水土流失是我国环境问题的集中体现^[1]，其强度大小除受降雨^[2]、地形^[3]、植被^[4]等外部因素影响外，还取决于土壤本身的抗侵蚀能力^[5]。土壤可蚀性是表征土壤抗侵蚀能力的主要指标，是水土流失预测评价的基础数据，其值的定量研究和应用备受国内外学者关注^[6]。当前土壤可蚀性研究主要集中在量化应用及影响因素评价2方面：一是对不同类型的土壤可蚀性进行定量评估，优化评估方法^[7-8]；二是量化土地利用类型^[9]、植被恢复^[10]和耕作方式^[11]等对土壤可蚀性的影响。这些研究成果在土地资源评价、水土流失预测等方面得到广泛应用^[6]。但实际因长期定位观测资料覆盖范围有限，土壤类型和土壤特性空间变异大等因素影响，研究成果不宜跨区域推广^[12]；因此，不同区域土壤可蚀性研究需进一步加强。鉴于安徽省土壤可蚀性的相关研究未见报道，笔者利用径流小区实测资料、安徽省48种土壤剖面及其分布资料，采用通用土壤流失方程(universal soil loss equation，简称USLE)、EPIC估算模型、土壤质地转换方法，借助ArcGIS软件，获取了安徽省土壤可蚀性K值及其分布特征。研究成果可为该地区土壤资源评价和水土流失预测提供基础数据和科学依据，对推进土地资源保护和水土保持生态建设具有重要意义。

安徽省位于E 114°54′~119°37′与N 29°41′~34°38′之间，面积14.01万km²，地处暖温带与亚热带过渡区，多年平均降水量800~1 800 mm，时空分布不均，夏季降水占年降水量的40%~60%，多以暴雨形式降落，并在皖西、皖南山区形成2大暴雨中心。安徽省中山、低山、丘陵、岗地和平原等地貌类型齐全，>5°的土地占总土地面积的29.9%，丘陵山区地形起伏大，坡度陡，地形地貌复杂多样。地带性土壤有黄棕壤、黄红壤、黄壤与红壤，土层较薄，平均厚度不足1 m；因水土流失等原因，粗骨土分布广泛^[13]。20世纪五六十年代，受人类经济活动的影响，安徽省植被遭到严重破坏，目前天然次生林虽然大范围恢复，但全省森林覆盖率仍较低，约32%，以马尾松(Pinus massoniana)林、毛竹(Phyllostachys heterocycla)林为主。安徽省因降雨量大、地形复杂、植被覆盖度低，以及人为活动频繁等原因，境内仍有约1.24万km²水土流失面积，尤其坡耕地、经济林地和稀疏林地的水土流失依然严重^[14]。

安徽省水土流失区20世纪80年代建有4个水土保持实验站，现均纳入全国水土保持生态环境监测站网，试验站特征见表 1。利用2011—2016年霍山、岳西、广德和歙县4个试验站观测的共659场次降雨量、降雨强度及其相应地表裸露小区的泥沙量、坡度、坡长等数据获取土壤可蚀性实测值；利用4个试验站4种土壤类型的地表裸露小区的土壤理化性质数据获取土壤可蚀性的EPIC估算值；利用4个试验站4种土壤类型17种不同水土保持措施的国际制土壤粒径构建分形模型，并用相应的美国制土壤粒径对其验证。依据《安徽省土壤分布》，按照土壤分布面积和区域对安徽省土壤类型进行统计，平原区 < 10 km²的土种合并到同属下的其他土种，山地丘陵区 < 1 km²的土种合并到同属下的其他土种，最终统计出安徽省48种土壤类型，查阅《中国土种志(第1~6卷)》获取了该48种土壤类型的剖面资料。

表 1(Tab. 1)

表 1 安徽省水土保持试验站径流小区特征及资料年限 Tab. 1 Characteristic of runoff plots and data of soil and water conservation stations in Anhui province, China 试验站 Experiment station 土壤类型 Soil type 位置 Sites 径流小区特征Characteristic of runoff plot 资料年限 Data period 坡度Slope/(°) 长×宽Length×width/(m×m) 利用类型Land-use type 霍山Huoshan 粗骨土 Skeleton soil E 115°59′09″, N 31°08′43″ 13 20×5 裸地Bare land 2011—2016 岳西Yuexi 黄棕壤 Yellow brown soil E 116°21′00″, N 30°50′00″ 15 20×5 裸地Bare land 2011—2016 广德Guangde 黄红壤 Yellow red soil E 119°36′35″, N 31°02′22″ 15 20×5 裸地Bare land 2011—2016 歙县Shexian 红壤 Red soil E 118°40′40″, N 29°58′09″ 15 20×5 裸地Bare land 2011—2016

表 1 安徽省水土保持试验站径流小区特征及资料年限 Tab. 1 Characteristic of runoff plots and data of soil and water conservation stations in Anhui province, China

试验站的降雨和土壤侵蚀资料按次降雨观测统计，土壤取样采用“S”路线法，每个径流小区取15个样点，深度为0~20 cm，用塑料桶将土壤充分混匀，挑出石块等杂物后，用四分法弃去多余部分，最后保留2 kg，用封口袋装好，贴上标签带回实验室风干，用英国生产的Mastersize 3000激光粒度仪测试土壤粒径组成，用重铬酸钾容量法测试土壤有机质，用沙维诺夫干、湿筛法分别测定土壤团粒含量和水稳性团粒含量。

根据USLE的定义获取土壤可蚀性实测值^[15]，本文采用的径流小区由于坡度、坡长和覆盖—管理措施与USLE的标准小区不同，因此需要订正，坡度因子订正公式见式(1)^[7]，坡长因子订正公式见式(2)^[15]。覆盖-管理因子值基于每个小区的管理记录，依据USLE手册确定^[16]。土壤可蚀性实测值计算见式(3)。

式中：S为坡度因子，量纲为1；θ为径流小区的坡度，(°)。

式中：L为坡长因子，量纲为1；λ为坡长，m；n为系数，当坡度≥5%，n=0.5，当坡度为3.5%~4.5%时，n=0.4，当坡度为1%~3%时，n=0.3，当坡度小于1%时，n=0.2。

式中：K为土壤可蚀性因子，t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)；A为单位面积上多年的平均土壤流失量，t/(hm²·a)；R为降雨侵蚀力因子，基于次降雨资料利用USLE中降雨侵蚀力计算方法获取^[15]，MJ·mm/(hm²·h·a)；C为覆盖-管理因子，量纲为1。

采用应用较为广泛的EPIC模型^[17]获取土壤可蚀性估算值

式中：S_AN为砂粒(2~0.05 mm)质量分数，%；S_IL为粉粒(0.05~0.002 mm)质量分数，%；C_LA为黏粒(< 0.002 mm)质量分数，%；C_t为土壤有机碳质量分数(C_t=0.058 3×土壤有机质含量)，%；S_N1=1-S_AN/100。

为了便于与同类研究进行比较，获取的可蚀性值采用国际单位，式(4)估算的值为美国惯用单位，将其乘以0.131 7则可转变为国际制单位^[15]。

土壤质地分级标准因不同的国家或地区有所不同，国际制土壤粒径分级，< 0.002 mm为黏粒、0.002~0.02 mm为粉粒、0.02~2 mm为砂粒、>2 mm为石砾。美国制土壤粒径分级，< 0.002 mm为黏粒、0.002~0.05 mm为粉粒、0.05~0.10 mm为极细砂、0.10~2 mm为砂粒、>2 mm为石砾。EPIC模型中的土壤粒径为美国制，我国第2次土壤调查的土壤粒径为国际制。因此，为了获取安徽省土壤可蚀性分布，需对48种土壤质地粒径进行转换，转换的方法采用应用广泛的分形模型转换法。分形模型原理^[18]为土壤颗粒的质量分布与平均粒径间有分形关系(式5)。

式中：δ为筛分粒级直径；R_max为最大粒级土粒的平均直径；W₀为土壤各粒级质量的总和，W(δ < R_i)/W₀为 < R_i的累积土粒质量与土粒总质量的比值，为了简便，以W_i代替W(δ < R_i)。式(5)中各土壤颗粒的粒径及小于某一粒径土壤的质量可通过土壤的粒径分析确定。然后分别以lg(W_i/W₀)、lg(R_i/R_max)为纵坐标和横坐标，那么3-D就是拟合的直线方程的斜率，D即为土壤颗粒分形维数，R_i为土壤i粒级的土粒平均直径，2≥i>0。

利用安徽省水土保持试验站实测数据构建的土壤可蚀性实测值与估算值的关系方程，结合分形模型、EPIC模型对安徽省48种土壤质地进行的转换和可蚀性计算，基于安徽省土壤图、借助ArcGIS分析与计算功能，获取安徽省土壤可蚀性K值分布，并统计其特征。

文中数据处理主要采用SPSS 19.0、Excel 2007和ArcGIS9.3等软件。

依据安徽省土壤图，借助ArcGIS软件，结合《安徽省土壤分布》，对面积分布前10位的土壤类型进行分析和统计，详见图 1和表 2。

图 1(Fig. 1)

图 1 安徽省主要土壤种类分布 Fig. 1 Distribution of main soil types in Anhui province

表 2(Tab. 2)

表 2 安徽省主要土壤类型面积统计 Tab. 2 Area of main soil types in Anhui province, China 土壤种类 Soil type 红壤 Red soil 潮土 Moisturesoil 水稻土 Paddy soil 砂姜黑土 Shajiang black soil 黄褐土 Yellow cinnamon soil 黄棕壤 Yellow brown soil 粗骨土 Skeleton soil 黄壤 Yellow soil 石灰土 Lime soil 紫色土 Purple soil 合计 Total area 面积Area/km2 43 803.2 28 093.5 24 766.2 11 990.6 5 958.0 4 828.4 4 341.0 2 589.0 1 626.4 1 371.0 129 367.3 占全省面积比例Percentage in total area of whole province/% 31.3 20.1 17.7 8.6 4.3 3.4 3.1 1.8 1.2 1.0 92.3

表 2 安徽省主要土壤类型面积统计 Tab. 2 Area of main soil types in Anhui province, China

从图 1和表 2可看出：安徽省分布最广的土壤为红壤，面积4万3 803.2 km²，主要分布于皖西、皖南山地丘陵的中下部及山麓地带；潮土次之，面积2万8 093.5 km²，主要分布于黄泛平原及淮河的沿岸地带；水稻土第三，面积2万4 766.2 km²，主要分布于沿江地区、江淮丘陵区和皖南地区；砂姜黑土第四，面积1万1 990.6 km²，主要分布于淮北平原的中南部及其平原延伸的洼地；黄褐土第五，面积5 958.0 km²，主要分布于江淮丘陵岗地；黄棕壤第六，面积4 828.4 km²，主要分布于低山丘陵地区和石质岗丘顶部，海拔一般在100 m以上；粗骨土第七，面积4 341.0 km²，全省均有分布，以海拔200~600 m低山丘陵分布较为集中；黄壤第八，面积2 589.0 km²，主要分布在山地垂直带上，一般位于海拔200~ 1 100 m的地带；石灰土第九，面积1 626.4 km²，主要分布在沿江冲积平原的外缘地段及长江沿岸河漫滩和江心洲上；紫色土第十，面积1 371.0 km²，主要分布在皖西大别山外围和皖南休屯盆地边缘丘岗地带。面积分布前10位的土壤占全省国土面积的92.3%，其中水土流失区^[14]的土壤类型主要为红壤、黄褐土、黄棕壤、粗骨土、黄壤和紫色土，分布面积占全省国土面积的44.9%。

基于实测数据，利用USLE定义和EPIC模型获取了安徽省水土流失区主要土壤可蚀性实测值与估算值，并采用回归方法建立了实测值与估算值的关系方程，见表 3。

表 3(Tab. 3)

表 3 安徽省水土流失区主要土壤可蚀性实测值与估算值的关系 Tab. 3 Correlation between measured and estimated values of main soil erodibility in soil loss areas of Anhui province 试验站Experiment station 土壤类型Soil type 实测值Measured values 估算值Estimated values 线性关系Linear equation (t·hm2·h·MJ-1·mm-1·hm-2) 霍山Huoshan 粗骨土Skeleton soil 0.026 0.048 KSC=1.714KEPIC-0.059, R2=0.977, Sig=0.012 岳西Yuexi 黄棕壤Yellow brown soil 0.013 0.042 广德Guangde 黄红壤Yellow red soil 0.018 0.046 歙县Shexian 红壤Red soil 0.043 0.060 注：KEPIC为EPIC模型模拟获取的K值；KSC为实测K值。Notes: KEPIC is estimated K value using EPIC model; KSC is measured K value.

表 3 安徽省水土流失区主要土壤可蚀性实测值与估算值的关系 Tab. 3 Correlation between measured and estimated values of main soil erodibility in soil loss areas of Anhui province

从表 3可看出，与实测值相比，安徽省水土流失区的粗骨土、黄棕壤、黄红壤和红壤可蚀性估算值偏高，平均高96.1%，方差分析显示在0.05显著水平下，估算值与实测值存在显著差异，表明EPIC模型不能直接应用于安徽省土壤可蚀性计算，该结果与张科利等^[7]、史学正等^[19]研究中国和亚热带土壤可蚀性的结论一致。实测值与估算值有很好的线性关系，从表 3可以看出：实测值与估算值的线性方程的R²达到0.977，说明用该方程获取的土壤可蚀性实测值97.7%可由估算值解释；显著性水平 < 0.05，为0.012，说明建立的线性方程有效。现有研究表明，利用实测资料验证和修正土壤可蚀性估算方法是科学获取土壤可蚀性值的重要手段^{[7, 19-20]}，所以，EPIC模型经建立的线性方程修订后可用于获取安徽省的土壤可蚀性。

利用霍山、岳西、歙县、广德4种土壤17个径流小区国际制土壤粒径数据，拟合分形模型，获取模拟的美国制土壤粒径数据，并用相应小区实测的美国制粒径数据验证分形模型转换的结果。基于17个小区的土壤粒径数据，分别拟合出17个分形方程，详见表 4，可以看出，拟合的方程都达到显著水平，R²都在0.8以上，说明拟合的方程较好。

表 4(Tab. 4)

表 4 安徽省水土保持试验站小区土壤质地转换拟合的分形模型 Tab. 4 Fractal modeling of soil type transformation in the soil and water conservation stations of Anhui province 序号Serial number 拟合的分形模型Fitting fractal model R2 Sig 1 lgWx=0.459lg (Rx/Rmax)-0.042 0.879 0.043 2 lgWx=0.366lg(Rx/Rmax) 0.890 0.041 3 lgWx=0.440lg(Rx/Rmax)+0.002 0.911 0.037 4 lgWx=0.504lg(Rx/Rmax)-0.001 0.868 0.045 5 lgWx=0.432lg(Rx/Rmax)-0.016 0.847 0.050 6 lgWx=0.382lg(Rx/Rmax)-0.002 0.850 0.049 7 lgWx=0.427lg(Rx/Rmax)-0.006 0.963 0.008 8 lgWx=0.522lg(Rx/Rmax)-0.464 0.896 0.040 9 lgWx=0.212lg(Rx/Rmax)+0.020 0.858 0.048 10 lgWx=0.161lg(Rx/Rmax)-0.005 0.893 0.041 11 lgWx=0.161lg(Rx/Rmax)-0.015 0.868 0.045 12 lgWx=0.299lg(Rx/Rmax)+0.007 0.993 0.004 13 lgWx=0.328lg(Rx/Rmax)+0.020 0.931 0.023 14 lgWx=0.331lg(Rx/Rmax) 0.858 0.048 15 lgWx=0.508lg(Rx/Rmax)+0.006 0.874 0.043 16 lgWx=0.591lg(Rx/Rmax)-0.001 0.967 0.012 17 lgWx=0.578lg(Rx/Rmax)-0.014 0.872 0.044 注：Rx为Ri，Wx为Wi/W0。Notes: Rx is Ri that is the average diameter of i level soil particle. Wx is Wi/W0 that is the ratio of cumulative weight for soil particle <Ri to weight of total soil particle.

表 4 安徽省水土保持试验站小区土壤质地转换拟合的分形模型 Tab. 4 Fractal modeling of soil type transformation in the soil and water conservation stations of Anhui province

用拟合方程把相应的国际制土壤粒径转换为美国制，并用实测值进行验证，详见表 5，可以看出，除个别模拟值外，大部分的模拟值和实测值相差不到10%。对模拟值和实测值进行方差分析(P < 0.05)，结果显示2~0.1 mm、0.1~0.05 mm、0.05~0.002 mm土壤粒径的模拟值与实测值的差异显著性水平分别是0.888、0.127和0.327，均>0.05，差异不显著，说明模拟值与实测值具有较好的相一致。因此，分形模型适用于安徽省土壤质地粒径转换。

表 5(Tab. 5)

表 5 安徽省水土保持实验站美国制土壤粒径组成的分形模拟值与实测值 Tab. 5 Fractal measured and simulated values of soil particle size compositions in American system for soil and water conservation stations in Anhui province  % 序号Serial number 2~0.1 mm 0.1~0.05 mm 0.05~0.002 mm < 0.002 mm 模拟值Simulated value 实测值Measured value 模拟值Simulated value 实测值Measured value 模拟值Simulated value 实测值Measured value 实测值Measured value 1 32.10 32.44 17.11 19.09 48.25 45.94 2.54 2 22.41 22.07 17.39 15.68 56.01 58.06 4.20 3 25.95 24.44 19.47 17.88 54.39 57.47 0.20 4 29.65 27.30 20.74 20.12 49.54 52.51 0.07 5 28.56 28.48 18.49 16.16 52.79 55.20 0.17 6 23.56 23.91 17.74 15.60 57.97 59.76 0.73 7 26.64 26.85 18.79 18.34 51.26 51.49 3.31 8 31.00 29.61 20.95 21.37 45.31 46.27 2.74 9 9.60 9.48 12.35 9.33 69.77 72.91 8.28 10 11.58 11.98 9.34 6.32 67.50 70.10 11.58 11 13.60 13.33 30.21 6.44 44.31 68.23 11.88 12 17.40 16.52 15.46 13.37 60.80 63.77 6.34 13 23.92 23.63 15.47 14.12 55.61 57.07 5.00 14 20.50 20.43 16.30 14.42 58.03 59.98 5.17 15 28.70 28.55 21.16 20.88 47.42 47.85 2.72 16 33.76 33.43 22.26 21.73 43.93 44.80 0.04 17 35.14 35.30 21.41 20.67 43.41 43.99 0.04

表 5 安徽省水土保持实验站美国制土壤粒径组成的分形模拟值与实测值 Tab. 5 Fractal measured and simulated values of soil particle size compositions in American system for soil and water conservation stations in Anhui province  %

利用分形模型对安徽省48种土壤类型的质地粒径进行转换，采用EPIC模型及其修订方程，借助ArcGIS软件，获取安徽省土壤可蚀性K值分布，详见图 2。

图 2(Fig. 2)

Ⅰ江淮丘陵水土流失区，Ⅱ皖西丘陵山地水土流失区，Ⅲ皖南丘陵山地水土流失区。 Ⅰ Jianghuai hilly soil erosion area; Ⅱ Hilly and mountain soil erosion area in western Anhui; Ⅲ Hilly and mountain soil erosion area in southern Anhui. 图 2 安徽省土壤可蚀性K值分布 Fig. 2 Distribution of soil erodibility K values in Anhui province

从图可看出安徽省>0.05 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)的土壤可蚀性主要分布在淮北平原、江淮之间的平原及山地丘陵的川地上，面积3.34万km²，占安徽省国土面积的23.8%，这主要因为该地区分布的是砂姜黑土和水稻土。砂姜黑土发育于河湖相沉积物上经脱沼泽作用而形成的半水成土，有机质含量低，严重缺磷少氮，结构松散，水稳性差，膨胀收缩性强，所以土壤可蚀性值较高^[21]。水稻土由于长期受人为活动和自然成土因素的双重作用形成的土壤，有机质虽然含量较高，但土壤粒径组成不具分形特点，所以土壤可蚀性值较高^[22]。砂姜黑土和水稻土虽然土壤可蚀性值较高，但主要分布于平原、洼地，不具备水土流失的地形条件，因此，水土流失轻微。

安徽省主要水土流失区的土壤可蚀性K值为0.020~0.050 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)。其中：皖西山地丘陵区的土壤可蚀性主要为0.020~0.035 t·hm²· h/(MJ·mm·hm²)，该地区土壤主要是粗骨土、棕壤土；皖南山区的土壤可蚀性主要为0.030~0.050 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)，该地区土壤主要是红壤、黄红壤；江淮丘陵区的土壤可蚀性主要为0.025~0.030 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)，该地区土壤主要是黄褐土。土壤可蚀性值大小反映潜在的水土流失状况，为综合评估安徽省土壤可蚀性平均水平，扣除主要分布于平原与洼地的砂姜黑土和水稻土，利用面积加权法对该省的土壤可蚀性进行计算，得出安徽省土壤可蚀性平均值为0.036 6 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)，虽然比黄土高原区^[7]、南方红壤区的土壤可蚀性小^[20]，但比东北黑土区^[8]、紫色土区的土壤可蚀性大^[7]，说明该地区水土流失潜在风险较大^[14]。

1) 安徽省土壤类型多，但主要土壤类型有10种，面积占全省国土面积的92.3%，水土流失区主要为红壤、粗骨土、黄褐土、黄棕壤、黄壤和紫色土。

2) 安徽省水土流失区主要类型土壤可蚀性实测值与EPIC模型估算值存在很好的线性关系，建立的方程可用于EPIC模型修订。

3) 安徽省水土流失区主要类型土壤质地转换分形模型拟合较好，土壤粒径组成的模拟值和实测值没有差异，分形模型可用于该地区的土壤质地转换。

4) 安徽省主要水土流失区的皖西山地丘陵区、皖南山区及江淮丘陵区的土壤可蚀性值为0.020~0.050 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)，平均值为0.036 6 t·hm²·h/(MJ·mm·hm²)，该地区水土流失潜在风险较大。