[发明专利]一种基于PI模型的容许土壤流失量计算方法

说明书

技术领域

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

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。

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/km²·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。

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。

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。

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：

式中，I_S(x,y)为地点函数，是t₀时刻土壤性质的测量值；M_s(x,y)为点(x,y)处该土壤的最小容许流失量；E_s(x,y,t)为点(x,y)处土壤流失速率；R_s(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。

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：

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。

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。