土壤理化性质对土壤侵蚀影响研究综述

朱乐红 唐科明 李豪

摘要 土壤理化性质是影响土壤侵蚀过程的重要因素，研究土壤理化性质对土壤侵蚀的影响对控制土壤侵蚀、采取合理水土保持措施有着重要意义。本文基于土壤侵蚀预报机理模型以及经验模型，总结现有研究中土壤各种理化性质对模型中核心参数的影响。目前国内外学者对土壤各种理化性质对土壤侵蚀影响的观点各有不同。该方面的研究仍然存在參数标准不统一、研究内容不够系统全面、研究结果分歧等问题。

关键词 土壤侵蚀；细沟可蚀性；临界剪切力；土壤可蚀性；土壤理化性质

中图分类号 S153 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）14-0189-03

Abstract Soil physical and chemical properties are the important affecting factors in soil erosion process.It is of great significance to study the effects of soil physical and chemical properties on soil erosion to control soil erosion，adopt reasonable soil and water conservation measures.Based on soil erosion prediction mechanism model and empirical model，this paper summarized the effects of various physical and chemical properties of soil on core parameters in the model.In present，domestic and foreign scholars had different views on the effects of various physical and chemical properties on soil erosion.There still exist some problems such as the inconsistency of parameter standards，the lack of systematic research contents and the differences of research results in these research.

Key words soil erosion；rill erodibility；critical shear stress；soil erodibility；soil physical and chemical property

自然状态下，土壤及其母质会在风力、水力、冻融等外营力条件下逐渐被破坏剥蚀，该过程即为土壤侵蚀[1]。根据作用于土壤的外营力不同，可将土壤侵蚀分为风力侵蚀、水力侵蚀、冻融侵蚀、泥石流侵蚀、山洪侵蚀及土壤塌陷等。大量研究发现，土壤侵蚀受到土壤理化性质、地形（坡度、坡长、坡形）、地质、气候（降雨）、植被、人类活动等因素的影响。土壤理化性质主要有土壤容重、土壤含水量、土壤机械组成、土壤有机质含量、水稳性团聚体含量、土壤黏结力、阳离子交换量、pH值、总孔隙度等。大量研究表明，土壤侵蚀受到土壤理化性质的显著影响。

近年来，国内学者认为在土壤质地相同的情况下，土壤容重反映土壤的松紧程度，其变化影响土壤孔隙变化[2]，土壤容重的增加将使土壤孔隙度减少，引起下渗的水量减少，地表径流量将增加，这也将增大对土壤的冲刷，加大径流对土壤的分离搬运能力。何腾兵[3]通过分析贵州地区不同类型土壤的理化性质得出，土壤容重小则土壤疏松，有利于拦渗蓄水、减缓径流冲刷，容重大则相反，因此各土类的裸坡地较林、草、耕地侵蚀更为严重，即土壤容重越大则土壤侵蚀程度越严重。徐 燕等[4]在研究贵州喀斯特山区土壤物理性质对土壤侵蚀的影响时，得出土壤容重越大，总孔隙度越小，土壤侵蚀越严重，程圣东等[5]的研究结论与之类似。李裕元[6]、何淑勤等[7]的研究结果也表明，土壤侵蚀与土壤容重的关系密切。

有研究认为，土壤前期含水量通过影响土壤入渗，进而影响地表产流过程，改变坡面流水动力条件。土壤团聚体的稳定性和土壤颗粒间黏结力以及土壤抗剪强度都会随土壤含水量的不同而变化，从而对土壤侵蚀产生影响[8-11]。金 鑫等[12]认为若土壤初始含水量较低，导致颗粒间黏结力小，则在雨滴冲刷作用下，土壤容易发生分离。但杨永红等[13]的研究得出相反结论，在含水量越大的情况下，非饱和土的黏结力越小。张玉斌等[11]认为前期土壤含水量会对土壤入渗过程和径流过程产生影响，前期近地表土壤含水量越大，坡面初始产流时间越早，地表径流量增大，侵蚀产沙量增大。细沟侵蚀的程度随前期土壤含水量的增加而严重，且前期土壤含水量越大，土壤从片蚀发展为细沟侵蚀越快。

刘 京等[14]研究表明，土壤有机质和团聚体间存在密切的联系；土壤有机质在团聚体形成过程中发挥了重要作用，有机质可作为团聚体形成的胶结剂。有机质含量增加，则土壤团聚体含量也增加，土壤的水稳性、通透性增强，土壤结构得到优化。因此，随着土壤有机质增加，土壤结构得到改善，水土流失将进一步减少[15]。高维森等[16]在对黄土丘陵区柠条林地土壤抗蚀性规律进行研究时发现，随着林龄增大，土壤中有机质含量越多，则土壤抗蚀性越强。张孝存等[17]对黑土区松花江流域东山沟小流域坡耕地耕层土壤有机质、全氮和碱解氮含量及土壤侵蚀速率进行了分析研究，发现土壤侵蚀分布与土壤有机质及氮素含量空间分布之间存在对应关系，且土壤侵蚀速率随着土壤有机质、全氮含量、碱解氮含量的增加而下降。

综上可知，学者们在不同试验方法，不同试验条件下所得的研究结果均表明，土壤理化性质对土壤侵蚀的影响显著。因此，研究区域内土壤理化性质对土壤侵蚀的影响，能够针对不同地域采取有效的预防保护措施来减弱土壤侵蚀带来的不利影响，改善土壤质量，提高区域水土保持能力。

本文基于土壤侵蚀预报机理模型以及经验模型，通过模型中相应描述土壤侵蚀的核心参数（土壤细沟可蚀性、土壤临界剪切力、土壤可蚀性K值）为衡量标准，分别归纳出了现有研究中土壤各种理化性质对土壤侵蚀的影响，为进一步分析探讨土壤理化性质对土壤侵蚀的影响提供参照。

1 描述土壤侵蚀的参数

20世纪80年代，Nearing等建立了土壤分离能力与水流剪切力的函数关系，构建了美国水蚀预报模型WEPP（water erosion prediction project）模型，提出了细沟可蚀性（Kr）和临界剪切力（τc）的概念。土壤细沟可蚀性和土壤临界剪切力是WEPP模型中的重要参数，土壤细沟可蚀性可以反映土壤抗蚀能力[18-20]，土壤抵抗径流冲刷的阻力参数则用土壤临界剪切力来表征[21]，两者均受到土壤理化性质的影响。

土壤可蚀性K值是指标准小区上单位降雨侵蚀力引起的土壤流失量，是美国通用土壤流失方程（USLE）中描述土壤抗侵蚀能力的参数。一些学者也以土壤可蚀性K值为衡量标准，来研究土壤理化性质对土壤侵蚀的影响。

除上述细沟可蚀性、临界剪切力、可蚀性K值等参数外，还有土壤抗蚀性、抗冲性、侵蚀率等一系列描述土壤侵蚀的参数[22]。土壤分散系数也是表征土壤抗蚀性能的重要参数。就同一土壤类型而言，通常分散系数愈大，土壤的抗蚀能力愈弱[3]。

2 土壤理化性质对土壤侵蚀的影响

2.1 土壤理化性质对WEPP模型中2个核心参数的影响

从20世纪起，不少学者就开始对WEPP模型中土壤细沟可蚀性和土壤临界剪切力这2个参数进行分析，研究土壤理化性质对其的影响。

20世纪90年代，Ghebreiyessus[23]研究指出，细沟可蚀性与土壤容重成负相关关系。Van Klaveren等[24]指出，土壤前期含水量与细沟可蚀性成正相关关系。Gilley[25]在对初始产流的临界剪切力和临界流动速率进行研究时发现，细沟可蚀性与土壤含水量显著相关。21世纪初，Nachtergaele[26]则得出了与之相反的结论，指出土壤前期含水量与细沟可蚀性成负相关关系。土壤团聚体作为土壤的重要组成部分对细沟可蚀性也有显著影响[27]。郁耀闯等[28]的研究结果表明，土壤细沟可蚀性与水稳性团聚体、土壤黏结力、根重密度之间成显著负相关关系。Ciampalin等[29-32]均认为，土壤分离能力将会随着土壤有机质含量、土壤黏结力以及水稳性团粒含量的增大而降低。Zhang等[33]利用WEPP模型分析獲得了农田、草地、灌木、荒地、林地5种土地利用方式下的细沟可蚀性和临界剪切力数值，由于土壤理化性质存在明显差异，不同的土地利用方式也将显著影响细沟可蚀性和临界剪切力。Norris[34]也得出土壤表层黏结力对各类土地利用土壤分离能力的季节变化具有重要影响。

国外学者对土壤机械组成与细沟可蚀性间的关系做了大量研究，Gilley[25]、Alberts[35]等研究表明，土壤中粉粒含量、极细砂含量与细沟可蚀性之间有着紧密关系。但就已有研究来看，关于土壤机械组成对细沟可蚀性影响的研究结果分歧较为明显，Alberts[35]、Allen[36]等学者认为，细沟可蚀性与土壤粘粒含量成负相关关系，而Sheridan等[37]的研究则指出，砂粒含量与细沟可蚀性的关系更加密切。此外，部分学者将土壤理化性质与细沟可蚀性的关系用方程式进行了描述（表1）。

众多研究结果表明，土壤容重、土壤前期含水量、土壤有机质含量、土壤机械组成等对土壤临界剪切力有较为明显的影响[6，23，27]。Ghebreiyessus[23]指出土壤临界剪切力τc与土壤容重成正相关关系。Nachtergaele等[26]研究表明，土壤临界剪切力与土壤前期含水量成正相关关系。Gilley等[25]的相关研究则指出，土壤临界剪切力与土壤有机质含量成正相关，而与土壤砂粒含量、黏粒含量、极细沙含量、总孔隙度成负相关关系。Alberts[35]、Auzet[38]等的研究也得出相似结论，土壤临界剪切力与土壤砂粒含量、黏粒含量、极细沙含量、总孔隙度成负相关关系。此外，部分学者将土壤理化性质与临界剪切力的关系用方程式进行了描述（表2）。

2.2 土壤理化性质对经验模型中参数土壤可蚀性K值的影响

式中，SAN为砂粒含量，SIL为粉粒含量，CLA为黏粒含量，C为有机碳百分含量，SN1=1-SAN/100[39]。由以上K值估算公式可知，土壤砂粒含量、粉粒含量等显著影响土壤可蚀性。黄晓强等[40]在研究延庆县山区不同利用方式下土壤类型时，也发现土壤砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量等与土壤可蚀性相关性较好。区晓琳等[41]的研究表明，砂粒质量分数、黏粒质量分数和有机质质量分数这3个指标可以用来表征崩岗土壤可蚀性强弱。土壤机械组成是影响土壤可蚀性K值的重要因素，随砂粒质量分数增大，土壤可蚀性K值不断增加；随黏粒质量分数增大，土壤可蚀性K值不断减少。仲亚婷等[42]在对相同降雨条件下，对不同类型土壤坡面侵蚀进行比较，结果表明，土壤可蚀性差异主要受土壤机械组成和土壤有机质含量的影响，土壤可蚀性K值随土壤黏粒含量的增多而减小。但张永勤等[43-44]在分析土壤颗粒组成与土壤可蚀性K值的关系时则指出，可蚀性K值与砂粒含量成显著负相关关系，与黏粒含量及粉粒含量均成显著正相关关系。

土壤可蚀性与土壤团聚体的水稳定性也密切相关[45-46]。何腾兵[3]、郭培才等[47]研究也指出，土壤水稳定性团聚体的数量和质量对土壤可蚀性有重要影响，土壤团聚体稳定度可以用来评价坡地土壤的抗蚀性能，土壤团聚体结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强。国内外许多学者对土壤可蚀性与土壤团聚体水稳定性之间的关系进行了相关研究，所得结论大致相似。卢金伟[27]、闫峰陵等[48]研究指出，土壤抗蚀性可由 >0.25 mm土壤水稳性团聚体含量来模拟。土壤水稳定性团聚体的含量与土壤可蚀性成显著负相关关系[27]。Norris等[34]研究表明，土壤黏结力增加，土壤可蚀性降低。区晓琳等[41]还指出土壤可蚀性与pH值成极显著正相关，而土壤容重及含水量对土壤可蚀性K值无明显直接影响。

3 存在的問题及展望

综上可知，许多国内外学者研究了土壤理化性质对土壤侵蚀的影响，但研究仍存在以下2个问题。一是研究标准不统一，部分学者基于WEPP这一机理模型进行研究，而部分学者则基于USLE这一经验模型进行探讨，致使描述表征土壤侵蚀的名词参数有很多，如细沟可蚀性、临界剪切力、土壤可蚀性、土壤抗蚀性、土壤分离能力等。许多学者在进行研究时，并没有统一相关参数标准。此外，不同学者研究同一因素对土壤侵蚀的影响所得结果尚存在分歧，如土壤机械组成对土壤侵蚀的影响就存在较大争议，不同学者在不同地区所得出的结论并不一致，对此仍然需要深入探讨。二是多数学者只研究一种或几种土壤理化性质对土壤侵蚀的影响，尚没有系统的关于土壤各个理化性质对土壤侵蚀影响的相关研究。因此，在今后的科研工作中应往参数标准统一化以及研究因素全面系统的方向发展。基于统一标准，建立土壤理化性质与侵蚀参数之间的定量关系，这对验证各种土壤侵蚀预报模型的准确性以及分析土壤侵蚀时空分布与土壤内在性质的关联具有重要意义。

土壤侵蚀会导致土地退化、水体污染、淤积抬高河床、加剧洪涝灾害、淤塞水库湖泊、影响开发利用等多重灾害。保护土地资源，防治水土流失，已成为备受关注的重大环境问题。土壤理化性质作为土壤自身特性对土壤侵蚀过程有着显著影响，因此研究土壤理化性质对土壤侵蚀的影响，对区域水土保持以及进行土壤侵蚀预报等工作具有显著作用。在具体的实践过程中，以土壤自身理化性质为切入点，通过改进施肥、耕作等措施，协调土壤中物理化学元素含量及相对比例，降低土壤侵蚀量，有效缓解土壤侵蚀所引起的泥沙淤积、水体污染等问题，为因地制宜进行水土保持工作提供便利。

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