紫色土坡耕地的形成與分布

紫色土坡耕地的形成與分布

紫色土壤是由砂巖和雕刻巖風(fēng)化而成的。土層薄，水穩(wěn)定低，耐腐蝕性差。三峽庫(kù)區(qū)位于北緯29°~31°51′,東經(jīng)106°21′~111°30′,東起湖北宜昌,西至重慶江津。區(qū)內(nèi)耕地坡面長(zhǎng),其中紫色土坡耕地占三峽庫(kù)區(qū)耕地面積的78%,是庫(kù)區(qū)糧食經(jīng)濟(jì)作物的主產(chǎn)載體,也是庫(kù)區(qū)土壤流失的主要源地。研究表明,三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地水土流失強(qiáng)烈,侵蝕模數(shù)達(dá)3464~9452t/(km2·a)。庫(kù)區(qū)年均土壤侵蝕量達(dá)1.5億t,入庫(kù)泥沙4000多萬(wàn)t,其中60%以上來(lái)自于坡耕地。三峽水庫(kù)移民后靠、生態(tài)保護(hù)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)勢(shì)必會(huì)加重紫色土坡耕地負(fù)荷,控制紫色土坡耕地土壤侵蝕及其面源污染既是提高庫(kù)區(qū)糧食生產(chǎn)能力的重要途徑,也是保障三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)安全的必要環(huán)節(jié)。三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕已引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,并取得了大量的研究成果,為區(qū)域水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)積累了豐富的基礎(chǔ)。本文選取了近15年來(lái)關(guān)于三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕的相關(guān)文獻(xiàn),并結(jié)合野外調(diào)查,著重對(duì)紫色土坡耕地土壤侵蝕的研究方法、侵蝕速率、泥沙顆粒形態(tài)以及侵蝕引起的養(yǎng)分流失等進(jìn)行綜述,并提出三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地土壤侵蝕的研究方向展望。1土壤侵蝕法物理模型目前,坡耕地土壤侵蝕研究方法主要有徑流小區(qū)觀測(cè)法、人工模擬降雨法、侵蝕針?lè)ā⒑怂厥聚櫡?、模型模擬預(yù)測(cè)法和遙感監(jiān)測(cè)法。其中,徑流小區(qū)法、人工模擬降雨法和侵蝕針?lè)ㄊ侵苯佑^測(cè)方法,屬于傳統(tǒng)方法;核素示蹤、模型模擬和遙感監(jiān)測(cè)是間接觀測(cè)方法,屬于現(xiàn)代方法。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)(表1),適用時(shí)間尺度、空間尺度也有所差異。徑流小區(qū)觀測(cè)法是目前采用最廣泛的土壤侵蝕研究方法,既可用于自然降雨情況,也可與人工降雨模擬結(jié)合使用。常用的徑流小區(qū)規(guī)格為5m×20m,3m×8m坡度主要依據(jù)當(dāng)?shù)仄赂氐湫推露却_定,常采用10°、15°、20°、25°;人工模擬降雨法是通過(guò)降雨器按照自然降雨的物理性能模擬降雨以研究坡耕地的土壤侵蝕。降雨器噴頭分為垂直下噴式和側(cè)噴式,相對(duì)于垂直下噴式模擬降雨噴頭,側(cè)噴式噴頭所模擬的降雨雨強(qiáng)比較大,雨滴也較大,雨強(qiáng)變化范圍20~300mm/h,降雨均勻度大于0.70,適合于做大雨滴的濺蝕實(shí)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)使用較多的降雨器有中科院雙側(cè)雙噴模擬降雨機(jī)、美國(guó)SPRACO旋轉(zhuǎn)下噴式模擬降雨器;侵蝕針?lè)ㄊ窃谄旅娉叨确秶鷥?nèi)布設(shè)一定密度的標(biāo)樁或鐵釬,通過(guò)測(cè)量降雨前后標(biāo)樁高度變化來(lái)直接反應(yīng)土壤侵蝕或沉積厚度,適用于資料缺乏地區(qū)小范圍內(nèi)的快速測(cè)定和估算。核素示蹤法由張信寶在20世紀(jì)80年代末引入到國(guó)內(nèi)土壤侵蝕研究,在缺乏觀測(cè)資料的地區(qū)能較好地估算一定時(shí)段內(nèi)土壤侵蝕狀況。常用的示蹤核素包括137Cs、210Pb、7Be,其中,137Cs示蹤1963年以來(lái)的平均侵蝕模數(shù),210Pb示蹤過(guò)去88年以來(lái)的平均侵蝕模數(shù),這2種核素測(cè)定的均是長(zhǎng)時(shí)間尺度;7Be適用于短期的季節(jié)性或場(chǎng)次降雨侵蝕量的示蹤;模型模擬預(yù)測(cè)法以試驗(yàn)觀測(cè)資料和數(shù)理統(tǒng)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)建立的土壤侵蝕影響因素和土壤侵蝕強(qiáng)度之間關(guān)系的模型,并以此進(jìn)行一定參數(shù)條件的模擬確定土壤侵蝕量。三峽庫(kù)區(qū)使用的坡耕地預(yù)測(cè)模型有USLE經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蚖EPP等物理模型;遙感監(jiān)測(cè)法適用于區(qū)域尺度,可以對(duì)大范圍面積的侵蝕強(qiáng)度及分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)集中連片坡耕地的監(jiān)測(cè)。不同監(jiān)測(cè)方法的聯(lián)合使用不僅能克服各種方法的弊端、節(jié)約人力物力,還能在一定程度上增加研究的可信度,如人工模擬降雨法與徑流小區(qū)觀測(cè)、模型模擬法與遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合運(yùn)用,這也是今后土壤侵蝕研究中的重要趨勢(shì)。2合壟作模式下的土壤侵蝕模數(shù)作物覆蓋是坡耕地土壤侵蝕的重要影響因素,裸露坡耕地的土壤侵蝕速率明顯高于植被覆蓋坡耕地,且侵蝕速率表現(xiàn)出隨坡長(zhǎng)的增加呈上升趨勢(shì)。作物覆蓋在一定程度上增加了土壤的抗蝕性,其土壤侵蝕速率明顯低于裸地,如苧麻護(hù)坎措施下的土壤侵蝕模數(shù)為803t/(km2·a),而裸露坡耕地的侵蝕模數(shù)達(dá)到了8754t/(km2·a)(表2)。在各種種植模式中,糧經(jīng)果復(fù)合壟作模式和果—植物籬復(fù)合模式的保水保土效果比較理想。坡度和坡長(zhǎng)是坡耕地土壤侵蝕的決定性因素。坡度相近情況下,土壤侵蝕強(qiáng)度隨坡長(zhǎng)的增加而增強(qiáng),如坡長(zhǎng)15m的坡耕地土壤侵蝕模數(shù)為4149t/(km2·a),而坡長(zhǎng)為20m的坡耕地土壤侵蝕模數(shù)則達(dá)到了5240t/(km2·a),這主要是由于隨著坡長(zhǎng)增加,徑流匯集路徑增加,侵蝕形態(tài)既有坡耕地頂部的濺蝕,同時(shí)在坡耕地的中下部形成細(xì)溝或淺溝侵蝕,侵蝕強(qiáng)度增強(qiáng);25°以下坡耕地土壤侵蝕模數(shù)為803t/(km2·a)~9452t/(km2·a),其中中坡(15°~25°)的侵蝕模數(shù)介于2300t/(km2·a)~9452t/(km2·a),隨著坡度的增加,侵蝕模數(shù)增加較快,是侵蝕程度最強(qiáng)的坡度范圍;緩坡(8°~15°)的侵蝕模數(shù)介于1295t/(km2·a)~2502t/(km2·a),隨著坡度的增加,侵蝕模數(shù)有所增加,但不及中坡的增速大;而微坡(<8°)的土壤侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較小,侵蝕模數(shù)往往小于1000t/(km2·a)。坡耕地的土壤侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他土地利用方式用地,在相近坡長(zhǎng)情況下,其土壤侵蝕速率呈現(xiàn)出隨坡度增加而增加的趨勢(shì),且土壤侵蝕量隨著坡度的增加而增大(表2)。3不同地形下表土顆粒形態(tài)變化特征降雨引發(fā)土壤侵蝕并導(dǎo)致表土細(xì)顆粒流失,造成土壤粗骨化,土壤中粘粒含量高低是反映坡耕地土壤抗蝕能力強(qiáng)弱的有效指標(biāo),紫色土中<0.005mm的粉粒含量越高,抗蝕性越強(qiáng),侵蝕相對(duì)較弱;反之,侵蝕增強(qiáng)。紫色土結(jié)構(gòu)松散,在降雨初始階段,流失泥沙中顆粒含量以<0.02mm的單粒和微團(tuán)聚體為主,隨著徑流量增加,所攜帶泥沙中>0.02mm的顆粒也隨之增多,并且顆粒含量逐漸穩(wěn)定,這與紅壤和黑土的流失顆粒形態(tài)有所不同,紅壤在產(chǎn)流初期>1mm的泥沙較少,<0.25mm的泥沙較多,隨著產(chǎn)流時(shí)間推移,徑流攜沙能力增強(qiáng),>1mm的泥沙增多,而黑土在流失過(guò)程中土壤顆粒組成為砂粒>粉粒>粘粒,總體來(lái)說(shuō),紫色土坡耕地土壤流失顆粒粒徑小于紅壤和黑土,這主要與紫色土本身的物理形態(tài)和特性有關(guān)。紫色土流失泥沙主要以<0.02mm的團(tuán)聚體和<0.002mm的粘粒為主,因此防止紫色土土壤侵蝕,必須從防止細(xì)顆粒流失著手。植物籬能夠減輕土壤受降雨濺蝕和徑流沖蝕,具有較高的泥沙攔截作用,其根系在表土中穿插盤(pán)結(jié),極大地增強(qiáng)表土的抗蝕能力,能夠?qū)⑼寥乐蟹哿?0.002~0.05mm)和粘粒(<0.002mm)含量提高10%~14%,對(duì)控制粘粒和粉粒的流失效果顯著。種植模式優(yōu)化能夠改變坡面形態(tài),且植物籬和種植模式的復(fù)合應(yīng)用,能顯著地提高土壤孔隙度,降低土壤容重,對(duì)減少地表徑流、緩解坡耕地土壤細(xì)顆粒的流失、防止土壤粗骨化效果顯著(表3)。4不同種植模式下植物籬設(shè)施對(duì)土壤保肥作用的影響土壤侵蝕是庫(kù)區(qū)坡耕地土壤養(yǎng)分流失的主要原因,也是面源污染形成的重要途徑。侵蝕表土被雨水剝離和搬運(yùn),養(yǎng)分含量也隨之變化,這是因?yàn)橥寥乐械臓I(yíng)養(yǎng)元素很容易吸附在流失的土壤顆粒上,在流失泥沙中有養(yǎng)分富集特征。養(yǎng)分流失形態(tài)主要包括顆粒態(tài)和溶解態(tài)2種,其中顆粒態(tài)是主要形式,占坡耕地土壤養(yǎng)分流失總量的90%以上。因此,防治顆粒態(tài)養(yǎng)分流失是減輕面源污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。土壤養(yǎng)分主要是隨著粉粒(0.002~0.02mm)和粘粒(<0.002mm)的流失而流失。植物籬的擋土保肥作用優(yōu)于不同種植模式,研究表明,枝葉茂盛且根系發(fā)達(dá)的灌木類植物籬攔土保肥作用尤其顯著,不僅能攔截土壤細(xì)顆粒,極大減少土壤養(yǎng)分的流失,自身的新鮮枝葉能夠作為綠肥還田,增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量;不同種植模式對(duì)土壤徑流的截持與減少泥沙的流失具有一定的物理阻擋作用,土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀等的含量相對(duì)于對(duì)照組提高8%~16%,流失泥沙中的磷素流失量減少50%以上,有效地提高了土壤的養(yǎng)分含量,其中果草模式對(duì)土壤中有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮和速效鉀等養(yǎng)分流失的防治效果最好,全鉀和速效磷的防治作用不明顯(表4)。5紫色土壤侵蝕研究方向總結(jié)5.1水保措施在科學(xué)試驗(yàn)上的應(yīng)用方案目前三峽庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地坡面侵蝕的相關(guān)數(shù)據(jù)多是通過(guò)人工模擬降雨觀測(cè)所得,但庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地面積廣大,且不同區(qū)域自然條件差異大,不同水保措施和降雨、坡度、坡長(zhǎng)等因子的組合作用下全部開(kāi)展監(jiān)測(cè)需要花費(fèi)很大的人力、物力和財(cái)力,而且在科學(xué)試驗(yàn)上也不合理。今后應(yīng)在加強(qiáng)土壤侵蝕因子研究基礎(chǔ)上發(fā)展適合紫色土坡耕地侵蝕預(yù)測(cè)的物理模型,增強(qiáng)預(yù)測(cè)精確性,為庫(kù)區(qū)紫色土坡耕地水土保持措施優(yōu)化配置提供支撐。5.2結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)護(hù)板的影響埂坎通過(guò)分割坡長(zhǎng)達(dá)到控制坡耕地土壤侵蝕,是坡耕地防治水土流失的有效屏障。目前三峽庫(kù)區(qū)采用了石坎、土坎、土石復(fù)合坎等多種埂坎結(jié)構(gòu),但有關(guān)埂坎的最優(yōu)寬高比、土坎的適宜高度等結(jié)構(gòu)參數(shù)報(bào)道較少,各種埂坎的水土保持效應(yīng)研究也不夠,以致埂坎的水土保持機(jī)理不清,更談不上埂坎的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此,今后可以在埂坎的結(jié)構(gòu)和功能方面開(kāi)展相關(guān)研究,以形成耕地耕作措施