土壤理化性質對土壤侵蝕影響研究綜述

朱樂紅 唐科明 李豪

摘要 土壤理化性質是影響土壤侵蝕過程的重要因素，研究土壤理化性質對土壤侵蝕的影響對控制土壤侵蝕、采取合理水土保持措施有著重要意義。本文基于土壤侵蝕預報機理模型以及經驗模型，總結現有研究中土壤各種理化性質對模型中核心參數的影響。目前國內外學者對土壤各種理化性質對土壤侵蝕影響的觀點各有不同。該方面的研究仍然存在參數標準不統一、研究內容不夠系統全面、研究結果分歧等問題。

關鍵詞 土壤侵蝕；細溝可蝕性；臨界剪切力；土壤可蝕性；土壤理化性質

中圖分類號 S153 文獻標識碼 A 文章編號 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

自然狀態下，土壤及其母質會在風力、水力、凍融等外營力條件下逐漸被破壞剝蝕，該過程即為土壤侵蝕[1]。根據作用于土壤的外營力不同，可將土壤侵蝕分為風力侵蝕、水力侵蝕、凍融侵蝕、泥石流侵蝕、山洪侵蝕及土壤塌陷等。大量研究發現，土壤侵蝕受到土壤理化性質、地形（坡度、坡長、坡形）、地質、氣候（降雨）、植被、人類活動等因素的影響。土壤理化性質主要有土壤容重、土壤含水量、土壤機械組成、土壤有機質含量、水穩性團聚體含量、土壤黏結力、陽離子交換量、pH值、總孔隙度等。大量研究表明，土壤侵蝕受到土壤理化性質的顯著影響。

近年來，國內學者認為在土壤質地相同的情況下，土壤容重反映土壤的松緊程度，其變化影響土壤孔隙變化[2]，土壤容重的增加將使土壤孔隙度減少，引起下滲的水量減少，地表徑流量將增加，這也將增大對土壤的沖刷，加大徑流對土壤的分離搬運能力。何騰兵[3]通過分析貴州地區不同類型土壤的理化性質得出，土壤容重小則土壤疏松，有利于攔滲蓄水、減緩徑流沖刷，容重大則相反，因此各土類的裸坡地較林、草、耕地侵蝕更為嚴重，即土壤容重越大則土壤侵蝕程度越嚴重。徐 燕等[4]在研究貴州喀斯特山區土壤物理性質對土壤侵蝕的影響時，得出土壤容重越大，總孔隙度越小，土壤侵蝕越嚴重，程圣東等[5]的研究結論與之類似。李裕元[6]、何淑勤等[7]的研究結果也表明，土壤侵蝕與土壤容重的關系密切。

有研究認為，土壤前期含水量通過影響土壤入滲，進而影響地表產流過程，改變坡面流水動力條件。土壤團聚體的穩定性和土壤顆粒間黏結力以及土壤抗剪強度都會隨土壤含水量的不同而變化，從而對土壤侵蝕產生影響[8-11]。金 鑫等[12]認為若土壤初始含水量較低，導致顆粒間黏結力小，則在雨滴沖刷作用下，土壤容易發生分離。但楊永紅等[13]的研究得出相反結論，在含水量越大的情況下，非飽和土的黏結力越小。張玉斌等[11]認為前期土壤含水量會對土壤入滲過程和徑流過程產生影響，前期近地表土壤含水量越大，坡面初始產流時間越早，地表徑流量增大，侵蝕產沙量增大。細溝侵蝕的程度隨前期土壤含水量的增加而嚴重，且前期土壤含水量越大，土壤從片蝕發展為細溝侵蝕越快。

劉 京等[14]研究表明，土壤有機質和團聚體間存在密切的聯系；土壤有機質在團聚體形成過程中發揮了重要作用，有機質可作為團聚體形成的膠結劑。有機質含量增加，則土壤團聚體含量也增加，土壤的水穩性、通透性增強，土壤結構得到優化。因此，隨著土壤有機質增加，土壤結構得到改善，水土流失將進一步減少[15]。高維森等[16]在對黃土丘陵區檸條林地土壤抗蝕性規律進行研究時發現，隨著林齡增大，土壤中有機質含量越多，則土壤抗蝕性越強。張孝存等[17]對黑土區松花江流域東山溝小流域坡耕地耕層土壤有機質、全氮和堿解氮含量及土壤侵蝕速率進行了分析研究，發現土壤侵蝕分布與土壤有機質及氮素含量空間分布之間存在對應關系，且土壤侵蝕速率隨著土壤有機質、全氮含量、堿解氮含量的增加而下降。

綜上可知，學者們在不同試驗方法，不同試驗條件下所得的研究結果均表明，土壤理化性質對土壤侵蝕的影響顯著。因此，研究區域內土壤理化性質對土壤侵蝕的影響，能夠針對不同地域采取有效的預防保護措施來減弱土壤侵蝕帶來的不利影響，改善土壤質量，提高區域水土保持能力。

本文基于土壤侵蝕預報機理模型以及經驗模型，通過模型中相應描述土壤侵蝕的核心參數（土壤細溝可蝕性、土壤臨界剪切力、土壤可蝕性K值）為衡量標準，分別歸納出了現有研究中土壤各種理化性質對土壤侵蝕的影響，為進一步分析探討土壤理化性質對土壤侵蝕的影響提供參照。

1 描述土壤侵蝕的參數

20世紀80年代，Nearing等建立了土壤分離能力與水流剪切力的函數關系，構建了美國水蝕預報模型WEPP（water erosion prediction project）模型，提出了細溝可蝕性（Kr）和臨界剪切力（τc）的概念。土壤細溝可蝕性和土壤臨界剪切力是WEPP模型中的重要參數，土壤細溝可蝕性可以反映土壤抗蝕能力[18-20]，土壤抵抗徑流沖刷的阻力參數則用土壤臨界剪切力來表征[21]，兩者均受到土壤理化性質的影響。

土壤可蝕性K值是指標準小區上單位降雨侵蝕力引起的土壤流失量，是美國通用土壤流失方程（USLE）中描述土壤抗侵蝕能力的參數。一些學者也以土壤可蝕性K值為衡量標準，來研究土壤理化性質對土壤侵蝕的影響。

除上述細溝可蝕性、臨界剪切力、可蝕性K值等參數外，還有土壤抗蝕性、抗沖性、侵蝕率等一系列描述土壤侵蝕的參數[22]。土壤分散系數也是表征土壤抗蝕性能的重要參數。就同一土壤類型而言，通常分散系數愈大，土壤的抗蝕能力愈弱[3]。

2 土壤理化性質對土壤侵蝕的影響

2.1 土壤理化性質對WEPP模型中2個核心參數的影響

從20世紀起，不少學者就開始對WEPP模型中土壤細溝可蝕性和土壤臨界剪切力這2個參數進行分析，研究土壤理化性質對其的影響。

20世紀90年代，Ghebreiyessus[23]研究指出，細溝可蝕性與土壤容重成負相關關系。Van Klaveren等[24]指出，土壤前期含水量與細溝可蝕性成正相關關系。Gilley[25]在對初始產流的臨界剪切力和臨界流動速率進行研究時發現，細溝可蝕性與土壤含水量顯著相關。21世紀初，Nachtergaele[26]則得出了與之相反的結論，指出土壤前期含水量與細溝可蝕性成負相關關系。土壤團聚體作為土壤的重要組成部分對細溝可蝕性也有顯著影響[27]。郁耀闖等[28]的研究結果表明，土壤細溝可蝕性與水穩性團聚體、土壤黏結力、根重密度之間成顯著負相關關系。Ciampalin等[29-32]均認為，土壤分離能力將會隨著土壤有機質含量、土壤黏結力以及水穩性團粒含量的增大而降低。Zhang等[33]利用WEPP模型分析獲得了農田、草地、灌木、荒地、林地5種土地利用方式下的細溝可蝕性和臨界剪切力數值，由于土壤理化性質存在明顯差異，不同的土地利用方式也將顯著影響細溝可蝕性和臨界剪切力。Norris[34]也得出土壤表層黏結力對各類土地利用土壤分離能力的季節變化具有重要影響。

國外學者對土壤機械組成與細溝可蝕性間的關系做了大量研究，Gilley[25]、Alberts[35]等研究表明，土壤中粉粒含量、極細砂含量與細溝可蝕性之間有著緊密關系。但就已有研究來看，關于土壤機械組成對細溝可蝕性影響的研究結果分歧較為明顯，Alberts[35]、Allen[36]等學者認為，細溝可蝕性與土壤粘粒含量成負相關關系，而Sheridan等[37]的研究則指出，砂粒含量與細溝可蝕性的關系更加密切。此外，部分學者將土壤理化性質與細溝可蝕性的關系用方程式進行了描述（表1）。

眾多研究結果表明，土壤容重、土壤前期含水量、土壤有機質含量、土壤機械組成等對土壤臨界剪切力有較為明顯的影響[6，23，27]。Ghebreiyessus[23]指出土壤臨界剪切力τc與土壤容重成正相關關系。Nachtergaele等[26]研究表明，土壤臨界剪切力與土壤前期含水量成正相關關系。Gilley等[25]的相關研究則指出，土壤臨界剪切力與土壤有機質含量成正相關，而與土壤砂粒含量、黏粒含量、極細沙含量、總孔隙度成負相關關系。Alberts[35]、Auzet[38]等的研究也得出相似結論，土壤臨界剪切力與土壤砂粒含量、黏粒含量、極細沙含量、總孔隙度成負相關關系。此外，部分學者將土壤理化性質與臨界剪切力的關系用方程式進行了描述（表2）。

2.2 土壤理化性質對經驗模型中參數土壤可蝕性K值的影響

式中，SAN為砂粒含量，SIL為粉粒含量，CLA為黏粒含量，C為有機碳百分含量，SN1=1-SAN/100[39]。由以上K值估算公式可知，土壤砂粒含量、粉粒含量等顯著影響土壤可蝕性。黃曉強等[40]在研究延慶縣山區不同利用方式下土壤類型時，也發現土壤砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量等與土壤可蝕性相關性較好。區曉琳等[41]的研究表明，砂粒質量分數、黏粒質量分數和有機質質量分數這3個指標可以用來表征崩崗土壤可蝕性強弱。土壤機械組成是影響土壤可蝕性K值的重要因素，隨砂粒質量分數增大，土壤可蝕性K值不斷增加；隨黏粒質量分數增大，土壤可蝕性K值不斷減少。仲亞婷等[42]在對相同降雨條件下，對不同類型土壤坡面侵蝕進行比較，結果表明，土壤可蝕性差異主要受土壤機械組成和土壤有機質含量的影響，土壤可蝕性K值隨土壤黏粒含量的增多而減小。但張永勤等[43-44]在分析土壤顆粒組成與土壤可蝕性K值的關系時則指出，可蝕性K值與砂粒含量成顯著負相關關系，與黏粒含量及粉粒含量均成顯著正相關關系。

土壤可蝕性與土壤團聚體的水穩定性也密切相關[45-46]。何騰兵[3]、郭培才等[47]研究也指出，土壤水穩定性團聚體的數量和質量對土壤可蝕性有重要影響，土壤團聚體穩定度可以用來評價坡地土壤的抗蝕性能，土壤團聚體結構越穩定，土壤抗侵蝕能力越強。國內外許多學者對土壤可蝕性與土壤團聚體水穩定性之間的關系進行了相關研究，所得結論大致相似。盧金偉[27]、閆峰陵等[48]研究指出，土壤抗蝕性可由 >0.25 mm土壤水穩性團聚體含量來模擬。土壤水穩定性團聚體的含量與土壤可蝕性成顯著負相關關系[27]。Norris等[34]研究表明，土壤黏結力增加，土壤可蝕性降低。區曉琳等[41]還指出土壤可蝕性與pH值成極顯著正相關，而土壤容重及含水量對土壤可蝕性K值無明顯直接影響。

3 存在的問題及展望

綜上可知，許多國內外學者研究了土壤理化性質對土壤侵蝕的影響，但研究仍存在以下2個問題。一是研究標準不統一，部分學者基于WEPP這一機理模型進行研究，而部分學者則基于USLE這一經驗模型進行探討，致使描述表征土壤侵蝕的名詞參數有很多，如細溝可蝕性、臨界剪切力、土壤可蝕性、土壤抗蝕性、土壤分離能力等。許多學者在進行研究時，并沒有統一相關參數標準。此外，不同學者研究同一因素對土壤侵蝕的影響所得結果尚存在分歧，如土壤機械組成對土壤侵蝕的影響就存在較大爭議，不同學者在不同地區所得出的結論并不一致，對此仍然需要深入探討。二是多數學者只研究一種或幾種土壤理化性質對土壤侵蝕的影響，尚沒有系統的關于土壤各個理化性質對土壤侵蝕影響的相關研究。因此，在今后的科研工作中應往參數標準統一化以及研究因素全面系統的方向發展。基于統一標準，建立土壤理化性質與侵蝕參數之間的定量關系，這對驗證各種土壤侵蝕預報模型的準確性以及分析土壤侵蝕時空分布與土壤內在性質的關聯具有重要意義。

土壤侵蝕會導致土地退化、水體污染、淤積抬高河床、加劇洪澇災害、淤塞水庫湖泊、影響開發利用等多重災害。保護土地資源，防治水土流失，已成為備受關注的重大環境問題。土壤理化性質作為土壤自身特性對土壤侵蝕過程有著顯著影響，因此研究土壤理化性質對土壤侵蝕的影響，對區域水土保持以及進行土壤侵蝕預報等工作具有顯著作用。在具體的實踐過程中，以土壤自身理化性質為切入點，通過改進施肥、耕作等措施，協調土壤中物理化學元素含量及相對比例，降低土壤侵蝕量，有效緩解土壤侵蝕所引起的泥沙淤積、水體污染等問題，為因地制宜進行水土保持工作提供便利。

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