湖南省土壤侵蚀研究现状与展望

刘 捷

（湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007）

前 言

与黄土高原相比，亚热带地区土壤侵蚀植被郁闭高，地表的植物根系和枯枝落叶较多，抗蚀能力远大于黄土高原的土壤；但是亚热带地区降雨不仅频率高而且雨量大，年降雨量大于1 000 mm，降雨集中，极易产生大流量的表面径流，从而具有较大的土壤侵蚀潜力。其侵蚀能力常大于地表的抗蚀能力，甚至在植被郁闭度达到100%的地区仍有土壤侵蚀的存在。尽管发生侵蚀时径流中泥沙含量较少，但这是由于其流量大稀释的结果，如长江的泥沙含量低于黄河，但输出的泥沙总量却比黄河多得多。另外该地区的土层一般较薄，土壤流失后，由成土母质再生土壤的速度很慢，极易使母质裸露，产生石漠化现象。同时土壤流失伴随着养分流失过程，亚热带地区土壤一般比较贫瘠，有机质含量为2%左右，尽管是少量的养分流失，但占的土壤肥力的百分数却很大。由于亚热带降雨较多，土壤表层较长的时间内处于饱和状态，从而使土壤养分处于溶解态，不仅地表径流带走一部分养分，而且还由于淋溶作用从土壤渗流中流失部分养分，更不利于养分的积累。这可能是尽管亚热带地区植被覆盖度高，枯枝落叶较多，但土壤中有机质含量较低的原因之一。因此有必要分析亚热带地区土壤侵蚀的特殊性，保证该地区农业、经济和生态的可持续发展。湖南省地处中亚热带地区，以此作为研究区域具有较好的代表性。

土壤侵蚀使河流泥沙含量增加，降低土壤肥力，加剧洪涝灾害；是生态灾害群发的主要诱因之一，利用河流的泥沙含量分析土壤侵蚀的严重程度有一定说服力，但也存在一定的问题，如在河流落差较小的情况下，假设流域产沙量较多，由于河流没有足够大的载沙能力，河流的泥沙输出量就不会很大，从河流的输沙量对该流域进行分析就会得到一些不合理的结论。因此，最好是结合流域的土壤侵蚀情况，利用遥感和GIS技术全面分析产沙和运移过程。要研究流域的土壤侵蚀过程，须从土壤坡面侵蚀入手，分析土壤侵蚀机理及特征，结合前人的研究成果，建立合理的水土流失预报模型。

1 土壤侵蚀机理的研究

亚热带地区的土壤侵蚀以水蚀为主。地区雨水充沛，植被易生长，郁闭度较高，使土壤具有较好的抗蚀能力；雨水充沛也使得该地区具有较大的侵蚀潜力，一旦植被遭到一定程度的破坏，就有可能产生强烈的水土流失，因此，研究湖南省的土壤侵蚀机理应考虑植被的作用。有关研究以紫色土为对象，探讨土壤流失对不同土地利用类型的响应特征。研究表明次降雨侵蚀力和次降雨峰值径流流量，是紫色土区非林地和林地利用为主小流域输沙模数变异的主要影响因子。林草植被有效地降低了降雨侵蚀动能，使土壤流失驱动力转化为侵蚀能力较小的径流冲刷和剥蚀作用，从而显著地降低了流域输沙模数。有的学者对最佳防护效益森林覆盖率进行了定量研究，以研究地域历年一日最大降雨量为基础，来求算能抵抗其侵蚀危害的森林覆盖率，考虑了森林土壤毛管孔隙、土壤饱和蓄水能力、土层厚度、有机质含量、渗透系数及毛管/非毛管比值的量级变化等影响因素，定量研究了在最大的容许侵蚀量下的森林覆盖率，研究成果不仅为合理的植树造林提供了依据，而且也说明了土壤侵蚀不仅与降雨有关，而且与土壤的理化性质密切相联。由于无法获得土壤自然含水量等前期资料，其研究成果无法进一步建立科学的预报模型。在黄土高原地区，初始含水率越高，产流越快，平均入渗率越小，达到稳定入渗率的时间也越短。含水量的变化影响土壤的抗蚀能力，森林土壤中初始含水量的变化规律更是一个值得研究的问题。但在亚热带地区土壤肥力研究较多，而土壤水分的测量和模拟研究较少，在一定程度上会制约其他方面的研究。

土壤侵蚀与成土母质有一定的关系。调查研究表明，土壤侵蚀类型，在很大程度上受母岩所制约，即不同的母岩所发育的红壤，赤红壤，其侵蚀类型有较大差异。如砂页岩发育的红壤、赤红壤，其侵蚀类型多属片状侵蚀，紫色砂页岩发育的红壤、紫色土，其侵蚀类型开始为片状侵蚀，但极易发育成沟状侵蚀;花岗岩发育的红壤、赤红壤，其侵蚀类型除片状侵蚀、沟状侵蚀外，同时还有崩岗侵蚀，是花岗岩发育土壤的重要特征。这些侵蚀类型的不同与岩石的矿物组成、物理特性、化学成分以及其土壤的物理机械性等密切相关，同时也与地貌地形有关。往往丘陵顶部，山脊线上为片状侵蚀，南坡、东南坡等上部为沟状侵蚀，而山坡的下部为切沟和崩岗侵蚀。有学者对湘北红壤坡地水分特征及其水分运移进行了初步研究，得到了湘北红壤坡地土壤持水力强，有效水含量低土壤结构性差，养分贫乏，原始生产力低，易产生降雨土壤侵蚀的结论。也有学者对湖南省衡南县谭子山镇较大坡度范围内的石灰性紫色土丘岗地上进行了水土流失的定位观察实验，定量分析了水土流失与坡度、植被覆盖度及开发利用模式的关系，并根据岩石的风化速度和土地利用方式的生态需求计算了石灰性紫色土的允许侵蚀量。这些研究成果为全面研究湖南省的水土流失情况提供了依据。

土壤侵蚀类型与强度与土壤容重和含水量也有一定的关系。在土壤剖面中初始含水量和容重都是不均匀的，并随降雨历时发生变化，这些变化影响了土壤的入渗速率、土壤表层的径流量或速度以及土壤的抗蚀能力。有学者对变容重问题进行了探讨，测量了变容重条件下水分特征曲线、饱和导水率及溶质运移参数的变化，为进一步研究水分入渗速率、土壤水分分布以及养分的生态利用和流失提供了较好的前提理论。还有很多研究工作者做了不少富有成效的工作，但主要是进行特定地点的野外观测，范围较少，并且没有较好的室内模拟实验进行补充，亚热带地区的土壤侵蚀机理的研究还有待于进一步深入。

2 土壤侵蚀模型的研究

土壤侵蚀模型是有效监测水土流失和评估水保措施效益的手段，侵蚀模型是土壤流失监测和预报的重要工具，一般可以将其分为经验统计模型和物理成因模型。经验统计模型是通过试验观测资料和数理统计技术，选定影响土壤侵蚀的相关因素，得出计算土壤流失量的方程式，如USLE（Universal Soil Loss Equation）。我国科学家结合黄土高原的实际情况也建立了一系列的经验模型，其中以沟间地裸露地基准状态坡面土壤侵蚀模型具有较好的代表性，即将浅沟侵蚀影响以修正系数的方式进行处理，建立了计算沟间地次降雨侵蚀产沙量的方程式，该模型同以往模型相比，有两方面的优点：一是该模型结构符合黄土丘陵区地貌特点，考虑了黄土坡面特有的浅沟侵蚀类型；二是应用地理信息系统软件建立空间水土流失数据库，实现了侵蚀预报模型与GIS相结合。由于模型模拟面积有限，而且主要是针对黄土高原的气候、地形和土壤特征，只对亚热带地区的土壤侵蚀有一定的借鉴作用。

物理成因模型以土壤侵蚀的物理过程为基础，利用水文学、水力学、土壤学、河流泥沙动力学以及其他相关学科的基本原理，根据已知降雨、径流条件来描述土壤侵蚀产沙过程，从而预报在给定时段内的土壤侵蚀量，如WEPP（Water Erosion Prediction Project）、EUROS和 LISEM模型。WEPP是过程模型，从目前的应用来看，比其他侵蚀预报模型有一定的优越性，主要有：

（1）能估算土壤侵蚀的时空分布，即全坡面或坡面任意一点的净土壤流失量随时间的变化。

（2）作为过程模型，它可以应用于较广泛的条件，尽管在黄土高原小流域预报应用中总体误差较大，但当降雨强度较大时应用效果较好。

在湖南区域内红壤是主要的土壤类型。有学者用野外试验观方法，利用小区数年天然降雨观测数据，借助人工降雨试验方法对花岗岩发育红壤的坡地侵蚀情况及水土流失过程进行了初步分析，发现农耕小区与光板小区的产流产沙结果较为接近，产流比牧草小区大数倍至数十倍，侵蚀产沙大到数百倍，表明牧草能增加土壤入渗和土壤抗蚀性，耕作土壤是产生土壤侵蚀的主要原因；采用USLE模型对红壤区不同土地利用类型中坡地水土流失现象进行初步模拟，发现降雨和作物种类是影响水土流失的主要原因。

3 水土保持措施的研究

近年来，水土保持措施的研究取得了较大的成果，水利部利用卫星遥感开展水土流失调查结果显示，湖南省水土流失治理成效比较显著，现有水土流失面积比10年前减少了6700km2，即15%。自然流失面积相对减少，强度有所降低，主要归于两方面的原因：一是人们充分利用了生产实践中长期积累的经验，这种经验容易获得而且行之有效；二是从水土保持的效果分析其原因，使得研究成果具有较好的说服力并极易推广。有学者对红壤坡地11个利用模式10年土壤侵蚀进行观察研究，表明了红壤坡地土地利用模式中林作系统水土保持效果优于农作系统。林作系统中水土保持效果以常绿阔叶林最好，次为混交林，毛竹林和针叶林。农作系统中顺坡植物篱种植、等高梯化种植、顺坡水平沟种植水土保持效果较好。有人针对湖南省耒阳紫色砂页岩地，提出植物措施相结合，工程措施注重因害设防，优先考虑植物措施布设与植被恢复创造有利条件的小型拦蓄工程的水土保持措施，并从生态和经济效益的角度验证了这种措施的科学性。这些措施对于某一特地环境是行之有效的，但推广有一定的难度，其中一个重要原因就是这些研究主要从结果寻找原因，目的不在于从土壤侵蚀机理进行分析，寻找普适性的规律。但这些研究不仅为特定地区提供了水土保持措施，同时也为验证将来的土壤侵蚀模型提供较好的实证。

4 亚热带地区水土保持研究展望

综上所述，尽管不少研究工作者对湖南省土壤侵蚀研究做了工作，但针对目前水土流失的严重现状，应集中水土保持、生态、土壤和环境等专业的广大研究工作者进行更广泛和深入的研究。笔者认为应着重以下四个方面的研究:

（1）利用3S技术和定位观测，对湖南省土壤侵蚀现状进行详细的调查。湖南省土壤土层较薄，近年流失面积和泥沙输出量的减少，一方面由于采取了较好的水土保持措施，另一方面也可能是由于水土流失使原来产生剧烈土壤侵蚀地区已经石漠化，没有再产生水土流失的可能。因此湖南省水土流失现状仅从河流的泥沙含量和流失面积这些指标上是无法真正地弄清其发展趋势，必须进行全面而详细的调查，从河流泥沙含量的研究拓宽到流域的研究，利用“3S”技术、历年的遥感图片和合理的指标体系对土壤侵蚀的历史及侵蚀过程进行划分，在调查时如能将典型流域进行定位观测，将有助于更科学地分析土壤侵蚀的过程。

（2）加强土壤侵蚀动力学的研究。亚热带地区的降雨具有较大的侵蚀潜力，分析其降雨侵蚀特性是一项非常有意义的工作。利用气象、水文和土壤学的有关理论对全年的降雨、入渗和产流的流量变化进行研究将有助于分析最大侵蚀能力。同时亚热带地区一般植被生长较好，因此土壤侵蚀的研究必须考虑植被因子的影响，植被因子主要分为两个部分：一是根系影响土壤水分分布和入渗，从而影响径流的流量及土壤的抗蚀能力；二是茎叶部分减弱了降雨的溅蚀作用并改变了径流的方向和冲刷能力。亚热带地区植物种类繁多，这有待于进行系统和细致的研究。

（3）将土壤肥力和土壤侵蚀结合起来，保证土地利用的可持续发展。按保守估计，全省每年土壤流失量为5 800万t以上，由于降雨较多，土壤表层较长的时间内处于饱和状态，从而使土壤养分处于溶解态，每年仅有机质的流失量就高达58万t（按有机质含量1%，表层土一般高于此值），由于其大流量稀释的结果，尽管径流和河流中泥沙含量不高，而输出的泥沙总量却很大，损失的土壤养分甚至接近植物所利用的量。而湖南省每年的复混肥生产能力才50万t，这说明每年所生产的无法弥补其流失量。因此，在湖南省进行土壤侵蚀研究时保水保肥是其必须解决的问题。

（4）建立可适性较强的土壤侵蚀预报模型。考虑亚热带地区的特点是建立科学的土壤侵蚀模型的首要条件，将流域观测和室内实验结合，从机理上探讨土壤侵蚀产沙和运移过程，参考已有的预报模型，准确测定植被覆盖下土壤侵蚀的有关参数，才有可能建立亚热带地区次降雨侵蚀预报模型，为科学合理地进行水土保持措施提供依据。

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