第15卷第3期2001年9月水土保持学报Journal of So il and W ater Conservati onV o l.15N o.3Sep.,2001 坡耕地土壤侵蚀研究进展①傅 涛,倪九派,魏朝富,谢德体(西南农业大学资源与环境学院,重庆400716)摘要:论述了坡耕地土壤侵蚀的机理、研究方法及防治措施,分析了坡耕地泥沙、径流、养分流失的特征及影响因素,认为坡耕地是水土流失的主要来源,在整个生态环境建设中具有重要地位。
目前国内外研究多偏重于坡面水土流失特征的描述和控制坡面水土流失、提高土壤肥力的效果等,研究方法以定性和统计分析为主,在坡耕地水土流失机理、养分流失所造成的面源污染、坡面流失定量预测模型以及控制措施与坡面的相互作用等方面还需作更深入的研究。
关键词:坡耕地; 土壤侵蚀机理; 防治措施中图分类号:S157.1;S157.2 文献标识码:A 文章编号:100922242(2001)0320123206Recen t D evelopm en t of Slop i ng F ield ErosionFU T ao,N I J iu2pai,W E I Chao2fu,X IE D e2ti(Colleg e of R esou rces and E nv ironm ent,S ou thw est A g ricu ltu ral U niversity,Chong qing400716)Abstract:T he p rogresses of slop ing field ero si on,study m ethods and of p reven tive m easu res are summ a2 rized.T he m echan is m and affect facto rs of sedi m en t,runoff and nu trien t lo ss on the slop eland su rface are an2 alyzed resp ectively.T he slop ing fields w ere the m ain sou rce of sedi m en t,runoff and nu trien t lo ss.M o st of the research w o rk s focu sed on the p reven ti on so il and w ater lo ss on the slopeland su rface and i m p rovem en t of so il fertility.M o st of the study m ethods w ere qualitative and statistics analysis.How ever,studies on the m echan is m of so il and w ater lo ss and nu trien t lo ss,the m odel of quan titative analysis w ere scarce yet,the fu rther studies shou ld pay m o re atten ti on to the p rocesses of runoff and sedi m en t yield,so as to study the m echan is m of slop e ero si on and bu ild the p rocess2based m odel of w ater ero si on p redicti on.Key words:slop ing field; m echan is m of so il ero si on; m easu res of p reven ti on and cu re坡面侵蚀过程包括降雨溅击和径流冲刷引起的土壤分离、泥沙输移和沉积3大过程,研究和分析这些过程发生、发展的水力、土壤、地形条件以及各过程间相互转化、相互影响的机理,是建立土壤侵蚀物理模型的前提。
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 研究方法1.1 试验研究方法常见的研究方法可分为室外和室内两大类[1],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①收稿日期:2001204209 3重庆市科委资助项目“三峡库区坡耕地水土流失机理及预测评价建模”(编号410586)作者简介:傅涛,男,生于1972年,博士生。
主要从事水土保持与土地资源等方面的研究工作,发表论文11篇。
421水土保持学报第15卷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[2]。
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[3]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[4]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137C s和210Pb示踪法、稀土元素定位土芯Eu示踪法等方法[5]。
1.2 土壤侵蚀评估方法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U SL E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CR EAM S(农业耕作制度下化学径流和侵蚀评价模型,Kn isel,1980),AN S W ER S(流域环境非点源响应模型,B easley et al,1980),AN GPS(农业径流非点源泥沙模型Young et al,1989), K I N ERO S(动力侵蚀模型,1981),EU RO SE M(欧洲土壤侵蚀模型,1994),W EPP(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W EPP将逐渐取代通用土壤流失方程式U SL E。
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。