土壤可蚀性及其在侵蚀预报中的应用

第14卷第4期自然资源学报Vo1.4No.4 1999年10月J OU RNAL O F NA TU RAL R ESOU RCES Oct.,1999文章编号:1000-3037(1999)04-0345-06

土壤可蚀性及其在侵蚀预报中的应用

刘宝元1,张科利1,焦菊英2

(11北京师范大学资源与环境科学系教育部环境演变与自然灾害开放研究实验室,北京100875;

21中国科学院水土保持研究所,陕西杨陵712100)

摘要:土壤可蚀性是土壤侵蚀预报和土地利用规划的重要参数,国外已有物理意义明确、可操作性强、应用方便的土壤可蚀性定义和指标。国外的指标在我国不适用,而我国又没有这样的指标。在系统全面查阅和分析60多年来已有研究成果的基础上,根据我国具体情况,提出我国土壤可蚀性指标的定义和测定方法,即在15°坡度、20m坡长、清耕休闲地上,单位降雨侵蚀力所引起的土壤流失量。这一标准的确定对规范土壤可蚀性实验研究,促进我国土壤侵蚀预报模型的建立有重要意义。

关键词:土壤;可蚀性;抗冲抗蚀性;侵蚀预报

中图分类号:S157文献标识码:A

土壤侵蚀是导致土地资源退化乃至彻底破坏的主要原因。定量计算土壤流失量是合理利用和管理土地资源的科学依据之一。土壤可蚀性是定量计算土壤流失的重要指标,是土壤侵蚀预报模型中的必要参数。土壤可蚀性的研究开始于30年代,到现在已有60多年历史。1963年,Olso n和Wisc h meie r[1]提出了具有实用性的土壤可蚀性指标———单位降雨侵蚀力在标准小区上所造成的土壤流失量。有了这一指标值,就可以对不同地区、不同历史时期的观测资料进行统一比较和分析。同时,该指标也具有明确的物理意义和方便的测定方法。所以,这一指标值在土壤侵蚀预报模型中得到了广泛的应用,如应用最广泛的通用流失方程(U SL E)[2、3]、修正通用流失方程(R U SL E)[4]、流域水土资源管理模型(SW R RB)[5]等模型。Olso n和Wisc h meie r在定义土壤可蚀性时用了两个概念,第一个是降雨侵蚀力(R=E I30),第二个是标准小区,即9%的坡度,顺坡耕作,连续清耕休闲,22113m长的径流小区。美国以此为标准小区是因为美国大部分小区坡长为22113m。9%的坡度则接近观测资料的中间值,在中等坡度上测定的经验参数,外推用于较缓和较陡坡度时误差相对较小。

我国从50年代开始研究土壤可蚀性。但多采用土壤抗侵蚀性[6]。朱显谟[7]将土壤抗侵蚀性分为抗冲性和抗蚀性,蒋德麒和朱显谟[8]进一步明确了抗冲性和抗蚀性的定义,有时将二者统称为土壤抗冲抗蚀性。近年来,我国学者用野外抗冲试验、小区测定资料、公式计算和遥感方法对不同地区的土壤可蚀性进行了研究,取得了不少成果。本文将结合我国的具体条件,从基本概念、基本研究方法考虑,通过对国内外研究进展和各种指标实用性的讨论,对如何开展我国土壤可蚀性研究提出一点粗浅看法。

1基本概念讨论

由于研究目的不同以及对土壤可蚀性研究的逐步深入,出现了许多不同的概念和术语。不过,总体而言国外用土壤可蚀性,进一步分为可分离性和可搬运性[9]。这种理论认为,沙土的抗分离性差而抗搬运性强,粘土反之。我国一般称为土壤抗侵蚀性,多用抗冲抗蚀性一词,并将其分为抗冲性和抗蚀性。抗冲性主要指

收稿日期:1999-04-20;修订日期:1999-07-20。

基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(49725103);教育部留学回国人员基金资助项目。

第一作者简介:刘宝元(1958-),男,陕西佳县人,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为土壤侵蚀和水土保持。

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自然资源学报

土壤抵抗风、水等对土壤的机械破坏作用,而抗蚀性主要指土壤抵抗水对土粒的分散和悬浮作用。从土壤侵蚀机理考虑,土壤抗冲性和抗蚀性的划分具有重要意义。但从实验角度看,目前尚无法将抗冲性与抗蚀性分开,只是人为规定某些实验结果,一些是对抗冲性的评价和测定,而另一些是对抗蚀性的测定,因而不易用于土壤预报中。土壤可蚀性和抗侵蚀性从本质上讲,并没有什么差别。只是一个问题的两个侧面:前者是指土壤对侵蚀作用的敏感性,后者是指土壤对侵蚀作用的抵抗能力,因此二者都反映了土壤特性与土壤侵蚀的关系。为了文献资料等方面的通用化、国际化,本文采用土壤可蚀性一词。

2土壤可蚀性研究进展

如果将已有的研究作一系统概括,土壤可蚀性的研究可分为5种方法。

211土壤理化性质测定法

这方面工作主要通过分析土壤的硅铁铝率、土壤浸湿热、分散率、侵蚀率、颗粒组成、渗透速度、悬浮率、膨胀系数以及团聚体总量、团聚状况、团聚度等方面的性质来评价土壤可蚀性。Be nne nt[10]研究了土壤硅铁铝率与土壤侵蚀的关系,认为硅铁铝率小于2者,为脆性土,不易侵蚀;大于2者为塑性土,易侵蚀。Mid2 dlet to n[11]提出土壤浸湿热的大小与土壤侵蚀率的高低成正比。浸湿热是指土粒遇水后放出的热量。土粒表面愈大,放热愈多,土粒表面愈小,放热愈少。即粘质土易蚀,砂质土耐蚀。他又提出用侵蚀率来判断土壤受蚀程度,认为侵蚀率大于10者易蚀,小于10者不易侵蚀。侵蚀率是根据分散率、胶体含量与水分当量求出。Bo u y o uco s[11]提出比率:(砂粒%+粉粒%)/粘粒%与土壤可蚀性成正比。Peel[12]把土壤入渗率考虑在内,用小区资料分析了土壤物理性质对土壤侵蚀的影响,认为渗透率、悬浮率和分散率是判断土壤可蚀性的较好指标。朱显谟等[13]测定了土壤膨胀系数及分散速度与侵蚀的关系,认为土体易分散性和抗蚀力与吸水后膨胀的大小有关,一般吸水后膨胀愈大者,愈易分散;膨胀较小者,不易分散或其流失量也较少。并指出土壤的透水性能也是影响土壤侵蚀的主要原因。朱显谟[7]用静水崩解法的结果,提出土体在静水中的崩解情况可以作为土壤抗冲性的主要指标之一。田积莹、黄义端[6]对子午岭地区不同植被下8个土壤剖面土壤物理性质进行了研究,分析了土壤的团聚体总量、1～10m m团聚体量、团聚状况、团聚度、团聚体分散度以及分散率和侵蚀率,认为这些物理性质可作为土壤抗侵蚀性能的指标。

212仪器测定法

这类方法是用水滴或水流直接冲刷土样或土体来测定土壤可蚀性。如古萨克抗冲槽、索波列夫抗冲仪、威廉斯基的滴水器、奥尔德曼的试验装置以及我国蒋定生设计的抗冲槽等。Elisio n[9]认为侵蚀动力是由分离能力和搬运能力两个相互独立的因素组成,研究土壤可蚀性也可分为土壤可分离性和土壤可搬运性两个方面来描述。他认为细沙土、壤土、粘土的可分离性依次减小,而可搬运性依次增高。大多数沙土和粘土的可蚀性小,是因为沙土难以搬运,而粘土难以分离。Gussa k[14]设计了一个快速测定土壤可蚀性的仪器,我国多称为古萨克抗冲槽。该仪器是在不同流速下,测定每冲走100c m3土壤所需要的水量,以此作为土壤抗冲性指标。同时他认为各种土壤对流速的敏感性差异很大。Mccalla和Rai等人[11]用单个水滴测定土壤可蚀性。Alde r ma n[15]设计了一种土壤可蚀性测定装置。他通过测定垂直喷咀喷出的水流在没入水中的土壤上造成的土坑大小来描述土壤可蚀性大小。索波列夫用喷射水柱冲刷土壤剖面所造成的土坑大小来测定土壤可蚀性[16]。朱显谟[7]认为水冲穴的深浅在一定程度上可以反映出土体抵抗雨滴打击和地面径流的冲击等破坏作用的强弱。他曾于1955年在晋西地区采用索波列夫装置,分别用015个和1个大气压的股水进行试验,所得结果大体上与土体在静水中崩解的情况一致。唐克丽[16、17]从土壤物理,力学,化学,粘土矿物构成,微结构等性质,研究了土壤侵蚀的发生发展过程与抗蚀性能的机理。Subha sh Cha ndra和S.K.De[18]设计了实验室测定土壤相对可蚀性的仪器,以侵蚀系数判断土壤可蚀性大小,并推导出侵蚀系数计算公式:K=

21303

t lo g

X

X-x

,K是侵蚀系数,X是被侵蚀前土壤样品重量,x是被侵蚀后土壤样品重量,t是侵蚀历

时。经分析得出侵蚀系数与侵蚀率、分散率、粘粒率等相关性较好。蒋定生[19]设计了原状土冲刷水槽,测定了黄土地区农、林、草下的土壤抗冲性,提出抗冲力指标和分级,认为单位水量(在相同的坡度和流量下)所冲走的土量可以作为评价土壤抗冲性的指标,并将土壤抵抗流水冲刷的能力分为4个等级。窦保璋[20]用蒋定