劉 捷

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長沙市 410007）

前 言

與黃土高原相比，亞熱帶地區(qū)土壤侵蝕植被郁閉高，地表的植物根系和枯枝落葉較多，抗蝕能力遠(yuǎn)大于黃土高原的土壤；但是亞熱帶地區(qū)降雨不僅頻率高而且雨量大，年降雨量大于1 000 mm，降雨集中，極易產(chǎn)生大流量的表面徑流，從而具有較大的土壤侵蝕潛力。其侵蝕能力常大于地表的抗蝕能力，甚至在植被郁閉度達(dá)到100%的地區(qū)仍有土壤侵蝕的存在。盡管發(fā)生侵蝕時徑流中泥沙含量較少，但這是由于其流量大稀釋的結(jié)果，如長江的泥沙含量低于黃河，但輸出的泥沙總量卻比黃河多得多。另外該地區(qū)的土層一般較薄，土壤流失后，由成土母質(zhì)再生土壤的速度很慢，極易使母質(zhì)裸露，產(chǎn)生石漠化現(xiàn)象。同時土壤流失伴隨著養(yǎng)分流失過程，亞熱帶地區(qū)土壤一般比較貧瘠，有機(jī)質(zhì)含量為2%左右，盡管是少量的養(yǎng)分流失，但占的土壤肥力的百分?jǐn)?shù)卻很大。由于亞熱帶降雨較多，土壤表層較長的時間內(nèi)處于飽和狀態(tài)，從而使土壤養(yǎng)分處于溶解態(tài)，不僅地表徑流帶走一部分養(yǎng)分，而且還由于淋溶作用從土壤滲流中流失部分養(yǎng)分，更不利于養(yǎng)分的積累。這可能是盡管亞熱帶地區(qū)植被覆蓋度高，枯枝落葉較多，但土壤中有機(jī)質(zhì)含量較低的原因之一。因此有必要分析亞熱帶地區(qū)土壤侵蝕的特殊性，保證該地區(qū)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。湖南省地處中亞熱帶地區(qū)，以此作為研究區(qū)域具有較好的代表性。

土壤侵蝕使河流泥沙含量增加，降低土壤肥力，加劇洪澇災(zāi)害；是生態(tài)災(zāi)害群發(fā)的主要誘因之一，利用河流的泥沙含量分析土壤侵蝕的嚴(yán)重程度有一定說服力，但也存在一定的問題，如在河流落差較小的情況下，假設(shè)流域產(chǎn)沙量較多，由于河流沒有足夠大的載沙能力，河流的泥沙輸出量就不會很大，從河流的輸沙量對該流域進(jìn)行分析就會得到一些不合理的結(jié)論。因此，最好是結(jié)合流域的土壤侵蝕情況，利用遙感和GIS技術(shù)全面分析產(chǎn)沙和運移過程。要研究流域的土壤侵蝕過程，須從土壤坡面侵蝕入手，分析土壤侵蝕機(jī)理及特征，結(jié)合前人的研究成果，建立合理的水土流失預(yù)報模型。

1 土壤侵蝕機(jī)理的研究

亞熱帶地區(qū)的土壤侵蝕以水蝕為主。地區(qū)雨水充沛，植被易生長，郁閉度較高，使土壤具有較好的抗蝕能力；雨水充沛也使得該地區(qū)具有較大的侵蝕潛力，一旦植被遭到一定程度的破壞，就有可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的水土流失，因此，研究湖南省的土壤侵蝕機(jī)理應(yīng)考慮植被的作用。有關(guān)研究以紫色土為對象，探討土壤流失對不同土地利用類型的響應(yīng)特征。研究表明次降雨侵蝕力和次降雨峰值徑流流量，是紫色土區(qū)非林地和林地利用為主小流域輸沙模數(shù)變異的主要影響因子。林草植被有效地降低了降雨侵蝕動能，使土壤流失驅(qū)動力轉(zhuǎn)化為侵蝕能力較小的徑流沖刷和剝蝕作用，從而顯著地降低了流域輸沙模數(shù)。有的學(xué)者對最佳防護(hù)效益森林覆蓋率進(jìn)行了定量研究，以研究地域歷年一日最大降雨量為基礎(chǔ)，來求算能抵抗其侵蝕危害的森林覆蓋率，考慮了森林土壤毛管孔隙、土壤飽和蓄水能力、土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、滲透系數(shù)及毛管/非毛管比值的量級變化等影響因素，定量研究了在最大的容許侵蝕量下的森林覆蓋率，研究成果不僅為合理的植樹造林提供了依據(jù)，而且也說明了土壤侵蝕不僅與降雨有關(guān)，而且與土壤的理化性質(zhì)密切相聯(lián)。由于無法獲得土壤自然含水量等前期資料，其研究成果無法進(jìn)一步建立科學(xué)的預(yù)報模型。在黃土高原地區(qū)，初始含水率越高，產(chǎn)流越快，平均入滲率越小，達(dá)到穩(wěn)定入滲率的時間也越短。含水量的變化影響土壤的抗蝕能力，森林土壤中初始含水量的變化規(guī)律更是一個值得研究的問題。但在亞熱帶地區(qū)土壤肥力研究較多，而土壤水分的測量和模擬研究較少，在一定程度上會制約其他方面的研究。

土壤侵蝕與成土母質(zhì)有一定的關(guān)系。調(diào)查研究表明，土壤侵蝕類型，在很大程度上受母巖所制約，即不同的母巖所發(fā)育的紅壤，赤紅壤，其侵蝕類型有較大差異。如砂頁巖發(fā)育的紅壤、赤紅壤，其侵蝕類型多屬片狀侵蝕，紫色砂頁巖發(fā)育的紅壤、紫色土，其侵蝕類型開始為片狀侵蝕，但極易發(fā)育成溝狀侵蝕;花崗巖發(fā)育的紅壤、赤紅壤，其侵蝕類型除片狀侵蝕、溝狀侵蝕外，同時還有崩崗侵蝕，是花崗巖發(fā)育土壤的重要特征。這些侵蝕類型的不同與巖石的礦物組成、物理特性、化學(xué)成分以及其土壤的物理機(jī)械性等密切相關(guān)，同時也與地貌地形有關(guān)。往往丘陵頂部，山脊線上為片狀侵蝕，南坡、東南坡等上部為溝狀侵蝕，而山坡的下部為切溝和崩崗侵蝕。有學(xué)者對湘北紅壤坡地水分特征及其水分運移進(jìn)行了初步研究，得到了湘北紅壤坡地土壤持水力強(qiáng)，有效水含量低土壤結(jié)構(gòu)性差，養(yǎng)分貧乏，原始生產(chǎn)力低，易產(chǎn)生降雨土壤侵蝕的結(jié)論。也有學(xué)者對湖南省衡南縣譚子山鎮(zhèn)較大坡度范圍內(nèi)的石灰性紫色土丘崗地上進(jìn)行了水土流失的定位觀察實驗，定量分析了水土流失與坡度、植被覆蓋度及開發(fā)利用模式的關(guān)系，并根據(jù)巖石的風(fēng)化速度和土地利用方式的生態(tài)需求計算了石灰性紫色土的允許侵蝕量。這些研究成果為全面研究湖南省的水土流失情況提供了依據(jù)。

土壤侵蝕類型與強(qiáng)度與土壤容重和含水量也有一定的關(guān)系。在土壤剖面中初始含水量和容重都是不均勻的，并隨降雨歷時發(fā)生變化，這些變化影響了土壤的入滲速率、土壤表層的徑流量或速度以及土壤的抗蝕能力。有學(xué)者對變?nèi)葜貑栴}進(jìn)行了探討，測量了變?nèi)葜貤l件下水分特征曲線、飽和導(dǎo)水率及溶質(zhì)運移參數(shù)的變化，為進(jìn)一步研究水分入滲速率、土壤水分分布以及養(yǎng)分的生態(tài)利用和流失提供了較好的前提理論。還有很多研究工作者做了不少富有成效的工作，但主要是進(jìn)行特定地點的野外觀測，范圍較少，并且沒有較好的室內(nèi)模擬實驗進(jìn)行補(bǔ)充，亞熱帶地區(qū)的土壤侵蝕機(jī)理的研究還有待于進(jìn)一步深入。

2 土壤侵蝕模型的研究

土壤侵蝕模型是有效監(jiān)測水土流失和評估水保措施效益的手段，侵蝕模型是土壤流失監(jiān)測和預(yù)報的重要工具，一般可以將其分為經(jīng)驗統(tǒng)計模型和物理成因模型。經(jīng)驗統(tǒng)計模型是通過試驗觀測資料和數(shù)理統(tǒng)計技術(shù)，選定影響土壤侵蝕的相關(guān)因素，得出計算土壤流失量的方程式，如USLE（Universal Soil Loss Equation）。我國科學(xué)家結(jié)合黃土高原的實際情況也建立了一系列的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，其中以溝間地裸露地基準(zhǔn)狀態(tài)坡面土壤侵蝕模型具有較好的代表性，即將淺溝侵蝕影響以修正系數(shù)的方式進(jìn)行處理，建立了計算溝間地次降雨侵蝕產(chǎn)沙量的方程式，該模型同以往模型相比，有兩方面的優(yōu)點：一是該模型結(jié)構(gòu)符合黃土丘陵區(qū)地貌特點，考慮了黃土坡面特有的淺溝侵蝕類型；二是應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件建立空間水土流失數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了侵蝕預(yù)報模型與GIS相結(jié)合。由于模型模擬面積有限，而且主要是針對黃土高原的氣候、地形和土壤特征，只對亞熱帶地區(qū)的土壤侵蝕有一定的借鑒作用。

物理成因模型以土壤侵蝕的物理過程為基礎(chǔ)，利用水文學(xué)、水力學(xué)、土壤學(xué)、河流泥沙動力學(xué)以及其他相關(guān)學(xué)科的基本原理，根據(jù)已知降雨、徑流條件來描述土壤侵蝕產(chǎn)沙過程，從而預(yù)報在給定時段內(nèi)的土壤侵蝕量，如WEPP（Water Erosion Prediction Project）、EUROS和 LISEM模型。WEPP是過程模型，從目前的應(yīng)用來看，比其他侵蝕預(yù)報模型有一定的優(yōu)越性，主要有：

（1）能估算土壤侵蝕的時空分布，即全坡面或坡面任意一點的凈土壤流失量隨時間的變化。

（2）作為過程模型，它可以應(yīng)用于較廣泛的條件，盡管在黃土高原小流域預(yù)報應(yīng)用中總體誤差較大，但當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時應(yīng)用效果較好。

在湖南區(qū)域內(nèi)紅壤是主要的土壤類型。有學(xué)者用野外試驗觀方法，利用小區(qū)數(shù)年天然降雨觀測數(shù)據(jù)，借助人工降雨試驗方法對花崗巖發(fā)育紅壤的坡地侵蝕情況及水土流失過程進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)農(nóng)耕小區(qū)與光板小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙結(jié)果較為接近，產(chǎn)流比牧草小區(qū)大數(shù)倍至數(shù)十倍，侵蝕產(chǎn)沙大到數(shù)百倍，表明牧草能增加土壤入滲和土壤抗蝕性，耕作土壤是產(chǎn)生土壤侵蝕的主要原因；采用USLE模型對紅壤區(qū)不同土地利用類型中坡地水土流失現(xiàn)象進(jìn)行初步模擬，發(fā)現(xiàn)降雨和作物種類是影響水土流失的主要原因。

3 水土保持措施的研究

近年來，水土保持措施的研究取得了較大的成果，水利部利用衛(wèi)星遙感開展水土流失調(diào)查結(jié)果顯示，湖南省水土流失治理成效比較顯著，現(xiàn)有水土流失面積比10年前減少了6700km2，即15%。自然流失面積相對減少，強(qiáng)度有所降低，主要歸于兩方面的原因：一是人們充分利用了生產(chǎn)實踐中長期積累的經(jīng)驗，這種經(jīng)驗容易獲得而且行之有效；二是從水土保持的效果分析其原因，使得研究成果具有較好的說服力并極易推廣。有學(xué)者對紅壤坡地11個利用模式10年土壤侵蝕進(jìn)行觀察研究，表明了紅壤坡地土地利用模式中林作系統(tǒng)水土保持效果優(yōu)于農(nóng)作系統(tǒng)。林作系統(tǒng)中水土保持效果以常綠闊葉林最好，次為混交林，毛竹林和針葉林。農(nóng)作系統(tǒng)中順坡植物籬種植、等高梯化種植、順坡水平溝種植水土保持效果較好。有人針對湖南省耒陽紫色砂頁巖地，提出植物措施相結(jié)合，工程措施注重因害設(shè)防，優(yōu)先考慮植物措施布設(shè)與植被恢復(fù)創(chuàng)造有利條件的小型攔蓄工程的水土保持措施，并從生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的角度驗證了這種措施的科學(xué)性。這些措施對于某一特地環(huán)境是行之有效的，但推廣有一定的難度，其中一個重要原因就是這些研究主要從結(jié)果尋找原因，目的不在于從土壤侵蝕機(jī)理進(jìn)行分析，尋找普適性的規(guī)律。但這些研究不僅為特定地區(qū)提供了水土保持措施，同時也為驗證將來的土壤侵蝕模型提供較好的實證。

4 亞熱帶地區(qū)水土保持研究展望

綜上所述，盡管不少研究工作者對湖南省土壤侵蝕研究做了工作，但針對目前水土流失的嚴(yán)重現(xiàn)狀，應(yīng)集中水土保持、生態(tài)、土壤和環(huán)境等專業(yè)的廣大研究工作者進(jìn)行更廣泛和深入的研究。筆者認(rèn)為應(yīng)著重以下四個方面的研究:

（1）利用3S技術(shù)和定位觀測，對湖南省土壤侵蝕現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查。湖南省土壤土層較薄，近年流失面積和泥沙輸出量的減少，一方面由于采取了較好的水土保持措施，另一方面也可能是由于水土流失使原來產(chǎn)生劇烈土壤侵蝕地區(qū)已經(jīng)石漠化，沒有再產(chǎn)生水土流失的可能。因此湖南省水土流失現(xiàn)狀僅從河流的泥沙含量和流失面積這些指標(biāo)上是無法真正地弄清其發(fā)展趨勢，必須進(jìn)行全面而詳細(xì)的調(diào)查，從河流泥沙含量的研究拓寬到流域的研究，利用“3S”技術(shù)、歷年的遙感圖片和合理的指標(biāo)體系對土壤侵蝕的歷史及侵蝕過程進(jìn)行劃分，在調(diào)查時如能將典型流域進(jìn)行定位觀測，將有助于更科學(xué)地分析土壤侵蝕的過程。

（2）加強(qiáng)土壤侵蝕動力學(xué)的研究。亞熱帶地區(qū)的降雨具有較大的侵蝕潛力，分析其降雨侵蝕特性是一項非常有意義的工作。利用氣象、水文和土壤學(xué)的有關(guān)理論對全年的降雨、入滲和產(chǎn)流的流量變化進(jìn)行研究將有助于分析最大侵蝕能力。同時亞熱帶地區(qū)一般植被生長較好，因此土壤侵蝕的研究必須考慮植被因子的影響，植被因子主要分為兩個部分：一是根系影響土壤水分分布和入滲，從而影響徑流的流量及土壤的抗蝕能力；二是莖葉部分減弱了降雨的濺蝕作用并改變了徑流的方向和沖刷能力。亞熱帶地區(qū)植物種類繁多，這有待于進(jìn)行系統(tǒng)和細(xì)致的研究。

（3）將土壤肥力和土壤侵蝕結(jié)合起來，保證土地利用的可持續(xù)發(fā)展。按保守估計，全省每年土壤流失量為5 800萬t以上，由于降雨較多，土壤表層較長的時間內(nèi)處于飽和狀態(tài)，從而使土壤養(yǎng)分處于溶解態(tài)，每年僅有機(jī)質(zhì)的流失量就高達(dá)58萬t（按有機(jī)質(zhì)含量1%，表層土一般高于此值），由于其大流量稀釋的結(jié)果，盡管徑流和河流中泥沙含量不高，而輸出的泥沙總量卻很大，損失的土壤養(yǎng)分甚至接近植物所利用的量。而湖南省每年的復(fù)混肥生產(chǎn)能力才50萬t，這說明每年所生產(chǎn)的無法彌補(bǔ)其流失量。因此，在湖南省進(jìn)行土壤侵蝕研究時保水保肥是其必須解決的問題。

（4）建立可適性較強(qiáng)的土壤侵蝕預(yù)報模型?？紤]亞熱帶地區(qū)的特點是建立科學(xué)的土壤侵蝕模型的首要條件，將流域觀測和室內(nèi)實驗結(jié)合，從機(jī)理上探討土壤侵蝕產(chǎn)沙和運移過程，參考已有的預(yù)報模型，準(zhǔn)確測定植被覆蓋下土壤侵蝕的有關(guān)參數(shù)，才有可能建立亞熱帶地區(qū)次降雨侵蝕預(yù)報模型，為科學(xué)合理地進(jìn)行水土保持措施提供依據(jù)。

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