蘇正安,熊東紅,張建輝,董一帆,楊 超,2,張小波,鮮紀紳(.中國科學院/水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都 600; 2.四川師范大學 地理與資源科學學院,四川 成都 600;.成都市水土保持監(jiān)測分站,四川 成都 600; .四川省電力設(shè)計院,四川 成都 60072)
紫色土主要是以中生代(包括三疊系、侏羅系、白堊系和第三系)巖層為母巖、母質(zhì)發(fā)育形成的一類土壤,在發(fā)生分類上稱初育土,在系統(tǒng)分類上屬新成土和雛形土[1-2]。紫色土通常土層淺薄,但是又表現(xiàn)出一定的宜種性、宜肥性、宜水性等,在我國除丘陵頂部或陸坡巖坎外,大多數(shù)紫色土坡地已被開墾為耕地[1]。紫色土是一類具有較多優(yōu)勢和潛力的土壤資源,其風化成土速率快、土壤礦物質(zhì)含量高,但同時又具有較多缺陷,比如土壤容重大、有機質(zhì)含量低、團聚體含量少,加上受人為耕作活動影響,因此,紫色土坡耕地已成為我國水土流失最為嚴重的地類之一[3-4]。
20世紀30年代以來,研究人員針對紫色土坡耕地土壤侵蝕的相關(guān)研究經(jīng)歷了初步基礎(chǔ)研究、探索性研究和快速定量研究3個主要階段。中華人民共和國成立前,有研究人員于1939年在四川內(nèi)江甘蔗試驗場設(shè)立小區(qū),觀測耕作方法對水土流失量和作物產(chǎn)量的影響,開始了紫色土土壤侵蝕方面的研究;中華人民共和國成立后,研究人員逐漸認識到紫色土坡耕地上存在較為嚴重的水土流失,尤其是在20世紀60年代初,為做好長江流域規(guī)劃,我國針對三峽以上地區(qū)進行了土壤侵蝕綜合考察,獲得了大量關(guān)于紫色土坡耕地的研究報告和成果圖件,并進行了探索性研究,取得了一定的成果;20世紀70年代以后,隨著模擬降雨試驗裝置的研制成功、土壤侵蝕模型的提出和測試技術(shù)的改進,以及計算機技術(shù)的發(fā)展,有關(guān)紫色土坡耕地侵蝕過程方面的研究進入了定量化階段。
基于紫色土水土流失特點和土壤侵蝕研究進展,筆者對紫色土坡耕地土壤侵蝕研究現(xiàn)狀、定量研究方法和防治措施等進行了簡要論述和總結(jié),并對紫色土坡耕地土壤侵蝕研究方向進行了展望,以期為深層次揭示紫色土坡耕地土壤侵蝕過程和機理,科學防治水土流失奠定基礎(chǔ)。
水力侵蝕是紫色土坡耕地上一種重要的土壤侵蝕形式,可分為濺蝕、面蝕(細溝侵蝕和細溝間侵蝕)、壤中流侵蝕。
濺蝕在紫色土坡耕地土壤侵蝕過程中起著重要作用,它為后續(xù)的徑流搬運提供了豐富的松散顆粒,濺蝕量的多少及松散顆粒的組成狀況是判斷坡面土壤侵蝕量的主要依據(jù)之一[5]。研究表明,影響紫色土坡耕地濺蝕量的因子眾多,可以歸納為降雨特征(雨強、歷時、降雨能量等)、土壤特性(土壤顆粒等)和其他因素(坡度等)[6]。濺蝕還會引起表土結(jié)皮,而結(jié)皮的發(fā)育有助于提高土壤表面強度,降低土壤分離能力[7],因此濺蝕是紫色土坡面上一個重要而復雜的侵蝕過程。
面蝕是紫色土坡耕地上又一種重要的土壤侵蝕形式,降雨量、地形因子(坡度、坡長等)、種植制度、耕作方式等對紫色土坡耕地的面蝕過程均具有顯著影響。相關(guān)研究表明,紫色土坡耕地的面蝕過程中存在臨界閾值。研究人員分析遂寧水土保持試驗站坡耕地小區(qū)觀測資料發(fā)現(xiàn),侵蝕性降雨量在不同坡度坡耕地上數(shù)值不同,5°、10°、15°、20°、25°紫色土坡耕地上的侵蝕性降雨雨量標準分別為55.7、42.9、39.9、39.5、32.0 mm,平均雨強標準分別為8.87、7.86、5.53、5.36、5.24 mm/h[8]。地形因子在坡面水力侵蝕過程中同樣存在臨界閾值:在臨界坡長方面,嚴冬春等[9]在10°、15°、20°、25°紫色土坡耕地上進行了人工模擬降雨試驗(降雨強度130 mm/h),得出紫色土坡耕地細溝產(chǎn)生的臨界坡長平均值分別為6.13、4.12、2.72、1.55 m,細溝發(fā)生的臨界坡長與坡度呈二次拋物線關(guān)系;在臨界坡度方面,研究結(jié)果表明在相同坡長條件下,土壤流失量與坡度可擬合為二次多項式關(guān)系,紫色土坡耕地土壤侵蝕的臨界坡度約為22°[10]。關(guān)于耕作方式影響面蝕過程方面,研究人員通過多年觀測試驗得出結(jié)論,聚土免耕制度較橫坡種植制度減少土、水流失率(年平均值)分別為45.6%、38.7%,較順坡種植制度分別減少了63.2%、52.4%[11];此外,一些土壤學者通過人工降雨試驗也驗證了不同耕作方式對紫色土坡耕地面蝕的影響非常顯著[12]。
紫色土坡耕地徑流主要由地表徑流和壤中流兩種形式組成,地表徑流和壤中流在總降雨量中的比例隨雨強和坡度的不同而發(fā)生變化,從而引起不同的地表徑流和壤中流侵蝕速率[13]。研究表明,紫色土坡耕地土層較淺是導致壤中流增大的主要因素,耕作能有效改善土壤結(jié)構(gòu),增加降雨入滲量,并增大壤中流發(fā)生幾率[14];地形對壤中流具有顯著影響,在雨強相似的條件下,壤中流占總降雨量的比例隨坡度的增大而增大,普遍存在的壤中流在土壤侵蝕中起到了相當重要的作用,甚至由壤中流促發(fā)的侵蝕量要遠遠高于片蝕、溝蝕等坡面侵蝕形式[15];在相同坡度的情況下,雨強對壤中流的流量過程線有顯著影響,壤中流占總降雨量的比例隨雨強的減小而增大[16]。
綜上可見,目前紫色土坡耕地上水力侵蝕研究主要側(cè)重于降雨和地表徑流導致的土壤侵蝕,而對壤中流引起的土壤侵蝕研究較少,尤其是對壤中流導致土壤侵蝕的發(fā)生機制、過程研究不夠,急需開展這些方面的定量研究。
在紫色土坡耕地上,耕作活動是造成水土流失的重要人為因素。耕作侵蝕不會使土壤直接流失出地塊,而是在耕作工具和重力作用下導致凈余土壤量向下坡或上坡(依賴于耕作方向)運移、堆積、重新分配。在復合地貌區(qū)一般是從坡耕地的凸部流失,在凹部堆積;在線性坡面一般是從坡耕地上部流失,在下部堆積[17]。耕作位移是指耕作造成土壤位置的移動,可以用相對于耕作方向的某一特定方向的土壤移動量來表示,即每米耕作寬度的土壤向前(與耕作方向平行)的土壤位移量(m)或每米耕作長度土壤向側(cè)面(與耕作方向垂直)的輸送量(kg/m)[17]。在平坦的土地上單次耕作只產(chǎn)生耕作位移,不存在耕作侵蝕,這是由于往返式耕作不會產(chǎn)生凈土壤傳輸量。
在紫色土區(qū),鋤耕是坡耕地上主要的耕作方式,相比于等高耕作、壟作和逆坡耕作,傳統(tǒng)順坡鋤耕方式引起的土壤位移和耕作侵蝕十分顯著[18]。文獻[19]采用物理示蹤劑方法研究得出,在坡度為4%~43%的紫色土坡耕地內(nèi),單次順坡耕作引起的向下坡方向的土壤位移達到36~113 kg/m,單次耕作的侵蝕速率為24~75 t/(hm2·a)。蘇正安等[20-21]研究認為,在中等坡度(16.6%~25.1%)的坡耕地上,耕作侵蝕速率占總土壤侵蝕速率的42.27%~42.65%,在陡而短的坡耕地上,耕作侵蝕速率占總土壤侵蝕速率的80%以上;而在長而緩的坡耕地上,相比于水力侵蝕,耕作侵蝕對總土壤侵蝕的貢獻則較小。
目前,盡管土壤學者已逐漸認識到耕作侵蝕對紫色土土壤侵蝕的相對貢獻較大,以及對坡耕地土壤質(zhì)量退化、作物產(chǎn)量降低、地形變化和土壤有機碳遷移的影響等[4,18],并開展了大量的定位研究和野外控制試驗,但是多數(shù)研究側(cè)重于揭示單純的耕作侵蝕效應,沒有直接開展耕作侵蝕與水力侵蝕的交互作用研究。
紫色土區(qū)土壤侵蝕研究中示蹤劑法主要采用人工示蹤劑法和天然示蹤劑法。人工示蹤劑法主要是人為添加示蹤劑(白石塊、螺絲帽和煤灰粉等)到土壤中進行標記和測定的方法[22]。天然示蹤劑法主要利用自然界中已有的同位素(137Cs、210Pbex、7Be和14C等)作為示蹤劑,對研究對象進行標記的微量分析方法,尤其是137Cs示蹤技術(shù)在紫色土區(qū)的土壤侵蝕研究中得到了廣泛運用。
在紫色土坡耕地上,采用人工示蹤劑法開展水蝕過程研究的還比較少,而采用同位素示蹤劑法尤其是核素示蹤劑法的研究比較多。SHI et al.[23-24]利用不同核素(137Cs、210Pbex、7Be等)具有顯著差異半衰期的特點,研究了不同時間尺度的紫色土坡耕地上的土壤侵蝕速率,極大地促進了紫色土坡耕地水力侵蝕的定量研究。
兩種數(shù)據(jù)格式,并且提供全自動流程化的方式,應用CASS軟件采集的CAD數(shù)據(jù)來創(chuàng)建一個臨時庫,點擊“導入的數(shù)據(jù)”,選擇“導入QS等地籍格式數(shù)據(jù)”即可提取房屋、宗地、界址點、界址線等地籍數(shù)據(jù),從而完成城鎮(zhèn)地籍數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
在耕作侵蝕研究方面,兩種示蹤劑方法均得到廣泛運用。張建輝等[22]采用白石頭作為人工示蹤劑在四川丘陵區(qū)紫色土坡耕地上進行了耕作試驗,獲得了坡耕地內(nèi)土壤耕作位移和耕作直接導致土壤流失的證據(jù),后來又采用煤灰粉等作為人工示蹤劑,采用磁測法計算了紫色土坡耕地的耕作位移[25]。同時,137Cs示蹤技術(shù)也被運用于耕作侵蝕研究,尤其在模擬耕作試驗過程中,通過對比耕作前后同一坡位土壤中137Cs的面積濃度,直接反映耕作對坡面土壤再分布的影響機制,取得了比較好的效果[26-27]。
人工示蹤劑法和天然示蹤劑法運用于土壤侵蝕研究也具有一定的缺點。首先,運用人工示蹤劑法必須解決人為添加的示蹤劑與土壤質(zhì)地的一致性問題,如果處理不好,那么示蹤劑就不能表征土壤侵蝕速率;其次,煤灰粉等作為磁性示蹤劑,其使用量需要反復試驗才能夠保證測定數(shù)據(jù)的可靠性,而白石頭、螺絲帽等物理示蹤劑則需要進行物理示蹤劑回收[19],回收工作繁雜,回收率的高低也會影響試驗的精度。同位素示蹤劑法需要準確測定土樣剖面中的微量同位素,并經(jīng)過采集、風干、過篩和實驗室分析,需要花費較多的時間、人力和經(jīng)費,同時將土壤中的同位素含量換算為土壤侵蝕速率時還要轉(zhuǎn)化模型和確定背景值,增加了運用該方法的難度。
采用野外定位小區(qū)測定坡面水力侵蝕產(chǎn)生的徑流、泥沙在國內(nèi)外應用已經(jīng)相當普遍,該方法也是坡面土壤侵蝕定量研究最早采用的試驗方法之一。在紫色土區(qū),不僅采用國際通用的標準小區(qū)觀測坡面水力侵蝕產(chǎn)生的徑流、泥沙,而且具備不同地形(坡度、坡長)、土地利用類型、耕作措施、土壤類型的徑流小區(qū)也被廣泛運用于坡面土壤侵蝕監(jiān)測[28]。在耕作侵蝕研究方面,研究人員主要將坡面直接劃分為幾個小區(qū),然后進行模擬耕作試驗,通過測量土壤137Cs含量、土壤理化性質(zhì)的變化或者地形的變化,從而推測耕作侵蝕速率或者耕作對土壤特性和地形變化的影響[27,29]??傮w而言,在紫色土坡耕地上,定位小區(qū)主要是用于監(jiān)測坡面水力侵蝕及其產(chǎn)流、產(chǎn)沙效應,耕作侵蝕研究中很少采用該方法。
人工模擬降雨法是一種針對坡面水力侵蝕過程的定量研究方法。在紫色土區(qū),10多年來研究人員利用人工模擬降雨試驗對比了不同地形、植被覆蓋、土壤類型、耕作措施、工程措施等條件下的土壤侵蝕速率,并開展了大量的定量試驗[30],在揭示紫色土坡耕地地形、土壤、植被和耕作措施對水力侵蝕過程的影響機制及其耦合作用研究中起到了重要作用。與此同時,采用該方法研究水力侵蝕對紫色土坡耕地土壤退化、地形演化和產(chǎn)沙過程的影響機制等也取得了很多成果[15,31]。目前,在紫色土區(qū),人工模擬降雨法主要被科研工作者采用,在生產(chǎn)實踐中則很少用到。
將“3S”技術(shù)與土壤侵蝕模型結(jié)合,能使土壤侵蝕研究工作從傳統(tǒng)的定性分析發(fā)展為定性、定量和定位分析相結(jié)合,從單一要素的分析過渡到多要素、多變量的綜合分析,從小尺度、靜態(tài)分析發(fā)展到多尺度、動態(tài)研究,極大地推動了水土保持事業(yè)的發(fā)展。在紫色土坡耕地上,多采用RTK-GPS、全站儀、三維掃描儀等快速、準確地測量地形,利用GIS優(yōu)越的圖形、屬性數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢,結(jié)合土壤侵蝕模型,實現(xiàn)土壤侵蝕的動態(tài)監(jiān)測和坡耕地地形演變研究。嚴冬春等[32]在三峽庫區(qū)利用人工降雨與微地貌掃描相結(jié)合的方法,調(diào)查了紫色土坡耕地細溝發(fā)生過程的形態(tài)演變特征。LI et al.[26,29]采用全站儀測量坡耕地微地貌變化,并結(jié)合土壤剖面調(diào)查和土壤侵蝕模型,研究了單純耕作侵蝕作用對坡耕地地形變化的影響,及其對不同坡位的土層深度、土壤137Cs含量、土壤養(yǎng)分等的影響機制。然而,該方法在紫色土區(qū)的研究大多集中在小流域甚至更大的研究尺度,在地塊尺度上的研究則較少。
目前國內(nèi)外與“3S”技術(shù)結(jié)合應用最為廣泛的土壤侵蝕模型是USLE 和RUSLE。USLE 和RUSLE模型在我國應用較廣,但是它們是基于統(tǒng)計的經(jīng)驗模型,缺乏充足的實測資料,精度不高,在坡耕地上應用較少,優(yōu)點是適用于研究較大尺度的土壤侵蝕規(guī)律。
(1)水土保持耕作措施。紫色土區(qū)防治坡耕地土壤侵蝕常用的耕作措施包括等高壟作、逆坡耕作、少耕、免耕等。在等高壟作方式下,改變微地形能實現(xiàn)地表徑流侵蝕力再分配,截斷坡面徑流形成股流的路徑,使地表徑流分散,不至于沿坡迅速匯集,減少徑流對坡耕地土壤的沖刷,從而減弱坡面水力侵蝕強度[33]。少耕、免耕等耕作方式則是通過減少人為活動對坡面土壤的擾動,改善土壤結(jié)構(gòu),增加土壤微生物數(shù)量[34],從而起到改善土壤抗蝕性、抗沖性的作用,有利于減弱坡面水力侵蝕強度。采用等高壟作、逆坡耕作、少耕、免耕等不僅可以防止坡面水力侵蝕,而且可以有效防止耕作侵蝕。ZHANG et al.[35]通過物理示蹤劑法證明了順坡耕作比等高壟作直接引起的凈余土壤位移多3倍,比等高耕作的土壤位移多5倍。而相比傳統(tǒng)的順坡耕作,逆坡耕作減少耕作侵蝕的作用更加顯著[18]。此外,水土保持耕作措施雖然投資較小,但是主要適用于緩坡耕地的水土流失防治,在陡坡耕地上其水保作用的發(fā)揮受到較大限制。
(2)水土保持栽培措施。在紫色土坡耕地上,水土保持栽培措施主要有輪作、間作、套種和混播技術(shù)等。采用合理的水土保持栽培技術(shù),不僅可以有效防止坡面水力侵蝕,還可以起到減弱耕作侵蝕強度的作用。在紫色土坡耕地上,輪作、間作、套種和混播技術(shù)往往同時被采用,在輪作過程中伴隨著一段時間的休閑,并采用農(nóng)家肥進行土壤培肥,同時間作或者套種一些豆科或其他矮小經(jīng)濟作物,比如農(nóng)民往往在紫色土坡耕地上進行玉米、小麥輪作,同時在玉米下套種紅薯,在種植小麥期間間作蠶豆、豌豆[36],這樣不僅能增加植被蓋度,防止濺蝕和土壤結(jié)皮,增加土壤入滲能力,減小坡面徑流沖刷力,而且可以減少人為耕作活動對整個坡耕地擾動的強度和頻度,從而達到減弱耕作侵蝕的目的。目前,水土保持栽培措施對防止坡面水力侵蝕的作用已經(jīng)得到了廣大研究人員的關(guān)注,并開展了大量的研究,但對于水土保持栽培措施在減弱耕作侵蝕強度方面的研究相對較少。
(3)復合農(nóng)林技術(shù)。紫色土坡耕地上的農(nóng)林復合技術(shù)主要是植物籬技術(shù)。采用植物籬技術(shù)可以有效減少坡面土壤侵蝕、改良土壤[37]。按照種植在坡耕地上的部位,植物籬可分為等高植物籬和地埂植物籬[38]。坡耕地上種植植物籬后,坡耕地的地表徑流、泥沙在植物籬間坡地的下部大量堆積,耕作導致的侵蝕土壤也在該部位堆積,從而減緩局部坡度,改變坡耕地微地貌。經(jīng)過幾年的耕作, 植物籬之間的耕作帶逐漸形成梯地,能減小水力侵蝕作用[39]。與此同時,種植植物籬之后,長坡耕地被縮短成數(shù)段短坡耕地,從而降低了徑流流速,延長了地表徑流的下滲時間,減緩了坡耕地上的水力侵蝕作用[40]。陳一兵等[41]在坡度為20°~25°的陡坡耕地上選用香根草、紫穗槐進行研究發(fā)現(xiàn),相比于傳統(tǒng)耕作,植物籬能很好地起到保持水土的作用,相比坡改梯等工程措施,從長期來看植物籬的水保效果更佳。蔡強國等[42]通過研究發(fā)現(xiàn),在25°的陡坡耕地上,相比于坡改梯工程,植物籬的攔沙作用與之相當,而經(jīng)濟投入僅為石坎梯田的10%~20%,從而得出了陡坡耕地治理宜采用植物籬措施的結(jié)論。綜上可見,植物籬能有效控制坡耕地的水力侵蝕過程。但是由于耕作侵蝕速率與坡長呈反比關(guān)系,與坡度呈正比關(guān)系[19],植物籬縮短坡長可能短期內(nèi)會導致耕作侵蝕速率增加,植物籬減緩坡度則會導致耕作侵蝕速率降低,因此種植植物籬后耕作活動是加速坡面土壤侵蝕,還是減緩土壤侵蝕,目前尚不清楚。
紫色土坡耕地上的工程措施主要有坡改梯工程及其坡面水系等配套設(shè)施建設(shè)工程。坡改梯是一種非常有效的治理坡耕地水土流失的措施,但在紫色土坡耕地上,由于臨界坡度和臨界坡長對土壤侵蝕過程具有顯著的影響,因此修建梯田的坡度和坡長不同,防止土壤侵蝕的效果就不同,且隨著坡度增加,修建梯田的成本會顯著增加。研究發(fā)現(xiàn),在不同坡度的坡耕地上實施坡改梯之后,水土保持效益隨著坡度的增大而增加,且實施坡改梯措施后的糧食產(chǎn)量也有所增加[43]。達到一定坡度之后,單純的耕作措施的減蝕作用不大,必須依靠坡改梯工程措施[44]。但是,隨著坡長的減小,同一塊坡耕地需要修建更多的田埂,與此同時,隨著坡度的增加,修建梯田所要消耗的成本就會大大增加[28]。
在紫色土區(qū),坡耕地土壤保水、持水能力弱,旱季缺水,而雨季又不能夠充分蓄水,造成坡面水土流失嚴重。為了就地攔蓄坡面徑流,削弱和轉(zhuǎn)化坡面徑流沖刷能量,保護土地資源,且能在旱季給坡耕地供水,作為紫色土坡耕地改梯田工程措施的重要配套措施,坡面水系工程被廣泛采用。要依據(jù)各區(qū)域的地形地貌、降雨量、土地利用等,合理設(shè)計與配置溝、凼、窖、池、塘、坊、壩、渠等工程,以使坡面徑流按水平臺階迂回下山,截短坡面流水線,分段攔截地面徑流,有效防止地表徑流對坡面的嚴重沖刷,控制水土流失,提高坡面中上部土壤含水量,減少水庫、河道、灌溉溝渠等水利工程的泥沙淤積[45]。
綜上可見,坡改梯是一種高投入、高產(chǎn)出的工程措施,綜合考慮產(chǎn)出投入比,目前主要在紫色土區(qū)中等坡度的坡耕地廣泛應用。
目前,對紫色土坡耕地土壤侵蝕過程和防治措施的研究已經(jīng)逐漸從定性走向定量化,尤其是隨著科學技術(shù)的不斷進步,示蹤技術(shù)、“3S”技術(shù)、人工降雨、土壤侵蝕模型在紫色土坡耕地土壤侵蝕定量研究中都得到了很好的應用。與此同時,在紫色土坡耕地上,研究人員逐漸認識到人類活動會間接影響坡耕地水力侵蝕過程,耕作能夠直接造成顯著的坡面土壤遷移,并開始在耕作侵蝕方面開展一定的研究工作,為進一步開展坡耕地人為加速侵蝕作用機制研究奠定了良好的基礎(chǔ)。可以預計,未來關(guān)于紫色土坡耕地土壤侵蝕的研究還需要在以下方面開展大量定量研究。
(1)土壤侵蝕過程研究方面,傳統(tǒng)的水力侵蝕研究忽略了紫色土坡耕地上耕作侵蝕的直接作用,而該區(qū)域內(nèi)較少的耕作侵蝕研究又側(cè)重于揭示單純的耕作侵蝕效應,沒有直接開展耕作侵蝕與水力侵蝕的交互作用研究,因此急需開展耕作侵蝕與水力侵蝕的耦合作用機制研究。
(2)在坡耕地水力侵蝕研究過程中,不僅需要重視對濺蝕、面蝕過程及其環(huán)境效應的研究,而且需要加強對壤中流侵蝕及其環(huán)境效應的研究。
(3)在紫色土坡耕地土壤侵蝕定量研究方法方面,應將各種定量研究方法有機結(jié)合,互相驗證,開展多尺度的定位觀測和控制試驗,并將長期試驗監(jiān)測與“3S”技術(shù)、示蹤技術(shù)相結(jié)合,進行紫色土坡耕地土壤侵蝕空間格局、過程和效應的研究。
(4)在土壤侵蝕防治措施方面,不能再將坡耕地耕作造成的侵蝕單以水蝕來代替,而忽略了耕作侵蝕的存在,所采取的水土保持措施也需要考慮防治耕作侵蝕,因而需要更多的研究人員關(guān)注并參與到耕作侵蝕的研究中,同時也需要引起有關(guān)決策部門的高度重視。
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