土壤可蝕性

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土壤可蝕性K值是土壤侵蝕模型（如USLE和RUSLE）的必要參數，直接套用經驗模型估算土壤可蝕性K值會給土壤侵蝕預報帶來不可估計的誤差。本文以我國亞熱帶7種典型土壤可蝕性K值的觀測值為依據，選用平均絕對誤差（MAE）、平均相對誤差（MRE）、均方根誤差（RMSE）和精度因子（Af）四種數學統計項為指標，評價了諾謨圖模型、修正諾謨圖模型、EPIC模型、幾何平均粒徑模型和Torri模型等5種土壤可蝕性K值預測模型的不確定性。結果表明，5種模型的不確定性從小到大的順序為：Torri模型〈修正諾謨圖模型和諾謨圖模型〈EPIC模型〈幾何平均粒徑模型；Torri模型的MRE為0．291，不確定性依然很大。但經最佳化的Torri模型，可將土壤可蝕性K值預測的不確定性降至最低，其K的預測值與觀測值的線性回歸係數b=1．028（R^2=0．921，p〈0．01），MRE僅為0．120，可用於預測我國亞熱帶地區某些土壤可蝕性K值。

簡介

土壤侵蝕是由水力和風力作用引起的土壤顆粒的分離與搬運過程

<1>。它對農業生產、生態環境都 會產生巨大的負面影響。在土壤侵蝕過程中,土壤性質對土壤侵蝕的發生與強度都有重要的影響。 不同類型的土壤在不同的氣候條件、經營方式下,對侵蝕的影響作用也是不同的

<2>。土壤可蝕 性是土壤性質中的一個重要方面,它是評價土壤是否易受侵蝕營力破壞的性能,也是土壤對侵蝕營 力分離和搬運作用的敏感性

<3>。它是土壤侵蝕研究中的一個重要方面。本文結合水蝕、風蝕過 程中土壤可蝕性的概念、 機理,測定與計算方法,對土壤的可蝕性進行了論述,並對水蝕、風蝕過 程中土壤可蝕性研究存在的不足和研究動向進行了探討。1土壤可蝕性的相關概念20世紀以來, 研究者們在對土壤侵蝕進行的大量研究中逐漸認識到:土壤對侵蝕營力固有的抵抗能力,或土壤可 蝕性在土壤侵蝕過程中的重要性。1930年,Middeton在對水蝕的研究中最先提出土壤可蝕性(Soilerodibility)的概念,並提出了評估土壤可蝕性的兩個重要指標

<4>。隨後,土壤可蝕性的概念被引入風蝕的研究中。1942年,Chepil提出了土壤風蝕度(Soil erodibility by wind)的概念,用來反映土壤遭受風蝕的脆弱性程度

<5>。我國從20世紀50年代開始研究 土壤可蝕性,但多採用土壤抗侵蝕性這一概念。1956年,朱顯謨院士將土壤抗侵蝕性分為抗沖 性和抗蝕性

<6>。抗沖性主要指土壤抵抗水、風等侵蝕營力對土壤的機械破壞作用,而抗蝕性主 要是指土壤抵抗水對土粒的分散和懸浮作用。土壤可蝕性和抗侵蝕性從本質上講,並沒有什麼差別 ,只是一個問題的兩個方面:前者是指土壤對侵蝕作用的敏感性,後者是指土壤對侵蝕作用的抵抗 能力,因此二者都反映了土壤特性與土壤侵蝕的關係

<7>。2土壤可蝕性的測定方法在土壤可蝕 性的試驗定量研究中,主要有5種方法用來測定土壤的可蝕性。其中,測定土壤的理化性質被用於 水蝕與風蝕的研究中;水沖試驗、模擬降雨和小區試驗被用於水蝕的研究中;風洞試驗被用於風蝕 研究中。2.1測定土壤的理化性質20世紀30年代以來,許多研究者,(Middleton <4>,Baver

<8>,Bouyoucos<3>),開始通過分析土壤的浸濕熱、分散率 、侵蝕率、團聚體含量、顆粒組成等方面的理化性質來評價土壤可蝕性,並提出了一系列土壤可蝕 性指標(表1)。表1一些研究者利用這種方法對不同地區、不同類型土壤的可蝕性進行了測定。 1930年,Middleton根據不同地點野外觀察到的不同侵蝕階段的土壤做了兩組對比試 驗,提出以分散率與侵蝕率作為評估土壤可蝕性的指標<4>。Woodburn於1956年使 用團聚體穩定性和分散率作為密西西比河溝谷土壤的可蝕性指標

<9>。在國內,朱顯謨研究了中 國黃土區的土壤可蝕性,將靜水中土體崩解狀況作為黃土可蝕性的指標

<10>。趙曉光等人利用 攜帶型直剪儀研究了水蝕作用下黃土的抗蝕性。提出:考慮到容重的影響,把抗剪強度作為土壤抗 蝕力指標較為合理

<11>。田積瑩等人利用分散率、侵蝕率等指標對甘肅東部子午嶺地區土壤可 蝕性進行了研究

<12>。楊玉盛研究了不同土地利用方式下紫色土壤的可蝕性,指出侵蝕率、分 散率、結構體破壞率等指數能較好地表征紫色土壤的可蝕性

<13>。測定土壤理化性質的方法在 水蝕、風蝕研究中被廣泛套用。通過這種方法可以測定土壤理化性質與土壤侵蝕之間的關係;但是 這種方法沒有建立土壤可蝕性與土壤侵蝕的定量關係。因此,這種方法還不能用於侵蝕預報。2. 2水沖、模擬降雨、小區試驗20世紀40年代,一些研究者開始直接用水沖刷土壤來確定土壤的可蝕性。1938年,Voznesenskil定義E=dh/a為土壤可蝕性指數。其中d是分散率,h是土壤親水性,a是在流速為100cm/min的水流作用1小時條件下,仍保持不分散的≥0.25 mm的團聚體含量

<14>。1946年,Gussak用沖走100 g土壤所需水量作為土壤可蝕性的指標。然而,Gussak在用這種方法測定兩種不同土壤的抗沖 性時發現:用不同的流量沖刷土壤,會出現可蝕性大小排序相反的試驗結果。因此,這種方法不能 真實地反映土壤性質對侵蝕的影響作用

<15>。從20世紀60年代開始,模擬降雨和小區試驗 被用於土壤可蝕性的測定中。1963年,Olson測定了8個休耕地小區和20個作物小區的 土壤可蝕性,提出了具有實用性的土壤可蝕性指標,即標準小區上單位降雨侵蝕力所引起的土壤流 失量。這一指標具有明確的物理意義和方便的測定方法

<16>。1969年,Wischmei er用人工降雨法測定了55種土壤的可蝕性指數,選定13個土壤特徵指標與土壤可蝕性進行回 歸分析,得出了計算土壤可蝕性因子的方程

<17>。此後,Farres通過標準小區試驗,提 出使用水穩性團聚體的風乾率作為土壤可蝕性指標

<18>。刑延炎等人用模擬降雨法和田間實測 法對比研究了我國亞熱帶七種有代表性土壤的可蝕性

<19>。於東升等人套用模擬降雨儀和Guelph儀對我國南方紅壤區旱地土壤的滲透性和可蝕性之間的定量關係進行了研究,發現:0～5cm表層土壤飽和滲透率與土壤可蝕性之間呈負相關關係

<20>。張科利等人在對黃土高原的土壤 可蝕性研究的基礎上,定義了我國進行土壤可蝕性研究的標準小區

<21>。模擬降雨和小區試驗 結果不必再等候適當的雨型,從而大大加快了研究進程

<22>。它們已經成為測定和計算土壤可 蝕性指數的重要工具。2.3風洞試驗20世紀40年代,風洞試驗被用於風蝕研究中。Chep il通過風洞試驗和測定土壤的理化性質在土壤可蝕性的研究方面做了大量的工作。1942年, Chepil研究了土壤水穩定性和乾土塊結構與土壤風蝕度之間的關係,認為土壤顆粒結合成團 粒結構的狀態和水穩定性決定了土壤的可蝕性

<23>。1950-1955年,為了修正土壤團 聚體和風蝕度之間關係的基本解釋,檢查在一系列新的土壤中這種關係的合理性和各種不同土壤組 分的容重對風蝕度的影響,弄清影響乾團聚體結構的次要因素及這些次要因素之間的相互關係,C hepil做了影響風蝕的土壤特性的一系列實驗,包括乾團聚體結構、容重、水穩性結構、碳酸 鈣、有機質等

<24-31>。1982年,Skidmore等人把顆粒組成與風蝕度聯繫起來,按粒度結構將其分為兩大類:一類是粒徑>0.84mm的不易蝕土粒,稱為非可蝕性顆粒(NEP);另一類是粒徑≤0.84 mm的可蝕性顆粒(EP)。其中,粒徑0.05～0.50 mm的土粒為最易蝕性顆粒(MEP)

<32>。1998年,劉連友等人對半乾旱區3種典型土壤 進行風洞模擬測定,並通過粒度分析,指出:土壤可蝕性不僅取決於土壤的內在性狀,而且與不同 風速的外在風蝕效應密切相關

<33>。董治寶等人通過風洞實驗研究了風成沙粒度特徵對其風蝕 可蝕性的影響,發現風成沙的風蝕度隨粒度的變化服從分段函式。在相當粒徑的條件下,混合沙粒較均勻粒徑者易風蝕

<34>。表1土壤可蝕性指標Tab.1Soil erodibility indices提出者年代可蝕性指數方法類型Middletton<4>1930分散率,侵蝕 率1水蝕Baver<8>1933分散-滲透性指數1水蝕Bouyoucos<3>1935 粘粒率=(沙+粘粒)/粘粒1水蝕Peel

<35>1937滲透性,懸浮率,分散率1水蝕朱 顯謨

<36>1954土壤膨脹係數,分散速度1水蝕Woodburn<9>1956團聚體穩 定性,分散率1水蝕朱顯謨<10>1960靜水中土體崩解情況1水蝕田積瑩<12>1964 分散率,侵蝕率,團聚度等1水蝕Ekwue

<37>1992土壤滲透性1水蝕楊玉盛<13> 1992侵蝕率,分散率等1水蝕趙曉光<11>2003抗剪強度1水蝕Voznesenskil<14>1938E=dh/a 2水蝕Gussak<15>1946沖走100g土壤所需水量2水蝕elision

<38>1 947土壤可分離性,可搬運性2水蝕朱顯謨<10>1960水沖穴的深度2水蝕唐克麗

<39>1964土壤粘土礦物構成,微結構2水蝕Subhash

<40>1978侵蝕係數:K2水蝕Bajracharya

<41>1992團聚體穩定性,抗沖強度2水蝕蔣定生<42>1 995可沖刷性係數2水蝕Amezketa

<43>1996土壤結剪構,切團強聚度體等穩定 性,2水蝕陳洪松

<44>2000鈉液吸中附離比,子土濃壤度溶2水蝕Olson<16>1 963標準所小引區起上的單土位壤降流雨失侵量蝕力3水蝕Farres<18>1985水穩 性團聚體的風乾率3水蝕周佩華

<45>1993單的位土徑流壤流深所失量對應3水蝕Chep il<23>1942水穩定性,乾土塊結構1,4風蝕Chepil<24,25>1950乾 團聚體結構,塊狀結構1,4風蝕Chepil<26~28>1951土壤容重,結構體機械穩 定性1,4風蝕Chepil<29>1952土壤結構1,4風蝕Chepil<30>195 4碳酸鈣,分解的有機質1,4風蝕Chepil<31>1955沙,粉粒和粘粒的比例1,4 風蝕Skidmore<32>1982顆粒組成1,4風蝕注:1-測定土壤的理化性質2-水 沖試驗3-小區試驗4-風洞試驗3土壤可蝕性的計算從20世紀50年代以來,土壤侵蝕模型在 試驗定量研究的基礎上被引入土壤可蝕性的研究中。它是用數學方法定量描述各個因子對土壤侵蝕 的影響以及侵蝕過程,最終預報土壤流失量。通過建立侵蝕量與主導獨立因子之間的關係式或諾謨圖,採用逐步圖解法或積分法計算侵蝕量。3.1USLE,RUSLE與諾謨圖“通用土壤流失方程”(USLE)是套用最為廣泛的水蝕預報模型 。1958年,USLE最先被美國水土保持局用於不同耕作制度與土地利用方式下土壤流失量的長期評估。