收稿日期:2003-02;修订日期:2003-03
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40171059);教育部重点项目.
作者简介:谢云(1964-),女,辽宁大连人,博士,副教授。主要研究方向为气候生产潜力,气候与
土壤侵蚀,作物生长模型等。E -mail :x iey un
@bnu .edu .cn 文章编号:1007-6301(2003)03-0279-09通用土壤流失方程的发展与应用
谢 云,林 燕,张 岩
(北京师范大学,环境演变与自然灾害教育部重点实验室,北京100875)
摘 要:通用土壤流失方程U SLE 是美国研制的用于定量预报农地或草地坡面多年平均
年土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型。它是从20世纪30年代开始的土壤侵蚀
试验和定量研究基础上不断发展完善的,最终于60年代正式出版。期间又分别在70年代
和90年代进行了二次修订。自模型研制以来,已在水土保持规划和土地资源管理方面得
到了广泛应用。模型在发展过程中形成的思想和方法,对于各国经验性土壤侵蚀模型的建
立具有很好的借鉴作用。我国自80年代开始引入该模型,进行模型的订正和应用研究,取
得了重要成果。
关 键 词:通用土壤流失方程;土壤侵蚀;标准小区
中图分类号:S157
通用土壤流失方程U SLE (Univ ersal Soil Lo ss Equatio n)是美国研制的用于定量预报农地或草地坡面多年平均年土壤流失量的一个经验性土壤侵蚀预报模型,其数学表达式是一系列变量相乘的方程形式。通用土壤流失方程U SLE (Univ ersal Soil Loss Equa tion)第一次在文中正式出现是在1959年[1]。相对于一些区域性如玉米带的土壤流失方程而言,它可以应用于美国落基山以东广大地区,因而称为“通用”[2]。从1965年美国农业部以农业手册第282号将该方程正式发表以来[2],历经30多年,其间不断修订完善,并在美国乃至世
界范围内得到了迅速推广和应用。在土地资源调查、水土保持规划等方面起到了重要的作用。我国从20世纪80年代以来,开始引进通用土壤流失方程[3],对于我国土壤侵蚀预报模
型的研制起到了积极的作用。本文旨在综观通用土壤流失方程的发展历史,阐述方程建立和应用的基本思想和方法。
1 早期的土壤侵蚀试验与定量研究
德国科学家Ew ald Wallny 被称为“水土保持研究的先驱者”[4]。早在19世纪后期,他就对影响径流和土壤侵蚀的因子进行了深入研究,包括坡度、坡向、植被覆盖、土壤类型等,比美国的同类研究提前了约半个世纪[4]。
第22卷第3期
2003年5月
地 理 科 学 进 展PRO G RESS IN GEOG RA PHY V o l.22,N o.3M ay ,2003
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由于土壤侵蚀过程涉及的自然因子多,时间尺度长,试验和观测便成为研究必不可少的手段之一。美国最早的土壤流失定量观测始于1912年[4],在2个4hm2(10acre)小区上观测由于过度放牧导致土壤侵蚀造成的土壤持水能力和肥力的下降。1917年,Miller和他的同事们在密苏里州农业试验站创建了侵蚀小区。这种方法一直沿用至今。他所布设的27.66m(90.75ft)长、 1.83m(6ft)宽(面积为1/80acre或0.005hm2)的小区也因此成为密苏里大学校园内著名的历史纪念物。20世纪20年代,土壤侵蚀成为全美国范围比较严重的环境问题,由于美国农业部土壤调查专家Bennett的呼吁和推动,1929年议会通过对土壤侵蚀进行调查,并在全国范围内建立了10个试验站。Bennett由此被称为美国“水土保持之父”。这些试验站沿用了Miller和他的同事们采用的小区观测方法。大多数小区都建成22.13m(72.6ft)长, 1.83m(6ft)宽,面积为0.004hm2(0.01acre)。于是在30年代至40年代间,众多的研究成果从这些试验站发表,从此一直到“二战”以前,美国进入土壤侵蚀研究的“黄金时代”[4]。然而这些研究基本都没有用数学方法描述影响因子与土壤侵蚀之间的关系。
美国进行的土壤侵蚀定量研究一般认为由Coo k(1936)开始[5],他列出了影响土壤侵蚀的的三组因子:土壤易遭受侵蚀的能力(土壤可蚀性),降雨和径流引起土壤侵蚀的潜在能力,其中包括坡度和坡长的影响,植被覆盖对被侵蚀地表的保护能力。并详细描述了每一组因子中的次一级因子。进一步用数学方程计算田间土壤流失量则始于Zing g的研究[6]。1940年,根据他人的研究数据和自己的试验观测,Z ing g建立了单位面积土壤流失量与坡度和坡长的指数关系:
A=CS1.4L0.6(1)式中,A是单位面积土地上平均土壤流失量,C是一个回归常数,S是坡度,L是坡长。1941年,Smith在方程中增加了作物因子C和水土保持措施因子P[7]:
A=CS7/5L3/5P(2)该式中,C同时包含了天气、土壤和耕作制度的影响,不同于(1)式中C的意义,P是水土保持措施因子,其它因子意义同(1)式。Brow ning等将该方程进行修正[8],并用于爱荷华州。他们增加了土壤可蚀性和管理因子,并给出了不同土壤类型、轮作和坡长情况下的相关因子值。
后来在美国玉米带成功地应用了上述方法估算土壤流失量,称为“坡面应用方程”。这一成功,导致“Musg rav e方程”的出现[9],即Musg rav e在总结上述方程应用的基础上,力求拓宽方程的应用区域,重新估价了以往方程中使用的变量,并增加了降雨因子,给出方程形式为:
A=I1.75S1.35L0.35CK(3)式中,I是2年一遇30min降雨量。将连续休闲地或连续行播作物地的覆盖因子C设为100,根据实际覆盖因子的C值与100相比来进行估算。K是土壤因子,通过试验地观测的年土壤流失量值与不同降雨、坡度和覆盖情况下土壤流失量的差值调整得到。方程中各个因子的定量取值受到很大限制。以后的研究和小区观测也发现,降雨因子、坡长、以及覆盖因子在不同情况下的估算存在较大的偏差。但Musg rav e方程在下垫面相对均一的大面积流域土壤流失预报中,还是得到了比较普遍的应用[4]。
1948年,Smith和Whitt提出一种“比值”式的土壤流失估算方程[10]:
A =CSLK P (4)
式中,C 定义为某种特定粘土和轮作条件下、3%坡度、27.43m (90英尺)坡长、顺坡上下耕作农地上的年平均土壤流失量。其余4个变量坡度S 、坡长L 、土壤类型K 、水土保持措施P 都是无量纲因子,通过将C 因子值调整到实际情况获得。他们认为,为了使方程应用于其它地区,应该增加降雨因子。
综观上述方程不难看出,所有直接采用自然因子作为变量,如雨量、坡度或坡长。由于这些因子对土壤侵蚀的影响存在着交互作用,彼此之间不独立,因而难以进行不同区域的推广,极大地限制了方程的应用。随着在方程中考虑的因子不同,对因子的定义不同,方程的表达会有很大差异,无法进行比较分析。(4)式比值法的提出,则从统计学角度解决了变量之间的交互作用。这种无量纲变量的乘积形式,实际已是后来通用土壤流失方程建立思想的雏形。
随着试验数据的大量增加,数据之间可比性和方程的区域局限性问题变得日益突出,正是在这种背景下,为了使土壤流失方程与全国土壤侵蚀观测数据相互兼容,并能在全国范围内普遍适用。1954年美国农业部在Purdue 大学成立了国家水土流失资料中心,负责收集、整理全美的径流和侵蚀资料,以供进一步统一分析和研究[2,4]。由于这些资料来自不同的试验站,资料的记录格式、单位等不尽相同,必须进行标准化处理,录入计算机。截止到1955年,收集了大约530个站点在一年时间内的65000次降雨资料,以及8250个小区-年和2500个流域-年的径流资料[11]。
2 通用土壤流失方程的提出和修订
全国范围内大量土壤侵蚀观测资料的分析整理,为建立全国性土壤流失方程奠定了基础。从1956年起,美国农业部先后组织召开了多次学术讨论会,宗旨是协调已有土壤流失方程,并能将其应用到无土壤侵蚀观测资料的地区。1965年,通用土壤流失方程的详细介绍以农业手册282号形式正式出版[2],其基本形式为:
A =RK LSCP
式中,A 是单位面积坡地的土壤流失量,主要指降雨及其径流使坡面上出现细沟或细沟间侵蚀所形成的多年平均土壤流失量,单位为t ·hm -2·a -1(美制单位为t ·acre -1·a -1
)①。R 是降雨-径流因子,用多年平均年降雨侵蚀力指数表示,单位为M J ·mm ·hm -2·h -1·
a -1(美制单位为100ft ·to nf ·in ·acre -1·h -1·a -1)②。K 是土壤可蚀性因子,表示为标准小区下单位降雨侵蚀力形成的单位面积上的土壤流失量,单位为t ·hm 2·h ·hm -2·M J -1·mm -1(美制单位为to n ·acre ·h ·100-1acre -1·ft -1·tonf -1·in -1)③。标准小区定义为22.13m (72.6英尺)长、9%坡度、连续保持清耕休闲状态,且实行顺坡耕作的小区。其余4个变量分别是坡长因子L ,坡度因子S 、作物与覆盖因子C 、水土保持措施因子P 。它们都是无量纲因子,分别表示为各自实际条件下的土壤流失量与对应标准小区条件下土壤流失量的比值,可根据相应的公式进行计算。
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3期 谢 云等:通用土壤流失方程的发展与应用①
1t ·acre -1= 2.242t ·hm -2;②100ft ·tonf ·in ·acre -1·h -1·a -1=17.02M J ·m m ·h m -2·h -1·a -1;③1ton ·acre ·h ·100-1acre -1·ft -1·tonf -1·in -1=0.1317t ·hm 2·h ·h m -2·M J -1·mm -1
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该方程与以往土壤侵蚀方程在以下方面有着显著的不同:
(1)定义了降雨侵蚀指数EI。它是一次降雨总动能(E,是雨强的函数)与对应该次降雨最大30min雨强的乘积。该指标是Wischmeier根据收集的全美国620个小区资料,通过分析16个单变量或多变量,最终确定的降雨特性导致土壤流失的定量指标[12]。Wischmeier进一步利用分布在美国37个州60多个地方8000多个小区年资料分析了该指标表达的物理意义[1],提出将其作为通用土壤流失方程的降雨侵蚀指数,并绘制了降雨侵蚀力等值线图[13],使方程得以在无侵蚀观测资料地区应用。
(2)提出“标准小区(U nit Plo t)”的概念,并提出反映土壤是否容易遭受降雨侵蚀的量化指标——土壤可蚀性因子。它是指标准小区条件下,单位降雨侵蚀指数形成的单位面积上的土壤流失量。
(3)标准小区还将其它影响土壤侵蚀的因子如坡度、坡长、作物与植被覆盖、水土保持和管理措施等转换为无量纲因子。即标准小区下的各因子值为1,其他条件下的侵蚀量与标准小区侵蚀量的比值,即是各因子值的相对指标。正是这几个特点,使得该方程不同于以往的土壤流失方程,而变得“通用(Univ ersal)”。因为不同地区观测资料的差异,以及不同因子之间的交互作用,会给观测资料的统计分析带来困难,难以进行相互比较。如假设两个不同地区的小区观测资料在坡度和作物覆盖上都不相同,则难以区分两个小区土壤流失量的差异有多少是由于坡度差异造成?有多少是由于作物覆盖差异造成?通过确定标准小区,进而定义实际小区土壤流失量与标准小区土壤流失量的比值,作为定量评价各个因子的指标,无疑解决了上述问题。
(4)由于因子定义的改变,因子之间的统计关系也发生相应变化。以前方程中各因子尤其是坡度和坡长直接与土壤流失量进行回归分析,得出指数形式的方程,给公式的外推带来限制。而通用方程中的无量纲因子乘积形式,则将因子对土壤侵蚀的不同作用剥离开来。
因此,“通用(Univ ersal)”的涵义表现在两个方面:一是所有因子的定义基于统一可比的基础,并将它们对土壤侵蚀的相互作用剥离开来;二是由此提高了方程的普适性,将原来只适用于玉米种植带的方程推广到可适用于落基山以东37个州的广大地区。在落基山以西,由于降雨受地形影响显著,局地性对流降雨多,降雨特性的空间分异复杂,且随机性强。加之该地区由于海拔高,全年降雪比例较大,因积雪融化形成的融雪侵蚀可占全年侵蚀量的90%以上[14],因而必须拥有足够多的降雨、融雪径流和侵蚀资料才能表征该地区的平均土壤侵蚀特征。基于此,1978年在农业手册537号发表了新版土壤流失方程[14],所做的重要修改便是考虑了融雪侵蚀的影响,将方程的应用扩展至落基山以东地区。
但值得注意的是,“通用”是相对的,Wischmeier曾对此作过解释[4]:通用是由于方程中没有一个因子在特定的地理条件下推导的,因而是针对以前模型的高度区域性而言。但应用时仍须用当地资料估算各个因子值。从这个意义上说,如将方程应用于降水或土壤特性差异很大的地区,绝不能直接照搬各种变量的关系、计算图表等。正如Hudson所言[15]:“没有任何一个模型是通用的,即使是物理过程模型也具有区域性”。但另一方面,方程提出的建模思想和方法如标准小区的概念,无量纲乘积形式等,又的确具有一定的“通用性”,使不同国家或地区根据各自的土壤侵蚀特点,建立相应的模型,既简化又实用。
随着计算机技术的发展,大量观测数据的更新,对土壤侵蚀理论认识的深入,以及在
应用USLE 过程中出现的一些问题,从80年代开始对U SLE 进行修订[16]。1997年以农业手册703号正式出版了修订通用土壤流失方程RUSLE (Revised Univ ersal Soil Loss Equation)[17]。修订版通用土壤流失方程的突出特点有三个:一是建立了计算机模型,并为用户提供技术和使用手册。模型还提供了一些主要参数和变量的数据库,供用户根据实际情况选择使用。二是根据已有研究成果,细化了各个因子的计算过程。包括:(1)将降雨侵蚀力的计算扩展到西部地区,同时考虑了融雪侵蚀和洼地集水的影响;(2)土壤可蚀性计算考虑了季节变化的影响,并给出了一些特殊类型土壤的可蚀性值;(3)在坡度和坡长因子计算时,分别考虑了细沟侵蚀和细沟间侵蚀的差异,以及不同类型坡的组合;(4)将覆盖与管理因子的比值表改为由前期土地利用、地表覆盖、作物覆盖、地表糙度和土壤水分等5个次因子乘积形式的计算公式;(5)在水土保持措施中,不仅将以前包括的措施如等高耕作、带状耕作和梯田计算进行了改进,而且增加了其它一些措施。(6)在上述所有各个因子的计算中,都充分考虑了季节变化或农事活动的影响。降雨侵蚀力的季节变化以半月为基本时段分别计算,如果其中有作物轮作或农事活动,还可在半月内进行时段划分,以便按照这一时段计算覆盖与管理因子和水土保持措施因子。这样,便可足以反映不同时期由于自然和人类活动影响造成的地表状况变化对土壤流失量的影响。
3 通用土壤流失方程的应用
早在1940年,当Zing g [6]建立了土壤流失量与坡度和坡长关系的公式时,人们就意识到该方程对进行水土保持具有重要意义[18]。它可以帮助人们认识不同的自然条件、农业活动和水土保持措施下的土壤流失量平均有多大,从而指导决策者制定可行的土地利用政策,以尽可能减少土壤流失。为了判断某种土地利用和保护措施下的土壤流失量是否造成危害,提出了容许土壤流失量的概念(Soil Lo ss Tolerance )。它是指能够长期维持土地高水平生产力所容许的最大土壤侵蚀速率,一般用每年单位面积土地上的土壤流失量表示。当某农地特定水土保持措施下的土壤流失量小于容许土壤流失量时,表明该水土保持措施达到了令人满意的效果。正是通过这一过程,使得土壤流失方程成为进行土地利用和土地资源保护的一个十分有效的技术工具。
20世纪70年代初期,由于世界范围内的能源危机导致各国政府对自然资源的关注[18]。1977年,美国乡村发展法(1972)和水土资源保护法(1977)等授权国家资源保护局,要求至少每5年对非联邦土地上的土地资源、水资源和相关资源的现状与趋势进行一次评估,并将其称为国家资源调查(Natio nal Reso urces Invento ry )。调查中,首次应用U SLE 和W EQ (Wind Ero sion Equatio n)在100多万个样点上计算土壤水蚀和风蚀速率[19]。这些调查结果为区域和国家级尺度的土地资源管理提供了大量丰富而详实的资料,并大大促进了有关土地资源保护公共政策的制定。1985年美国出台的粮食安全法(Food Security Act )中,包含了土地资源保护条款,这正是基于土壤流失方程和风蚀方程对土壤侵蚀状况分析的基础上提出的[18]。自1977年以后,每5年进行一次、直到最近一次1997年的国家自然资源调查,一直以USLE 和W EQ (Wind Erosio n Equation )为工具,进行国家资源调查。
我国自1944年在甘肃省天水建立第一个水土保持试验站以来[20],对土壤侵蚀进行了大量观测和研究,并建立了许多区域性的土壤侵蚀定量模型[21～26]。从20世纪80年代开始
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许多学者陆续引入美国通用土壤流失方程,同时结合我国土壤侵蚀特点,进行了一系列的因子订正研究[27～31]。这些研究对于认识我国土壤侵蚀规律,定量评价土壤侵蚀程度无疑起到了积极作用,但其中面临一些比较共性的问题:所建立或修正的方程能否在更大范围内推广?包括资料的可获得性,统计关系的验证和外推,预报结果区域间的可比性等。如降雨侵蚀力R因子的计算根据各地区不同降雨特性,采用不同的算法,土壤可蚀性K、作物覆盖因子C、水土保持措施因子P等,基于各自不同标准的小区观测和计算,甚至有些因子的定义都不同,那么,这些因子的计算结果或方法能否推广使用?
同样的问题在美国推广使用通用土壤流失方程时同样出现过。对此Wischm eier特别指出了经常出现的误用情形[32]:(1)方程只能估计某一个特定坡面的土壤流失量,无法估计泥沙量。如果用一个流域各个因子的平均值估算流域的土壤流失量,将会造成很大的误差,因为除了流域内部各个因子具有一定的差异外,还会有沉积发生,这是无法利用通用方程进行估算的。(2)方程是各个因子长时期观测数据平均状况与土壤流失量相关关系的统计结果,最终得到的是多年平均土壤流失量,而非某个降雨事件造成的土壤流失量。因此用方程估算某个特定年份或特定降雨事件造成的侵蚀量,无疑会有很大误差。(3)在将方程推广应用时,应根据当地的实测资料建立必要的参数,同时注意建立和应用方程的条件。如可蚀性因子或植被覆盖管理因子的测量应基于标准小区,如非标准小区资料,则应订正到标准小区尺度上,这样才具有可比性。如果标准小区的定义各不相同,则难以将结果进行直接比较或应用。(4)应注意方程中各个因子的单位。通用方程中的降雨侵蚀力和土壤可蚀性因子都是有量纲单位的变量,具有一定的物理意义。而其它因子是不同条件下的侵蚀量与标准小区侵蚀量的比值,因而是无量纲单位的变量。由于通用方程研制于20世纪30年代,在1965年正式发表第一版时,采用的是美制单位,而且由于降雨侵蚀力因子计算结果的数量级较大,Wischm eier将结果除以100,以缩小数量级,方便表达。这在以后产生了单位误用的情形。为此,Foster曾专门将方程中的各个因子计算由美制单位转换为国际单位制[33],从而大大方便了方程的应用。
经过半个多世纪的不断发展、应用和完善,通用土壤流失方程的确已成为进行土地资源管理和保护的一个实用而且相对准确的技术工具[4]。但归根到底,它仍是一个经验方程,难以表达土壤侵蚀的机理过程,因此在许多方面具有局限性。例如,该方程虽然对于平均状态下的土壤流失量预报较好,但由于方程本身的局限性(大量统计的结果),因而难以描述大量试验数据的变化。方程没有包含反映径流影响的因子,因此而降低其准确性。此外,方程在用于垄作、等高耕作或带状耕作时,由于无法考虑泥沙沉积的影响,也会使预报精度降低。这些促进了对于土壤侵蚀过程模型的研究。尤其是从20世纪70年代开始,伴随着非点源污染模型的发展,也带动了土壤侵蚀过程模型的研究[4]。因为从大面积农地上侵蚀下来的泥沙,是主要的非点源污染物。1986年美国农业部农业研究局、林业局、土壤保持局及内政部的土地管理局签署了为期10年的开发新一代土壤侵蚀模型的项目—水蚀预报项目(W EPP—Water Erosio n Prediction Pro ject)[34],目的是开发能代替USLE的土壤侵蚀预报模型。1987年完成了用户需求报告[35],规定了W EPP的基本框架,它应具备3个版本:坡面版、流域版和网格版。1995年发布了第一个官方正式版本W EPP95[36],包括坡面版和流域版,尚没有完成网格版。但到目前为止该模型仍属于研究型模型,与实际应用有相当差距。尤其是要真正代替USLE或RU SLE投入使用,可能至少还要10年以后。
综上所述,从国外土壤侵蚀模型的发展历史和研究现状,我们不难得到如下启示:一是从应用角度看,经验模型不仅取得了重要的成果,而且仍占主导地位。机理模型作为土壤侵蚀研究的前沿领域,仍处于研究试用阶段。二是建立的土壤侵蚀模型需要以大量的观测数据、规范而科学的建模思想为基础,并且结合各自地区的土壤侵蚀特点。从我国土壤侵蚀模型的发展和研究现状看,我们现在所处的时代与美国50年代十分相似:一是建立了许多区域性模型,但尚没有在全国范围内通用的、可为政府决策提供依据的土壤侵蚀模型。二是已经积累了大量观测资料,有待于进行统一的分析和研究,以充分加以利用。有了以上两个基础,相信不远的将来,将会建成充分体现我国土壤侵蚀特点的土壤流失量方程。4 结论
通用土壤流失方程U SLE 是预报坡地多年平均年土壤流失量的经验性方程。它从20世纪30年代开始研制,到60年代正式发表历经30多年的历史,是在对土壤侵蚀规律的试验和大量数据资料的分析基础上逐渐发展起来的。以后又随着土壤侵蚀规律研究的深入、资料的积累和方程应用过程中出现的问题,进行了修正。到20世纪90年代,发表了修订版通用土壤流失方程。自通用土壤流失方程发表以来,在水土保持规划、国家自然资源调查中起到了积极的作用。我国自20世纪80年代开始引进和应用通用土壤流失方程,结合我国实际进行因子的修订,也取得了重要的成果,正在成为指导我国土地资源管理的一个有效的技术工具。
综观通用土壤流失方程的发展历史,可以归纳为三个阶段:(1)以坡度和坡长因子为主要变量的区域性土壤流失方程。土壤流失量表示为坡长和坡度变量的指数关系。其它因子如作物、土壤、水土保持措施等则隐含在方程中的回归常数。(2)表示为影响土壤侵蚀6个基本变量的“通用”性土壤流失方程,应用区域大大扩展。(3)根据土壤侵蚀规律,对各个因子的计算方法进行不断修订。
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The Development and Application of
the Universal Soil Loss Equation
X IE Yun ,LIN Yan ,ZHAN G Yan
(Beijing N o rmal Univ ersity,Key La bo ra tor y o f Envir onmental Cha ng e and N atura l Disa ster,
M inist ry o f Education of China,Beij ing 100875)
Abstract :The univ ersal soil loss equatio n is an empirica l soil ero sion m odel dev eloped by scientists in the U S for predicting av erage annual soil loss from slope cro pland or g rassland.It w as modified and revised by many scientists th ro ugh mo re than 30yea rs based o n the data collected from ex perimental plo ts and quantitativ e ev aluatio n of facto rs causing soil lo ss and published as Ag ricultural Handbo ok No .282in 1965.Afterw ards ,it w as rev ised two times during 1970's and 1990's respectiv ely .In 1997,it w as published as Revised Univ ersal Soil Loss Equatio n in Ag ricultural H a ndboo k No.703.Since the m odel w as dev eloped,it has been a pplied in soil conserv ation planing and natio nal natural resources inv ento ry .The ideas a nd methodolog y o f the model dev elo ping hav e been used as reference fo r setting up soil erosion m odels in other co untries.The USLE wa s introduced in China fro m 1980's and w as m odified and applied in different regions.These will be helpful for dev eloping Chinese ow n soil loss equatio n .
Key words :univ ersal soil loss equatio n;soil erosio n;unit plot 287
3期 谢 云等:通用土壤流失方程的发展与应用