第1 章 绪 论

想象一下， 几百万年之前， 除最寒冷和最干旱地区之外， 陆地上发生及时场雨和及时场风时就产生了一系列的过程。这些过程在很大程度上塑造了地球表面形态。它们将陆地分成不同的汇水盆地， 并塑造了高山与低谷、山坡与河道， 并剥蚀陆地上经数十年、数百年甚至上千年时间才形成的肥沃的表层土壤。这些剥蚀过程可以仅仅在几年甚至几个月内摧毁土地生产力， 夺取人类及其他生物的食物。对土壤和其他地球母质的破坏、剥蚀、搬运和堆积的一系列过程即为侵蚀和沉积。

因为在时间和空间上的普遍性， 土壤侵蚀被认为是世界范围内一个重要的、且极有可能是最主要的环境问题之一。由于它在时间和空间上的普遍性及其巨大的影响， 土壤侵蚀成为自然科学家和社会科学家的一个基本研究主题。农场主、矿主、承包者以及各级政府机构的成员们必须努力采取各种有效的侵蚀控制措施来保护土壤， 尽量减少侵蚀和沉积造成的直接和间接损失。

如今， 许多地区的土壤侵蚀速率已经超过了土壤形成速率， 这造成了土壤资源的消耗，降低了土地潜在生产力(图1.1) 。这种土壤侵蚀速率超过土壤形成速率的情况主要是由人类活动导致的。随着全球人口的增加及其对食物、居住条件和生活水平要求的不断提高， 土壤侵蚀速率正在进一步增加， 土壤侵蚀范围也正继续扩大。

仅仅在美国， 大约有0.573 亿英亩① 农地， 其生态极为脆弱且高度易受侵蚀， 已被确认正在经历着过度侵蚀。大约0.505 亿英亩土地虽不是高度易受侵蚀， 但它们的侵蚀程度已经超过了土壤容许流失量(美国农业部自然资源保护局USDA ， NRCS ， 2000) 。土壤容许流失量是"容许作物在合理成本情况下， 长期可持续地保持高产的较大的土壤侵蚀量" ( Wis-chmeier and Smith ， 1978) 。这个概念的应用及其局限性将会在第8 章中讨论。当然， 遗憾的是， 现在没有任何一项技术能够控制所有土地利用条件下的土壤侵蚀速率。

在过去的30 年里， 许多研究已经证实了土壤侵蚀问题的严重性， 认为它每年带来了数十亿吨的土壤流失， 或者表达为每年侵蚀和沉积危害造成的经济损失达数十亿美元( Lal ，1994a ； Morgan ， 1991) 。但大多数研究者认为这些数据是不的， 原因是考虑到侵蚀过程在时间和空间上的变异性、土壤侵蚀测量技术的缺乏、小样地尺度到大陆等大尺度的数据外推以及侵蚀和泥沙沉积速率转换到货币单位过程中造成的误差(Boardman ， 1998 ；Crosson ， 1995 ； Lal ， 1994a ； Osterkamp et al.， 1998 ； Pimental et al.， 1995 ； Ribauda ，1986) 。然而， 不管如何衡量， 土壤侵蚀是一个在全世界都非常严重的问题， 威胁到生态系统和人类居住环境。

任何一个大尺度区域内的土壤侵蚀平均速率并不代表土壤侵蚀问题的实际严重程度。

土壤侵蚀平均速率值掩盖了土壤侵蚀速率较低和较高区域。大尺度区域内的某些地区经常存在较低速率的土壤侵蚀， 这种低速率侵蚀对生态环境不会造成危害， 或者可以通过一些小型和廉价的农业耕作措施调整来控制。而另外一些地区经常存在高速率侵蚀， 这就需要耗费巨大的物力和财力来控制。通常， 一个区域内很小部分地区产生的土壤侵蚀和泥沙沉积， 可能在该区域总侵蚀量和总泥沙沉积量中占据较大比例。以大尺度区域内土壤侵蚀速率较高的某些地区为主要土壤侵蚀控制目标， 能够显著降低该区域的平均土壤侵蚀速率。

用"以全球化眼光考虑问题， 结合地区特点解决问题" 这句格言来形容对土壤侵蚀的控制是非常恰当的。以全球化的眼光考虑问题， 是因为土壤侵蚀是一个非常普遍的问题， 它过去、现在、将来一直影响着全球生态系统。结合地区特点解决问题， 是因为有效的土壤侵蚀控制措施要求针对山坡、田地、沟道和山地流域尺度具体实施。

大多数情况下， 长期的土壤生产力和农业可持续发展都要求土壤侵蚀速率不能超过土壤形成速率。土壤生产力是土壤在其正常环境下， 在一个具体的管理系统中生产某一特定作物(或生产某一系列作物) 的能力(国家土壤侵蚀- 土壤生产力研究规划委员会， NationalSoil Erosion-Soil Productivity Research Planning Committee ， 1981) 。通过种植高产量的作物品种、施用杀虫剂及肥料， 至少可以在短期内维持甚至提高土壤生产力。但是， 在某些情况下， 这些措施在经济上是不可行的， 它会降低农地经营者的盈利， 有时还会引起其他的环境问题， 比如由于施用的杀虫剂及肥料从田地运输到径流时造成的水污染。而且， 这些措施在被推广到发展中国家时经常受到其经济和其他文化条件的限制。

有效控制土壤侵蚀措施的发展和对其管理都要求人们对侵蚀过程有一个彻底、完整的了解， 要求人们有测定和评估土壤侵蚀速率的能力， 具有土壤侵蚀控制技术的理论和实践知识。

这本介绍土壤侵蚀教材的目的是： ① 提供土壤侵蚀过程、土壤侵蚀测定、土壤侵蚀评估和土壤侵蚀控制的基础知识； ② 明确更多详细信息的来源； ③ 为侵蚀研究和土壤保护事业奠定基础。

侵蚀的物理和经济意义

土壤侵蚀在各方面以不同方式直接或间接地影响土地及其居民。在这一节， 将讨论土壤侵蚀造成的物理上和经济上的后果， 其造成的社会影响将在本章的后述部分阐述。

土壤性质变化

土壤性质是成土(土壤形成) 过程中的产物， 它因受到人类活动的影响而频繁发生变化。土壤材料强度、土壤入渗能力以及植被生产力等特性(附表A) 都会因土壤侵蚀过程而改变。土壤本身具有决定其抵抗外界侵蚀应力的强度特性。这些土壤性质经常发生改变， 在较长时期内， 是风化、成土过程及有机质分解的结果； 短时期内， 是季节性气候变化条件的结果。加速的土壤侵蚀移走了土壤表层(A 层) ， 并使底层(B 层) 土壤暴露， 而底层土壤具有不同的强度特性， 因此， 不同的土壤对重力、雨滴击溅力及地表径流冲刷力的抵抗能力也不同。

土壤的另外一个重要特性是入渗能力， 定义为水分渗入土壤的较大速率。土壤入渗过程将降雨分为3 个部分， 即土壤表层水分、地下水和地表径流(附录B) 。土壤表层水分将土壤颗粒结合在一起， 增加土壤团聚力， 能够降低土壤风蚀速率。流入地表以下的水分会产生土壤孔隙水压力， 降低土壤颗粒之间的摩擦力， 使土壤颗粒更容易受到重力及其他外在侵蚀力的侵蚀。亚地表径流会在坡脚处流出， 成为渗漏流， 汇入地表径流。一旦降雨速率超过土壤入渗速率， 径流就会汇于地表， 在地表上流动， 产生水力侵蚀动力， 并将泥沙从山坡运移到沟道中。一般来说， A 层土壤的入渗能力远远高于B 层土壤的入渗能力。当侵蚀将A 层土壤移走时， 便将B 层土壤暴露， 此时， 一场高强度的降雨会产生更高的径流速率和更多的径流量； 同时， 由于土壤入渗率降低， 会产生更高的土壤侵蚀速率。当然， 这还依赖于B层土壤材料对于土壤侵蚀外营力的承受力。

土壤具有能够极大地影响植被生长的物理和化学性质。比如， 过多或过少的土壤水分都会影响植被生长。排水速率较慢的土壤会水涝， 使该土壤只适合于种植水生(湿地) 植物类型， 而且倾向于需水较多的庭院植物。排水速率较快的土壤不能保持充足的水分， 只能适于栽植旱生(沙地) 植被类型。一种土壤的持水能力与其颗粒组成密切相关。质地较细的土壤比质地较粗的土壤拥有更大的可供水分子吸附和储存的表面积。从经验法则来说， 砂粒含量比例为70 % 或更多的土壤被认为是比较干旱的。当风力和水力侵蚀过程将土壤中的细颗粒移走时， 土壤持水能力将会下降。当水分成为一个限制因素时， 土壤持水能力的下降反过来会影响植被的生长。另外， 土壤侵蚀减小了土壤厚度， 从而降低了可用于储存水分和养分的土壤体积。

土壤肥力是土壤提供植物生长所必需的营养元素的数量和平衡各元素及化合物的能力。

植物营养元素大多储存于上层土壤中， 并在此循环。移去上层土壤会减少植被可利用的养分数量。不管是天然产生的、还是农场主或专家施用的植物营养剂和杀虫剂(包括昆虫剂、除草剂和杀菌剂) ， 它们都吸附于泥沙颗粒中， 随径流或侵蚀过程而被运移。图1.2 显示了美国潜在含有杀虫剂的径流的空间变异性。

侵蚀的经济后果

侵蚀的经济后果要在侵蚀源地(不同用途场地、农地或建筑用地) 、区域和国家尺度上检验。土壤物理化学特性的变化会影响作物盈利性、降低作物产量， 所以， 要维持产量就得提高管理要求。据美国农业部自然资源保护局统计(1997a) ， 土壤侵蚀仍然在威胁美国将近三分之一的农地、至少五分之一牧场地的土地生产力。土壤侵蚀通过降低土壤矿物质、土壤持水力、根系深度和植物养分可利用率来减少作物产量， 同时降低土壤结构性， 改变土壤质地(Weesiea et al.， 1994) 。

事实证明， 土壤侵蚀和土地生产力之间的关系， 某种程度上是很难描述的， 因为土壤侵蚀速率和土地生产力均受变化较大的时间和空间诸多条件的影响。例如， Olson 等(1994) 观察到有以下因素使土壤侵蚀和土地生产力之间的关系更加复杂： ① 景观位置和山坡组成； ② 地表和亚地表水流； ③ 自然和人为侵蚀控制措施； ④ 土壤性质； ⑤ 过去及现在土地管理状况。另外， 不同年份间的气候变化也直接影响土壤侵蚀和土地生产力， 这使野外研究、数据分析及解释等变得更加复杂。

土壤侵蚀是一种隐性过程， 它首先能够剥蚀生产力最强的表层土壤， 同时会以不易觉察的速度在很长时期内降低土地生产力。然而， 这种土地生产力的降低经常被种植高产量作物以及增加肥料和杀虫剂的施用量等形式所掩盖。这一般会发生在能够得到经济支持来支撑增加肥料和杀虫剂而增加的投资的地区(Follett and Stewart ， 1985) 。在广泛施用商业化肥之前， 相比于表层土壤少量流失下的农作物产量， 表层土壤严重流失的土地降低了大约50 %或更多的农作物产量(Weesies et al.， 1994) 。大量研究分析已经表明， 农作物产量的降低主要受土壤和气候特征， 以及肥料施用率的影响。无论从长期来说， 还是从短期来说， 土壤侵蚀都会影响农业经济的盈利性。

高侵蚀速率的累积效益会在国家层面和区域层面上反映出来。自1982 年以来， 美国农地减少了大约1100 万英亩(2.6 % ) ， 草地大约减少了1200 万英亩(9 % ) ， 牧草地减少了大约0.11 亿英亩(2.6 % ) ， 而林地增加了0.036 亿英亩或0.9 % (美国农业部自然资源保护局， 1997 ， 2000 年修正) 。美国东北部和南部的一些州将以前的农地改成了林地。密西西比河底部的许多森林和大平原草地现在都改成了农地(美国农业部自然资源保护局， 1997a) 。

实际上， 导致这些土地利用变化的原因很多， 包括农业贸易经济上的变化、以往侵蚀造成的土壤损失以及土壤侵蚀控制项目的影响。另外， 由于各种土地利用类型之间的竞争， 尤其是城镇和小城镇的发展， 也会导致土地利用类型的变化。

为了努力保护易受水力侵蚀和风力侵蚀的土壤， 保护规划项目(CRP) 于1985 年创立。

到1997 年， 保护规划项目已经将0.327 亿英亩土地纳入了保护规划， 不作为生产用地。据估计， 每年由于面蚀和细沟侵蚀造成的耕地的土壤流失量为3.1 吨/(英亩? 年) ， 而保护规划项目内的土地由于面蚀和细沟侵蚀造成的土壤流失量是0.4 吨/(英亩? 年) 。据估计， 每年由于风力侵蚀造成的耕地上的土壤流失量是2.5 吨/(英亩? 年) ， 而保护规划项目内的土地由于风力侵蚀造成的土壤流失量是0.3 吨/(英亩? 年) (美国农业部自然资源保护局，1997b) 。

土壤保护规划项目是将易受土壤侵蚀的土地退出耕作， 这在美国是十分可行的， 因为在其他不太易受土壤侵蚀的农地上可以施用大量的肥料以及经济和技术措施使其生产力达到较大化。现在， 每英亩农地的食品和纤维等产量已经是1935 年时每英亩产量的3 倍(美国农业部自然资源保护局， 1997a) 。因此， 美国农业市场的需求能够以低于其他工业国家的价格得到满足。但问题是这种高水平土地生产力是否能够在将来得到持续发展。美国有10.8 亿英亩农地的年均土壤侵蚀速率超过了土壤容许流失率(美国农业部自然资源保护局，1997b) 。图1.3 显示了美国农地土壤侵蚀的空间变化。

然而， 世界上其他部分地区的情况是非常不同的。调查证明， 由于严重的土壤侵蚀以及人口增长造成的土地生产力下降， 已经导致了在过去10 年中世界人均食物供给下滑， 并且还会继续下滑(Pimental et al.， 1995) 。在土地归属权没有立法规定的地区， 总可以得到其他土地(尽管有时只是作为家庭生存的物质保障) ， 一旦从新土地上得到的预期回报能够超过已有的被耕作的土地， 农民便会转移到新的土地上(Barbier and Bishop ， 1995) 。土地轮垦本身并没有问题， 实际上， 它在某种程度上与作物的轮作制度是一致的， 但在让土地休养之前的高强度耕作(包括延长高强度全耕的作物生产) ， 以及在土地未利用时没有进行植被覆盖等， 都会导致严重的土地退化， 而这种退化需要很长时间才能恢复。

在一些国家， 政府为农民提供肥料、杀虫剂和灌溉设施的补助， 以保障实现生产目标(至少在短期内) 。这类项目主要支持土壤侵蚀过程、评估、测定及控制， 而不是分析全世界土壤侵蚀问题。其他国家的土壤侵蚀相关信息可以在Morgan (1986) 、Troeh 等(1991) 的文章中得到， 也可以在Journal o f Soil and W ater Conser vation 或者其他期刊资源中获得。

由于采矿、居民建筑、商业开发以及高速公路建设等造成的土地干扰， 可以使土壤侵蚀速率以2 倍或更多几何级的倍数增加， 当然这还要取决于土地被干扰前的利用状况( Toyand Hadley ， 1987) 。在5 个月期间， 3 个有开矿建设的流域分别有0.3 吨/英亩、2.0 吨/英亩和0.4 吨/英亩(0.6 、2.4 和1.0 公吨/公顷) 的泥沙产生， 而在同时期内， 附近没有开矿建设的流域则没有泥沙产生(Curtis ， 1971) 。即便在土地休养时， 对地面植被和底层土壤的干扰， 包括车辆碾压、骑马践踏以及行人践踏等， 都会导致细沟侵蚀和沟蚀的发生。这些干扰会降低土地的美学价值， 增加管理维护费用， 并增加流入附近沟道的泥沙量。

土壤侵蚀控制技术给人的主要标志性印象通常是增加农地的维护费用， 增加矿场的土地复垦费用， 增加建筑用地表水和泥沙的管理费用， 这些都会降低土地的盈利性。历史上， 许多农民不愿意仅仅因为控制土壤侵蚀而改变低风险的传统农业管理措施， 除非他们做这些能获得更好的经济效益。土壤侵蚀控制措施的经济效益似乎是他们接受或不接受土壤侵蚀控制措施的主要原因(Weesies et al.， 1994) 。当一个家庭面临温饱问题或银行贷款问题时， 长期的土壤侵蚀控制目标似乎与他们毫不相关。同样， 工矿开发者、建筑项目的管理者必须规划和控制项目的费用， 通常还有公司老板、监督者和投资者等都关注项目的盈利性。