刘宝元 张科利 焦菊英

提　要　土壤可蚀性是土壤侵蚀预报和土地利用规划的重要参数，国外已有物理意义明确、可操作性强、应用方便的土壤可蚀性定义和指标。国外的指标在我国不适用，而我国又没有这样的指标。在系统全面查阅和分析 60 多年来已有研究成果的基础上，根据我国具体情况，提出我国土壤可蚀性指标的定义和测定方法，即在 15°坡度、20m 坡长、清耕休闲地上，单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量。这一标准的确定对规范土壤可蚀性实验研究，促进我国土壤侵蚀预报模型的建立有重要意义。

关键词　土壤 可蚀性 抗冲抗蚀性 侵蚀预报

中图分类号　S157

文献标识码　A

文章编号　1000－3037(1999)04－0345－06

　　土壤侵蚀是导致土地资源退化乃至彻底破坏的主要原因。定量计算土壤流失量是合理利用和管理土地资源的科学依据之一。土壤可蚀性是定量计算土壤流失的重要指标，是土壤侵蚀预报模型中的必要参数。土壤可蚀性的研究开始于 30 年代，到现在已有 60 多年历史。1963 年，Olson 和 Wischmeier^[1] 提出了具有实用性的土壤可蚀性指标——单位降雨侵蚀力在标准小区上所造成的土壤流失量。有了这一指标值，就可以对不同地区、不同历史时期的观测资料进行统一比较和分析。同时，该指标也具有明确的物理意义和方便的测定方法。所以，这一指标值在土壤侵蚀预报模型中得到了广泛的应用，如应用最广泛的通用流失方程 (USLE)^[2、3]、修正通用流失方程 (RUSLE)^[4]、流域水土资源管理模型 (SWRRB)^[5] 等模型。Olson 和 Wischmeier 在定义土壤可蚀性时用了两个概念，第一个是降雨侵蚀力（R=EI30），第二个是标准小区，即 9% 的坡度，顺坡耕作，连续清耕休闲，22.13m 长的径流小区。美国以此为标准小区是因为美国大部分小区坡长为 22.13m。9% 的坡度则接近观测资料的中间值，在中等坡度上测定的经验参数，外推用于较缓和较陡坡度时误差相对较小。

　　我国从 50 年代开始研究土壤可蚀性。但多采用土壤抗侵蚀性^[6]。朱显谟^[7]将土壤抗侵蚀性分为抗冲性和抗蚀性，蒋德麒和朱显谟^[8]进一步明确了抗冲性和抗蚀性的定义，有时将二者统称为土壤抗冲抗蚀性。近年来，我国学者用野外抗冲试验、小区测定资料、公式计算和遥感方法对不同地区的土壤可蚀性进行了研究，取得了不少成果。本文将结合我国的具体条件，从基本概念、基本研究方法考虑，通过对国内外研究进展和各种指标实用性的讨论，对如何开展我国土壤可蚀性研究提出一点粗浅看法。

1 基本概念讨论

　　由于研究目的不同以及对土壤可蚀性研究的逐步深入，出现了许多不同的概念和术语。不过，总体而言国外用土壤可蚀性，进一步分为可分离性和可搬运性^[9]。这种理论认为，沙土的抗分离性差而抗搬运性强，粘土反之。我国一般称为土壤抗侵蚀性，多用抗冲抗蚀性一词，并将其分为抗冲性和抗蚀性。抗冲性主要指土壤抵抗风、水等对土壤的机械破坏作用，而抗蚀性主要指土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮作用。从土壤侵蚀机理考虑，土壤抗冲性和抗蚀性的划分具有重要意义。但从实验角度看，目前尚无法将抗冲性与抗蚀性分开，只是人为规定某些实验结果，一些是对抗冲性的评价和测定，而另一些是对抗蚀性的测定，因而不易用于土壤预报中。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侧面：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。为了文献资料等方面的通用化、国际化，本文采用土壤可蚀性一词。

2 土壤可蚀性研究进展

　　如果将已有的研究作一系统概括，土壤可蚀性的研究可分为 5 种方法。

2.1 土壤理化性质测定法

　　这方面工作主要通过分析土壤的硅铁铝率、土壤浸湿热、分散率、侵蚀率、颗粒组成、渗透速度、悬浮率、膨胀系数以及团聚体总量、团聚状况、团聚度等方面的性质来评价土壤可蚀性。Bennent^[10] 研究了土壤硅铁铝率与土壤侵蚀的关系，认为硅铁铝率小于 2 者，为脆性土，不易侵蚀；大于 2 者为塑性土，易侵蚀。
Middletton^[11] 提出土壤浸湿热的大小与土壤侵蚀率的高低成正比。浸湿热是指土粒遇水后放出的热量。土粒表面愈大，放热愈多，土粒表面愈小，放热愈少。即粘质土易蚀，砂质土耐蚀。他又提出用侵蚀率来判断土壤受蚀程度，认为侵蚀率大于 10 者易蚀，小于 10 者不易侵蚀。侵蚀率是根据分散率、胶体含量与水分当量求出。Bouyoucos^[11] 提出比率：（砂粒 %＋粉粒 %）/粘粒 % 与土壤可蚀性成正比。
Peel^[12] 把土壤入渗率考虑在内，用小区资料分析了土壤物理性质对土壤侵蚀的影响，认为渗透率、悬浮率和分散率是判断土壤可蚀性的较好指标。朱显谟等^[13]测定了土壤膨胀系数及分散速度与侵蚀的关系，认为土体易分散性和抗蚀力与吸水后膨胀的大小有关，一般吸水后膨胀愈大者，愈易分散；膨胀较小者，不易分散或其流失量也较少。并指出土壤的透水性能也是影响土壤侵蚀的主要原因。朱显谟^[7]用静水崩解法的结果，提出土体在静水中的崩解情况可以作为土壤抗冲性的主要指标之一。田积莹、黄义端^[6]对子午岭地区不同植被下 8 个土壤剖面土壤物理性质进行了研究，分析了土壤的团聚体总量、1～10mm 团聚体量、团聚状况、团聚度、团聚体分散度以及分散率和侵蚀率，认为这些物理性质可作为土壤抗侵蚀性能的指标。

2.2 仪器测定法

　　这类方法是用水滴或水流直接冲刷土样或土体来测定土壤可蚀性。如古萨克抗冲槽、索波列夫抗冲仪、威廉斯基的滴水器、奥尔德曼的试验装置以及我国蒋定生设计的抗冲槽等。Elision^[9] 认为侵蚀动力是由分离能力和搬运能力两个相互独立的因素组成，研究土壤可蚀性也可分为土壤可分离性和土壤可搬运性两个方面来描述。他认为细沙土、壤土、粘土的可分离性依次减小，而可搬运性依次增高。大多数沙土和粘土的可蚀性小，是因为沙土难以搬运，而粘土难以分离。Gussak^[14] 设计了一个快速测定土壤可蚀性的仪器，我国多称为古萨克抗冲槽。该仪器是在不同流速下，测定每冲走 100cm³ 土壤所需要的水量，以此作为土壤抗冲性指标。同时他认为各种土壤对流速的敏感性差异很大。Mccalla 和 Rai 等人^[11]用单个水滴测定土壤可蚀性。Alderman^[15] 设计了一种土壤可蚀性测定装置。他通过测定垂直喷咀喷出的水流在没入水中的土壤上造成的土坑大小来描述土壤可蚀性大小。索波列夫用喷射水柱冲刷土壤剖面所造成的土坑大小来测定土壤可蚀性^[16]。朱显谟^[7]认为水冲穴的深浅在一定程度上可以反映出土体抵抗雨滴打击和地面径流的冲击等破坏作用的强弱。他曾于 1955 年在晋西地区采用索波列夫装置，分别用 0.5 个和 1 个大气压的股水进行试验，所得结果大体上与土体在静水中崩解的情况一致。唐克丽^[16、17]从土壤物理，力学，化学，粘土矿物构成，微结构等性质，研究了土壤侵蚀的发生发展过程与抗蚀性能的机理。Subhash Chandra和 S.K.De^[18] 设计了实验室测定土壤相对可蚀性的仪器，以侵蚀系数判断土壤可蚀性大小，并推导出侵蚀系数计算公式：

K 是侵蚀系数，X 是被侵蚀前土壤样品重量，x 是被侵蚀后土壤样品重量，t 是侵蚀历时。经分析得出侵蚀系数与侵蚀率、分散率、粘粒率等相关性较好。蒋定生^[19]设计了原状土冲刷水槽，测定了黄土地区农、林、草下的土壤抗冲性，提出抗冲力指标和分级，认为单位水量（在相同的坡度和流量下）所冲走的土量可以作为评价土壤抗冲性的指标，并将土壤抵抗流水冲刷的能力分为 4 个等级。窦保璋^[20]用蒋定生设计的土壤冲刷槽，对黄绵土在不同利用条件下的土壤进行测定，得出与蒋定生类似的结论。他将抗冲强度规定为在标准条件下（坡度 20°，流量为 1.0L/m）每冲走单位重量 (1.0g) 土壤所需要的水的重量。黄义端^[21]认为在评价土壤抗蚀性和抗冲性方面，一般来说，土壤的分散率、侵蚀率、分散系数、团聚度等均可反映土壤抵抗水的分散和悬浮能力，故可作为土壤抗蚀性能的指标。土层的松紧度、厚度以及土块在水中的崩解和冲失情况可反映土体抵抗径流冲刷的能力，故可作为土壤抗冲性指标。史德明等^[22]测定了抗蚀性和抗冲性，认为抗蚀性的大小可用土壤团聚体的分散性或水稳性指数 (K) 间接表示。余新晓、陈利华^[23]用 Subhash chandra等设计的可蚀性实验装置，测定了甘肃省泾川县官山林场不同地类土壤的侵蚀系数，认为影响土壤抗蚀性的因素主要是土壤物理（包括结构）特征。李建牢等^[24]用单个水滴打散 0.7～1cm 土粒所需要水滴数作为指标，评价天水罗玉沟的土壤抗蚀性。李勇、吴钦孝等^[25]用蒋定生设计的抗冲槽法，测定了陕西宜川县人工油松林和部分草本植物下土壤的抗冲性，结果认为，林草根系对土壤抗冲性能有明显的提高作用，而且这种作用随雨强的增大而减小。蒋定生^[26]提出可冲刷性系数 C=Qt/W，Q 为冲走 W 克土壤所需要的水量，t 为冲走 W 克土壤所需要的时间。同时指出，可冲刷性系数 C 受土壤、地面坡度、降水特性、生物因素等诸多因素的影响，是一动态参数。

2.3 小区测定法

　　Olson 和 Wischmeier^[1] 用单位侵蚀力在标准小区上引起的土壤侵蚀量为指标来评价土壤可蚀性。对 8 个休闲地小区和 20 个作物地小区土壤可蚀性进行了计算。并将此作为土壤可蚀性的基本标准。这一定义使不同气候区、不同时间侵蚀资料确定的土壤可蚀性可以进行直接比较。此外，这种方法是以土壤流失资料为依据，同时考虑了降雨侵蚀力，并将其它侵蚀因子限制在同等条件下，因此用该指标能直接估算土壤流失量，这也是研究土壤可蚀性的最终目的。正是基于此，美国的土壤可蚀性定量标准建立在小区观测资料基础之上。我国杨艳生、史德明^[27]、金争平等^[28]、张先奎等^[29]、周佩华、武春龙^[30]、吴普特等^[31]、陈明华等^[32]、史学正等^[33]用我国不同地区小区资料对土壤可蚀性进行了分析计算。但由于小区的状况差异甚大，计算标准各不相同，不能进行比较。周佩华等把单位径流深所引起的侵蚀模数作为土壤抗冲性指标，认为土壤抗冲性随坡度的增加而减小，并随土地利用的不同而不同。

2.4 数学模型和图解法

　　这种方法通过分析大量的小区实测资料和人工降雨模拟实验资料与土壤基本理化性质的关系，用已有的侵蚀资料对土壤理化性质求回归方程或制诺谟图。然后，用所得方程或诺谟图估算没有实测资料的土壤可蚀性。该方法的优点是土壤理化性质的测定比较方便，费用少，方法成熟，并且所得的土壤可蚀性稳定，多数情况下趋于多次降雨实验的平均值。Wischmeier 和 Mannering^[34] 用人工降雨法测定了 55 种土壤的土壤可蚀性，选定 13 个土壤特性指标，采用 24 个统计量与土壤可蚀性求回归。Wischmeier 等^[35]选用粉粒＋极细砂粒含量、砂粒含量、有机质含量、结构和入渗 5 项土壤特征指标，与土壤可蚀性因子 K 值作出土壤可蚀性诺谟图。同时可用公式

计算土壤可蚀性，并应用于通用土壤流失方程式中^[3]，式中 M 为（粉沙＋极细沙）% 与（100－粘粒 %）之积，OM 为土壤有机质含量，s 为结构系数，p 为渗透性等级。侵蚀/生产力影响模型 EPIC 用式 (2) 计算土壤可蚀性^[36]。

(2)

式中，SAN、SIL、CLA 和 C 是砂粒、粉粒、粘粒和有机碳含量 (%)SN1=1－SAN/100。修正通用土壤流失方程^[4]建议：温带中质地土壤，用诺谟图或式 (1)；热带火山灰土壤用式 (3)^[37]；对含有 2∶1 型晶架结构类粘土矿物的土壤，应该用式 (4)^[38] 和式 (5)^[39]；如果不属于上述任何一种情况，而且又没有足够的资料，建议选择式 (6)^[40] 和式（7）。

(3)

其中，x₁ 是大于 0.250mm 的非稳定团聚体的比例，x₂ 是修订的粉粒 (0.002～0.1mm) 含量与修订的沙粒 (0.1～2mm) 含量之积，x₃ 是基础饱和度，x₄ 是原土中粉粒含量，x₅ 是修订的沙粒含量。

式中，x₆ 为团粒系数，x₇ 是土壤中蒙脱石的含量，x₈ 是深为 50～125mm 土层的平均容重（g/cm³），x₉ 是土壤分散率，x₁₀ 是修订粉粒 (0.002－0.1mm) 含量与修订沙粒 (0.1～2mm) 含量之积，x₁₁ 是土壤中用 CDB（柠檬酸盐－硫酸盐－碳酸盐）可提取的氧化物 (Al₂O₃，Fe₂O₃) 的百分比。

式中，Dg 是几何平均粒径。

2.5 水动力学模型实验求解法

　　随着对侵蚀机理研究的不断深入及生产实际的具体要求，侵蚀预报模型得到不断发展。从 80 年代开始，美国着手发展了新一代土壤水蚀预报模型，简称 WEPP 模型。由于模型的需要，将土壤可蚀性进一步划分为细沟间可蚀性（ki）、细沟可蚀性 (kr) 和土壤临界剪切力（τc)。为了得到这 3 个参数，1987 年和 1988 年^[41]在全美 24 个州做了 2 年人工降雨和放水冲刷试验，但结果并不理想。因为试验得到的土壤流失量难于区分是分离的结果还是搬运的结果。目前将土壤分为沙土（砂粒含量大于等于 30%）和粘土（砂粒含量小于 30%）两组，用 6 个简单的公式分别推算 ki、kr 和τc。

　　综上所述，土壤可蚀性的研究分为五种类型，也大致相当于 5 个研究阶段。前两个阶段只能作为对土壤特性的研究，没有将可蚀性指标与土壤侵蚀直接联系起来，所得结果只是不同类型土壤对侵蚀敏感性某种程度的反应。而且指标值随试验设计有明显差异。比如抗冲槽在两个不同流量下得出完全相反的结论。所以不能用于侵蚀预报。后三种方法能直接用于侵蚀预报，其中第三种方法是基础，但实验费用很高。第四种方法测定容易，所得结果也比较稳定，便于应用。第五种方法用于土壤侵蚀过程模型，但方法还不够成熟，有待于进一步研究。

3 我国土壤可蚀性研究方法探讨

　　土壤可蚀性研究应该为认识土壤侵蚀规律，进行土壤侵蚀定量预报，指导水土保持服务。需要指出的是，土壤可蚀性是一种土壤特性。虽然在测定过程中，它与坡度、降雨和土地利用等因素有一定的交互作用，但绝不随这些因素的变化而变化。因为坡度、降雨和土地利用可有无穷多，如果认为土壤可蚀性随它们的变化而变化，土壤可蚀性也有无穷多，既然有无穷多，也就等于没有这一特征值。从目前的五种研究方法看，第一种土壤理化性质测定法没有建立与土壤侵蚀的定量关系，不能用于侵蚀预报。第二种方法比前一种方法有所进步，直接用水冲刷土壤。但 40 年代古萨克就已经指出，同样两种土壤，在不同的流量下，抗侵蚀性大小可有相反的排序。第三种方法能直接测定出一定降雨侵蚀力下的土壤侵蚀量，所以它能真正说明土壤对侵蚀动力的敏感程度，可直接用于侵蚀量预报，是我们测定土壤可蚀性的标准方法。第四种方法是第三种方法的继续，是我们应该加强的研究领域。第五种方法能从水动力原理上很好地反映土壤对侵蚀的影响作用，但必须和土壤侵蚀物理模型同时研究。

　　土壤侵蚀经验模型仍然是今后相当长一段时间内水土保持规划的主要工具，目前的物理模型或过程模型还不能代替经验模型。所以，尽快开发我国土壤侵蚀经验模型，对土地资源管理和环境规划都具有重要意义。直接为经验模型定义土壤可蚀性和确定可蚀性指标，对建立模型非常重要。我们认为我国的土壤可蚀性研究工作应该以天然小区单位降雨侵蚀力在标准小区上引起的土壤流失量作为土壤可蚀性指标。标准小区可选定为 15°坡度、20m 坡长、5m 宽清耕休闲地。小区每年按传统方法准备成苗床，每年春天翻耕 15～20cm 深，并按当地习惯中耕，一般中耕 3～5 次，保持没有明显杂草生长（覆盖度小于 5%）或结皮形成。在这种条件下得到的土壤可蚀性值是土壤可蚀性的基本标准，应在该条件下对我国主要土壤进行测定，得到一组基础数据，作为可进行参照和对比的我国土壤可蚀性标准数据。由于仅依靠天然小区降雨测定土壤可蚀性花费时间长且费用昂贵，为了得到更多的土壤可蚀性值，还可利用人工降雨试验。上述标准小区对人工降雨试验来说有点大，应进一步研究选用较小的微小区。这就需要研究标准小区与微小区、人工降雨与天然降雨等的关系。此外，由于测定永远是有限的，还需研究土壤可蚀性与土壤基本理化性质的关系，得出用土壤基本理化性质推求土壤可蚀性的方程。

参考文献

作者简介

刘宝元 (1958-)，男，陕西佳县人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为土壤侵蚀和水土保持。

基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目 (49725103)；教育部留学回国人员基金资助项目。