在水力、风力、冻融、重力等营力作用下, 土壤、土壤母质及其它地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程。狭义的土壤侵蚀指土壤及其母质层的侵蚀过程; 也有人认为它只是坡面流水对土壤的破坏和搬运作用, 相当于水蚀的一部分。广义的土壤侵蚀,除包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀、化学侵蚀外, 还包括土壤的淋溶、坍陷等, 被侵蚀的对象也不限于土壤,还包括土壤下面的土体、岩屑及松软岩层。
1 相关概念
(1)土壤侵蚀
在水力、风力、冻融、重力等营力作用下, 土壤、土壤母质及其它地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程。狭义的土壤侵蚀指土壤及其母质层的侵蚀过程; 也有人认为它只是坡面流水对土壤的破坏和搬运作用, 相当于水蚀的一部分。广义的土壤侵蚀,除包括水力侵蚀、风力侵蚀、冻融侵蚀、重力侵蚀、化学侵蚀外, 还包括土壤的淋溶、坍陷等, 被侵蚀的对象也不限于土壤,还包括土壤下面的土体、岩屑及松软岩层。[1]
(2)水土流失
在水、重力和风等外营力作用下使土壤、母质及其他地面组成物质被破坏、剥蚀、转移和沉积的过程。多发生在山区、丘陵区。[2]
广义理解常被用作土壤侵蚀的同义语。目前对土壤侵蚀的理解,与土壤侵蚀的涵义基本相同。但因各地具体条件相差悬殊,研究的目的和范围也不尽相同,作为同义语使用时应注意其异同。
(3)剥蚀作用
一般来说,剥蚀的含义有二:第一,通过侵蚀作用将基岩或者某一岩层上覆物质剥掉或使其裸露出来的现象。第二,地壳组成的物质受风力、流水、冰川、湖泊、海洋和生物等作用的总称。剥蚀作用的含义比侵蚀作用要广。由剥蚀作用形成的地貌称剥蚀地貌,由剥蚀而成的近于水平的地面,称为剥蚀面。[3]
(4)搬运作用
岩石风化剥蚀的产物或火山喷发的物质被流水、冰川、波浪、风、重力、生物活动等力量搬运到他处的作用。有的物质以固态被搬移;有的物质以溶解方式转移;有的被生物吸收而搬运它处。[4]
(5)土壤侵蚀程度
在降雨、径流和风力等外营力以及重力综合作用下,每平方公里地表土壤或土体在单位时间内移动的总量,单位为或。用来估算当地的土壤流失量和产沙量,为水土保持规划服务。[5]
(6)土壤侵蚀强度
是指评价单元或地块上发生的土壤侵蚀模数的高低程度。我国水蚀地区通常根据土壤侵蚀模数分为六级:微度侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强烈侵蚀、极强烈侵蚀和剧烈侵蚀。[6]
(7)允许土壤流失量
指长期保持土壤肥力和生产力不下降情况下的最大流失量,简称T值。T值是从永续保护土壤肥力和维持土地持续利用的角度提出来的,用以衡量自然侵蚀与加速侵蚀。[6]
(8)水土保持
防止水土流失,保护、改良和合理利用水土资源,维护和提高土地生产力,以利于充分发挥水土资源的经济效益、社会效益和生态效益,实现生态环境良性循环的综合性技术措施。[7]
2 我国土壤侵蚀监测及现状
过去近百年来,我国持续开展了以土壤侵蚀为主要对象的观测、调查、监测与评估等研究工作。特别是20世纪80年代以来,水利部先后进行了4次全国范围的土壤侵蚀调查与研究,积累了大量的成果,有效地支持了我国的水土保持工作。中科院遥感地球所以1995年中国土壤侵蚀数据库为基础,在国家科技支撑计划等支持下,于2006年和2013年先后启动全国土壤侵蚀动态遥感监测与数据库更新工作, 2014 年初完成了20世纪80年代未至2010年的中国土壤侵蚀时空数据库建设,包括20世纪80年代末、1995年、2000 年、2005 年2010 年等5期土壤侵蚀数据库和其间4个时间段的土壤侵蚀动态数据库,反映了最近20余年中国土壤侵蚀的变化,并由中科院遥感地球所张增祥研究员等编著了《中国土壤侵蚀遥感监测》。
2010年土壤侵蚀轻度以上面积共计4778070.10平方千米,占全国监测总面积的50.26%,反映出全国半数土地面积存在不同程度的土壤侵蚀现象。其中,东部、中部、西部土壤侵蚀面积占区域总面积的比例分别是12.59%、27.04%、61.52%,西部地区的土壤侵蚀相对最严重,分布面积和强度等级都表现出由东向西递增的特点。轻度以上侵蚀面积比例低于10%的包括上海、海南、江苏、天津、广西和广东,上海市无侵蚀发生。[8]
2010年我国土壤侵蚀
2010年我国各省(直辖市、自治区)土壤侵蚀类型
2010年我国各省(直辖市、自治区)轻度以上面积比例
20世纪80年代末至2010年中国土壤侵蚀变化(平方千米)
3 危害
(1)土壤肥力减退粮食产量下降
据对黄河流域的观测,在黄河中游水土流失严重地区,每年约损失土壤10万,地面每年约降低1 cm;在整个黄河中游地区每年平均被冲刷的土壤约为3.7万,仅黄河一条河每年所挟带的泥沙中含氨磷钾总量在4200 t以上。[9]
(2)耕地受到侵蚀,耕地面积减少
由于水土流失严重发展,沟壑日益增多,大量农田被吞噬,土地利用率降低。由于密布的沟网把坡地切割成碎块,不便于耕作,给农业实现机械化作业造成很大障碍。另外,沟壑排走了大量地表径流及地下水,使土壤变得干旱。沟壑还大量破坏山区道路和建筑物,也使交通受到很大威胁。[9]
(3)土壤涵养水源能力减弱,洪涝灾害发生频繁
由于水土流失严重发展,土壤涵养水源能力减弱,地表径流加大,一旦遭遇暴雨,极易发生山洪,大量泥沙冲到河谷和平川地沉积起来,毁坏大量农田。由于大量泥沙下泄,致使下游河道逐年淤高,水库渠道也被淤塞。由此可见,保持水土对于根治我国水旱灾害、保障农业生产是具有决定性意义的一项措施。[9]
(4)多淤积抬高河床,加剧洪涝灾害
土壤侵蚀使大量坡面泥沙被冲蚀、运搬后沉积在下游河道,消弱了河床泄洪能力,加剧了洪水危害。
(5)淤塞水库湖泊影响开发利用
新中国成立以来,初步估计全国各地由于土壤侵蚀而损失的各类水库、山塘等库容历年累计在200亿以上。
4 类型
4.1 按照导致土壤侵蚀的外营力来划分
国内外关于土壤侵蚀的分类多以造成土壤侵蚀的外营力为依据,是土壤侵蚀研究和土壤侵蚀防治工作中最为常用的一种方法。在各种诱发土壤侵蚀的因子中,降水和风是最重要的侵蚀外营力,此外还有重力作用、冻融作用、泥石流作用等。
(1)水力侵蚀
在降水和水流作用下,土壤、土体及其它地面组成物质被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程。简称水蚀,是土壤侵蚀的主要形式。
常见的水力侵蚀有面蚀、沟蚀和洞穴侵蚀。融雪水侵蚀是水蚀中的一种特殊类型,最常见的是融雪水形成的片状侵蚀, 当地面积雪融化时,地表冻层也开始融化, 因其下有未融化土层的存在,融雪水无法下渗或来不及下渗而与融化了的土层呈泥浆状沿地面流动,造成各种侵蚀现象。此外还有溶解质流失、灌溉侵蚀、波浪侵蚀等。
水力侵蚀的强度,决定于土壤或土体的特性、地面坡度、植被情况、降水特征及水流冲刷力的大小等,其中降水强度是最重要的自然因素,暴雨对土壤的分离、破坏作用最大,同时,还增加地面径流的冲刷和搬运能力,少数几次暴雨引起的侵蚀量,往往占年侵蚀总量的主要部分;植被对地面的覆盖,是减少水力侵蚀的关键因素,严重水力侵蚀一般发生在植被遭到大量破坏的地区:坡度与坡长既影响径流速度,也影响渗透量和径流量。侵蚀量大致与坡度的0.8~3.4次方成正相关, 与坡长的0.6~1.6次方成正相关:当坡度增加到一定限度之后(大约为30°~40°),侵蚀量反而减小。土壤或土体抵抗雨水分散和径流冲刷的能力强, 则侵蚀量小,反之则大。人类不合理的生产活动,是引起水力侵蚀的主要因素,过度的砍伐和放牧,不合理的耕作方法以及缺乏防护措施的开矿、筑路、水利工程等基本建设,均能加剧水力侵蚀。
在陆地表面,除沙漠和永冻的极地地区外,当失去植被覆盖时,都有可能发生不同程度的水力侵蚀。水力侵蚀主要分布在北纬50°至南纬40°间的广大地区。中国的水蚀,主要分布于西北黄土高原、南方山地丘陵区、华北土石山区及东北漫岗丘陵山地区,其中以黄土丘陵区和南方红黄壤地区最为严重。它导致土层变薄, 土壤退化,土地破碎,破坏生态平衡,并引起泥沙沉积污染,淤塞河湖水库,危害农田,对农林牧生产、水利、电力和交通事业危害极大,直接影响国民经济建设和人民生活水平的提高。
(2)重力侵蚀
地表土石物质在自重力为主的作用下,失去平衡而产生破坏、迁移和堆积的一种侵蚀过程。常见于山地、丘陵、河谷和沟谷的坡地上。
发生的条件:①土石松散或滑动易破坏;②土石临空坡度陡,表面土石外张力大;③地面缺乏植物覆盖,又无人工保护措施。
当土石受到地震、降水、地表径流和地下水、海浪、风、冻融、冰川、人工采掘和爆破等任何一种营力作用时,便会激发重力侵蚀。根据土石物质破坏和位移的方式不同,主要分为泻溜、崩塌、滑坡等三类。重力侵蚀是土壤侵蚀的一大类型,它破坏耕地、掩埋庄稼;摧毁城镇、村庄和厂矿;破坏交通道路、通讯设施和渠道堵塞河流,并为河流和泥石流提供固体物质,间接地造成河流治理困难。
(3)冻融侵蚀
土体或岩隙中的水分反复冻融而使土体和岩石体积不断胀缩、破碎、移动的现象。它主要发生在高寒高山区,在中国西部青藏高原,新疆天山等一些高山地区和黑龙江流域大、小兴安岭等均有分布。陈代中、朱显谟在主编的中国土壤侵蚀类型及分区图中,把冻融侵蚀作为与水力、风力侵蚀并存的全国三大侵蚀区之一,区名为青藏高原冻融及冰水侵蚀区。该区包括西藏全部、青海南部及四川的甘孜、阿坝两州,平均海拔均在4500米以上,基本上属于自然常态侵蚀范畴。冻融侵蚀按其冻融的作用和过程可分为冻融风化,冻融扰动和冻融泥流。冻融风化是充填到冻土区岩土层孔隙中的水分,随气温下降而结冻、膨胀、破坏周围岩层或土层;气温上升,冻体融化,水分再次填充。周而复始,造成岩土体松动崩解。冻融扰动多发生于多年冻土活动层内,冬季,活动层由地表向下冻结,底部因多年冻结层的阻挡,水分不能下渗,所以使活动层下部未冻结的含水层因受冻胀挤压而引起塑性变形,产生了各种不规则微褶皱、冰卷泥等现象。冻融泥流,发生于几度至十几度斜坡上。当冻土层上部解冻时,融水使主要由细粒土组成的表层物质达到饱和状态,从而使上层土层具有一定的可塑性,在重力作用下沿冻融界面向下缓慢移动,形成年速不足1米的冻融泥流。冻融侵蚀作用一方面对地表物质进行破坏,另一方面,又将风化物质搬运堆积,致使冻土区日趋和缓,向冻融夷平方向演化。
(4)泥石流侵蚀
泥石流形成过程中的土壤冲刷和搬运现象。山洪暴发时洪水与坡面上的覆盖物相混,形成由水、土、砂石组成的洪流,具有很大的破坏性。特点是爆发突然,来势凶猛,历时短,具有很高的能量。所经之处,可摧毁农田,村庄以及各种建筑物,是一种破坏力很强的自然灾害。侵蚀作用主要集中在沟谷的上游和源头区。
(5)化学侵蚀
化学侵蚀是以水的化学溶解作用为主的土壤侵蚀类型,表现为岩溶现象的发育及土壤中盐分和有机质的流失。
(6)生物侵蚀
生物侵蚀生物活动引起的草地破坏。草原鼠类、昆虫等生物挖掘洞穴、营筑蚁巢、破坏草地土壤、损伤植物根系、影响牧草生长,致使草地沙化、退化,造成水土流失。草原鼠类分布广、数量多,是侵蚀破坏草地的主要自然因素之一。放牧家畜和其他野生动物频繁采食、践踏,可使植被稀疏、土壤裸露、引起草地沙化、退化。广义的说,人类活动如挖采草药、搂草、伐林、垦荒等亦是一种生物侵蚀,在草原管理上,防止生物侵蚀主要措施是:及时防治鼠、虫害;合理利用草地;禁止人类随意垦植、采挖和其他有害活动。
4.2 按照土壤侵蚀的成因和发展速度划分
(1)正常侵蚀
正常侵蚀是在没有人类活动干预的自然状态下,纯粹由自然因素引起的地表侵蚀过程,在人类出现以前,这种侵蚀就在地质作用下缓慢地有时又很剧烈地以上万年或更长时间为周期进行着,其结果也不显著,常和土壤的自然形成过程取得相对稳定的平衡,即土壤的流失小于或等于土壤形成作用的进程,也不至于对土地资源造成危害,这种侵蚀不易被人们所察觉。因而,不仅不破坏土壤及其母质,反而有时对土壤起到更新作用,使土壤肥力在侵蚀过程中有所增高,在坡地匕的一些原始土壤剖面能够保存下来,就是自然侵蚀的结果。
(2)加速侵蚀
随着人类的出现,特别是在世界人口急剧增长的情况下,人们加速了对各类土地的开垦、利用,如在坡地上垦殖,过度樵采、滥伐森林、过度放牧等。人类活动破坏了自然状态,加快和扩大了某些自然因素作用所引起的地表土壤移动过程,直接或间接地加快了土壤侵蚀速度,使侵蚀速度大于土壤的自然形成速度,导致土壤肥力每况愈下,理化性质变劣,甚至使土壤遭到严重破坏,通常把这种现象称之为加速侵蚀。
4.3 按照土壤侵蚀发生的时间划分
(1)古代侵蚀
指远在人类出现以前的地质时期内,在构造运动和海陆变迁所造成的地形基础上进行的一种侵蚀作用。古代侵蚀的实质是地质侵蚀,即正常侵蚀。古代侵蚀的结果,形成的侵蚀地貌,这种侵蚀地貌既是古代侵蚀的产物,又是当代人类赖以生存的基础。因而,古代侵蚀所形成的地貌条件与现代侵蚀有密切关系。
(2)现代侵蚀
指人类出现以后,受人类生产活动影响而产生的土壤侵蚀现象。人类出现以后,开始是刀耕火种,逐渐开发和利用自然资源,随着地面植被的大量破坏,土壤侵蚀的规模和速度逐渐增加,这种侵蚀有时十分剧烈,往往在很短的时间内,侵蚀掉在自然状态下干百年才能形成的土壤,给生产建设和人民生活带来严重后果。从而又影响和限制着人们的生产和经济活动,所以,现代侵蚀又称之为现代加速侵蚀。
5 影响因素
影响土壤侵蚀的因素分为自然因素和人为因素。
5.1 土壤侵蚀的自然因素
(1)气候
气候变化是土壤侵蚀最主要的自然因素。气候对土壤侵蚀的影响有时狂暴,比如最主要而又最直接的降水,尤其是暴雨,直接引起大量的水土流失,是导致丘陵和山区山洪暴发、泥石流、山体滑坡的重要推手;有时又很轻柔,比如喀斯特地区浸入地下的地表径流,聚集、汇流,在土层和岩基内部进行着缓慢侵蚀和溶蚀,经过成百上千年,最终形成千奇百怪的喀斯特溶岩地貌;有时又是悄无声息的,比如土壤冻融侵蚀,就是由于冬春季节温度变化,一些松散堆积物组成的坡面上,土壤含水量大或有地下水渗出情况下冬季冻结,春季表层首先融化,而下部仍然冻结,形成了隔水层,上部被水浸润的土体成流塑状态,顺坡向下流动、蠕动或滑塌,形成泥流坡面或泥流沟。
(2)地形
地形是影响土壤侵蚀的重要因素。坡地土壤最容易被水力侵蚀盯上,并且坡度的大小、坡长、坡形等都有一定的影响,尤其是坡度,因为坡地上暴露的土壤容易在水流的冲刷下被带走,坡越陡,往往水流冲刷能带走的土壤越多。
(3)土壤
土壤作为侵蚀作用的对象,其本身的透水性、抗蚀性和抗冲性等特性当然对侵蚀效果起着很大的作用。土壤的透水性与质地、结构、孔隙有关,一般地,质地沙、结构疏松的土壤易产生侵蚀。土壤抗蚀性主要是指土壤颗粒间的结合力,土壤结构体相互不易分散,那么土壤抗蚀性就比较强。土壤的抗冲性是指土壤对抗流水、风等外力破坏的能力。事实上,如果土壤有根系缠绕,将使土壤颗粒间更团结,可增强土壤抗冲性。
(4)植被
植被是土壤的天然保护屏障,其冠层可以减轻暴雨对土壤表面的直接冲刷力度,避免表层土壤松动而被雨水冲走;其根系可以使土壤团结,增加土壤的储水性能,防止土壤被水直接冲走或者被风刮跑。
自然侵蚀地貌
5.2 土壤侵蚀的人为因素
自然因素是土壤侵蚀发生、发展的先决条件,或者叫潜在因素,人为因素则是加剧土壤侵蚀的主要原因。
纯粹由自然因素导致的地表侵蚀过程,速度非常缓慢,常与土壤形成过程处于相对平衡状态,[13]人类出现以后,其不合理的活动,导致了土壤侵蚀面积和侵蚀程度不断扩大加剧。由人类活动对自然生态平衡破坏而引发或激发的侵蚀,其侵蚀速率多为自然侵蚀的数十倍、数百倍以上。人类不合理的耕垦、毁林开荒、过渡放牧是间接的加速了土壤侵蚀,而近代城镇、工矿建设的发展,又引发了新的人为侵蚀,不仅导致了侵蚀量增多、地区生态景观的改变,而且危及江、河、湖泊的常态运行。
人为直接导致土壤侵蚀
6 过程
从过程而言,土壤侵蚀包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积3个子过程。
土壤分离是指在降雨击溅和径流冲刷作用下,土壤颗粒离开土体、转变为泥沙的过程;泥沙输移是指松散的泥沙被径流从上坡向下坡、从上游向下游输移的过程;而泥沙沉积是指随径流运动的泥沙,在重力作用下沉降至土壤表面或河床上、变成静止泥沙的过程。无论是泥沙输移过程,还是泥沙沉积过程,其主体都是泥沙,而不是土壤。与泥沙相比,土壤具有稳定的结构,土壤颗粒间通过物理、化学及生物胶结作用,形成了相对稳定、具有一定黏结力的土壤结构,要把土壤颗粒从土体上分离出来,必须消耗一定的能量。而泥沙颗粒间是没有黏结力的,无论是原始土壤颗粒,还是具有一定结构的团聚体,它们都呈无黏结力的颗粒状态,这是泥沙与土壤的根本区别,在研究土壤侵蚀过程时,应时刻铭记在心。土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积之间相互影响、相互制约,土壤分离过程为泥沙输移过程准备了松散的泥沙,而泥沙输移过程又是个能量消耗过程,随着输沙率增大,径流能量降低,则用于分离土壤的能量相应下降,土壤分离速率降低 。泥沙输移过程的核心是挟沙力,当径流输沙率小于挟沙力时,说明径流还有多余的能量,则径流继续分离土壤,使得径流输沙率持续增大,逐渐达到挟沙力,当下垫面相对稳定时,径流处于临时的既不分离、又不沉积的动态平衡状态。当下垫面坡度降低或下垫面随机糙率增大、阻力增大时,坡面径流挟沙力下降,则径流的实际输沙率大于挟沙力,部分多余的泥沙必须沉积,则泥沙沉积过程开始。泥沙沉积可能会改变下垫面状态,可能会出现“增阻”现象,也可能出现“减阻”现象,前者是泥沙沉积导致下垫面“粗糙化”、而后者是泥沙沉积引起下垫面“光滑化”的结果 。沉积的泥沙也会覆盖地表、避免坡面径流直接分离土壤。
黄土高原丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀垂直分带性及其主控因素
来源 搜狗科学、中科院遥感地球所