对土壤侵蚀研究的几点思考

发布时间：2021-09-03 18:21

　　土壤侵蚀是现代地理环境条件下改变地貌景观的主要过程,也是引起土壤质量退化、沙漠化与石漠化的核心因素,与土壤、生态、水文等多个地表过程密切相关。虽然土壤侵蚀研究需要气候、地质、地貌、土壤、水文、生态等相关学科的基本知识,分析土壤侵蚀发生、发展过程的动力机制,但需要明确界定土壤侵蚀研究的时空尺度。土壤侵蚀与水土保持之间相互联系、相互促进。土壤侵蚀研究的时间尺度以次降雨、月、年为主,研究主题为次降雨侵蚀过程、土壤侵蚀季节变化与年际变化,时间尺度不宜超过100年。土壤侵蚀研究的空间尺度以小流域为主,基于土壤侵蚀垂直分带性,可以进一步分为样点、坡面、沟坡与小流域。在不同空间尺度上,研究内容与研究方法差异明显。土壤侵蚀过程包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积,各个过程的主控因素存在差异,研究成果积累差异明显,研究重点会随着时空尺度的变化而有所不同。在土壤侵蚀过程研究中,应充分理解分离控制和输移控制及其时空转换阈值。虽然土壤侵蚀研究已经取得了大量成果,但在细沟网络结构及其时空变化、泥沙沉积过程、沟蚀形成与演变动力机制、重力侵蚀发育过程动力学机理、小流域土壤侵蚀过程模型等诸多方面,亟待加强研究。 

【文章来源】：水土保持学报. 2020,34(04)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

黄土高原丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀垂直分带性及其主控因素

开展土壤侵蚀研究,除了必须系统了解、熟悉、掌握土壤侵蚀相关的理论知识体系、研究方法和研究设施以外,势必需要上述如气象气候学、地质地貌学等相关学科理论知识的支撑与帮助,但研究的思路、理念、角度、范围、方法和时空尺度,必须要和土壤侵蚀研究需求相辅相成,土壤侵蚀研究不是研究气象气候学、地质地貌学、土壤学、水文学、水力学、生态学和泥沙运动力学本身,而是为分析、解释、揭示土壤侵蚀动力过程、时空分异特征提供理论支持。土壤侵蚀研究空间尺度的重点应该是小流域(图1),在面积<50 km2的小流域内,土壤侵蚀研究涉及的侵蚀类型、影响因素、侵蚀过程、垂直分带性、时空分布、水沙关系、环境效应、水土保持措施配置、水土保持效益分析、生态功能服务等内容,都可开展深入系统的研究。当研究尺度从小流域扩大到流域(数千平方公里)时,研究的重点内容、核心过程、控制因素都会发生变化,相应的研究方法和思路以及对应的学科也会发生变化(图1)。以侵蚀泥沙为例,在小流域尺度上,土壤侵蚀研究可以辨识侵蚀泥沙来源、分析泥沙的多少及其时间变化等,但当侵蚀泥沙被输移到河流以后,泥沙运动则受控于径流量大小、河道断面形态、河流比降以及水利工程(如水库)的规模与空间分布等,解决这些问题则是河流泥沙运动力学研究者的专长。随着研究尺度的进一步扩大,到区域(大江大河、省域等)尺度,关注的重点则转变为空间分异或地带性问题,而研究地带性则是地理学的重点内容(图1)。随着科学技术的快速进步,任何学科的发展都不可能离开相关学科的支持,多学科交叉与融合是历史发展的必然,但土壤侵蚀研究者需要时刻清楚,需要学习、借鉴的是相关学科研究的思路、理念和方法,取长补短。为了分析、揭示土壤侵蚀过程与机理,只有通过不断地借鉴和学习,才能促进土壤侵蚀学科的发展和土壤侵蚀研究的快速进步,更好地服务于水土保持生产,阻控水土流失,维系区域生态平衡与社会经济的可持续发展。土壤侵蚀与水土保持密切相关,明确土壤侵蚀与水土保持的逻辑关系,对土壤侵蚀研究至关重要。要明晰土壤侵蚀与水土保持的关系,首先需要明确科学、技术与工程的辩证关系,用通俗语言表达,科学是对未知世界的探索和认知,技术是在系统总结、凝练科学研究结果基础上形成的方法、标准、法规和法律体系,工程则是为了实现某一目的而采取的社会实践活动。科学是技术的基础,技术指导工程,工程实施提出技术需求,促进技术进步,工程实施可能出现新的问题,需要科学继续探索,当前的技术无法满足工程需求,则需要继续加强科学研究,科学—技术—工程相互影响、相互促进、共同进步,但在一定的历史时期或对于特定的社会群体,科技、技术和工程的进步可能并不同步。从本质上讲,土壤侵蚀涉及的内容,都属于科学研究范畴,而水土保持则既包括科学研究内容,也包括技术凝练和工程实践内容。水土保持措施适宜性、水土保持措施发挥效益的作用机理、水土保持效益随坡度变化并趋向失效的坡度阈值等内容,属于科学研究;水土保持规划设计、水土保持监测、水土保持措施体系、水土保持相关的标准、法规等,属于技术范畴;而各种大规模的水土保持生产,如坡改梯、生态建设工程、淤地坝建设等属于工程范畴。不同性质的工作或任务,应该有不同性质的单位来完成,水土保持中科学研究部分,应该由高等院校、国家级科研院所来完成,水土保持技术体系应由行业研究院所和省级研究所来完成,而水土保持工程的实施,则由水利部、流域机构、省、市、县级水务(水保)部门来完成。土壤侵蚀研究为水土保持研究与技术总结提供理论基础,水土保持技术进步会更好地指导水土保持工程,水土保持工程的大面积实施,产生新的问题和技术需求,则会促进土壤侵蚀研究和水土保持技术革新。如大面积实施的“退耕还林(草)”工程,导致区域侵蚀环境发生了重大变化,植物群落近地表特性的显著变化,势必会引起土壤侵蚀动力和土壤抗蚀性能的双重变化,为了揭示这些变化对土壤侵蚀过程的潜在影响与机理,则需要在新的环境条件下,开展大量土壤侵蚀研究工作,提升与完善对土壤侵蚀动力过程的认知[24]。

土壤分离、泥沙输移与泥沙沉积过程间的耦合关系,是土壤侵蚀过程研究的核心内容,对于土壤分离与泥沙输移的关系。目前有不同的学术观点,但大部分学者认为土壤分离与泥沙输移间存在线性耦合关系,即当径流输沙率为0时,土壤分离速率最大,为土壤分离能力,随着输沙率增大土壤分离速率呈线性函数下降,当输沙率达到挟沙力时,土壤分离速率为0,可以用Foster和Meyer于1972年提出的线性假定函数定量表征[30],但这一关系仅在挟沙力控制(即充分供沙)条件下成立,在土壤侵蚀过程中,存在着2个控制条件,分别为分离控制(Detach-limited)和输移控制(Transport-limited)[2],前者是指下垫面土壤抗蚀性能很强,雨滴击溅和径流冲刷无法提供足够多的泥沙供给径流输移,此时侵蚀量的大小由土壤分离过程控制;而后者是指雨滴击溅和径流冲刷提供了足够的泥沙,但坡面径流挟沙力较小,无法将全部的侵蚀泥沙输移走,此时侵蚀量由泥沙输移过程控制。很多研究者很难理解这2个控制的真正涵义,为了更容易理解,假设降雨降在裸露的基岩上,无论降雨强度、降雨量和径流量多大,都无法在短期内将岩石分离并产生侵蚀泥沙,此时的侵蚀量几乎为0,这属于典型的土壤分离控制案例。假设降雨发生在沙漠内,雨滴击溅会产生大量的松散泥沙,但全部或大部分降雨都会就地入渗,不会产生坡面径流或坡面径流流量很小,挟沙力非常小,无法将雨滴击溅产生的松散泥沙输移走,此时即为典型的泥沙输移控制。随着时空尺度的变化,分离控制和输移控制可能会发生变化,导致侵蚀过程发生变化(图3)。例如,对于细沟间侵蚀,当坡度较小时,雨滴与地面的夹角较大,大部分雨滴动能都消耗于雨滴溅蚀,从而产生大量的松散泥沙,但由于坡度较小,所以坡面径流挟沙力不足,此时侵蚀泥沙的多少受控于输移过程。随着坡度增大,坡面径流挟沙力增大,但雨滴与坡面间的夹角逐渐减小,消耗于雨滴溅蚀的雨滴动能逐渐减小,被分离的泥沙减少,同时径流量增大导致挟沙力增大,当坡度达到某个临界值时,土壤侵蚀过程转变为分离过程控制。当然,由于降水特性、土壤性质、下垫面条件的时空变化,会引起输移控制转变为分离控制的坡度阈值发生变化。在区域尺度上,黄土高原丘陵沟壑区因地形破碎、坡度陡峻,径流挟沙力很大,因此,在黄土高原丘陵沟壑区小流域尺度上,土壤侵蚀属于典型的分离控制,导致小流域多年平均泥沙输移比近似为1。而在东北漫川漫岗地区,因坡面坡度很缓,土壤侵蚀属于典型的输移控制,绝大部分侵蚀泥沙都在坡面下部沉积,导致大江大河(如松花江、辽河等)输沙率或含沙量非常低,对东北漫川漫岗区坡面严重的土壤侵蚀产生错觉。再次强调,由于坡面侵蚀过程可能受控于土壤分离过程,也可能受控于泥沙输移过程,所以无法或者很难用坡面径流小区和侵蚀动床测定的侵蚀量,直接反推土壤分离能力和坡面径流挟沙力。4 亟待加强的研究内容

【参考文献】：
期刊论文
[1]黄土丘陵沟壑区浅层滑坡堆积体植被演替特征及土壤养分响应[J]. 李宁宁,张光辉,王浩,张宝军,杨寒月.  山地学报. 2018(05)
[2]对坡面径流挟沙力研究的几点认识[J]. 张光辉.  水科学进展. 2018(02)
[3]退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀的潜在影响[J]. 张光辉.  中国水土保持科学. 2017(04)
[4]土壤分离能力测定的不确定性分析[J]. 张光辉.  水土保持学报. 2017(02)
[5]基于水流功率的坡面流挟沙力模拟[J]. 栾莉莉,张光辉,王莉莉,韩艳峰.  泥沙研究. 2016(02)
[6]地表覆盖对坡面流流速影响的模拟试验[J]. 曹颖,张光辉,唐科明,罗榕婷.  山地学报. 2011(06)
[7]坡面径流分离土壤的水动力学实验研究[J]. 张光辉,刘宝元,张科利.  土壤学报. 2002(06)
[8]土壤侵蚀模型研究现状与展望[J]. 张光辉.  水科学进展. 2002(03)
[9]坡面水蚀过程水动力学研究进展[J]. 张光辉.  水科学进展. 2001(03)



本文编号：3381620