土壤流失（精选7篇）
土壤流失 篇1
发表在2014年4月出版的《Science》上的一项研究成果表明, 大气中CO2水平的增加致使土壤中微生物产生更多的CO2, 加速了气候的改变。北亚利桑那大学领导了此项研究。这个研究成果挑战了先前关于CO2是如何在土壤中积累的认知。
人们普遍认为:CO2水平的增加促进了植物的生长, 它可使植物通过光合作用吸收更多的CO2。到目前为止, 一般认为由于碳在树木和土壤中长时间储藏, 减缓了气候改变。
而这个新的研究提出, 大量的碳为土壤中微生物提供了能量, 它的副产品 (例如CO2) 便释放到大气中去, 对气候改变起到了一定的作用。该论文的第一作者Kees Jan van Groenigen说, “我们的研究表明, 自然界在减慢全球变暖中并不如我们以前所想的那样有效。”联合国政府间气候变化专门委员会利用模型, 通过对CO2对土壤微生物作用的纵览有可能评估出土壤储藏碳并减缓温室效应的潜在能力。为了更好地了解土壤微生物是如何对变化中的大气做出反应的, 该研究的作者利用比较数据的统计技术进行模拟, 并对整个研究的一般模式进行了试验。他们分析了公开发表的来自全世界森林、草原和农田的53个不同实验数据。这些实验均测定了大气中的大量的CO2是如何影响植物生长的, 以及在实验结束时土壤碳的总量。
北亚利桑那大学的Bruce Hungate说, “长期以来我们认为土壤储存碳是稳而安全的, 但是我们的研究结果表明, 土壤碳并不如我们先前所认为的那样稳定。”“在减缓气候变化过程中, 我们不应该继续得意于获取来自大自然的恩赐。”
(摘自:《农业科技要闻》第148期 (总第1247期) , 日期:2014年7月15日)
土壤流失 篇2
关键词：坡耕地,养分流失,优先流,壤中流,地下径流
1 引言
坡耕地作为山区落后生产条件下人口与资源矛盾冲突中出现的产物,是重要的农业生产资源,其养分随水土流失进入河流及湖泊,使得水体富营养化。到20 世纪70 年代初坡耕地养分流失问题才引起人们的重视。湖泊的严重污染和肥料投入的增加都是养分迁移造成的,据统计,农业非点源污染已占中国全部污染的1/3,并有继续恶化的趋势[1],研究发现造成水体污染的真正根源是土壤养分的流失[2]。前人对养分随地表径流流失做了大量的研究工作,而对土壤养分随地下径流流失研究则较少,对优先流、壤中流等水分运动过程影响养分流失的研究还处于探索阶段。因此全面认识水分运动对养分流失的影响,能够有效减少土壤养分流失,防止面源污染。
2 坡耕地养分流失特征、途径及影响因素研究
降雨作用于表土,从而引起坡耕地养分流失,其与区域降雨过程密切相关而具有随机性,养分流失随径流进入水体且遍及广大地区而具有广泛性,养分流失在某个固定点无法监测到而具不确定性,随时间空间变化幅度大而具时空性,因养分流失达到一定数量,才反映土壤的贫瘠和退化而具滞后性与潜在威胁性,养分伴随径流产生分布于径流和泥沙中,使得监测、控制和处理的难度增加而具复杂性[3,4]。
土壤养分流失是受降雨特征及下垫面因素综合影响的物理化学过程,土壤养分淋失,土壤养分流失及通过气态挥发或粉尘进入大气是其3个主要途径。李俊波认为土壤养分流失途径为径流泥沙携带和径流水携带[5]。前人从不同角度认识养分流失途径,得到大量研究成果。近年来氮素淋失的研究受到众研究者广泛关注,国外采用同位素示踪等技术研究氮素淋失很多,氮素流失较少,二者相结合的研究更少。我国北方主要集中在降水条件和灌溉水对土壤氮磷淋失影响的研究,南方地区主要集中在红壤养分淋失规律及水稻土氮素流失的研究。
养分流失的特征及途径决定了其影响因素的多面性。降水是产流和产沙的原动力,径流又是携带养分的介质,所以降雨强度是坡耕地养分流失的主要影响因素之一[3,6],而降雨时间、地面坡度、坡长、土壤的理化性质、作物覆盖度、土地利用方式、整地方式等下垫面因素直接影响到坡面径流,故也是影响养分流失的主要因素。前人在人工降雨法或自然降雨条件下就不同影响因素展开地表径流造成的养分淋失、流失规律的研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27],但通常把淋失与流失分开研究,使全面评估农田养分流失对面源污染的影响受到局限。
3 土壤水分运动对坡耕地养分流失影响研究
3.1 优先流对坡耕地养分流失的影响研究
优先流是近年来针对土壤水运动所提出的术语,是一种较为常见的快速非平衡的土壤水分运动形式[28,29],作为快速到达深层土壤甚至地下的非均匀流,极大地影响了地表径流、地下径流的形成和运动过程与养分流失过程,诱发泥石流、滑坡及崩塌等灾害事件形成,其所运移的溶质会造成严重的地下水质恶化[29]。优先流现象作为土壤水分一种特殊运动形式成为当今世界水文学研究的重点和难点问题之一[30]。
目前优先流对坡耕地养分流失的影响的研究在国内报道较少,众学者从优先流的特征及影响因素进行研究[29,30,31,32],认为由于入渗水没有充分时间与土壤基质缓慢运移的其他部分保持平衡,使优先流在流动路径具有非平衡性。影响优先流的静态因素主要是土壤理化性质、生物因素和土壤初始含水量,动态因素为降雨强度、灌溉方法、耕作方式及干湿和冻融交替4个方面。一般呈聚集状分布的土壤大孔隙作为土壤中优先路径,一定区域内其数量、联通状况及分布特征影响优先流现象的发生[30];土壤初始含水量反映层状土壤上层物理特征,对优先流产生具有重要作用;Edwards和Essington研究表明土壤初始含水量较高时,施加农药,短时间的降雨使得农药的迁移路径很深[33,34]。降雨强度和灌溉方法影响优先流运动过程,耕作方式、冻融和干湿交替过程改变土壤的结构和孔隙度,从而导致优先流的形成。Gish认为免耕方式在增加土壤渗透性的同时,使得流向地下水中的污染物增加[35],牛健植也认为免耕地中的大型脊髓动物能够极大地驱动优先流产生[31]。区自清采用环割PVC土柱研究表明冻融和干湿交替过程造成土壤大孔隙及由此形成优先流[36]。秦耀东对关于土壤中大孔隙流方面的研究现状与进展做了详细论述[37]。何凡认为优先流流量主要决定于产流次雨量及前期影响雨量,当优先流与地表径流流量过程线为单峰时,二者线性关系随着产流次雨量及前期影响雨量的不同而有所差异[38]。牛健植研究表明土壤松散、多孔、孔隙度较大,低强度、低雨量级和长历时降雨,并具有较厚的地被物层和丰富的根系层这些诱发因素的存在,是优先流形成的条件[39]。王伟使用亮蓝染色法划分林地优先流发生区域,结果表明随土壤深度增加,大孔隙呈现出聚集态的分布且数量逐渐减少,“漏斗”状的孔隙有利于水分优先运移[40]。掌握优先流产生的影响因素,结合养分流失的特征,从而研究优先流对养分流失的影响对全面认识坡耕地养分流失有重要意义。
3.2 壤中流对坡耕地养分流失的影响研究
壤中流的形成源于土壤水在土壤内的流动,其与地表径流、地下径流一起构成流域的径流过程[41],也坡地径流的重要组成部分,对径流产生与养分流失等都有重要影响[42]。对壤中流的研究,国外集中于壤中流模型的研究,国内侧重于紫壤、红壤这两类土质坡耕地壤中流的形成、影响因素、产流特征及养分输出特征。
3.2.1 紫壤区坡耕地壤中流养分流失特征
壤中流的存在使得地表侵蚀状况发生变化,对养分输出特征产生影响。徐佩利用模拟降雨对紫色土坡耕地壤中产流特征进行研究,表明壤中流增大的主导因素在于土层较浅,耕作改善了土壤结构,增加水分入渗,以及缓坡条件,同时壤中流峰值流量随雨强增大而显著增加[43]。丁文峰,贾海燕采用人工降雨法研究三峡库区紫壤坡耕地壤中流形成,表明壤中流活跃,且土质越松散壤中流越大。在重力侵蚀中活跃的壤中流起到相当重要的促发作用,甚至由此促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式[44,45],这与以往研究的长江流域坡面侵蚀以面蚀为主的结论有所不同。郑侃应用坡面流-壤中流的耦合产流模型表明坡度对壤中流流量的影响也不明显[46],这与丁文峰等的研究有所不同。丁文峰采用4个不同坡度与5个不同雨强的组合实验来研究,表明虽总径流量中壤中流总量比例不高,但其携带养分含量却为地表径流养分含量的4.32～63倍[47],这与贾海燕研究结果不一致。壤中流携带而流失的养分还不成熟,仍需进一步的研究。
3.2.2 红壤区坡耕地壤中流养分流失特征
尹忠东在红壤缓坡面以地表植被覆盖、死地被物敷盖、裸地三类坡面和雨强的交互作用为研究对象,表明裸地壤中流量远小于采取保水措施后的地块,敷盖地各层壤中流量及总量均大于覆盖;覆盖小区底层壤中流量小于表层,而其它两小区则相反[48,49]。王峰以不同土地利用类型为基点,结合不同的降雨类型表明红壤区壤中流的形成因降雨类型不同而异[50]。褚利平研究表明烤烟坡耕地不同坡位各层壤中流总氮和总磷浓度变化趋势基本一致,但不同坡位壤中流中总磷浓度随深度的变化呈波动递减规律,随深度的增加变异系数变小[51]。
前人对壤中流的形成对养分流失研究的范围较小,且涉及到具体的养分流失量时,大多都与地表径流相结合研究,对氮、磷养分的研究较多,但欠缺对钾的研究。因此,在实践生产中,不仅要控制地表径流,更重要的是要提高土壤的持水能力,减少壤中流,从而能够控制养分流失。
3.3 地下径流对坡耕地养分流失的影响研究
地下径流是指渗入地下成为地下水,并以泉水或渗透水的形式泄入河道的那部分降水。国内对地下径流的研究集中在数字模拟法预报地下径流过程[52],其与地表径流的关系[53],地表-地下径流耦合模型在流域中的应用[54],以及对地下径流退水过程规律[55]等方面,而对地下径流影响土壤养分流失的研究则很少。李新虎采用大型土壤渗漏装置对百喜草覆盖、百喜草敷盖、裸露3种生态措施的地下径流养分流失问题进行了研究[56],表明3种生态措施下敷盖养分流失量最大,其次为覆盖,裸露最小;地下径流的养分主要来自上部土体养分的淋溶,淋溶作用越强则地下径流越大,养分流失也越多。目前对地下径流养分流失问题的研究很少且还处于探索阶段,要掌握地下径流对土壤养分流失影响需对养分随地下径流流失进行进一步的研究。
4 结语
从目前的研究来看,对坡耕地养分流失的体系研究不够完善,地表径流影响养分流失的研究趋于成熟,而忽视了优先流、壤中流和地下径流对养分流失影响的过程研究。优先流影响土壤养分流失还未定量化;对壤中流影响养分流失的研究较少,通常结合地表径流来研究,而缺乏与地下径流等其他过程的结合;对地下径流影响养分流失的研究甚少,还存在较大研究空间。
土壤流失 篇3
中国西南喀斯特地区因自然条件的特殊性和人类活动的不合理,大部分水土流失区的石漠化在短期内仍难以恢复,石漠化面积还将在一定程度上增加。喀斯特石漠化正在并将继续不同程度地威胁着各区生态、社会和经济的发展。石漠化是水土流失的结果,要治理石漠化,首先必须防治水土流失。喀斯特作用下形成的地表、地下介质复杂且分布不均一的双重孔隙结构,也导致土壤除了地表流失之外还存在着地下的漏失。周念清等通过研究普定岩溶区水土漏失提出地下漏失是岩溶地区水土流失不可忽视的重要因素。水土流失是自然资源破坏的主要发生形式,而流失过程中所携带的泥沙、氮等营养元素更是造成水体富营养化的主要污染途径之一。
2 研究区概况与研究方法
花江喀斯特峡谷研究区总面积47.9km2,海拔500~1200m,相对高差700m,峡谷北侧岩层倾角在50~70°,峡谷南坡岩层倾角多在10~20°,出露地层主要为中、上三叠统地层,有杨柳组、垄头组碳酸盐岩组,基岩裸露面积大,碳酸盐岩广泛分布,地表岩石破碎,降雨对岩石的溶蚀作用强烈,发育大量的溶洞、地下暗河、地下通道、落水洞、漏斗、竖井等,水土流失严重,生态环境脆弱。
选取区域内沙洞、唐家溶洞和熊洞三个洞穴,分别在地表以及洞内设置采样点,洞内采样点从洞口起每5米一个,每个样点分别取3个土壤剖面混合,每个剖面不足10cm的按实际深度进行取样,其中每5cm为一层,取每层的混合样,约1.5kg,室内风干,过100目筛,4℃保存,用于土壤氮的测定。其中全氮测量采用半微量开氏法,碱解氮测量采用KJeltec 8400全自动定氮仪测量。
3 结果与讨论
每个洞穴采集13个样点,每个点相隔5m,各洞穴内部土壤从洞口到洞穴内部碱解氮与全氮变化分布如图一所示。
在地表氮元素空间分异上,在生态环境较好的唐家溶洞,人为干扰减少,土壤全氮和碱解氮的含量显著较高,地表全氮达到12.31g/kg和碱解氮达到163mg/kg,远远高于沙洞和熊洞地表氮元素含量,关于不同环境特征对土壤氮元素影响的研究,与前人做的研究相一致,尤其在喀斯特不同退化程度的地区,人为干扰强度增加使土壤氮元素含量显著降低。
从洞口到洞穴内部,全氮和碱解氮含量都是一个逐渐减少的过程,无论哪个洞穴,总趋势都是一致的。由于该区域地表水流与地下水流的水平与垂直交替强烈,并且水力坡度大,地表降雨时极易挟土壤沿裂隙、节理、溶蚀管道快速漏失。同时在洞穴内部,土壤也发生沉积,三个洞穴的坡度均较平缓,所以越往洞穴内部,土壤沉积量就越少,大部分土壤沉积在洞口,而在洞穴内部,流水挟沙量小,且不断的对沉积的土壤产生淋溶作用,所以洞穴内部土壤氮元素含量较少。
微地貌部位对沉积土壤的氮元素含量也会产生影响。如唐家溶洞样点二、样点十,沙洞的样点五,熊洞样点五、样点八,都产生了氮元素含量突然增加的状况。降雨后土壤随径流向下迁移,进入洞穴内部后,在上述这些区域,由于是窝穴、洼地地形从而地势较低,周围地下水都向洼地汇集,土壤产生了沉积且由于洼地底部不透水,从而导致氮元素沉积且逐渐积累,从而导致这些样点的氮元素含量偏高。
4 结论
喀斯特峡谷区土壤通过洞穴系统产生的地下漏失过程,导致氮元素在地下洞穴空间分布上存在着明显的差异,喀斯特地下系统的空间格局差异影响着沉积特征,从而对沉积土壤的理化性质产生影响。
参考文献
[1]单洋天.于炳松.李朝晖等.我国西南地区岩溶石漠化趋势及可持续发展研究[J].安徽农业科学,2009(2).
土壤流失 篇4
土壤养分流失与土壤侵蚀发生过程及面源污染的产生息息相关。伴随着土壤侵蚀, 附着在土壤颗粒表面上的各种养分随之流失。土壤养分流失途径主要表现为两种形式, 径流泥沙携带和径流水携带, 氮磷流失的60%以上是通过泥沙带走的, 部分氮、磷以液态形式随地表径流迁移[1]。
土壤氮磷流失受地理、气候、土壤和人为活动等多种因素影响, 使得对土壤氮磷流失的控制和治理有很大难度。同时土壤氮磷的流失已经对生态环境造成了很大的压力[2]。随着化肥用量的不断增加, 土壤侵蚀导致养分流失所引起的环境问题将越来越严重。因此, 深入研究养分流失机理和影响因素, 建立高效的肥料综合管理措施, 从而实现提高农业产量和减轻环境污染的目的, 已成为迫在眉睫的课题。本试验旨在研究影响不同耕作方式和植被覆盖条件下水土流失及土壤养分流失的规律, 以促进我国在农业非点源污染的研究。
二、研究区概况
研究区位于辽河铁岭段一级支流寇河上游的泉河沟流域。该区域全流域面积18km2, 流域地势东高西低, 河道长8.5公里, 有较大支沟22条, 小侵蚀沟378条。该流域为低山丘陵区, 坡度在5°~40°之间, 在铁岭市东部山区具有较好的代表性。根据西丰县气象资料统计在多年平均降雨量为750毫米, 分布极不平衡。6、7、8月或7、8、9月三个月的降雨量可占全年降雨量的70%以上, 多年平均气温为5.1℃, 相对湿度为68%, 年蒸发量为1385毫米, 无霜期137天。该流域为石质山区, 土层厚度30~60厘米, 多为轻壤土。农作物以玉米为主。
三、试验方法
1. 径流小区设计
试验在辽宁泉河水土保持试验站进行, 试验标准小区位于铁岭市西丰县泉河村北山南坡的坡面上。坡耕地试验区, 设有20米×5米的试验小区20个, 由上向下依次为15°、10°和6°三种坡度, 对不同坡度、不同耕作方式的径流小区分别设置3~4个重复, 小区内种植玉米。自然坡地试验标准小区2个, 20米×5米, 坡度为30°。试验小区两侧各设3米宽的隔离区, 用砌石做埂, 水泥砂浆抹面, 坡面上侧设置排水沟, 防止上方来水造成试验误差, 下部直接与浆砌石的集水池相接。各径流小区坡度及耕作方式见表1。
2. 试验设计
本试验在2008年观测记录全年出现的侵蚀性降雨, 选取典型降雨记录产流量和产沙量;同时对接取的坡面径流量进行检测分析, 检测p H、COD、TP、TN、NH3-N、高锰酸盐指数和悬浮物, 计算土壤养分的流失量, 以分析不同耕作方式下土壤养分流失量及其规律。
3. 试验区土壤性质
试验区土壤性质见表2。
四、结果与分析
1. 降雨特征分析
从上图可看出, 6月29日降雨强度开始逐渐增大, 至0:00雨强度达到最大时段, 坡面开始产流。随后雨强度减小, 直至降雨结束。7月11日降雨开始雨强度迅速升高, 坡面开始产流, 以后坡面产流逐渐趋于停止;22:00雨强度达到第二个峰值, 随后产流停止, 直至降雨结束。7月15日降雨和7月31日两次暴雨过程的规律相似:降雨历时长, 降雨量相差不大, 雨强度波动频率大。两次暴雨过程中坡面产流随降雨的变化表现多次中止现象, 产流历时长, 流量相对稳定。
2. 不同耕作方式及植被覆盖对水土流失量的影响
很多学者对顺垄耕作、横垄耕作条件下, 坡面土壤侵蚀的规律做了研究, 表明在相同的降雨条件下, 横垄耕作可有效降低坡耕地的土壤侵蚀量, 而顺垄耕作的保水、保土和保肥效果低。
本研究选取玉米顺垄、玉米横垄及天然植被三种不同坡面处理方式, 通过四次降雨过程中坡面侵蚀产沙量的对比, 分析不同耕作方式及植被覆盖对水土流失量的影响。见下图。
从上图可以看出, 相同降雨条件下, 玉米顺垄耕作和横垄耕作对坡面侵蚀产流的影响较大, 二者的侵蚀产沙量有明显差别。
6月29日降雨中, 玉米顺垄耕作 (6°、10°和15°) 坡面上, 土壤侵蚀产沙量为3.15千克、10.11千克和26.09千克, 玉米横垄耕作 (6°、10°和15°) 产沙量为2.76千克、5.9千克和24.93千克, 顺垄产沙量分别是横垄的1.14、1.71和1.05倍。
7月11日降雨中, 玉米顺垄耕作 (6°、10°和15°) 坡面上, 土壤平均侵蚀产沙量为6.43千克、15.36千克和28.35千克, 玉米横垄 (6°、10°和15°) 三个坡面上产沙量为3.39千克、2.78千克和15.50千克, 顺垄产沙量分别是横垄的1.90倍、5.52倍和1.83倍。
7月15日降雨中, 玉米顺垄耕作 (6°、10°和15°坡面上, 土壤平均侵蚀产沙量分别是横垄的2.17倍、1.60倍和1.38倍。7月31日降雨中, 玉米顺垄耕作三个坡面平均侵蚀产沙量分别是横垄的1.23倍、1.06倍和1.44倍。
综上, 玉米横垄处理可有效减少降雨对坡面的侵蚀。在小于强降雨及降雨初期, 玉米横垄对坡面产流的拦截蓄水作用最为明显。由于降落到坡面的雨滴, 经土埂拦截后, 蓄积在土埂内, 避免了坡面地表径流的产生, 延长了径流的入渗时间, 增大了径流入渗量。当土埂内水流蓄满后, 坡面径流开始向下坡流动, 受土埂的扰动阻滞, 径流流速同顺垄相比显著降低。
玉米顺垄小区由于土埂顺坡面修建, 利于降雨径流顺坡面下泄, 同时径流向土埂间的沟地汇集顺坡下泄, 水流流速在重力作用下逐渐增大, 径流的剥蚀能力和挟沙能力逐渐增强, 坡面侵蚀产沙升高。
对于30°自然坡面, 尽管坡度相对较大, 但由于坡面的天然植被及枯枝落叶层及地下根系的截留、蓄水和保土, 使该小区的侵蚀产沙量较低。因此对于大于25°的坡耕地实行退耕还田或封山育林, 对于防治水土流失, 降低坡耕地的面源污染是十分必要的。
3. 不同耕作方式及植被覆盖对水土流失中养分流失的影响
在相同降雨条件下, 平作的地表径流量最大, 土壤侵蚀也最剧烈。横坡垄作在中小雨强条件下控制地表径流和侵蚀的效果非常明显, 但在大雨强条件下, 控制径流和泥沙的效果减弱。雨强及耕作方式对地表、地下径流的养分浓度影响不大, 总氮的流失在中小雨强时以速效水溶态为主, 并主要通过地下径流流失, 而通过地表径流损失的氮相对较小。磷的流失以颗粒态 (难溶性形态或紧密吸附于土壤) 为主, 载体是泥沙, 因而磷在地表及地下径流中的浓度都很低, 且差异不大, 表明磷在土壤中移动性很小, 不易被淋失。坡面不同耕作方式及植被覆盖下土壤平均养分流失量见表3。
从表3中可以看出, 雨强越大, 土壤侵蚀量越大, 流失泥沙带走的养分也越多。不同耕作方式中, 玉米顺垄平作造成的养分流失量最大, 横坡垄作能有效控制土壤侵蚀, 减少土壤养分流失, 特别是在中小雨强条件下效果非常显著。
雨强越大, 土壤总氮、总磷的损失量也越大, 总磷比总氮更易受雨强的影响。因为磷的流失途径主要是泥沙, 雨强增加, 泥沙量增加, 流失量随之增加。氮的流失在雨强较小时主要通过径流, 径流中又以地下径流为主;当雨强较大时, 通过泥沙流失的氮的数量也很大。要控制氮流失, 首先必须控制地下径流。要控制磷流失, 控制土壤流失即可。横坡垄作在中小雨强下可以很好的控制地表径流和土壤侵蚀, 也能控制磷的流失, 但增加了地下径流量, 加剧了氮的流失, 特别是施入土壤的可溶性氮肥的流失, 将造成氮的面源污染。
对于30°自然坡面, 由于天然植被的覆盖和枯枝落叶层的作用有效地起到了保水、保土和保肥的“三保”作用, 其土壤养分流失量低于其它三个坡度。
五、小结
通过在野外标准小区不同耕作方式及植被覆盖下降雨径流进行采集和检测, 计算出次降雨过程中水土流失中的养分流失量。结论如下: (1) 在相同降雨条件下, 顺垄耕作的坡面侵蚀产沙量大于横垄耕作。对于30°天然坡面, 其次降雨过程平均侵蚀产沙量远小于 (6°、10°、15°) 径流小区的平均侵蚀产沙量。 (2) 在次降雨过程中, 玉米顺垄耕作土壤养分的流失量大于横垄耕作, 对于30°自然坡面, 由于天然植被的覆盖和枯枝落叶层的作用有效地起到了保水、保土和保肥的“三保”作用, 其土壤养分流失量低于其它三个坡度。
参考文献
[1]王金九, 王力, 李世清.坡地土壤养分迁移与流失影响因素研究进展[J].西北农林科技大学学报, 2007, 35 (12) :109-119.
[2]刘青泉, 陈力, 李家春.坡度对坡面土壤侵蚀的影响分析.应用数学和力学, 2001, (5) :449-456.
土壤流失 篇5
水是人类最宝贵的资源, 但随着工业的发展, 世界范围内的饮用水源污染越来越严重。目前饮用水重金属污染危害健康, 形势严峻。汞作为有毒污染物已经引起了世界各国科学家的高度重视。对于人体来讲, 饮用水中的汞被认为是一个很重要的暴露途径[1]。1931年, 发生在日本的水俣病就是由于人们食用被工厂废水所污染的鱼等而引起的甲基汞中毒。百花湖水库作为贵州省省会城市的主要饮用水源之一, 由于曾受到上游某有机化工厂排放的含汞废水的影响, 其生态系统的可持续发展受到了影响, 对人们的身体健康造成了潜在危害[2]。日本海外协力集团调查证明, 因百花湖上游农田土壤曾利用含汞废水灌溉, 造成被污染土壤中汞含量达723 mg/kg, 被污染土壤面积117.4 hm2, 其中需要紧急处理的为60 hm2, 主要集中在0～30 cm土层。贵州省环境科学研究设计院瞿丽雅、张军方估算60 hm2 (深30 cm) 土壤干重为1.404×105 t。目前虽然汞污染源已切断, 但当地土壤汞污染较为严重, 如不及时治理, 极有可能形成二次污染源, 污染下游百花湖水库。试验初步证明[3], 稻田土壤中汞在降雨作用下有一定流失, 土壤溶出液中汞的浓度超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水体标准, 而流失的汞通过地表径流进入百花湖水库, 饮水安全可能受到威胁。
本文通过实验室土柱淋溶实验, 研究汞污染稻田土壤中汞的流失行为, 并初步分析其对百花湖水库饮水安全的影响, 为保护该水库水质、修复汞污染土壤提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 供试土壤
选取距清镇地区原某有机化工厂总排口以下1.5 km处的稻田土作为供试土壤, 取其0～30 cm深的土壤, 风干过2 mm筛备用。供试土壤理化性质见表1。
1.2 试验方法
供试装置为直径10 cm、长40 cm的硬质PVC管, 供试用石英及纱窗布等用5%的HNO3浸泡, 然
后洗净晾干。土柱 (带堵头) 柱底先加一薄层石英 (粒径<2 mm) , 接着铺纱窗布, 然后装土, 土柱高度30 cm, 质量2.5 kg, 装柱完毕后用去离子水浸泡至饱和。在堵头中部开一小孔 (孔径2 mm) , 便于收集土壤淋溶液。淋溶液采用清镇地区降雨, 并用去离子水作对比试验。根据清镇多年降雨中pH值的平均情况, 用5%的HNO3及2%的NaOH溶液调节降雨pH值为5.12、7.74, 调节去离子水pH值为2.50、6.50、10.50。模拟雨水按清镇常年降雨量 (1 186.7 mm) 的45%计入土壤渗入量[4], 10 cm土柱年承接雨量约4 L。土柱淋溶采用定量、定时从土柱上部注入淋溶液, 每天淋溶1次, 每次1 L, 淋溶时间6～10 h, 共淋溶32天。每次待土壤落干后收集土壤淋溶液, 测定其含汞量, 每淋完1 L后, 隔12 h进行下一次淋溶。
2 土壤基本性质及总汞的测定方法
土壤pH值、水分、容重、有机质等采用土壤常规分析法测定, 总汞采用GB/T 15555.1—1995《冷原子吸收分光光度法》测定。
3 结果与讨论
3.1 稻田土壤汞的溶出量
稻田土壤经淋溶后, 土壤汞的溶出是明显的, 各土柱收集的土壤淋溶液中汞的浓度为0.06～6.94 μg/L。汞溶出累计量随着淋溶量 (次数) 的增加而增加。土壤经32 L的模拟降雨淋洗后, 汞溶出量累计高达1 932.8 μg;去离子水作用下达956.3 μg。降雨作用下汞溶出的累计量比去离子水大。各处理土柱汞的溶出累计量见图1。
3.2 土壤淋溶液中汞浓度的变化
经过32 L pH为5.12、7.74的降雨及pH为2.50、6.50、10.50的去离子水淋溶后, 各土壤淋溶液的汞浓度前期波动较大, 后渐趋平缓 (图2、3) , 这与李静等人的研究一致[5]。淋溶1 L时, 降雨pH为5.12、7.74条件下汞溶出浓度均达到最大, 分别为2.91、6.19 μg/L, 随着淋溶次数的增加, 汞浓度逐渐减少, 在淋溶到第19～22次后, 已趋于平衡, 说明经过长期淋洗, 土壤中易淋失的汞大部分已被淋滤。去离子水作用下差异较大, 淋溶到第2～3次时, pH为2.50、6.50、10.50的三种淋溶液中汞溶出浓度达到最大, 淋溶到第25～27次后才趋于平衡。
3.3 土壤淋溶液汞浓度与pH的关系
经pH为2.50、6.50、10.50的去离子水淋溶后, pH为6.50和10.50的土壤淋溶液中汞溶出浓度始终保持较高, pH为2.50的则较低。pH为5.12、7.74的降雨淋溶也表明, pH为7.74的土壤淋溶液中汞浓度较高, pH为5.12的则偏低。同时随着pH值的升高, 汞污染土壤淋溶液中汞溶出的变化规律为逐渐增多。在本试验条件下, 淋溶液的pH为6.50～10.50时土壤汞更容易溶出。
3.4 土壤汞的流失对饮用水源的影响分析
与GB 3838—2002《地表水环境质量标准》对照, 各土壤淋溶液中汞浓度超过Ⅱ类水体标准 (≤0.000 05 mg/L) 的占68.8%以上, 其中采用降雨淋溶处理的土壤淋溶液中汞浓度超标的占68.5%, 采用去离子水淋溶处理的占50.0%。可见, 清镇地区汞污染土壤中汞随着地表径流可能向附近区域迁移, 由于区域地表径流的排水去向最终到达的是百花湖水库, 因此, 被汞严重污染的土壤可能会成为二次污染源, 对百花湖水库水质构成一定的影响。若将60 hm2的重汞污染稻田土壤视为二次污染源, 粗略保守估算, 经pH 5.12、7.74的降雨8年淋溶后, 汞溶出总量达35.9、108.5 kg (表2) 。
这些土壤中的汞经降雨淋溶溶出后, 可能会通过地表径流进入百花湖水库, 对其水质造成一定的影响, 应引起足够重视, 尽快采取对策措施, 对这些高汞污染土壤进行修复处理。
目前研究的修复方法有:填埋或原地、异地封存法、土壤淋洗法、吸收法、低温热解法、凝固法、生物处理法、植物修复法等。
其中植物修复法是目前研究的热点, 但对于重汞污染的土壤修复, 如不通过前处理来降低土壤中汞的浓度和毒性, 这种方法结果并不使研究者感到乐观[3]。土壤淋洗技术被认为是一种可广泛应用、很有潜力的修复方法[6], 美国曾应用淋滤法和洗土法成功地治理了包括汞在内的八种重金属污染土壤。Shim和Ta1ei[7]采用磷酸来萃取污泥中的重金属, 用不同浓度的磷酸可以基本去除包括汞在内的三种重金属。Wasay等[8]的研究表明, 柠檬酸、酒石酸、草酸对黏质土壤汞的去除率为91%～92%。土壤淋洗法尤其适用于小面积严重污染土壤的治理[9]。低温热解处理重汞污染的土壤也引起人们十分的关注[4,10], 其优势在于:土壤不被遗弃, 土壤中汞可回收再利用;处理被汞污染的土壤可一次到位, 不用担心土壤汞的二次污染。
4 结论
(1) 淋溶试验下被汞严重污染的土壤中汞的溶出比较明显, 淋溶后土壤淋溶液中的汞浓度为0.06～6.94 μg/L。各土柱淋溶到1～3 L时, 土壤淋溶液中汞浓度达到最大, 后逐渐减少, 淋溶到第19～27 L后趋于平衡。淋溶液的pH为6.50～10.50时土壤汞更容易溶出。
(2) 降雨作用下土壤淋溶液中汞浓度超过GB 3838—2002Ⅱ类水体标准的占68.5%。土壤中汞溶出后可能会随着地表径流到达百花湖水库, 对其水质构成一定的影响。
清镇地区汞污染土壤汞的流失可能会对下游百花湖水库的饮水安全构成一定的威胁, 应引起足够重视, 尽快采取对策措施, 对该汞污染土壤进行修复处理。
摘要：通过模拟降雨对被汞严重污染土壤的淋溶实验, 研究了土壤汞的流失情况, 并初步分析其对百花湖水库的影响。结果表明:汞的溶出比较明显, 土壤淋溶液中汞浓度在淋溶前期最大, 后逐渐减少, 到中后期趋于平衡, 淋溶液pH为6.5010.50时土壤汞更易溶出。土壤淋溶液中汞浓度超过GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅱ类水体的占68.5%。汞污染土壤可能会形成二次污染源, 对百花湖水库的饮水安全构成一定威胁, 应引起足够重视。
关键词：土壤,汞污染,淋溶,百花湖,影响
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土壤流失 篇6
1 研究地点及方法
1.1 研究地点概况
试验区位于定西市安家沟流域内, 地理坐标104°37′10″E , 35°35′10″N, 气候属中温带半干旱区, 平均气温6.3℃, ≥10℃的年积温2239.1℃, 极端最高温 34.3℃, 极端最低温-27.1℃, 多年平均降水量427mm, 年最大降水量719.10mm, 最大雨强1.78mm/min, 空气相对湿度65.8 %, 日照时间2408.62 h, 无霜期141d, 年蒸发量1510mm。试验区1984-1998 年15年间总降水量6495.4mm, 总降水时间1478d, 日降水10mm以下的时间1274d, 占总降水时间的86.2%, 累计降水量占总降水量的45.42 %。表1为2004年退耕后试验区土壤基本性质。
1.2 供试材料
供试材料为1~3 年生沙打旺 (Astragelus adsurgens Pall) , 紫花苜蓿 (Medicago sativa L.) , 为使试验具有可比较性, 试验地选择上坡位退耕地, 二者在黄土丘陵地区均为典型牧草当家品种[3]。
1.3 试验方法
试验开始于2004年5月, 在径流小区中完成。小区四周用水泥挡板分隔, 坡度13°, 共有7个径流小区, 小区投影长20m, 宽7m。2004年5月20日在其中两个小区分别播种沙打旺和紫花苜蓿;2005年5月和2006年5月又分别在其余的四个小区撒播沙打旺和紫花苜蓿, , 当年以保苗为主;在2007年5月初开始每月定期观测土壤水分, 测量株高, 并且钻取0~30cm、30~60cm、60~100cm的土壤样品, 进行室内化学分析。整个试验过程人那个不施用任何肥料, 适时取出杂草。
径流泥沙测定方法 每个小区的径流泥沙通过集流槽收集到日记式水位计中, 通过水位流量关系计算每次降雨的径流量, 取样分析径流中泥沙含量计算泥沙量, 合计每次降雨的径流泥沙量即得年径流深和土壤流失量[7]。小区在初建时坡面平整, 坡度均匀为20° (如果有差异, 通过人工整理后达到试验要求) 。
土壤全磷用H2SO4-HClO4消煮, 钼兰比色, UV -2300 speetro photometer测定;土壤全氮用 H2SO4+ (Cu- Se) 催化剂消煮, 2300 Kjeltec Analyzer Unit 定氮仪测定;土壤有机质测定采用H2SO4-K2Cr7O4外加热容量法[3]。
数据用SAS统计分析软件和 Excel 2000进行分析处理。
2 研究结果
2.1 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地水土流失的影响
表2是不同豆科牧草退耕地2007年径流深及土壤侵蚀量。从表2可以看出, 种植牧草可以显著减少径流量和土壤流失量。在栽种牧草的第2年, 径流减少 26.9%~33.3%, 泥沙减少 67.3%~71.3%, 在牧草种植3年后, 径流减少61.9%~70.6%, 泥沙减少85.1%~89.2%, 说明退耕地种植牧草控制水土流失的效果不仅好, 而且见效快。紫花苜蓿草地控制水土流失的效果比沙打旺的效果好, 紫花苜蓿牧草地小区的径流和泥沙分别比沙打旺小区减少了22.9%和26.7%。因为牧草的能拦截径流, 减缓径流速度, 使径流有更长时间入渗。且紫花苜蓿丛生形成的根系比沙打旺的更密集一些, 拦截效果更好。
2.2 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地土壤有机质空间分布的影响
所有处理3个密度下土壤有机质剖面分布与对照裸地相同, 在2m深度范围内均呈典型的“s”形分布 (图1) 。这与该地区土壤形成条件及多年土地利用方式有关。试验开始前作物种植以冬小麦一夏玉米轮作为主, 连续多年很少施用有机肥, 土壤有机质的来源主要为归还的植物根茬和枯落物。30cm以上由于根茬输入较多, 土壤有机质处于向上相对积累状态;30~60cm根系相对上层较少, 土壤有机养分的物质循环在这一深度范围内处于相对稳定平衡状态;60cm以下随着根生物量补充的减少, 土壤有机质基本上处于不断消耗状态, 这与彭令发等的长期定位试验结果[8]相符。
在牧草种植前两年, 0~100cm土层有机质和对照基本接近。种植三年以后, 上层0~30cm 土壤有机质均高于对照, 沙打旺草地有机质含量最高 (14.26g/kg-1) , 比对照高7.6%;而30~100cm草地土壤有机质含量和对照相差不多。这些结果表明, 两种豆科牧草在0~30cm由于枯落物和根茬的输入对土壤有机质的积累作用较明显, 并且沙打旺对土壤有机质的累计贡献作用高于紫花苜蓿。从土壤有机质累积角度看, 本研究中沙打旺无论播种密度大小均能显著提高土壤有机质的积累, 生长3年可以使土壤有机质平均净增3.51%;苜蓿较差, 播种三年后土壤有机质平均净增2.61%, 而据李丽霞[9]在河西走廊的研究结果显示, 7年生苜蓿可使土壤有机碳含量增加25%, 在黄土丘陵地区是否如此有待我们进一步研究证实。
2.3 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地土壤N空间分布的影响
土壤全氮剖面分布与有机质相似, 呈典型的“s”变化 (图2 ) 。土壤有机质和氮素的消长主要取决于生物积累和分解作用的强弱、气候、植被、耕作制度等, 尤其是水热条件。试验所在的黄土塬区属干旱半湿润气候, 蒸发大于降水, 淋溶作用不强, 土层深厚, 地下水不参与土壤水分循环, 这样的自然条件加上多年农业利用, 使得1m深度范围内土壤有机质和全氮的“s”形剖面变化较为典型。
试验期间没有施肥, 土壤氮素变化主要受植物生长和利用的影响。豆科植物均有固氮作用, 对土壤氮素的影响与其生长需求和固氮能力的相对强弱有关。在两种牧草中, 沙打旺和苜蓿60cm以下土壤氮含量均极显著低于对照和其他处理, 60cm以上含量明显偏高 (图2) , 说明这两种牧草上层根系固氮能力强于下层, 原因可能是下层根系多为当年的新生根, 根瘤菌形成较少, 固氮能力较弱, 主要起吸收水分和养分的作用。
2.4 豆科牧草对黄土丘陵沟壑区退耕地土壤P空间分布的影响
图3为两种豆科牧草在不同种植年限土壤全磷剖面分布情况。所有处理变化趋势相同, 上层0~30cm全磷含量最高, 平均0.70~0.72g·kg-1;最低含量出现在1m深度上, 平均0.52g·kg-1 (图3) 。沿剖面土壤全磷含量的整体变化呈抛物线形。总体来说, 各处理土壤剖面全磷含量均略低于对照, 但不显著, 且三年生比一年生明显。在无外加磷情况下, 土壤磷素循环主要在土壤、植物和微生物间进行[10], 其过程为植物吸收土壤有效磷, 动植物残体磷返回土壤再循环以及土壤有机磷和各种形态无机磷之间的转换。由于测定指标为全磷, 无法反映系统内发生的活跃循环过程, 但可以很好地反映循环结果。全磷剖面分布结果表明各处理上层土壤磷库变化微小, 中下层库存均有不同程度减少, 说明牧草在无外加磷源情况下吸收了下层土壤磷素, 并对土壤磷有表聚作用。杨玉海等也曾报道, 连续4年种植苜蓿且没有任何施肥情况下0~30cm耕层土壤全磷含量比每年施肥的传统耕作土壤高。这可能是深根性豆科牧草的又一优势, 即在不施肥情况下可以吸收利用深层土壤养分并通过生物表聚改善耕层土壤养分条件;而在传统耕作模式小麦一玉米轮作中, 尤其是长期施肥情况下, 作物吸磷量90%来自0~20cm土壤[11]。
3 结论
在黄土丘陵坡耕地栽种牧草可以显著减少径流量和泥沙流失量, 且见效快, 并且豆科牧草可提高土壤有机质, 培肥土壤。
两种牧草在不同生长年限土壤剖面有机质、全氮和全磷含量均呈典型的“s”形分布。各处理土壤有机质在上层均不同程度的累积;土壤全氮含量受不同处理种群生长对氮素的需求和本身固氮能力双重影响, 土壤上层含氮量偏高;沙打旺和苜蓿在60cm以上土壤固氮能力最强, 底层较弱。各处理土壤全磷含量全剖面均比对照略低, 多年生比一年生草地突出。
土壤有机质的累积与牧草生长年限呈正相关, 不同牧草对其贡献不同, 沙打旺表现最好, 两种牧草均能显著提高土壤有机质的累积量, 苜蓿和沙打旺低密度种植对土壤有机质的积累作用不明显。随着豆科牧草生长年限的增加, 不仅能够降低对土壤氮素的消耗, 还能显著提高群体固氮能力, 并且紫花苜蓿的固氮能力强于沙打旺。提高种植密度可降低土壤磷输出比率, 有利于土壤磷素的活化和有效利用。
摘要：利用长期定位小区试验, 研究了紫花苜蓿和沙打旺对黄土丘陵地区退耕地水土流失及土壤肥力的影响规律, 旨在弄清豆科牧草在黄土丘陵沟壑区退耕地上提高土壤肥力的作用与效果, 对不同比重年限的沙打旺和紫花苜蓿对土壤有机质、全氮、全磷剖面分布的影响进行了定量分析。研究发现, 退耕地种植豆科牧草3年后, 径流减少61.9%70.6%, 泥沙减少85.1%89.2%, 说明退耕地种植牧草控制水土流失的效果不仅好, 而且见效快。所有处理土壤全氮、全磷和有机质含量在土壤剖面1m深度范围内均呈典型的“s”形分布。两种豆科牧草均可显著提高土壤有机质累积, 紫花苜蓿的固氮能力强于沙打旺。提高种植密度可降低土壤磷输出比率, 有利于土壤磷素的活化和有效利用。
关键词：豆科牧草,土壤侵蚀,土壤养分,退耕地,黄土丘陵沟壑区
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土壤流失 篇7
针对这一情况,川中紫色土区被列入长江上游水土流失重点防治工程(即“长治”工程,)的核心区域之一。“长治”工程实施至今已有20年,在全国共7片10省(市)开展水土流失防治工作,是我国最大的生态建设示范工程。工程提出了以小流域为单元进行综合治理,把优化土地利用结构作为主要治理措施的治理模式,在包括川中紫色土区的实施区域得以贯彻实施。分析土地利用结构与土壤流失关系对于“长治”工程实施具有重要参考意义。
土地利用与土壤流失关系的研究是学科热点问题,取得了大量研究成果。研究从特定土地利用类型与土壤流失的关系、土地利用结构对土壤流失的影响等不同角度展开。许多研究表明,特定的土地利用类型与土壤流失有一定的相关性[1]。耕地的土壤侵蚀情况最为严重,林地、草地对于土壤流失的影响也很大[2]。东北黑土区结构性参数与侵蚀关系的研究表明,顺坡垄农田面积百分比与香农多样性指数对土壤侵蚀模数的影响较大[3]。从研究手段上来说,土地利用类型、土壤侵蚀数据的获得包括遥感[4]、元素示踪法[5]、实地调查方法[6,7]等,根据统计数据研究分析土地利用与土壤侵蚀关系的研究较为少见。不同角度的研究各有优劣,前者更注重数据精度,但是样本量常常很小,甚至有的研究只具备典型意义,而后者则因为样本量很大,具有很强的普遍性。
本文利用“长治”五期工程川中丘陵区4市13县重点治理的小流域土地利用类型与土壤侵蚀数据,分析土地利用结构与土壤侵蚀关系,以期为区域水土保持工作提供理论依据。
1 研究区概况
川中丘陵区位于四川盆地中部,长江以北,剑阁、苍溪、仪陇等县以南,龙泉山以东、华莹山以西,包括9个市地49个县市。土地面积1200万hm2,耕地面积占29.5%,林地面积占21.3%,水域面积占7.5%;在紫色丘陵区内低山占21.4%,中丘占25.5%,深丘占25.5%。
地势大体北高南低,出露地层主要为中生界侏罗系中上统的紫红色泥岩和沙岩,土壤主要为紫色土。地貌主要为中、浅切割的丘陵地貌,海拔高度一般在300-700m。气候属亚热带湿润季风气候,具有冬暖、春早、夏热、秋雨、湿度大、云雾多、日照少等特点。该区雨量充沛,无霜期长,年均降雨量在1000 mm左右,降雨主要集中在每年5-9月,无霜期约280-330d,年均气温17℃左右。
四川省水土流失面积和土壤侵蚀量均占整个长江上游总量的70%以上,川中丘陵区又是该省水土流失最严重的地区,其流失面积占长江上游的21.19%,土壤侵蚀量占24%,遥感普查公布的侵蚀强度多在中度以上,侵蚀模数>3000t/km2·a。
2 研究方法
2.1 研究对象选择
农作型小流域是指农耕地占地率大于60%的小流域。研究区内“长治”工程第五期治理的小流域平均农耕地占地率为64%,选择农耕地占地率大于平均值的小流域作为对象,研究更有针对性,结论实用性更强。从土地利用结构变迁过程来看,这类用地结构从一定程度上起源于20世纪50、60年代的毁林造田运动,以这类小流域为研究对象,能从土壤侵蚀角度分析政策措施对环境的影响。此外从建模过程看,以分段回归的思想,选择部分样本建模显著性水平和模型拟合优度更高,模型的解释意义更强。所选取的小流域为四川省“长治”第五期工程治理的绵阳、南充、广安、遂宁等4个市的三台县、遂宁市中区(包括现船山区和安居区)、大英县、南充市顺庆区、高坪区、嘉陵区、南部县、蓬安县、仪陇县、西充县、广安市广安区、武胜县、岳池县等13个县的40条农作型小流域。
2.2 建模过程
分析土地利用与土壤侵蚀关系,可以采用不同土地类型面积和流域土壤流失量建模,也可以采用不同类型土地占流域土地总面积(占地率)和流域平均侵蚀模数建模。根据试算,采用前者方式建模容易得到较满意的模型,但是前者没有考虑到流域面积差异带来的影响,并没有采用反映土地利用结构的参数(如占地率),从而只能在一定程度上反映土地利用结构与土壤侵蚀的关系。采用后者方式建模,消除了面积的影响,能够反映结构与土壤流失的关系,但是模型精度受自变量选择的影响较大。
从数据源来看,四川省“长治”工程第五期小流域竣工总结报告中统计了不同小流域农地、林地、草地、荒地、其它用地等5大类用地类型占地面积,同时统计了水田、梯田、坡耕地、25°以上坡耕地、有林地、灌木林地、幼林地、经果林、草地、荒地、水域、难利用地、非生产用地等13类用地类型占地面积。从实际应用来看,前者的分类方法偏于粗略,对生产实践的指导意义不够充分,如果能以后者建模,分析土地利用与土壤流失的关系,则对水土流失治理具有较强的借鉴作用。但是如果直接以13类用地占地率建模,模型精度较差,因此需要对13类变量进行组合,在实际建模过程中,对13个变量采用不同组合方式并试算,最终确定把土地利用类型分为平耕地(包括水田、梯田)、坡耕地、有林地、其它林地(包括灌木林、幼林、经果林)、荒草地(包括荒地、草地)、其它用地(包括水域、难利用地、非生产用地)6类,以这6类用地占地率为自变量,以土壤侵蚀模数、轻度以上侵蚀面积占地率为应变量,建立土壤流失与土地利用结构模型,并以不同侵蚀强度土地占地率为自变量,以土壤侵蚀模数为应变量,建立流失面积与侵蚀模数模型。因为建模的各自变量数值和为1,涵盖了流域的所有土地,也就是说应变量反映的土壤流失量完全涵盖在所选的土地中,因此建立无截距的回归模型,表示当所有用地面积为0时,侵蚀模数也为0,符合实际情况。建模过程采用SPSS软件实现。
2.3 建模过程及参数解释
根据实测数据,可以建立多元回归模型如式(1)所示,
对于侵蚀模数与不同土地类型占地率模型来说,式中Y为小流域侵蚀模数(t/km2·a),Xi为不同用地类型的占地率(%),此处对bi理解为不同用地类型的侵蚀模数(t/km2·a),i为用地类型,分别表示平耕地、坡耕地、有林地、其它林地、荒草地、其他用地等,取值为1-6。其他模型不再赘述。
式中Pi为每条小流域中第i类用地类型的土壤流失比,Xi为小流域第i类用地的面积,bi含义同上。
式中为40条小流域第i种用地类型平均土壤流失比,Xij为第i类用地类型第j个小流域土壤流失面积,j为小流域序号,取值1-40,bi含义同上。
式中P为坡耕地占地比例,b为坡耕地侵蚀模数(t/km2·a)。
可以采用式(2)计算每个小流域各个用地类型的土壤流失比,根据式(3)计算所有流域各类用地的平均流失比,其他无截距项模型算法及解释方法相似,叙述略去。根据式(4)计算流域允许坡耕地占地比例(P)上限值。
3 结果与分析
3.1 土地利用及土壤流失量特征
所研究的40条小流域土地平均面积30.91km2,平耕地、坡耕地、有林地、其它林地、荒草地、其它用地等6类用地的平均面积分别为10.89km2、11.26km2、1.39km2、3.29km2、1.46km2、2.62km2,占地百分比分别为35%、36%、5%、11%、5%、8%(表2),其中林地占地百分比仅为5%,是由于人口压力过大,在20世纪50、60年代大面积毁林造田所导致的后果。因此农作型在一定程度上是该时期的产物,将其纳入“长治”工程予以治理,进行土地利用结构调整,可以理解为通过政策措施对土地利用结构产生的影响。
小流域年平均土壤流失量79187t,平均侵蚀模数为2562t/km2·a,略高于中度侵蚀的下限值,其中轻度侵蚀(侵蚀模数500-2500t/km2·a)小流域16条,中度侵蚀(侵蚀模数2500-5000t/km2·a)小流域23条,强度侵蚀小流域(侵蚀模数5000-8000t/km2·a)1条。
土地总面积按侵蚀强度划分,无明显侵蚀面积占总面积的51.2%,水土流失率为48.8%,其中轻度、中度、强度、极强度、剧烈侵蚀分别占土地总面积的9.3%、19.1%、13.3%、5.8%、1.3%(表1)。
注:治理效益指将某一类侵蚀强度土地治理后侵蚀模数达到无明显侵蚀(<500t/km2·a)时流域土壤流失量下降的百分比。
3.2 不同侵蚀强度土地土壤流失特征分析
以流域土壤侵蚀模数为应变量,以不同流失强度占地率为自变量,建立多元线性无截距约束回归方程(式5),以分析不同流失程度土地的侵蚀模数及土壤流失比。
式中:Y为小流域土壤侵蚀模数;X1-X4分别为小流域中无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度及其以上侵蚀土地占地率;从(5)式可见,各级侵蚀强度土地侵蚀模数分别为:强度及其以上侵蚀9119.12/km2·a;中度侵蚀5000t/km2·a;轻度侵蚀1639.95t/km2·a,中度侵蚀土地的侵蚀模数正好等于该侵蚀程度标准的上限值,是因为在回归时以此值为约束进行回归。不同侵蚀强度土地侵蚀模数差别较大,因此需采取的治理措施应有较大差别。此外,中度侵蚀和强度及其以上侵蚀土地的侵蚀模数远高于该级别侵蚀标准的下限值,因此在治理时宜考虑提高措施标准。
不同侵蚀强度土地的土壤流失比差别较大,并随着侵蚀程度的增加而增加。强度侵蚀土地的土壤流失比为67%,该比例与黄土区相近[8]。据此计算,如果将强度及其以上侵蚀土地全部治理到无明显侵蚀(500t/km2·a),则流域土壤流失量可以减少至少64%,流域平均侵蚀模数可以减少到932t/km2·a,可见对强度及其以上侵蚀的治理能显著减小流域水土流失量,因此宜将强度及其以上侵蚀土地做为水土流失的重点。中度侵蚀土地的土壤流失比(34%)次于强度及其以上侵蚀土地而高于其他土地,仅将其治理到无明显侵蚀程度(500t/km2·a),流域的平均侵蚀模数可以减少到1766t/km2·a,对其治理的减蚀效益远低于对强度及其以上侵蚀治理的效益。但是如果不对其治理,则无法将小流域土壤侵蚀控制在无明显侵蚀以上水平,因此不能忽视对该类土地的水土保持工作。轻度侵蚀土地面积小于中度和强度及其以上侵蚀的面积,且侵蚀模数也较低,其土壤流失量占流域总流失量的比例不高(6%),在中度侵蚀和强度及其以上侵蚀土地得到完全治理的情况下(侵蚀模数按500t/km2·a计算),轻度侵蚀土地即使不予治理,流域的侵蚀模数也可降为149t/km2·a,从理论上看可以不对这类土地进行治理。但是由于中度以上侵蚀土地完全治理的难度较大,并且轻度侵蚀也有发展为中度以上侵蚀的可能性,而且对轻度侵蚀的土地可以采取封禁等相对比较简单措施治理,治理投资和难度都不大,所以有必要对其治理。无明显侵蚀土地起到减少流失总量的作用,不需对其采取治理措施。
从具体小流域来看,有32条小流域(80%的小流域)强度侵蚀土地土壤流失比最大,8条小流域(20%的小流域)中度侵蚀土壤流失量比最大,换而言之,32条小流域水土流失主要发生在强度侵蚀土地,8条小流域土壤侵蚀主要发生在中度侵蚀土地。不同小流域中,轻度、中度、强度侵蚀土地土壤流失比变幅分别为:0%-21%、8%-100%、11%-98%,无明显侵蚀土地对土壤流失的拦蓄能力变幅为3%-23%。
3.3 不同利用类型土地的土壤流失面积比
以轻度以上侵蚀土地占地率为应变量,以平耕地、坡耕地、有林地、其他林地、荒地、其它用地占地率为自变量,采用约束回归方法,建立多元回归模型(式6),以分析不同用地类型的土壤流失率和土壤流失面积比。约束条件为各变量系数大于等于0,小于等于1,各系数起始值设定为0。从模型计算结果可见,荒地水土流失率为100%,也就是说所有荒地都处于轻度以上侵蚀,从这一角度看,荒地是水土流失首要的治理对象。紫色土区的荒地主要是荒山荒坡,植被盖度低,坡度大,土壤肥力较差,因此抗蚀性差,导致了荒地的全面侵蚀,且土壤流失量大。几种土地利用类型土壤流失率的排序为:荒地(100%)>坡耕地(99%)>其它林地(78%)>平耕地(1%)>有林地(0%)=其它用地(0%)。
式中:Y为小流域轻度以上流失土地占地率;X1-X3分别为小流域中平耕地、坡耕地、有林地、其它林地、荒地、其他用地占地率;根据约束条件,限制各变量系数大于等于0,小于等于1,约束回归结果X3、X6系数等于0,故此模型中无X3、X6。
根据式(2)计算不同用地土壤流失面积占土壤流失总面积百分比,可见坡耕地土壤流失面积比例最大,达72%,其次为林地(17%)、荒地(10%)、平耕地(1%)。农地不论从流失比还是流失面积比,均高居各类用地之首,因此农地应为首要治理的用地类型。从流失量和流失面积角度来看,林地和荒地治理的优先程度不同,难以简单排序。需要根据具体小流域制定治理策略。其他用地不作为主要治理对象。
针对具体小流域来说,40条小流域中无一例外是坡耕地土壤流失面积比最大。各类用地土壤流失面积比变幅为,农地52%-96%;其它林地4%-39%;荒地5%-26%;平耕地0.3%-2%。从流失面积比角度看,不同用地治理顺序应为:农地、林地、荒地,但是由于流失面积比变幅很大,在一些小流域荒地土壤流失面积大于林地,因此需根据具体小流域采取相应措施。
3.4 不同利用类型土地的土壤流失特征分析
为分析不同利用类型土地面积与土壤流失的关系,建立土壤侵蚀模数与不同利用类型土地占地率的回归方程(式7)。从模型系数可以看出,在几种利用类型的土地中,荒地侵蚀模数为6639.33t/km2·a,大于其他类型土地且达到强度侵蚀,从侵蚀模数看,应当作为优先治理的土地利用类型。坡耕地和其他林地侵蚀模数分别达到6410.80t/km2·a和2668.43t/km2·a,平耕地、有林地和其他用地对土壤流失起到抑制作用。与前人研究结论相似,这是因为其他用地主要包括水域、建设用地等类型,这些用地类型对土壤流失起到抑制作用[2]。但是这些用地不是生产用地,无法产生经济效益,不能因其对土壤流失的抑制作用而随意加大这类用地面积。
式中:Y为小流域土壤侵蚀模数;X1-X6分别为小流域中平耕地、坡耕地、有林地、其它林地、荒地、其他用地占地率。
根据式(3)计算得出不同类型土地的土壤流失比。从总体上看流域土壤流失的首要来源是农地,占土壤流失量的89%,其它荒地和林地土壤流失比分别为12%和11%,平耕地、有林地、其他用地能消纳13%的土壤流失。从土壤流失比来看,各类用地水土流失治理的顺序应当是坡耕地>其它林地>荒地。
为进一步分析各类用地水土流失比,根据所建的无截距模型计算出每个小流域中农地、林地、荒地流失比,可见所有小流域均以农田流失比最大。不同流域各类土地流失比差别很大,坡耕地、其它林地、荒地流失比变化幅度为67%-121%、2%-37%、0%-29%,坡耕地产生的土壤流失甚至可以超出流域出口泥沙量,且远大于其它用地类型的土壤流失量,荒草地虽然侵蚀模数较大,但是面积较小,土壤流失量低于其它林地。
3.5 基于土地利用结构与土壤侵蚀关系的土地利用结构调整策略
根据各类用地的侵蚀模数,可以按照式(3)计算得出把流域土壤流失量降低至500 t/km2·a时各类用地的占地率的上限值,由于荒地面积较小,林地侵蚀模数较低,因此该公式只对坡耕地有实际意义。计算得出坡耕地的上限值是7%,对小流域坡耕地平均占地率来说,有占地率达29%的坡耕地需要调整用地结构。侵蚀模数大于500 t/km2·a的用地类型还有占地5%的荒草地和占地11%的其它林地。其它林地在无明显侵蚀强度以上,但是其用地类型不必变化,只需在保持现有用地类型的基础上予以治理即可。除坡耕地外,荒草地经济效益和生态效益均较差,因此必须改变用地类型。对于平均结构的小流域来说,需要调整的土地类型为坡耕地和荒草地,其占地率为34%。
把上述两种土地利用类型调整为其他用地,其调整策略受土壤侵蚀的影响。如果需要营造水土保持林,则必然要经过幼林地的阶段,而不可能直接成为有林地,所以被改变的用地只能改造为平耕地、其它林地、其它用地。其它用地不是生产用地,不做重点考虑;小流域平耕地加上保留的占地7%的平耕地,耕地占地达42%,也不是需要重点考虑的用地类型;考虑到有林地面积较低,可以考虑采取营造水土保持林、经果林等措施,提高林地占地比例。因此可以设计将调整的34%的用地类型营造各种林地。调整后的其它林地占地45%,土地利用结构见表2,调整后的土壤侵蚀模数为1324 t/km2·a,其中占地7%的坡耕地和占地45%的其它林地侵蚀模数仍然大于500t/km2·a,可以对保留的坡耕地采取植物篱、保土耕作等措施,对其它林地采取封禁治理等措施,配合小型水土保持工程,并且随着幼林的逐渐成熟,疏林的植被恢复,可以降低两类用地的侵蚀模数,最终可有效降低流域土壤侵蚀模数。
注:治理效益指将某一类侵蚀强度土地治理后侵蚀模数达到无明显侵蚀(<500t/km2·a)时流域土壤流失量下降的百分比。
4 结论与讨论
定量化的分析小流域不同利用类型土地和不同侵蚀强度土地土壤侵蚀模数、土壤流失面积、土壤流失比、土壤流失面积比对于制定小流域水土流失治理策略具有重要参考意义。采用统计报告数据,应用统计学方法能够对大范围多个小流域进行研究,结果普遍性强。根据“长治”工程总结报告,建立川中紫色土区农作型小流域无截距土壤侵蚀模型,并以模型为基础计算得出不同利用类型土地和不同侵蚀强度土地土壤流失特征,得到以下结论:
4.1 无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度及其以上侵蚀土地土壤侵蚀模数分别为:-397.78t/km2·a、1639.95t/km2·a、5000.00t/km2·a、9119.12t/km2·a,土壤流失比分别为:-7%、6%、34%、67%,在不同小流域变幅为:-3%--23%、0%-21%、8%-100%、11%-98%,80%小流域强度侵蚀是土壤流失的主要源地,有20%的小流域土壤流失主要发生在中度侵蚀土地。
4.2 平耕地、坡耕地、有林地、其它林地、荒地、其它用地土壤侵蚀模数分别为:-458.27t/km2·a、6410.8t/km2·a、-2083.89t/km2·a、2668.43t/km2·a、6639.33 t/km2·a、-759.6 t/km2·a;土壤流失比分别为:-6%、89%、-4%、11%、12%、-3%,流失面积比为1%、72%、0%、18%、9%、0%,水土流失的主要用地类型是坡耕地,平耕地、有林地、其它用地对土壤流失起到抑制作用;根据侵蚀模数提出土地利用结构调整的一种模式,即将坡耕地占地率降至7%,荒草地占地率降至0%,调整后的6类用地占地率分别为:平耕地35%、坡耕地7%、有林地5%、其他林地45%、荒草地0%、其它用地8%。随着疏幼林逐渐变为有林地,配合坡耕地水土保持耕作措施、林地植被恢复措施、小型水土保持工程措施,能有效降低流域水土流失量。
参考文献
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