紫色土坡耕地土壤侵蚀及其防治措施研究进展

苏正安，熊东红，张建辉，董一帆，杨 超,2，张小波，鲜纪绅(.中国科学院/水利部 成都山地灾害与环境研究所 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 600； 2.四川师范大学 地理与资源科学学院，四川 成都 600；.成都市水土保持监测分站，四川 成都 600； .四川省电力设计院，四川 成都 60072)

紫色土主要是以中生代(包括三叠系、侏罗系、白垩系和第三系)岩层为母岩、母质发育形成的一类土壤，在发生分类上称初育土，在系统分类上属新成土和雏形土[1-2]。紫色土通常土层浅薄，但是又表现出一定的宜种性、宜肥性、宜水性等，在我国除丘陵顶部或陆坡岩坎外，大多数紫色土坡地已被开垦为耕地[1]。紫色土是一类具有较多优势和潜力的土壤资源，其风化成土速率快、土壤矿物质含量高，但同时又具有较多缺陷，比如土壤容重大、有机质含量低、团聚体含量少，加上受人为耕作活动影响，因此，紫色土坡耕地已成为我国水土流失最为严重的地类之一[3-4]。

20世纪30年代以来，研究人员针对紫色土坡耕地土壤侵蚀的相关研究经历了初步基础研究、探索性研究和快速定量研究3个主要阶段。中华人民共和国成立前，有研究人员于1939年在四川内江甘蔗试验场设立小区，观测耕作方法对水土流失量和作物产量的影响，开始了紫色土土壤侵蚀方面的研究；中华人民共和国成立后，研究人员逐渐认识到紫色土坡耕地上存在较为严重的水土流失，尤其是在20世纪60年代初，为做好长江流域规划，我国针对三峡以上地区进行了土壤侵蚀综合考察，获得了大量关于紫色土坡耕地的研究报告和成果图件，并进行了探索性研究，取得了一定的成果；20世纪70年代以后，随着模拟降雨试验装置的研制成功、土壤侵蚀模型的提出和测试技术的改进，以及计算机技术的发展，有关紫色土坡耕地侵蚀过程方面的研究进入了定量化阶段。

基于紫色土水土流失特点和土壤侵蚀研究进展，笔者对紫色土坡耕地土壤侵蚀研究现状、定量研究方法和防治措施等进行了简要论述和总结，并对紫色土坡耕地土壤侵蚀研究方向进行了展望，以期为深层次揭示紫色土坡耕地土壤侵蚀过程和机理，科学防治水土流失奠定基础。

1 紫色土坡耕地土壤侵蚀现状

1.1 水力侵蚀

水力侵蚀是紫色土坡耕地上一种重要的土壤侵蚀形式，可分为溅蚀、面蚀(细沟侵蚀和细沟间侵蚀)、壤中流侵蚀。

溅蚀在紫色土坡耕地土壤侵蚀过程中起着重要作用，它为后续的径流搬运提供了丰富的松散颗粒，溅蚀量的多少及松散颗粒的组成状况是判断坡面土壤侵蚀量的主要依据之一[5]。研究表明，影响紫色土坡耕地溅蚀量的因子众多，可以归纳为降雨特征(雨强、历时、降雨能量等)、土壤特性(土壤颗粒等)和其他因素(坡度等)[6]。溅蚀还会引起表土结皮，而结皮的发育有助于提高土壤表面强度，降低土壤分离能力[7]，因此溅蚀是紫色土坡面上一个重要而复杂的侵蚀过程。

面蚀是紫色土坡耕地上又一种重要的土壤侵蚀形式，降雨量、地形因子(坡度、坡长等)、种植制度、耕作方式等对紫色土坡耕地的面蚀过程均具有显著影响。相关研究表明，紫色土坡耕地的面蚀过程中存在临界阈值。研究人员分析遂宁水土保持试验站坡耕地小区观测资料发现，侵蚀性降雨量在不同坡度坡耕地上数值不同，5°、10°、15°、20°、25°紫色土坡耕地上的侵蚀性降雨雨量标准分别为55.7、42.9、39.9、39.5、32.0 mm，平均雨强标准分别为8.87、7.86、5.53、5.36、5.24 mm/h[8]。地形因子在坡面水力侵蚀过程中同样存在临界阈值：在临界坡长方面，严冬春等[9]在10°、15°、20°、25°紫色土坡耕地上进行了人工模拟降雨试验(降雨强度130 mm/h)，得出紫色土坡耕地细沟产生的临界坡长平均值分别为6.13、4.12、2.72、1.55 m，细沟发生的临界坡长与坡度呈二次抛物线关系；在临界坡度方面，研究结果表明在相同坡长条件下，土壤流失量与坡度可拟合为二次多项式关系，紫色土坡耕地土壤侵蚀的临界坡度约为22°[10]。关于耕作方式影响面蚀过程方面，研究人员通过多年观测试验得出结论，聚土免耕制度较横坡种植制度减少土、水流失率(年平均值)分别为45.6%、38.7%，较顺坡种植制度分别减少了63.2%、52.4%[11]；此外，一些土壤学者通过人工降雨试验也验证了不同耕作方式对紫色土坡耕地面蚀的影响非常显著[12]。

紫色土坡耕地径流主要由地表径流和壤中流两种形式组成，地表径流和壤中流在总降雨量中的比例随雨强和坡度的不同而发生变化，从而引起不同的地表径流和壤中流侵蚀速率[13]。研究表明，紫色土坡耕地土层较浅是导致壤中流增大的主要因素，耕作能有效改善土壤结构，增加降雨入渗量，并增大壤中流发生几率[14]；地形对壤中流具有显著影响，在雨强相似的条件下，壤中流占总降雨量的比例随坡度的增大而增大，普遍存在的壤中流在土壤侵蚀中起到了相当重要的作用，甚至由壤中流促发的侵蚀量要远远高于片蚀、沟蚀等坡面侵蚀形式[15]；在相同坡度的情况下，雨强对壤中流的流量过程线有显著影响，壤中流占总降雨量的比例随雨强的减小而增大[16]。

综上可见，目前紫色土坡耕地上水力侵蚀研究主要侧重于降雨和地表径流导致的土壤侵蚀，而对壤中流引起的土壤侵蚀研究较少，尤其是对壤中流导致土壤侵蚀的发生机制、过程研究不够，急需开展这些方面的定量研究。

1.2 耕作侵蚀

在紫色土坡耕地上，耕作活动是造成水土流失的重要人为因素。耕作侵蚀不会使土壤直接流失出地块，而是在耕作工具和重力作用下导致净余土壤量向下坡或上坡(依赖于耕作方向)运移、堆积、重新分配。在复合地貌区一般是从坡耕地的凸部流失，在凹部堆积；在线性坡面一般是从坡耕地上部流失，在下部堆积[17]。耕作位移是指耕作造成土壤位置的移动，可以用相对于耕作方向的某一特定方向的土壤移动量来表示，即每米耕作宽度的土壤向前(与耕作方向平行)的土壤位移量(m)或每米耕作长度土壤向侧面(与耕作方向垂直)的输送量(kg/m)[17]。在平坦的土地上单次耕作只产生耕作位移，不存在耕作侵蚀，这是由于往返式耕作不会产生净土壤传输量。

在紫色土区，锄耕是坡耕地上主要的耕作方式，相比于等高耕作、垄作和逆坡耕作，传统顺坡锄耕方式引起的土壤位移和耕作侵蚀十分显著[18]。文献[19]采用物理示踪剂方法研究得出，在坡度为4%～43%的紫色土坡耕地内，单次顺坡耕作引起的向下坡方向的土壤位移达到36～113 kg/m，单次耕作的侵蚀速率为24～75 t/(hm2·a)。苏正安等[20-21]研究认为，在中等坡度(16.6%～25.1%)的坡耕地上，耕作侵蚀速率占总土壤侵蚀速率的42.27%～42.65%，在陡而短的坡耕地上，耕作侵蚀速率占总土壤侵蚀速率的80%以上；而在长而缓的坡耕地上，相比于水力侵蚀，耕作侵蚀对总土壤侵蚀的贡献则较小。

目前，尽管土壤学者已逐渐认识到耕作侵蚀对紫色土土壤侵蚀的相对贡献较大，以及对坡耕地土壤质量退化、作物产量降低、地形变化和土壤有机碳迁移的影响等[4，18]，并开展了大量的定位研究和野外控制试验，但是多数研究侧重于揭示单纯的耕作侵蚀效应，没有直接开展耕作侵蚀与水力侵蚀的交互作用研究。

2 土壤侵蚀的定量研究方法

2.1 示踪剂法

紫色土区土壤侵蚀研究中示踪剂法主要采用人工示踪剂法和天然示踪剂法。人工示踪剂法主要是人为添加示踪剂(白石块、螺丝帽和煤灰粉等)到土壤中进行标记和测定的方法[22]。天然示踪剂法主要利用自然界中已有的同位素(137Cs、210Pbex、7Be和14C等)作为示踪剂，对研究对象进行标记的微量分析方法，尤其是137Cs示踪技术在紫色土区的土壤侵蚀研究中得到了广泛运用。

在紫色土坡耕地上，采用人工示踪剂法开展水蚀过程研究的还比较少，而采用同位素示踪剂法尤其是核素示踪剂法的研究比较多。SHI et al.[23-24]利用不同核素(137Cs、210Pbex、7Be等)具有显著差异半衰期的特点，研究了不同时间尺度的紫色土坡耕地上的土壤侵蚀速率，极大地促进了紫色土坡耕地水力侵蚀的定量研究。

两种数据格式，并且提供全自动流程化的方式，应用CASS软件采集的CAD数据来创建一个临时库，点击“导入的数据”，选择“导入QS等地籍格式数据”即可提取房屋、宗地、界址点、界址线等地籍数据，从而完成城镇地籍数据的转换。

在耕作侵蚀研究方面，两种示踪剂方法均得到广泛运用。张建辉等[22]采用白石头作为人工示踪剂在四川丘陵区紫色土坡耕地上进行了耕作试验，获得了坡耕地内土壤耕作位移和耕作直接导致土壤流失的证据，后来又采用煤灰粉等作为人工示踪剂，采用磁测法计算了紫色土坡耕地的耕作位移[25]。同时，137Cs示踪技术也被运用于耕作侵蚀研究，尤其在模拟耕作试验过程中，通过对比耕作前后同一坡位土壤中137Cs的面积浓度，直接反映耕作对坡面土壤再分布的影响机制，取得了比较好的效果[26-27]。

人工示踪剂法和天然示踪剂法运用于土壤侵蚀研究也具有一定的缺点。首先，运用人工示踪剂法必须解决人为添加的示踪剂与土壤质地的一致性问题，如果处理不好，那么示踪剂就不能表征土壤侵蚀速率；其次，煤灰粉等作为磁性示踪剂，其使用量需要反复试验才能够保证测定数据的可靠性，而白石头、螺丝帽等物理示踪剂则需要进行物理示踪剂回收[19]，回收工作繁杂，回收率的高低也会影响试验的精度。同位素示踪剂法需要准确测定土样剖面中的微量同位素，并经过采集、风干、过筛和实验室分析，需要花费较多的时间、人力和经费，同时将土壤中的同位素含量换算为土壤侵蚀速率时还要转化模型和确定背景值，增加了运用该方法的难度。

2.2 定位小区观测法

采用野外定位小区测定坡面水力侵蚀产生的径流、泥沙在国内外应用已经相当普遍，该方法也是坡面土壤侵蚀定量研究最早采用的试验方法之一。在紫色土区，不仅采用国际通用的标准小区观测坡面水力侵蚀产生的径流、泥沙，而且具备不同地形(坡度、坡长)、土地利用类型、耕作措施、土壤类型的径流小区也被广泛运用于坡面土壤侵蚀监测[28]。在耕作侵蚀研究方面，研究人员主要将坡面直接划分为几个小区，然后进行模拟耕作试验，通过测量土壤137Cs含量、土壤理化性质的变化或者地形的变化，从而推测耕作侵蚀速率或者耕作对土壤特性和地形变化的影响[27,29]。总体而言，在紫色土坡耕地上，定位小区主要是用于监测坡面水力侵蚀及其产流、产沙效应，耕作侵蚀研究中很少采用该方法。

2.3 人工模拟降雨法

人工模拟降雨法是一种针对坡面水力侵蚀过程的定量研究方法。在紫色土区，10多年来研究人员利用人工模拟降雨试验对比了不同地形、植被覆盖、土壤类型、耕作措施、工程措施等条件下的土壤侵蚀速率，并开展了大量的定量试验[30]，在揭示紫色土坡耕地地形、土壤、植被和耕作措施对水力侵蚀过程的影响机制及其耦合作用研究中起到了重要作用。与此同时，采用该方法研究水力侵蚀对紫色土坡耕地土壤退化、地形演化和产沙过程的影响机制等也取得了很多成果[15,31]。目前，在紫色土区，人工模拟降雨法主要被科研工作者采用，在生产实践中则很少用到。

2.4 “3S”技术结合土壤侵蚀模型

将“3S”技术与土壤侵蚀模型结合，能使土壤侵蚀研究工作从传统的定性分析发展为定性、定量和定位分析相结合，从单一要素的分析过渡到多要素、多变量的综合分析，从小尺度、静态分析发展到多尺度、动态研究，极大地推动了水土保持事业的发展。在紫色土坡耕地上，多采用RTK-GPS、全站仪、三维扫描仪等快速、准确地测量地形，利用GIS优越的图形、属性数据处理优势，结合土壤侵蚀模型，实现土壤侵蚀的动态监测和坡耕地地形演变研究。严冬春等[32]在三峡库区利用人工降雨与微地貌扫描相结合的方法，调查了紫色土坡耕地细沟发生过程的形态演变特征。LI et al.[26,29]采用全站仪测量坡耕地微地貌变化，并结合土壤剖面调查和土壤侵蚀模型，研究了单纯耕作侵蚀作用对坡耕地地形变化的影响，及其对不同坡位的土层深度、土壤137Cs含量、土壤养分等的影响机制。然而，该方法在紫色土区的研究大多集中在小流域甚至更大的研究尺度，在地块尺度上的研究则较少。

目前国内外与“3S”技术结合应用最为广泛的土壤侵蚀模型是USLE 和RUSLE。USLE 和RUSLE模型在我国应用较广，但是它们是基于统计的经验模型，缺乏充足的实测资料，精度不高，在坡耕地上应用较少，优点是适用于研究较大尺度的土壤侵蚀规律。

3 土壤侵蚀的防治措施

3.1 农业措施

(1)水土保持耕作措施。紫色土区防治坡耕地土壤侵蚀常用的耕作措施包括等高垄作、逆坡耕作、少耕、免耕等。在等高垄作方式下，改变微地形能实现地表径流侵蚀力再分配，截断坡面径流形成股流的路径，使地表径流分散，不至于沿坡迅速汇集，减少径流对坡耕地土壤的冲刷，从而减弱坡面水力侵蚀强度[33]。少耕、免耕等耕作方式则是通过减少人为活动对坡面土壤的扰动，改善土壤结构，增加土壤微生物数量[34]，从而起到改善土壤抗蚀性、抗冲性的作用，有利于减弱坡面水力侵蚀强度。采用等高垄作、逆坡耕作、少耕、免耕等不仅可以防止坡面水力侵蚀，而且可以有效防止耕作侵蚀。ZHANG et al.[35]通过物理示踪剂法证明了顺坡耕作比等高垄作直接引起的净余土壤位移多3倍，比等高耕作的土壤位移多5倍。而相比传统的顺坡耕作，逆坡耕作减少耕作侵蚀的作用更加显著[18]。此外，水土保持耕作措施虽然投资较小，但是主要适用于缓坡耕地的水土流失防治，在陡坡耕地上其水保作用的发挥受到较大限制。

(2)水土保持栽培措施。在紫色土坡耕地上，水土保持栽培措施主要有轮作、间作、套种和混播技术等。采用合理的水土保持栽培技术，不仅可以有效防止坡面水力侵蚀，还可以起到减弱耕作侵蚀强度的作用。在紫色土坡耕地上，轮作、间作、套种和混播技术往往同时被采用，在轮作过程中伴随着一段时间的休闲，并采用农家肥进行土壤培肥，同时间作或者套种一些豆科或其他矮小经济作物，比如农民往往在紫色土坡耕地上进行玉米、小麦轮作，同时在玉米下套种红薯，在种植小麦期间间作蚕豆、豌豆[36]，这样不仅能增加植被盖度，防止溅蚀和土壤结皮，增加土壤入渗能力，减小坡面径流冲刷力，而且可以减少人为耕作活动对整个坡耕地扰动的强度和频度，从而达到减弱耕作侵蚀的目的。目前，水土保持栽培措施对防止坡面水力侵蚀的作用已经得到了广大研究人员的关注，并开展了大量的研究，但对于水土保持栽培措施在减弱耕作侵蚀强度方面的研究相对较少。

(3)复合农林技术。紫色土坡耕地上的农林复合技术主要是植物篱技术。采用植物篱技术可以有效减少坡面土壤侵蚀、改良土壤[37]。按照种植在坡耕地上的部位，植物篱可分为等高植物篱和地埂植物篱[38]。坡耕地上种植植物篱后，坡耕地的地表径流、泥沙在植物篱间坡地的下部大量堆积，耕作导致的侵蚀土壤也在该部位堆积，从而减缓局部坡度，改变坡耕地微地貌。经过几年的耕作, 植物篱之间的耕作带逐渐形成梯地，能减小水力侵蚀作用[39]。与此同时，种植植物篱之后，长坡耕地被缩短成数段短坡耕地，从而降低了径流流速，延长了地表径流的下渗时间，减缓了坡耕地上的水力侵蚀作用[40]。陈一兵等[41]在坡度为20°～25°的陡坡耕地上选用香根草、紫穗槐进行研究发现，相比于传统耕作，植物篱能很好地起到保持水土的作用，相比坡改梯等工程措施，从长期来看植物篱的水保效果更佳。蔡强国等[42]通过研究发现，在25°的陡坡耕地上，相比于坡改梯工程，植物篱的拦沙作用与之相当，而经济投入仅为石坎梯田的10%～20%，从而得出了陡坡耕地治理宜采用植物篱措施的结论。综上可见，植物篱能有效控制坡耕地的水力侵蚀过程。但是由于耕作侵蚀速率与坡长呈反比关系，与坡度呈正比关系[19]，植物篱缩短坡长可能短期内会导致耕作侵蚀速率增加，植物篱减缓坡度则会导致耕作侵蚀速率降低，因此种植植物篱后耕作活动是加速坡面土壤侵蚀，还是减缓土壤侵蚀，目前尚不清楚。

3.2 工程措施

紫色土坡耕地上的工程措施主要有坡改梯工程及其坡面水系等配套设施建设工程。坡改梯是一种非常有效的治理坡耕地水土流失的措施，但在紫色土坡耕地上，由于临界坡度和临界坡长对土壤侵蚀过程具有显著的影响，因此修建梯田的坡度和坡长不同，防止土壤侵蚀的效果就不同，且随着坡度增加，修建梯田的成本会显著增加。研究发现，在不同坡度的坡耕地上实施坡改梯之后，水土保持效益随着坡度的增大而增加，且实施坡改梯措施后的粮食产量也有所增加[43]。达到一定坡度之后，单纯的耕作措施的减蚀作用不大，必须依靠坡改梯工程措施[44]。但是，随着坡长的减小，同一块坡耕地需要修建更多的田埂，与此同时，随着坡度的增加，修建梯田所要消耗的成本就会大大增加[28]。

在紫色土区，坡耕地土壤保水、持水能力弱，旱季缺水，而雨季又不能够充分蓄水，造成坡面水土流失严重。为了就地拦蓄坡面径流，削弱和转化坡面径流冲刷能量，保护土地资源，且能在旱季给坡耕地供水，作为紫色土坡耕地改梯田工程措施的重要配套措施，坡面水系工程被广泛采用。要依据各区域的地形地貌、降雨量、土地利用等，合理设计与配置沟、凼、窖、池、塘、坊、坝、渠等工程，以使坡面径流按水平台阶迂回下山，截短坡面流水线，分段拦截地面径流，有效防止地表径流对坡面的严重冲刷，控制水土流失，提高坡面中上部土壤含水量，减少水库、河道、灌溉沟渠等水利工程的泥沙淤积[45]。

综上可见，坡改梯是一种高投入、高产出的工程措施，综合考虑产出投入比，目前主要在紫色土区中等坡度的坡耕地广泛应用。

4 展 望

目前，对紫色土坡耕地土壤侵蚀过程和防治措施的研究已经逐渐从定性走向定量化，尤其是随着科学技术的不断进步，示踪技术、“3S”技术、人工降雨、土壤侵蚀模型在紫色土坡耕地土壤侵蚀定量研究中都得到了很好的应用。与此同时，在紫色土坡耕地上，研究人员逐渐认识到人类活动会间接影响坡耕地水力侵蚀过程，耕作能够直接造成显著的坡面土壤迁移，并开始在耕作侵蚀方面开展一定的研究工作，为进一步开展坡耕地人为加速侵蚀作用机制研究奠定了良好的基础。可以预计，未来关于紫色土坡耕地土壤侵蚀的研究还需要在以下方面开展大量定量研究。

(1)土壤侵蚀过程研究方面，传统的水力侵蚀研究忽略了紫色土坡耕地上耕作侵蚀的直接作用，而该区域内较少的耕作侵蚀研究又侧重于揭示单纯的耕作侵蚀效应，没有直接开展耕作侵蚀与水力侵蚀的交互作用研究，因此急需开展耕作侵蚀与水力侵蚀的耦合作用机制研究。

(2)在坡耕地水力侵蚀研究过程中，不仅需要重视对溅蚀、面蚀过程及其环境效应的研究，而且需要加强对壤中流侵蚀及其环境效应的研究。

(3)在紫色土坡耕地土壤侵蚀定量研究方法方面，应将各种定量研究方法有机结合，互相验证，开展多尺度的定位观测和控制试验，并将长期试验监测与“3S”技术、示踪技术相结合，进行紫色土坡耕地土壤侵蚀空间格局、过程和效应的研究。

(4)在土壤侵蚀防治措施方面，不能再将坡耕地耕作造成的侵蚀单以水蚀来代替，而忽略了耕作侵蚀的存在，所采取的水土保持措施也需要考虑防治耕作侵蚀，因而需要更多的研究人员关注并参与到耕作侵蚀的研究中，同时也需要引起有关决策部门的高度重视。

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