坡耕地土壤侵蚀的研究

坡耕地土壤侵蚀的研究

坡面侵蚀过程包括三个过程：降水侵蚀和地表径流侵蚀、基质清除、砂浆泵和沉积。研究和分析了这些过程发生、发展的水流、土壤、地形条件和各过程之间的相互转化和影响。这是建立土壤侵蚀物理模型的先决条件。我国在该领域的研究较少,同时我国山丘面积占总面积2/3,坡耕地在我国耕地面积中占有很大比例,陡坡农耕地是重要的农业资源。近年来,坡耕地水土流失受到越来越多学者的关注。大量资料表明,一方面坡耕地是大量江河泥沙的主要来源;另一方面,坡耕地严重的水土流失使山区丘陵土层变薄,养分流失,保水能力变差,使大多数坡耕地生产力低下,严重阻碍山地丘陵区农业可持续发展,使广大山区农民无法脱贫致富,更造成恶性循环,加速坡耕地的水土流失。因此,根据我国实际情况,开展坡耕地土壤侵蚀分离、输移和沉积过程及其关系的研究,对于建立具有我国特色的土壤侵蚀模型,进而指导水土保持生产实践具有十分重要的理论和生产意义。目前对坡耕地土壤侵蚀研究大多集中在3个方面,一是对坡耕地土壤侵蚀的方法研究,包括实验研究方法和土壤侵蚀评估方法,二是对坡耕地土壤侵蚀机理的研究,三是对减轻坡耕地土壤侵蚀措施的研究及评价。1学习方法1.1室内和室外实验装置常见的研究方法可分为室外和室内两大类,室外方法通常是选择比较规则、具有代表性的坡面,在坡面上根据研究目的需要,建立相应的观测小区。小区的宽度多在1～5m之间,基本要求是小区能够完整地反映地形地貌特征,小区的长度也与试验目的密切相关,有的长3～5m,有的则长达10m以上。试验时多采用模拟降雨结合放水冲刷,或者在自然降雨条件下观测。试验时测定径流量和泥沙量,同时采集径流样和泥沙样,用于各种试验目的的分析。由于野外观测实验主要取决于天然降雨情况,特别是在一些少雨地区,每年产生径流的次数有限,使径流小区观测实验工作受到很大限制,数据积累很慢,远远不能满足需要,因此,必须采用室内模拟降雨装置。室内模拟降雨装置系统主要功能是对室内有控条件下二维坡面降雨过程中的产流规律、土壤水分运动规律、土壤溶质迁移及其相互作用进行模拟试验,研究各因子的内在机理,它是利用水文、土壤物理和电化学的方法对自然现象的变化过程进行观测预报。常见实验装置系统由降雨系统、实验土槽装置、坡度调节系统、土壤水分测量系统、径流量测定系统、泥沙含量或径流溶液采样装置、坡面土壤溶质在线测量系统7个部分组成。在室内和室外实验中一些新技术和新方法的应用,大大提高了坡面土壤侵蚀的研究精度和深度。如全沙含量在线监测,是根据置换称重法的原理,通过特殊设计的传感器与微机数据采集处理系统相结合的测量方法,具有测量范围宽,适应流量下限低,测量精度不受泥沙粒度的影响,并且具有自动按时间顺序记录含沙量变化全过程的特点。其它新技术如康绍忠利用时域反射仪和中子仪进行了积水入渗条件下土壤水分动态变化的观测。于东升等利用Guelph入渗仪研究了我国南方低丘不同土地利用方式下富铁土的土壤渗透性。此外,核示踪技术作为一种新技术、新方法应用于土壤侵蚀研究,使土壤侵蚀研究进入了一个新的阶段,并且使精确地监测泥沙来源成为可能,近年来发展较快的有137Cs和210Pb示踪法、稀土元素定位土芯Eu示踪法等方法。1.2土壤侵蚀评价的物理模型土壤侵蚀评价模型的研究可以说是随着对土壤侵蚀过程的深入研究和了解而不断发展的,现已实现了由估算单一坡面(地块)的土壤侵蚀模型,向估算流域内的土壤侵蚀和沉积模型,再向区域乃至国家范围内的水土流失估算模型转移,以及由经验型模型向分析型、确定型模型的转移,从统计模型向描述过程的物理模型的转移。统计模型是基于侵蚀过程的重要因子统计分析,一般不考虑侵蚀过程,只产生大概可能的结果;而物理模型用数学物理关系描述侵蚀过程,在理论上较之统计模型更为精确。按评价目的不同土壤侵蚀模型又可分为土壤侵蚀评价模型和水土保持效益评价模型。土壤侵蚀统计模型可以说是时间分布模型系统,它可以进行年土壤侵蚀量计算,也可以用次暴雨土壤侵蚀量模型逐场进行降雨计算,然后把全年各场降雨的土壤侵蚀量累加起来,得到年土壤侵蚀量,这种方法不仅考虑大暴雨,也考虑中小降雨。通用土壤流失方程式USLE是最具代表性的土壤侵蚀评价统计模型,我国学者分别提出了其在不同地区的应用参数,用以计算坡面和流域的年土壤侵蚀量和次降雨土壤侵蚀量。土壤侵蚀统计模型可以描述一次降雨过程的土壤侵蚀量,但不能描述一次降雨过程中任一时刻的土壤侵蚀量,也不能称为过程模型。而土壤侵蚀评价物理模型则可以描述土壤侵蚀时间和空间尺度上的流失状况,因此目前多采用物理模型进行土壤侵蚀评价。物理模型又可分为集总型参数模型和分布型参数模型,它们的区别在于对侵蚀过程的不同描述。集总型参数模型是描述流域的总体或平均行为,试图通过计算整个流域的有效值来评价空间变化参数的影响,常见的方法是面积加权平均,模型的构造者试图把所有的空间非一致性影响集总或浓缩进数学上的等面积点的系数值。而分布型参数模型反映的是土壤侵蚀的时空变化过程,能兼容小区实验研究出的关系,并试图把参数变化的流域(区域)分布数据和计算算法进行合并以评价这种在模拟行为上的分布影响。近些年来,随着地理信息系统的引入和现代计算机内存、速度的不断提高,分布型参数模型也变得更具有实用性。目前比较有代表性的物理模型有CREAMS(农业耕作制度下化学径流和侵蚀评价模型,Knisel,1980),ANSWERS(流域环境非点源响应模型,Beasleyetal,1980),ANGPS(农业径流非点源泥沙模型Youngetal,1989),KINEROS(动力侵蚀模型,1981),EUROSEM(欧洲土壤侵蚀模型,1994),WEPP(水力侵蚀预报模型,1991～1994)等等。上述物理模型代表了目前土壤侵蚀定量评价的研究方向,比统计模型功能强大得多,特别是能连续模拟土壤侵蚀过程,其中WEPP将逐渐取代通用土壤流失方程式USLE。但这些模型也存在一些共同问题,首先对侵蚀过程的描述有待改进,应在实验研究和统计分析的基础上,利用理论分析和试验方法,研究土壤侵蚀的过程,以土壤的内在理论性质为指标,用数学方法进行定量描述,以增加模型的通用性。其次,模型的空间分析能力有限。模型的目的是对水土保持和管理提供支持,所以必须在流域尺度上而不仅仅在坡面尺度上研究和分析土壤侵蚀、水文过程及其空间变异。为此应将模型与GIS集成,以便精确地描述土壤侵蚀在流域内的空间变异。第三,目前的模型还不能直接利用遥感数据。数据是模型的关键,而遥感数据具有动态化和综合性等特点,对较大面积的现状调查和动态监测都是十分有用的,所以现代土壤流失模型必须能直接利用遥感数据。2坡面土壤侵蚀机理2.1土壤侵蚀的发生机制坡面土壤侵蚀包括从土壤表面分离土壤物质以及搬运这些土壤物质两方面。而郑粉莉认为西北黄土区坡面侵蚀产沙过程可分为4个明显阶段,即溅蚀阶段、细沟间侵蚀阶段、细沟侵蚀为主阶段、雨后径流侵蚀阶段。实质上坡面土壤侵蚀过程就是分离和搬运的过程。雨滴打击力对土壤的分离和搬运被认为是溅蚀,而土壤表面薄层水流对土粒的分离和搬运则被认为是冲蚀。Hudson认为雨滴打击土粒的分离能力远远高于薄层水流的分离能力,因为降雨动能是表层水流势能的260倍。但实际上通过雨滴击溅冲刷的土粒是极少的,大多数土表疏松物是通过表层水流以细沟间侵蚀的方式冲走。Guy等认为85%的表层土壤是通过表层水流冲蚀掉的,只有15%的土粒是直接被雨滴溅蚀的。一般认为,雨滴打击使坡面表层土壤处于分散状态,最初形成的地表径流将会带走大量泥沙,并随着坡度增大土壤侵蚀量将会急剧增加。多数研究认为,侵蚀泥沙对细颗粒具有富集现象。Meyer发现,由于团聚体的作用,未分散与分散的泥沙颗粒大小的分布不同。Young认为一次总侵蚀量较大时,泥沙粒径分布更接近于原土壤分布。而黄丽等在长江流域侵蚀紫色土上的研究认为,流失泥沙中<0.02mm的团聚体和<0.002mm的粘粒大量富集,侵蚀量较大时,泥沙颗粒趋向于降雨前表土的粒径分布。影响坡面土壤侵蚀的主要因素是降雨和土壤抗蚀性。降雨动能(KE)对土壤侵蚀的影响已有很多的研究,这些研究表明,土粒的分离与雨滴的KE呈线性正相关,大量的分离发生在KE>2.5kJ/m3时。Agassi研究溅蚀和冲蚀后报道,在交换性钠含量为1%的土壤承受降雨动能KE<16kJ/m3时和交换性钠含量为11%的土壤承受降雨动能KE<10kJ/m3时的冲蚀量相对较低,而降雨动能KE高于上述值时,随着KE的增大,土壤冲蚀量将显著增加。此外,土壤结皮和低入渗率(IR)是初始产流产沙的主要原因。暴露在雨滴打击下的土壤结皮形成过程有2个方面,一是物理分化土壤团粒结构,二是对粘粒的物理化学风化使它们进入0.1～0.5mm孔隙处阻塞输水通道。当土壤承受极低的雨滴击溅动能(KE<0.01kJ/m3)时,土壤表层不会形成结皮,但降雨动能大于23kJ/m3时,土壤形成极低入渗率的表层结皮。土壤结皮、入渗率和表层径流还受到水质和阳离子交换量的影响,水中低电解质浓度和土壤阳离子交换量高可增加粘粒的分散和移动,造成土壤结构破坏,减少土壤入渗率。Moore和Singer用3个阶段来解释土壤结皮和侵蚀过程的关系。在第1阶段(径流形成前),雨滴对土壤打击造成土粒分散发生溅蚀和结皮。在第2阶段(径流形成),径流对土粒的冲蚀开始并稳定增加。第3阶段时,土壤形成结皮并有稳定径流,冲蚀继续增加并达到最高,溅蚀则减少到最低。2.2不同坡面的农田产流沙特性坡地产流实质上是水分在不同下垫面中各种因素综合作用下的发展过程,也是下垫面对降雨的再分配过程。降雨产流后,径流顺坡向下运动,分别形成坡面流、细沟、浅沟流及沟道流等多种水流类型,在其作用下相应形成了片蚀、坡面细沟侵蚀及沟道侵蚀等土壤侵蚀方式和类型。国内外学者对坡地产流过程作了大量的野外观测和试验研究,郑粉莉利用人工模拟降雨实险得出,降雨动能对坡面侵蚀过程影响的机理为消除雨滴动能后,使得土壤表面结构被破坏的程度减轻,不易形成结皮,利于降雨下渗,一方面导致坡面径流发生的时间推迟,发生细沟侵蚀的临界流量增大;另一方面,导致发生细沟的时间推迟,使发生细沟侵蚀的临界降雨量相应增大;同时,由于坡面径流量减少,使坡面侵蚀能量减少。宋孝玉等则以径流小区的观测资料为依据,对陕西长武不同下垫面条件农田产流产沙规律及影响因素进行了分析,指出降雨强度、降雨历时、坡度和覆盖条件是影响黄土沟壑区农田产流产沙的最主要因素。阮伏水等研究了花岗岩不同土地利用类型坡地产流和入渗特征,确定了不同利用类型坡地临界产流降雨标准。吴普特和周佩华采取了人工模拟降雨试验方法,对黄土坡面薄层水流侵蚀进行了系统研究,认为薄层水流仍属层流范畴,定义为搅动层流,其流动形态为超临界流。黄明斌和李玉山分析了坡地农田降雨产流过程,提出了一种利用降雨产流资料计算坡地单元平均入渗率的方法,计算结果表明,农田土壤平均入渗速率随坡度的增加呈指数曲线下降。孙三祥在黄土坡地上分析了定雨强作用下,溅蚀量与下渗量的关系,提出F-As关系计算模型,指出当实际溅蚀量大于临界值时,下渗量F与溅蚀量As呈线性正比关系,当实际溅蚀量小于临界值时,F与As呈非线性反比关系。张科利与秋吉康宏研究了坡面细沟侵蚀发生的临界水力条件认为,径流的弗罗德数可作为反映细沟侵蚀发生的水动力临界参数,弗罗德数大于1是细沟形成的水动力临界条件。由于坡面径流流层薄,流态复杂,而流水的水力学特征一般包括流态、流速分布、阻力规律及运动过程,同时降雨、地表糙度及微地貌对水流有干扰作用。因此国外研究者对坡地产流的研究也主要是从水文学、水力学与土壤侵蚀等角度进行的。Emmett(1970)从实验的角度对坡面流的水力学特性进行了详细分析。Yoon(1971)也根据实验资料,分析了坡面流的阻力规律。Foster(1984)及Sadeghsian(1990)曾通过不同条件下的实验研究和理论分析探讨了细沟的流速及分布、水力半径及阻力系数的表达式。Gerard(1992)根据野外调查和实验研究建立了细沟流的流量、流速与过水断面面积间的关系。Freeze(1978)系统地提出了坡地水文模型。大量试验研究证明,坡面降雨入渗和产流是一个复杂的过程,它至少与下面几种因素有关:土壤因素、土壤初始含水率、地表结皮、降雨因素、下垫面状况、灌水方法和温度及水质(如污水灌溉)对入渗和径流的影响。2.3坡面土壤养分运动规律由于坡面土壤养分流失体现了坡地养分过程的最大特点,对土壤肥力及面源污染影响最直接,观测和实验易于实现,目前是养分过程研究的核心。坡面土壤养分流失可分为坡面流失和地下流失,按流失方式又可分为侵蚀泥沙和径流携带两个部分。国内外多数研究集中在各种形态的氮、磷养分流失,不过在控制养分流失方面多限于水沙效应。如黄丽等认为三峡库区紫色土坡地土壤养分流失的主要途径是通过流失的土壤细粒带走,因此控制养分流失关键是控制粒径<0.02mm土壤细粒的流失。但王兴祥等在红壤缓坡耕地上的研究表明,有效养分损失以径流携带损失为主。王兴祥同时认为氮素有较高的养分淋失率,磷素几乎不发生淋失,钾则介于其间。而许峰、黄闫泉等认为在干旱半干旱地区一般只有地面流产生,在湿润地区则还有地下径流和壤中流的产生,且径流携带大量的溶解态污染物。WANYetal在夏威夷的研究认为,团聚性良好的土壤,其流失泥沙中团聚体粒径与有机碳、交换性磷的富集关系密切,流失泥沙中细粒团聚体的富集是表土团聚体破裂及径流选择性搬运造成的。ChadiriHetal认为,雨滴对表土团聚体的打击是大量细粒产生及其以后在流失泥沙中富集的直接原因。关于坡面养分地下流失的研究,由于运动过程的复杂性和实验手段的限制,坡面土壤养分的剖面垂直淋溶、侧向壤中流及植物根系间的养分运动在国内的研究极少。HubbardRKetal用水井中地下水的NO3-N等含量动态来测量护岸林地对NO3-N迁移的拦截作用,是国外研究地下径流养分迁移的典型方法,其研究认为,NO3-N的向下淋失可能造成环境危害,不容忽视。影响坡面土壤养分流失的因素很多,除气候、降雨因素通过影响径流泥沙量来影响养分流失外,地形因素对土壤养分流失的影响不容忽视。蔡强国等讨论了黄土高原小流域侵蚀产沙的垂直分带规律,认为不同地貌部位土壤水分特性,坡面产沙、产流特点不同。杨武德等对林地红壤肥力的研究也表明,土壤侵蚀过程中不同地貌部位的土壤养分富集特点不同,下坡土壤养分明显富集。郑剑英等在地带性黑垆土上发育的幼年性黄绵土上也得出同样结论。王百群等探讨了地形因素对黄土坡地土壤养分流失的影响,其研究表明,有机质、速效氮、磷、钾养分流失强度与坡度,有机质流失强度与坡长呈指数函数关系。Shaver等在Alaska北部一个坡面上对异质景观间养分流的研究表明,1年内在从坡顶到坡底由6个不同生态系统组成的景观内,土壤径流的N和P动态变异明显。Giblin等研究表明,土壤N和P的有效性在北极地形梯度上变异显著,并且与地形的位置和植被紧密相关。因此不同的坡度、系统空间结构(主要影响坡长因素)与地貌部位侵蚀泥沙和径流携带的养分迁移、滞留具有不同的特点,这对于小流域水土保持规划,空间结构设计、布置和施肥是不应忽视的。此外,土壤环境也是影响坡面土壤流失的一个重要因素。AschmannSGetal认为磷的流失可能发生在砂土,富含有机质的土壤以及过量施肥(包括过量施有机废料)造成磷素过剩的土壤上。在这些情况下的磷素流失有可能因为大暴雨或大范围的灌水和排水而加重。Gbured等认为,产生严重径流的坡面可能比产生低径流量的坡面流失较多的磷素,但流失的磷素主要依附在土壤的颗粒上。毕银丽等研究了黄土丘陵区坝地和坡地土壤环境后也认为,坝地土壤有明显层次构型,上轻下粘,有利于土壤养分的存贮。而坡地土壤无明显层次,养分贮量远低于坝地中粘层与富粘层,故坝地与坡地上层养分差异不大,30cm以下坝地养分贮量远高于坡地。同时坝地土壤肥力形成以粘粒化过程为主,养分间协调性较好,坡地土壤以有机质积累为主,养分相对处于离散状态,更易流失。国外除研究坡面养分流失特征及影响因素外,还进行了坡面土壤养分管理研究,通过估算投入产出比,旨在获得最高效益。如降低或分散氮肥施用量,进行土壤氮素测定,存储和归还有机物等等。其它还有估计土壤氮素承受量以及作物归还土壤氮量来决定不同作物施氮量等。Leggetal对比研究了在4种耕作制上进行氮素预算的养分管理与不进行养分管理的无节制施氮的后果。在坡面养分管理中养分流失和回归的动态预测和效益评价的研究较少。目前对坡面养分动态预测的模型不多,近年有SCUAF、WEND、ASLT等。SCUAF(SoilChangeUnderAgroforestry)是面向农业技术部门应用为主的预测模型,要求输入的参数包括土壤性质和系统各组分生物量、自然界和人为养分输入等,适用于养分管理中长期(5年以上)养分预测。NelsonRetal应用SCUAF在预测植物篱—农作系统养分及生物产量的基础上作了农林复合经营的经济评价。WEND(aWatershedErosionNutrientDynamicsmodel)是一个流域尺度下的养分动态模型,主要是模拟流域养分循环和输出的动态模型。Aschmann应用WEND估算了美国佛蒙特州Winooski流域的磷素循环。目前国内对此研究甚少。3倾斜土地管理措施3.1等高植物篱技术目前研究较多的耕作措施是横坡耕作和等高植物篱技术。横坡耕作是通过改变耕种方向对地面作物、地面粗糙度、土壤通透性以及降雨入渗等起作用以减少坡面水土流失。横坡耕作通过对地表径流的层层拦截,增加入渗,其防止水土流失的作用是有效的。Kiepe等在热带地区的试验表明,采用横坡耕作后,93%～98%的土壤流失得到控制。横坡耕作控制养分流失主要通过增加入渗来减少径流及其携带的泥沙流失实现的,因此国内外对坡耕地横坡耕作的研究主要集中在通过横坡耕作减少坡面径流泥沙流失的效果上。据方继有等研究,采用聚土覆盖垄作可控制坡耕地径流量98.6%～99.1%,减少土壤侵蚀量93.1%～95.8%。彭世琪研究表明,聚土垄作在四川省5°以下坡耕地可减少土壤流失45%～49%。此外,横坡耕作还可以有效改善坡耕地土壤肥力,杨文元等在四川紫色土坡耕地上采用格网式垄作法增产粮食4%～7%,彭世琪在四川坡耕地上采用聚土垄作栽培也增产粮食17.1%左右。坡耕地治理中另一个重要措施是等高植物篱技术。坡地等高植物篱是当前坡地农林复合经营的最主要方式之一,它在减轻坡地土壤侵蚀方面的效果接近于田间工程措施,而在控制面源污染、增加系统产出和低投资等方面的优势则为后者所不及。近年来在包括我国在内的世界各地热带雨林至温带山区均已获得广泛应用。它的主要形式是在坡面上以一定间隔,沿等高线条带状密植多年生灌木、草本植物或灌木化乔木,这种植物篱笆能拦截沿坡面下移的固体物质,使其在篱笆后堆积,逐渐减少篱笆带间的坡面坡度,同时可以减缓坡面水流速度,增加入渗,如果种类适当,还能提供有用的产品或起到改良土壤的作用,在篱笆带之间通常可种植1年生作物。等高植物篱的主要作用是防止坡面水土流失和改善土壤肥力,如湖北姊归各种植物篱试验,三峡库区植物篱种类试验,四川宁南的新银合欢和山毛豆活篱笆试验以及西南山区固氮植物篱试验等。另外,等高植物篱还能提供薪炭、绿肥、饲料、药材、蜜源、造纸原料等有经济价值的产品,这些植物措施所特有的优势是工程措施无法比拟的。在坡耕地等高植物篱技术中植物的种类选择及其水平空间结构设计是构造等高植物篱作物系统技术中的两个重要内容。施迅等人在实验基础上总结了选择植物的若干标准,包括生态适应性、生态效益、经济效益和对农作物的不利影响等方面,并从带间距、带内结构和株距几方面对植物篱水平空间结构进行了初步理论探讨。许峰、黄闫泉等则分别研究了植物篱带间距和结构对坡面土壤养分分布的影响。其它耕作措施还有梯田起垄覆膜微集流耕作措施、坡地农业技术(SALT)、免耕覆盖等措施,但多数研究集中在实施这些措施后的增产效果上,对这些措施如何控