(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230088)

土壤是人類賴以生存的基礎(chǔ)資源[1]，但受自然和人為活動的影響，土壤退化已成為全球最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[2-3]。土壤侵蝕是導(dǎo)致土壤退化的重要成因[2,4]，其侵蝕強度大小除受降雨[5-6]、地形[7]、植被[8]等外部因素影響外，還取決于土壤本身的抗侵蝕能力[9]。土壤可蝕性是表征土壤抗侵蝕能力的主要指標(biāo)，其值的定量研究依然是土壤侵蝕領(lǐng)域的熱點，備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注[10]。當(dāng)前土壤可蝕性研究主要集中在可蝕性值估算應(yīng)用及影響因素評價兩方面，一是利用估算模型和定義，基于徑流小區(qū)觀測資料與土壤理化數(shù)據(jù)，對不同類型的土壤可蝕性進行定量評估，并通過與實測值的比較，選擇適宜的評估方法[11-12]；二是通過小區(qū)試驗，量化土地利用類型[13]、植被恢復(fù)[14]和耕作方式[15-16]等對土壤可蝕性的影響；這些研究成果在土地資源評價、水土流失預(yù)測等方面得到了廣泛應(yīng)用[10]。但實際中因長期定位觀測資料覆蓋范圍有限，土壤類型和土壤特性空間變異大等因素影響，土壤可蝕性值估算難以驗證，研究成果不宜跨區(qū)域推廣[17]。因此，不同區(qū)域土壤可蝕性值估算與驗證尚需進一步研究。

皖西、皖南分別地處安徽大別山區(qū)和江南丘陵山地區(qū)，總面積52 683 km2，涉及人口967.5萬，內(nèi)有大別山、黃山等風(fēng)景名勝，盛產(chǎn)特色茶葉和堅果，是安徽省重要生態(tài)功能區(qū)和名優(yōu)特產(chǎn)品生產(chǎn)基地。但因地形地貌和人為活動的影響，該地區(qū)水土流失分布范圍廣，水土流失面積約8 271 km2，土壤資源有限，生態(tài)環(huán)境脆弱[18]。為更好地保護水土資源，實現(xiàn)生態(tài)、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，急需加強對該地區(qū)土壤可蝕性的研究。鑒于未見相關(guān)研究報到，筆者利用徑流小區(qū)實測資料和估算模型，分別獲取該地區(qū)主要土壤可蝕性實測值和估算值，并以此構(gòu)建土壤可蝕性實測值與估算值的關(guān)系方程，為該區(qū)域土壤資源評價和水土流失預(yù)測提供支撐。

1 研究區(qū)概況

皖西、皖南分別位于安徽省的西部(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″)，地貌以丘陵山地為主，溝壑縱橫，山勢雄偉，坡度陡峻，地形復(fù)雜，平均坡度15°～40°，平均海拔500～1 000 m。該地區(qū)為暖溫帶—亞熱帶氣候過渡帶，年降水量豐沛，為1 200～2 200 mm，但降雨徑流時空分布不均，主汛期降水量占年降水量的40%～60%，徑流量占年徑流量55%～70%，年均徑流深600～1000 mm；年均氣溫14℃～15℃，≥10℃年積溫4 800℃～5 200℃。地帶性土壤有黃棕壤、黃紅壤、黃壤與紅壤，土層較薄，平均厚度不足1 m，因水土流失等原因，粗骨土分布廣泛[19]。該區(qū)植被屬暖溫帶常綠落葉闊葉混交林帶與亞熱帶常綠闊葉林帶，原始植被保存較少，現(xiàn)有植被多為天然次生林，植被覆蓋率60%以上，主要以馬尾松林、毛竹林為主[20]。

20世紀(jì)五六十年代，皖西、皖南原始植被遭到嚴(yán)重破壞，地表土壤流失殆盡；目前天然次生林雖然大范圍恢復(fù)，但該地區(qū)降雨量大、地形復(fù)雜以及花崗巖發(fā)育的土壤質(zhì)粗砂松、有機質(zhì)含量少，土壤抗蝕能力差，加之受人為活動的影響，坡耕地、經(jīng)濟林地和稀疏林地水土流失依然嚴(yán)重[18]。

2 材料與方法

2.1 資料來源

皖西、皖南水土流失區(qū)1980年代建有4個水土保持實驗站，現(xiàn)均納入全國水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)。降雨和土壤侵蝕數(shù)據(jù)來源于2011～2016年試驗站的觀測，土壤理化性質(zhì)數(shù)據(jù)來源于實地取樣和室內(nèi)測試分析。試驗站徑流小區(qū)特征和資料年限情況見表1。

表1 皖西、皖南水土保持試驗站徑流小區(qū)特征Tab.1 Information of soil and water conservation stations in south and west of Anhui, China

2.2 觀測與取樣方法

試驗站的降雨和土壤侵蝕資料按次降雨觀測統(tǒng)計，土壤取樣采用“S”路線法，每個徑流小區(qū)取15個樣點，深度為0～20 cm，用塑料桶將土壤充分混勻，挑出石塊等雜物后，用四分法棄去多余部分，最后保留2 kg，用封口袋裝好，貼上標(biāo)簽帶回實驗室風(fēng)干，用Mastersize3000激光粒度儀測試土壤粒徑組成，用重鉻酸鉀容量法測試土壤有機質(zhì)，用沙維諾夫干、濕篩法分別測定土壤團粒含量和水穩(wěn)性團粒含量。

2.3 實測值計算

根據(jù)通用水土流失方程(Universal Soil Loss Equation，簡稱USLE)的定義，土壤可蝕性值是標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)單位降雨侵蝕力引起的土壤流失量。USLE方程見式(1)。

A=R×K×L×S×C×P

(1)

式中，A為單位面積上多年的平均土壤流失量，t·hm-2·a-1；R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；K為土壤可蝕性因子，t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；L為坡長因子，無量綱；S為坡度因子，無量綱；C為覆蓋-管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱[21]。根據(jù)USLE定義取值，在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上，L、S、C、P均為1，所以，土壤可蝕性實測值可直接用式(2)計算。

(2)

本文采用的徑流小區(qū)由于坡度、坡長和覆蓋-管理措施與USLE的標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)不同，因此需要訂正，坡度因子訂正公式見式(3)[11]，坡長因子訂正公式見式(4)[11]。覆蓋—管理因子值基于每個小區(qū)的管理記錄，依據(jù)USLE手冊確定[22]。土壤可蝕性實測值計算見式(5)。

S=21.9sinθ-0.96

(3)

式中，θ為徑流小區(qū)的坡度，(°)。

(4)

式中，λ為坡長，m；n為系數(shù)，當(dāng)坡度≥ 5%，n=0.5，當(dāng)坡度為3.5%～4.5%時，n=0.4，當(dāng)坡度為1%～3% 時，n=0.3，當(dāng)坡度小于1%時，n=0.2。

(5)

式中，R值基于次降雨資料利用USLE中降雨侵蝕力計算方法獲取[21]。

2.4 估算值計算

土壤可蝕性值估算方法研究較多，具有代表性的有諾謨公式[21]、EPIC模型[23]和Shirazi 等[24]建立的幾何平均粒徑公式。本文用研究區(qū)的實測資料對我國應(yīng)用最為廣泛的諾謨公式(式(6))和EPIC模型(式(7))進行土壤可蝕性估算和驗證。

K=[2.1×10-4(N1×N2)1.14(12-Om)+

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

(6)

式中，N1為極細(xì)砂+粉砂含量，%；N2為100-黏粒含量，%；N1和N2的土壤級配參數(shù)按照美國制粒徑分級體制，黏粒為< 0.002 mm、粉砂為0.002～0.05 mm、極細(xì)砂為0.05～0.10 mm、砂粒為0.10～2.00 mm；Om為有機質(zhì)百分含量，%；H為土壤結(jié)構(gòu)等級系數(shù)，用土壤團粒含量來確定[21]；T為土壤滲透等級系數(shù)，用土壤質(zhì)地確定土壤滲透等級具體參數(shù)值[21]。

(7)

式中，SAN為砂粒(2～0.05 mm)含量，%；SIL為粉粒(0.05～0.002 mm)含量，%；CLA為黏粒(<0.002 mm)含量，%；Ct為土壤有機碳含量(Ct=0.058 3×土壤有機質(zhì)含量)，%；SN1=1-SAN/100。

為了便于與同類研究進行比較，獲取的可蝕性值采用國際單位，式(6)、(7)估算的值為美國慣用單位，將其乘以0.131 7則可轉(zhuǎn)變?yōu)閲H制單位[21]。文中數(shù)據(jù)處理主要采用SPSS 19.0和Excel 2007。

3 結(jié)果與討論

3.1 實測值特征

基于實測數(shù)據(jù)資料，利用式(3)、(4)、(5)和USLE中降雨侵蝕力、覆蓋—管理措施因子值確定方法，獲取皖西、皖南4個水土保持試驗站主要土壤可蝕性實測值，詳見表2。

表2 皖西、皖南主要土壤可蝕性實測值Tab.2 Measured values of soil erodibility for main type soil in south and west of Anhui, China

從表2 可以看出，皖西、皖南不同種類的土壤可蝕性實測值差異較大，變化范圍為0.013～0.043 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，紅壤可蝕性實測值最大，黃棕壤最小，紅壤的可蝕性實測值是黃棕壤的3.3倍。與其它3種土壤相比，紅壤可蝕性較大主要是由土壤結(jié)構(gòu)造成的，紅壤因鐵鋁淀積形成網(wǎng)紋層，土壤入滲率低，降雨形成地表徑流大，沖刷能力強；地表植被破壞后，土壤遭到剝蝕、搬運，加之紅壤水穩(wěn)性差，所以土壤易遭侵蝕[25]。

皖西、皖南主要土壤可蝕性實測值與已有研究結(jié)果具有較好的一致性。皖西、皖南的粗骨土、黃棕壤和黃紅壤可蝕性實測值與太湖流域相應(yīng)土壤種類相比，最大相差不超過0.006 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)[26]；皖南紅壤可蝕性實測值與贛北紅壤相比，相差不超過0.01 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)[12]。

3.2 估算值特征

基于皖西、皖南水土保持試驗站地表裸露徑流小區(qū)的土壤理化數(shù)據(jù)，采用式(6)、(7)分別獲取EPIC模型估算的土壤可蝕性值(記為KEPIC)和諾謨公式估算的土壤可蝕性值(記為KNM)，見表3。

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

從表中可以看出，同一種土壤不同方法估算的土壤可蝕性值差異較大。對EPIC模型和諾謨公式估算值進行方差分析，結(jié)果表明在0.05顯著水平以下，兩組估算值存在顯著差異，諾謨公式估算的土壤可蝕性比EPIC模型估算的高42.0%。不同的估算方法對土壤可蝕性估算結(jié)果影響較大，在沒有實測資料驗證情況下，合理選擇土壤可蝕性估算方法比較困難，因此，根據(jù)區(qū)域土壤特點，對土壤可蝕性估算方法進行驗證十分必要[27]。

3.3 估算方法驗證與修正

為比較研究區(qū)土壤可蝕性實測值(記為KSC)與估算值的差異，利用實測值對應(yīng)估算值繪制1∶1線圖，分別獲得實測值與EPIC模型估算值1∶1線圖和實測值與諾謨公式估算值1∶1線圖(見圖1)。

從圖中可以看出，土壤可蝕性的估算明顯高于實測值。利用SPSS軟件進行方差分析，在0.05顯著水平下，EPIC模型估算值和諾謨公式估算值均與實測值存在顯著差異，EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性值比實測值分別高96.1%和178.5%。結(jié)果表明EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性偏高，不能直接應(yīng)用于皖西、皖南的土壤可蝕性計算，該結(jié)果與張科利[11]、史學(xué)正[27]等研究中國和亞熱帶土壤可蝕性的結(jié)論相一致。

以上分析說明，利用實測資料估算土壤可蝕性的方法是科學(xué)獲取土壤可蝕性值的重要手段，但因土壤類型和特性空間變異大，在不同區(qū)域，土壤可蝕性估算方法表現(xiàn)的適宜性不同[11,27]。例如，在東北黑土區(qū)，諾謨公式經(jīng)修正后可用于獲取該地區(qū)的土壤可蝕性值[28]；在贛北地區(qū)，諾謨公式和EPIC模型經(jīng)修正后均可用于計算該地區(qū)的可蝕性值[12]。在皖西、皖南地區(qū)，EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實測值，該兩種方法估算的土壤可蝕性值不宜直接應(yīng)用。因此，皖西、皖南地區(qū)的土壤可蝕性評估方法還需進一步的研究，這對實現(xiàn)區(qū)域水土流失準(zhǔn)確監(jiān)測和水土保持生態(tài)科學(xué)建設(shè)具有重要的意義。

圖1 皖西皖南主要土壤可蝕性實測值與估算值1∶1線圖Fig.1 Comparison between estimated values and measured values of soil erodibility

4 結(jié) 論

(1) 皖西、皖南不同種類的土壤可蝕性實測值差異較大，其值范圍0.013～0.043 t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)，黃棕壤最小，紅壤最大，紅壤可蝕性值是黃棕壤的3.3倍，各土壤可蝕性實測值與已有同類土壤研究結(jié)果具有較好的一致性。

(2) 同一種土壤不同方法估算的土壤可蝕性值差異較大，在沒有實測資料驗證情況下，合理選擇土壤可蝕性估算方法比較困難。

(3) 與實測值相比，用EPIC模型和諾謨公式估算的土壤可蝕性值偏高，不能直接應(yīng)用于皖西、皖南的土壤可蝕性計算。