土壤可蝕性研究進展綜述

井光花,于興修,李振煒

(1.山東省水土保持與環境保育重點實驗室/臨沂大學化學與資源環境學院,山東臨沂 276005;2.山東師范大學人口·資源與環境學院,山東濟南 250014)

土壤可蝕性研究進展綜述

井光花1,2,于興修1,李振煒1,2

(1.山東省水土保持與環境保育重點實驗室/臨沂大學化學與資源環境學院,山東臨沂 276005;2.山東師范大學人口·資源與環境學院,山東濟南 250014)

土壤侵蝕;土壤可蝕性指標;研究方法;機理

土壤可蝕性是表征土壤對降雨滲透能力及其對降雨和徑流剝蝕、搬運敏感程度的一個綜合指標,是反映土壤侵蝕的重要參數。介紹了國內外學者提出的土壤可蝕性指標,評述了直接測定法、公式法和諾謨圖法的優缺點與應用范圍;結合我國土壤可蝕性研究現狀,介紹了我國土壤侵蝕嚴重區的典型土壤可蝕性指標值的最新研究成果,分析了我國土壤可蝕性研究的不足,指出應加強并完善土壤可蝕性指標、土壤可蝕性影響因子和土壤可蝕性計算方法的研究。

[項目來源]教育部新世紀優秀人才支持計劃項目(NCET-08-877);山東省科技攻關計劃項目(2009GG10006015);臨沂市重大科技創新資助項目(201011019)

土壤侵蝕是土地退化的主要表現形式之一,是全球性的生態問題。土壤是被侵蝕的對象,被侵蝕的土壤是河流泥沙的主要來源,土壤的性質影響著侵蝕過程的發生。因此,研究土壤可蝕性與土壤侵蝕的關系,有助于加深對土壤侵蝕特征和規律的認識,有利于防治土壤侵蝕所帶來的危害。

土壤可蝕性表征的是土壤對侵蝕的敏感程度,它是研究土壤侵蝕的重要指標。到目前為止,對土壤可蝕性的研究可分為對土壤可蝕性指標的確定、美國通用土壤流失方程中K值的測定和估算、土壤可蝕性指標的時空變化及不確定性分析等3個方面,已有學者從不同角度對土壤可蝕性做了大量的研究工作[1]。本研究以土壤可蝕性最新的研究成果為基礎,較系統地從土壤可蝕性指標、計算方法和中國典型區域土壤可蝕性因子值等方面介紹了土壤可蝕性研究進展,并展望了土壤可蝕性未來的研究重點,以期為水土保持工作的相關研究提供借鑒。

1 土壤可蝕性指標的研究

國外從20世紀20年代開始研究土壤可蝕性,相繼提出了土壤可蝕性指標,如土壤侵蝕率等,指出土壤可蝕性受土地利用方式、降雨等因素的影響,其某些物理化學性質不能較好地表現土壤的可蝕性[2]。我國土壤可蝕性研究始于20世紀50年代,研究中多采用土壤的抗蝕性指標并且用主成分分析法篩選土壤抗蝕性指標[3];有的研究將單位降雨侵蝕力所引起的土壤流失量、土壤體積質量或土壤微形態作為土壤可蝕性的重要指標,由于指標不統一,限制了與國外同類研究的比較和交流。鑒于此,筆者歸納了如表1所示的國內外學者提出的土壤可蝕性研究指標[4-5]成果,旨在為生產實踐中土壤可蝕性指標的選取提供參考。

表1 國內外學者提出的土壤可蝕性指標

2 土壤可蝕性研究方法

土壤可蝕性的量化可通過可蝕性因子值(K)體現,其值大小反映了不同土壤的侵蝕率,表示土壤被沖蝕的難易程度,是定量研究土壤侵蝕的基礎。國內外學者根據不同的研究區提出了不同的計算方法,主要有直接測定法、諾謨圖法和公式法[6]:直接測定法綜合了土壤性質對土壤侵蝕的影響,其特點是所需的時間和所投入的費用較多,難以推廣;諾謨圖法雖比較繁瑣,但精確度較高,在某些區域已經得到了驗證;公式法較前兩種方法應用較為普遍,但由于公式較多,研究中要根據實際情況對比后選用。

2.1 直接測定法

直接測定法主要包括土壤理化性質測定法、儀器測定法和小區測定法。

土壤理化性質測定法主要是通過分析土壤的硅鐵鋁率、土壤浸濕率、分散率、侵蝕率、顆粒組成、滲透速度、懸浮率、膨脹系數、抗剪強度及團聚狀況等性質來評價土壤可蝕性的[7]。此方法可以加深認識土壤理化性質與土壤侵蝕之間的關系,但沒有建立起土壤可蝕性與土壤侵蝕的定量關系,因此還不能用于土壤侵蝕預報。

儀器測定法是用水滴或水流直接沖刷土樣或土體來測定土壤可蝕性的。朱顯謨認為,水沖穴的深度指標在一定程度上可以反映土體抵抗雨滴打擊和地面徑流沖擊等破壞作用的強弱;蔣定生等運用儀器測定法分別于1957、1995年采用單位水量所沖走的土量、沖刷系數指標反映土壤可蝕性,為定量研究土壤侵蝕提供了重要方法[8]。

小區測定法是在標準徑流小區條件下對不同土壤可蝕性進行對比評價。我國的標準徑流小區為坡度15°、長20 m、寬5 m的清耕休閑地[9],以這種條件下得到的K值作為基本標準對我國主要土壤可蝕性進行衡量。目前,我國學者主要借鑒美國通用土壤流失方程研究思路,在模擬降雨和小區試驗條件下,結合實測小區的土壤流失量,求得特定土壤的K值,該研究方法已成為測定和計算土壤可蝕性指標的重要方法[10]。

2.2 諾謨圖法

通過分析大量的小區實測資料和人工模擬降雨試驗數據與土壤基本理化性質的關系,用已有的侵蝕數據對土壤理化性質制作諾謨圖,并估算沒有實測資料的土壤可蝕性。該方法比較成熟,所需費用少,應用簡便,所得的K值較穩定。

Wischmeier等根據美國主要土壤的性質,分析了55種土壤性質指標,篩選出土壤粉粒(0.002—0.05 mm)與極細砂(0.05—0.1 mm)、土壤砂粒(0.1—2.0 mm)、土壤有機質、土壤團聚體、土壤入滲性能5個關鍵指標,建立了K值與土壤性質之間的關系式[11],即

式中:M為土壤顆粒分析參數;a為土壤有機質含量;b為土壤分類中土壤結構的級別;c為土壤滲透級別。

式(1)中參數的確定方法如下:①a的單位為%,如單位是g/kg,則應換算為百分比含量。②將M表示為M=(s+t)×(100-n),其中s為粉砂百分比含量,t為極細砂百分比含量,n為黏粒百分比含量。③b與土粒大小和土壤的有機質含量相關,可根據土粒大小或有機質來確定土壤結構的級別[8,12]。④c按照黏粒含量、滲透速度及最小飽和水力傳導率等劃分為6個等級[8,12]。該方法經過不同的修正,在我國滇東北山區、黃土高原及紅壤坡耕地等地區得到了應用,并借助地統計方法進行了K值圖的繪制,為區域土壤侵蝕的研究提供了基礎資料。

2.3 公式法

由于直接測定法在某種程度上不能定量預測土壤侵蝕,諾謨圖法所需基礎數據繁多限制了其應用范圍,因此國外學者在大量研究的基礎上提出了許多經驗公式,修正后得到了較好的應用,其中使用較為普遍的是 Williams等提出的EPIC公式法[13]。EPIC公式法的形式為

式中:San為砂粒含量,%;Sil為粉砂含量,%;Cla為黏粒含量,%;C為有機碳含量,%;SN1=1-San/100。

該方法已在我國河北、湖南、福建等地應用,應用中探討了不同采樣密度對其估算值精度的影響,評估了用該方法研究我國土壤可蝕性的精確程度。國內學者通過研究土壤可蝕性與土壤性質的關系,建立了K值的計算公式,并用計算機制作出具有準確幾何位置、可與地形圖配準的K值圖[14],嘗試分析了臨界剪切力對土壤可蝕性的影響,為進一步研究土壤可蝕性提供了新的方法。

3 我國土壤可蝕性指標值

建立監測小區、進行野外調查及采用公式法是獲取土壤可蝕性指標值的主要途徑,而我國地域遼闊、土壤類型多樣,在每個種類的土壤上建立監測小區或進行野外調查是難以做到的。因此,根據我國土壤侵蝕區劃,在不同地區典型土壤類型上建立基本控制點,通過實測并采用適當的公式計算土壤可蝕性,然后借助GIS技術或其他方法將其推廣到其他類型土壤,進而獲取其他地區典型土壤的可蝕性指標值是可行的方法。表2歸納了前人在各地區選擇典型土壤計算的K值,可為相關地區土壤侵蝕的定量研究提供參考。

4 我國土壤可蝕性研究的不足與展望

4.1 土壤可蝕性研究的不足

(1)土壤可蝕性指標體系不完善。我國土壤可蝕性指標主要依據土壤團聚度、分散系數等土壤性質及土壤流失量來確定,雖有大量的研究成果,但沒有形成完善的確定土壤可蝕性指標的體系,沒有一個簡便的、可測得的土壤性質能夠完全代表土壤可蝕性的指標,也不能應用于不同地區之間、相同地區不同土類之間的土壤可蝕性特性的比較,從而限制了土壤可蝕性值的標準化。

(2)土壤可蝕性計算模型具有局限性。用于計算我國土壤可蝕性的模型大都借鑒了國外的研究成果,區域差異限制了模型的推廣,且在應用于不同區域之間土壤可蝕性對比時要建立數據轉換關系。常用的通用土壤流失方程及其修正后的通用土壤流失方程皆屬經驗性統計模型,缺乏對侵蝕過程機理的考察,具有一定的局限性。

表2 中國部分地區的土壤可蝕性K值

(3)土壤可蝕性機理研究不深入。目前,研究土壤可蝕性的野外小區多建在土壤侵蝕嚴重的區域,且多為坡面尺度的受人為擾動土壤顆粒分布均勻的土地上,忽視了對侵蝕絕對量不大但侵蝕潛在危險性很大區域的土壤可蝕性和土壤可蝕性受空間、時間變化及受人類活動等因素影響相對可變性的研究。

4.2 土壤可蝕性研究展望

(1)完善土壤可蝕性指標的研究。盡管國內外許多學者提出了很多土壤可蝕性指標,但今后的研究要根據不同的侵蝕營力選擇可蝕性指標,并在分析土壤特性的基礎上進一步完善,尤其是加強對資料欠缺或無資料區域的研究,科學選用土壤質地、結構、有機質含量、團聚體水穩性或者滲透性等特征值進行評價,以便更好地確定土壤可蝕性指標。

(2)加強土壤可蝕性計算模型研究。雖然基于機理的模型取得了很多成果,但不能完全代替經驗模型。因此,應選擇更多類型的典型區域,在加強土壤可蝕性試驗研究的基礎上,將地統計學方法、“3S”和示蹤技術同現有的侵蝕模型結合起來,進一步完善機理模型和經驗模型,擴大模型的應用范圍,提高土壤可蝕性因子的測算精度。

(3)深入開展土壤可蝕性影響因子研究。土壤可蝕性綜合了土壤侵蝕過程的各種效應,在考慮土壤的內在性質(如質地、有機質)和暫時性質(容重、團聚體密度)的同時,結合外在因素(坡度、降雨和土地利用等)對土壤可蝕性的影響,分析不同侵蝕過程的機理和土壤性質(土壤團聚體、含水量)的變化能更好地對土壤可蝕性作出準確測定和計算。

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(責任編輯 趙文禮)

Summary of Study Progress on Soil Erodibility

JING Guang-hua1,2,YU Xing-xiu1,LI Zhen-wei1,2

(1.Shandong Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Environmental Protection/Linyi University,Linyi,Shandong 276005,China;2.Shandong Normal University,Ji’nan,Shandong 250014,China)(44)

Soil erodibility is an integrated index of soil characterization to percolation capacity of rainfall,sensitivity of precipitation or runoff denudation and transportation and an important parameter for soil erosion.The paper introduces the indexes of soil erodibility both at home and abroad,and comments on the advantages,disadvantages and scope of application of direct methods of determination,formula and nomogram.Then it lists the latest research results of index value of soil erodibility of the severe soil erosion region in China,and analyzes the insufficiency of the study on soil erodibility and points out that the study on index of soil erodibility,affecting factors and calculation methods should be further improved and strengthened.

soil erosion;index of soil erodibility;study method;mechanism

S157.1

A

1000-0941(2011)10-0044-04

井光花(1987—),女,山東鄒城市人,在讀碩士,主要研究方向為資源利用與環境效應。

2011-05-15