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中国主要水土保持耕作措施因子

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中国水土保持SWCC 2013年第1O期 中国主要水土保持耕作措施因子 郭乾坤 ,刘宝元 ,朱少波 ,王国燕 ,刘瑛娜 ,王爱娟 (1.北京师范大学,北京100875;2.北京水保生态工程咨询有限公司,北京100055) [关键词]水土保持耕作措施因子;土壤侵蚀;径流小区;水蚀区;中国 [摘要]水土保持耕作措施因子是中国土壤流失方程参数之一,确定全国范围主要措施的因子值,是计算土壤水蚀模 数的基础工作,可为开展全国土壤侵蚀强度评价奠定基础。以收集的文献资料和监测资料为基础,计算了全国水蚀区等 高沟垄种植、垄作区田和免耕等5种耕作措施因子值,并基于区域差异不显著分析结果,确定了最终的全国统一因子值, 为模型的推广应用提供了数据基础 [中图分类号]¥718.56 [文献标识码]A [文章编号]1000—0941(2013)10—0022—05 耕作措施是指通过农事耕作以改变微地形、增加 区坡耕地水土流失规律的研究,杨子生_8 对滇东北坡 地表覆盖、增加土壤入渗等提高土壤抗蚀性能、保水保 耕地土壤流失方程的研究等。这些研究涉及的主要耕 土,防治土壤侵蚀的方式¨J。耕作措施可以有效控制 作措施包括等高耕作、等高沟垄种植、垄作区田、掏钵 土壤侵蚀,评价它们的作用,是水土流失调查和水土保 种植、抗旱丰产沟、休闲地水平犁沟、中耕培垄、草田轮 持规划的重要依据。美国通用土壤流失方程就将耕作 作、间作与套种、横坡带状间作、休闲地绿肥、留茬少 措施的影响分别归为植被与覆盖管理因子C和水土保 耕、免耕和轮作等 j。无论是效益评价还是耕作措施 持措施因子P中,前者如免耕,后者如等高耕作、沟垄 因子值的确定,往往都因研究者使用不同地区不同类 种植和带状耕作等。我国农业耕作历史悠久,水土保 型的小区观测资料,研究结果只能进行区域性评价或 持耕作措施种类繁多,效果显著,因此我国学者多将其 应用,而无法实现全国范围的统一应用。2010--2012 在一级分类中单独划分,非常符合我国农地土壤侵蚀 年国务院开展了第一次全国水利普查(国发[2010]4 。和水土保持特征。基于此,中国土壤流失方程CSLE 号),第五项内容是水土保持情况普查,包括土壤水蚀 (Chinese Soil Loss Equation)将水土保持措施的影响归 普查。实施方案要求采用中国土壤流失方程计算土壤 为3个因子:植物覆盖因子、工程措施因子和耕作措施 因子 J。耕作措施因子是中国土壤流失方程7个预报 水蚀模数,评价土壤侵蚀强度及其分布 ,确定适用 因子之一,是指采取某种耕作措施的土壤流失量与同 全国的主要耕作措施因子 值是实现评价的前提和基 等条件无耕作措施的土壤流失量之比( ),无量纲,取 础。本研究通过收集已有耕作措施研究成果和监i贝4数 值范围为0~1;未采取耕作措施的顺坡种植耕作 取 据,基于 的定义采用统一方法,修订和计算了我国主 1,采取某种耕作措施未导致土壤流失时, 取0,T越 要耕作措施 值,保证了水力侵蚀普查的顺利实施。 小表示某种耕作措施的保土效益越好 J。 1资料与方法 由于耕作措施可以起到保土和增产的双重效益, 因此学者对其进行了大量研究,归纳起来包括两类:一 1.1 资料收集与整理 是评价各种耕作措施的保水保土效益,如陈光等 监 收集与耕作措施相关的研究成果,包括期刊论文、 测了东北黑土区横坡垄作的水土保持效益,夏岑岭 会议论文、学位论文等186篇;径流泥沙测验资料,包 等 研究了皖南地区坡耕地主要水土保持耕作措施, 括水利部和省(市、区)等的监测数据汇编11册,还有 杨爱民等 研究了不同垄作区田配置形式在黑龙江省 部分自有径流小区实测资料。由于径流小区资料提供 西部半干旱坡耕地的水土保持效益;二是为估算土壤 的数据形式不一,所以将其归纳为3类:①直接利用径 流失量研究耕作措施因子值,如张宪魁等 对黑龙江 流小区实测数据计算出耕作措施因子 值;②成果目 水土流失方程的研究,孙景华等 对辽北低山丘陵 的是评价耕作措施水土保持效益,给出了与对照小区 相比的某种耕作措施的水土保持效益值,即保水保土 [基金项目]中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 比例或百分比;③前两种成果都没有给出 值,但给出 郭乾坤等:中国主要水土保持耕作措施因子 了顺坡和耕作措施小区土壤流失量,以及相应的小区 表1 不同地区主要耕作措施 值及其资料情况 坡度和坡长信息。 为了保证收集的径流小区资料合理可靠,采取以 蟹省份站名 耩 嚣 下方式进行遴选:①比较同一区域内同一措施因子值, 如有个别值与总体相差太大,作为异常值剔除;②采用 观测年限长的资料。据此共得到53条记录(表1)。 记录条目最多的是等高沟垄种植33条,其次是垄作区 田9条和免耕7条。区域上涉及东北黑土区、北方土 石山区、西北黄土高原区、西南土石山区和南方红壤丘 陵区等我国所有水蚀类型区。考虑到样本大小,最终 确定计算等高沟垄种植、垄作区田、掏钵(穴状)种植、 抗旱丰产沟和免耕共5种耕作措施的 值。 1.2 T值修订与计算方法 对上述3类数据采取不同的方法修正或计算 值。 (1)第一类文献。该类文献给出了 值,可利用 文献提供的小区土壤流失量资料,按照 值定义计算 复核该值的可靠性,若不符合则寻找原因,进行修订。 (2)第二类文献。该类文献给出了耕作措施的保 土效益, 值等于1减去该效益值。 (3)第三类文献。根据给出的信息可以计算 值,具体方法如下:若顺坡小区和耕作措施小区坡度和 坡长一致,则直接用耕作小区流失量与顺坡小区流失 量相比得到 值;若二者坡度坡长不同,则利用下述坡 度和坡长因子公式将耕作小区坡度坡长订正到与顺坡 小区相同水平,计算出该坡长坡度下的流失量,再与顺 坡小区流失量相比即为 值。公式为 Ti=A LoS0/(A0L S ) (1) 式中: 为第i种耕作措施因子值;A 和A。分别为该 种耕作措施小区和顺坡小区土壤流失量;S 和5。分别 是该种耕作措施小区和顺坡小区坡度因子;L 和 。分 别是该种耕作措施小区和顺坡小区坡长因子。 和s 因子计算公式为 [10・8sinO+0・03 ( <5 0) 赵雨森E ] S={16.8sinO~0.5 (5。≤0<10o)(2) 王宝桐[ ] 【21王宝桐[ ] .9sin ~0.96 ( ≥10。) 宾县 L=(A/22.1) (3) 拜泉1989--1990 2 O.050 杨爱民 式中:0为坡度,(。);m为坡长指数,0I>5。时m取0.5, 茬 旨 甘肃 0.095 蒋德麒 0在3。~5。之间时m取0.4,0在1。~3。之间时m取 绥德19511957 7 16~30 0.173 绥德站[13 米脂 0.3,0<1。时m取0.2。 高 陕西 原 绥德 1958 1 12~16 0.000 刘昌红E 区 绥德 1958 1 27 0.300 刘昌红[ 2结果分析 西南 土石 四川 南充1986--1988 3 10 0.160 吕甚悟[ ] 2.1主要耕作措施 值 山区 对53条记录修正和计算后,得到不同地区主要耕 作措施 值(表1)。 中国水土保持SWCC 2013年第10期 续表1 注:表中空白表示原文未提供相关信息, 为水利部水土保持监测中 心数据;因子值t标数字1、2、3分别表示第一类文献、第二类文献 和第三类文献三种不同 值提供方式。 等高沟垄种植、垄作区田和免耕3种耕作措施在 全国分布较广,资料比较丰富,进行了71值统计分析 (表2)。 袁2不同耕作措施类型 值 措施类型 记录数 均值 标准差最大值最小值中位数 等高沟垄种植 33 0.402 0.205 0.776 0.035 0.372 垄作区田 9 0.196 0.161 0.413 0.000 0.160 免耕 7 0.207 0.120 0.399 0.000 0.200 等高沟垄种植在5个水蚀类型区都有分布,共有 33条记录, 值变化于0.035~0.776之间,平均值为 0.402,标准差0.205。其中,记录 值大于0.7的有3 条:1条位于四川盐亭,明显高于同篇文献中的乐至、 内江和仁寿 J,作者提到土壤母质有所不同;2条记录 分别出现在辽宁的铁岭 和阜新 J,均位于辽宁北部。 值小于0.1的有2条,分别出现在甘肃庆阳 和黑 龙江宾县 J。垄作区田主要位于东北黑土区和西北黄 土高原区,共有9条记录, 值变化在0~0.413之间, 平均值为0.196,标准差0.161。免耕除西南土石山区 外都有分布,共有7条记录, 值变化在0—0.399之 间,平均值为0.207,标准差0.12。 3种措施相比,垄作区田和免耕 值比较稳定,水 土保持效益接近,且明显好于等高沟垄种植。这与耕 作措施机理有关:免耕对土壤扰动很小,而且秸秆覆盖 削减雨滴击溅作用,不仅保土,而且有助于保土保墒, 改良土壤结构,提高土壤肥力,增强土壤抗侵蚀 性 .3 。垄作区田能就地蓄水保肥,有效降低径流量 和流失量 。等高沟垄种植主要依靠改变微地形特 征,改变径流方向,减缓土壤侵蚀,但若垄沟被冲毁,则 会加剧侵蚀,加之自然界地形复杂,难以保证完全的等 高,遇到较大降雨也可能会产生侵蚀,因而其水土保持 效益相对前二者会差一些¨ 。 掏钵种植(穴状种植)和抗旱丰产沟主要分布在 北方旱地农业区,掏钵种植仅有山西离石_2 B_1条记录, r,值为0.499;抗旱丰产沟仅有吉林 1条和山 西 J2条 值记录, 值分别为0.409、0.05和0,需 要丰富观测。 2.2不同水蚀类型区 值差异性检验 为了进行全国范围的应用,进一步对5个水蚀类 型区主要耕作措施 值进行差异显著性检验,若差异 不显著则可以直接采用均值,若差异显著则需要分区 赋值。由于等高沟垄种植、垄作区田和免耕3类 值 记录较多,所以对其分别在0.O1和0.05两个水平进 行均值差异显著性检验。结果表明:0.01水平下所有 耕作措施的地区差异均不显著,0.05水平下只有等高 沟垄种植 值在东北黑土区和北方土石山区之间有显 著性差异,与其他水蚀类型区均无显著性差异;垄作区 田和免耕 值均无显著性地区差异(表3)。总体来 说,这3种耕作措施可以在全国范围内采用统一的均 值(表4)。若要提高计算精度,则可以将等高沟垄种 植按3个水蚀类型区分别取值,东北黑土区、北方土石 山区和其他地区分别为0.251、0.549和0.435。掏钵 (穴状)种植和抗旱丰产沟 值记录很少,暂时直接采 用其平均值(表4)。 表3不同水蚀类型区耕作措施 值差异性检验(0.05水平) 注:同一种耕作措施若任意两个水力侵蚀区含有相同字母,则说明该 措施均值在这两个区域差异不显著。 表4我国水蚀区主要耕作措施 值初估 5种耕作措施 值显示(表4),全国范围内垄作区 田水土保持效益最好,减少了84%的土壤流失量,其 次是免耕和抗旱丰产沟,约减少80%的土壤流失量, 等高沟垄耕作和掏钵(穴状)种植减少了50%以上土 壤流失量。 郭乾坤等:中国主要水土保持耕作措施因子 持通报,1999,19(1):1—9. ・25・ 3 结语 [9]李智广,符素华,刘宝元.我国水力侵蚀抽样调查方法[j]. 本研究通过收集、整理和筛选已有水土保持耕作 措施效益研究成果,并结合相关径流小区监测资料,修 订和计算了研究成果包含的不同地区各种耕作措施因 子值,在此基础上通过同一耕作措施均值在不同区域 的差异显著性检验,最终确定适用全国的5种主要耕 中国水土保持科学,2012,10(1):77—81. [1O]国务院第一次全国水利普查领导小组办公室.第一次全 国水利普查培训教材之六:水土保持情况普查[M].北 京:中国水利水电出版社,2010:1. [11]尉恩凤,南梅,南洋.内蒙古黄土丘陵区土壤侵蚀预报模 型[J].内蒙古科技与经济,2002(3):18—19. 作措施因子值,基本结论如下: [12]史培军,刘宝元,张科利,等.土壤侵蚀过程与模型研究 (1)我国水土保持耕作措施主要包括等高沟垄种 [J].资源科学,1999,21(5):9—18. 植、垄作区田、免耕、掏钵(穴状)种植和抗旱丰产沟, 其中等高沟垄种植在全国5个水蚀类型区均有分布, 其次是免耕,除西南土石山区外均有分布,其他几种类 型主要分布在我国北方旱作农业区。 (2)对样本量较多的等高沟垄种植、垄作区田和 免耕3种类型 值的差异显著性检验表明,0.01水平 下各种耕作措施 值均无显著性区域差异,0.05水平 下垄作区田和免耕 值无显著性地区差异,只有等高 沟垄种植在北方土石山区和东北黑土区有显著差异, 其他地区也无显著差异。 (3)根据无显著性差异结果,确定适用全国的5种 耕作措施 值,变化范围为0.162~0.499。T值结果 显示:5种耕作措施均能减少50%以上的土壤流失量, 其中垄作区田和免耕的保土效益最好,可减少80%以 上的土壤流失。 因资料太过有限,我们认为对掏钵(穴状)种植和 抗旱丰产沟 值需要进一步观测和研究,同时应进一 步汇总我国各地区其他耕作措施,加强相关监测,确定 其因子值,深化区域土壤侵蚀定量评价方法。 [参考文献] [1]蒋德麒.我国的水土保持耕作措施[J].中国水土保持, 1984(2):2—6. . [2]Baoyuan L,Keli z,Yun X.An Empirical Soil Loss Equation [J].Process of soil erosion and its environment effect,2002 (2):21—25. [3]陈光,范海峰,陈浩生,等.东北黑土区水土保持措施减沙 效益监测[J].中国水土保持科学,2006,4(12):13—17. [4]夏岑岭,史志刚,欧岩峰,等.坡耕地水土保持主要耕作措 施研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2000,23 (z1):769—772. 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[30]史观义.抗旱丰产沟[J].农业科技通讯,1982(4):30—31. 中国水土保持SWCC 2013年第10期 中国水力侵蚀抽样调查 刘宝元 ,郭索彦 ,李智广 ,谢 云 ,张科利 ,刘宪春 (1.北京师范大学地表过程-9资源生态国家重点实验室/地理学-9遥感科学学院,北京100875; 2.水利部水土保持监测中心,北京100055) [关键词]水力侵蚀;抽样调查;调查单元;土壤侵蚀;中国土壤流失方程;土壤侵蚀强度 [摘要]在回顾国内外区域性土壤侵蚀调查方法基础上,从抽样设计、数据采集与处理、水力侵蚀强度评价方法和全国 水力侵蚀成果4个方面阐述了第一次全国水利普查水土保持情况普查中水力侵蚀普查的全过程。简要介绍了本次水力 侵蚀普查成果,并与2000年水利部发布的第二次土壤侵蚀遥感调查结果比较,分析了我国水力侵蚀的动态变化,据此提 出了优化调查单元布局、加强动态评价等建议。 [中图分类号]¥157 [文献标识码]A [文章编号]1000—0941(2013)10—0026—09 目前世界范围内区域水土流失评价主要采用3种 覆盖下可能的土壤侵蚀状况,因此称为土壤侵蚀危险 方法:①抽样调查。依据抽样确定调查位置和范围,实 性评价。③遥感调查。基于30 m×30 m空间分辨率 地调查土壤侵蚀影响因子,然后利用土壤侵蚀模型评 FM遥感影像和1:5万地形图资料,在GIS技术支持 价水土流失现状。该方法以美国为代表,从20世纪50 下,利用人机交互判读方法,对非农地采用坡度与植被 年代开始不断完善,1977年首次采用通用土壤流失方 覆盖、对农地采用坡度直接判断土壤侵蚀强度。该方 程和风蚀方程评价土壤侵蚀,到1997年,每隔5年进 法以我国为代表,从20世纪80年代至今共进行了3 行1次,共进行了5次 。2000年以后每年进行,以 次l 。 积累的数据为基础,减少抽样数量,进行动态变化监 网格估算可以实现全区域无缝隙评价,但每块地 测。至今已发布6个年度(1982、1987、1992、1997、 的精度并不高。遥感调查实现了区域无缝隙评价,但 2002和2007年)节点的全国土壤侵蚀评价动态变化 存在3个问题:一是30 m×30 I/'1空间分辨率依然较 成果_2 J。②无缝隙网格估算。按一定空问分辨率将区 粗,尤其是无法反映土地利用破碎和有水土保持措施 域划分为网格,在GIS技术支持下,利用土壤侵蚀模型 分布时的真实情况;二是考虑因素不够,评价只依据地 估算各网格土壤流失量,实现了区域无缝隙评价。该 形和植被覆盖2个因子,既没有考虑侵蚀动力——降 方法以澳大利亚_3’和欧盟各国 为代表。网格大小取 雨,也没用考虑被侵蚀对象——土壤;三是定量不足, 决于能够获得的数据空间分辨率,如反映地形特征的 评价结果只能区分土壤侵蚀强度级别,无法估算土壤 数字高程数据DEM分辨率,反映植被覆盖度的遥感植 侵蚀模数。网格估算和遥感调查由于空问分辨率的限 被指数分辨率等,目前采用较多的是1 km X 1 km网 制,都无法反映水土保持措施的影响,进而无法评价水 格。因这种方法在田块尺度上水土流失影响因子的计 土保持效益。 算精度低,不能反映水土保持措施的作用,多假设水土 基于上述两种方法的不利之处,本次土壤水力侵 保持措施因子等于1,反映的是实际土地利用和植被 蚀普查采用了抽样方法。主要优点如下:①精确性,实 地调查获得的土地利用和水土保持措施信息精度是其 [基金项目]第一次全国水利普查水土保持情况水力侵蚀因子与强度计 他数据源所无法取代的;②灵活性,只要坚持科学合理 算分析与制图;中央高校基本科研业务费专项资金项目 的抽样原则和比例就能反映出土壤侵蚀的复杂性和特 [31]黄占斌,张锡梅.黄土高原粮食生产与水土流失和水土保 [作者简介】郭乾坤(1987一),男,河南雎县人,博士研究生, 持的相关分析[J].生态学杂志,1992,12(3):47—52. 主要研究方向为土壤侵蚀。 [32]王礼先.水土保持学[M].北京:中国林业出版社,1995: [收稿日期]2013—07—20 144—325. (责任编辑孙占锋) 

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