王利民,翁伯琦,羅 濤,黃東風(fēng),栗方亮,羅旭輝

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,福建福州 350013; 2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,福建福州 350013)

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山地水土流失的影響因素及其若干機(jī)理

王利民1,翁伯琦2*,羅 濤1,黃東風(fēng)1,栗方亮1,羅旭輝2

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所,福建福州 350013; 2.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,福建福州 350013)

綜述了山地生態(tài)系統(tǒng)的特征，并系統(tǒng)介紹山地水土流失對(duì)侵蝕區(qū)的直接危害和對(duì)周邊環(huán)境的間接威脅，同時(shí)深入分析了地形因子、氣候條件、植被覆蓋和人為活動(dòng)等因素對(duì)山地水土流失的影響。結(jié)果表明，坡度、坡長(zhǎng)、降雨量、雨強(qiáng)、植被覆蓋度、群落結(jié)構(gòu)、人為經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)和土壤性質(zhì)是影響水土流失發(fā)生與發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)因素。各種影響因素可直接起到驅(qū)動(dòng)作用，更多是多種因素綜合作用而起到推動(dòng)與加劇的作用，其內(nèi)在機(jī)理包括植被與地形，土壤與降雨，降雨與植被，氣候與系統(tǒng)，生產(chǎn)與干擾等方面相互關(guān)系與作用程度。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)全球氣候變化對(duì)水土流失產(chǎn)生新影響的研究，并輔以遙感等現(xiàn)代技術(shù)，旨在為土壤侵蝕預(yù)報(bào)和防控山地水土流失提供科學(xué)依據(jù)。

水土流失; 自然條件; 人為因素; 山地

水土流失是在水力、風(fēng)力、凍融和重力等外營(yíng)力作用下，土壤表層及其母質(zhì)被剝蝕、搬運(yùn)和沉積的全過(guò)程，是各種原因?qū)е律鷳B(tài)退化的集中體現(xiàn)，其主要包括濺蝕、片蝕、細(xì)溝間侵蝕、細(xì)溝侵蝕、溝蝕、滑坡和河道侵蝕[1-2]。目前，我國(guó)每年土壤侵蝕量達(dá)4.5×109t，造成的經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)于全國(guó)GDP總量的3.5%，是當(dāng)今面臨的重大環(huán)境問(wèn)題之一[3]。尤其是在山地，山高坡陡，巖性松散，且土壤多為幼土，土層薄，暴雨頻繁，加之不合理的人為干擾活動(dòng)，極易引發(fā)水土流失，給山區(qū)人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國(guó)是一個(gè)以山地為主的國(guó)家，占國(guó)土總面積的1/3左右。另外，山地常處于大江大河的源頭，這些地區(qū)的水土流失不僅造成嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，而且威脅山區(qū)及其下游居民的生存生活[4-5]。因此，如何治理山地水土流失是一個(gè)重要的科學(xué)命題。但由于山地環(huán)境脆弱，災(zāi)害頻發(fā)，山地農(nóng)業(yè)的收成得不到保障，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)耕作與環(huán)境保護(hù)陷入兩難。如何在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下發(fā)展山地農(nóng)業(yè)，一直是個(gè)難題。筆者探索具有山地特色的水土流失影響機(jī)理，以期為山地水土流失的評(píng)價(jià)及阻控提供參考。

1　山地系統(tǒng)的主要特征及其變化

1.1系統(tǒng)脆弱性生態(tài)系統(tǒng)脆弱性是指在一定的內(nèi)外力作用下，容易由一種狀態(tài)演變成另一種狀態(tài)，并在遭受破壞后，缺乏恢復(fù)到原初狀態(tài)的能力。山地生態(tài)系統(tǒng)的土壤、巖石及其他坡面物質(zhì)由于地表傾斜，在重力作用下，極不穩(wěn)定。如在喀斯特巖溶山區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)及其組成物種，極其脆弱，巖溶自然生態(tài)系統(tǒng)易被人工次生林生態(tài)系統(tǒng)替代，導(dǎo)致天然林銳減、湖泊干枯、土壤石漠化以及植物種類(lèi)下降，甚至部分植物處于瀕危狀態(tài)，進(jìn)一步削弱了植被的水土保持功能[4]。此外，此種山地系統(tǒng)內(nèi)在的脆弱性與海拔、坡度有關(guān)，海拔越高，坡度越陡，系統(tǒng)越不穩(wěn)定[5]。

1.2景觀過(guò)渡性山地常處于農(nóng)林交錯(cuò)帶，人為活動(dòng)頻繁，常出現(xiàn)毀林開(kāi)荒、陡坡耕種和過(guò)度放牧現(xiàn)象，導(dǎo)致山地承載力下降，人地關(guān)系矛盾突出，成為誘發(fā)山地水土流失的重要原因。另外，山區(qū)交通不便，思想觀念和生產(chǎn)方式落后，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后，進(jìn)一步加劇了人類(lèi)掠奪自然資源，導(dǎo)致“生態(tài)退化—經(jīng)濟(jì)落后”的惡性循環(huán)。如在川江流域，由于人口增長(zhǎng)，不斷擴(kuò)大陡坡墾殖，>25°陡坡耕地占11.7%，侵蝕強(qiáng)度≥8 000 t/(km2·a)[4]。

1.3耕地稀缺性山區(qū)由于受地形地貌的影響，致使坡度平緩且適宜耕種的土地十分稀缺。農(nóng)民為了生存，不得不另辟荒地，使得更多并不適宜耕種的荒山、陡坡被開(kāi)墾為耕地，對(duì)山區(qū)環(huán)境造成了巨大破壞。在喀斯特地區(qū)，石漠化現(xiàn)象突出，地形起伏大、切割強(qiáng)，土層薄，且多數(shù)耕地都是零星分布在陡坡、槽谷中。此種坡耕地存在嚴(yán)重的水土流失，從而進(jìn)一步減少了適宜耕地的數(shù)量[6]。

1.4空間分散性由于山地適宜耕地少，單產(chǎn)低，人口承載力小，使得山區(qū)農(nóng)民居住空間和耕作空間高度分散。為了獲得最低的生存保障，只有不斷擴(kuò)大耕種面積，進(jìn)而導(dǎo)致更多不適宜耕種的荒山被開(kāi)墾成耕地，加速了居住空間和耕作空間高度分散的趨勢(shì)。以云南山地為例，1989年每戶(hù)平均耕地面積為0.75 hm2，被分割成15塊，每塊耕地面積僅為0.05 hm2。同時(shí)，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展，地勢(shì)平、坡度小的耕地被大面積征用，用于修路、建廠，導(dǎo)致人均耕地面積減少，這也加劇了山區(qū)農(nóng)民耕作空間和居住空間的分散化[7]。此外，山地對(duì)物質(zhì)和能量流動(dòng)具有阻滯和分流效應(yīng)，使山地環(huán)境要素及生態(tài)系統(tǒng)分布呈現(xiàn)梯度變化，導(dǎo)致景觀碎裂化，且全球氣候變暖會(huì)加速生境破碎化，致使居住和耕作空間進(jìn)一步分散[8]。

2　山地水土流失的現(xiàn)狀及其危害

水土流失的危害包括直接危害和間接影響。其中，直接危害主要導(dǎo)致耕地面積減少，耕作層變薄，土壤肥力下降，從而造成土壤退化和作物減產(chǎn)[7]。同時(shí)，伴隨山地水土流失的養(yǎng)分，是吸附或包含在土壤黏粒、粉粒和沉積物中的OM、N和P等養(yǎng)分[9]。在多數(shù)侵蝕山地，特別是存在細(xì)溝間侵蝕的地區(qū)，由于長(zhǎng)期徑流損失，以及山地大量被開(kāi)墾，導(dǎo)致森林土壤涵養(yǎng)水源功能減弱，土壤蒸發(fā)增強(qiáng)，從而造成干旱缺水，降低植物幼苗存活率和種子產(chǎn)量，使植物定居生存困難[10]。另外，細(xì)溝間侵蝕和細(xì)溝侵蝕會(huì)引起植物豐富度下降和地上生物量減少[11]。間接影響主要涉及水庫(kù)淤積、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和次生災(zāi)害頻發(fā)。由于山地水土流失而被沖走的大量泥沙，會(huì)淤積在下游江、河、湖泊，從而抬高河床，降低水渠的行洪能力[12]。而且，山地發(fā)生水土流失時(shí)，攜帶的營(yíng)養(yǎng)元素和污染物也隨之流失，還會(huì)造成江、河、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化和重金屬污染[13]。這些被污染的水體，最終匯集到大海。在近海流域，由于匯集了來(lái)自上游及支流的養(yǎng)分，導(dǎo)致近海發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，使得近海鹽沼濕地植被地上葉片生物量增加，而地下根系生物量減少，同時(shí)微生物分解速率增強(qiáng)。近海生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵性質(zhì)的改變，會(huì)削弱海岸地貌的穩(wěn)定性，導(dǎo)致河岸坍塌，驅(qū)使鹽沼濕地退變成無(wú)植被生長(zhǎng)的泥沼地，從而減弱甚至喪失了鹽沼濕地所能提供的生態(tài)服務(wù)功能[14]。此外，南方山地由于地勢(shì)陡峭，水土流失為滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了條件，對(duì)環(huán)境的破壞作用具有不可逆性。由此可見(jiàn)，山區(qū)水土流失造成的危害是多方面的，對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

3　影響山地水土流失的若干機(jī)理

3.1外部條件

3.1.1地形因素

3.1.1.1坡面地形因子。坡長(zhǎng)對(duì)水土流失的影響研究始于1950年。郭新亞等[15]通過(guò)徑流小區(qū)，研究了坡長(zhǎng)對(duì)黔西北地區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，結(jié)果表明，坡面產(chǎn)流量隨坡長(zhǎng)增加呈先減少后增加再減少的趨勢(shì)；而產(chǎn)沙量在低雨強(qiáng)時(shí)隨坡長(zhǎng)增加無(wú)明顯的變化，在中、高雨強(qiáng)時(shí)，隨坡長(zhǎng)增加而增加。然而，在紅壤區(qū)，坡耕地產(chǎn)沙量和坡長(zhǎng)間呈冪函數(shù)關(guān)系[16]。在黃土區(qū)，20～60 m坡段內(nèi)，當(dāng)雨強(qiáng)<2.0 mm/min時(shí)，在40 m坡長(zhǎng)處出現(xiàn)較大的輸沙率；當(dāng)雨強(qiáng)>2.0 mm/min時(shí)，在60 m坡長(zhǎng)的輸沙率較大[17]。由此可見(jiàn)，坡長(zhǎng)和土壤侵蝕量的關(guān)系十分復(fù)雜，隨著坡長(zhǎng)增加，侵蝕量并非簡(jiǎn)單增加、減少或者不變，而是取決于降雨特性、土壤性質(zhì)等因素；當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，地表徑流量也不能簡(jiǎn)單用坡長(zhǎng)與雨強(qiáng)的乘積代替，而只有當(dāng)坡面土層滲透性差、雨強(qiáng)大、水分飽和或全坡面均勻入滲時(shí)，地表產(chǎn)流量才可用坡長(zhǎng)與雨強(qiáng)的乘積計(jì)算。其次，坡度是對(duì)山地水土流失影響較大的另一個(gè)坡面因子。一般山坡越陡，水土流失越嚴(yán)重。然而，產(chǎn)沙產(chǎn)流量隨坡度增加而增加并非總是連續(xù)的，往往存在一個(gè)臨界坡度[18]。如茶園土壤僅在坡度> 30°時(shí)，才易產(chǎn)生水土流失。另外，坡度的不同，還會(huì)影響土壤水分入滲。Ribolzi等[19]研究表明，在較高強(qiáng)度的降雨事件中，30%坡度下侵蝕地殼的水分滲透性低，而75%坡度時(shí)，地殼結(jié)構(gòu)則具有較高的水分滲透性。

即使在坡長(zhǎng)、坡度相同的條件下，坡段(坡地的上、中、下段)、坡形(凹坡、凸坡、平直坡)和坡向(陽(yáng)坡、陰坡)不同，也會(huì)造成水土流失存在差異。研究表明，坡下段一般較上、中段水土流失嚴(yán)重，因?yàn)槠孪虏亢推履_處于受水土流失嚴(yán)重威脅的坡段，它接受來(lái)自壤中流和地表徑流匯集而來(lái)的降雨[20]。因此，在坡腳處，種植多年生植物，有利于緩解水土流失造成的養(yǎng)分損失。Fu等[21]研究發(fā)現(xiàn)，上坡土壤濺蝕在緩坡總濺蝕中占很重要的地位，只有坡度>36%時(shí)，上坡產(chǎn)生的濺蝕才可以忽略。因此，不同坡段對(duì)水土流失的影響，還與坡度存在密切的關(guān)系。此外，凸坡比平直坡、凹坡易受侵蝕。坡向?qū)λ亮魇У挠绊懸埠艽?，一般?yáng)坡的溫度波動(dòng)大，夏天增溫快，土壤易干燥，加之陽(yáng)坡植被生長(zhǎng)較差，一旦遭到破壞難以恢復(fù)，容易產(chǎn)生水土流失。如在黃土區(qū)，南坡的天然遼東櫟(Quercusliaotungensis)林的植被攔截、蒸騰作用及土壤蒸發(fā)消耗的徑流深分別為173、338、373 mm，北坡分別為203、342、330 mm，表明植被生長(zhǎng)更茂密的北坡，其植被攔截和蒸騰作用均比南坡高，而南坡森林土壤水分蒸發(fā)高于北坡[22]。

3.1.1.2其他地形因子。除坡面地形因子外，山坡地的開(kāi)析度及侵蝕基底狀況對(duì)水土流失也會(huì)產(chǎn)生重要的影響。在降雨過(guò)程中，地表微地形也會(huì)滯蓄部分降雨，但隨著坡度的增加，坡面變陡，地表微地形的滯蓄作用開(kāi)始下降，滯蓄水分的貢獻(xiàn)變小。另外，海拔相對(duì)高差(起伏高度)會(huì)影響水土流失的強(qiáng)弱。山地地形起伏越大，為土壤重力侵蝕提供的勢(shì)能越高，水土流失越嚴(yán)重[23]。在山地，梯田的地形形態(tài)對(duì)水蝕和耕作侵蝕也會(huì)產(chǎn)生重要影響，在有堤埂的梯田中，耕作侵蝕在土壤侵蝕過(guò)程中起主導(dǎo)作用，而水蝕作用較弱，而在無(wú)堤埂的梯田上，耕作侵蝕和水蝕在土壤侵蝕中均扮演重要的角色，會(huì)在梯田的上、下部位存在水土流失[24]?？傊匦问巧降厮亮魇Оl(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)，因此，在山地水土流失治理過(guò)程中，應(yīng)科學(xué)合理地改變坡度，縮短坡長(zhǎng)，利用坡向和改造小地形。

3.1.2氣候條件。

3.1.2.1降雨。降雨是水土流失的原動(dòng)力，雨滴擊濺、土壤顆粒分離和降雨形成徑流所產(chǎn)生的搬運(yùn)作用，最終導(dǎo)致土壤侵蝕[23]。其中，在土壤表層水分飽和狀態(tài)下，雨滴濺蝕在整個(gè)土壤養(yǎng)分流失中的貢獻(xiàn)率占20.90%～94.00%[8]。一般情況下，降雨量越大、雨強(qiáng)越強(qiáng)、降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，水土流失越嚴(yán)重。在紅壤區(qū)，坡面產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)增大而增加，60 mm/h是該區(qū)侵蝕增強(qiáng)的臨界雨強(qiáng)[16]。相類(lèi)似，喀斯特地區(qū)，大的徑流和土壤損失主要受大暴雨(P≥40 mm，I30≥30 mm/h)的影響，且大部分徑流、泥沙通過(guò)地下徑流流失，而由地表徑流損失的部分很小，是因?yàn)樵摰貐^(qū)存在地表和地下雙層水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，降雨主要通過(guò)豎井、落水洞、漏斗等灰?guī)r裂縫向下滲流和溶蝕。其他地區(qū)的研究結(jié)果也表明，坡面產(chǎn)沙產(chǎn)流對(duì)高強(qiáng)度的降雨事件極為敏感，且土壤黏粒含量、氮磷養(yǎng)分流失量與大雨、暴雨存在密切的關(guān)系[25-26]。目前，常采用降雨侵蝕力(R)表征降雨特性對(duì)水土流失的影響，發(fā)現(xiàn)R值與降雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)等因素有關(guān)，它們會(huì)影響水土流失的程度、分布規(guī)律、發(fā)生頻率。同時(shí)針對(duì)R值計(jì)算，開(kāi)展了很多研究，表明降雨動(dòng)能E和最大30 min雨強(qiáng)I30的乘積E*I30與土壤侵蝕量的相關(guān)性很好，因此，將其作為度量R值的指標(biāo)，并應(yīng)用于通用土壤流失方程USLE中，預(yù)報(bào)多年平均土壤流失量[27]。關(guān)于E和I30的計(jì)算，一般采用逐年年雨量、月雨量、日雨量或多年一遇的時(shí)段雨量等常規(guī)降雨資料，探討它們與E*I30的關(guān)系，計(jì)算年均降雨侵蝕力[27]。但R值的計(jì)算結(jié)果往往只適用于特定區(qū)域，如果推廣使用，需要進(jìn)一步驗(yàn)證，或建立適宜該地區(qū)的簡(jiǎn)易計(jì)算方法。綜上，降水強(qiáng)度大的雨水過(guò)程及其形成的徑流是造成水土流失的主要?jiǎng)恿l件，而降雨侵蝕力決定最終的侵蝕程度。

3.1.2.2溫度。近幾十年，在我國(guó)西北部，氣溫升高，導(dǎo)致降水減少，陸地蒸發(fā)增強(qiáng)，氣候朝干旱化方向發(fā)展，從而加劇了水土流失。如在黃河中游，氣溫每升高1 ℃，年徑流量降低31.7%～61.6%，是該地區(qū)河川徑流減少的主要因素之一[28]。國(guó)外研究也表明，隨著氣候變暖，摩洛哥高阿特拉斯山地小流域的降雨量減少了10%～15%，產(chǎn)沙量增加了5%～10%[29]，并引起亞利桑那州索諾蘭沙漠的灌木奧寇梯羅(Fouquieriasplendens)數(shù)量下降[30]。通過(guò)區(qū)域氣候模型分析，結(jié)果表明，到2100年，瑞士阿爾卑斯山脈冬天溫度將升高3～5 ℃，夏季上升6～7 ℃，且溫度每升高1 ℃，平均雪線抬升150 m，高山冰川體積將損失50%～90%，并導(dǎo)致水分循環(huán)加快，特提斯海的季風(fēng)活動(dòng)和熱帶降雨增加[31]。這種水文特征的變化，使得瑞士春季易發(fā)生洪澇，而秋、冬季又易造成旱災(zāi)?？傊?，氣溫升高，不僅影響區(qū)域甚至全球的水土資源流失，還改變植被群落結(jié)構(gòu)，間接影響水土流失。

3.1.3植被因素。植被包括森林、灌叢、草地和農(nóng)作物，它們防止水土流失的作用主要包括對(duì)降雨動(dòng)能的削減作用、保水作用和抗侵蝕作用。當(dāng)植物地下根系生物量超過(guò)130～150 g/m2時(shí)，可避免短時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生土壤侵蝕[32]，但同時(shí)應(yīng)考慮植物地上部分的蒸騰耗水作用，它在陸地水分消耗過(guò)程中占主導(dǎo)地位，通過(guò)植物蒸騰作用回到大氣中的水分達(dá)(62 000±8 000) km3[33]。影響水土流失的植被因素主要涉及幾個(gè)方面。首先，植被類(lèi)型不同，其水土保持功能會(huì)存在差異。在我國(guó)黃土山區(qū)，天然草地表現(xiàn)出高產(chǎn)流、低產(chǎn)沙的特征[34]，紅壤區(qū)的純杉木(Cunninghamialanceolata)林0～10 cm土壤DOC隨徑流流失的密度比濕地松(Pinuselliottii)林、木荷(Schimasuperba)和大葉青岡(Cyclobalanopsisjenseniana)混交林均高[35]。因此，進(jìn)行水土保持林恢復(fù)重建時(shí)，須因地制宜選擇合適的樹(shù)種。其次，林齡不同，其水土保持功能也不同。如在葡萄牙東北部，黃杉(Pseudotsugamensiesii)和歐洲栗(Castaneasativa)混交林開(kāi)始定植的前2年，存在水土流失的現(xiàn)象，但隨著定植年限的延長(zhǎng)，水土流失逐漸減小[36]。Liu等[37]研究也表明，在植被定植早期，通過(guò)單獨(dú)種植植被并不能減輕徑流損失，應(yīng)輔以土壤壓實(shí)措施，才能減輕植被恢復(fù)初期的水土流失。然而，王燕等[38]研究發(fā)現(xiàn)，中齡和近成熟馬尾松林的土壤結(jié)構(gòu)惡化，團(tuán)粒減少，導(dǎo)致土壤持水力弱，易引發(fā)水土流失，是低效林改造的重要時(shí)期。但灌木(Coluteaarborescens、Dorycniumpentaphyllum和Medicagostrasseri)林成熟期的水土保持效益則較好，其產(chǎn)沙、產(chǎn)流量均比成林期分別減少了84%～95%和95%～99%[7]。這表明不同林齡植被的水土保持效應(yīng)與植被類(lèi)型存在密切的關(guān)系。此外，在一定范圍內(nèi)，植被覆蓋度越高，防治水土流失的效果越好。如在0.03 m3/min雨量沖刷下，當(dāng)苜蓿覆蓋度增至40%后，產(chǎn)沙產(chǎn)流量明顯減小[39]；在多數(shù)侵蝕坡地，當(dāng)植被覆蓋度達(dá)30%、細(xì)溝侵蝕率為17 t/(hm2·a)時(shí)，植被恢復(fù)進(jìn)程會(huì)受到明顯抑制，但覆蓋度超過(guò)60%時(shí)，此種抑制作用則消失[10]。同時(shí)需特別指出，植被覆蓋對(duì)水土保持的作用本質(zhì)上是指有效覆蓋度，即在一定區(qū)域內(nèi)，草地或林地保持土壤并使土壤侵蝕量降至其最大允許侵蝕量以?xún)?nèi)所應(yīng)達(dá)到的植被覆蓋度；而且，有效覆蓋度還是降雨、地形、土壤和植被等因子的函數(shù)，因此，在不同坡度、降雨、植被條件下是不同的。

植物保持水土作用的大小，不僅在于植物本身，而且還取決于植物組成群落的復(fù)雜程度。在西西里島，葡萄園地表由于缺乏植被覆蓋，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失，但通過(guò)套種三葉草(Trifoliumsubterraneum)、羊茅(Festucarubra)和多年生黑麥草(Loliumperenne)等地表覆蓋植物，能明顯減輕水土流失[40]。李先琨等[41]在喀斯特地區(qū)開(kāi)展生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)，采用喬、灌、草多層結(jié)構(gòu)的天然林，取得良好的水土保持效益。由此可見(jiàn)，合理配置植物群落結(jié)構(gòu)，可以有效防止水土流失。在干旱半干旱地區(qū)，草、灌類(lèi)植被在緩解水土流失作用中占十分重要的地位。通過(guò)植被土壤含水量的過(guò)程模型，研究植被類(lèi)型及其密度對(duì)干燥的水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)水土動(dòng)態(tài)的分離效應(yīng)，表明天然草地可以明顯降低地表徑流；此外，在該區(qū)種植3 400棵/hm2灌木檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)，能最大限度地保護(hù)水土資源[42]。在徑流延遲、徑流總量保持和最大徑流量減少方面，由大到小依次為灌木(沙棘)、天然次生草地、生物結(jié)皮(BSCs)、裸地[26]。但BSCs是沙漠重要的地表覆被類(lèi)型，在徑流和泥沙的重新分配中占有重要作用。它能固持土壤，增強(qiáng)地表穩(wěn)定性，減少土壤侵蝕。但BSCs對(duì)水文的過(guò)濾作用很復(fù)雜，一方面，它能增加土壤孔隙度和微地形，由此增強(qiáng)水分過(guò)濾作用，另一方面，它會(huì)分泌疏水性化合物及其潤(rùn)濕后可阻塞土壤孔隙，增加地表徑流[43]。而且，BSCs對(duì)水土流失的作用與其自身的組成、硬度和疏水性等特征密切相關(guān)。總之，探討植被與產(chǎn)流產(chǎn)沙間的關(guān)系，旨在揭示植被與水土流失的內(nèi)在規(guī)律，合理配置群落結(jié)構(gòu)，以期充分發(fā)揮植被在控制水土流失方面的作用。

3.1.4人為因素。人類(lèi)不合理的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)活動(dòng)是加劇水土流失的決定性因素。在智利，約有3.7×107hm2，占國(guó)土面積49%的土壤存在不同程度的侵蝕，而人類(lèi)引起的侵蝕主要集中在IV～X的嚴(yán)重侵蝕區(qū)[44]。人類(lèi)對(duì)水土流失的干擾活動(dòng)有破壞植被、不合理利用土地以及生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目擾動(dòng)地表等。其中，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目誘發(fā)的水土流失已成為江蘇省新增水土流失的主要部分。同時(shí)，隨著人口不斷增長(zhǎng)，人地矛盾突出，導(dǎo)致濫砍濫伐、過(guò)度開(kāi)墾和過(guò)度放牧，加劇了水土流失[45]。在陜北，TN的輸出量中有66.5%是由于土地不合理利用引起的，其中TN最大的污染源是農(nóng)地(59%)[46]。此外，在喀斯特地區(qū)，過(guò)度放牧導(dǎo)致土壤侵蝕量增加了5倍[47]。相反，人類(lèi)合理利用土地，可以明顯控制水土流失。如科學(xué)施肥能減少氮素?fù)p失，使氮遷移到水體的風(fēng)險(xiǎn)降至最小，有利于保護(hù)環(huán)境；其中，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施硝化抑制劑DMPP(3,4-二甲基-1H-吡唑二氫磷酸鹽)比未添加DMPP的常規(guī)有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施在3次降雨事件徑流中NO3--N含量分別減少了95.4%、96.7%和94.1%，總無(wú)機(jī)N降低了22.0%～45.3%[48]。采取合理的灌溉措施能提高水資源利用效率；在埃及，針對(duì)不同土壤類(lèi)型，采取相應(yīng)的灌溉措施，其中，噴灌系統(tǒng)運(yùn)用于沙壤土，而滴灌系統(tǒng)用于壤土或黏土[49]。此外，科學(xué)的放牧管理也能減輕山地水土流失。如在澳大利亞?wèn)|部沿岸伯德金河，2002～2011年通過(guò)減少雨季的放牧率或不放牧，并種植孔穎草(Bothriochloapertusa)和引種當(dāng)?shù)囟嗄晟罡圆荼局参铮苡行Ы档屯寥狼治g[50]。Abdullah[51]研究表明，通過(guò)免耕和作物殘茬管理措施，能增加土壤含水量、養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量，并降低徑流總量、徑流峰值和土壤流失量。因?yàn)槊飧麣埐绻芾砼c傳統(tǒng)耕作相比，它們?cè)诟鲗颖Ａ袅溯^多的作物殘茬，能有效阻延徑流流動(dòng)和增加土壤糙率。由此可知，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水土流失的影響是一把雙刃劍，遵循自然規(guī)律，合理利用資源，可緩解甚至避免水土流失，反之，則會(huì)加劇土壤侵蝕。

3.2內(nèi)在性質(zhì)

3.2.1理化性質(zhì)。影響水土流失的內(nèi)因，一個(gè)重要方面是土壤理化性狀。首先，土壤密度、孔隙度影響土壤持水力和滲透性，是評(píng)價(jià)土壤侵蝕的重要指標(biāo)。在黃河及沿海地區(qū)，廣泛分布砂土、粉砂壤土，這些土壤結(jié)構(gòu)疏松、抗蝕性差，在風(fēng)雨作用下易發(fā)生水土流失[37]。然而，森林土壤中分布許多大孔隙和非毛管孔隙，能增強(qiáng)土壤透水性，減少地表徑流[52]。而且，總孔隙度與土壤分離能力呈正的線性關(guān)系[53]。其次，土壤礦物顆粒處于土壤結(jié)構(gòu)的較低層次，包括黏粒、粉粒和沙粒。通過(guò)對(duì)英、美、加拿大等國(guó)家侵蝕性土壤的研究，結(jié)果表明，87.5%的侵蝕土壤黏粒含量在9%～35%；當(dāng)黏粒含量>35%時(shí)，土粒間的膠結(jié)力增大，土壤抗雨滴擊濺的能力變強(qiáng)[54]。因此，一般情況下，砂土的水土流失嚴(yán)重，黏土較輕。而且，由形狀和大小各異的顆粒組成的土壤結(jié)構(gòu)，其外形雖呈不規(guī)則的幾何形態(tài)，但其構(gòu)成單元微觀顆粒結(jié)構(gòu)間具有自相似性的分形幾何屬性[55]。因此，土壤粒徑分布還可以通過(guò)分形理論進(jìn)行研究。有研究表明，土壤粒徑分形維數(shù)(分維)與黏粒含量顯著正相關(guān)，與砂粒含量均明顯負(fù)相關(guān)(P<0.01)[56]。在相同植被覆蓋下，隨著降雨強(qiáng)度增加，侵蝕沉積物顆粒粒徑分維增加，且顆粒粒徑分維與束縛在黏粒、粉粒和沉積物中的OM、N和P含量呈顯著的正相關(guān)性，與沙粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，該研究結(jié)果證實(shí)土壤粒徑分維能表征土壤養(yǎng)分流失的動(dòng)態(tài)變化[9]。第三，土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性也是影響山地水土流失的重要因子。土壤礦物顆粒在膠結(jié)物作用下形成較小的微團(tuán)聚體(<250 μm)，同時(shí)，微團(tuán)聚體在生物和物理因素作用下進(jìn)一步形成大團(tuán)聚體(>250 μm)[57]。團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其粒徑分布及穩(wěn)定性不僅影響土壤孔隙分布，還關(guān)系到水分在土表及土體內(nèi)的運(yùn)移方式與途徑，與地表徑流和水分滲透存在密切的關(guān)系。因此，提高土壤團(tuán)聚體，尤其是大團(tuán)聚的數(shù)量和質(zhì)量，是增強(qiáng)土壤抗蝕性的有效途徑。此外，在土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中，黏粒、鐵鋁氧化物和土壤有機(jī)質(zhì)是重要的膠結(jié)物質(zhì)[58-59]。這些膠結(jié)物的類(lèi)型及其相互間的聯(lián)結(jié)作用決定了團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，間接影響水土流失。Wang等[53]研究發(fā)現(xiàn)，團(tuán)聚體間的黏聚力與土壤分離能力呈負(fù)線性函數(shù)關(guān)系，而與細(xì)溝侵蝕呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系(P<0.01)。

山地巖石構(gòu)造、土壤類(lèi)型及其初始含水率等理化性質(zhì)均與水土流失具有密切的關(guān)系。在土石山地，地質(zhì)構(gòu)造影響水土流失主要在于巖層的傾斜、排列和透水性，其中，巖層的排列對(duì)山坡崩塌具有重要的影響，而通過(guò)排水溝排出巖間多余的水分，是防止崩塌的有效措施。特別是在喀斯特地區(qū)，下伏基巖面起伏不平，地表徑流滲漏，土壤結(jié)構(gòu)崩解，以及巖溶洞穴內(nèi)土壤的蠕滑遷移，導(dǎo)致地下滲漏成為主要的土壤流失途徑，其中，優(yōu)先流是重要的養(yǎng)分輸送載體[60-61]。我國(guó)廣泛分布黃土和黃土狀巖石，其中，黃土主要是第四紀(jì)風(fēng)力搬運(yùn)堆積的土狀物質(zhì)，粒級(jí)以粉砂粒為主，而黏粒及細(xì)砂粒較少。這種風(fēng)成黃土具有垂直節(jié)理，孔隙度大，抗蝕性弱，易遭受流水侵蝕。另外，四川盆地的紫色土，華南的紅壤、磚紅壤、黃壤，東北的灰化土，這些土壤的土層薄、有機(jī)質(zhì)少、持水力弱，植被一旦破壞，極易誘發(fā)水土流失[62]。土壤初始含水率越高，徑流及其攜帶氮磷養(yǎng)分的流失量越大，尤其是與0～20 cm土層含水率具有明顯的正相關(guān)性[63]。

3.2.2微生物性質(zhì)。土壤微生物通過(guò)代謝活動(dòng)過(guò)程中CO2和O2的交換，以及分泌有機(jī)酸等有助于促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，從而間接影響水土流失[64]。研究表明，土壤粗砂粒、中砂粒含量分別與細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量，微生物量碳/氮和微生物熵成顯著負(fù)相關(guān)性，與粉粒、黏粒含量均有明顯正相關(guān)性(P<0.05)[65]。在黃土高原子午嶺林區(qū)，發(fā)現(xiàn)土壤抗沖系數(shù)隨土壤微生物量增加而增強(qiáng)，并擬合成土壤抗沖性方程：y=-4.89+1.27x1+0.079x2+1.94E-3x3(R2=0.914，P<0.001)，其中，x3為微生物量[66]。在酸性坡耕地，土壤氨氧化古菌對(duì)土壤NO3--N流失的貢獻(xiàn)率高于氨氧化細(xì)菌[20]。此外，土壤酶是土壤中植物、動(dòng)物和微生物活動(dòng)的產(chǎn)物，直接參與土壤中許多重要的代謝過(guò)程，酶活性的變化會(huì)影響土壤中養(yǎng)分的釋放，進(jìn)而影響土壤養(yǎng)分流失[67]。綜上，土壤微生物與水土流失間具有極其緊密的聯(lián)系。

4　展望

水土流失是地形、土壤初始含水率、溫度、降雨、植被等多種因素相互影響和制約的集中表現(xiàn)。但不同山地水土流失片區(qū)的關(guān)鍵影響因子存在差異，同時(shí)，這些關(guān)鍵因子相互間耦合作用的方式和強(qiáng)弱也不同。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)不同典型山地水土流失區(qū)的影響機(jī)理研究。首先，應(yīng)加強(qiáng)土石山區(qū)、南方紅壤區(qū)和西南巖溶區(qū)等山地片區(qū)水土流失的關(guān)鍵影響因素研究。其次，加強(qiáng)水土流失與地下生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系的研究，尤其與地下植物根系的研究。最后，加強(qiáng)全球氣候變化條件下水土流失的影響機(jī)制的研究，如溫度上升、極端氣候等對(duì)水土流失產(chǎn)生新的影響，并加強(qiáng)自然和人文學(xué)科的交叉研究。同時(shí)，利用遙感、GIS等先進(jìn)的科技技術(shù)，進(jìn)行全坡面、小流域和更大尺度水土流失的監(jiān)測(cè)，以便更好地模擬較大尺度的水土流失，提高評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)精度?？傊?，隨著水土流失影響機(jī)理研究的不斷全面深入，有利于建立和完善土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，為采取有效措施阻控水土流失提供依據(jù)。

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Influencing Factors and Mechanisms of Soil Erosion in Mountainous Areas

WANG Li-min1,WENG Bo-qi2*,LUO Tao1et al

(1.Institute of Soil and Fertilizer,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou,Fujian 350013; 2.Institute of Agricultural Ecology,Fujian Academy of Agricultural Sciences,Fuzhou,Fujian 350013)

Features of ecosystem in mountainous areas were summarized firstly,and then the direct damage of soil erosion in mountainous areas to eroded areas and its indirect threat to surrounding environment were introduced.Meanwhile,the effects of topographic factors,climatic conditions,vegetation coverage,and human activities on soil erosion in mountainous areas were analyzed deeply.It is concluded that the extent of soil erosion is strongly influenced not only by slope length,slope gradient,precipitation,rainfall intensity,vegetative coverage,community structure,human economic and social activities,and soil properties but also by the dynamics of the vegetation-landform,soil-rainfall,rainfall-vegetation,climate-ecosystem,and production-interference interactions.Moreover,it is needed to investigate the responses of soil erosion to climate changes by modern technologies like remote sensing.This understanding of soil erosion mechanisms can provide scientific references for the prediction and control of soil erosion in hilly areas.

Soil erosion; Natural conditions; Human factors; Mountainous areas

S 157.1

A

0517-6611(2016)19-070-06

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2013BAD14B15); 福建省屬公益類(lèi)基本科研專(zhuān)項(xiàng)(2015R1022-2); 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院青年人才創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014CX-5); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD05B01)。

王利民 (1979- ),男,江西鷹潭人,助理研究員，博士,從事水土流失方面的研究。*通訊作者，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)生態(tài)方面的研究。

2016-05-18