土壤風(fēng)蝕可蝕性研究進(jìn)展評(píng)述

高廣磊，殷小琳，丁國(guó)棟?，趙媛媛，孫桂麗，王 隴

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院 水土保持國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京；2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，751500，寧夏鹽池；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，830052，烏魯木齊)

土壤風(fēng)蝕指在風(fēng)的作用下沉積物的分離、搬運(yùn)和沉積，它是松散、干燥和裸露的地表土壤被氣流或氣固兩相流吹蝕、磨蝕和傳輸?shù)囊粋€(gè)連續(xù)的動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)過(guò)程[1]，也是一個(gè)多元、連續(xù)、復(fù)雜的綜合自然地理過(guò)程[2-3]，它不僅是塑造地球景觀的重要驅(qū)動(dòng)力，還是土地沙化的首要環(huán)節(jié)[4]。

土壤風(fēng)蝕發(fā)生緩慢，強(qiáng)危害性，難于測(cè)量，且影響因素十分復(fù)雜[5]。一般認(rèn)為，土壤風(fēng)蝕與氣候、地表粗糙度、植被(作物)、土壤結(jié)皮和土壤風(fēng)蝕可蝕性等因素存在密切關(guān)系[6]。其中，土壤風(fēng)蝕可蝕性是土壤系統(tǒng)的一個(gè)重要內(nèi)在屬性，是解析土壤風(fēng)蝕過(guò)程的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也是構(gòu)建土壤風(fēng)蝕模型的核心參數(shù)[7-8]。但由于土壤風(fēng)蝕可蝕性影響因素復(fù)雜且相關(guān)研究起步相對(duì)較晚，至今仍有很多重要問(wèn)題尚未解決，成為學(xué)術(shù)界討論的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。

鑒于此，在全面總結(jié)土壤風(fēng)蝕可蝕性國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理土壤風(fēng)蝕可蝕性研究領(lǐng)域的主要進(jìn)展，圍繞土壤風(fēng)蝕可蝕性概念與內(nèi)涵、量化表達(dá)和動(dòng)態(tài)特征3個(gè)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了綜合評(píng)述，以期為相關(guān)研究者提供參考和借鑒，共同推動(dòng)土壤風(fēng)蝕可蝕性研究的發(fā)展。

1 土壤風(fēng)蝕可蝕性的概念與內(nèi)涵

1941年，以專(zhuān)著《The Physics of Blown Sand and Desert Dunes(風(fēng)沙和荒漠沙丘物理學(xué))》的出版為標(biāo)志，Bagnold[9]開(kāi)啟了現(xiàn)代土壤風(fēng)蝕研究的序幕。次年，Chepil[10]首次提出了土壤風(fēng)蝕可蝕性這一概念，用以表征土壤發(fā)生風(fēng)力侵蝕時(shí)的脆弱程度。由此，土壤風(fēng)蝕可蝕性研究蓬勃發(fā)展，人們逐步認(rèn)識(shí)到土壤性質(zhì)對(duì)于風(fēng)力侵蝕過(guò)程的重要影響?，F(xiàn)階段，土壤風(fēng)蝕可蝕性一般被定義為土壤內(nèi)在屬性對(duì)風(fēng)力侵蝕造成的剝離和搬運(yùn)的敏感程度[11]。

在研究早期，國(guó)內(nèi)學(xué)者通常使用土壤風(fēng)蝕抗蝕性描述表層土壤對(duì)風(fēng)力侵蝕過(guò)程的影響，這與國(guó)外學(xué)者[12]常用的土壤風(fēng)蝕可蝕性為存在明顯差異。雖然土壤風(fēng)蝕可蝕性與土壤風(fēng)蝕抗蝕性均反應(yīng)土壤內(nèi)在屬性與風(fēng)力侵蝕之間的關(guān)系，但也存在一定的差異。土壤風(fēng)蝕可蝕性側(cè)重于描述土壤對(duì)于風(fēng)力侵蝕作用的敏感程度，并不具有力學(xué)屬性；而土壤風(fēng)蝕抗蝕性則是從侵蝕動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)地表土壤對(duì)于土壤風(fēng)蝕的抵抗能力，具備較強(qiáng)的力學(xué)屬性[13]。這一細(xì)微差異直接影響了人們對(duì)土壤風(fēng)蝕過(guò)程的理解和認(rèn)識(shí)。

作為一個(gè)連續(xù)的動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)過(guò)程，土壤風(fēng)蝕的各個(gè)發(fā)生要素應(yīng)具備豐富、科學(xué)的力學(xué)屬性；因此，從侵蝕動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，建議使用具有力學(xué)屬性的土壤風(fēng)蝕抗蝕性替代土壤風(fēng)蝕可蝕性，用以描述土壤抵抗土壤風(fēng)蝕的能力，并重新從動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)角度給出土壤風(fēng)蝕抗蝕性的定義，以指導(dǎo)其量化表達(dá)。

2 土壤風(fēng)蝕可蝕性的量化表達(dá)

自土壤風(fēng)蝕可蝕性這一概念誕生以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者[14-16]始終致力于探索簡(jiǎn)單、科學(xué)、有效、量化的土壤風(fēng)蝕可蝕性評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)。這些評(píng)價(jià)指標(biāo)與土壤內(nèi)在屬性和侵蝕動(dòng)力過(guò)程存在密切關(guān)系，對(duì)于深入理解土壤風(fēng)蝕可蝕性具有重要意義。但是，由于土壤風(fēng)蝕過(guò)程和土壤風(fēng)蝕可蝕性影響因子的復(fù)雜性，導(dǎo)致上述評(píng)價(jià)指標(biāo)并不能全面、準(zhǔn)確地表征土壤風(fēng)蝕可蝕性特征；因此，相關(guān)研究成果的科學(xué)性始終存在一定爭(zhēng)議，造成研究成果的推廣和應(yīng)用的遲滯。

表1 土壤風(fēng)蝕可蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation indexes for wind erodibility

20世紀(jì)60年代以來(lái)，土壤風(fēng)蝕研究逐漸由理論向應(yīng)用研究轉(zhuǎn)變[44]。1965年，基于對(duì)美國(guó)中西部平原地區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕研究成果的系統(tǒng)總結(jié)，Woodruff等[45]提出了土壤風(fēng)蝕方程(wind erosion equation，WEQ)。此后，風(fēng)力侵蝕預(yù)報(bào)系統(tǒng)(wind erosion prediction system，WEPS)、歐洲輕壤土風(fēng)蝕模型(wind erosion on European light soils，WEELS)、隨機(jī)風(fēng)蝕模擬系統(tǒng)(wind erosion stochastic simulator，WESS)和修正的土壤風(fēng)蝕方程(revised wind erosion equation，RWEQ)等土壤風(fēng)蝕模型相繼誕生[33,46-50]。雖然這些土壤風(fēng)蝕模型的理論框架和計(jì)算方法不盡相同，但土壤風(fēng)蝕可蝕性均是其核心計(jì)算模塊(表2)[11]。更為重要的是，受益于土壤風(fēng)蝕模型的發(fā)展、完善，土壤風(fēng)蝕可蝕性評(píng)價(jià)方法也由單因素量化評(píng)價(jià)指標(biāo)逐步發(fā)展為多因素量化評(píng)價(jià)體系，其科學(xué)性進(jìn)一步增強(qiáng)[51]。

表2 土壤風(fēng)蝕預(yù)報(bào)模型中土壤風(fēng)蝕可蝕性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[45-49]Tab.2 Evaluation indices for wind erodibility in wind erosion models

研究實(shí)踐證明，單因素和多因素的土壤風(fēng)蝕可蝕性量化評(píng)價(jià)體系在特定區(qū)域的土壤風(fēng)蝕研究工作中都有成功的應(yīng)用實(shí)例；但是，相關(guān)研究工作仍有許多環(huán)節(jié)有待發(fā)展和提高。一方面，上述土壤風(fēng)蝕可蝕性量化表達(dá)方法多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停淅碚摶A(chǔ)存在明顯缺陷[52]；另一方面，評(píng)價(jià)指標(biāo)或評(píng)價(jià)體系的產(chǎn)生具有明顯的地帶性特征，其普適性也一直受到普遍質(zhì)疑[53]。因此，研究探索一種科學(xué)、簡(jiǎn)便、普適，且能夠體現(xiàn)土壤抵抗風(fēng)力侵蝕作用力學(xué)屬性的土壤風(fēng)蝕可蝕性量化表達(dá)方法是目前該研究領(lǐng)域急需解決的重要研究?jī)?nèi)容。

3 土壤風(fēng)蝕可蝕性的動(dòng)態(tài)特征

在現(xiàn)有的計(jì)算模型中，土壤風(fēng)蝕可蝕性常常被當(dāng)作土壤的一種靜態(tài)屬性[11,47]。但實(shí)際上，在自然條件和人類(lèi)活動(dòng)的共同影響下，土壤結(jié)構(gòu)和功能在不同時(shí)空尺度中均呈現(xiàn)出了不同的抗風(fēng)蝕能力；因此，土壤風(fēng)蝕可蝕性并不是一成不變的，即具有動(dòng)態(tài)變化特征[54]?，F(xiàn)階段，一般認(rèn)為土壤風(fēng)蝕可蝕性的動(dòng)態(tài)變化主要受干濕交替、凍融循環(huán)和機(jī)械干擾三個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的影響。

3.1 干濕交替

土壤干濕交替過(guò)程廣泛發(fā)生于干旱風(fēng)沙區(qū)的表層土壤，其對(duì)土壤風(fēng)蝕可蝕性影響的實(shí)質(zhì)是土壤水分蒸發(fā)和凝結(jié)產(chǎn)生的氣-液界面表面張力驅(qū)動(dòng)的土壤顆粒間內(nèi)聚力的變化[55]。在土體吸水過(guò)程中，土壤顆粒間隙的水滴數(shù)量不斷增加，由水滴表面張力產(chǎn)生的土壤顆粒間的內(nèi)聚力也不斷增強(qiáng)，土壤中的細(xì)小顆粒固結(jié)形成團(tuán)聚體、結(jié)皮和土塊等更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。此時(shí)，風(fēng)力作用不僅需要克服土壤顆粒的自身重力，還需要克服土壤顆粒間的內(nèi)聚力才能產(chǎn)生土壤風(fēng)蝕[56]。但也有研究表明，干濕交替可以顯著增大土壤孔隙，形成較大的孔隙壓力，土體的不斷膨脹和收縮也會(huì)軟化土體骨架，進(jìn)而破壞土體結(jié)構(gòu)[57]。因此，我們認(rèn)為干濕交替對(duì)土壤風(fēng)蝕可蝕性的影響與土壤類(lèi)型和質(zhì)地存在密切相關(guān)，但其變化過(guò)程和驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍需進(jìn)一步探究。

3.2 凍融循環(huán)

凍融循環(huán)對(duì)土壤風(fēng)蝕可蝕性的影響與干濕交替造成的土壤顆粒間的內(nèi)聚力變化存在密切相關(guān)，但兩者的作用機(jī)理存在較大差異[58]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者更多關(guān)注凍結(jié)作用下土壤風(fēng)蝕可蝕性的動(dòng)態(tài)變化，而關(guān)于凍融循環(huán)過(guò)程的研究還較為薄弱。一般認(rèn)為，凍融作用可以減弱土壤顆粒間的內(nèi)聚力，降低土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而增加土壤風(fēng)蝕可蝕性[59]。不僅如此，當(dāng)土壤含水量相同時(shí)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤風(fēng)蝕量也會(huì)隨之增加[60]。但是，科爾沁沙地沙塵研究卻發(fā)現(xiàn)，土壤風(fēng)蝕可蝕性和風(fēng)蝕量會(huì)隨土壤的凍結(jié)進(jìn)程不斷減小，這可能與凍結(jié)作用的發(fā)生和持續(xù)時(shí)間存在密切聯(lián)系[61]。因此，凍結(jié)、融解和凍融循環(huán)過(guò)程對(duì)土壤風(fēng)蝕可蝕性的影響存在差異，其機(jī)理目前尚不明確，仍需要進(jìn)一步研究。

3.3 機(jī)械干擾

人類(lèi)活動(dòng)造成的機(jī)械干擾作用對(duì)于地表土壤的影響十分強(qiáng)烈，特別是濫墾、濫伐、濫牧等不合理的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，嚴(yán)重地破壞了土體結(jié)構(gòu)，降低了土壤的抗風(fēng)蝕能力，進(jìn)而加劇了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的退化[62-63]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用原位觀測(cè)、控制實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞模擬等相結(jié)合的技術(shù)手段，圍繞耕作與放牧對(duì)土壤風(fēng)蝕過(guò)程的影響開(kāi)展了大量研究工作，揭示了耕作與放牧干擾對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)和功能的影響[32,64]。同時(shí)，相關(guān)學(xué)者也提出了大量的保護(hù)性耕作措施以抵抗風(fēng)力侵蝕作用[65-66]。然而，相關(guān)研究成果大多源于野外觀測(cè)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，缺少系統(tǒng)的力學(xué)機(jī)制分析，并未清晰地揭示土壤風(fēng)蝕可蝕性在機(jī)械干擾作用下的動(dòng)態(tài)變化機(jī)制。

土壤風(fēng)蝕可蝕性是一種隨環(huán)境條件改變而變化的動(dòng)態(tài)特征[54]，但其動(dòng)態(tài)變化的影響因子、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和關(guān)鍵過(guò)程等仍不明確，且常用的土壤風(fēng)蝕可蝕性計(jì)算模型也均未將其動(dòng)態(tài)特征納入模型構(gòu)建的基本框架，從而嚴(yán)重降低了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；因此，研究揭示土壤風(fēng)蝕可蝕性動(dòng)態(tài)變化機(jī)制，并用以修正土壤風(fēng)蝕可蝕性量化模型，將極大地提升土壤風(fēng)蝕可蝕性和土壤風(fēng)蝕的計(jì)算精度。

4 結(jié)論與展望

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者圍繞土壤風(fēng)蝕可蝕性開(kāi)展了大量的研究工作，并取得豐碩的研究成果，為土壤風(fēng)蝕可蝕性動(dòng)態(tài)特征的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)可靠的工作基礎(chǔ)；然而，由于土壤風(fēng)蝕過(guò)程的復(fù)雜性，相關(guān)研究工作存在一些局限和不足。在今后的研究工作中，應(yīng)圍繞土壤風(fēng)蝕可蝕性的動(dòng)力學(xué)屬性，在以下幾方面繼續(xù)強(qiáng)化、深入，不斷豐富和完善土壤風(fēng)蝕可蝕性研究，共同推動(dòng)土壤風(fēng)蝕可蝕性研究的持續(xù)快速發(fā)展，為土壤風(fēng)蝕研究提供強(qiáng)有力支撐。

1)闡明土壤風(fēng)蝕可蝕性的基本內(nèi)涵。從土壤風(fēng)蝕發(fā)生的侵蝕動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，土壤風(fēng)蝕的實(shí)質(zhì)是風(fēng)對(duì)表層土壤顆粒產(chǎn)生剪切力并導(dǎo)致土壤顆粒脫離靜止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而發(fā)生分離、搬運(yùn)和沉積的過(guò)程。在這一過(guò)程中，表層土壤是風(fēng)力侵蝕作用的對(duì)象，其與風(fēng)力侵蝕作用的關(guān)系具有明確的力學(xué)屬性，即表層土壤抵抗風(fēng)力剪切作用的能力。如何正確理解、系統(tǒng)闡述這一動(dòng)力學(xué)過(guò)程是土壤風(fēng)蝕可蝕性研究的首要任務(wù)。目前，國(guó)內(nèi)也已有學(xué)者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了有益的探索和嘗試。鄒學(xué)勇等[8]給出了土壤風(fēng)蝕抗蝕性的力學(xué)定義，即土壤風(fēng)蝕抗蝕性是指土壤顆粒因重力和顆粒間內(nèi)聚力產(chǎn)生的抵抗風(fēng)剪切力的反作用力，對(duì)于指導(dǎo)未來(lái)研究具有重要意義。

2)揭示土壤風(fēng)蝕可蝕性動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程機(jī)制。由土壤顆粒起動(dòng)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制可知，在風(fēng)的作用下土壤顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)的侵蝕力應(yīng)大于土壤顆粒的自重和土壤顆粒間的內(nèi)聚力。在土壤顆粒自重不變的條件下，土壤風(fēng)蝕可蝕性的動(dòng)態(tài)變化主要是由于土壤顆粒間內(nèi)聚力的變化造成的；因此，從侵蝕動(dòng)力學(xué)角度闡明自然條件和人類(lèi)活動(dòng)影響土壤顆粒間內(nèi)聚力的基本過(guò)程，識(shí)別土壤顆粒間內(nèi)聚力變化的主要影響因素，揭示土壤可蝕性動(dòng)態(tài)變化過(guò)程機(jī)制是土壤風(fēng)蝕可蝕性研究領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

3)構(gòu)建土壤風(fēng)蝕可蝕性的綜合量化模型。雖然土壤的內(nèi)在屬性決定了土壤風(fēng)蝕發(fā)生的難易程度，但現(xiàn)有土壤風(fēng)蝕可蝕性量化模型多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并未與表土的抗剪切力建立直接關(guān)系；因此，可參考水力侵蝕研究，針對(duì)不同氣候、土壤和植被類(lèi)型，在我國(guó)北方風(fēng)沙區(qū)廣泛布設(shè)風(fēng)蝕觀測(cè)小區(qū)，并結(jié)合室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究土壤風(fēng)蝕可蝕性、土壤抗剪切力、風(fēng)蝕輸沙量和土壤理化性質(zhì)的相互關(guān)系。同時(shí)，考慮土壤風(fēng)蝕可蝕性動(dòng)態(tài)特征，最終構(gòu)建具有明確侵蝕動(dòng)力學(xué)內(nèi)涵、廣泛適用于我國(guó)北方風(fēng)沙區(qū)、科學(xué)性和實(shí)用性兼具的土壤風(fēng)蝕可蝕性綜合量化模型，為本土化的土壤風(fēng)蝕模型構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。