土壤侵蚀研究进展

刘争光

(四川蜀水生态环境建设有限责任公司，四川 成都 610021)

在无人为干扰的情况下，土壤及其母质在水力、风力、冻融等外部作用力下被逐渐破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程即为土壤侵蚀[1]。唐克丽等[2]以外部环境对土壤的作用力为依据，将土壤侵蚀分为风力侵蚀、水力侵蚀、冻融侵蚀等，土壤侵蚀可以导致土壤退化，对土地资源造成了不可逆的破坏。程圣东等[3]通过对云南省金沙江河谷实验表明，土壤理化性质是影响土壤侵蚀和土壤抗蚀性能的重要内在因素。而在土壤侵蚀过程中，土壤水动力学特征是最直观表现[4]。因此，研究土壤理化性质以及土壤侵蚀水动力学特征，对于预防和治理不同地区不同类型不同程度土壤侵蚀具有重要意义。本文通过分析不同学者的研究进展，归纳总结不同地域的土壤侵蚀研究结论，为进一步探讨如何减弱土壤侵蚀，保护土壤资源提供理论依据。

1 土壤物理性质对土壤侵蚀的影响

朱乐红等[5]研究结果表明，土壤侵蚀受到土壤理化性质的显著影响。其中，关于土壤物理性质的研究主要包括土壤容重、土壤含水量及土壤团聚体结构等。

1.1 土壤容重对土壤侵蚀的影响

土壤容重反映了土壤的松紧程度，直接影响到土壤的通气性和透水性，进而影响土壤侵蚀[5]。刘希林等[6]在对广东五华县莲塘岗研究中得出，砂土容重较大，黏土容重较小。李建兴等[7]通过对普洱市弃渣场研究实验得出，土壤容重越大，弃渣场坡面流能力越强，坡面产流时刻越早，径流系数越大，导致土壤流失量越大。徐燕等[8]在贵州省紫云县通过对不同土地利用类型对比得出，土壤容重越大，土壤侵蚀越严重；其结果还表明，不同土地利用类型土壤容重有很大差异，其排列顺序为裸坡地>坡耕地>草地>台耕地>林地。根据分析，得到这些结果主要与土壤有机质含量、粘粒含量、结构状况和孔隙状况等有关。而且李建兴等[7]、徐燕等[8]的结果表明，同一地区其研究结果具有相似性。胡婵娟等[9]在对延安市羊圈沟流域的研究中用137Cs的含量来表征土壤侵蚀程度，137Cs的含量越低表明土壤侵蚀越严重，研究结果表明，土壤容重随着137Cs的升高而升高，即土壤容重增大，土壤侵蚀减小。

不同研究者针对不同地区土壤容重与土壤侵蚀之间关系的研究结论表明，不同地区不同土质不同降雨量土壤容重对土壤侵蚀的存在较大影响，一定条件下适当的土壤容重有利于减弱土壤侵蚀强度。

1.2 土壤含水量对土壤侵蚀的影响

土壤含水量能够反映土壤接纳降雨量和减少地表径流量的多少，并对土壤侵蚀有显著影响，所以研究土壤含水量对提高土壤的抗蚀和抗旱能力具有一定意义。安晓奇等[10]通过室内模拟弃渣含水量侵蚀影响实验得出在不同降雨强度情况下，土壤侵蚀与土壤含水量有显著相关性。杨永红等[11]对昆明市蒋家沟土样室内研究中发现，当土壤含水量增大时，土粒间连结强度会降低，致使土粒之间的摩擦强度降低，土壤侵蚀程度随之增大。张向炎等[12]、文雅琴等[13]通过现场监测得出数据，前期土壤含水量越高，土壤侵蚀速度越快，达到稳定径流和入渗的时间越短，对土壤的侵蚀强度越大。不同学者通过前期土壤含水量对土壤侵蚀程度进行模拟与监测，都能够得出两者的相关性，这可以对以后进一步研究土壤侵蚀提供科学依据。

1.3 土壤团聚体对土壤侵蚀的影响

团聚体是土壤中重要的组成部分，是土粒经过凝聚胶结作用形成的直径<10mm的良好结构体。根据已有研究[14,15]，土壤团聚体作为土壤抵御侵蚀外力最基本的单元，是影响土壤可蚀性的一个重要指标，对土壤侵蚀产生重要影响。王文鑫等[16]在黄土高原沟壑区研究结论表明，沟头土壤侵蚀程度的减小与水稳性团聚体含量的增加、团聚体稳定性的提高密切相关。吕刚等[17]对彰武县土石质山研究得出，该地区土壤大多数为<0.25mm的土壤颗粒，而这样的颗粒极易堵塞土壤孔隙，造成水分难以下渗，从而增加土壤抗蚀性。曾全超等[18]通过Le Bissonais方法得出，黄土高原地区阴坡、阴沟坡和阳沟坡土壤团聚体稳定性比阳坡稳定性强，土壤抗侵蚀能力较强。张钦等[19]、任娇娇等[20]通过其它实验数据也得出相似结论。以上研究都表明，在某些地区随着土壤团聚体含量增加，稳定性增强都能在一定程度减少土壤侵蚀程度。

2 土壤化学性质对土壤侵蚀的影响

在水土流失过程中，土壤是被破坏的对象，所以土壤的化学性质对水土流失的发展有着重要的影响。在一定的地形和降雨条件下，地表径流的大小以及水土流失程度和强度则取决于土壤化学性质。土壤中的pH、有机质和速效养分是土壤中重要组成元素，三者含量的高低也是反应土壤养分的重要指标。

2.1 pH对土壤侵蚀的影响

土壤pH值用来表示土壤酸碱性的强弱，作为反映土壤养分状况的重要指标之一，与土壤侵蚀之间有密切关系。土壤中的氮磷钾等主要营养元素在一定酸碱范围内有较好的吸收和利用，酸碱度改变后则降低土壤养分利用。刘丹等[21]通过137Cs示踪技术分析表明，137Cs含量与土壤pH呈负相关，即pH越低土壤侵蚀程度越低。区晓琳等[22]、刘乃君等[23]通过对不同地区土壤理化性质分析调查得出，土壤可蚀性与pH值成极显著正相关，在酸性土壤中，土壤的pH值越高，土壤抗侵蚀能力越强。而张诗琦[24]在对辽西地区调查时却得出相反结论，研究表明，在表层土中没有受到人为干扰，枯枝落叶层在微生物分解下产生大量的腐殖质，促进了土壤的胶结作用，使得土壤pH值最低，抗侵蚀性强。出现这一结论可能与研究时土壤表层覆盖物质不同有关。

2.2 有机质对土壤侵蚀的影响

有机质是衡量土壤肥力高低的重要指标，土壤有机质直接影响着土壤的耐肥性、抗旱性、耕性、通气状况和土壤温度等，是研究土壤侵蚀过程中一项重要的化学参数。李莹等[25]在对作物间土壤有机质侵蚀进行研究得出，土壤有机质含量随降雨量的增加而增加，随侵蚀土壤的粒径和植物覆盖率的增加而减少。王战台等[26]对大姚县5个不同采样地区的研究得出，园地、林地和灌丛有机质含量较高，耕地和草地的含量较低，并且都是随着土层深度增加，有机质含量逐渐降低并且耕地和草地最容易受土壤侵蚀，导致土壤肥力下降。王文正等[27]通过实地调查得出，土壤有机质含量高，水稳性指数越大，土壤结构愈加稳定，抗蚀性能越强。仲亚婷等[28]通过室内模拟得出，不同土壤类型的坡面侵蚀特征不同，有机质含量越高的土壤，胶结程度愈高，能改善土壤的持水量和入渗量，同时抗侵蚀能力愈强。学者对土壤有机质与土壤侵蚀之间相互产生的影响都做了不同的调查分析，这对不同地区土壤抗蚀性提供了参考。

2.3 养分对土壤侵蚀的影响

土壤中的速效养分是能被植物生长利用的成分，也是土壤最重要的组成部分，速效养分含量受水土保持措施影响较大，速效养分的多少直接影响土质以及土壤抗侵蚀能力。谢贤健等[29]采用静水崩解法对内江市丘陵区测验得出，土壤有机质分解后可以提高土壤中速效养分的含量，而速效养分对土壤结构起直接影响作用，能有效提高土壤抗蚀性。李渊等[30]通过对贵州喀斯特地区研究表明，该地区磷在土壤中以稳定的磷酸钙化合物存在而不易迁移，导致出现表聚现象，增加了土壤抗蚀性。研究者[31]通过对水土保持中氮磷研究得出，氮磷元素流失量与降雨量和径流量呈正相关，并且碱解氮含量与粘粒含量均呈极显著负相关；速效钾含量与砂粒含量、粉粒含量呈极显著正相关，而与粘粒含量呈极显著负相关；速效磷含量与土壤颗粒组成之间无显著相关性。张晓燕等[32]也通过对雨前后的氮磷测定，得出侵蚀泥沙对氮、磷等营养盐具有富集作用。

3 土壤侵蚀过程中水动力学特征

土壤分离是土壤侵蚀的主要表现形式，而水动力学特征是土壤侵蚀过程的直观反映。在土壤侵蚀研究方面，早期对坡面流水动力学特性的研究多采用野外观测的方法，之后的研究基于侵蚀的物理发生过程建立侵蚀预报模型[33]。通过分析土壤侵蚀过程中土壤径流流速、雷诺数等系数，研究不同地区土壤水流水力学特性及其规律，揭示土壤侵蚀过程动力学机理。研究成果不仅可以深化对土壤侵蚀过程的认识，促进土壤侵蚀理论的进一步发展，也可为水土流失治理及生态建设提供重要科学依据。

3.1 土壤径流流速的变化

在土壤侵蚀中，坡面径流为主导因素。而土壤分离为侵蚀重要表现形式，侵蚀程度取决于径流水动力学特征。研究土壤水动力学特征，主要为研究坡面侵蚀过程，但现阶段关于坡面侵蚀过程规律的研究报道较少，特别是土壤坡面降雨—径流侵蚀水动力学过程机制尚不明确。流速是坡面径流最重要的水动力学要素之一，是坡面径流侵蚀的直接动力，主要受降雨强度、坡度和地表特征等因素影响[34]。有研究表明，不同流量或不同坡度下，细沟水流输沙能力随流速的增大而增加。杨大明等[35]在不同坡度下试验表明，细沟水流流速随放水流量的增大而增大，流量和坡度都会影响水流流速。朱慧鑫等[34]研究得出当放水流量一定时，植被密度与坡面流流态有影响，植被增加可有效减小水流紊动性。蒋芳市[36]采用室内放水冲刷试验，在小坡度和小流量条件下，当流量或者坡度增大时，侵蚀率随砾石含量的增加呈先减小后增大的规律。从不同科学家的研究可知，土壤侵蚀速度随流速的增加而增强。郭忠录等[37]实验表明，水流功率相对于径流剪切力与坡面产流速率有更好的相关性。原因可能是水流功率是水流剪切力和流速的函数，是2个参数共同作用的结果。

3.2 雷诺系数的变化

雷诺数是衡量水流紊动程度的指标，在数值上等于水流惯性力与粘滞力之比。一般而言，在流量恒定的条件下，雷诺数越大，坡面流的紊动性越大，径流侵蚀能力和泥沙输移能力的增大，将会导致坡面侵蚀量的增加[38]。肖丛宇等[39]通过野外径流小区放水得出，坡面流雷诺数随流量增加而不断变大。林庆明[40]等通过模拟降雨研究得出，雨强一致下，弗洛德数有随坡度增大而增加的趋势。潘成忠等[41]在试验条件下也得到了类似的结论。这是因为坡度增大，流速相应增大，造成径流深减小，导致弗洛德数增加。

4 土壤理化性质对土壤侵蚀阻力的影响

土壤侵蚀阻力是指土壤抵抗水的分散和悬浮的能力，即土壤对侵蚀营力分离和搬运作用的抵抗能力，其强弱与土壤的理化性质密切相关，是评定土壤抵抗侵蚀力重要参数之一。径流冲刷引起的土壤分离过程主要通过土壤侵蚀阻力来定量表征[42]，受土壤理化性质显著影响[43]。目前，国内关于土壤抗蚀性的研究主要集中在黄土高原区、南方红壤丘陵区及川中丘陵区。相关分析显示，土壤侵蚀阻力与土壤容重、有机质、水稳性团聚体显著相关[44]。

4.1 土壤物理性质对土壤侵蚀阻力的影响

土壤有机质为土壤团粒结构的形成提供胶结源，促进土壤团粒结构的形成，增强土壤的透水性、通气性，提高土壤抗蚀性等。土壤颗粒土是构成土壤结构体的主要成分，不仅影响土壤养分循环，还可以用来解释土壤抗侵蚀的程度[45]。肖盛杨等[46]对喀斯特高原峡谷样地测试得出，土壤团聚状况和分散率可以表征土壤抗蚀性。姜爱国等[47]也通过研究紫金山植被得出结论，随着土壤水稳性团聚体含量的增加，土壤结构会更加稳定。吕刚等[17]通过调查荆条植被覆盖度得出，随着荆条株密度的增加，大粒径团聚体的稳定性更好，降雨难以将其分散呈成小粒径颗粒，从而难以形成径流，减小了雨水对土壤的蚀刷。闫思宇等[48]也通过对山地林分变化采用机械筛分法得出，土壤抗蚀性受水稳性团聚体含量的直接影响。余新晓等[49]得出，土壤容重和>0.25mm的土壤水稳性团聚体含量是决定土壤抗蚀性大小的主导因素。李晓阳等[50]通过果园生草覆盖使土壤密度、紧实度降低，土壤总孔隙度、水稳性团聚体含量增加，显著提高了土壤的抗蚀性。

4.2 土壤化学性质对土壤侵蚀阻力的影响

王文正等[27]认为土壤有机质含量、团聚体含量状况是评价雅江中上游流域土壤抗蚀性强弱的最佳指标；不同河谷地区的土壤抗蚀性强弱差异显著；有机质与水稳性指数和水稳性团聚体均呈不显著正相关关系，与容重和结构破坏率均呈不显著负相关，而容重与结构破坏率呈显著正相关。张东旭等[51]认为，土壤中黏粒含量、有机质含量和全氮含量愈高，土壤的抗侵蚀能力愈强。任改等[52]经多元回归得出，土壤化学性质与抗蚀指数存在一定的线性关系，土壤抗蚀指数主要受有机质、速效P含量的影响。

5 存在的问题及展望

通过总结研究，各学者都从不同方向研究了土壤理化性质对土壤侵蚀的影响以及不同地区坡面土壤水动力学特征，但研究仍存在以下问题。研究方法不一样，导致对同一性质得出不同的结论；部分学者只研究了部分理化性质对土壤侵蚀及抗蚀性的影响，没有全面得出土壤性质对土壤侵蚀及抗侵蚀影响的研究。因此，在今后的科研工作中应结合现代精密仪器与设备积极开展全面系统地研究，建立土壤理化性质与土壤侵蚀之间的定量关系，能够在相关理论研究方向有所突破，对以后的土壤侵蚀模拟理论的准确性具有重要参考价值。