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土壤侵蚀理论专题山东农业大学林学院水土保持系课程主要内容•第一部分水力侵蚀研究进展•第二部分鲁中南山地丘陵径流小区和山东土石山区坡面不同土地利用类型水土流失规律的研究第三部分山东典型侵蚀区小流域水土流失规律的研究第四部分山东省综合治理措施下蓄水保土功能及其效益价值核算的研究水力侵蚀研究进展•土壤侵蚀是土壤颗粒的运动,我们认为这是一种流体力学过程，或者更严格地讲，是两相流动过程（液固两相）。当侵蚀力超过土壤介质的内聚力或抵抗力时，它们就可以使土壤团粒破碎、分散，使个别颗粒从土壤母体中分离出来并发生输运。1．水蚀研究进展的回顾和展望•关于土壤侵蚀的第一个科学研究是德国土壤学家Wollny在l877-1895年间完成的实验。1915年，美国林业局在犹他州开始了第一个定量试验。1917年，Miller则在密苏里州进行了农作物及轮作对侵蚀和径流影响的小区试验研究。这些试验导致了美国在1923年出版了第一批野外试验小区研究成果。1928年美国国会的拨款更推进了这类研究，使Bennett得以在1928一l933年间建立起10个田间试验站，1935年美国土壤保持局成立。在随后的lO年间，试验站又扩大到44个，这些早期的现场实验工作为土壤侵蚀的研究积累了宝贵的数据。除了美国，在英国、非洲、亚洲和澳大利亚等地区都开展了不少田间试验研究。上述这些研究大多是应用研究。•一般而言，任何一个研究可以称之为科学时，必须具备两个条件：首先它要能够确定所研究过程的起因与结果之间的定量关系，其次它应能够预测该过程在已知条件下的演化规律，因此，人们要求土壤侵蚀的研究从对现象的描述推进到对过程的分析上来。关于土壤侵蚀机理的基础研究是从40年代逐步开始的。1940年，Laws第一次完成了关于自然降雨的详尽研究。随后，EIIison第一个完成了关于雨滴对土壤机械作用的分析探讨，从而为土壤侵蚀科学开辟了一个新的领域。•同时，一批美国科学家开始尝试建立土壤侵蚀预报的经验方程式。Zingg第一个给出关于片蚀和细沟侵蚀的预报模型。1941年Smith给出了四种作物-土地处理组合的估算曲线。Browrtirtg等人则对土壤的可蚀性及栽培的影响进行了专门的研究。Musgrave在1947年提出了降雨特性和土壤侵蚀总量之间的关系式，这个坡度-措施方程曾被广泛应用于估算流域的总侵蚀量达十年之久。后来Smith和Whitt还根据坡度、坡长、作物轮作、土壤保持措施和土壤类型等因素给出一个估算密苏里州粘壤土土壤流失方程。从50年代中期开始，他们通过定量测定农地试验小区在自然降雨条件下产生的径流和土壤流失量，研究了地形、作物种植法、管理技术及预防措施的影响。•许多工作是先完成侵蚀机制的实验室研究后，再补充野外现场试验的。60年代以后，由于使用了降雨模拟装置，大大加快了野外田间试验的进度。特别应当指出的是，1954年：在Purdue大学建立了由Wischmeler领导的侵蚀研究资料分析实验室，确定了土壤侵蚀预报研究要克服区域性研究的固有缺点。于是开始对来自21个州36个地区的200多个小区的6500个暴雨资料、8250个小区每年土壤侵蚀资料和2500个每年降雨冲刷模拟数据进行了统一汇编和分析。•由于所有试验站都按照标准的设计程序进行实验，就使得人们可能对差异很大条件下影响侵蚀的诸因子加以评定。在对各种因素不同算术排列组合进行多重回归试验分析工作基础上，Wischmeier及其合作者们导出了所谓的“通用土壤流失方程”通过降雨因子、土壤可蚀性因子、坡长因子、坡度因子、作物覆盖与经营因子以及土壤保持措施因子等6个因子的连乘值这种线性关系来表示土壤的流失量，并将6个因子的数值通过一系列图表(如降雨年侵蚀力线图——EI图和E1分布曲线，土壤可蚀列值线圈，坡度作用图等)给定，这样可以对已知环境条件下的侵蚀作出预报。•应当强调指出的是，由于科学基础的差异而且一些基本假设的合理性尚待证明，通用土壤流失方程一直受到相当数量学者的批评。特别是社会与科学发展到今天，USLE已不能满足当代人们对土壤侵蚀预报的要求。例如它不能反映现场数据的变化趋势；不能很好地应用于垄作体系，不能明确地表示出径流效应等基本的水力侵蚀诸过程。目前，由于计算机能力的扩大，气候、土壤和作物数据库的建立，以及在气象学、水力学和侵蚀科学方面知识的深化，新一代土壤侵蚀预报技术已经可以形成并逐步取代USLE，其特征是突出基本过程和流体力学基本概念。美国农业部(USDA)在1985年决定开始为期1O年的改进水蚀预报技术的研究发展计划。•2.水蚀的力学机制•水蚀来自降雨事件。当降雨量大于入渗率时，就会出现地表径流，这是历时短、强度大的突发性降雨或暴雨条件下常常发生的情况。在地表径流占优势的区域，水蚀现象总是比较活跃的，特别是对于那些没有植被覆盖着的土壤。•因此，从起源来看，水蚀包括降雨侵蚀和径流侵蚀。在平缓斜坡上，降雨是导致土壤颗粒分离的主要因素，径流是造成土壤颗粒输移的主要因素。但是，当坡度增加时，径流亦可能成为导致分离的主要动力，而雨滴的输运能力也可增加。不过，总的来说，农地土壤侵蚀的根本原因在于降雨，它是降雨一径流与土壤相互作用的结果。因此对土壤水蚀影响最大的因素是年均降雨量。在降雨稀少的地区，降雨侵蚀轻微，径流量亦小，故总侵蚀并不严重而且侵蚀随降雨量的增加而加剧。•对于年降雨较大地区，植被覆盖将会增多从而保护了地表土壤免受侵蚀。除了雨量以外，不同降雨雨型的侵蚀后果亦有很大的差异。降雨引起土壤侵蚀的能力与其动能有关。雨滴的打击能量可以使土壤团粒破坏，使土壤颗粒从其母体中分离出来，并使其抛散到几厘米远处。径流可以通过其流体剪切作用使土壤颗粒从母体中冲散出来，并可以挟带、搬运被分散的颗粒使降雨能量的大部分都消耗在与地面的摩擦中，只有很小一部分能量。用于侵蚀。细沟中集中的流水对于侵蚀而言最有效，雨滴能量主要用于冲散分离土壤颗粒，漫流在输沙方面较沟流弱但比雨滴强。•按照地表径流逐渐集中的过程，可将水力侵蚀形态划分为雨滴溅蚀、片流侵蚀(或细沟间侵蚀)、细沟侵蚀、问歇性沟道侵蚀、切沟侵蚀和河道侵蚀等等，若需要防止粮食生产受到的侵蚀危害，农地的溅蚀和沟蚀就是最重要的侵蚀类型，若需要考虑灌溉水库淤积的危险，那么切沟侵蚀和河道侵蚀便是最重要的来源。关于细沟、切沟和河道的侵蚀，学术界的看法比较一致。•细沟是指地表上能够被耕作活动平整掉的小沟道，它们往往是间断的，沟深只有数厘米。一般不与河道等永久性排水系连接。切沟是坡面上的细沟合并后向宽深扩展而形成的沟道，农具已无法跨越，相对稳定，沟深可选1m左右，而且边坡较陡峭。间歇性沟道是近年来单独划分出来的一种切沟形式，它主要是指农地内一些天然的干排水沟，通常的农具仍然能够跨越。它们不是永久性沟道，每年都会被犁平，但以后往往可在同一位置上重现。在早期的水蚀预报方程USLE中没有考虑这类间歇性短暂切沟流，总是低估了侵蚀效应，从而没有引起了人们的关注。下面简要介绍各种浸蚀过程的流体力学机制：•2．1雨滴溅蚀•雨滴撞击到地表可导致三种作用：(1)将土壤颗粒破碎，冲敲并溅射出来，造成侵蚀，(2)压实封堵地面，减少雨水入渗；(3)增加径流湍流度。雨滴撞击是土壤颗粒从无遮蔽土地上分离出来的主要能量来源。天然降雨的雨滴粒径分布很宽，它一般随雨强度增大，最具侵蚀性的粒径为1—3mm。雨滴撞击速度(一般达到自由沉降的终端速度)范围为5—9m／s，对于粒径2mm左右的普通雨滴，其值为6—7m／s。雨滴溅蚀的发生在本质上是水滴的打击力。雨滴降落到潮湿土壤时会形成一个击溅隆起。每个隆起由若干个土壤颗粒组成，外面包裹着水膜，在横向以抛物线形式运动。传递给土壤的动量有两个作用：一是压实效应，形成表面结皮；一是分散效应，土壤颗粒从母体中脱离出来并由水滴挟带抛入空中。•2．2层状面蚀和细沟状面蚀•片蚀为表层土壤被薄层水流均匀移除的现象，它是雨滴溅蚀和地表径流输运的共同结果。当降雨速率大于入渗速率时，地表径流便可形成。通常径流开始以很浅的薄层水流在整个地面均匀地流动较短的距离，这就是所谓的漫流，当漫流沿下坡方向运动时，总会遇到各种耕作行为或地形本身微起伏所造成的细沟，从而逐渐汇集。集中在小沟道中的径流称为细淘流，而仍然在沟间面积上的漫流则构成沟间流。漫流流动状态取决于流动参数：Re=vr／v(其中口为流速，r为水摩擦系数，为流水的动力粘性系数)。当Re500时，流动处于层流状态当Re2000时，流动为充分发展湍流。•湍流有较大的侵蚀能力。在细沟间侵蚀中，土壤是比较均匀地被分散和输运的，显然，它是雨滴和径流共同作用的结果。由于薄层漫流冲散土壤颗粒的能力很小，雨滴撞击是影响侵蚀率的主控因素。但是，被雨滴溅蚀的大部分土壤颗粒要借助于沟间流而输运到农地以外，这样才能构成明显的侵蚀效应。鉴于土壤本身具有抵抗侵蚀的能力，漫流速度必须超过一定的阈值才能发生侵蚀。•2．3细沟侵蚀•细沟具有间歇特性即某次降雨中所形成的细沟往往在下次降雨来临前已被破坏掉，第二次降雨新形成的沟道通常是完全不同于以前的网络结构。从漫流离沟流发展一般有四个阶段：•(a)未集中的漫流；•(b)带有集中水流路径的漫流；•(c)没有沟头的细沟道；•(d)带有沟头的细沟道。•集中水流是沟流的主要特征。当流动的剪切作用超过土壤的抵抗力时，细沟中的集中水流就会造成土壤的冲刷。因此细沟侵蚀中分散和输运两个子过程都是由于流水造成的。鉴于沟流的速度较大(一般为5—9m／s)，它具有更大的侵蚀能力。故除了坡瑷部分外，坡地土壤流失的主要贡献来自于细沟侵蚀。细沟侵蚀随着坡地的长度和坡度的增加而增加。•2.4切沟侵蚀•切沟是连续性或者间歇性的水道，其沟深且坡陡，并相对稳定，一般是长久存在的。当洪水径流增大，促进切淘侵蚀。切沟侵蚀常常以溯源前进的沟头有一跌水为特征。跌水通常是切沟中最活跃的侵蚀部位。跌水面的底部被侵蚀掉之后，上部的土体悬空，还可能发生崩塌而形成一个垂直面，于是开始新的循环。切沟侵蚀是固定水流冲刷或边坡不稳定而目崩塌引起的土壤流失。集中水流的挟带能力取决于泥沙含量。形状与密度，水流的速度，湍流度和流量，以及沟道截面和沟道底部粗糙度等。当径流的输沙能力大于其泥沙载荷时，它就可以冲刷河道以获取更多的泥沙，切沟侵蚀很容易察觉，它是河道中泥沙的主要来源。在土壤瘠薄、植被稀少的半干旱地区分布较为广泛。3水蚀预报体系•1通用土壤流失方程(USLE)•Wischmeier等人在60年代中期完成的通用土壤流失方程是最早形成并得到最广泛应用的水蚀预报的经验性模型，它计算了丘陵地带农地上因细沟/细沟间侵蚀所造成的土壤损失，这里未计入切沟侵蚀和河道侵蚀的作用，亦未考虑泥沙淤积。•A=R·K·L·S·C·P，A为年均土壤损失量，R为降雨一径流侵蚀性因子，K为土壤可蚀性因子，L为斜坡长度因子，S为斜坡陡度因子，C为作物覆盖及管理因子，P为水土保持工程措施因子。除C和P以外，其余的因子都是由自然环境条件确定的，人们一般无法控制与改变。当用USLE方程来选择适当的农业措施时，A值便为允许的土壤年流失量，即土地生产力不出现衰退时的最大允许流失量(对于美国，其值范围为0.4—1.8公吨／公顷·年)。•(1)R因子：它根据通过降雨数值而获得的年均累积侵蚀指标EI30,即降雨动能及其最大30分钟雨强的乘积：R=EI30/100。•(2)K因子：为标准地块中单位侵蚀力所产生的土壤年流失量。它是某一特定土壤固有可蚀性的一种定量描述，表示土壤对分离及输运作用的抵抗能力，其相对值范围为0.10～0.45。所谓的标准地块是指长度为22.13m，宽度为1.83m，坡度为9%的顺坡犁翻的无遮蔽休闲地。从土壤本身的特性而言，可蚀性因子取决于质地、团聚体稳定性、剪切强度、渗透能力，以及有机质含量与化学成分等。通用方程USLE中涉及到的其它4个因子都是补充性因子，表示特定坡长地块流失量对于标准长度(22.13m)地块流失量之比。为标准坡度的9％(5°)、标准经营条件(无遮蔽的犁翻地)和无任何水土保持工程措施的标准状况。3.2修正的通用土壤流失方程(RUS