劉斌濤，宋春風(fēng)，史 展，陶和平

(1.中國(guó)科學(xué)院/水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

西南土石山區(qū)土壤流失方程坡度因子修正算法研究

劉斌濤1，宋春風(fēng)1，史 展2，陶和平1

(1.中國(guó)科學(xué)院/水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400715)

土壤流失方程；坡度因子；修正算法；西南土石山區(qū)

坡度因子(S)是土壤流失方程(USLE)中最重要的因子之一。本研究收集、整理、分析了西南土石山區(qū)典型區(qū)域的徑流小區(qū)資料，修正了西南土石山區(qū)土壤流失方程的S因子算法。新算法將坡度分為≤5°、5°～10°、10°～25°和>25°四個(gè)范圍，建立了分段的S因子計(jì)算公式。結(jié)果表明：增加10°～25°和>25°兩級(jí)，較好地解決了西南土石山區(qū)陡坡地S因子的計(jì)算問(wèn)題，計(jì)算精度較USLE、RUSLE、劉寶元算法、楊子生算法有明顯提高。該算法可應(yīng)用于西南土石山區(qū)土壤流失預(yù)報(bào)工作，提高了土壤侵蝕評(píng)價(jià)精度。

地形是影響土壤侵蝕的重要因素，尤其坡度是決定土壤侵蝕強(qiáng)度的關(guān)鍵因子之一。在通用土壤流失方程(USLE/RUSLE)中，坡度對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的影響用坡度因子(S)表示，即在其他條件相同的情況下，某一坡度坡面的土壤流失量與坡度為9%或5°(標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)坡度)坡面土壤流失量的比值[1-2]。鑒于坡度因子的重要作用，對(duì)其修正、完善和中國(guó)化一直是我國(guó)水土保持與土壤侵蝕領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。1957年，Smith和Wischmeier[3]發(fā)現(xiàn)土壤流失量與坡度呈冪函數(shù)關(guān)系，建立了坡度因子計(jì)算公式。此后，Wischmeier等[4]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)改用坡度的正弦值(sinθ)會(huì)提高模型在陡坡情況下的預(yù)報(bào)精度，修改后的坡度因子公式為S=65.4sinθ+4.56sinθ+0.065 4，并應(yīng)用于1978年版的USLE模型中[4]。Mccool等[5]進(jìn)一步對(duì)坡度因子計(jì)算公式進(jìn)行修正，采用分段函數(shù)計(jì)算S因子，并將其修正公式應(yīng)用于RUSLE模型中[6]。我國(guó)學(xué)者劉寶元等[7]利用綏德、安塞和天水的觀測(cè)資料，修正了RUSLE模型中10°以上坡地的坡度因子計(jì)算公式

(1)

該公式提高了10°以上坡地的土壤流失預(yù)報(bào)精度，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用[8-9]。此外，我國(guó)多位學(xué)者還提出了眾多適應(yīng)特定地區(qū)的坡度因子計(jì)算公式[2,10-17]。

我國(guó)西南土石山區(qū)山高坡陡、地形復(fù)雜。以四川省為例，25°以上坡地面積占土地總面積的41.0%，汶川縣更是高達(dá)83.3%。前人提出的地形因子算法基本是依靠15°以下徑流小區(qū)觀測(cè)資料建立的，而這些算法并不適用于西南土石山區(qū)，因此急需提出新的修正算法，以解決該區(qū)域陡坡地土壤流失預(yù)報(bào)問(wèn)題。

1 資料來(lái)源

要建立一個(gè)能在西南土石山區(qū)廣泛使用的坡度因子計(jì)算公式，需要大量的在我國(guó)西南地區(qū)多種自然地理?xiàng)l件下的觀測(cè)數(shù)據(jù)。近年來(lái)，隨著土壤侵蝕研究的不斷深入，我國(guó)學(xué)者發(fā)表了大量的關(guān)于西南土石山區(qū)坡度對(duì)土壤侵蝕影響的研究成果。本研究共檢索到該類(lèi)文獻(xiàn)323篇，從其中篩選出觀測(cè)資料詳細(xì)可靠的文獻(xiàn)9篇[3，18-25]，同時(shí)收集了《中國(guó)水土保持公報(bào)》(2004—2012年)、《湖南省水土保持公報(bào)》(2007年)、《重慶市水土保持公報(bào)》(2011年)、《湖北省水土保持公報(bào)》(2005年)、《武漢市水土保持公報(bào)》(2009—2012年)和四川省遂寧市水土保持試驗(yàn)站的觀測(cè)資料。對(duì)上述文獻(xiàn)和資料進(jìn)行系統(tǒng)整理分析，建立了西南土石山區(qū)坡度因子實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)集。這些樣本數(shù)據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)包括昭通、漾濞、遂寧、畢節(jié)、簡(jiǎn)陽(yáng)、昆明、南部、咸寧、羅甸、涪陵、萬(wàn)州、衡東、攸縣、城固等14個(gè)地區(qū)，坡度范圍3°～45°，完全覆蓋了西南土石山區(qū)各種有代表性的土壤侵蝕環(huán)境。

2 研究方法

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明，坡度正弦值(sinθ)與坡度因子(S)相關(guān)性較高，因此眾多適用性較好的坡度因子(S)算法都采用坡度正弦值(sinθ)作為變量[1, 6-7]。為合理計(jì)算西南土石山區(qū)陡坡情況下的坡度因子值，本研究進(jìn)一步將劉寶元算法[式(1)]劃分的坡度范圍細(xì)化為≤5°、5～10°、10°～25°和>25°四級(jí)。采用統(tǒng)計(jì)分析方法擬合出每一級(jí)的坡度因子(S)計(jì)算公式。

3 研究結(jié)果

3.1 坡度因子修正算法

研究表明，在坡度<10°的情況下，RUSLE模型的坡度因子算法在我國(guó)大部分區(qū)域適用[1]。劉寶元等[7]利用黃土高原綏德、安塞和天水試驗(yàn)站的觀測(cè)資料，修正了10°以上陡坡的坡度因子計(jì)算方法。我國(guó)西南土石山區(qū)不同于黃土高原地區(qū)，25°以上坡地廣泛存在，有些坡耕地坡度甚至達(dá)到45°[2-3,18]。因此，應(yīng)根據(jù)該區(qū)域的地形地貌特點(diǎn)，提出10°～25°和25°以上范圍的坡度因子修正公式。

利用整理出的樣本數(shù)據(jù)集，筆者擬合出了西南土石山區(qū)的坡度因子修正公式，10°～25°、25°以上坡度范圍的S因子擬合結(jié)果見(jiàn)圖1。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在10°～25°坡度范圍內(nèi)，坡度因子S與坡度θ滿(mǎn)足S=20.204 sinθ-1.240 4；在坡度>25°坡度范圍內(nèi)，坡度因子S與坡度θ滿(mǎn)足S= 29.585sinθ-5.607 9。擬合的兩個(gè)方程都達(dá)到0.001的置信水平。

圖1 坡度因子擬合結(jié)果

根據(jù)圖1給出的10°～25°和>25°坡度范圍的坡度因子修正公式，10°以下仍使用RUSLE模型提供的坡度因子計(jì)算公式，于是本研究給出了適用西南土石山區(qū)的坡度因子計(jì)算公式為

3.2 精度驗(yàn)證

(1)不同坡度因子算法比較。圖2是USLE、RUSLE、劉寶元算法、楊子生算法和本研究算法對(duì)西南土石山區(qū)坡度因子實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)集計(jì)算檢驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。從圖2可以看出，各種常用模型中USLE模型會(huì)明顯夸大陡坡下的坡度因子值，誤差較大；而RUSLE模型在25°以上計(jì)算的坡度因子值明顯偏??；劉寶元算法和楊子生算法雖然計(jì)算精度比USLE模型和RUSLE模型有較大提高，但在陡坡情況下計(jì)算的坡度因子值還是偏大。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)(表1)，本研究算法在10°～25°范圍內(nèi)比USLE、RUSLE、劉寶元算法和楊子生算法的計(jì)算誤差分別減小45.33、2.51、11.15和2.91百分點(diǎn)；在>25°范圍內(nèi)，計(jì)算誤差分別減小96.88、6.26、2.01和6.17百分點(diǎn)。

圖2 不同坡度因子算法比較

表1 不同坡度因子算法相對(duì)誤差 %

(2)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證。張魯在云南省漾濞縣的研究中，設(shè)計(jì)了坡度25°、30°、35°、40°的徑流小區(qū)[18]，這些坡度比較能代表西南土石山區(qū)陡坡情況的坡度范圍。利用其觀測(cè)的數(shù)據(jù)，分別使用USLE、RUSLE、劉寶元算法、楊子生算法和本研究算法計(jì)算了上述4種坡度的S因子值。結(jié)果表明，USLE、RUSLE、劉寶元算法、楊子生算法和本文算法的計(jì)算誤差分別為90.32%、47.07%、12.54%、10.22和9.22%，相對(duì)來(lái)說(shuō)本研究算法精度是最高的，比國(guó)內(nèi)常用的劉寶元算法精度提高了3.32百分點(diǎn)。

4 結(jié)論與討論

本研究收集、整理了西南土石山區(qū)14個(gè)地區(qū)、坡度范圍從3°～45°的徑流小區(qū)資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析修正了西南土石山區(qū)S因子計(jì)算算法。新算法分為≤5°、5～10°、10°～25°和>25°四個(gè)坡度范圍，與現(xiàn)有計(jì)算方法相比，計(jì)算精度有較大提高。本研究新修改、增加了10°～25°和>25°兩個(gè)坡度范圍，較好地解決了西南土石山區(qū)地形陡峭導(dǎo)致傳統(tǒng)USLE、RUSLE算法無(wú)法計(jì)算陡坡地區(qū)S因子值的問(wèn)題。

目前很多研究文獻(xiàn)直接使用USLE、RUSLE等算法計(jì)算地形因子(LS)，我國(guó)的地形地貌條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)與美國(guó)的相差很大，尤其是我國(guó)的西南山區(qū)，因此在進(jìn)行土壤侵蝕評(píng)價(jià)過(guò)程中，對(duì)LS因子進(jìn)行修正十分必要。筆者在第一次全國(guó)水利普查水土保持情況普查工作基礎(chǔ)上，倡導(dǎo)實(shí)施了西南土石山區(qū)土壤侵蝕制圖計(jì)劃、中國(guó)30 m分辨率土壤侵蝕制圖計(jì)劃，嘗試對(duì)西南土石山區(qū)的S因子進(jìn)行了修正，下一步研究還需要考慮L因子，以及對(duì)LS因子修正結(jié)果進(jìn)行更多驗(yàn)證。

[1] 劉寶元,畢小剛,付素華.北京土壤流失方程[M].北京:科學(xué)出版社,2010:52-53.

[2] 楊子生.滇東北山區(qū)坡耕地土壤侵蝕的地形因子[J].山地學(xué)報(bào),1999,17(增刊1):17-19.

[3] Smith D D,Wischmeier W H.Factors affecting sheet and rill erosion[J]. Transactions American Geophysical Union，1957,38(6):889-896.

[4] Wischmeier W H,Smith D D.Predicting rainfall erosion losses:a guide to conservation planning[R].Washington D C:United States Department of Agriculture,1978:14-15.

[5] Mccool D K,Brown L C,Foster G R,et al.Revised slope steepness factor for the Universal Soil Loss Equation[J].Transactions of the ASAE,1987,30(5):1387-1396.

[6] George R F,Daniel C Y,Glenn A W,et al.Revised universal soil loss equation user’s guide[R].Washington D C:United States Department of Agriculture,2003:35-36.

[7] Liu B Y,Nearing M A,Risse L M.Slop gradient effects on soil loss for steep slopes[J].Transactions of the ASAE,1994,37(6):1835-1840.

[8] 高海東,李占斌,李鵬,等.梯田建設(shè)和淤地壩淤積對(duì)土壤侵蝕影響的定量分析[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(5):599-608.

[9] SL 295—2012,水土保持遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[10] 牟金澤,孟慶枚.降雨侵蝕土壤流失預(yù)報(bào)方程的初步研究[J].中國(guó)水土保持,1983(6):23-27.

[11] 江忠善,鄭粉莉.坡面水蝕預(yù)報(bào)模型研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18(1):66-69.

[12] 江忠善,鄭粉莉,武敏.中國(guó)坡面水蝕預(yù)報(bào)模型研究[J].泥沙研究,2005(4):1-6.

[13] 張憲奎,許靖華,盧秀琴,等.黑龍江省土壤流失方程的研究[J].水土保持通報(bào),1992,12(4):1-9.

[14] 黃炎和,盧程隆,付勤,等.閩東南土壤流失預(yù)報(bào)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1993,7(4):13-18.

[15] 林素蘭,黃毅,聶振剛,等.遼北低山丘陵區(qū)坡耕地土壤流失方程的建立[J].土壤通報(bào),1997,28(6): 251-253.

[16] 周伏建,黃炎和.福建省土壤流失預(yù)防研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1995,9(1):25-30.

[17] 陳正發(fā),郭宏忠,史東梅,等.地形因子對(duì)紫色土坡耕地土壤侵蝕作用的試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(5): 83-87.

[18] 張魯.縱向嶺谷區(qū)坡度因子對(duì)坡面土壤侵蝕影響的研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2008:59-61.

[19] 楊建霞,雷孝章,邱景,等.5°～25°坡耕地徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2008,6(增刊1):30-34.

[20] 穆恩深.喀斯特區(qū)石橋小流域不同條件的坡面徑流的產(chǎn)流特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(2):939-941.

[21] 楊占彪,朱波,林立金,等.川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕特征[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,28(4):480-485.

[22] 李洪勛,吳伯志.用徑流小區(qū)法研究不同耕作措施對(duì)土壤侵蝕的影響[J].土壤,2006,38(1):81-85.

[23] 耿曉東.主要水蝕區(qū)坡面土壤侵蝕過(guò)程與機(jī)理對(duì)比研究[D].楊凌:中國(guó)科學(xué)院研究生院(教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心),2010:53-54.

[24] 耿曉東,鄭粉莉,劉力.降雨強(qiáng)度和坡度雙因子對(duì)紫色土坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].泥沙研究,2010(6):48-53.

[25] 朱青.坡耕地退化機(jī)理及侵蝕退化防治措施研究[D].杭州:浙江大學(xué),2008:68-69.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB452706)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41201457)

S157

A

1000-0941(2015)08-0049-03

劉斌濤(1984—)，男，山東德州市人，助理研究員，碩士，主要從事冰緣地貌過(guò)程與生態(tài)過(guò)程、土壤侵蝕、山地垂直帶譜等領(lǐng)域的研究工作。

2015-03-01