聶小軍,徐小濤

（1.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院,河南焦作454000;2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041;3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,鄭州 450002）

耕作侵蝕是指在坡地景觀內(nèi),由于農(nóng)耕工具牽引力和土體重力作用而引起的耕作位移使土壤發(fā)生向下坡運(yùn)動(dòng)或向上坡運(yùn)動(dòng)(依賴于耕作方向),導(dǎo)致凈余土壤向下坡方向傳輸、堆積,重新分配[1-2]。從土壤侵蝕學(xué)的角度來看,耕作侵蝕屬于土壤侵蝕的范疇,是一種在外營力的作用(農(nóng)耕工具牽引力和土體重力作用),土壤及其母質(zhì)被破壞、剝蝕、搬運(yùn)和沉積的典型人為加速侵蝕。從景觀生態(tài)學(xué)的角度來看,耕作侵蝕是一種人為干擾(鋤耕活動(dòng))景觀的結(jié)果,影響農(nóng)田坡地景觀格局、能流、物流等過程。長期以來,在土壤侵蝕研究領(lǐng)域,水蝕引起的水土流失一直是人們關(guān)注的重點(diǎn),這使得耕作引起的土壤侵蝕問題很少被注意。直到20世紀(jì)80年代后,隨著137Cs技術(shù)在土壤侵蝕領(lǐng)域的成熟利用,傳統(tǒng)的“標(biāo)準(zhǔn)”水蝕預(yù)測不能解釋一些坡地土壤再分布格局時(shí),耕作侵蝕問題才被關(guān)注。隨之,耕作侵蝕研究在世界各大洲被迅速開展,如今已成為歐美國家在土壤侵蝕研究領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

耕作侵蝕是坡地景觀一種重要的土壤侵蝕過程。國內(nèi)外的一些研究表明:坡地耕作侵蝕與水蝕速率是同一數(shù)量級(jí)的,有時(shí)還高于水蝕速率[3-7]。Richter報(bào)道了陡坡耕作導(dǎo)致的土壤損失比徑流引起的土壤損失高出6倍[4]。耕作侵蝕造成的土壤流失主要發(fā)生在復(fù)合坡的凸坡、線性坡的坡頂位置。利用137Cs示蹤技術(shù)研究表明,在凸坡位置的土壤流失量的70%～100%是直接由耕作侵蝕引起的[3,8]。Zhang等[9]發(fā)現(xiàn),在川中丘陵區(qū)的線性坡上耕作侵蝕造成頂坡位置土壤變薄,厚度為11～17 cm,僅為坡底土壤厚度的30%左右。另外,相對(duì)于水蝕對(duì)景觀地貌切割、土壤物質(zhì)流失的大尺度影響效應(yīng),耕作侵蝕僅表現(xiàn)為對(duì)坡地景觀土壤再分布的小尺度影響效應(yīng)。然而,這種小尺度景觀效應(yīng)對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展有著至關(guān)重要的意義,它涉及到全球糧食安全、氣候變暖等大尺度事件。本文就國內(nèi)外耕作侵蝕研究的成果,綜述了耕作侵蝕對(duì)坡地景觀地貌、土壤質(zhì)量、土壤碳庫及作物產(chǎn)量影響的研究現(xiàn)狀,展望了未來耕作侵蝕研究亟待解決的問題。

1 耕作侵蝕對(duì)坡地形的影響

耕作侵蝕對(duì)坡地景觀地形的演化起著關(guān)鍵的作用[10-12]。Govers等[10]運(yùn)用一維斜坡演化模型對(duì)比利時(shí)Huldenberg地區(qū)復(fù)合坡地長期(140 a)變化的研究表明:單從水蝕角度模擬預(yù)測坡地變化并不能很好地達(dá)到與坡地現(xiàn)狀的吻合;但如果附加考慮耕作侵蝕因素,預(yù)測出來的地貌因子與現(xiàn)實(shí)觀察到的地形因子相關(guān)性很好。這個(gè)結(jié)果說明長期耕作侵蝕明顯地影響到了坡地景觀地形的變化。耕作侵蝕對(duì)地形變化影響的結(jié)果還會(huì)使得坡地在上、下坡位置形成土壤零流量邊界,結(jié)果導(dǎo)致上坡邊界表現(xiàn)為凈侵蝕而下坡邊界表現(xiàn)為凈堆積。Zhang等[13]在川中丘陵區(qū)執(zhí)行的強(qiáng)烈耕作模擬試驗(yàn)表明,強(qiáng)烈耕作導(dǎo)致陡坡耕地坡頂土壤母質(zhì)層以上的≤30 cm的土壤全部損失,5次和15次耕作后,土壤全部損失的耕地面積分別達(dá)到坡耕地總面積的4.77%與10%。Papendick和 Miller[11]報(bào)道了耕作侵蝕使得美國華盛頓一坡地下坡的土壤堆積層高達(dá)3～4 m。在上、下坡邊界設(shè)置有植物籬的斜坡上,長期的耕作侵蝕會(huì)使上坡逐年侵蝕,海拔降低,而下坡逐年堆積,海拔升高,結(jié)果導(dǎo)致原來的斜坡地形演化為水平臺(tái)地[14]。Dercon等[15]沿襲Govers等提出的一維斜坡演化模型,模擬了植物籬帶間梯坡在耕作侵蝕作用下的地形演化,結(jié)果表明:20 a的耕作侵蝕就會(huì)導(dǎo)致梯坡地形發(fā)生明顯的變化,梯坡向水平梯田的演化能在50 a左右的時(shí)間內(nèi)完成,梯坡地貌的演化隨其自身坡度的增大而加速。

耕作侵蝕對(duì)地形演化的影響會(huì)使坡地景觀破碎化,具體表現(xiàn)為斑塊數(shù)目增加,連通度降低,異質(zhì)性增大。從復(fù)合坡角度來看,長期耕作侵蝕導(dǎo)致凸坡位置土壤嚴(yán)重?fù)p失,凹坡位置厚的堆積層。凸坡位置,土壤損失使得下伏母質(zhì)、基巖裸露,變?yōu)闆]有生產(chǎn)力的荒地,于是原來各處均有生產(chǎn)力的復(fù)合坡演化成荒地相間的坡地。從線性坡來說,長期耕作侵蝕首先導(dǎo)致坡頂土壤完全損失,接著耕作侵蝕沿向下坡方向延伸,結(jié)果原來的線性坡變成上凹下凸的復(fù)合坡,可耕種坡地面積減少。在中國的川中丘陵區(qū),線性坡地的這種演化非常普遍。耕作侵蝕引起的坡地演化會(huì)增大水蝕的風(fēng)險(xiǎn)性。因?yàn)楦髑治g區(qū)母質(zhì)、基巖的裸露會(huì)使降雨難以入滲,因而極易形成地表徑流,加劇下坡土壤水蝕。也有研究認(rèn)為耕作侵蝕使梯坡演化到水平梯田能大大地降低水蝕的風(fēng)險(xiǎn)[14],這種坡地演化降低水蝕風(fēng)險(xiǎn)的前提是梯坡土壤厚度大且坡地上下邊界必須有好的水土保持措施。對(duì)于我國西南四川盆地丘陵區(qū)與云、貴喀斯特山區(qū)大量的梯坡,由于土壤厚度淺,水土保持措施差,強(qiáng)烈耕作導(dǎo)致的坡地貌演化造成的水蝕風(fēng)險(xiǎn)是極其嚴(yán)重的。

2 耕作侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響

2.1 耕作侵蝕對(duì)土壤理化特性的影響

耕作侵蝕對(duì)坡地景觀物流的影響主要是通過侵蝕引起的土壤再分布格局來改變土壤質(zhì)量的空間變異性。耕作侵蝕引起的土壤再分布格局是:復(fù)合坡上,土壤從坡凸部流失,而在凹部沉積;線性坡上,土壤從坡地中上部流失,在下部堆積。國內(nèi)外研究表明,耕作侵蝕導(dǎo)致的土壤再分布格局致使坡地侵蝕區(qū)土層變薄,有機(jī)物質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量減少,理化性質(zhì)總體上變差(如:質(zhì)地變粗、低肥力或高酸性的亞表層土壤暴露);而在堆積區(qū),土層變厚,有機(jī)物質(zhì)及土壤養(yǎng)分含量增加,理化性質(zhì)總體上好。

2.1.1 國外研究現(xiàn)狀 da Silva等[16]報(bào)道了長期的耕作侵蝕改變坡耕地土壤厚度,進(jìn)而引起土壤保水性、有機(jī)質(zhì)含量降低。Kosmas等[17]通過物理示蹤法研究了希臘雅典附近的坡地耕作侵蝕與土壤屬性的關(guān)系,結(jié)果表明:耕作侵蝕是造成土壤屬性空間變異的主要原因。凸坡位置,土層薄(＜25 cm),土壤質(zhì)地以沙粒、礫石為主,有效水儲(chǔ)量低;凹坡位置,土層厚(＜70 cm),土壤質(zhì)地以黏粒、礫石為主,有效水儲(chǔ)量高。Quine&Zhang[18]調(diào)查了英國德沃坡耕地的侵蝕格局、土壤屬性變異,結(jié)果表明:耕作侵蝕與碳、氮、磷、無機(jī)磷、沙粒、粉粒在坡面上的分布格局一致,而水蝕與這些土壤屬性在坡面上分布不一致。據(jù)此,推斷耕作侵蝕是造成土壤質(zhì)量空間變異的主要原因。另外,他們對(duì)未來40 a耕作侵蝕狀況模擬的結(jié)果表明土壤屬性將逐漸呈現(xiàn)高度空間變異性,極有可能造成嚴(yán)重的作物減產(chǎn)。Alba等[19]報(bào)道:耕作侵蝕引起的土壤再分布改變了坡耕地侵蝕區(qū)、堆積區(qū)最初的土壤剖面結(jié)構(gòu);凸坡、上坡位置,土壤剖面不完整,而在凹坡、下坡位置,原來完整的剖面被來自于上坡處的土壤填埋,結(jié)果出現(xiàn)剖面土層倒置。Papiernik等[20-21]對(duì)美國明尼蘇達(dá)州侵蝕草原坡耕地的土壤屬性變化進(jìn)行的研究表明:耕作侵蝕導(dǎo)致肩坡土壤剖面層次不完整,剖面厚度淺,有機(jī)碳含量、總氮、有效磷含量低,無機(jī)碳含量、pH、土壤強(qiáng)度高;而在沉積區(qū),耕作侵蝕導(dǎo)致土壤A層變厚,有機(jī)碳含量升高,無機(jī)碳含量、pH 值降低。Heckrath等[22]對(duì)丹麥日德蘭半島北部侵蝕坡耕地土壤屬性變異的研究表明:耕作侵蝕導(dǎo)致肩坡部位的土壤剖面厚度下降,腳坡、趾坡部位土壤剖面厚度增加,土壤有機(jī)碳、磷含量沿向下坡方向不斷增加;耕作位移速率與剖面有機(jī)碳、磷含量以及土壤A層厚度顯著相關(guān)。

耕作侵蝕對(duì)坡地土壤質(zhì)量空間變異性的影響會(huì)因與其它侵蝕方式的相互耦合變得更為強(qiáng)烈。Schumacher等[23]發(fā)現(xiàn),耕作侵蝕與水蝕耦合作用對(duì)土壤理化特性空間變異、總生產(chǎn)力降低的貢獻(xiàn)大于單獨(dú)任何一種侵蝕。Heckrath等[22]表明,耕作侵蝕影響丘陵景觀有機(jī)碳動(dòng)力學(xué)過程,增大了水蝕引起的養(yǎng)分流失風(fēng)險(xiǎn),坡面養(yǎng)分異質(zhì)性增大。

耕作侵蝕對(duì)坡地土壤質(zhì)量的改變還會(huì)影響景觀生物物理過程。Poesen等[24]調(diào)查了西班牙Guadalentin流域陡坡耕地表土層礫石分布格局,結(jié)果表明:耕作侵蝕改變了坡面礫石分布格局,從而改變了坡地景觀水文學(xué)過程。典型的情況是,礫石含量高的山頂、窄谷底由于土壤緊實(shí)度低,蒸發(fā)弱,滲透性好等原因大大削弱徑流侵蝕,從而降低坡面流損失。另外,在景觀內(nèi)土壤重新分配過程中,耕作侵蝕使得侵蝕坡位的營養(yǎng)物質(zhì)如碳、氮等被流失耗盡,而在堆積坡位發(fā)生營養(yǎng)物質(zhì)的富集,這種組合作用對(duì)諸如溫室氣體的產(chǎn)生和釋放等生物物理過程具有重要的影響。

2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 黃土高原及四川盆地是我國目前開展耕作侵蝕研究的主要地區(qū)。在黃土高原地區(qū),Li等[25-26]研究了耕作侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量的變異,結(jié)果表明:耕作侵蝕控制短坡梯田、陡坡耕地有機(jī)質(zhì)、氮、磷養(yǎng)分的空間分布;耕作侵蝕對(duì)陡坡耕地有機(jī)質(zhì)、氮、磷的影響能用相鄰坡度的變化來評(píng)價(jià),并建立了土壤質(zhì)量-地形回歸方程(y=ax+b,其中:y為土壤養(yǎng)分因子有機(jī)質(zhì)、氮、磷;x為相鄰坡度的變化;a,b為系數(shù))。Li等[27]又通過連續(xù)進(jìn)行50次耕作模擬了耕作侵蝕對(duì)近50 a來陡坡土壤質(zhì)量的改變,結(jié)果表明:強(qiáng)烈耕作導(dǎo)致的土壤再分布最先引起陡坡耕地的地形演化,景觀破碎化,進(jìn)而造成土壤物理、養(yǎng)分屬性變化。土壤物理、養(yǎng)分屬性的變化主要表現(xiàn)為,坡耕地上坡土壤容重變大,中坡容重降低;土壤有機(jī)質(zhì)、有效態(tài)養(yǎng)分氮、磷在上、中坡位置含量降低,在下坡位置增加。強(qiáng)烈耕作引起的土壤侵蝕對(duì)下坡有機(jī)質(zhì)、速效態(tài)養(yǎng)分含量在短期內(nèi)的增加效果異常明顯。王占禮和邵明安[28]通過地形測量、137Cs示蹤、土壤性質(zhì)分析及重復(fù)耕作的方法研究了黃土坡地耕作侵蝕對(duì)土壤養(yǎng)分的影響,結(jié)果表明:全氮、堿解氮及有機(jī)質(zhì)含量隨投影坡長的變化可用拋物線描述,有效磷及速效鉀的變化可用冪函數(shù)描述;全氮、堿解氮、速效鉀含量與耕作侵蝕的關(guān)系可用線性方程描述,有效磷含量的關(guān)系可用三次多項(xiàng)式描述;耕作侵蝕對(duì)全氮、堿解氮、有效磷及速效鉀含量的貢獻(xiàn)率分別為16.47%、2.69%、48.85%及 15.30%;由于耕作侵蝕,15 a內(nèi)堿解氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)及陽離子代換量的含量將在耕作侵蝕區(qū)呈減少趨勢,在耕作沉積區(qū)呈增加趨勢。賈科利等[29]研究分析黃土高原北部坡耕地土壤侵蝕對(duì)土壤性質(zhì)影響結(jié)果表明,山坡中、上部為土壤侵蝕最強(qiáng)烈地帶,坡頂侵蝕較弱;土壤全氮、堿解氮、速效鉀與水蝕和耕作侵蝕間呈線性相關(guān)關(guān)系,而土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和陽離子代換量則與水蝕和耕作侵蝕無顯著相關(guān)性。在四川盆地,葛方龍等[30]利137Cs示蹤技術(shù),結(jié)合土壤理化分析,研究了川中丘陵區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕所引起的土壤再分配對(duì)養(yǎng)分空間變異性的影響,結(jié)果表明:強(qiáng)烈的耕作導(dǎo)致坡上部發(fā)生最為嚴(yán)重的土壤侵蝕,有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分貧瘠。Ni等[31]研究了川中丘陵區(qū)土壤侵蝕對(duì)坡耕地土壤化學(xué)屬性磷、鉀、CaCO3的影響,結(jié)果表明梯坡上土壤化學(xué)屬性的空間變異歸因于耕作侵蝕。Zhang等[13]報(bào)道:強(qiáng)烈耕作導(dǎo)致陡坡耕地坡頂土壤有機(jī)碳、有效磷完全損失,15次耕作導(dǎo)致坡底土壤有機(jī)碳、有效磷含量分別增加高達(dá)214.09%、221.51%,結(jié)果導(dǎo)致坡耕地土壤有機(jī)碳、有效磷明顯的空間變異。

綜上,耕作侵蝕增大了土壤質(zhì)量的空間變異性,影響著土壤景觀水文學(xué)、生物學(xué)等過程,加劇了水蝕的風(fēng)險(xiǎn)性。土壤質(zhì)量空間變異性增大會(huì)降低土壤生產(chǎn)力,提高農(nóng)業(yè)投入,降低化肥、農(nóng)藥的有效利用率,加劇地表水的污染。地處黃河、長江上游的黃土高原、云貴高原、四川盆地耕作侵蝕對(duì)土壤質(zhì)量、地表水質(zhì)的威脅應(yīng)該引起足夠的重視。

2.2 耕作侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響

土壤碳庫動(dòng)態(tài)變化不僅關(guān)乎到土壤質(zhì)量的好壞,也關(guān)乎到全球碳循環(huán)的問題。水蝕對(duì)土壤碳庫影響如何是目前土壤侵蝕學(xué)科領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),但作為坡地景觀人為外界干擾方式的主要侵蝕過程——耕作侵蝕——對(duì)土壤碳庫影響的研究才剛剛起步。Reicosky等[32]在美國俄亥俄州坡地景觀進(jìn)行的耕作侵蝕試驗(yàn)表明:耕作侵蝕導(dǎo)致的土壤再分布格局使得表土有機(jī)碳在侵蝕區(qū)最低(5.1 gC/kg),堆積區(qū)最高(19.6 gC/kg)。有機(jī)碳動(dòng)力學(xué)過程造成土壤CO2損失,最終減小了土壤碳庫。Zhang等[7]對(duì)川中丘陵區(qū)長、短坡上的有機(jī)碳分布格局進(jìn)行的研究表明,耕作侵蝕控制著短坡土壤有機(jī)碳的動(dòng)力學(xué)過程,從而產(chǎn)生了不同于長坡水蝕導(dǎo)致的有機(jī)碳分布格局:耕作侵蝕導(dǎo)致上坡有機(jī)碳含量降低,而在下坡造成的有機(jī)碳含量增幅比水蝕大得多。由此可見,耕作侵蝕影響土壤碳庫的再分布格局,加大了侵蝕區(qū)以及耕作侵蝕發(fā)生過程中的土壤碳庫損失和堆積區(qū)土壤碳庫累積。耕作侵蝕引起的土壤碳庫變化可能影響著與全球碳循環(huán)有關(guān)的氣候事件。

3 耕作侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量的影響

耕作侵蝕對(duì)坡地景觀能流的影響主要表現(xiàn)為作物產(chǎn)量方面。Lobb[33]發(fā)現(xiàn),加拿大農(nóng)作物產(chǎn)量40%～50%的降低與凸面景觀位置嚴(yán)重的耕作侵蝕相關(guān)。由耕作侵蝕導(dǎo)致的這種損失在集約型農(nóng)業(yè)耕作地區(qū)每年達(dá)幾千萬美元。T sara等[34]報(bào)道,長期耕作侵蝕導(dǎo)致上坡小麥生物量減產(chǎn)26%。Heckrath等[22]發(fā)現(xiàn),大麥產(chǎn)量與耕作侵蝕速率、耕作位移顯著相關(guān)。Marques da Silva等[35]建立了耕作侵蝕速率(x)與作物產(chǎn)量(y)間的回歸方程:y=-133.42x2+15.664x+15.64(R2=0.9914;p=0.95),從這個(gè)方程可以看出,隨著耕作侵蝕速率的增加,作物產(chǎn)量降低。無論如何,耕作侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量的影響主要是通過改變土壤厚度、水分持有能力、養(yǎng)分含量等土壤質(zhì)量的空間分布格局來實(shí)現(xiàn)的。da Silva等[16]發(fā)現(xiàn),長期的耕作侵蝕加大了希臘山區(qū)坡地土壤厚度、水分、養(yǎng)分的空間變異性,最終造成凹坡位置的干草產(chǎn)量高出凸坡位置的7倍左右。Kosmas等[17]報(bào)道,耕作侵蝕導(dǎo)致的土壤厚度、水分分布格局與小麥生物量一致,土壤厚度與小麥生物量呈對(duì)數(shù)相關(guān)。Stewart等[36]發(fā)現(xiàn),耕作侵蝕造成的凸坡水分缺失是小麥減產(chǎn)的主要原因,小麥產(chǎn)量正相關(guān)于水分持有能力。Papiernik等[20]研究認(rèn)為,耕作侵蝕造成的土壤厚度變化是決定作物產(chǎn)量變異的關(guān)鍵因子。以上研究表明,耕作侵蝕造成了侵蝕區(qū)作物產(chǎn)量的減產(chǎn),侵蝕區(qū)作物產(chǎn)量明顯低于沉積區(qū),但這并不意味著沉積區(qū)作物增產(chǎn)。Quine和Zhang[18]發(fā)現(xiàn),在養(yǎng)分含量極高的沉積區(qū),往往會(huì)因水漬、雜草叢生等原因致使作物產(chǎn)量減產(chǎn)。

耕作侵蝕引起的作物減產(chǎn)已經(jīng)成為一個(gè)全球性的問題,尤其是人地矛盾突出的地區(qū),例如中國的西南地區(qū)。在川中丘陵區(qū),坡耕地地塊短小、陡坡居多,土壤多為石灰紫色正常新成土且富含蒙脫石、伊利石等脹縮性黏土礦物,保水性差,因此推行等高耕作、免耕等減小侵蝕的耕作方式難度、強(qiáng)度很大,截至目前農(nóng)民仍以傳統(tǒng)的順坡耕作為主。加之,當(dāng)?shù)厝丝诔砻?、人地矛盾突?強(qiáng)烈的耕作導(dǎo)致的土壤侵蝕嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)糧食生產(chǎn)。最為常見的作物減產(chǎn)出現(xiàn)在侵蝕嚴(yán)重的梯坡地上坡,因?yàn)檫@里土壤厚度受耕作侵蝕影響變薄、水分虧缺嚴(yán)重、養(yǎng)分瘠薄。Nie等[37]報(bào)道:5次、15次強(qiáng)烈耕作后,坡耕地土壤厚度與小麥籽粒產(chǎn)量呈對(duì)數(shù)相關(guān),侵蝕區(qū)小麥籽粒產(chǎn)量僅為堆積區(qū)的50%左右;侵蝕區(qū)土壤厚度損失導(dǎo)致的作物產(chǎn)量減產(chǎn)明顯大于堆積區(qū)土壤厚度增加導(dǎo)致的作物產(chǎn)量增產(chǎn),結(jié)果造成坡耕地作物平均產(chǎn)量降低。Zhang等[9]調(diào)查發(fā)現(xiàn),耕作侵蝕造成斜坡頂部作物(小麥、玉米、甘薯)產(chǎn)量僅僅是坡底的50%甚至更少。坡耕地作物減產(chǎn),增加了農(nóng)民的生產(chǎn)投入,造成能流受阻,能量輸入輸出不平衡。

4 展望

耕作侵蝕作為對(duì)景觀的一種外界干擾影響著坡地景觀格局、能流、物流等過程。盡管目前國內(nèi)外大量的研究從地貌演化、土壤質(zhì)量變異、作物產(chǎn)量方面探討了耕作侵蝕對(duì)不同景觀過程的影響,使得人們對(duì)其有了一定的重視,但由于耕作侵蝕研究起步較晚,研究方法、內(nèi)容的不足,人們還需要進(jìn)一步探索其對(duì)坡地景觀的影響,以便采取科學(xué)有效的對(duì)策控制其危害性。

(1)建立耕作侵蝕對(duì)地貌演化影響的預(yù)測模型。目前,耕作侵蝕對(duì)地貌演化影響的預(yù)測主要是運(yùn)用Govers等提出的一維斜坡演化模型,這個(gè)模型僅能大體上反映坡地貌的變化。它的局限性在于這個(gè)模型套用一個(gè)固定的耕作傳輸速率k,并沒有考慮到k是隨坡度、坡曲率變化而變化。因此為了較準(zhǔn)確地預(yù)測耕作侵蝕對(duì)坡地貌演化的影響應(yīng)該建立一個(gè)考慮k隨坡度、坡曲率變化的預(yù)測模型。

(2)探索耕作侵蝕對(duì)土壤微生物特性的影響?，F(xiàn)有關(guān)于侵蝕坡耕地土壤質(zhì)量的研究很少重視土壤微生物特性的變化,這對(duì)于全面了解侵蝕土壤質(zhì)量退化機(jī)制來說是極其不夠的。土壤微生物系統(tǒng)作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,直接參與土壤中有機(jī)物質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等各個(gè)生化過程。土壤微生物系統(tǒng)的好壞直接影響土壤肥力、土壤質(zhì)量以及植物的生產(chǎn)量。土壤微生物系統(tǒng)對(duì)于外界干擾是極其敏感的,諸如耕作侵蝕的擾動(dòng)、土壤理化性質(zhì)的變化都可能明顯影響微生物系統(tǒng)的平衡,破壞微生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能,最終造成土壤質(zhì)量下降與作物減產(chǎn)。明確耕作侵蝕對(duì)土壤微生物特性的影響還能啟發(fā)我們從生物學(xué)的角度對(duì)侵蝕土壤進(jìn)行修復(fù)。

(3)進(jìn)一步研究耕作侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響。盡管耕作侵蝕影響土壤碳庫的再分布格局,增加了在其發(fā)生過程中的土壤碳庫損失,但是還存在著許多不確定性。耕作侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響可以分為3部分:侵蝕區(qū)土壤碳庫的變化、堆積區(qū)土壤碳庫的變化、侵蝕過程土壤碳庫的變化。侵蝕區(qū),耕作侵蝕引起的土壤損失無疑造成了土壤碳庫的凈輸出,但侵蝕土壤低的凈初級(jí)生產(chǎn)力又會(huì)使得有機(jī)質(zhì)礦化率變低,相對(duì)于沒有發(fā)生耕作侵蝕前高凈初級(jí)生產(chǎn)力、高有機(jī)質(zhì)礦化率的土壤來說,耕作侵蝕又表現(xiàn)為土壤碳庫的凈輸入。堆積區(qū),耕作侵蝕引起的土壤堆積導(dǎo)致土壤碳庫的凈輸入,但堆積土壤可能因?yàn)閮舫跫?jí)生產(chǎn)力、有機(jī)質(zhì)礦化率變高,從而使得耕作侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響表現(xiàn)為凈輸出。侵蝕區(qū)、堆積區(qū)土壤碳庫的凈輸入、凈輸出之間的比較將需要定量的研究數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)的比較才能準(zhǔn)確地確定耕作侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響。然而,目前還沒有這方面的研究。另外,現(xiàn)階段開展土壤侵蝕對(duì)土壤碳庫影響的研究都是從有機(jī)碳的角度來開展的,還沒有人從土壤微生物生物量碳的角度來探討土壤侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響。在土壤微生物系統(tǒng)中,土壤微生物生物量碳的變化關(guān)乎著土壤碳庫損失和全球碳循環(huán)過程,是全球碳循環(huán)中最為活躍的部分。從土壤微生物生物量碳的角度來探討耕作侵蝕對(duì)土壤碳庫的影響或許更有意義。

(4)從多學(xué)科角度研究耕作侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量影響的機(jī)理?，F(xiàn)有的有關(guān)耕作侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量影響的研究多數(shù)是土壤侵蝕的角度直接建立耕作侵蝕狀況與作物產(chǎn)量的關(guān)系,為數(shù)不多的研究從耕作侵蝕導(dǎo)致的土壤質(zhì)量變異來探討作物產(chǎn)量的變化。以上這些研究均忽視了耕作侵蝕引起的土壤再分布格局對(duì)作物生長過程的影響,例如:耕作侵蝕造成的土壤厚度變薄可能會(huì)影響作物根系在不同生長階段的發(fā)育;耕作侵蝕造成的土壤水分虧缺可能會(huì)影響作物不同生長階段對(duì)土壤有效水的利用;耕作侵蝕造成的土壤養(yǎng)分損失可能會(huì)影響作物在生殖階段吸收土壤養(yǎng)分進(jìn)而轉(zhuǎn)化為果實(shí)的生理活動(dòng)。因此,我們今后還應(yīng)該結(jié)合農(nóng)作學(xué)的知識(shí)來探討耕作侵蝕對(duì)作物產(chǎn)量的影響,以便于在作物不同的生長階段采取對(duì)策防止作物減產(chǎn)。

(5)研制減小耕作侵蝕的農(nóng)耕工具。耕作工具是土壤發(fā)生位移,導(dǎo)致土壤再分布的一個(gè)重要因素,而耕作侵蝕引起的坡地地貌演化、土壤質(zhì)量變異及作物減產(chǎn)歸根結(jié)底都源自其產(chǎn)生的土壤再分布。已有研究表明,非機(jī)械化工具較機(jī)械化工具造成的耕作侵蝕更為嚴(yán)重[23,38],因此革新現(xiàn)有農(nóng)耕工具不僅能夠減少土壤侵蝕,而且也能有效防止坡地地貌演化、土壤質(zhì)量變異及作物減產(chǎn),這一點(diǎn)對(duì)于非機(jī)械化農(nóng)耕區(qū)來說更有現(xiàn)實(shí)意義。在中國的川中丘陵區(qū),當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)過長期耕作實(shí)踐,已研制出了有效防止耕作侵蝕的鋤耕工具(圖1),這種工具對(duì)于其它非機(jī)械化農(nóng)耕區(qū)的耕作實(shí)踐具有一定的借鑒意義。

圖1 川中丘陵區(qū)鋤耕工具的改良

(6)進(jìn)一步研究耕作侵蝕對(duì)水蝕影響的機(jī)理。盡管耕作侵蝕、水蝕二者發(fā)生的機(jī)理不同(前者是對(duì)土壤顆粒的一種整體性搬運(yùn),而后者是對(duì)土壤顆粒的一種分選性搬運(yùn)),在坡耕地上發(fā)生的部位不同,但耕作侵蝕對(duì)水蝕有一定的影響。研究表明,耕作侵蝕對(duì)水蝕具有輸送物質(zhì)的作用機(jī)制,將土壤輸送到地表徑流匯聚的區(qū)域(諸如細(xì)溝和集水地帶),從而加速了土壤水蝕[23,39-42]。然而,耕作侵蝕對(duì)水蝕影響的機(jī)理并非僅此。耕作侵蝕通過改變侵蝕區(qū)土壤物理特性、影響坡面水文學(xué)過程或許是對(duì)水蝕作用的另外一種機(jī)制。Poesen等[24]表明,耕作侵蝕由于改變了坡面礫石分布格局,使得礫石含量高的山頂、窄谷底土壤緊實(shí)度變低、蒸發(fā)變?nèi)?、滲透性變好,從而削弱了徑流侵蝕。這個(gè)結(jié)果并不適用于所有的農(nóng)田坡地景觀,特別是一些坡地土壤厚度薄的地區(qū),例如中國的西南地區(qū)。耕作侵蝕對(duì)侵蝕區(qū)土壤物理性質(zhì)、水文學(xué)過程的改變極可能是加速水蝕風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要原因。因此,我們應(yīng)該從不同的農(nóng)田坡地景觀角度來開展這方面的機(jī)制研究,不能一概而論。開展耕作侵蝕對(duì)水蝕影響機(jī)理的研究,能夠更好地解釋坡耕地景觀地貌演化、土壤質(zhì)量空間變異增大、作物減產(chǎn)等原因。

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