嚴爾梅 歐陽力 焉 嵐

（1黑龍江省水土保持科學(xué)研究院 2丹東市三灣水利樞紐及輸水工程建設(shè)管理局）

1 研究目的意義

素有土中珍品之稱的“黑土”，是一種具有深厚腐殖質(zhì)層的土壤，因其具有良好的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性，肥力高，非常適合農(nóng)作物和其他植物生長。東北黑土區(qū)，是指東北三省及內(nèi)蒙古自治區(qū)有黑色表土層分布的區(qū)域，主要土類包括黑土、黑鈣土、草甸土、白漿土、暗棕壤和棕壤。經(jīng)過多年的大規(guī)模開墾，東北黑土區(qū)現(xiàn)已成為我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，享有“中國糧倉”之美譽，對于保障糧食安全，具有重要的戰(zhàn)略地位。然而，長期以來該區(qū)域采用以犧牲生態(tài)環(huán)境為代價的“重用輕養(yǎng)”掠奪式開墾方式，再加上水土流失影響與破壞，導(dǎo)致黑土資源持續(xù)減少，層次變薄，土地退化。特別是近50年來的高強度連作，加速了土壤有機質(zhì)的礦化，致使黑土資源損失速度加快。據(jù)調(diào)查，在坡度較大或耕作較久的地方，黑土厚度已由20世紀50年代的平均60-70 cm下降到20-30 cm，部分區(qū)域已露出成土母質(zhì)，使土地喪失了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。造成這種惡果的主要原因是日益嚴重的土壤侵蝕，因此東北黑土區(qū)被列為急需治理的三大侵蝕區(qū)之一。

植被是防治土壤侵蝕、控制水土流失最有效、最可持續(xù)的措施，植被覆蓋因子C是通用土壤流失方程（USLE）中表述植被控制土壤侵蝕效益的指標(biāo)。東北黑土區(qū)的地形，主要為山前波狀起伏臺地或漫崗地，坡度一般為1-5°，主要植被為農(nóng)作物，因此，植被覆蓋因子C可以視作農(nóng)作物覆蓋因子C。如果能夠?qū)r(nóng)作物覆蓋因子C進行科學(xué)的定量評價，建立適合東北黑土區(qū)的土壤侵蝕預(yù)報模型，就可以充分認識農(nóng)作物防治土壤侵蝕的效益與機理，從而為定量研究和正確預(yù)測黑土區(qū)的土壤侵蝕規(guī)律提供理論依據(jù)。

2 已有土壤侵蝕模型研究成果評價

土壤侵蝕模型是土壤侵蝕量預(yù)測預(yù)報、水土資源管理、水土保持效益定量評價的有效工具，最為著名的土壤侵蝕模型有通用土壤流失方程（USLE）和修正后的通用土壤流失方程（RUSLE）。USLE形式簡單，考慮因素全面，是應(yīng)用最廣泛的侵蝕模型。國內(nèi)學(xué)者以USLE和RUSLE為基礎(chǔ)，利用徑流小區(qū)觀測資料，根據(jù)各自研究區(qū)域的實際情況，先后提出了不同的坡面侵蝕預(yù)報模型。其中，最為典型的是劉寶元研究確立的中國土壤流失模型CSLE和江忠善提出的坡面水蝕預(yù)報模型。劉寶元的CSLE模型，適用于全國范圍的坡面侵蝕預(yù)報，形式簡單，其最大優(yōu)點是根據(jù)我國水土保持措施的實際，將USLE中的覆蓋與管理兩大因子，修正為水土保持3大措施因子，即植物措施因子（植被覆蓋因子）、工程措施因子和水土保持耕作措施因子。江忠善的坡面水蝕預(yù)報模型，是在通用土壤流失方程中增加了淺溝侵蝕因子后建立的，模型結(jié)構(gòu)符合黃土丘陵區(qū)的地貌特點，考慮了陡坡地的淺溝侵蝕，使預(yù)報精度大大提高。這些模型均結(jié)構(gòu)簡單，考慮因素較為全面，但模型的估算精度，主要取決于植被覆蓋因子C和土壤可蝕性因子K，只能估算土壤侵蝕量，但沒有侵蝕部位信息，因此無法指導(dǎo)坡面的水土保持措施配置。造成這種現(xiàn)象的根源，在于各因子的測算方法缺乏統(tǒng)一標(biāo)準，使得不同地區(qū)的因子值沒有可比性。為此，李占斌等指出，對坡面土壤侵蝕模型參數(shù)的定量表述及其標(biāo)準化，是土壤侵蝕研究的重點。由此可見，坡面土壤侵蝕模型中各參數(shù)的定量化研究，是提高模型精度和適應(yīng)性的關(guān)鍵，也是當(dāng)前土壤侵蝕研究中亟待解決的重要問題。

農(nóng)作物覆蓋因子C，作為通用土壤流失方程USLE中控制土壤流失強度的一個重要影響因子，其值具有多變性。如美國玉米地的C因子，取值就有120余種，而且變化幅度大（其值雖在0-1范圍內(nèi)，但在USLE諸因子中變化幅度是最大的，可相差2-3個數(shù)量級）。因此，關(guān)于C因子的研究成為應(yīng)用USLE的焦點。

如果能夠準確計算農(nóng)作物覆蓋因子C，就能建立更為準確的土壤流失預(yù)報方程，直接計算黑土地的土壤流失量；就能以地理信息系統(tǒng)為平臺，開展大尺度的土壤侵蝕預(yù)測預(yù)報；就能開展不同農(nóng)作物防治土壤侵蝕效益的科學(xué)評價；就能為東北黑土區(qū)優(yōu)良水土保持農(nóng)作物的選擇和田間管理提供依據(jù)。

開展農(nóng)作物覆蓋因子C的定量研究，是正確應(yīng)用通用土壤流失方程的前提和關(guān)鍵。其研究，不但可為通用土壤流失方程的應(yīng)用提供可靠參數(shù)，還可以為正確評價農(nóng)作物的水土保持效益以及科學(xué)栽培管理提供依據(jù)。

3 農(nóng)作物C因子的主要研究內(nèi)容

3.1 C因子與農(nóng)作物生長過程的關(guān)系

農(nóng)作物的水土保持作用，與其種類、密度、蓋度、高度、生物量等指標(biāo)密切相關(guān)。在農(nóng)作物生長過程中，這些指標(biāo)大都處在不斷變化中，其水土保持作用也在不斷變化。因此，首先必須建立農(nóng)作物的生長模型，以準確描述農(nóng)作物生長過程中的蓋度、高度、生物量等指標(biāo)的動態(tài)變化，從而為農(nóng)作物覆蓋與管理因子C的計算奠定基礎(chǔ)。東北黑土區(qū)的主要農(nóng)作物為玉米、大豆和小麥，從播種出苗到收割，要定時間調(diào)查其地面蓋度、生長高度、地上生物量、地下根系量等，為建立東北黑土區(qū)主要農(nóng)作物的生長模型提供參數(shù)。同時，利用人工降雨試驗，研究不同農(nóng)作物在不同生長季節(jié)的土壤侵蝕量，并與休閑地的同期土壤侵蝕量進行對比，以此分析東北黑土區(qū)主要農(nóng)作物的C因子與生長過程的關(guān)系。

3.2 C因子與農(nóng)作物密度、覆蓋度的關(guān)系

農(nóng)作物的密度是指單位面積上農(nóng)作物的株數(shù)，密度越大，對地表徑流的阻礙作用也就越大，徑流造成的土壤侵蝕量就越小。所以，密度是研究C因子時必須重點考慮的要素之一，也是農(nóng)作物田間管理的主要指標(biāo)。覆蓋度是指農(nóng)作物枝葉的投影面積與所占地面面積之比，與種植密度密切相關(guān)。覆蓋度越大，植物對地表的保護性就越好，雨滴直接打擊地表的機會就越少，土壤侵蝕量相應(yīng)就越小。如果能夠建立農(nóng)作物密度與覆蓋度關(guān)系模型，就可以根據(jù)不同生長發(fā)育階段的覆蓋度，計算其此階段農(nóng)作物的C因子值。這項研究內(nèi)容，也可通過人工降雨對比試驗給予解決。

3.3 C因子與地上生物量和地下生物量的關(guān)系

生物量是反映農(nóng)作物經(jīng)濟產(chǎn)量的重要指標(biāo)，包括地上生物量和地下生物量。一般而言，同種農(nóng)作物的生物量越大，地表覆蓋度就越大，地下生物量（根量）就越多，土壤侵蝕量就越少。因此，生物量是決定C因子的關(guān)鍵值，尤其是C因子與0-10 cm土層的根系量。在農(nóng)作物的不同生長發(fā)育階段，其生物量是不同的，如果能夠建立農(nóng)作物的生物量模型，就可以解決這個問題。

3.4 C因子計算模型的建立

在上述三個子模型的基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)分析方法，深入研究C因子與農(nóng)作物類型、密度、覆蓋度、地上生物量、地下生物量等要素間的關(guān)系，探尋影響C因子的關(guān)鍵因素，就可初步建立C因子計算模型。

3.5 C因子計算模型的應(yīng)用

利用現(xiàn)代遙感等大尺度地面監(jiān)測手段，結(jié)合人工調(diào)查，即可獲取農(nóng)作物地面覆蓋等實時數(shù)據(jù)，借助地理信息系統(tǒng)平臺，將關(guān)鍵因子數(shù)據(jù)代入C因子計算模型，就可以預(yù)測預(yù)報監(jiān)測區(qū)域的土壤侵蝕量，從而為東北黑土區(qū)土壤流失的大尺度監(jiān)測與管理提供有效工具。

4 試驗研究方案設(shè)計

4.1 試驗地選擇

在黑龍江不同土壤類型區(qū)域，選擇不同坡度（1°、3°、5°、7°）的農(nóng)地和水土保持林地作為試驗地。

4.2 作物生長過程調(diào)查

在所選擇的試驗地上，從農(nóng)作物出苗后開始，觀測其物候期，并調(diào)查不同物候期的密度、覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層根系量等，利用調(diào)查數(shù)據(jù)建立農(nóng)作物生長模型、密度與覆蓋度關(guān)系模型、生物量模型。

4.3 實驗裝置率定

實驗的主要裝置為人工模擬降雨器，降雨面積100 m2，降雨強度5-200 mm/h，降雨均勻度系數(shù)大于85%。試驗前對人工降雨器進行率定，率定的主要內(nèi)容包括降雨量、降雨強度、雨滴分布和降雨均勻度。

4.4 野外實驗設(shè)計

研究要素設(shè)定為5個，分別是農(nóng)作物類型、密度、覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層的根系量，各要素分別設(shè)置10個水平。為了減少野外試驗次數(shù)，擬采用正交試驗設(shè)計。按照5因素10水平的正交試驗設(shè)計，進行野外人工模擬降雨試驗。按照大樣本理論，初步設(shè)想開展50次以上試驗，每次3次重復(fù)，共需150次以上的人工降雨試驗。每次試驗均設(shè)置無植被的對照。

4.5 數(shù)據(jù)調(diào)查測定

在農(nóng)作物和人工林生長過程中，調(diào)查其覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層（林地大于此）的根系量。利用野外徑流小區(qū)中的TDR測定土壤含水量；利用自記雨量計觀測降雨量、降雨強度及降雨過程；利用徑流池內(nèi)徑流泥沙，測定徑流量和土壤侵蝕量。

4.6 建立初步模型

利用數(shù)理統(tǒng)計中正交試驗的統(tǒng)計分析方法，分析農(nóng)作物類型、密度、覆蓋度、地上生物量、0-10 cm土層的根系量等要素指標(biāo)對C因子值的影響程度（貢獻率），建立各要素與C因子的關(guān)系模型。同時，按照各要素對C因子的貢獻率大小，篩選出主要的影響因素?；蛘呃弥鞒煞址治?、相關(guān)分析等方法，確定影響C因子值的關(guān)鍵要素。以關(guān)鍵要素為基礎(chǔ)，建立C因子計算初步模型。

4.7 模型驗證與校準

利用當(dāng)?shù)仄旅鎻搅餍^(qū)多年的實測資料，對C因子值計算的初步模型進行驗證。如果精度達不到要求，需要對部分參數(shù)進行修正，直到滿足精度為止，最終確定C因子計算模型。

4.8 模型應(yīng)用

按照3.5的思路，預(yù)測預(yù)報東北黑土區(qū)的土壤流失量，實現(xiàn)大尺度水土流失的監(jiān)測與預(yù)報。在具體應(yīng)用過程中，再進一步研究完善預(yù)報模型。

［1］劉寶元，唐克麗，查 軒，等.坡耕地不同地面覆蓋的水土流失試驗研究[J].水土保持學(xué)報，1990，4（1）：25-29.

［2］朱雪芹，潘世兵，張建立.流域水文模型和GIS集成技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望 [J].地理與地理信息科學(xué)，2003，19（3）:10-13.

［3］袁建平，蔣定生.黃土丘陵溝壑區(qū)小流域降雨入滲產(chǎn)流點面轉(zhuǎn)化[J].地理科學(xué)，2001，21（3）:262-266.

［4］于東升,史學(xué)正，呂喜璽.低丘紅壤區(qū)不同土地利用方式的C值及可持續(xù)性評價 [J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報，1998，4（1）:71-76.

［5］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，1992，12（4）:1-9.

［6］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，1997，28（6）:251-253.

［7］張科利，劉寶元，蔡永明.土壤侵蝕預(yù)報研究中的標(biāo)準小區(qū)問題論證[J].地理研究，2000，19（3）:297-301.

［8］蔡崇法，丁樹文，史志華，等.城鎮(zhèn)土壤侵蝕的特點與危害[J].科技進步與對策，2000，17（12）:191-192.

［9］王占禮.中國土壤侵蝕影響因素及其危害分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2000，16（4）:32-36.

［10］唐政洪，蔡強國，許 峰，等.不同尺度條件下的土壤侵蝕實驗監(jiān)測及模型研究[J].水科學(xué)進展，2002，13（6）:781-787.

［11］趙曉麗，張增祥，周全斌，等.中國土壤侵蝕與其地理環(huán)境背景的空間關(guān)系[J].山地學(xué)報，2002，20（3）:277-283.