土壤侵蝕是現(xiàn)代地理環(huán)境條件下改變地貌景觀的主要過程,也是引起土壤質(zhì)量退化、沙漠化與石漠化的核心因素,與土壤、生態(tài)、水文等多個(gè)地表過程密切相關(guān)。雖然土壤侵蝕研究需要?dú)夂�、地質(zhì)、地貌、土壤、水文、生態(tài)等相關(guān)學(xué)科的基本知識(shí),分析土壤侵蝕發(fā)生、發(fā)展過程的動(dòng)力機(jī)制,但需要明確界定土壤侵蝕研究的時(shí)空尺度。土壤侵蝕與水土保持之間相互聯(lián)系、相互促進(jìn)。土壤侵蝕研究的時(shí)間尺度以次降雨、月、年為主,研究主題為次降雨侵蝕過程、土壤侵蝕季節(jié)變化與年際變化,時(shí)間尺度不宜超過100年。土壤侵蝕研究的空間尺度以小流域?yàn)橹?基于土壤侵蝕垂直分帶性,可以進(jìn)一步分為樣點(diǎn)、坡面、溝坡與小流域。在不同空間尺度上,研究內(nèi)容與研究方法差異明顯。土壤侵蝕過程包括土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積,各個(gè)過程的主控因素存在差異,研究成果積累差異明顯,研究重點(diǎn)會(huì)隨著時(shí)空尺度的變化而有所不同。在土壤侵蝕過程研究中,應(yīng)充分理解分離控制和輸移控制及其時(shí)空轉(zhuǎn)換閾值。雖然土壤侵蝕研究已經(jīng)取得了大量成果,但在細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其時(shí)空變化、泥沙沉積過程、溝蝕形成與演變動(dòng)力機(jī)制、重力侵蝕發(fā)育過程動(dòng)力學(xué)機(jī)理、小流域土壤侵蝕過程模型等諸多方面,亟待加強(qiáng)研究。 

【文章來源】：水土保持學(xué)報(bào). 2020,34(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域土壤侵蝕垂直分帶性及其主控因素

開展土壤侵蝕研究,除了必須系統(tǒng)了解、熟悉、掌握土壤侵蝕相關(guān)的理論知識(shí)體系、研究方法和研究設(shè)施以外,勢必需要上述如氣象氣候?qū)W、地質(zhì)地貌學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論知識(shí)的支撐與幫助,但研究的思路、理念、角度、范圍、方法和時(shí)空尺度,必須要和土壤侵蝕研究需求相輔相成,土壤侵蝕研究不是研究氣象氣候?qū)W、地質(zhì)地貌學(xué)、土壤學(xué)、水文學(xué)、水力學(xué)、生態(tài)學(xué)和泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)本身,而是為分析、解釋、揭示土壤侵蝕動(dòng)力過程、時(shí)空分異特征提供理論支持。土壤侵蝕研究空間尺度的重點(diǎn)應(yīng)該是小流域(圖1),在面積<50 km2的小流域內(nèi),土壤侵蝕研究涉及的侵蝕類型、影響因素、侵蝕過程、垂直分帶性、時(shí)空分布、水沙關(guān)系、環(huán)境效應(yīng)、水土保持措施配置、水土保持效益分析、生態(tài)功能服務(wù)等內(nèi)容,都可開展深入系統(tǒng)的研究。當(dāng)研究尺度從小流域擴(kuò)大到流域(數(shù)千平方公里)時(shí),研究的重點(diǎn)內(nèi)容、核心過程、控制因素都會(huì)發(fā)生變化,相應(yīng)的研究方法和思路以及對(duì)應(yīng)的學(xué)科也會(huì)發(fā)生變化(圖1)。以侵蝕泥沙為例,在小流域尺度上,土壤侵蝕研究可以辨識(shí)侵蝕泥沙來源、分析泥沙的多少及其時(shí)間變化等,但當(dāng)侵蝕泥沙被輸移到河流以后,泥沙運(yùn)動(dòng)則受控于徑流量大小、河道斷面形態(tài)、河流比降以及水利工程(如水庫)的規(guī)模與空間分布等,解決這些問題則是河流泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究者的專長。隨著研究尺度的進(jìn)一步擴(kuò)大,到區(qū)域(大江大河、省域等)尺度,關(guān)注的重點(diǎn)則轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g分異或地帶性問題,而研究地帶性則是地理學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容(圖1)。隨著科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步,任何學(xué)科的發(fā)展都不可能離開相關(guān)學(xué)科的支持,多學(xué)科交叉與融合是歷史發(fā)展的必然,但土壤侵蝕研究者需要時(shí)刻清楚,需要學(xué)習(xí)、借鑒的是相關(guān)學(xué)科研究的思路、理念和方法,取長補(bǔ)短。為了分析、揭示土壤侵蝕過程與機(jī)理,只有通過不斷地借鑒和學(xué)習(xí),才能促進(jìn)土壤侵蝕學(xué)科的發(fā)展和土壤侵蝕研究的快速進(jìn)步,更好地服務(wù)于水土保持生產(chǎn),阻控水土流失,維系區(qū)域生態(tài)平衡與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。土壤侵蝕與水土保持密切相關(guān),明確土壤侵蝕與水土保持的邏輯關(guān)系,對(duì)土壤侵蝕研究至關(guān)重要。要明晰土壤侵蝕與水土保持的關(guān)系,首先需要明確科學(xué)、技術(shù)與工程的辯證關(guān)系,用通俗語言表達(dá),科學(xué)是對(duì)未知世界的探索和認(rèn)知,技術(shù)是在系統(tǒng)總結(jié)、凝練科學(xué)研究結(jié)果基礎(chǔ)上形成的方法、標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)和法律體系,工程則是為了實(shí)現(xiàn)某一目的而采取的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。科學(xué)是技術(shù)的基礎(chǔ),技術(shù)指導(dǎo)工程,工程實(shí)施提出技術(shù)需求,促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步,工程實(shí)施可能出現(xiàn)新的問題,需要科學(xué)繼續(xù)探索,當(dāng)前的技術(shù)無法滿足工程需求,則需要繼續(xù)加強(qiáng)科學(xué)研究,科學(xué)—技術(shù)—工程相互影響、相互促進(jìn)、共同進(jìn)步,但在一定的歷史時(shí)期或?qū)τ谔囟ǖ纳鐣?huì)群體,科技、技術(shù)和工程的進(jìn)步可能并不同步。從本質(zhì)上講,土壤侵蝕涉及的內(nèi)容,都屬于科學(xué)研究范疇,而水土保持則既包括科學(xué)研究內(nèi)容,也包括技術(shù)凝練和工程實(shí)踐內(nèi)容。水土保持措施適宜性、水土保持措施發(fā)揮效益的作用機(jī)理、水土保持效益隨坡度變化并趨向失效的坡度閾值等內(nèi)容,屬于科學(xué)研究;水土保持規(guī)劃設(shè)計(jì)、水土保持監(jiān)測、水土保持措施體系、水土保持相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)等,屬于技術(shù)范疇;而各種大規(guī)模的水土保持生產(chǎn),如坡改梯、生態(tài)建設(shè)工程、淤地壩建設(shè)等屬于工程范疇。不同性質(zhì)的工作或任務(wù),應(yīng)該有不同性質(zhì)的單位來完成,水土保持中科學(xué)研究部分,應(yīng)該由高等院校、國家級(jí)科研院所來完成,水土保持技術(shù)體系應(yīng)由行業(yè)研究院所和省級(jí)研究所來完成,而水土保持工程的實(shí)施,則由水利部、流域機(jī)構(gòu)、省、市、縣級(jí)水務(wù)(水保)部門來完成。土壤侵蝕研究為水土保持研究與技術(shù)總結(jié)提供理論基礎(chǔ),水土保持技術(shù)進(jìn)步會(huì)更好地指導(dǎo)水土保持工程,水土保持工程的大面積實(shí)施,產(chǎn)生新的問題和技術(shù)需求,則會(huì)促進(jìn)土壤侵蝕研究和水土保持技術(shù)革新。如大面積實(shí)施的“退耕還林(草)”工程,導(dǎo)致區(qū)域侵蝕環(huán)境發(fā)生了重大變化,植物群落近地表特性的顯著變化,勢必會(huì)引起土壤侵蝕動(dòng)力和土壤抗蝕性能的雙重變化,為了揭示這些變化對(duì)土壤侵蝕過程的潛在影響與機(jī)理,則需要在新的環(huán)境條件下,開展大量土壤侵蝕研究工作,提升與完善對(duì)土壤侵蝕動(dòng)力過程的認(rèn)知[24]。

土壤分離、泥沙輸移與泥沙沉積過程間的耦合關(guān)系,是土壤侵蝕過程研究的核心內(nèi)容,對(duì)于土壤分離與泥沙輸移的關(guān)系。目前有不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn),但大部分學(xué)者認(rèn)為土壤分離與泥沙輸移間存在線性耦合關(guān)系,即當(dāng)徑流輸沙率為0時(shí),土壤分離速率最大,為土壤分離能力,隨著輸沙率增大土壤分離速率呈線性函數(shù)下降,當(dāng)輸沙率達(dá)到挾沙力時(shí),土壤分離速率為0,可以用Foster和Meyer于1972年提出的線性假定函數(shù)定量表征[30],但這一關(guān)系僅在挾沙力控制(即充分供沙)條件下成立,在土壤侵蝕過程中,存在著2個(gè)控制條件,分別為分離控制(Detach-limited)和輸移控制(Transport-limited)[2],前者是指下墊面土壤抗蝕性能很強(qiáng),雨滴擊濺和徑流沖刷無法提供足夠多的泥沙供給徑流輸移,此時(shí)侵蝕量的大小由土壤分離過程控制;而后者是指雨滴擊濺和徑流沖刷提供了足夠的泥沙,但坡面徑流挾沙力較小,無法將全部的侵蝕泥沙輸移走,此時(shí)侵蝕量由泥沙輸移過程控制。很多研究者很難理解這2個(gè)控制的真正涵義,為了更容易理解,假設(shè)降雨降在裸露的基巖上,無論降雨強(qiáng)度、降雨量和徑流量多大,都無法在短期內(nèi)將巖石分離并產(chǎn)生侵蝕泥沙,此時(shí)的侵蝕量幾乎為0,這屬于典型的土壤分離控制案例。假設(shè)降雨發(fā)生在沙漠內(nèi),雨滴擊濺會(huì)產(chǎn)生大量的松散泥沙,但全部或大部分降雨都會(huì)就地入滲,不會(huì)產(chǎn)生坡面徑流或坡面徑流流量很小,挾沙力非常小,無法將雨滴擊濺產(chǎn)生的松散泥沙輸移走,此時(shí)即為典型的泥沙輸移控制。隨著時(shí)空尺度的變化,分離控制和輸移控制可能會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)致侵蝕過程發(fā)生變化(圖3)。例如,對(duì)于細(xì)溝間侵蝕,當(dāng)坡度較小時(shí),雨滴與地面的夾角較大,大部分雨滴動(dòng)能都消耗于雨滴濺蝕,從而產(chǎn)生大量的松散泥沙,但由于坡度較小,所以坡面徑流挾沙力不足,此時(shí)侵蝕泥沙的多少受控于輸移過程。隨著坡度增大,坡面徑流挾沙力增大,但雨滴與坡面間的夾角逐漸減小,消耗于雨滴濺蝕的雨滴動(dòng)能逐漸減小,被分離的泥沙減少,同時(shí)徑流量增大導(dǎo)致挾沙力增大,當(dāng)坡度達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí),土壤侵蝕過程轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x過程控制。當(dāng)然,由于降水特性、土壤性質(zhì)、下墊面條件的時(shí)空變化,會(huì)引起輸移控制轉(zhuǎn)變?yōu)榉蛛x控制的坡度閾值發(fā)生變化。在區(qū)域尺度上,黃土高原丘陵溝壑區(qū)因地形破碎、坡度陡峻,徑流挾沙力很大,因此,在黃土高原丘陵溝壑區(qū)小流域尺度上,土壤侵蝕屬于典型的分離控制,導(dǎo)致小流域多年平均泥沙輸移比近似為1。而在東北漫川漫崗地區(qū),因坡面坡度很緩,土壤侵蝕屬于典型的輸移控制,絕大部分侵蝕泥沙都在坡面下部沉積,導(dǎo)致大江大河(如松花江、遼河等)輸沙率或含沙量非常低,對(duì)東北漫川漫崗區(qū)坡面嚴(yán)重的土壤侵蝕產(chǎn)生錯(cuò)覺。再次強(qiáng)調(diào),由于坡面侵蝕過程可能受控于土壤分離過程,也可能受控于泥沙輸移過程,所以無法或者很難用坡面徑流小區(qū)和侵蝕動(dòng)床測定的侵蝕量,直接反推土壤分離能力和坡面徑流挾沙力。4 亟待加強(qiáng)的研究內(nèi)容

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]黃土丘陵溝壑區(qū)淺層滑坡堆積體植被演替特征及土壤養(yǎng)分響應(yīng)[J]. 李寧寧,張光輝,王浩,張寶軍,楊寒月.  山地學(xué)報(bào). 2018(05)
[2]對(duì)坡面徑流挾沙力研究的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)[J]. 張光輝.  水科學(xué)進(jìn)展. 2018(02)
[3]退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕的潛在影響[J]. 張光輝.  中國水土保持科學(xué). 2017(04)
[4]土壤分離能力測定的不確定性分析[J]. 張光輝.  水土保持學(xué)報(bào). 2017(02)
[5]基于水流功率的坡面流挾沙力模擬[J]. 欒莉莉,張光輝,王莉莉,韓艷峰.  泥沙研究. 2016(02)
[6]地表覆蓋對(duì)坡面流流速影響的模擬試驗(yàn)[J]. 曹穎,張光輝,唐科明,羅榕婷.  山地學(xué)報(bào). 2011(06)
[7]坡面徑流分離土壤的水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 張光輝,劉寶元,張科利.  土壤學(xué)報(bào). 2002(06)
[8]土壤侵蝕模型研究現(xiàn)狀與展望[J]. 張光輝.  水科學(xué)進(jìn)展. 2002(03)
[9]坡面水蝕過程水動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 張光輝.  水科學(xué)進(jìn)展. 2001(03)



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