土壤侵蚀的时空变异与多因子综合作用

土壤侵蚀的时空变异与多因子综合作用

土壤侵蚀的时空变化是指在一定的景观中，不同时间和地点的土壤侵蚀特征明显不同，多样性。土壤侵蚀时空变异的研究是根据观测或取样测定的资料,分析土壤侵蚀特征各指标参数在景观上的时空分化特征,参数自身及其与影响因子的时空关系。土壤侵蚀时空变异是多重尺度上的土地利用(植被)、气象(降雨)、地形、土壤、人为活动等多因子综合作用的结果。近年来,土壤侵蚀时空变异的研究已成为国内外的研究热点之一。这方面的研究在侵蚀严重的半干旱黄土丘陵区尤为重要。1植被的时空影响1.1现代加速侵蚀的主要原因植物叶冠能分散雨滴和削减雨滴对地面的打击力;枯枝落叶覆盖地面,防止雨(水)滴对地面的直接打击,拦截径流,控制泥沙;植物根系也能减少水土流失。众多研究表明,植被盖度是径流和侵蚀的主控因子之一。Bissonnais等(1998年)指出,欧洲北部现代土壤加速侵蚀的主要原因是农地扩展导致植被覆盖度降低。法国的Auzet等人研究证实,流域出口的水土流失主要决定于土地覆盖状况,而且随着裸地和耕地面积的增加而增大。香港Hill等人的研究也表明,植被破坏后的侵蚀量是原来的2.6~5.4倍。就黄土高原而言,现代加速侵蚀的主要原因是植被破坏和陡坡地开垦。人工降雨室内试验发现,地面覆盖纱网消除雨滴动能后,土壤养分流失量比裸露坡地减少60%左右,这反映了地面覆盖的水土保持作用。小区野外模拟降雨研究发现,与对照裸露翻耕地相比,坡耕地上地面覆盖的减流减沙效益显著,尤其在陡坡地上作用更加明显。实地观测表明,无论是森林还是自然草地,小流域出口的径流量都随植被盖度的增大而减小。1.2生态保护功能植被过滤带有特殊的景观结构和功能,近年许多学者研究了植物过滤带对土壤颗粒的拦截机理、带中的漫流过程模型、对水沙的拦截过程、控制点源污染效果等。如水陆交错带中的芦苇带可有效截留地表和地下径流中的泥沙和氮、磷,对水体起到保护作用。紫色土的模拟降雨试验表明,1年生植物活篱笆可使陡坡耕地径流量减少22%~43%,侵蚀产沙量减少94%~98%;等高植物篱带间距不同,其水土流失有很大差异,因此带间距应控制在细沟侵蚀发生的临界坡长(6m)以内。黄土丘陵区的研究表明,通过建立适当的人工溪沟、湿地、沙层过滤带及植被缓冲带等,可有效减少水分和养分流失,促进物质和能量良性循环。2土地使用的时空影响2.1土地利用类型不同土地利用类型有不同的下垫面特征,从而对土壤侵蚀过程产生重要影响。Kosmas等对地中海地区的研究表明,最大土壤侵蚀和径流发生在种植蔓生植物的山区。Rai等人对锡金一个农区小流域研究发现,裸露农地的径流量、侵蚀量及养分流失量都远远大于林地和乔灌混交林。我国华南地区不同植被类型的径流量大小顺序为:坡耕地>裸地>乔木经济林地>灌草地>林地,侵蚀量为裸地>坡耕地>灌草地>乔木经济林地>林地。美国从1985年启动保护保存工程CRP(ConservationReserveProgram)以来,约8%农地退耕还林还草,但是土壤侵蚀每年减少约22%。一般说来,农地上的水土流失严重,而林地/灌木地的水土保持效果较好。黄土高原不同植被类型的水保效益不同,柠条>刺槐>沙打旺>天然草地>农地。模拟降雨试验表明,沙打旺、撂荒地、覆盖麦草平均减少径流分别为97.74%,83.2%和75.65%,减少侵蚀量分别为99%,84.84%和97.97%。其他小区试验也表明,不同土地利用类型之间径流量和土壤冲刷量也有显著差异,裸地>农地>荒草地>沙打旺地或沙棘地;泥沙氮冲刷流失量以中耕作物(马铃薯)>裸地>其他农作物>牧草;径流量以裸露地>牧草带>林带。小流域的模拟结果也发现,该区土壤侵蚀强度以荒草地>农地>林地。2.2水土保持生物措施间作试验合理的水土保持措施可以减少水土流失,从而维持并加强土地质量。在黄土高原陡坡地建设梯田等水保工程措施,能有效地防治水土流失。紫色土的模拟降雨试验证实,石坎水平梯田比陡坡耕地的径流量减少62%~67%,侵蚀产沙量减少97.8%~99%。残茬覆盖等生物保持措施,不仅可以保护表土免遭雨滴的直接打击,而且还可增加有机质,提高团稳性,削弱表土结皮,从而减少水土流失。一般说来,在农地上实施免耕法,可以提高土壤有机质和入渗率,改善土壤结构,减少径流和侵蚀。在黄土高原地区,农地深耕或深松耕、高茬覆盖、秸秆覆盖和地膜覆盖、苹果园深沟施肥以及休闲轮作等水土保持生物措施通过改善土壤物理性质,从而减少水土流失。但是,浅层施肥和种植中耕作物会加剧土壤氮素的流失。山坡地草灌带状间作试验表明,柠条的间作能力较强,即柠条和其它植物间作后,不仅可以减少水土流失而且还能增加总产量,而且柠条与不同植物的间作能力不同,其优劣顺序为紫花苜蓿>沙打旺或者红豆草>草木樨;山坡地草粮带状间轮作试验表明,不同类型间轮作的水土保持效果也存在显著的差异。宋西德等研究发现,侧柏和沙棘混交林的水土流失显著低于纯林。从定量的角度来说,黄土丘陵区各种水土保持措施的减沙效益及其土壤流失系数分别以垄沟种植(0.6)>水平沟种植(0.55)>坡式梯田(0.5)>草粮带状间轮作(0.4~0.5)>草灌带状间作(0.2~0.4)>水平梯田(0.02~0.05)。立地尺度上水土保持措施的综合效益随地面坡度和降雨强度增大而降低,随坡改梯田和生物郁闭度增大而增加;流域尺度上的水土保持效益随治理程度的提高而增大;区域尺度上的模拟研究也表明,强化治理模式是黄土丘陵区促进农林牧业协调发展和生态环境趋向良性循环的最优发展模式。2.3减少水土流失土壤侵蚀是一个复杂的时空过程,如果气象条件相同,那么土地利用的类型组成、空间配置等土地利用格局特征就成为土壤侵蚀的主控因子之一。喜马拉雅山的研究发现,土壤流失以农地为主的小流域最高,而以林地为主的小流域最低。澳大利亚的模拟研究发现,景观中的灌丛斑块对景观功能有重要影响,没有灌丛斑块的景观其径流损失增加25%,条纹状和线状灌丛镶嵌格局比点状镶嵌格局降低径流8%,提高生产力10%。黄土高原地区,相对于坡耕地来说,林地和草地可有效减少水土流失。例如在羊圈沟流域,从1991~1996年,林地和草地面积分别增加36%和5%,坡耕地减少45%,土壤侵蚀模数从11866t/km2·a减少到8979t/km2·a。相对来说,在郁闭度相同情况下,森林小流域的径流量一般小于自然草地小流域径流量。对该区农业景观格局分析表明,在沟间地生态敏感的地形转换带建立灌木生态廊道,提高多样性,既连接了碎片和零星分布的森林和灌木斑块,增强景观的连接性,有利于当地植被恢复和物种保护,又有利于控制水土流失。3降雨特征对降雨侵蚀的影响降雨是影响径流和侵蚀的主要动力因素之一。在植被盖度较低的黄土丘陵区,降雨是径流和侵蚀的主控因子。黄土丘陵区的暴雨存在强烈的时空分布不均特征,决定了土壤侵蚀强度的时空变异性。紫色土的小区试验表明,坡耕地产生坡面流失的临界雨强为4mm/min,降雨量为12.5mm;从中雨到大暴雨,雨型每增加1级,土壤流失量净翻一番;水土流失量与侵蚀雨量为极显著的线性关系。在黄土高原,雨滴特性、降雨动能、降雨强度、降雨总量等降雨特征不同,降雨侵蚀力存在很大的差异,从而影响到坡面细沟侵蚀、浅沟侵蚀的发生发展过程。一般说来,黄土区引起产流的降雨类型主要有短历时局部雷暴雨、夹有雷暴性质的锋面性降雨和长历时锋面雨,但因为该区土壤导水率很高,超渗产流显著,所以无论是何种类型的降雨,触发产流的瞬时降雨强度一般要达到一定的临界值。小区实地观测分析表明,雨强是影响径流速率的主导因子,雨量是影响径流量的关键。在多次降雨条件下,不同地貌部位的产流量和产沙量的变化,还取决于次降雨量和前期降雨量的综合影响。但是随着植被盖度的增加,降雨的影响相对降低。4地形因素的时空影响4.1坡度对土壤侵蚀的影响在诸如黄土高原这种植被盖度较小的地区,坡度和坡长为土壤侵蚀的主要影响因素之一。一般说来,土壤侵蚀强度随坡度增大而显著增大,而且往往存在影响侵蚀的临界坡度与坡长,一般认为当坡度<15°时几乎无浅沟发育分布。室内模拟降雨试验发现,坡长与径流量呈线性关系,与侵蚀量基本呈指数关系。4.2斜率的时空影响径流和土壤侵蚀强度也因坡面的凹凸而异,一般说来,凸形坡比凹形坡的水土流失更为严重。4.3土壤侵蚀。据高顶下,各有美国伊利诺斯州的研究表明,坡下部的土壤侵蚀强度大于坡上部。黄土丘陵区小流域的土壤侵蚀类型因地形部位不同也有很大差异,沟间地的梁峁顶部多为片蚀、中部为细沟侵蚀、下部则多为细沟和浅沟侵蚀;在沟谷地上除具有某些沟间地的侵蚀特征外,主要为切沟侵蚀和重力侵蚀。因为上坡来水来沙的影响,在治理程度低的寺崾岘小流域,土壤侵蚀强度主要受梁峁沟壑垂直分异的影响,从梁峁顶向沟坡逐渐增大。在区域尺度上,陕南土壤侵蚀强度一般随着山地高度增加而减弱,从西北向东南逐渐增大。5土壤因素的时空影响5.1影响侵蚀的因素前期土壤含水量对土壤侵蚀的起动、峰值到达时间、径流和侵蚀总量都有重要的影响。一般说来,随着前期含水量的增大,入渗降低,径流量增大,侵蚀既可能增大,也可能减少。澳大利亚的研究表明,只有土壤含水量到达一定的临界值时(41%~46%),才会起动蓄满产流。5.2土壤侵蚀的影响因子土壤结构的维持和土壤性质的改善,对减少土壤侵蚀有重要作用。土壤粘粒和有机质含量不仅直接影响土壤剥蚀,而且是土壤团稳性的主要影响因子,而土壤侵蚀强度在一定程度上决定于土壤团聚体对雨滴的溅蚀和片蚀的抵抗能力。土壤团稳性降低会导致土壤表层结皮的加剧,阻止水分入渗,从而造成径流与侵蚀增大。另外,土壤生物活性的降低,把粘粒聚合成团聚体的能力也相应降低,从而加剧土壤侵蚀。总的来说,土壤侵蚀随土壤有机质含量、团稳性、持水性、饱和导水率、抗冲性以及生物活性的增加而降低。6生态环境质量模型土壤侵蚀与多个环境因子之间是互相影响互相作用的一个复杂反馈关系,因此土壤侵蚀的时空变异与环境因子的时空关系也是一个复杂的多尺度过程,土壤侵蚀的尺度转换规律已经成为当前国际上的研究热点之一。大量研究表明,小区尺度上的径流与坡面和流域尺度上的径流没有相关性,因此基于田间小区试验建立的模型一般不能用于预测景观尺度上的水土流失。法国的研究证实,春季土地利用的空间异质性较高,径流和侵蚀从点尺度(1m2)、样地尺度(20m2)、斑块尺度(500m2)到流域尺度都存在增大或减小的不规律变化;但是冬季土地利用类型比较单一,斑块尺度上产生的径流绝大部分能流出流域,所以流域出口的径流量可以用主要土地利用类型的小区观测数据推算出来。7土壤侵蚀时空变异的影响因素土壤侵蚀是一个在多因子综合影响下的复杂过程,在一定时空尺度上,往往是多个影响因子(包括主控因子)及其交互影响综合作用的结果。因此,多个因子之间的交互影响研究以及主控因子的确定是土壤侵蚀时空变异的研究重点和难点之一。波兰南部黄土区的研究发现,土壤侵蚀强度的空间分布是黄土覆盖、前期侵蚀强度和农业耕作活动综合作用的结果。所以,流域内水文相似单元的划分需要综合考虑土地利用、土壤、地形和植被。在黄土高原地区,水土流失与降雨量、雨强、前期降雨量和植被都有直接关系。人工降雨室内试验证实,土壤侵蚀和养分流失都同时受雨强、坡度和地面覆盖的综合影响。另外,黄土高原千沟万壑,土壤侵蚀时空变异还受到地形及其与降雨和土地利用等因子交互作用的影响。例如,黄土区的产沙量受降雨特征指标、上坡来水量及其交互作用的综合影响。而土壤冲刷模数与土层深度、冲刷坡度和植物根量4个因子的关系可以用多因子乘积回归函数来表达。所以,在降雨产流