土壤可蚀性

土壤可蚀性K值是土壤侵蚀模型（如USLE和RUSLE）的必要参数，直接套用经验模型估算土壤可蚀性K值会给土壤侵蚀预报带来不可估计的误差。本文以我国亚热带7种典型土壤可蚀性K值的观测值为依据，选用平均绝对误差（MAE）、平均相对误差（MRE）、均方根误差（RMSE）和精度因子（Af）四种数学统计项为指标，评价了诺谟图模型、修正诺谟图模型、EPIC模型、几何平均粒径模型和Torri模型等5种土壤可蚀性K值预测模型的不确定性。结果表明，5种模型的不确定性从小到大的顺序为：Torri模型〈修正诺谟图模型和诺谟图模型〈EPIC模型〈几何平均粒径模型；Torri模型的MRE为0．291，不确定性依然很大。但经优化的Torri模型，可将土壤可蚀性K值预测的不确定性降至最低，其K的预测值与观测值的线性回归系数b=1．028（R^2=0．921，p〈0．01），MRE仅为0．120，可用于预测我国亚热带地区某些土壤可蚀性K值。

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土壤可蚀性简介

土壤侵蚀是由水力和风力作用引起的土壤颗粒的分离与搬运过程

<1>。它对农业生产、生态环境都会产生巨大的负面影响。在土壤侵蚀过程中,土壤性质对土壤侵蚀的发生与强度都有重要的影响。不同类型的土壤在不同的气候条件、经营方式下,对侵蚀的影响作用也是不同的

<2>。土壤可蚀性是土壤性质中的一个重要方面,它是评价土壤是否易受侵蚀营力破坏的性能,也是土壤对侵蚀营力分离和搬运作用的敏感性

<3>。它是土壤侵蚀研究中的一个重要方面。本文结合水蚀、风蚀过程中土壤可蚀性的概念、机理,测定与计算方法,对土壤的可蚀性进行了论述,并对水蚀、风蚀过程中土壤可蚀性研究存在的不足和研究动向进行了探讨。1土壤可蚀性的相关概念20世纪以来, 研究者们在对土壤侵蚀进行的大量研究中逐渐认识到:土壤对侵蚀营力固有的抵抗能力,或土壤可蚀性在土壤侵蚀过程中的重要性。1930年,Middeton在对水蚀的研究中最先提出土壤可蚀性(Soilerodibility)的概念,并提出了评估土壤可蚀性的两个重要指标

<4>。随后,土壤可蚀性的概念被引入风蚀的研究中。1942年,Chepil提出了土壤风蚀度(Soil erodibility by wind)的概念,用来反映土壤遭受风蚀的脆弱性程度

<5>。我国从20世纪50年代开始研究土壤可蚀性,但多采用土壤抗侵蚀性这一概念。1956年,朱显谟院士将土壤抗侵蚀性分为抗冲性和抗蚀性

<6>。抗冲性主要指土壤抵抗水、风等侵蚀营力对土壤的机械破坏作用,而抗蚀性主要是指土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮作用。土壤可蚀性和抗侵蚀性从本质上讲,并没有什么差别 ,只是一个问题的两个方面:前者是指土壤对侵蚀作用的敏感性,后者是指土壤对侵蚀作用的抵抗能力,因此二者都反映了土壤特性与土壤侵蚀的关系

<7>。2土壤可蚀性的测定方法在土壤可蚀性的试验定量研究中,主要有5种方法用来测定土壤的可蚀性。其中,测定土壤的理化性质被用于水蚀与风蚀的研究中;水冲试验、模拟降雨和小区试验被用于水蚀的研究中;风洞试验被用于风蚀研究中。2.1测定土壤的理化性质20世纪30年代以来,许多研究者,(Middleton <4>,Baver

<8>,Bouyoucos<3>),开始通过分析土壤的浸湿热、分散率、侵蚀率、团聚体含量、颗粒组成等方面的理化性质来评价土壤可蚀性,并提出了一系列土壤可蚀性指标(表1)。表1一些研究者利用这种方法对不同地区、不同类型土壤的可蚀性进行了测定。 1930年,Middleton根据不同地点野外观察到的不同侵蚀阶段的土壤做了两组对比试验,提出以分散率与侵蚀率作为评估土壤可蚀性的指标<4>。Woodburn于1956年使用团聚体稳定性和分散率作为密西西比河沟谷土壤的可蚀性指标

<9>。在国内,朱显谟研究了中国黄土区的土壤可蚀性,将静水中土体崩解状况作为黄土可蚀性的指标

<10>。赵晓光等人利用便携式直剪仪研究了水蚀作用下黄土的抗蚀性。提出:考虑到容重的影响,把抗剪强度作为土壤抗蚀力指标较为合理

<11>。田积莹等人利用分散率、侵蚀率等指标对甘肃东部子午岭地区土壤可蚀性进行了研究

<12>。杨玉盛研究了不同土地利用方式下紫色土壤的可蚀性,指出侵蚀率、分散率、结构体破坏率等指数能较好地表征紫色土壤的可蚀性

<13>。测定土壤理化性质的方法在水蚀、风蚀研究中被广泛应用。通过这种方法可以测定土壤理化性质与土壤侵蚀之间的关系;但是这种方法没有建立土壤可蚀性与土壤侵蚀的定量关系。因此,这种方法还不能用于侵蚀预报。2. 2水冲、模拟降雨、小区试验20世纪40年代,一些研究者开始直接用水冲刷土壤来确定土壤的可蚀性。1938年,Voznesenskil定义E=dh/a为土壤可蚀性指数。其中d是分散率,h是土壤亲水性,a是在流速为100cm/min的水流作用1小时条件下,仍保持不分散的≥0.25 mm的团聚体含量

<14>。1946年,Gussak用冲走100 g土壤所需水量作为土壤可蚀性的指标。然而,Gussak在用这种方法测定两种不同土壤的抗冲性时发现:用不同的流量冲刷土壤,会出现可蚀性大小排序相反的试验结果。因此,这种方法不能真实地反映土壤性质对侵蚀的影响作用

<15>。从20世纪60年代开始,模拟降雨和小区试验被用于土壤可蚀性的测定中。1963年,Olson测定了8个休耕地小区和20个作物小区的土壤可蚀性,提出了具有实用性的土壤可蚀性指标,即标准小区上单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量。这一指标具有明确的物理意义和方便的测定方法

<16>。1969年,Wischmei er用人工降雨法测定了55种土壤的可蚀性指数,选定13个土壤特征指标与土壤可蚀性进行回归分析,得出了计算土壤可蚀性因子的方程

<17>。此后,Farres通过标准小区试验,提出使用水稳性团聚体的风干率作为土壤可蚀性指标

<18>。刑延炎等人用模拟降雨法和田间实测法对比研究了我国亚热带七种有代表性土壤的可蚀性

<19>。于东升等人应用模拟降雨仪和Guelph仪对我国南方红壤区旱地土壤的渗透性和可蚀性之间的定量关系进行了研究,发现:0～5cm表层土壤饱和渗透率与土壤可蚀性之间呈负相关关系

<20>。张科利等人在对黄土高原的土壤可蚀性研究的基础上,定义了我国进行土壤可蚀性研究的标准小区

<21>。模拟降雨和小区试验结果不必再等候适当的雨型,从而大大加快了研究进程

<22>。它们已经成为测定和计算土壤可蚀性指数的重要工具。2.3风洞试验20世纪40年代,风洞试验被用于风蚀研究中。Chep il通过风洞试验和测定土壤的理化性质在土壤可蚀性的研究方面做了大量的工作。1942年, Chepil研究了土壤水稳定性和干土块结构与土壤风蚀度之间的关系,认为土壤颗粒结合成团粒结构的状态和水稳定性决定了土壤的可蚀性

<23>。1950-1955年,为了修正土壤团聚体和风蚀度之间关系的基本解释,检查在一系列新的土壤中这种关系的合理性和各种不同土壤组分的容重对风蚀度的影响,弄清影响干团聚体结构的次要因素及这些次要因素之间的相互关系,C hepil做了影响风蚀的土壤特性的一系列实验,包括干团聚体结构、容重、水稳性结构、碳酸钙、有机质等

<24-31>。1982年,Skidmore等人把颗粒组成与风蚀度联系起来,按粒度结构将其分为两大类:一类是粒径>0.84mm的不易蚀土粒,称为非可蚀性颗粒(NEP);另一类是粒径≤0.84 mm的可蚀性颗粒(EP)。其中,粒径0.05～0.50 mm的土粒为最易蚀性颗粒(MEP)

<32>。1998年,刘连友等人对半干旱区3种典型土壤进行风洞模拟测定,并通过粒度分析,指出:土壤可蚀性不仅取决于土壤的内在性状,而且与不同风速的外在风蚀效应密切相关

<33>。董治宝等人通过风洞实验研究了风成沙粒度特征对其风蚀可蚀性的影响,发现风成沙的风蚀度随粒度的变化服从分段函数。在相当粒径的条件下,混合沙粒较均匀粒径者易风蚀

<34>。表1土壤可蚀性指标Tab.1Soil erodibility indices提出者年代可蚀性指数方法类型Middletton<4>1930分散率,侵蚀率1水蚀Baver<8>1933分散-渗透性指数1水蚀Bouyoucos<3>1935 粘粒率=(沙+粘粒)/粘粒1水蚀Peel

<35>1937渗透性,悬浮率,分散率1水蚀朱显谟

<36>1954土壤膨胀系数,分散速度1水蚀Woodburn<9>1956团聚体稳定性,分散率1水蚀朱显谟<10>1960静水中土体崩解情况1水蚀田积莹<12>1964 分散率,侵蚀率,团聚度等1水蚀Ekwue

<37>1992土壤渗透性1水蚀杨玉盛<13> 1992侵蚀率,分散率等1水蚀赵晓光<11>2003抗剪强度1水蚀Voznesenskil<14>1938E=dh/a 2水蚀Gussak<15>1946冲走100g土壤所需水量2水蚀Elision

<38>1 947土壤可分离性,可搬运性2水蚀朱显谟<10>1960水冲穴的深度2水蚀唐克丽

<39>1964土壤粘土矿物构成,微结构2水蚀Subhash

<40>1978侵蚀系数:K2水蚀Bajracharya

<41>1992团聚体稳定性,抗冲强度2水蚀蒋定生<42>1 995可冲刷性系数2水蚀Amezketa

<43>1996土壤结剪构,切团强聚度体等稳定性,2水蚀陈洪松

<44>2000钠液吸中附离比,子土浓壤度溶2水蚀Olson<16>1 963标准所小引区起上的单土位壤降流雨失侵量蚀力3水蚀Farres<18>1985水稳性团聚体的风干率3水蚀周佩华

<45>1993单的位土径流壤流深所失量对应3水蚀Chep il<23>1942水稳定性,干土块结构1,4风蚀Chepil<24,25>1950干团聚体结构,块状结构1,4风蚀Chepil<26~28>1951土壤容重,结构体机械稳定性1,4风蚀Chepil<29>1952土壤结构1,4风蚀Chepil<30>195 4碳酸钙,分解的有机质1,4风蚀Chepil<31>1955沙,粉粒和粘粒的比例1,4 风蚀Skidmore<32>1982颗粒组成1,4风蚀注:1-测定土壤的理化性质2-水冲试验3-小区试验4-风洞试验3土壤可蚀性的计算从20世纪50年代以来,土壤侵蚀模型在试验定量研究的基础上被引入土壤可蚀性的研究中。它是用数学方法定量描述各个因子对土壤侵蚀的影响以及侵蚀过程,最终预报土壤流失量。通过建立侵蚀量与主导独立因子之间的关系式或诺谟图,采用逐步图解法或积分法计算侵蚀量。3.1USLE,RUSLE与诺谟图“通用土壤流失方程”(USLE)是应用最为广泛的水蚀预报模型。1958年,USLE最先被美国水土保持局用于不同耕作制度与土地利用方式下土壤流失量的长期评估。