技术领域
[0001] 本
发明涉及农业
水土保持技术领域，具体涉及一种容许土壤流失量计算方法。
背景技术
[0002] 我国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，侵蚀面积约占国土总面积的37.42％。土壤侵蚀造成水土流失、土壤生产
力下降、土壤资源退化、地表形态的变化等一系列环境问题，加剧人口与资源环境之间的矛盾，威胁着人类的生存和可持续发展。要定量监测区域土壤侵蚀状况、选择适用的水土保持措施，首要任务就是确定容许土壤流失量。
[0003] 容许土壤流失量(Soil Loss Tolerance)简称T值，是指为了维持长期高水平农作2
物经济生产力所容许的最大土壤侵蚀速率，用年土壤流失量(t/km·a)表示，我国水利部将其定义为“在长时期内能保持土壤的肥力和维持土地生产力基本稳定的最大土壤流失量”，其本质含义仍为保持土地生产力。T值不仅是定量监测土壤侵蚀状况、因地制宜的选择水土保持措施、评价水土保持效益的重要指标，同时也是确定不同地域条件下土壤侵蚀区和非土壤侵蚀区的定量标准。
[0004] 综合多年来关于T值的研究成果，用以确定T值的方法主要有四种，即专家经验法、土层厚度划分法、成土速率平衡法以及PI模型法。
[0005] 专家经验法主要是基于专家学者积累的经验，主观性强，所得出的T值是一个粗略估计的值，缺乏科学定量依据。
[0006] 1964年Stamey和Smith根据T值的定义推导出了计算T值的概念性方程之后，正式开始有了定量的研究方法，该方程同时包含时间、空间、土壤性质和成土速率等参数，科学依据和方程机理性极强，被称为T值计算的理想方程：
[0007]
[0008] 式中，IS(x,y)为地点函数，是t0时刻土壤性质的测量值；Ms(x,y)为点(x,y)处该土壤的最小容许流失量；Es(x,y,t)为点(x,y)处土壤流
失速率；Rs(x,y,t)为点(x,y)处的成土速率。该方程基本理念是为了维持土壤生产性能的可持续使用，在一定规划时间内、目标
位置的土壤生产性能不能低于某个临界值。但是，方程未给出定量表达土壤生产性能的模型，也无法确定这个最低土壤生产性能的临界值，因此未能获得推广应用。
[0009] 20世纪80年代，Skidmore等(Skidmore E L(1982)Soil loss tolerance.In:Determinants of soil loss tolerance.ASA Special Publication No.45,Am Soc Agr,Madison,Wisconsin,p87–94.)为了解决“在不损害生产力的条件下容许土壤流失量是多少”这一问题，将上述概念模型加以改进，引入土层厚度代替土壤性质计算T值，方程包括最小容许土层厚度、最适宜土层厚度、当前土层厚度、以及容许土壤流失量的上下限等多个参数：
[0010]
[0011] 其中T(x，y，t)是点(x，y)在时间t(即当前)上的T值，T1是T的下限，T2是T的上限，Z是当前的土层厚度，Z1是最小容许土层深度，Z2是最适宜土层深度。从(T1，T2)到(T1，Z2)容许土壤流失量是正弦曲线函数，其值取决于土壤深度，(T2-T1)/2是振幅。Z值介于Z1和Z2之间，用0°～180°的余弦值表示。改进后的模型在现实研究中也有一定的应用，然而由于土层厚度划分法属于半定量的方法，土壤厚度仅为一项较为综合的土壤性质，不能全面表达土壤生产力水平，相同厚度的土壤其生产力水平有可能差异较大，且方程中最小土壤厚度、最适土壤厚度等参数是人为确定，缺乏科学依据，最重要的是方程中需要确定土壤使用年限，由于受环境和人类活动影响该参数难以确定，故在计算过程中存在阻碍。
[0012] 土壤生产力模型(简称PI模型)是一个综合评价土壤水平的有效方法，在国内外研究中得到了广泛的验证和应用，但是将其用于定量计算容许土壤流失量尚缺乏探索。
[0013] 用PI模型评价T值是一种科学合理的方法，它将土壤侵蚀与土壤生产力联系起来，既可以明确不同区域不同土壤类型容许的土壤流失量，同时考虑了当前土壤生产力指数及其随侵蚀厚度的变化——土壤侵蚀脆弱性指数的影响。本发明将PI模型与理想方程结合起来，利用调查得到的土壤剖面数据，计算其生产力指数以及土壤侵蚀对该指数的影响，基于维持土壤生产力的目标来定量评价T值，较厚度法和成土速率法更具有优势。
发明内容
[0014] 本发明的目的是克服土层厚度法计算T值所存在的资料单一、方法不合理、参数难确定等技术
缺陷，提供一种维持可持续土壤生产力的T值计算的新方法，可科学合理的获取各项参数用以定量评价T值，同时也可反映土壤侵蚀与土壤生产力变化之间的关系。
[0015] 所采取的技术方案是：利用土壤生产力指数模型(PI)和计算容许土壤流失量理想方程相结合评价容许土壤流失量，首先，假设农田土壤流失防治的主要目标是保护土壤生产力，因此土壤生产力成为建立T的最重要的影响因素。其次，为了维持土壤生产力的可持续发展，土壤生产力水平应高于最低土壤生产力值。具体包括以下步骤：
[0016] ①布设监测样点及野外调查：根据研究区的范围及实际情况，分土壤类型、土地利用、
地貌部位等确定监测样点的位置和数量，选择和布设考虑监测样点要兼顾坡顶、坡肩、坡背和坡脚四个坡位，微地貌条件尽量保持一致，避开浅沟/切沟/人工排水沟等扰动地区，作物类型、品种、管理方式须保持一致，野外调查包括了典型剖面调查和作物产量调查，典型剖面调查是通过GPS
定位仪器找到已定调查样点的准确位置，利用半圆取土钻采集剖面原状样本，确定
土壤发生层和侵蚀状况，挖取剖面并按照土壤发生层分别采集原状土壤样本和混合土壤样本，以供测定土壤的理化性质，作物产量调查采取农户调查的形式，调查剖面地土种所
播种的主要
农作物、大概产量、农业投入、耕作方式、水土保持措施等信息；
[0017] ②测定研究区土壤理化性质：土壤理化性质测定指标包括有机质含量、pH、有效
含水量、黏粒含量；
[0018] ③计算土壤生产力指数(PI)：利用修订后的PI模型，分层计算各样点的土壤生产力指数，公式如下，
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[0020] 式中，i是土层的数量，n是根系深度内土层的总数。Ai代表第i层土壤有效含水量的适应性指数，Di表示第i层土壤pH的适应性指数，Oi表示第i层土壤的有机质含量适宜性指数，CLi表示第i层土壤黏粒含量的适应性指数(粒径<0.002mm)，WFi为第i层土壤的权重，它决定了理想条件下作物对土壤水分的利用。
[0021] ④计算容许土壤流失量(T值)：将土壤生产力指数(PI)模型与Skidmore改进后的T值计算方程融合，用土壤生产力指数(PI)代替土层深度(Z)，计算典型区域不同土壤类型的T值，公式如下，
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[0023] 式中，T(x，y，t)是点(x，y)处的T值，T1是T的下限，T2是T的上限，PI是当前的土壤生产力，PI1是最低容许土壤生产力指数，PI2是最佳的土壤生产力指数。T1是特定点(x，y)土壤生产力降低到最低容许值(PI1)时T值的下限，且土壤侵蚀率应不低于T1。
[0024] 进一步地，PI1表征土壤生产力最低容许值，确定PI1需要三个步骤：建立PI与作物产量之间关系方程；验证每公顷土地种植的经济价值在可收回农业成本(
种子成本、化肥和劳动力成本)时最低作物产量(投入高于产出)；基于PI与作物产量之间的关系方程计算土壤生产力最低容许值PI1。PI2表征最佳土壤生产力性能，根据土壤生产力模型PI的原理，当PI指数等于1时，土壤的生产性能达到最佳，作物产量不再受土壤理化指标的影响。
[0025] 进一步地，可通过定期土壤调查获得土壤生产力指数(PI)，进而更新目标土壤的T值，确定土壤使用时间。
[0026] 本发明的有益效果是：PI模型的提出为更好的评价土壤生产力提供了方法，而将PI模型应用于Skidmore理想方程中，则是一个全新的尝试，避免了以往评价方法中无法定量计算土壤生产力指数，无法确定土壤使用时间，不能确定容许降低的生产力幅度等问题，为定量分析确定容许土壤流失量提供新的思路。该方法不仅
能量化土壤生产性能，而且能动态表达土层间土壤生产性能的差异，实验研究证明，将PI模型与理想方程结合起来计算容许土壤流失量是科学合理的方法，可为水土流失危害度评价、水土保持措施选择以及水土保持成本核算等提供科学依据，其优点主要表现在两个方面：
[0027] (1)用PI模型评价土壤生产力水平，较土壤厚度更为客观综合，且具有可操作性，土壤生产力的保护目标等参数也可计算获得，各项参数的获得具有客观合理性和可实现性。
[0028] (2)土壤使用时间一直是计算T值中最难确定的参数，本发明确定的计算方法可通过定期土壤调查获得土壤生产力指数，进而更新目标土壤的T值，为土壤使用时间的确定提供了合理有效的方法。
具体实施方式
[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过
实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0030] 通过在红河流域元江干热河谷区老寨小流域内布设监测样点，动态监测红河流域干流区典型小流域内侵蚀对土壤理化性质的影响，用于模型修订的参数的确定，然后利用实地调查获取的
云南省红河流域红壤理化性质计算得出流域内不同土类的容许土壤流失量。包括以下步骤：
[0031] (1)监测样点布设及野外调查。根据研究区的范围及实际情况，分土壤类型、土地利用、地貌部位等确定监测样点的位置和数量，监测样点的选择和布设考虑监测样点要兼顾坡顶、坡肩、坡背和坡脚四个坡位，微地貌条件尽量保持一致，避开浅沟/切沟/人工排水沟等扰动地区，作物类型、品种、管理方式须保持一致。野外调查包括了典型剖面调查和作物产量调查，典型剖面调查是通过GPS定位仪器找到已定调查样点的准确位置，利用半圆取土钻采集剖面原状样本，确定土壤发生层和侵蚀状况，挖取剖面并按照土壤发生层分别采集原状土壤样本(用于测定土壤容重和毛管持水量)和混合土壤样本，以供测定土壤的理化性质；作物产量调查采取农户调查的形式，目的在于调查剖面地土种所播种的主要农作物、大概产量、农业投入、耕作方式、水土保持措施等信息。
[0032] (2)研究区土壤理化性质测定。土壤理化性质测定指标包括有机质含量、pH、有效含水量、黏粒含量。
[0033] (3)土壤生产力指数(PI)模型的计算。利用修订后的PI模型，分层计算各样点的土壤生产力指数。
[0034] (4)容许土壤流失量(T值)计算。利用本发明确定的PI模型评价容许土壤流失量计算方法，计算典型区域不同土壤类型的T值。
[0035] 实施例以云南省红壤坡耕地较为集中分布的红河流域为研究区，在红河流域实地调查了47个红壤系列土壤的典型剖面，在室内测定剖面土壤理化性质的
基础上，利用本发明确定的T值评价方法计算了红河流域不同土壤类型的T值，结果表明，研究区5个土类47个红色土土种的T值变化于120～1120t/(km2·a)，平均603t/(km2·a)，平均值较现有国家标准高20.6％。其中，T值最高的是砖红壤土类的砖黄泥土种，其值为1119.88t/(km2·a)，高出国家标准1.24倍，较红河流域总体T值均值高85.72％；T值最低的是红壤土类的砂石渣土土种，该土种的T值仅有120.01t/(km2·a)，低于国家标准76％，较红河流域红壤平均T值低80.10％。
[0036] 从T值的总体分布频度上看，T值主要分布在低于200t/(km2·a)和高于800t/(km2·a)的频段，低于200t/(km2·a)和高于800t/(km2·a)两个频段的土种数占到了总土种数的60％，其中T值低于200t/(km2·a)的有11个土种，占总土种数的23.4％；T值高于800/(km2·a)的土种有17个，占总土种数的36.17％。此外，有6个土种的T值位于200～
400t/(km2·a)，占总土种数的12.77％；有6个土种的T值位于400～600t/(km2·a)，占总土种数的12.77％；有7个土种的T值位于600～800t/(km2·a)，占总土种数的14.89％。
[0037] 按土壤类型看，各的土类的T值排序为：赤红壤<紫色土<燥红壤<红壤<砖红壤。其中砖红壤的T值平均最大，高达705.53t/(km2·a)，高出国家标准500t/(km2·a)的41.12％；2
其次是红壤平均T值634.87t/(km·a)，较国家标准高26.97％；再次是燥红壤和紫色土，平均T值分别为612.74t/(km2·a)、605.70t/(km2·a)，分别高于国家标准的22.55％、
21.14％；五类土中，唯有赤红壤的T值低于国家标准9.89％，在五类土中均值最小。
[0038] 通过汇总了南方红壤区相关类型土壤的T值研究结果，并与本方法计算的T值结果对比发现，本方法计算的T值在区域总体平均值上与国家T值标准差异不大，且能在不同类型土壤上考虑因生产性能差异导致的T值差异，是一种计算容许土壤流失量科学可行的新方法。
