基于国内文献的RUSLE模型参数获取方法分析

叶 蕾，史正涛

(云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500)

0 前言

RUSLE模型即修正的通用水土流失模型，是美国农业部自然资源保护局(NSCS)于1992年正式决定实施的，并在世界范围内得到了推广[1]。RUSLE模型公式结构合理、方法简单、使用范围广。自RUSLE发布以来，其在世界的水土保持规划工作中得到了广泛的应用，数量众多的土壤侵蚀研究者应用RUSLE模型进行了大量的研究。但此模型是NSCS在美国学者Wischmeier[2]等基于大量的小区观测资料和人工模型的降雨试验资料建立的USLE模型的基础上进行改进的[3]，但模型的建立所使用的数据主要来自于美国落基山山脉以东区域，仅适用于平缓坡地，不适合垄作、等高耕作以及泥沙就地沉积的带状耕作措施等地带。而在中国，由于地形复杂，山地与高原占比重，耕地主要分布在坡地与丘陵，因此大量的中国学者在应用RUSLE模型时结合研究区的地理环境，对RUSLE模型进行了改进，但各个区域使用的方法并没有统一的标准，导致各个地区土壤侵蚀量的对比存在一定的困难。针对这个问题，通过对近二十年的国内RUSLE模型国内相关文章进行整理，分析研究国内RUSLE模型各参数取值主要研究方法及其使用地区，并对C、P因子各个土地利用/覆被的取值范围进行归纳，提出适合于中国各个地区的参数取值方法及C、P取值范围。

1 RUSLE模型的简介

RUSLE模型基本结构[2，4]

A=R·K·LS·C·P

式中：A为预测土壤侵蚀量(t/hm·s)；R为降水侵蚀力(cm/h·a)；K为标准小区条件下的土壤侵蚀性(t小时)；LS为坡长和坡度的侵蚀作用无量纲因子；C为覆盖和管理无量纲因子；P为水保措施(如等高、梯田、淤积等)无量纲因子。影响土壤侵蚀的4个重要因子(R—气候；K—土壤；LS—地形；C、P—土地利用和管理)均表达在此关系中，但在RUSLE中，对USLE中的一些因子做了进一步的分解，从而得出更明确的物理含义及预测的精确性[4，5]。

2 国内RUSLE模型参数计算方法

通过对国内文献进行分析，对近20年国内RUSLE方程相关文章中各个模型参数的主要取值方法和使用地区进行归纳，并对C、P因子各个土地利用/覆被取值范围进行总结。

2.1 R因子的计算方法

R因子的取值方法主要包括以下几种：Wischmeier等[3]原始算法，章文波等[6]研究方法，周伏建等[7]研究方法。

2.1.1 Wischmeier的R值原始算法

美国学者Wischmeier等[3]在1959年在美国明确提出降水侵蚀力研究方法。该方法以在美国进行的8 250个小区降雨实验资料为基础，分析了降雨动能、降雨强度、前期降雨量和最后耕作活动等土壤流失的关系，发现降雨总动能与最大30 min雨强的乘积EI30与土壤流失量关系最好[4]。目前使用Wischmeier等的R值原始算法计算R值的研究区分布主要包括中国的东北[8，9]、华东[10，11]、西北[12，13]、西南地区[14，15]。

2.1.2 章文波等R值计算方法

章文波等[6]的R值计算方法主要是基于日降水量拟合模型来估算降水侵蚀力，通过半月侵蚀力(24个半月)的累计总和得出年降水侵蚀力，公式简单，计算方便。使用章文波等R值计算方法计算R值的研究区分布主要包括中国东北[16]、华北[17]、西北[18，19]等地区。

2.1.3 周伏建等的R值计算方法

周伏建等[7]的R值计算方法，是基于福建省安溪、南安、龙海、将乐、长汀5个试验站的小区实验得出的。通过对5个站点各时段雨强(mm/min)和5、10、20、30、60 min最大时段雨强(cm/h)及其对应的土壤流失量进行记录与统计，总结出适合于福建省的降雨侵蚀力R值的简便算法。使用该R值计算方法来计算R值的区域主要集中在福建省[20，21]和与福建省气候、水文条件等较为相似的地区[22]。

2.2 K因子的计算方法

K因子的取值方法主要包括以下几种：EPIC的模型公式，Wischmeier[3]等的可蚀性诺谟方程，刘宝元等[23]K值计算方法。

2.2.1K因子计算的EPIC模型公式

EPIC是1981年被开发出来用于评估美国土壤侵蚀和土壤生产力之间关系的一个数学模型。它主要由气候、水文、侵蚀沉积、营养物质循环、杀虫剂、作物生长、土壤温度、耕作、经济作物环境控制等因子和30多个方程组成。

EPIC模型公式求K值的方法在中国应用十分广泛，几乎在中国的任何地区[24-29]进行的土壤可蚀性实验都可使用EPIC模型进行计算。

2.2.2K因子计算的Wischmeier等的可蚀性诺谟方程

Wischmeier等[3]选用粉粒+极细砂砾含量、砂砾含量、有机质含量、结构系数和渗透性等级5项土壤特性指标，通过分析其与土壤可蚀性因子K值之间的关系，提出了土壤可蚀性K值的计算公式。使用该公式计算K因子的方法应用在中国的华北[30]、华东[31]、西南[32-34]等地区。

2.2.3K因子计算的刘宝元等计算方法

刘元宝[23]的K因子的计算方法，是在Wischmeier等[3]的可蚀性诺谟方程公式上进行改进的，改进后的公式更加适用于在各土壤颗粒资料稀缺时使用，可直接使用土壤颗粒的平均几何粒径。使用刘宝元等K值研究方法计算K值的区域，主要集中在中国的西北[19]和西南[35]地区。

2.3 LS因子的取值方法

LS因子的L和S因子的取值方法可以分为：L因子的取值方法主要有：Wischmeier等[3]的L因子计算方法、Van Remortel[36]等的L因子取值方法；S因子的取值方法主要包括：McCool等[37]的S因子取值方法、刘宝元等[23]的S因子取值方法、以及结合McCool等[37]和刘宝元等[38]两者的取值方法。

2.3.1L因子的取值方法

L因子的取值方式主要包括以下几种：Wischmeier等[3]的L因子计算方法、Van Remortel等[36]的L因子取值方法等。

(1)Wischmeier等的L因子计算方法

Wischmeier等[3]的L因子计算方法是1978年由Wischmeier和Smith[3]两人共同推出的计算坡长因子的方法。该方法在中国主要应用在华北[39]、华南[40]、华东[41]、西北[42]和西南[43、44]地区。

(2)Van Remortel等的L因子计算方法

Van Remortel等[34]的L因子计算方法是Van Remortel等[34]先后采用Arc Map软件的宏语言开发的基于Wischmeierhe和Smith[3]的坡长坡度因子计算公式的算法；其公式与Wischmeierhe和Smith[3]的相同，只是式中的L为坡长因子，θ为DEM提取的坡度值，α为坡度坡长指数，β为细沟侵蚀和面蚀的比值。该方法在中国主要集中应用在西南[43]和华东[44]地区。

2.3.2S因子的计算方法

S因子的取值方式主要包括以下几种：McCool等[37]的S因子取值方法、刘宝元等的S因子取值方法、以及结合McCool和刘宝元等两者的取值方法。

(1)McCool的S因子计算方法

McCool等[37]的S因子计算方法的资料来源主要来自于美国缓坡地的观测数据，在中国使用McCool等的方法计算坡度因子的地区主要集中在中国华东[20]、西南[15、35]地区。

(2)刘宝元等的S因子计算方法

刘宝元等[38]的S因子的计算方法是根据西北地区的天水、安塞、绥德3个试验站的径流小区资料建立的陡坡地条件下坡度因子的算法，在中国使用了此方法计算坡度因子的地区主要在中国的华东[46]、西北[42]、西南[47]地区。

(3)McCool和刘宝元等联合的S因子计算方法

McCool等[37]和刘宝元等[38]的联合的公式是将McCool等方法和刘宝元等方法联合起来进行坡度因子计算的方法，该方法级可兼顾缓坡地带也可兼顾陡坡地带，是较为适合中国大部分地区的。McCool等和刘宝元等方法计算坡度因子的方法在中国的各个地区[16、18、28、41、48]均有使用，其结合缓坡和陡坡的方式更加适合中国的大多数地区。

2.4 C因子的研究方法

C因子的取值方法主要包括：蔡崇法等[49]研究方法、张岩等[50]研究方法等研究方法，并对不同土地利用/覆盖类型下的C因子的取值范围进行分析。

2.4.1C因子的计算方法

2.4.1.1 蔡崇法等的C因子研究方法

蔡崇法等[47]的C因子研究方法是基于植被或作物覆盖度进行计算的。C的最小值为0，即不产生土壤流失；而C的最大值为1，即为标准状况。使用该方法计算C因子的地区广泛的分布于中国各个地区[15、20、27、28、37、40、51]。

2.4.1.2 张岩等的C因子计算方法

张岩[50]等的C因子计算方法是张岩等人基于甘肃天水和陕西安塞水土保持实验资料得出来的，该试验计算了7种主要农作物(安塞谷子、安塞黄豆、安塞马铃薯、安塞荞麦、天水玉米+大豆、天水冬麦、天水扁豆)的土壤流失比率，并对黄土高原7种作物(荞麦、马铃薯、谷子、大豆、冬麦、玉米+大豆、扁豆)进行了计算，得出其C值在0.23～0.74。该研究方法主要应用于与其小区实验环境较为相似的中国西北[19、30]地区。

2.4.2C因子的取值

只有部分文献给出了各土地利用/覆被类型的具体数值，对给出具体值的土地利用/覆被的取值进行归纳，整理出水体、居民地、水田、旱地、林地、灌木林、疏林地、草地、裸地各个土地利用/覆被类型的C值取值(表1)。

表1 各个土地利用/覆被类型的C值取值范围Tab.1 Value range of C value of each land use/cover type

由上表可知，写出水体C因子具体取值的文献中水体的C因子取值主要为0，即在此类土地利用/覆盖类型下不产生土壤流失；居民地的C因子取值主要取0；水田的C因子取值范围主要集中在0.1～1范围内，取值为0.12，且都集中在西南地区，取值为0.18，在全国各地皆有应用；旱地取值范围主要集中在0.1～1范围内，取值0.21，分布在西南地区，取值0.31分布在西南和华南地区，值为0.46的分布华中、东北地区；林地C因子林地的C因子取值范围主要集中在0.001～0.01，具体取值0.004的在华北和西北地区，取值0.005的主要在东北地区，取值最多的为0.006，主要在华东和华南地区；灌木林地取值主要集中在0.01～0.1，取值0.083的在华北、西北地区，0.017的在华南、华中、西南，0.05的在西南、东北地区；疏林地C因子取值范围主要集中在0.01～0.1，具体取值0.017分布在华南和西南地区，0.05在西南、东北地区；裸土地取值主要取值为1，即为标准概况；草地的C因子取值范围主要集中在0.01～0.1，0.04和0.05取值分别在西南和西北地区。

2.5 P因子的计算方法

P因子的研究方法主要包括以下几种：蔡崇法等[49]研究方法、游松财等[52]研究方法等研究方法，并对写出的不同土地利用/覆被类型下的P因子的取值范围进行分析。

2.5.1P因子的计算方法

(1)蔡崇法等P因子研究方法

蔡崇法等[49]P因子研究方法是基于坡面侵蚀试验研究的结果，再结合卜兆宏等[53]研究结果，对不同的土地利用类型进行复制，使用此方法的地区主要集中分布在中国的华东[41]和西南[15]地区。

(2)游松财等P因子研究方法

游松财等[52]P因子研究方法是在对在印度尼西亚(CSAR，1995)的P因子研究成果进行分析的基础上，通过对TM微信影像(1991-11-7)进行监督分类，获取土地利用现状，对不同的土地利用类型进行赋值；使用了游松财等的P因子计算方法计算P因子的地区主要分布在中国的西南[54]地区。

2.5.2P因子的取值

部分文献给出了各土地利用/覆被类型的P值具体数值。对给出具体值的土地利用/覆被的取值进行归纳、整理出各个土地利用/覆被类型的P值取值范围(表2)。

表2 各个土地利用/覆被类型的P值取值范围Tab.2 P value range of each land use/cover type

由表2可知，在国内，水体的P因子取值范围主要为0，即代表根本不会发生土壤侵蚀的地区；居民地P因子的取值主要集中在0和1两个极端之上，即根本不会发生土壤侵蚀的地区和未采取任何水图保持措施的地区；水田取值0.01应用于华东地区，0.03在东北、西南地区，0.1和0.15分别在西南和西南、华东地区；旱地P因子具体取值在0.25、0.35、0.4、0.45、0.6这几个数值之中，应用于中国华东、东北、西北、西南等地；林地取值的在全国范围内主要为1，即未采取任何水保措施，其次为0.015应用于华南、华东地区；灌木林地的取值范围主要为1，0.2主要应用于华南地区；裸土地的取值主要为1，0.7主要在西北地区；草地的P因子取值主要为1，其次为取值0.2.

3 结论与讨论

为提高国内RUSLE模型使用效率，基于2000～2019年国内RUSLE模型应用文献，对RUSLE各个参数主要取值方法使用条件、使用区域进行总结与分析。总结得出：(1)R因子的计算包括Wischmeier等的原始算法、章文波、周伏健等研究方法；中国大部分地区R因子取值建议采用Wischmeier等的原始算法，该方法在降水资料详尽的情况下，可以更加精准的求出R因子的值。(2)K因子计算主要包括EPIC的模型、Wischmeier等的可蚀性诺谟方程、刘宝元等K值计算方法等；建议全国各地区K因子计算可用经典的EPIC公式，该公式充分考虑各种土壤类型，可适用于各类土壤组成的地区。(3)L因子取值方法：Wischmeier、Van Remortel等的L因子计算法；在中国大部分地区推荐使用Van Remortel等的L因子取值方法，该方法通过在软件中实现LS值计算，简单方便，适用于绝大多数地区；S因子的取值方法主要包括：McCool、刘宝元以及结合McCool和刘宝元等两者的取值方法；S因子取值建议采用最后一种，该方法兼顾缓坡与陡坡地形，在中国的使用较广。(4)C因子的取值包括蔡崇法、张岩等方法；在中国建议使用蔡崇法等法计算C因子，该方法计算简便，更加适用于各种不同的土地利用类型；C因子各个土地利用/覆被的取值建议控制在如下范围内：水体取值为0；居民地取值为0；水田取值范围在0.1～1；旱地取值范围在0.1～1；林地取值范围在0.001～0.01；灌木林地取值范围在：0.01～0.1；疏林地范围在0.01～0.1；裸土为1；草地取值范围在0.01～0.1。(5)P因子的取值方法主要包括：蔡崇法和游松财等方法。建议进行P因子计算时，采用蔡崇法等方法，该方法基于实验，使得取值更加可靠；P因子各个土地利用/覆被的建议取值范围：水体的P因子取值为0；居民地P因子的取值主要集中在0；水田P因子推荐P值为0.01；旱地P因子推荐取值范围为0.25～0.6；林地的P因子取值推荐为1；灌木林地的P因子取值推荐为1；疏林地的P因子取值范围主要为0.1～1；裸土地的P因子取值主要为1；草地的P因子取值为1。

综上所述，对RUSLE方程各个因子取值方法及C、P因子不同土地利用/覆被参数取值的归纳与建议，可为中国范围内该方程各个因子计算提供了统一的选择标准。同时，也有助于中国不同地区之间土壤侵蚀量的比较。