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探讨土壤侵蚀的影响因子及侵蚀机理

引言

土壤侵蚀导致的严重水土流失已成为农业经济发展的主要障碍及生态环境建设面临的主要问题。土壤侵蚀使土地资源退化，严重损害农田生产率，目前我国已成为世界上遭受水土流失损失最严重的国家之一，治理水土流失也迫在眉睫。国家已将水土保持作为长期坚持的一项基本国策和生态建设的基础工程[1]。土壤侵蚀机理研究是气象学与水土保持学的交叉学科，是大气物理学的边缘学科，也是土壤侵蚀力学的重要组成部分[2]，涉及专业领域面广且复杂，实践证明有效整治水土流失问题能够降低径流平均含沙量、输沙率，改变径流输沙动态过程等，故有必要进一步分析和理解土壤侵蚀控制机理。

1、研究背景及现状

土壤侵蚀是土壤受水力、风力、冻融、重力等外力的作用，在各种自然因素和人为因素的影响下，发生的各种破坏、分离、搬运和沉积的现象[3]，是降雨产生的表面流对土壤表层的剥蚀和输运过程，是一个水流与土壤颗粒相互作用的动力学过程[1]。期间土颗粒的分解主要由雨滴溅击和径流冲刷作用造成，前者受雨滴动能和表层土特性影响[2]。自然界中土壤侵蚀主要方式有：溅击侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、深沟侵蚀[3，4，5]。土壤侵蚀会导致土壤资源严重破坏、生态环境恶化、农田水利设施毁坏及农田河道污染物扩散等后果。据调查，我国在黄河中上游黄土高原、长江中上游丘陵和东北平原地区由于土壤侵蚀造成的水土流失问题严重，亟待治理和修复。

2、土壤侵蚀主要影响因素

土壤侵蚀主要受降雨条件、土壤特性、地形条件和地表植被、空间尺度等因素影响。这些影响因素归纳为表层土状况（土地利用情况、植被覆盖率、土壤保水性等）以及土颗粒特性（土壤前期含水量、压实程度等）[3，4]两方面。

2.1降雨

降雨被认为是最主要的驱动力，降雨物理特征研究是土壤侵蚀规律不可或缺的部分。其影响主要表现为：：溅击打散和径流冲刷作用[5]。关于降雨特性对土壤侵蚀的影响性研究始于十八世纪后期，目前降雨特性相关性研究逐渐步入量化研究阶段[2，5]。

降雨一方面通过雨滴击溅作用使地表产生剥蚀，使地表土壤颗粒分散、迁移，并且为径流侵蚀提供了源源不断的补给[6，7，8]，另一方面形成径流对地表产生冲刷，同时堵塞土壤孔隙，抑制了雨水的入渗，雨强增大则土壤侵蚀显著加剧[3]。目前，常用降雨、雨强和径流量三个主要降雨因子来描述土壤侵蚀程度。有学者将侵蚀归结为降雨与下垫面等因子综合作用的结果，并将降雨因子定义为“激励”变量，下垫面因子视为“状态”变量而展开研究。一般说来，雨滴质量越大，降雨总量越大，对土壤侵蚀的影响越大，土壤侵蚀量越大[9]。降雨强度不同，地表微地貌特征的不同会引起产流产沙路径不同，从而影响土壤侵蚀过程[5]。近年来，不少学者针对降雨形态探讨其对土壤侵蚀过程的影响[6，9]，尚无较为统一的定论。

2.2空间尺度

土壤侵蚀通常还受约于其发生的空间尺度（坡度、坡长等），主要通过控制水文参数、侵蚀特征数据等影响土壤侵蚀过程，且考虑空间尺度有利于改善试验精度和模拟效果。

坡度：山体坡度变化影响坡面的受雨面积及受雨量，从而影响坡面径流深度及冲刷力[1]。不少研究指出泥沙侵蚀量随坡度增加而增大[9]。还有一些学者发现坡面侵蚀产沙存在一个临界坡度[8]，其与径流深、泥沙粒径以及植被等因素存在一定函数关系。大量数据显示，坡度变化与土壤侵蚀量还可能存在幂函数、线性、多项式[8]等关系。

坡长：坡长由于影响汇流过程及径流量，进而影响土壤侵蚀过程。有研究指出沿坡长的侵蚀特点呈规律交替变化[10]（如线性、幂函数、指数等）。迄今，国内外学者针对这方面尚未达成统一共识，表现为坡面侵蚀力是随着坡长的增加而增加[2]，及侵蚀量随着坡长减少而减小两对立结论[7]，故今后有必要进行更全面更系统的试验与论证分析。

此外，土壤侵蚀过程还受如生物有机质、植被与土地利用情况、土壤粒径分布、表层土糙率、岩屑和废弃物含量等[9]因素的影响。

3、土壤侵蚀研究手段

国内外研究土壤侵蚀的途径主要有野外径流小区法和室内人工模拟降雨法两种[3]，。前者直观而准确，但对设备、技术的要求较高，近年来被不断改进。例如稀土示踪技术近年来得到广泛应用于土壤侵蚀的机理研究，同时计算机模拟愈来愈受青睐，模拟结果丰富可靠。

土壤侵蚀模型主要有经验模型和数值模型两大类。前者通常基于实测数据采用回归技术等数学方法建模，结构简单，不能较客观的模拟出土壤侵蚀过程（如USLE模型等）。后者基于水力学角度，能够在缺乏实测数据的情况下进行侵蚀模拟，如AGNPS，ANSWERS，EUROSEM，SWAT、WEPP、SHE（MIKE）[10]等。结合分布式水文模型、遥感技术及地球信息系统等可以有效地预估流域侵蚀发生的重点区域。

4、研究趋势展望

侵蚀研究将逐渐从以侵蚀因子为基础的侵蚀预报向侵蚀过程的量化研