土壤侵蝕研究進(jìn)展

劉爭光

(四川蜀水生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限責(zé)任公司，四川 成都 610021)

在無人為干擾的情況下，土壤及其母質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融等外部作用力下被逐漸破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的過程即為土壤侵蝕[1]。唐克麗等[2]以外部環(huán)境對土壤的作用力為依據(jù)，將土壤侵蝕分為風(fēng)力侵蝕、水力侵蝕、凍融侵蝕等，土壤侵蝕可以導(dǎo)致土壤退化，對土地資源造成了不可逆的破壞。程圣東等[3]通過對云南省金沙江河谷實(shí)驗(yàn)表明，土壤理化性質(zhì)是影響土壤侵蝕和土壤抗蝕性能的重要內(nèi)在因素。而在土壤侵蝕過程中，土壤水動力學(xué)特征是最直觀表現(xiàn)[4]。因此，研究土壤理化性質(zhì)以及土壤侵蝕水動力學(xué)特征，對于預(yù)防和治理不同地區(qū)不同類型不同程度土壤侵蝕具有重要意義。本文通過分析不同學(xué)者的研究進(jìn)展，歸納總結(jié)不同地域的土壤侵蝕研究結(jié)論，為進(jìn)一步探討如何減弱土壤侵蝕，保護(hù)土壤資源提供理論依據(jù)。

1 土壤物理性質(zhì)對土壤侵蝕的影響

朱樂紅等[5]研究結(jié)果表明，土壤侵蝕受到土壤理化性質(zhì)的顯著影響。其中，關(guān)于土壤物理性質(zhì)的研究主要包括土壤容重、土壤含水量及土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)等。

1.1 土壤容重對土壤侵蝕的影響

土壤容重反映了土壤的松緊程度，直接影響到土壤的通氣性和透水性，進(jìn)而影響土壤侵蝕[5]。劉希林等[6]在對廣東五華縣蓮塘崗研究中得出，砂土容重較大，黏土容重較小。李建興等[7]通過對普洱市棄渣場研究實(shí)驗(yàn)得出，土壤容重越大，棄渣場坡面流能力越強(qiáng)，坡面產(chǎn)流時刻越早，徑流系數(shù)越大，導(dǎo)致土壤流失量越大。徐燕等[8]在貴州省紫云縣通過對不同土地利用類型對比得出，土壤容重越大，土壤侵蝕越嚴(yán)重；其結(jié)果還表明，不同土地利用類型土壤容重有很大差異，其排列順序?yàn)槁闫碌?坡耕地>草地>臺耕地>林地。根據(jù)分析，得到這些結(jié)果主要與土壤有機(jī)質(zhì)含量、粘粒含量、結(jié)構(gòu)狀況和孔隙狀況等有關(guān)。而且李建興等[7]、徐燕等[8]的結(jié)果表明，同一地區(qū)其研究結(jié)果具有相似性。胡嬋娟等[9]在對延安市羊圈溝流域的研究中用137Cs的含量來表征土壤侵蝕程度，137Cs的含量越低表明土壤侵蝕越嚴(yán)重，研究結(jié)果表明，土壤容重隨著137Cs的升高而升高，即土壤容重增大，土壤侵蝕減小。

不同研究者針對不同地區(qū)土壤容重與土壤侵蝕之間關(guān)系的研究結(jié)論表明，不同地區(qū)不同土質(zhì)不同降雨量土壤容重對土壤侵蝕的存在較大影響，一定條件下適當(dāng)?shù)耐寥廊葜赜欣跍p弱土壤侵蝕強(qiáng)度。

1.2 土壤含水量對土壤侵蝕的影響

土壤含水量能夠反映土壤接納降雨量和減少地表徑流量的多少，并對土壤侵蝕有顯著影響，所以研究土壤含水量對提高土壤的抗蝕和抗旱能力具有一定意義。安曉奇等[10]通過室內(nèi)模擬棄渣含水量侵蝕影響實(shí)驗(yàn)得出在不同降雨強(qiáng)度情況下，土壤侵蝕與土壤含水量有顯著相關(guān)性。楊永紅等[11]對昆明市蔣家溝土樣室內(nèi)研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水量增大時，土粒間連結(jié)強(qiáng)度會降低，致使土粒之間的摩擦強(qiáng)度降低，土壤侵蝕程度隨之增大。張向炎等[12]、文雅琴等[13]通過現(xiàn)場監(jiān)測得出數(shù)據(jù)，前期土壤含水量越高，土壤侵蝕速度越快，達(dá)到穩(wěn)定徑流和入滲的時間越短，對土壤的侵蝕強(qiáng)度越大。不同學(xué)者通過前期土壤含水量對土壤侵蝕程度進(jìn)行模擬與監(jiān)測，都能夠得出兩者的相關(guān)性，這可以對以后進(jìn)一步研究土壤侵蝕提供科學(xué)依據(jù)。

1.3 土壤團(tuán)聚體對土壤侵蝕的影響

團(tuán)聚體是土壤中重要的組成部分，是土粒經(jīng)過凝聚膠結(jié)作用形成的直徑<10mm的良好結(jié)構(gòu)體。根據(jù)已有研究[14,15]，土壤團(tuán)聚體作為土壤抵御侵蝕外力最基本的單元，是影響土壤可蝕性的一個重要指標(biāo)，對土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響。王文鑫等[16]在黃土高原溝壑區(qū)研究結(jié)論表明，溝頭土壤侵蝕程度的減小與水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加、團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高密切相關(guān)。呂剛等[17]對彰武縣土石質(zhì)山研究得出，該地區(qū)土壤大多數(shù)為<0.25mm的土壤顆粒，而這樣的顆粒極易堵塞土壤孔隙，造成水分難以下滲，從而增加土壤抗蝕性。曾全超等[18]通過Le Bissonais方法得出，黃土高原地區(qū)陰坡、陰溝坡和陽溝坡土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性比陽坡穩(wěn)定性強(qiáng)，土壤抗侵蝕能力較強(qiáng)。張欽等[19]、任嬌嬌等[20]通過其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也得出相似結(jié)論。以上研究都表明，在某些地區(qū)隨著土壤團(tuán)聚體含量增加，穩(wěn)定性增強(qiáng)都能在一定程度減少土壤侵蝕程度。

2 土壤化學(xué)性質(zhì)對土壤侵蝕的影響

在水土流失過程中，土壤是被破壞的對象，所以土壤的化學(xué)性質(zhì)對水土流失的發(fā)展有著重要的影響。在一定的地形和降雨條件下，地表徑流的大小以及水土流失程度和強(qiáng)度則取決于土壤化學(xué)性質(zhì)。土壤中的pH、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分是土壤中重要組成元素，三者含量的高低也是反應(yīng)土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)。

2.1 pH對土壤侵蝕的影響

土壤pH值用來表示土壤酸堿性的強(qiáng)弱，作為反映土壤養(yǎng)分狀況的重要指標(biāo)之一，與土壤侵蝕之間有密切關(guān)系。土壤中的氮磷鉀等主要營養(yǎng)元素在一定酸堿范圍內(nèi)有較好的吸收和利用，酸堿度改變后則降低土壤養(yǎng)分利用。劉丹等[21]通過137Cs示蹤技術(shù)分析表明，137Cs含量與土壤pH呈負(fù)相關(guān)，即pH越低土壤侵蝕程度越低。區(qū)曉琳等[22]、劉乃君等[23]通過對不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)分析調(diào)查得出，土壤可蝕性與pH值成極顯著正相關(guān)，在酸性土壤中，土壤的pH值越高，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)。而張?jiān)婄鵞24]在對遼西地區(qū)調(diào)查時卻得出相反結(jié)論，研究表明，在表層土中沒有受到人為干擾，枯枝落葉層在微生物分解下產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)，促進(jìn)了土壤的膠結(jié)作用，使得土壤pH值最低，抗侵蝕性強(qiáng)。出現(xiàn)這一結(jié)論可能與研究時土壤表層覆蓋物質(zhì)不同有關(guān)。

2.2 有機(jī)質(zhì)對土壤侵蝕的影響

有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力高低的重要指標(biāo)，土壤有機(jī)質(zhì)直接影響著土壤的耐肥性、抗旱性、耕性、通氣狀況和土壤溫度等，是研究土壤侵蝕過程中一項(xiàng)重要的化學(xué)參數(shù)。李瑩等[25]在對作物間土壤有機(jī)質(zhì)侵蝕進(jìn)行研究得出，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨降雨量的增加而增加，隨侵蝕土壤的粒徑和植物覆蓋率的增加而減少。王戰(zhàn)臺等[26]對大姚縣5個不同采樣地區(qū)的研究得出，園地、林地和灌叢有機(jī)質(zhì)含量較高，耕地和草地的含量較低，并且都是隨著土層深度增加，有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低并且耕地和草地最容易受土壤侵蝕，導(dǎo)致土壤肥力下降。王文正等[27]通過實(shí)地調(diào)查得出，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，水穩(wěn)性指數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)愈加穩(wěn)定，抗蝕性能越強(qiáng)。仲亞婷等[28]通過室內(nèi)模擬得出，不同土壤類型的坡面侵蝕特征不同，有機(jī)質(zhì)含量越高的土壤，膠結(jié)程度愈高，能改善土壤的持水量和入滲量，同時抗侵蝕能力愈強(qiáng)。學(xué)者對土壤有機(jī)質(zhì)與土壤侵蝕之間相互產(chǎn)生的影響都做了不同的調(diào)查分析，這對不同地區(qū)土壤抗蝕性提供了參考。

2.3 養(yǎng)分對土壤侵蝕的影響

土壤中的速效養(yǎng)分是能被植物生長利用的成分，也是土壤最重要的組成部分，速效養(yǎng)分含量受水土保持措施影響較大，速效養(yǎng)分的多少直接影響土質(zhì)以及土壤抗侵蝕能力。謝賢健等[29]采用靜水崩解法對內(nèi)江市丘陵區(qū)測驗(yàn)得出，土壤有機(jī)質(zhì)分解后可以提高土壤中速效養(yǎng)分的含量，而速效養(yǎng)分對土壤結(jié)構(gòu)起直接影響作用，能有效提高土壤抗蝕性。李淵等[30]通過對貴州喀斯特地區(qū)研究表明，該地區(qū)磷在土壤中以穩(wěn)定的磷酸鈣化合物存在而不易遷移，導(dǎo)致出現(xiàn)表聚現(xiàn)象，增加了土壤抗蝕性。研究者[31]通過對水土保持中氮磷研究得出，氮磷元素流失量與降雨量和徑流量呈正相關(guān)，并且堿解氮含量與粘粒含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)；速效鉀含量與砂粒含量、粉粒含量呈極顯著正相關(guān)，而與粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；速效磷含量與土壤顆粒組成之間無顯著相關(guān)性。張曉燕等[32]也通過對雨前后的氮磷測定，得出侵蝕泥沙對氮、磷等營養(yǎng)鹽具有富集作用。

3 土壤侵蝕過程中水動力學(xué)特征

土壤分離是土壤侵蝕的主要表現(xiàn)形式，而水動力學(xué)特征是土壤侵蝕過程的直觀反映。在土壤侵蝕研究方面，早期對坡面流水動力學(xué)特性的研究多采用野外觀測的方法，之后的研究基于侵蝕的物理發(fā)生過程建立侵蝕預(yù)報(bào)模型[33]。通過分析土壤侵蝕過程中土壤徑流流速、雷諾數(shù)等系數(shù)，研究不同地區(qū)土壤水流水力學(xué)特性及其規(guī)律，揭示土壤侵蝕過程動力學(xué)機(jī)理。研究成果不僅可以深化對土壤侵蝕過程的認(rèn)識，促進(jìn)土壤侵蝕理論的進(jìn)一步發(fā)展，也可為水土流失治理及生態(tài)建設(shè)提供重要科學(xué)依據(jù)。

3.1 土壤徑流流速的變化

在土壤侵蝕中，坡面徑流為主導(dǎo)因素。而土壤分離為侵蝕重要表現(xiàn)形式，侵蝕程度取決于徑流水動力學(xué)特征。研究土壤水動力學(xué)特征，主要為研究坡面侵蝕過程，但現(xiàn)階段關(guān)于坡面侵蝕過程規(guī)律的研究報(bào)道較少，特別是土壤坡面降雨—徑流侵蝕水動力學(xué)過程機(jī)制尚不明確。流速是坡面徑流最重要的水動力學(xué)要素之一，是坡面徑流侵蝕的直接動力，主要受降雨強(qiáng)度、坡度和地表特征等因素影響[34]。有研究表明，不同流量或不同坡度下，細(xì)溝水流輸沙能力隨流速的增大而增加。楊大明等[35]在不同坡度下試驗(yàn)表明，細(xì)溝水流流速隨放水流量的增大而增大，流量和坡度都會影響水流流速。朱慧鑫等[34]研究得出當(dāng)放水流量一定時，植被密度與坡面流流態(tài)有影響，植被增加可有效減小水流紊動性。蔣芳市[36]采用室內(nèi)放水沖刷試驗(yàn)，在小坡度和小流量條件下，當(dāng)流量或者坡度增大時，侵蝕率隨礫石含量的增加呈先減小后增大的規(guī)律。從不同科學(xué)家的研究可知，土壤侵蝕速度隨流速的增加而增強(qiáng)。郭忠錄等[37]實(shí)驗(yàn)表明，水流功率相對于徑流剪切力與坡面產(chǎn)流速率有更好的相關(guān)性。原因可能是水流功率是水流剪切力和流速的函數(shù)，是2個參數(shù)共同作用的結(jié)果。

3.2 雷諾系數(shù)的變化

雷諾數(shù)是衡量水流紊動程度的指標(biāo)，在數(shù)值上等于水流慣性力與粘滯力之比。一般而言，在流量恒定的條件下，雷諾數(shù)越大，坡面流的紊動性越大，徑流侵蝕能力和泥沙輸移能力的增大，將會導(dǎo)致坡面侵蝕量的增加[38]。肖叢宇等[39]通過野外徑流小區(qū)放水得出，坡面流雷諾數(shù)隨流量增加而不斷變大。林慶明[40]等通過模擬降雨研究得出，雨強(qiáng)一致下，弗洛德數(shù)有隨坡度增大而增加的趨勢。潘成忠等[41]在試驗(yàn)條件下也得到了類似的結(jié)論。這是因?yàn)槠露仍龃螅魉傧鄳?yīng)增大，造成徑流深減小，導(dǎo)致弗洛德數(shù)增加。

4 土壤理化性質(zhì)對土壤侵蝕阻力的影響

土壤侵蝕阻力是指土壤抵抗水的分散和懸浮的能力，即土壤對侵蝕營力分離和搬運(yùn)作用的抵抗能力，其強(qiáng)弱與土壤的理化性質(zhì)密切相關(guān)，是評定土壤抵抗侵蝕力重要參數(shù)之一。徑流沖刷引起的土壤分離過程主要通過土壤侵蝕阻力來定量表征[42]，受土壤理化性質(zhì)顯著影響[43]。目前，國內(nèi)關(guān)于土壤抗蝕性的研究主要集中在黃土高原區(qū)、南方紅壤丘陵區(qū)及川中丘陵區(qū)。相關(guān)分析顯示，土壤侵蝕阻力與土壤容重、有機(jī)質(zhì)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體顯著相關(guān)[44]。

4.1 土壤物理性質(zhì)對土壤侵蝕阻力的影響

土壤有機(jī)質(zhì)為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成提供膠結(jié)源，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增強(qiáng)土壤的透水性、通氣性，提高土壤抗蝕性等。土壤顆粒土是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)體的主要成分，不僅影響土壤養(yǎng)分循環(huán)，還可以用來解釋土壤抗侵蝕的程度[45]。肖盛楊等[46]對喀斯特高原峽谷樣地測試得出，土壤團(tuán)聚狀況和分散率可以表征土壤抗蝕性。姜愛國等[47]也通過研究紫金山植被得出結(jié)論，隨著土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的增加，土壤結(jié)構(gòu)會更加穩(wěn)定。呂剛等[17]通過調(diào)查荊條植被覆蓋度得出，隨著荊條株密度的增加，大粒徑團(tuán)聚體的穩(wěn)定性更好，降雨難以將其分散呈成小粒徑顆粒，從而難以形成徑流，減小了雨水對土壤的蝕刷。閆思宇等[48]也通過對山地林分變化采用機(jī)械篩分法得出，土壤抗蝕性受水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的直接影響。余新曉等[49]得出，土壤容重和>0.25mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量是決定土壤抗蝕性大小的主導(dǎo)因素。李曉陽等[50]通過果園生草覆蓋使土壤密度、緊實(shí)度降低，土壤總孔隙度、水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量增加，顯著提高了土壤的抗蝕性。

4.2 土壤化學(xué)性質(zhì)對土壤侵蝕阻力的影響

王文正等[27]認(rèn)為土壤有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體含量狀況是評價(jià)雅江中上游流域土壤抗蝕性強(qiáng)弱的最佳指標(biāo)；不同河谷地區(qū)的土壤抗蝕性強(qiáng)弱差異顯著；有機(jī)質(zhì)與水穩(wěn)性指數(shù)和水穩(wěn)性團(tuán)聚體均呈不顯著正相關(guān)關(guān)系，與容重和結(jié)構(gòu)破壞率均呈不顯著負(fù)相關(guān)，而容重與結(jié)構(gòu)破壞率呈顯著正相關(guān)。張東旭等[51]認(rèn)為，土壤中黏粒含量、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量愈高，土壤的抗侵蝕能力愈強(qiáng)。任改等[52]經(jīng)多元回歸得出，土壤化學(xué)性質(zhì)與抗蝕指數(shù)存在一定的線性關(guān)系，土壤抗蝕指數(shù)主要受有機(jī)質(zhì)、速效P含量的影響。

5 存在的問題及展望

通過總結(jié)研究，各學(xué)者都從不同方向研究了土壤理化性質(zhì)對土壤侵蝕的影響以及不同地區(qū)坡面土壤水動力學(xué)特征，但研究仍存在以下問題。研究方法不一樣，導(dǎo)致對同一性質(zhì)得出不同的結(jié)論；部分學(xué)者只研究了部分理化性質(zhì)對土壤侵蝕及抗蝕性的影響，沒有全面得出土壤性質(zhì)對土壤侵蝕及抗侵蝕影響的研究。因此，在今后的科研工作中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代精密儀器與設(shè)備積極開展全面系統(tǒng)地研究，建立土壤理化性質(zhì)與土壤侵蝕之間的定量關(guān)系，能夠在相關(guān)理論研究方向有所突破，對以后的土壤侵蝕模擬理論的準(zhǔn)確性具有重要參考價(jià)值。