我国坡地土壤侵蚀影响因子C的研究进展

吴发启， 林青涛， 路陪， 王钰

(1.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌；2.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌)



我国坡地土壤侵蚀影响因子C的研究进展

吴发启1， 林青涛2， 路陪2， 王钰2

(1.西北农林科技大学资源环境学院，712100，陕西杨凌；2.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

摘要：为完善及促进我国土壤侵蚀预测预报工作的完善与进展，在阅读大量文献资料和试验研究的基础上，对照美国的研究成果，回顾与展望了C因子的研究。从研究现状来看，我国的研究大致可划分为资料累积、研究和深化研究3个阶段，已取得了可喜的成绩。今后还需强化对C因子的系统定位观测和模拟实验，构建适用于不同水土流失类型区的计算模型。

关键词：C因子； 坡耕地研究现状； 中国； 展望

中国位于欧亚大洲东部，太平洋西岸，土地幅员辽阔，跨越了不同的生物气候带。复杂的地质地貌结构使她成为了一个多丘陵与山地的国家(山地丘陵面积约占国土总面积的70%)。中国是世界农业发展最早的国家之一，长期的人类活动与自然因素相互的作用使土壤侵蚀愈演愈烈，已成为头号环境问题[1-3]。中国有耕地1.2亿hm2，其中坡耕地占到20%左右，坡耕地侵蚀量占流域产沙总量的60%～70%[4]；因此，坡耕地是水土保持研究与治理的重点区域。在水力侵蚀区，坡耕地的水土流失主要受降雨(R)、土壤(K)、地形(LS)、作物覆盖及管理(C)和人为治理措施(P)等的影响。纵观研究态势可知，C因子在我国研究起步较晚，系统性较差，难以满足土壤侵蚀预测预报及水土保持规划的需求[5]；另一方面，研究者普遍认为C因子在土壤侵蚀预报中是最为敏感的因子，对预报精度影响很大[6-7]，故本文就我国坡耕地作物植被对水土流失影响的研究状况作以回顾，以促进该领域的研究。

1C因子的内涵与发展

作物植被覆盖及管理的防蚀作用可用植被作用系数来表述，是有植被覆盖地的土壤流失量与相同条件下无植被覆盖地的土壤流失量之比，其值介于0～1之间。当无植被作用时，C=0；当植被作用达最大时，C=1。此概念最早是由美国学者G. W. Musgrave提出的，并在马氏土壤流失预报方程中得到了应用，也为后续通用流失方程(USLE)、修正通用土壤流失方程(RUSLE)和WEPP模型的研制起到了很大的促进作用[8]。

坡地C因子的发展与完善是与分析其作物的生长特征和影响因素密切相关的。在通用流失方程中，C因子的计算主要考虑了作物的生长阶段和降雨侵蚀力2个因素，即作物每个生长阶段的值与该作物同一生长阶段所具有的R值占全年R值的百分数乘积的总和[9-12]；然而，作物的生长不仅与气候条件有关，还受制于前期土地利用、土壤水分、播种时的整地与播种方式、生长过程中的定苗、锄草、追肥，以及土壤结皮等因素的综合作用，因此，在修正土壤流失方程中，对C值的计算采用了次因子法，即在土壤流失率计算中考虑前期土地利用次因子(PLU)、冠层覆盖次因子(CC)、地面覆盖次因子(SC)、地表糙度次因子(SR)和土壤水分次因子(SM)等，使C值的计算更加科学合理[13-24]。在美国最新一代水蚀预报模型(WEPP)中，C因子考虑得更为详细，并分散在土壤模块、植物生长模块和残留物分解模块等子模块中[25-28]。上述C因子的发展情况见表1，可见C因子受多个环境因素的影响，是一个非常复杂的因子。

表1　美国C因子计算方法

表1(续)

2我国C因子的研究现状及进展

我国C因子的研究大致可划分为资料积累、研发和深化研究3个阶段。

2.1资料积累阶段

该阶段主要经历了2个时期：一是1941—1942年在黄土高原的陇南、关中的荆峪关、四川北碚和福建河田等地设立了水土保持试验观测站，采取径流小区法研究侵蚀问题；二是1950—1953年在黄土高原不同侵蚀类型区相继建立了西峰、绥德和天水水土保持科学试验站，这些站除了采用径流小区法观测水土流失外，还采用把口站法监测小流域的侵蚀状况[2，29]。就小区观测资料来看，3个站大约积累了近2 000余组的数据(表2)，为后续研究奠定了一定的基础。如表2所示，当时的观测主要是服务于农业生长，难免观测内容变化快且系统性、长期性的观测数据较少。

2.2研发阶段

20世纪70年代末以来，随着通用流失方程的引进与传入，我国学者对C因子开展了较为广泛的研究[9，30-32]。该阶段的研究成果主要体现在以下3方面：

1) 成果覆盖面较广。研究成果的覆盖面主要体现在2方面：一是在美国通用土壤流失方程(USLE)、修正通用流失方程(RUSLE)和水蚀预报模型(WEPP)的推广应用中，C因子均有研究[25，33-42]；二是研究区域几乎包括了全国(除台湾省外)所有的水蚀区，见表3。

2) 形成了C因子的基本计算式。30余年来，我国学者对C因子的研究主要是本着服务于土壤侵蚀的预测预报；因此，C因子的估算就显得非常重要。起初，人们主要是在C因子的概念指导下，应用、模仿和直接采用通用土壤流失方程、修正土壤流失方程中的基本算法。随着试验研究工作的开展与资料积累，许多学者建立了适用于特定研究区域的经验计算公式。总体来看，主要有手册查询法、标准小区法、次因子法、反算法和盖度法等，见表4。

表2　黄土高原地区野外径流小区观测资料统计

表3　中国大陆C因子研究区域分布

表4　C因子计算方法一览表

表4(续)

3)研究尺度扩展，新技术得到了应用。C因子的研究与应用现已从小区、坡面、小流域扩展到中大流域和区域，遥感技术也得到了普及[41,46-47,53,55,59,62-70]。冯强等[15]研究分析后认为土地利用/覆盖类型直接赋值法、遥感影像波段组合或植被指数估计法、光谱混合分析法和地统计学与遥感影像结合分析法等均可用于C因子的研究。

2.3深化研究阶段

大量研究证实森林植被的防蚀能力主要体现在冠层对降雨的再分配、凋落物的持水和根系固土等3方面[10]。与林地相比，作物坡地缺乏凋落层，且人为干扰程度频率高，是造成水土流失强烈的主要原因之一[71]；但人为适时的耕作管理等也会增加地表的粗糙程度，并与作物冠层、根系共同作用后达到防蚀的效果。为此，10余年来不少学者在这些方面做了较为系统的研究，使C因子的研究不断深化。

1) 作物冠层对降雨的再分配。作物冠层对降雨的再分配主要包括了冠层截留、茎秆流和穿透雨3部分。不少学者针对当地的主要作物均有研究[72-79]；但从某一地区作物的种类及系统性研究来看，马波等[80,82-88]及马璠等[81，89]的研究更为完整[80-89]，见表5。

表5　不同作物冠下穿透雨、茎秆流和冠层截留

注：以10°坡面，40 mm/h降雨强度为例。Note: take 10 ° slope，40 mm/h rainfall intensity as an example.

2) 作物根系的固土作用。在自然界中，作物根系与土壤共同构成了一个复合体，根系可以通过分泌物等将周围的细小颗粒凝聚在一起，从而对复合体起到一种“加筋”作用，使其大大增强了抗雨滴打击和径流冲刷的能力[90]。表6反映的是玉米等4种作物抗剪强度的研究结果[91-94]，从表中可知，随着作物的生长，根系固土能力增强。

表6　作物不同生长期土壤抗剪强度变化

注：以10°坡面为例。 Note: take 10 ° slope as an example.

3) 地表糙度的作用。在作物栽培管理中，人们通过整床、定苗、锄草、追肥等措施往往使地表形成凹凸不平的微地形。这种微地形对降雨进行再分配后影响到径流和泥沙的变化。黄土高原当地群众在作物管理中常采用的等高耕作、等高点种和锄耕(锄草)的试验研究结果说明，在降雨强度为2和1 mm/h时，它们的平均填洼量分别是平整坡面的27.7、3.15和2.99倍，产流时间平均推迟8.93、3.45和1.49 min，从而使产流量、产沙量大大减小，但粗糙度的减流减沙作用也会随着坡度的增大出现增减变化[95-102]。

4)土壤结皮的作用。在降雨打击和径流压力作用下，往往会在农地表面形成土壤结皮。结皮的存在限制了土壤水与环境的交换，削弱了雨水入渗，对作物正常生长发育也造成了一定影响。研究表明，非结皮土壤的平均入渗率是结皮土壤的1.25倍，平均产沙量为1.28倍，而结皮土壤的平均产流量是非结皮土壤的1.15倍[103-111]。

图1　不同生育期作物坡面平均入渗速率变化特征(降雨强度80 mm/h)Fig.1　　Characteristics of average infiltration rate changing on crop slope in different growth 　stages under the condition of 80 mm/h rainfall intensity

5)作物坡地的入渗与产流产沙。在上述因素的综合作用下，作物坡地的平均入渗速率随叶面积指数的增大而增加，而产流产沙则减少，见图1、图2[87-89，112-116]。

3结论与展望

综上所述，我国作物坡地C因子的研究大致可划分为资料累积、研发和深化研究3个阶段。经几十年的努力，取得了一定的成就，但从观测、研究内容的整体性和系统性来看，该项工作还需强化，仍然是我国水土保持工作者一项义不容辞的艰巨工作[60]。为此，提出以下建议：

图2　作物不同生育期作物坡面产流产沙过程变化(10°坡面，降雨强度80 mm/h)Fig.2　　Runoff and Sediment yield process changes of different crops in different growth stages under the 　condition of 10°slop and 80 mm/h rainfall intensity

1) 在我国不同水土流失类型区，特别是水力侵蚀类型区强化和建立主要作物坡地的径流观测小区，对水土流失影响因子及作物生物学特征进行系统观测；

2) 强化室内综合模拟试验研究，弥补野外试验的缺陷；

3) 对国内已有的研究、观测结果进行系统的总结，为建立不同水土流失类型区(二级区即可，强烈水土流失类型区可下延到3级区)和全国范围内C因子的计算模型奠定基础。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Research progress of soil erosion influence

factorsCin sloping field in China

Wu Faqi1, Lin Qingtao2, Lu Pei2, Wang Yu2

(1.School of Resources and Environments, Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China；

2.Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, 712100, Yangling, Shaanxi, China)

Abstract:In order to promote the perfection and progress of soil erosion prediction work in China, we make a review of the study of C factors and give prospect to it by contrasting with the results of United States on the basis of literature review and experimental study. From the point of research status, the research of C factor in China has obtained huge achievements which can be divided into three stages for data accumulation stage, research stage and further research stage. We still have to strengthen the systematic stationary observation and simulation experiments of C factor and build calculation models suitable for different types of soil and water loss regions.

Keywords:C factor; research status of slope cropland; China; prospect

作者简介：第一 吴发启(1957—)，男，博士，教授。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail:wufaqi@263.net

收稿日期：2015-11-09修回日期： 2015-11-20

中图分类号：S157

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0001-11