蚀性值估算难以验证，研究成果不宜跨区域推广[17]。因此，不同区域土壤可蚀性值估算与验证尚需进一步研究。

皖西、皖南分别地处安徽大别山区和江南丘陵山地区，总面积52 683 km2，涉及人口967.5万，内有大别山、黄山等风景名胜，盛产特色茶叶和坚果，是安徽省重要生态功能区和名优特产品生产基地。但因地形地貌和人为活动的影响，该地区水土流失分布范围广，水土流失面积约8 271 km2，土壤资源有限，生态环境脆弱[18]。为更好地保护水土资源，实现生态、农业可持续发展，急需加强对该地区土壤可蚀性的研究。鉴于未见相关研究报到，笔者利用径流小区实测资料和估算模型，分别获取该地区主要土壤可蚀性实测值和估算值，并以此构建土壤可蚀性实测值与估算值的关系方程，为该区域土壤资源评价和水土流失预测提供支撑。

1 研究区概况

皖西、皖南分别位于安徽省的西部(E115°22′7″～ E117°10′18″， N30°15′19″～N31°46′51″)和南部(E116°39′19″～E119°37′19″， N29°25′8″～N30°59′29″)，地貌以丘陵山地为主，沟壑纵横，山势雄伟，坡度陡峻，地形复杂，平均坡度15°～40°，平均海拔500～1 000 m。该地区为暖温带—亚热带气候过渡带，年降水量丰沛，为1 200～2 200 mm，但降雨径流时空分布不均，主汛期降水量占年降水量的40%～60%，径流量占年径流量55%～70%，年均径流深600～1000 mm；年均气温14℃～15℃，≥10℃年积温4 800℃～5 200℃。地带性土壤有黄棕壤、黄红壤、黄壤与红壤，土层较薄，平均厚度不足1 m，因水土流失等原因，粗骨土分布广泛[19]。该区植被属暖温带常绿落叶阔叶混交林带与亚热带常绿阔叶林带，原始植被保存较少，现有植被多为天然次生林，植被覆盖率60%以上，主要以马尾松林、毛竹林为主[20]。

20世纪五六十年代，皖西、皖南原始植被遭到严重破坏，地表土壤流失殆尽；目前天然次生林虽然大范围恢复，但该地区降雨量大、地形复杂以及花岗岩发育的土壤质粗砂松、有机质含量少，土壤抗蚀能力差，加之受人为活动的影响，坡耕地、经济林地和稀疏林地水土流失依然严重[18]。

2 材料与方法

2.1 资料来源

皖西、皖南水土流失区1980年代建有4个水土保持实验站，现均纳入全国水土保持生态环境监测站网。降雨和土壤侵蚀数据来源于2011～2016年试验站的观测，土壤理化性质数据来源于实地取样和室内测试分析。试验站径流小区特征和资料年限情况见表1。

表1 皖西、皖南水土保持试验站径流小区特征Tab.1 Information of soil and water conservation stations in south and west of Anhui, China

2.2 观测与取样方法

试验站的降雨和土壤侵蚀资料按次降雨观测统计，土壤取样采用“S”路线法，每个径流小区取15个样点，深度为0～20 cm，用塑料桶将土壤充分混匀，挑出石块等杂物后，用四分法弃去多余部分，最后保留2 kg，用封口袋装好，贴上标签带回实验室风干，用Mastersize3000激光粒度仪测试土壤粒径组成，用重铬酸钾容量法测试土壤有机质，用沙维诺夫干、湿筛法分别测定土壤团粒含量和水稳性团粒含量。

2.3 实测值计算

根据通用水土流失方程(Universal Soil Loss Equation，简称USLE)的定义，土壤可蚀性值是标准小区单位降雨侵蚀力引起的土壤流失量。USLE方程见式(1)。

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中，A为单位面积上多年的平均土壤流失量，t·hm-2·a-1；R为降雨侵蚀力因子，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；C为覆盖-管理因子，无量纲；P为水土保持措施因子，无量纲[21]。根据USLE定义取值，在标准小区上，L、S、C、P均为1，所以，土壤可蚀性实测值可直接用式(2)计算。

(2)

本文采用的径流小区由于坡度、坡长和覆盖-管理措施与USLE的标准小区不同，因此需要订正，坡度因子订正公式见式(3)[11]，坡长因子订正公式见式(4)[11]。覆盖—管理因子值基于每个小区的管理记录，依据USLE手册确定[22]。土壤可蚀性实测值计算见式(5)。

S=21.9sinθ-0.96

(3)

式中，θ为径流小区的坡度，(°)。

(4)

式中，λ为坡长，m；n为系数，当坡度≥ 5%，n=0.5，当坡度为3.5%～4.5%时，n=0.4，当坡度为1%～3% 时，n=0.3，当坡度小于1%时，n=0.2。

(5)

式中，R值基于次降雨资料利用USLE中降雨侵蚀力计算方法获取[21]。

2.4 估算值计算

土壤可蚀性值估算方法研究较多，具有代表性的有诺谟公式[21]、EPIC模型[23]和Shirazi 等[24]建立的几何平均粒径公式。本文用研究区的实测资料对我国应用最为广泛的诺谟公式(式(6))和EPIC模型(式(7))进行土壤可蚀性估算和验证。

K=[2.1×10-4(N1×N2)1.14(12-Om)+

3.25(H-2)+2.5(T-3)]/100

(6)

式中，N1为极细砂+粉砂含量，%；N2为100-黏粒含量，%；N1和N2的土壤级配参数按照美国制粒径分级体制，黏粒为< 0.002 mm、粉砂为0.002～0.05 mm、极细砂为0.05～0.10 mm、砂粒为0.10～2.00 mm；Om为有机质百分含量，%；H为土壤结构等级系数，用土壤团粒含量来确定[21]；T为土壤渗透等级系数，用土壤质地确定土壤渗透等级具体参数值[21]。

(7)

式中，SAN为砂粒(2～0.05 mm)含量，%；SIL为粉粒(0.05～0.002 mm)含量，%；CLA为黏粒(<0.002 mm)含量，%；Ct为土壤有机碳含量(Ct=0.058 3×土壤有机质含量)，%；SN1=1-SAN/100。

为了便于与同类研究进行比较，获取的可蚀性值采用国际单位，式(6)、(7)估算的值为美国惯用单位，将其乘以0.131 7则可转变为国际制单位[21]。文中数据处理主要采用SPSS 19.0和Excel 2007。

3 结果与讨论

3.1 实测值特征

基于实测数据资料，利用式(3)、(4)、(5)和USLE中降雨侵蚀力、覆盖—管理措施因子值确定方法，获取皖西、皖南4个水土保持试验站主要土壤可蚀性实测值，详见表2。

表2 皖西、皖南主要土壤可蚀性实测值Tab.2 Measured values of soil erodibility for main type soil in south and west of Anhui, China

从表2 可以看出，皖西、皖南不同种类的土壤可蚀性实测值差异较大，变化范围为0.013～0.043 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，红壤可蚀性实测值最大，黄棕壤最小，红壤的可蚀性实测值是黄棕壤的3.3倍。与其它3种土壤相比，红壤可蚀性较大主要是由土壤结构造成的，红壤因铁铝淀积形成网纹层，土壤入渗率低，降雨形成地表径流大，冲刷能力强；地表植被破坏后，土壤遭到剥蚀、搬运，加之红壤水稳性差，所以土壤易遭侵蚀[25]。

皖西、皖南主要土壤可蚀性实测值与已有研究结果具有较好的一致性。皖西、皖南的粗骨土、黄棕壤和黄红壤可蚀性实测值与太湖流域相应土壤种类相比，最大相差不超过0.006 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)[26]；皖南红壤可蚀性实测值与赣北红壤相比，相差不超过0.01 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)[12]。

3.2 估算值特征

基于皖西、皖南水土保持试验站地表裸露径流小区的土壤理化数据，采用式(6)、(7)分别获取EPIC模型估算的土壤可蚀性值(记为KEPIC)和诺谟公式估算的土壤可蚀性值(记为KNM)，见表3。

表3 皖西、皖南主要土壤可蚀性估算值Tab.3 Simulated values of soil erodibility for main type soil in south and west of Anhui, China

从表中可以看出，同一种土壤不同方法估算的土壤可蚀性值差异较大。对EPIC模型和诺谟公式估算值进行方差分析，结果表明在0.05显著水平以下，两组估算值存在显著差异，诺谟公式估算的土壤可蚀性比EPIC模型估算的高42.0%。不同的估算方法对土壤可蚀性估算结果影响较大，在没有实测资料验证情况下，合理选择土壤可蚀性估算方法比较困难，因此，根据区域土壤特点，对土壤可蚀性估算方法进行验证十分必要[27]。

3.3 估算方法验证与修正

为比较研究区土壤可蚀性实测值(记为KSC)与估算值的差异，利用实测值对应估算值绘制1∶1线图，分别获得实测值与EPIC模型估算值1∶1线图和实测值与诺谟公式估算值1∶1线图(见图1)。

从图中可以看出，土壤可蚀性的估算明显高于实测值。利用SPSS软件进行方差分析，在0.05显著水平下，EPIC模型估算值和诺谟公式估算值均与实测值存在显著差异，EPIC模型和诺谟公式估算的土壤可蚀性值比实测值分别高96.1%和178.5%。结果表明EPIC模型和诺谟公式估算的土壤可蚀性偏高，不能直接应用于皖西、皖南的土壤可蚀性计算，该结果与张科利[11]、史学正[27]等研究中国和亚热带土壤可蚀性的结论相一致。

以上分析说明，利用实测资料估算土壤可蚀性的方法是科学获取土壤可蚀性值的重要手段，但因土壤类型和特性空间变异大，在不同区域，土壤可蚀性估算方法表现的适宜性不同[11,27]。例如，在东北黑土区，诺谟公式经修正后可用于获取该地区的土壤可蚀性值[28]；在赣北地区，诺谟公式和EPIC模型经修正后均可用于计算该地区的可蚀性值[12]。在皖西、皖南地区，EPIC模型和诺谟公式估算的土壤可蚀性值远远大于实测值，该两种方法估算的土壤可蚀性值不宜直接应用。因此，皖西、皖南地区的土壤可蚀性评估方法还需进一步的研究，这对实现区域水土流失准确监测和水土保持生态科学建设具有重要的意义。

图1 皖西皖南主要土壤可蚀性实测值与估算值1∶1线图Fig.1 Comparison between estimated values and measured values of soil erodibility

4 结 论

(1) 皖西、皖南不同种类的土壤可蚀性实测值差异较大，其值范围0.013～0.043 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，黄棕壤最小，红壤最大，红壤可蚀性值是黄棕壤的3.3倍，各土壤可蚀性实测值与已有同类土壤研究结果具有较好的一致性。

(2) 同一种土壤不同方法估算的土壤可蚀性值差异较大，在没有实测资料验证情况下，合理选择土壤可蚀性估算方法比较困难。

(3) 与实测值相比，用EPIC模型和诺谟公式估算的土壤可蚀性值偏高，不能直接应用于皖西、皖南的土壤可蚀性计算。