土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕影響研究綜述

朱樂(lè)紅 唐科明 李豪

摘要 土壤理化性質(zhì)是影響土壤侵蝕過(guò)程的重要因素，研究土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響對(duì)控制土壤侵蝕、采取合理水土保持措施有著重要意義。本文基于土壤侵蝕預(yù)報(bào)機(jī)理模型以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，總結(jié)現(xiàn)有研究中土壤各種理化性質(zhì)對(duì)模型中核心參數(shù)的影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤各種理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕影響的觀點(diǎn)各有不同。該方面的研究仍然存在參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、研究?jī)?nèi)容不夠系統(tǒng)全面、研究結(jié)果分歧等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 土壤侵蝕；細(xì)溝可蝕性；臨界剪切力；土壤可蝕性；土壤理化性質(zhì)

中圖分類號(hào) S153 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）14-0189-03

Abstract Soil physical and chemical properties are the important affecting factors in soil erosion process.It is of great significance to study the effects of soil physical and chemical properties on soil erosion to control soil erosion，adopt reasonable soil and water conservation measures.Based on soil erosion prediction mechanism model and empirical model，this paper summarized the effects of various physical and chemical properties of soil on core parameters in the model.In present，domestic and foreign scholars had different views on the effects of various physical and chemical properties on soil erosion.There still exist some problems such as the inconsistency of parameter standards，the lack of systematic research contents and the differences of research results in these research.

Key words soil erosion；rill erodibility；critical shear stress；soil erodibility；soil physical and chemical property

自然狀態(tài)下，土壤及其母質(zhì)會(huì)在風(fēng)力、水力、凍融等外營(yíng)力條件下逐漸被破壞剝蝕，該過(guò)程即為土壤侵蝕[1]。根據(jù)作用于土壤的外營(yíng)力不同，可將土壤侵蝕分為風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕、凍融侵蝕、泥石流侵蝕、山洪侵蝕及土壤塌陷等。大量研究發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕受到土壤理化性質(zhì)、地形（坡度、坡長(zhǎng)、坡形）、地質(zhì)、氣候（降雨）、植被、人類活動(dòng)等因素的影響。土壤理化性質(zhì)主要有土壤容重、土壤含水量、土壤機(jī)械組成、土壤有機(jī)質(zhì)含量、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、土壤黏結(jié)力、陽(yáng)離子交換量、pH值、總孔隙度等。大量研究表明，土壤侵蝕受到土壤理化性質(zhì)的顯著影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為在土壤質(zhì)地相同的情況下，土壤容重反映土壤的松緊程度，其變化影響土壤孔隙變化[2]，土壤容重的增加將使土壤孔隙度減少，引起下滲的水量減少，地表徑流量將增加，這也將增大對(duì)土壤的沖刷，加大徑流對(duì)土壤的分離搬運(yùn)能力。何騰兵[3]通過(guò)分析貴州地區(qū)不同類型土壤的理化性質(zhì)得出，土壤容重小則土壤疏松，有利于攔滲蓄水、減緩徑流沖刷，容重大則相反，因此各土類的裸坡地較林、草、耕地侵蝕更為嚴(yán)重，即土壤容重越大則土壤侵蝕程度越嚴(yán)重。徐 燕等[4]在研究貴州喀斯特山區(qū)土壤物理性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響時(shí)，得出土壤容重越大，總孔隙度越小，土壤侵蝕越嚴(yán)重，程圣東等[5]的研究結(jié)論與之類似。李裕元[6]、何淑勤等[7]的研究結(jié)果也表明，土壤侵蝕與土壤容重的關(guān)系密切。

有研究認(rèn)為，土壤前期含水量通過(guò)影響土壤入滲，進(jìn)而影響地表產(chǎn)流過(guò)程，改變坡面流水動(dòng)力條件。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤顆粒間黏結(jié)力以及土壤抗剪強(qiáng)度都會(huì)隨土壤含水量的不同而變化，從而對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響[8-11]。金 鑫等[12]認(rèn)為若土壤初始含水量較低，導(dǎo)致顆粒間黏結(jié)力小，則在雨滴沖刷作用下，土壤容易發(fā)生分離。但楊永紅等[13]的研究得出相反結(jié)論，在含水量越大的情況下，非飽和土的黏結(jié)力越小。張玉斌等[11]認(rèn)為前期土壤含水量會(huì)對(duì)土壤入滲過(guò)程和徑流過(guò)程產(chǎn)生影響，前期近地表土壤含水量越大，坡面初始產(chǎn)流時(shí)間越早，地表徑流量增大，侵蝕產(chǎn)沙量增大。細(xì)溝侵蝕的程度隨前期土壤含水量的增加而嚴(yán)重，且前期土壤含水量越大，土壤從片蝕發(fā)展為細(xì)溝侵蝕越快。

劉 京等[14]研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)和團(tuán)聚體間存在密切的聯(lián)系；土壤有機(jī)質(zhì)在團(tuán)聚體形成過(guò)程中發(fā)揮了重要作用，有機(jī)質(zhì)可作為團(tuán)聚體形成的膠結(jié)劑。有機(jī)質(zhì)含量增加，則土壤團(tuán)聚體含量也增加，土壤的水穩(wěn)性、通透性增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。因此，隨著土壤有機(jī)質(zhì)增加，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，水土流失將進(jìn)一步減少[15]。高維森等[16]在對(duì)黃土丘陵區(qū)檸條林地土壤抗蝕性規(guī)律進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著林齡增大，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越多，則土壤抗蝕性越強(qiáng)。張孝存等[17]對(duì)黑土區(qū)松花江流域東山溝小流域坡耕地耕層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量及土壤侵蝕速率進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕分布與土壤有機(jī)質(zhì)及氮素含量空間分布之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，且土壤侵蝕速率隨著土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量、堿解氮含量的增加而下降。

綜上可知，學(xué)者們?cè)诓煌囼?yàn)方法，不同試驗(yàn)條件下所得的研究結(jié)果均表明，土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響顯著。因此，研究區(qū)域內(nèi)土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響，能夠針對(duì)不同地域采取有效的預(yù)防保護(hù)措施來(lái)減弱土壤侵蝕帶來(lái)的不利影響，改善土壤質(zhì)量，提高區(qū)域水土保持能力。

本文基于土壤侵蝕預(yù)報(bào)機(jī)理模型以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)模型中相應(yīng)描述土壤侵蝕的核心參數(shù)（土壤細(xì)溝可蝕性、土壤臨界剪切力、土壤可蝕性K值）為衡量標(biāo)準(zhǔn)，分別歸納出了現(xiàn)有研究中土壤各種理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響，為進(jìn)一步分析探討土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響提供參照。

1 描述土壤侵蝕的參數(shù)

20世紀(jì)80年代，Nearing等建立了土壤分離能力與水流剪切力的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)建了美國(guó)水蝕預(yù)報(bào)模型WEPP（water erosion prediction project）模型，提出了細(xì)溝可蝕性（Kr）和臨界剪切力（τc）的概念。土壤細(xì)溝可蝕性和土壤臨界剪切力是WEPP模型中的重要參數(shù)，土壤細(xì)溝可蝕性可以反映土壤抗蝕能力[18-20]，土壤抵抗徑流沖刷的阻力參數(shù)則用土壤臨界剪切力來(lái)表征[21]，兩者均受到土壤理化性質(zhì)的影響。

土壤可蝕性K值是指標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)上單位降雨侵蝕力引起的土壤流失量，是美國(guó)通用土壤流失方程（USLE）中描述土壤抗侵蝕能力的參數(shù)。一些學(xué)者也以土壤可蝕性K值為衡量標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)研究土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響。

除上述細(xì)溝可蝕性、臨界剪切力、可蝕性K值等參數(shù)外，還有土壤抗蝕性、抗沖性、侵蝕率等一系列描述土壤侵蝕的參數(shù)[22]。土壤分散系數(shù)也是表征土壤抗蝕性能的重要參數(shù)。就同一土壤類型而言，通常分散系數(shù)愈大，土壤的抗蝕能力愈弱[3]。

2 土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響

2.1 土壤理化性質(zhì)對(duì)WEPP模型中2個(gè)核心參數(shù)的影響

從20世紀(jì)起，不少學(xué)者就開始對(duì)WEPP模型中土壤細(xì)溝可蝕性和土壤臨界剪切力這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析，研究土壤理化性質(zhì)對(duì)其的影響。

20世紀(jì)90年代，Ghebreiyessus[23]研究指出，細(xì)溝可蝕性與土壤容重成負(fù)相關(guān)關(guān)系。Van Klaveren等[24]指出，土壤前期含水量與細(xì)溝可蝕性成正相關(guān)關(guān)系。Gilley[25]在對(duì)初始產(chǎn)流的臨界剪切力和臨界流動(dòng)速率進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)溝可蝕性與土壤含水量顯著相關(guān)。21世紀(jì)初，Nachtergaele[26]則得出了與之相反的結(jié)論，指出土壤前期含水量與細(xì)溝可蝕性成負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤團(tuán)聚體作為土壤的重要組成部分對(duì)細(xì)溝可蝕性也有顯著影響[27]。郁耀闖等[28]的研究結(jié)果表明，土壤細(xì)溝可蝕性與水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤黏結(jié)力、根重密度之間成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Ciampalin等[29-32]均認(rèn)為，土壤分離能力將會(huì)隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤黏結(jié)力以及水穩(wěn)性團(tuán)粒含量的增大而降低。Zhang等[33]利用WEPP模型分析獲得了農(nóng)田、草地、灌木、荒地、林地5種土地利用方式下的細(xì)溝可蝕性和臨界剪切力數(shù)值，由于土壤理化性質(zhì)存在明顯差異，不同的土地利用方式也將顯著影響細(xì)溝可蝕性和臨界剪切力。Norris[34]也得出土壤表層黏結(jié)力對(duì)各類土地利用土壤分離能力的季節(jié)變化具有重要影響。

國(guó)外學(xué)者對(duì)土壤機(jī)械組成與細(xì)溝可蝕性間的關(guān)系做了大量研究，Gilley[25]、Alberts[35]等研究表明，土壤中粉粒含量、極細(xì)砂含量與細(xì)溝可蝕性之間有著緊密關(guān)系。但就已有研究來(lái)看，關(guān)于土壤機(jī)械組成對(duì)細(xì)溝可蝕性影響的研究結(jié)果分歧較為明顯，Alberts[35]、Allen[36]等學(xué)者認(rèn)為，細(xì)溝可蝕性與土壤粘粒含量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，而Sheridan等[37]的研究則指出，砂粒含量與細(xì)溝可蝕性的關(guān)系更加密切。此外，部分學(xué)者將土壤理化性質(zhì)與細(xì)溝可蝕性的關(guān)系用方程式進(jìn)行了描述（表1）。

眾多研究結(jié)果表明，土壤容重、土壤前期含水量、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤機(jī)械組成等對(duì)土壤臨界剪切力有較為明顯的影響[6，23，27]。Ghebreiyessus[23]指出土壤臨界剪切力τc與土壤容重成正相關(guān)關(guān)系。Nachtergaele等[26]研究表明，土壤臨界剪切力與土壤前期含水量成正相關(guān)關(guān)系。Gilley等[25]的相關(guān)研究則指出，土壤臨界剪切力與土壤有機(jī)質(zhì)含量成正相關(guān)，而與土壤砂粒含量、黏粒含量、極細(xì)沙含量、總孔隙度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。Alberts[35]、Auzet[38]等的研究也得出相似結(jié)論，土壤臨界剪切力與土壤砂粒含量、黏粒含量、極細(xì)沙含量、總孔隙度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，部分學(xué)者將土壤理化性質(zhì)與臨界剪切力的關(guān)系用方程式進(jìn)行了描述（表2）。

2.2 土壤理化性質(zhì)對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭袇?shù)土壤可蝕性K值的影響

式中，SAN為砂粒含量，SIL為粉粒含量，CLA為黏粒含量，C為有機(jī)碳百分含量，SN1=1-SAN/100[39]。由以上K值估算公式可知，土壤砂粒含量、粉粒含量等顯著影響土壤可蝕性。黃曉強(qiáng)等[40]在研究延慶縣山區(qū)不同利用方式下土壤類型時(shí)，也發(fā)現(xiàn)土壤砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量等與土壤可蝕性相關(guān)性較好。區(qū)曉琳等[41]的研究表明，砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)和有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)這3個(gè)指標(biāo)可以用來(lái)表征崩崗?fù)寥揽晌g性強(qiáng)弱。土壤機(jī)械組成是影響土壤可蝕性K值的重要因素，隨砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，土壤可蝕性K值不斷增加；隨黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，土壤可蝕性K值不斷減少。仲亞婷等[42]在對(duì)相同降雨條件下，對(duì)不同類型土壤坡面侵蝕進(jìn)行比較，結(jié)果表明，土壤可蝕性差異主要受土壤機(jī)械組成和土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，土壤可蝕性K值隨土壤黏粒含量的增多而減小。但張永勤等[43-44]在分析土壤顆粒組成與土壤可蝕性K值的關(guān)系時(shí)則指出，可蝕性K值與砂粒含量成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與黏粒含量及粉粒含量均成顯著正相關(guān)關(guān)系。

土壤可蝕性與土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性也密切相關(guān)[45-46]。何騰兵[3]、郭培才等[47]研究也指出，土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量對(duì)土壤可蝕性有重要影響，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定度可以用來(lái)評(píng)價(jià)坡地土壤的抗蝕性能，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)土壤可蝕性與土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性之間的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)研究，所得結(jié)論大致相似。盧金偉[27]、閆峰陵等[48]研究指出，土壤抗蝕性可由 >0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量來(lái)模擬。土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量與土壤可蝕性成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[27]。Norris等[34]研究表明，土壤黏結(jié)力增加，土壤可蝕性降低。區(qū)曉琳等[41]還指出土壤可蝕性與pH值成極顯著正相關(guān)，而土壤容重及含水量對(duì)土壤可蝕性K值無(wú)明顯直接影響。

3 存在的問(wèn)題及展望

綜上可知，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響，但研究仍存在以下2個(gè)問(wèn)題。一是研究標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，部分學(xué)者基于WEPP這一機(jī)理模型進(jìn)行研究，而部分學(xué)者則基于USLE這一經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行探討，致使描述表征土壤侵蝕的名詞參數(shù)有很多，如細(xì)溝可蝕性、臨界剪切力、土壤可蝕性、土壤抗蝕性、土壤分離能力等。許多學(xué)者在進(jìn)行研究時(shí)，并沒(méi)有統(tǒng)一相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。此外，不同學(xué)者研究同一因素對(duì)土壤侵蝕的影響所得結(jié)果尚存在分歧，如土壤機(jī)械組成對(duì)土壤侵蝕的影響就存在較大爭(zhēng)議，不同學(xué)者在不同地區(qū)所得出的結(jié)論并不一致，對(duì)此仍然需要深入探討。二是多數(shù)學(xué)者只研究一種或幾種土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響，尚沒(méi)有系統(tǒng)的關(guān)于土壤各個(gè)理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕影響的相關(guān)研究。因此，在今后的科研工作中應(yīng)往參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化以及研究因素全面系統(tǒng)的方向發(fā)展?；诮y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，建立土壤理化性質(zhì)與侵蝕參數(shù)之間的定量關(guān)系，這對(duì)驗(yàn)證各種土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性以及分析土壤侵蝕時(shí)空分布與土壤內(nèi)在性質(zhì)的關(guān)聯(lián)具有重要意義。

土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土地退化、水體污染、淤積抬高河床、加劇洪澇災(zāi)害、淤塞水庫(kù)湖泊、影響開發(fā)利用等多重災(zāi)害。保護(hù)土地資源，防治水土流失，已成為備受關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題。土壤理化性質(zhì)作為土壤自身特性對(duì)土壤侵蝕過(guò)程有著顯著影響，因此研究土壤理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕的影響，對(duì)區(qū)域水土保持以及進(jìn)行土壤侵蝕預(yù)報(bào)等工作具有顯著作用。在具體的實(shí)踐過(guò)程中，以土壤自身理化性質(zhì)為切入點(diǎn)，通過(guò)改進(jìn)施肥、耕作等措施，協(xié)調(diào)土壤中物理化學(xué)元素含量及相對(duì)比例，降低土壤侵蝕量，有效緩解土壤侵蝕所引起的泥沙淤積、水體污染等問(wèn)題，為因地制宜進(jìn)行水土保持工作提供便利。

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