土壤可蝕性研究進(jìn)展綜述

井光花,于興修,李振煒

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/臨沂大學(xué)化學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,山東臨沂 276005;2.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院,山東濟(jì)南 250014)

土壤可蝕性研究進(jìn)展綜述

井光花1,2,于興修1,李振煒1,2

(1.山東省水土保持與環(huán)境保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/臨沂大學(xué)化學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,山東臨沂 276005;2.山東師范大學(xué)人口·資源與環(huán)境學(xué)院,山東濟(jì)南 250014)

土壤侵蝕;土壤可蝕性指標(biāo);研究方法;機(jī)理

土壤可蝕性是表征土壤對(duì)降雨滲透能力及其對(duì)降雨和徑流剝蝕、搬運(yùn)敏感程度的一個(gè)綜合指標(biāo),是反映土壤侵蝕的重要參數(shù)。介紹了國內(nèi)外學(xué)者提出的土壤可蝕性指標(biāo),評(píng)述了直接測(cè)定法、公式法和諾謨圖法的優(yōu)缺點(diǎn)與應(yīng)用范圍;結(jié)合我國土壤可蝕性研究現(xiàn)狀,介紹了我國土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)的典型土壤可蝕性指標(biāo)值的最新研究成果,分析了我國土壤可蝕性研究的不足,指出應(yīng)加強(qiáng)并完善土壤可蝕性指標(biāo)、土壤可蝕性影響因子和土壤可蝕性計(jì)算方法的研究。

[項(xiàng)目來源]教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-08-877);山東省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2009GG10006015);臨沂市重大科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目(201011019)

土壤侵蝕是土地退化的主要表現(xiàn)形式之一,是全球性的生態(tài)問題。土壤是被侵蝕的對(duì)象,被侵蝕的土壤是河流泥沙的主要來源,土壤的性質(zhì)影響著侵蝕過程的發(fā)生。因此,研究土壤可蝕性與土壤侵蝕的關(guān)系,有助于加深對(duì)土壤侵蝕特征和規(guī)律的認(rèn)識(shí),有利于防治土壤侵蝕所帶來的危害。

土壤可蝕性表征的是土壤對(duì)侵蝕的敏感程度,它是研究土壤侵蝕的重要指標(biāo)。到目前為止,對(duì)土壤可蝕性的研究可分為對(duì)土壤可蝕性指標(biāo)的確定、美國通用土壤流失方程中K值的測(cè)定和估算、土壤可蝕性指標(biāo)的時(shí)空變化及不確定性分析等3個(gè)方面,已有學(xué)者從不同角度對(duì)土壤可蝕性做了大量的研究工作[1]。本研究以土壤可蝕性最新的研究成果為基礎(chǔ),較系統(tǒng)地從土壤可蝕性指標(biāo)、計(jì)算方法和中國典型區(qū)域土壤可蝕性因子值等方面介紹了土壤可蝕性研究進(jìn)展,并展望了土壤可蝕性未來的研究重點(diǎn),以期為水土保持工作的相關(guān)研究提供借鑒。

1 土壤可蝕性指標(biāo)的研究

國外從20世紀(jì)20年代開始研究土壤可蝕性,相繼提出了土壤可蝕性指標(biāo),如土壤侵蝕率等,指出土壤可蝕性受土地利用方式、降雨等因素的影響,其某些物理化學(xué)性質(zhì)不能較好地表現(xiàn)土壤的可蝕性[2]。我國土壤可蝕性研究始于20世紀(jì)50年代,研究中多采用土壤的抗蝕性指標(biāo)并且用主成分分析法篩選土壤抗蝕性指標(biāo)[3];有的研究將單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量、土壤體積質(zhì)量或土壤微形態(tài)作為土壤可蝕性的重要指標(biāo),由于指標(biāo)不統(tǒng)一,限制了與國外同類研究的比較和交流。鑒于此,筆者歸納了如表1所示的國內(nèi)外學(xué)者提出的土壤可蝕性研究指標(biāo)[4-5]成果,旨在為生產(chǎn)實(shí)踐中土壤可蝕性指標(biāo)的選取提供參考。

表1 國內(nèi)外學(xué)者提出的土壤可蝕性指標(biāo)

2 土壤可蝕性研究方法

土壤可蝕性的量化可通過可蝕性因子值(K)體現(xiàn),其值大小反映了不同土壤的侵蝕率,表示土壤被沖蝕的難易程度,是定量研究土壤侵蝕的基礎(chǔ)。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同的研究區(qū)提出了不同的計(jì)算方法,主要有直接測(cè)定法、諾謨圖法和公式法[6]:直接測(cè)定法綜合了土壤性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響,其特點(diǎn)是所需的時(shí)間和所投入的費(fèi)用較多,難以推廣;諾謨圖法雖比較繁瑣,但精確度較高,在某些區(qū)域已經(jīng)得到了驗(yàn)證;公式法較前兩種方法應(yīng)用較為普遍,但由于公式較多,研究中要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)比后選用。

2.1 直接測(cè)定法

直接測(cè)定法主要包括土壤理化性質(zhì)測(cè)定法、儀器測(cè)定法和小區(qū)測(cè)定法。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定法主要是通過分析土壤的硅鐵鋁率、土壤浸濕率、分散率、侵蝕率、顆粒組成、滲透速度、懸浮率、膨脹系數(shù)、抗剪強(qiáng)度及團(tuán)聚狀況等性質(zhì)來評(píng)價(jià)土壤可蝕性的[7]。此方法可以加深認(rèn)識(shí)土壤理化性質(zhì)與土壤侵蝕之間的關(guān)系,但沒有建立起土壤可蝕性與土壤侵蝕的定量關(guān)系,因此還不能用于土壤侵蝕預(yù)報(bào)。

儀器測(cè)定法是用水滴或水流直接沖刷土樣或土體來測(cè)定土壤可蝕性的。朱顯謨認(rèn)為,水沖穴的深度指標(biāo)在一定程度上可以反映土體抵抗雨滴打擊和地面徑流沖擊等破壞作用的強(qiáng)弱;蔣定生等運(yùn)用儀器測(cè)定法分別于1957、1995年采用單位水量所沖走的土量、沖刷系數(shù)指標(biāo)反映土壤可蝕性,為定量研究土壤侵蝕提供了重要方法[8]。

小區(qū)測(cè)定法是在標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)條件下對(duì)不同土壤可蝕性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。我國的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)為坡度15°、長(zhǎng)20 m、寬5 m的清耕休閑地[9],以這種條件下得到的K值作為基本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國主要土壤可蝕性進(jìn)行衡量。目前,我國學(xué)者主要借鑒美國通用土壤流失方程研究思路,在模擬降雨和小區(qū)試驗(yàn)條件下,結(jié)合實(shí)測(cè)小區(qū)的土壤流失量,求得特定土壤的K值,該研究方法已成為測(cè)定和計(jì)算土壤可蝕性指標(biāo)的重要方法[10]。

2.2 諾謨圖法

通過分析大量的小區(qū)實(shí)測(cè)資料和人工模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)與土壤基本理化性質(zhì)的關(guān)系,用已有的侵蝕數(shù)據(jù)對(duì)土壤理化性質(zhì)制作諾謨圖,并估算沒有實(shí)測(cè)資料的土壤可蝕性。該方法比較成熟,所需費(fèi)用少,應(yīng)用簡(jiǎn)便,所得的K值較穩(wěn)定。

Wischmeier等根據(jù)美國主要土壤的性質(zhì),分析了55種土壤性質(zhì)指標(biāo),篩選出土壤粉粒(0.002—0.05 mm)與極細(xì)砂(0.05—0.1 mm)、土壤砂粒(0.1—2.0 mm)、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤團(tuán)聚體、土壤入滲性能5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),建立了K值與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系式[11],即

式中:M為土壤顆粒分析參數(shù);a為土壤有機(jī)質(zhì)含量;b為土壤分類中土壤結(jié)構(gòu)的級(jí)別;c為土壤滲透級(jí)別。

式(1)中參數(shù)的確定方法如下:①a的單位為%,如單位是g/kg,則應(yīng)換算為百分比含量。②將M表示為M=(s+t)×(100-n),其中s為粉砂百分比含量,t為極細(xì)砂百分比含量,n為黏粒百分比含量。③b與土粒大小和土壤的有機(jī)質(zhì)含量相關(guān),可根據(jù)土粒大小或有機(jī)質(zhì)來確定土壤結(jié)構(gòu)的級(jí)別[8,12]。④c按照黏粒含量、滲透速度及最小飽和水力傳導(dǎo)率等劃分為6個(gè)等級(jí)[8,12]。該方法經(jīng)過不同的修正,在我國滇東北山區(qū)、黃土高原及紅壤坡耕地等地區(qū)得到了應(yīng)用,并借助地統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了K值圖的繪制,為區(qū)域土壤侵蝕的研究提供了基礎(chǔ)資料。

2.3 公式法

由于直接測(cè)定法在某種程度上不能定量預(yù)測(cè)土壤侵蝕,諾謨圖法所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)繁多限制了其應(yīng)用范圍,因此國外學(xué)者在大量研究的基礎(chǔ)上提出了許多經(jīng)驗(yàn)公式,修正后得到了較好的應(yīng)用,其中使用較為普遍的是 Williams等提出的EPIC公式法[13]。EPIC公式法的形式為

式中:San為砂粒含量,%;Sil為粉砂含量,%;Cla為黏粒含量,%;C為有機(jī)碳含量,%;SN1=1-San/100。

該方法已在我國河北、湖南、福建等地應(yīng)用,應(yīng)用中探討了不同采樣密度對(duì)其估算值精度的影響,評(píng)估了用該方法研究我國土壤可蝕性的精確程度。國內(nèi)學(xué)者通過研究土壤可蝕性與土壤性質(zhì)的關(guān)系,建立了K值的計(jì)算公式,并用計(jì)算機(jī)制作出具有準(zhǔn)確幾何位置、可與地形圖配準(zhǔn)的K值圖[14],嘗試分析了臨界剪切力對(duì)土壤可蝕性的影響,為進(jìn)一步研究土壤可蝕性提供了新的方法。

3 我國土壤可蝕性指標(biāo)值

建立監(jiān)測(cè)小區(qū)、進(jìn)行野外調(diào)查及采用公式法是獲取土壤可蝕性指標(biāo)值的主要途徑,而我國地域遼闊、土壤類型多樣,在每個(gè)種類的土壤上建立監(jiān)測(cè)小區(qū)或進(jìn)行野外調(diào)查是難以做到的。因此,根據(jù)我國土壤侵蝕區(qū)劃,在不同地區(qū)典型土壤類型上建立基本控制點(diǎn),通過實(shí)測(cè)并采用適當(dāng)?shù)墓接?jì)算土壤可蝕性,然后借助GIS技術(shù)或其他方法將其推廣到其他類型土壤,進(jìn)而獲取其他地區(qū)典型土壤的可蝕性指標(biāo)值是可行的方法。表2歸納了前人在各地區(qū)選擇典型土壤計(jì)算的K值,可為相關(guān)地區(qū)土壤侵蝕的定量研究提供參考。

4 我國土壤可蝕性研究的不足與展望

4.1 土壤可蝕性研究的不足

(1)土壤可蝕性指標(biāo)體系不完善。我國土壤可蝕性指標(biāo)主要依據(jù)土壤團(tuán)聚度、分散系數(shù)等土壤性質(zhì)及土壤流失量來確定,雖有大量的研究成果,但沒有形成完善的確定土壤可蝕性指標(biāo)的體系,沒有一個(gè)簡(jiǎn)便的、可測(cè)得的土壤性質(zhì)能夠完全代表土壤可蝕性的指標(biāo),也不能應(yīng)用于不同地區(qū)之間、相同地區(qū)不同土類之間的土壤可蝕性特性的比較,從而限制了土壤可蝕性值的標(biāo)準(zhǔn)化。

(2)土壤可蝕性計(jì)算模型具有局限性。用于計(jì)算我國土壤可蝕性的模型大都借鑒了國外的研究成果,區(qū)域差異限制了模型的推廣,且在應(yīng)用于不同區(qū)域之間土壤可蝕性對(duì)比時(shí)要建立數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系。常用的通用土壤流失方程及其修正后的通用土壤流失方程皆屬經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)模型,缺乏對(duì)侵蝕過程機(jī)理的考察,具有一定的局限性。

表2 中國部分地區(qū)的土壤可蝕性K值

(3)土壤可蝕性機(jī)理研究不深入。目前,研究土壤可蝕性的野外小區(qū)多建在土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域,且多為坡面尺度的受人為擾動(dòng)土壤顆粒分布均勻的土地上,忽視了對(duì)侵蝕絕對(duì)量不大但侵蝕潛在危險(xiǎn)性很大區(qū)域的土壤可蝕性和土壤可蝕性受空間、時(shí)間變化及受人類活動(dòng)等因素影響相對(duì)可變性的研究。

4.2 土壤可蝕性研究展望

(1)完善土壤可蝕性指標(biāo)的研究。盡管國內(nèi)外許多學(xué)者提出了很多土壤可蝕性指標(biāo),但今后的研究要根據(jù)不同的侵蝕營力選擇可蝕性指標(biāo),并在分析土壤特性的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善,尤其是加強(qiáng)對(duì)資料欠缺或無資料區(qū)域的研究,科學(xué)選用土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體水穩(wěn)性或者滲透性等特征值進(jìn)行評(píng)價(jià),以便更好地確定土壤可蝕性指標(biāo)。

(2)加強(qiáng)土壤可蝕性計(jì)算模型研究。雖然基于機(jī)理的模型取得了很多成果,但不能完全代替經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｒ虼?應(yīng)選擇更多類型的典型區(qū)域,在加強(qiáng)土壤可蝕性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,將地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、“3S”和示蹤技術(shù)同現(xiàn)有的侵蝕模型結(jié)合起來,進(jìn)一步完善機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?擴(kuò)大模型的應(yīng)用范圍,提高土壤可蝕性因子的測(cè)算精度。

(3)深入開展土壤可蝕性影響因子研究。土壤可蝕性綜合了土壤侵蝕過程的各種效應(yīng),在考慮土壤的內(nèi)在性質(zhì)(如質(zhì)地、有機(jī)質(zhì))和暫時(shí)性質(zhì)(容重、團(tuán)聚體密度)的同時(shí),結(jié)合外在因素(坡度、降雨和土地利用等)對(duì)土壤可蝕性的影響,分析不同侵蝕過程的機(jī)理和土壤性質(zhì)(土壤團(tuán)聚體、含水量)的變化能更好地對(duì)土壤可蝕性作出準(zhǔn)確測(cè)定和計(jì)算。

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(責(zé)任編輯 趙文禮)

Summary of Study Progress on Soil Erodibility

JING Guang-hua1,2,YU Xing-xiu1,LI Zhen-wei1,2

(1.Shandong Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Environmental Protection/Linyi University,Linyi,Shandong 276005,China;2.Shandong Normal University,Ji’nan,Shandong 250014,China)(44)

Soil erodibility is an integrated index of soil characterization to percolation capacity of rainfall,sensitivity of precipitation or runoff denudation and transportation and an important parameter for soil erosion.The paper introduces the indexes of soil erodibility both at home and abroad,and comments on the advantages,disadvantages and scope of application of direct methods of determination,formula and nomogram.Then it lists the latest research results of index value of soil erodibility of the severe soil erosion region in China,and analyzes the insufficiency of the study on soil erodibility and points out that the study on index of soil erodibility,affecting factors and calculation methods should be further improved and strengthened.

soil erosion;index of soil erodibility;study method;mechanism

S157.1

A

1000-0941(2011)10-0044-04

井光花(1987—),女,山東鄒城市人,在讀碩士,主要研究方向?yàn)橘Y源利用與環(huán)境效應(yīng)。

2011-05-15