土壤侵蚀预报模型(书)

土壤侵蚀预报模型

刘宝元 谢 云 张科利 编著

内 容 提 要

土壤侵蚀是世界范围的环境问题之一，严重的水土流失不仅破坏土地资源、淤塞江河引起洪水灾害，而且还会污染水质，破坏水资源。土壤侵蚀预报模型是评价土壤流失状况、及其对环境和农业长期生产力的影响，进行土地资源管理和农业生产管理的有效技术工具。本书主要论述了国内外土壤侵蚀预报模型的发展历史和基本构型，系统阐述了影响土壤侵蚀各个因子的计算问题，并指出了我国土壤侵蚀预报模型发展的基本方向，以及构建我国土壤侵蚀预报模型时注意的问题等。可以为进行土壤侵蚀预报和水土资源保持研究，提供重要的方法论，同时也可作为教学和科研工作者重要的参考书。

本书可供综合性大学、师范院校、农业院校、林业院校、以及相关研究单位从事地学、水土保持、土地利用、环境保护、以及水利工程等研究的科技人员参考，也可作为本科生或研究生教材。

目 录

第一章 引 言 .............................................. 1

1.1 土壤侵蚀预报模型发展历史 ........................ 1

1.2 容许土壤流失量 ............................................ 5

1.3 土壤流失方程 ................................................ 7

第二章 降雨-径流侵蚀因子（R） ............... 13

2.1 概述 .............................................................. 13

2.2 侵蚀性降雨标准 .......................................... 15

2.3 降雨动能的计算 .......................................... 18

2.4 降雨侵蚀力指标的确定与计算 .................. 24

2.4.1 降雨侵蚀力指标的确定 .............................................. 24

2.4.2 降雨侵蚀力指标的计算方法 ...................................... 27

2.4.3 降雨侵蚀力的简易计算方法 ...................................... 31

2.5 不同条件下降雨侵蚀力的修正 .................. 33

2.5.1 缓坡积水修正 .............................................................. 33

2.5.2 土壤冻融与融雪作用修正 .......................................... 34

2.6 降雨侵蚀力的时空分布规律 ...................... 38

2.6.1 降雨侵蚀力的季节变化 .............................................. 38

2.6.2 10年一遇暴雨的降雨侵蚀力 ...................................... 39

2.6.3 降雨侵蚀力空间分布图 .............................................. 39

第三章 土壤可蚀性因子（K） .................... 67

3.1 土壤可蚀性研究进展 .................................. 67

3.2 土壤可蚀性的评价指标 .............................. 74

3.3 土壤可蚀性因子的测定与计算 .................. 76

3.4 不同条件下土壤可蚀性的选值 .................. 81

3.5 土壤可蚀性的季节变化 .............................. 83

3.6 土壤可蚀性的研究展望 .............................. 89

第四章 坡长与坡度因子（LS） ................. 103

4.1 坡长因子（L） .......................................... 103

4.2 坡度因子（S） .......................................... 105

4.3 坡度坡长因子组合（LS） ....................... 106

4.3.1 直型坡的LS因子 ..................................................... 106

4.3.2 不规则和分段坡 ........................................................ 107

4.4 土壤类型或覆盖沿坡的变化 .................... 110

4.5 估算部分坡段LS值的可选方法 ............. 111

4.6 容许土壤流失量与坡段侵蚀量的关系 .... 111

4.7 坡长的选择 ................................................ 112

第五章 作物覆盖与管理因子（C）........... 140

5.1 作物覆盖和管理因子研究历史 ................ 140

5.2 覆盖与管理因子的计算 ............................ 144

5.2.1 土壤流失比率（SLR）季节变化对计算C值的影响 ............................................................................................... 144

5.2.2 气候变量半月值的计算 ............................................ 146

5.2.3 土壤流失比率的计算 ................................................ 147

5.3 计算覆盖与管理因子参数值的确定 ........ 163

5.3.1 调整核心作物参数值 ................................................ 163

5.3.2 其它作物的参数取值 ................................................ 165

5.3.3 地面覆盖度与生物量的关系 .................................... 165

5.3.4 残体分解参数 ............................................................ 166

5.3.5 核心作物生产方式参数调整 .................................... 167

5.3.6 其它耕作方式参数值的选择 .................................... 168

5.4 特殊情况覆盖与管理因子的计算 ............ 168

5.4.1 一次性扰动和轮作条件下C值的计算 ................... 168

5.4.2 带状播种、或有缓冲条带坡地的C值计算 ........... 169

5.5 覆盖和管理因子研究现状与展望 ............ 169

5.5.1 覆盖与管理因子估算值的研究 ................................ 170

5.5.2 覆盖与管理因子影响因素的研究 ............................ 171

5.5.3 覆盖与管理因子的研究方法 .................................... 172

5.5.4 问题与前景 ................................................................ 173

第六章 土壤保持措施因子（P） ............... 209

6.1 等高耕作措施P因子值 ............................ 209

6.1.1 资料分析 .................................................................... 210

6.1.2 结果............................................................................ 212

6.2 超过临界坡长等高耕作土壤流失量估算 217

6.2.1 临界坡长 .................................................................... 217

6.2.2 超过临界坡长P因子值计算 .................................... 218

6.2.3 讨论............................................................................ 220

6.3 带状耕作P因子值 .................................... 220

6.3.1 实例分析 .................................................................... 221

6.3.2 带状耕作P因子值的发展过程 ................................ 222

6.3.3 带状耕作 P因子值计算 ........................................... 228

6.3.4 融雪和冻融情况下农田带状耕作P因子 ................ 231

6.4 梯田P因子值 ............................................ 232

6.4.1 梯田后淤积 ................................................................ 232

6.4.2 坡度的影响 ................................................................ 233

6.4.3 水土保持规划中的梯田P因子 ................................ 234

6.5 牧草地P因子 ............................................ 234

6.5.1 工程措施对径流和地表粗糙度的影响 .................... 235

6.5.2 改变径流方向的水保措施 ........................................ 237

6.5.3 未扰动条带P值 ....................................................... 238 附录A 美制单位换算成国际单位制 .... 270 附录B

附录C

参考文献 .................................... 274 符号意义 ........................................ 302

第一章 引 言

1.1 土壤侵蚀预报模型发展历史

尝试用数学方法进行水土流失预报，大约始于本世纪30年代，以Cook（1936）等的工作为标志，他列出了影响土壤侵蚀的3个主要因子：土壤对侵蚀的敏感性，降雨和径流的潜在侵蚀能力，以及植被覆盖对保护土壤的作用。几年以后，Zingg（1940）发表了计算田间土壤流失量的第一个数学方程式。该方程用数学方法描述了坡度和坡长在土壤侵蚀中的作用。其后，Smith（1941）进一步在方程中增加了作物和水土保持措施因子，他还明确提出了年土壤流失极限值的概念。他用建立的方程，绘制了适用于美国中西部地区的水土保持措施图，可以根据具体的土壤条件选择相应的水土保持措施。第二次世界大战期间，土壤侵蚀预报方法的研究工作一直在进行，但很多研究结果直到战争结束以后才得以发表。这期间，Browning和他的助手们（1947）在Smith（1941）方程中增加了土壤可蚀性因子和作物管理因子，并且列出了不同土壤、不同作物轮作、以及不同坡长等侵蚀因子数值表。他们着重评价了等高耕作、梯田和带状耕作等措施下，给定不同的土壤类型、坡度和种植制度，对应的土壤侵蚀的极限坡长大小。Smith和Whitt（1947）提出了粘磐土土壤的田间土壤流失量估算方法，给出了不同坡面上等高耕作、带状耕作以及梯田情况下的土壤流失率。同时还给出了等高耕作措施下建议采用的坡长极限值，和不同作物轮作时的相对侵蚀速率。Smith和Whitt（1948）还提出了一

个“概念性”土壤流失计算方程：A=C S L K P，并将该方程推广应用于美国密苏里州的主要土壤类型。其中，C因子是粘磐土土壤条件下，一定轮作制度、坡长、坡度和作物垄向条件下的多年平均土壤流失量。其它因子分别是：坡度（S）、坡长（L）、土壤可蚀性（K）和水土保持措施因子（P），它们都是无量纲因子。其中详细讨论了P因子的取值问题。Smith和Whitt同时认为，需要引入降水因子才能使该方程应用于其它州。

随后美国农业部土壤保护局认识到，土壤流失方程对于农业规划很有价值，于是成立了专门的研究小组，旨在研究适用于所在地威斯康辛州Milwaukeee地区的土壤流失预报方程，并最终提出了适宜于玉米种植带的土壤流失量与坡度关系的估算方法。为了使该方法应用于其它地区，1946年在俄亥俄州召开了由全美土壤侵蚀专家参加的学术研讨会。与会者回顾了全美的土壤侵蚀研究资料，重新估价了以前使用的评价因子，决定新增加降水因子，最终建立了Musgrave方程，包括降水因子，受坡度和坡长影响的地表径流因子，土壤特性，植被覆盖影响因子（Musgrave，1947）。Loyd和Eley（1952）进一步绘制了Musgrave方程的图解图，并将美国东北部各州主要条件下的侵蚀影响数值制成表。1956年，Van Doren和Bartelli提出了适用于伊利诺伊州土壤和作物条件的土壤侵蚀方程，用以估算年土壤流失量。该方程包含9个因子，其中一个因子是径流小区上实地测得的土壤流失量，然后利用以前使用的因子，以及前期侵蚀因子和管理水平因子，再将土壤流失调整到适合当地条件的水平。

鉴于州和地区级土壤侵蚀预报方程的应用成功，土壤保持决策者建议应全力研制全国性的土壤侵蚀预报方程。1954年，美国农业研究局在印地安那州普度大学（Purdue University）建立了国家径流和土壤侵蚀数据中心。该中心负责选点、收集和汇总全美国所有能得到的径流和侵蚀小区资料，以进行更进一步的深入分析（Wischmeier，1955）。随后几年里，在全美49个地区开展了联邦和州的合作研究项目，为该中心提供了10，000多个小区-年的径流和土壤流失基础资料，为建立国家级的土壤侵蚀预报方程，进行全面的总结和资料的统

计分析。

为加快全国土壤侵蚀方程的建立，1956年2月和6月在普度大学召开了由研究者和用户共同参加的联席会议。与会者努力协调已有土壤流失方程的不同之处，并将方程扩展至尚无暴雨侵蚀观测的地区，最终形成了包括7个因子的方程。这7个因子是：作物轮作、管理、坡度、坡长、保护措施、土壤可蚀性、前期侵蚀。研究提出，所有土壤的最大允许流失量为11.3t/（ha a）（5ton/（acre a））*，但实际上许多土壤的最大允许流失量低于该值。与会者认为，尚无充分的资料判断是否应引入降雨因子。但此后，通过资料中心的分析，在落基山东部各州引入了降雨因子。随后的研究还表明，作物轮作和管理因子可以合并为一个因子（Wischmeier等，1958）。

根据资料中心收集的资料，1956年年会的研究结果，以及以后的分析研究，Wischmeier，Smith和其他学者研制出了通用土壤流失方程（USLE，Universal Soil Loss Equation），该模型发表在农业手册第282号和537号（Wischmeier和Smith，1965，1978）。USLE用6个因子的乘积形式量化了土壤侵蚀，这6个因子是：降雨和径流侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度、覆盖和管理、以及水土保持措施。 为土壤保持提供便利的工具，即利用简单的技术，预报某种条件下最可能的年平均土壤流失量，这就是USLE的设计思想，因此，建立方程时遵循以下原则：（1）每一个因子能被一个变量表述；（2）每一个因子能从所在地区的气象、土壤、或侵蚀资料中获取；（3）每一个因子应不依赖于某一特定的地理环境。USLE中的“通用”，意味着该预报模型不同于其雏形的区域预报模型。但使用USLE时也有限制条件：模型的应用条件必须可靠，而且能准确估计模型包括的各个因子（Wischmeier，1976）。

USLE克服了以往模型的许多不足。虽然它的形式与以前的模型相似，但在概念、因子关系、各土壤侵蚀因子的定义、以及评价和计算方法等方面有明显不同，主要变化包括：（1）更彻底地将因子的相* 国际制单位：吨/（公顷 年），t/(ha a)；美制单位：美吨/（英亩 年）ton/（acre a）

互作用分离开来，能够更准确地预报一个或几个因子的变化造成的结果；（2）提供了能准确估算各地降雨，及其有关的径流侵蚀潜在能力的侵蚀指标；（3）无需参照共同的基准点，可由研究资料直接估算和定量表述土壤可蚀性因子；（4）根据土壤普查资料，就能利用方程和诺谟图计算多种土壤的可蚀性因子；（5）采用了把作物和管理参数及其相互作用统一处理的方法；（6）在覆盖和管理因子中，综合考虑当地年降雨的分配模式，以及具体作物的种植条件（Wischmeier，1972）。 USLE中各因子与土壤流失量之间的数学关系用回归分析方法确定，坡长和坡度的作用、作物轮作、土壤和作物管理措施等，是无量纲因子，表示为土壤流失增加量或减少量的百分比。通过乘积的形式，用4个无量纲因子，对有量纲的降雨和土壤可蚀性因子确定的土壤流失量进行修正。

1959-62年间，在一系列土壤侵蚀预报区域工作会议上，以及美国农业部特别报告中（美国农业部，1961），都对USLE做了充分的介绍。通过美国土壤保持局（SCS，Soil Conservation Service）和其它机构几年的试验性使用，以及开发者和用户间的不断交流，方程做了一些必要的改进，并增加了一些新的条件，最终形成的USLE发表在农业手册282号（Wischmeier和Smith，1965）。

随着越来越多的地区和机构开始使用USLE，方程的应用取得了很大的进展，并有了很多的改进，这些改进包括：给出了更多的土地利用、气候条件和管理措施下，各个影响因子值的估算方法，包括：农地和建设用地土壤可蚀性诺谟图，不规则坡面地形因子评价，草地和林地覆盖因子估算，耕作对覆盖和管理措施的影响作用，建设用地侵蚀量预报，夏威夷和美国本土西部各州土壤侵蚀力的估算，夏威夷州标准土壤可蚀性因子的测定，控制土壤侵蚀措施的设计和评价等。这些改进发表在农业手册537号（Wischmeier和Smith，1978）的新版USLE中，。

几十年来土壤侵蚀研究的发展，为USLE的开发研制奠定了基础（Wischmeier，1962；Meyer，1984；Meyer和Moldenhauer，1985）。自USLE被介绍以来，已产生了巨大的影响，成为美国和世界许多国

家进行土壤保持规划的主要工具。

从农业手册537号发表至今，新的研究和试验又使USLE得以改进，包括：侵蚀力等值线图扩展至美国西海岸，重新对某些特殊情况下的降雨侵蚀力计算方法进行了订正，如冻融作用的影响和洼地集水的影响；作物生长过程吸收土壤水分导致土壤固结对土壤可蚀性因子的影响；用次因子方法估算作物地、草地和扰动地的覆盖-管理因子；坡度和坡长因子采用新的公式计算，该公式反映了坡度、坡长和细沟侵蚀与细沟间侵蚀的比例；农地和草地保护措施的估算值。上述所有新的修订最终借助于计算机完成。这一新的改进，被称为修订通用土壤流失方程（RUSLE，Reversed Universal Soil Loss Equation，Renard等，1997），各种修订过程体现在各个因子的计算中。本书将详细介绍RUSLE的理论及其应用，以及可用于土壤侵蚀预报的最新方法。 为了改进土壤侵蚀的预报和控制方法，目前也在不断进行土壤水蚀和沉积原理与过程的研究，这些研究的很多成果已被应用于土壤侵蚀预报物理模型的开发中，如CREAMS（Knisel，1980；Foster等，1981a）模型的侵蚀和沉积子模型。从90年代开始，一项土壤水蚀预报的新一代技术WEPP（Water Erosion Prediction Project），正在由美国农业部协同其它一些机构进行研制和开发（Foster和Lane，1987）。开发WEEP的目的，是建立一个基于侵蚀发生过程的土壤流失量预报模型。WEPP的目标是建立过程模型，或者是概念上优于块状模型RUSLE的模型组，该模型对于评估区域土壤侵蚀具有更广的适应性。因此，在不远的将来，WEEP技术有望取代RUSLE。

1.2 容许土壤流失量

土壤流失方程的主要目的，是指导人们在土壤保持规划中做出科学决策。利用土壤流失方程，规划者能够预报任一地区不同组合条件下的年平均土壤侵蚀速率。这些条件包括：不同的种植制度，管理技

术，水土保持措施等。容许土壤流失量（T）是指经济上仍能维持作物正常生产力前提下，所容许的土壤最大流失速率。该值既考虑了由于侵蚀导致的生产力的损失，同时也考虑了由母质形成土壤的速率，表土形成的作用，营养物质的损失和为补偿它们的花费，切沟侵蚀开始发生时的侵蚀速率，以及农民最可能实施的水土保持措施等。通过比较某地区土壤流失量预报值和容许土壤流失量的大小，RUSLE可以提供具体的指导，提出在容许土壤流失量下应采取的水土保持措施。只要预报的侵蚀速率小于容许土壤流失速率，任何农、牧，及其管理组合都可以被认为是取得了令人满意的水土保持效果。

美国各种土壤的容许土壤流失量为2.3-11.3t/（ha a）（1-5ton/（acre a））。这是由土壤学家、土壤保持学家、农学家、工程师、地质学家，以及参加1959-62年间6次区域工作会议的联邦和各州研究人员共同商议确定的。确定容许土壤流失量时考虑的因子有：土壤层厚度，土壤物理性状和影响根系发育的其它特征，切沟防治，田间泥沙问题，播种后种子的流失问题，土壤有机质减少，植物营养物质流失问题等。早期有关容许土壤流失量的研究很少（Schmidt等，1982；Johnson等，1987），在美国政府颁发了第95-192公共法律条款和1977年水土资源保护条例（RCA）之后，将土壤侵蚀影响作物生产力的研究推向了深入。新的试验手段和计算机模型的发展，也进一步推进了容许土壤流失量的研究，并召开了题为“侵蚀和土壤生产力”（ASAE，1985），“土壤侵蚀和作物生产力”（Follett和Stewart，1985）的二次专题讨论会。然而关于容许土壤流失量的研究，目前仍有许多问题尚未得到解决。

对于土层深厚、中等质地和透水性、适宜植物生长的土壤来说，容许土壤流失速率要大于根层浅或者表面碎砾石含量高的土壤。许多试验已表明，容许土壤流失量的概念是合理可行的，而且在一般情况下，足以维持一定的生产力水平。

确定土壤流失上限，还可以预防或减少因土壤流失造成的对其它地区水质的破坏。此时确定容许土壤流失量的原则，与为保护农地生产力确定容许土壤流失量的原则不同。在这种情况下，土层厚度与异

地的泥沙控制无关。虽然可以确定相同的侵蚀速率极限，但进入河流的单位面积泥沙量仍可以在一定范围内变化。因为从坡面侵蚀下来的物质到达河道前，会在农田边界、沟道阶地、低洼地、平地或植被覆盖区等处发生沉积。在侵蚀源地附近地区沉积、而未进入河道的那部分泥沙，一般只会破坏农地，不会直接影响水质。

如果为维持农地生产力而确定的容许土壤流失量，不能满足保证水质的要求时，就应考虑其它因子的作用，确定新的容许土壤流失量，而不能只考虑改变容许土壤流失量的大小。这些因子包括：侵蚀源地距河道的距离、泥沙搬运特性、泥沙成份、被保护水体的要求、输沙量变化的可能幅度（Stewart等，1975）。为使水质控制更为一致，确定产沙量极限要比降低坡地土壤流失极限的方法好，用这种方法选择田间作物体系的限制也更少。

目前进行水土保持规划时，T值通常是一个指令性指标。然而，T值的给定最好应遵循最初的定义和宗旨，即经济上仍能维持作物正常生产力时，所容许的土壤侵蚀速率。如果控制侵蚀既要保护水质，又要满足经济发展和政策的需要，建议应分别设立TWQ（为保护水质的容许土壤流失量），TEP（为经济规划的容许土壤流失量），和TPOL（为制定政策的容许土壤流失量），以满足不同的需要。

1.3 土壤流失方程

某地区土壤侵蚀速率，是许多自然因素和管理因子综合作用的结果。对这些因子的每种条件都进行田间实际土壤流失观测，显然是不可能的。土壤流失方程的建立，能使水土保持规划者、环境学家和其它关心土壤侵蚀的人，将有限的土壤侵蚀资料，外推到目前研究中无土壤侵蚀资料的地区或条件。

土壤水蚀和沉积作用包括：土壤颗粒从土体表面分离，土壤颗粒的搬运和沉积（Foster，1982）等过程。侵蚀发生的主要动力是雨滴

打击和地表水流的作用。在裸露地，虽然雨滴侵蚀产生了大量泥沙，但不易被发现。当集中水流在坡面形成细沟和切沟系统时，侵蚀才会被人们注意到。影响侵蚀的因子可以用下列方程表述（Renard和Foster，1983）：

E f C,S,T,SS,M [1-1]

式中，E是侵蚀，f是函数形式，C是气候因子，S是土壤特性，T是地形因子，SS是土壤表面条件，M是人类活动。注意，侵蚀与产沙量是不同的，它们之间无法替换。产沙量是指侵蚀后被搬运到流域内远离侵蚀区某一点的泥沙数量。在一个流域里，产沙量包括：由坡地、沟道侵蚀、以及重力崩塌等造成的总侵蚀量，减去侵蚀物质在到达流域研究点的沉积数量（图1-1）。USLE和RUSLE只估算土壤侵蚀量，而不估算产沙量。

尽管USLE实质是由方程1-1表示的函数关系式（Wischmeier和Smith，1965，1978），但在USLE和RUSLE中，均采用下面形式计算坡地年平均土壤侵蚀量。

A R K L S C P [1-2]

式中，A是单位面积上时间和空间平均的土壤流失量，土壤流失量的单位取决于K和R的单位。实际应用时为美制单位为ton/（acre a）（美吨/（英亩 年）），国际制单位为t/（ha a）（吨/（公顷 年））。由于通用土壤流失方程是由美国开发研制的，因此至今仍以采用美制单位为主。Forster等（1981）进行了单位换算的研究（详见附录A）。R是降雨-径流侵蚀力因子。它是降雨侵蚀力同时考虑融雪径流侵蚀因子，美制单位为100 ft tonf in/（acre h a）（百英尺 美吨力 英寸/（英亩 小时 年）），国际制单位为MJ mm/（ha h a）（兆焦耳 毫米/（公顷 小时 年））。K是土壤可蚀性因子。指标准小区上测得的，某种给定土

壤单位降雨侵蚀力的土壤流失速率。美制单位为ton acre h/（100 acres ft tonf in）（美吨 英亩 小时/（百英亩 英尺 美吨力 英寸）），国际制单位为t ha h/（ha MJ mm）（吨 公顷 小时/（公顷 兆焦耳 毫米））。标准小区定义为22.1m（72.6ft）长，坡度为9%，无作物种植的连续光板耕作休闲地。L是坡长因子。指某一坡长的坡地产生的土壤流失量，与同样条件下22.1m坡长的坡地产生的土壤流失量之比。S是坡度因子。指某坡度的坡地产生的土壤流失量，与其它条件相同情况下，9%坡度的坡地产生的土壤流失量之比。C是覆盖-管理因子。指一定覆盖和管理水平下，某一区域土壤流失量，与该区域犁耕-连续休闲情况下土壤流失量之比。P是水土保持措施因子。指有水土保持措施时的土壤流失量，与直接沿坡地上下耕种时产生的土壤流失量之比。这些水土保持措施包括等高耕作，带状耕作和梯田。

RUSLE是USLE经过改进，最近发展的经验土壤侵蚀预报模型（Renard等，1997），用于预报长时间尺度、一定的种植和管理体系下、坡耕地径流所产生的多年平均土壤流失量（A），也可预报草地土壤流失量。在美国，RUSLE将代替USLE用于农耕地、草地、林地和建设用地的土壤流失预报。

需要指出的是，坡地不同点的土壤流失量变化很大，RUSLE预报的土壤流失量A只是整个坡地的平均流失量，而且是长时期年平均土壤流失量。在坡长较长、坡度均一的坡面上，顶部土壤流失量大大低于坡面平均土壤流失量，底部土壤流失量最大。例如，一个坡长为109.7m（360ft）而坡度一致的坡面，整个坡面平均土壤流失量为45.35t/ha（20ton/acre），顶部12.2m（40ft）长的坡面土壤流失量比平均流失量小15.87 t/ha（7ton/acre），底部12.2m（40ft）长的坡面土壤流失量比平均流失量大65.76 t/ha（29ton/acre）。如果坡度随坡长变化，则土壤流失量的变化会更大。这表明，即使忽略RUSLE未涉及的临时性切沟和其它侵蚀类型，整个田块的土壤流失量如果是“T”，则某些部分坡面的土壤流失量会达到或超过2T。这些高于平均值的侵蚀速率往往年复一年地发生在同一部位，最终，严重的侵蚀将会导致土地资源的破坏。

为了选择适宜的因子值，RUSLE要计算各种情况下的土壤流失量，包括复合作物系统，轮作中的一个作物年，或一个作物年内的不同作物生长阶段的平均土壤流失量。因暴雨的不同，侵蚀量也会围绕平均值变化很大。但随机波动的结果会随时间延长而趋近于平均值，与R因子有关的暴雨年际变率，与C因子有关的季节变率均属此类因子。由于这些变量在短尺度上不可预报，目前土壤流失方程对于预报特殊事件的精度，远远小于长期平均值的预报精度。

USLE还可以用来估算森林破坏后的土壤流失量，而RUSLE没有强调这方面的应用。这方面成果可参考Dissmeyer和Foster的研究（1980，1981）。最近的一些研究强调了将USLE技术应用于废弃矿山的复垦工程中（Barfield等，1988）。在这种情况下，压实作用对侵蚀过程的影响十分重要，应看作是计算C因子的一部分（第五章）。另外，扰动土坡度对侵蚀的影响，将在第四章作具体介绍（表4-3），但比较起来，扰动土对侵蚀影响的研究远较RUSLE在其它方面的应用要少。

土壤流失方程是用美制单位开发的。由于定义的因子彼此之间存在相互作用，在将acre（英亩）、ton（美吨*）、in（英寸）和ft（英尺）等换算为国际制（米制）单位的ha（公顷）、t（吨或公吨）、mm（毫米）时，将在方程中产生一个常数。书中方程和因子的估算只给出美制单位，相应的国际制单位在附录A中给出。

*美制单位中的吨（ton）是指美吨，1美吨（ton）=0.907公吨（t）。国际单位制（米制）中，1公吨（t）=1000公斤（kg）

图1-1 RUSLE用于细沟间和细沟侵蚀的坡度剖面图解

λ是RUSLE坡长（至沉积发生点）。产沙量是一段时间从沟道搬运的

泥沙总和，如一次暴雨事件、一个月、作物某生长阶段或一年。

第二章 降雨-径流侵蚀因子（R）

2.1 概述

雨滴击溅作用和因降雨产生的径流，是最主要的土壤侵蚀动力。降雨侵蚀力就反映了降雨的这种作用，它是指降雨引起土壤侵蚀的潜在能力，是降雨特性的函数（Hudson，1971）。如何度量降雨侵蚀力，许多学者对此进行了深入研究。

异常强暴雨过后，坡面上出现大量的细沟，并在局部发生淤积，这一现象往往会给人一种印象：严重的水土流失只与少数几次特大暴雨有关，也就是说土壤侵蚀仅与最大雨强有关系。然而，美国许多州试验站30多年的观测表明，情况并非如此（Wischmeier 1962）。实测资料显示，用于估算多年平均侵蚀量的降雨参数，必须将特大暴雨和多数中强度暴雨的累加效果同时考虑，既能反映雨滴打击作用，又能体现与降雨量密切相关的径流量及其强度。Ellison，Bisal，Rose和其他人的实验研究也表明，侵蚀力与能量有关，但这一结论必须在野外天然降雨造成的土壤流失观测中得到证实（Hudson，1971）。Wischmeier（1958）的工作证实了这一结论。他选择了美国35个水土保持实验站不同类型土壤的实验小区共8250个小区年资料（表2-1），分析了单变量、复合变量等与土壤流失量的关系后发现，单用降雨动能不能很好地描述侵蚀能力。长历时、小强度降雨的总动能可以与另一次短历时、大强度降雨的总动能相同。但由于两次降雨的雨强不同，侵蚀力会明显不同，而一次降雨过程中的最大30分钟雨强

（I30）能较好地反映这种差异。乘积EI30反映了每次暴雨过程中，总降雨动能与最大雨强相互作用的统计规律。从动力过程看，该值描述了土壤颗粒被分离及其搬运过程的综合效应。因此估算土壤流失量的最好指标是一个复合参数：一次降雨总动能（E）与该次降雨的最大30分钟雨强（I30）的乘积，并将其称为降雨侵蚀力（Rainfall Erosivity），简称EI指数。美制单位下E的单位为100 ft tonf/acre（百英尺 美吨力/英亩），I30是in/h（英寸/小时），EI单位为100 foot tonf in/（acre h）（百英尺 吨力 英寸/（英亩 小时））。国际单位制下E的单位为MJ/ha（兆焦耳/公顷），I30是mm/h（毫米/小时），EI单位为MJ mm/（ha h）（兆焦耳 毫米/（公顷 小时））。

表2-1 不同变量对土壤流失量的决定系数（百分数）

回归方程

中的变量 Shelby1（138）

标准差决定系

数R2

4.0 73.0

3.3 81.7

5.8 43.4

5.1

3.6

2.5

2.2 56.2 78.6 89.2 92.1 土壤类型和分析时使用的降雨次数 Shelby2Shelby3Marshall（207） （207） （131） 决定系数决定系数决定系数R2 R2 R2 68.3 64.6 38.7 78.2 73.9 54.9 40.9 25.7 50.4 59.8 73.8 81.7 85.8 35.1 67.6 75.6 80.2 56.0 66.2 70.7 78.6 Fayette（144） 决定系数R2 3降雨量 降雨动能 最大15分钟雨强 最大30分钟雨强 3个变量回归1 EI30

EI30与3个

变量回归2

1

242.2 61.6 65.5 79.9 82.6 88.0 88.3 三个变量包括：降雨量，最大15分钟雨强，最大30分钟雨强。 三个变量包括：降雨动能，EI30，前期降雨指数，最后一次耕作以来的降雨总动能。如Shelby1小区10年观测资料的回归方程为：Y（ton/acre）=0.00163Xe+0.00389Xi+0.0622Xc+0.438Xp-2.46，Xe-Xp分别是对应于前述的4个变量，相关系数为0.96。

3 引自Wischmeier和Smith（1958）

假定土壤侵蚀与EI指数是线性关系，便可以将每一次暴雨的EI

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