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第1 章 緒 論

想象一下， 幾百萬年之前， 除最寒冷和最干旱地區之外， 陸地上發生及時場雨和及時場風時就產生了一系列的過程。這些過程在很大程度上塑造了地球表面形態。它們將陸地分成不同的匯水盆地， 并塑造了高山與低谷、山坡與河道， 并剝蝕陸地上經數十年、數百年甚至上千年時間才形成的肥沃的表層土壤。這些剝蝕過程可以僅僅在幾年甚至幾個月內摧毀土地生產力， 奪取人類及其他生物的食物。對土壤和其他地球母質的破壞、剝蝕、搬運和堆積的一系列過程即為侵蝕和沉積。

因為在時間和空間上的普遍性， 土壤侵蝕被認為是世界范圍內一個重要的、且極有可能是最主要的環境問題之一。由于它在時間和空間上的普遍性及其巨大的影響， 土壤侵蝕成為自然科學家和社會科學家的一個基本研究主題。農場主、礦主、承包者以及各級政府機構的成員們必須努力采取各種有效的侵蝕控制措施來保護土壤， 盡量減少侵蝕和沉積造成的直接和間接損失。

如今， 許多地區的土壤侵蝕速率已經超過了土壤形成速率， 這造成了土壤資源的消耗，降低了土地潛在生產力(圖1.1) 。這種土壤侵蝕速率超過土壤形成速率的情況主要是由人類活動導致的。隨著全球人口的增加及其對食物、居住條件和生活水平要求的不斷提高， 土壤侵蝕速率正在進一步增加， 土壤侵蝕范圍也正繼續擴大。

僅僅在美國， 大約有0.573 億英畝① 農地， 其生態極為脆弱且高度易受侵蝕， 已被確認正在經歷著過度侵蝕。大約0.505 億英畝土地雖不是高度易受侵蝕， 但它們的侵蝕程度已經超過了土壤容許流失量(美國農業部自然資源保護局USDA ， NRCS ， 2000) 。土壤容許流失量是"容許作物在合理成本情況下， 長期可持續地保持高產的較大的土壤侵蝕量" ( Wis-chmeier and Smith ， 1978) 。這個概念的應用及其局限性將會在第8 章中討論。當然， 遺憾的是， 現在沒有任何一項技術能夠控制所有土地利用條件下的土壤侵蝕速率。

在過去的30 年里， 許多研究已經證實了土壤侵蝕問題的嚴重性， 認為它每年帶來了數十億噸的土壤流失， 或者表達為每年侵蝕和沉積危害造成的經濟損失達數十億美元( Lal ，1994a ； Morgan ， 1991) 。但大多數研究者認為這些數據是不的， 原因是考慮到侵蝕過程在時間和空間上的變異性、土壤侵蝕測量技術的缺乏、小樣地尺度到大陸等大尺度的數據外推以及侵蝕和泥沙沉積速率轉換到貨幣單位過程中造成的誤差(Boardman ， 1998 ；Crosson ， 1995 ； Lal ， 1994a ； Osterkamp et al.， 1998 ； Pimental et al.， 1995 ； Ribauda ，1986) 。然而， 不管如何衡量， 土壤侵蝕是一個在全世界都非常嚴重的問題， 威脅到生態系統和人類居住環境。

任何一個大尺度區域內的土壤侵蝕平均速率并不代表土壤侵蝕問題的實際嚴重程度。

土壤侵蝕平均速率值掩蓋了土壤侵蝕速率較低和較高區域。大尺度區域內的某些地區經常存在較低速率的土壤侵蝕， 這種低速率侵蝕對生態環境不會造成危害， 或者可以通過一些小型和廉價的農業耕作措施調整來控制。而另外一些地區經常存在高速率侵蝕， 這就需要耗費巨大的物力和財力來控制。通常， 一個區域內很小部分地區產生的土壤侵蝕和泥沙沉積， 可能在該區域總侵蝕量和總泥沙沉積量中占據較大比例。以大尺度區域內土壤侵蝕速率較高的某些地區為主要土壤侵蝕控制目標， 能夠顯著降低該區域的平均土壤侵蝕速率。

用"以全球化眼光考慮問題， 結合地區特點解決問題" 這句格言來形容對土壤侵蝕的控制是非常恰當的。以全球化的眼光考慮問題， 是因為土壤侵蝕是一個非常普遍的問題， 它過去、現在、將來一直影響著全球生態系統。結合地區特點解決問題， 是因為有效的土壤侵蝕控制措施要求針對山坡、田地、溝道和山地流域尺度具體實施。

大多數情況下， 長期的土壤生產力和農業可持續發展都要求土壤侵蝕速率不能超過土壤形成速率。土壤生產力是土壤在其正常環境下， 在一個具體的管理系統中生產某一特定作物(或生產某一系列作物) 的能力(國家土壤侵蝕- 土壤生產力研究規劃委員會， NationalSoil Erosion-Soil Productivity Research Planning Committee ， 1981) 。通過種植高產量的作物品種、施用殺蟲劑及肥料， 至少可以在短期內維持甚至提高土壤生產力。但是， 在某些情況下， 這些措施在經濟上是不可行的， 它會降低農地經營者的盈利， 有時還會引起其他的環境問題， 比如由于施用的殺蟲劑及肥料從田地運輸到徑流時造成的水污染。而且， 這些措施在被推廣到發展中國家時經常受到其經濟和其他文化條件的限制。

有效控制土壤侵蝕措施的發展和對其管理都要求人們對侵蝕過程有一個徹底、完整的了解， 要求人們有測定和評估土壤侵蝕速率的能力， 具有土壤侵蝕控制技術的理論和實踐知識。

這本介紹土壤侵蝕教材的目的是： ① 提供土壤侵蝕過程、土壤侵蝕測定、土壤侵蝕評估和土壤侵蝕控制的基礎知識； ② 明確更多詳細信息的來源； ③ 為侵蝕研究和土壤保護事業奠定基礎。

侵蝕的物理和經濟意義

土壤侵蝕在各方面以不同方式直接或間接地影響土地及其居民。在這一節， 將討論土壤侵蝕造成的物理上和經濟上的后果， 其造成的社會影響將在本章的后述部分闡述。

土壤性質變化

土壤性質是成土(土壤形成) 過程中的產物， 它因受到人類活動的影響而頻繁發生變化。土壤材料強度、土壤入滲能力以及植被生產力等特性(附表A) 都會因土壤侵蝕過程而改變。土壤本身具有決定其抵抗外界侵蝕應力的強度特性。這些土壤性質經常發生改變， 在較長時期內， 是風化、成土過程及有機質分解的結果； 短時期內， 是季節性氣候變化條件的結果。加速的土壤侵蝕移走了土壤表層(A 層) ， 并使底層(B 層) 土壤暴露， 而底層土壤具有不同的強度特性， 因此， 不同的土壤對重力、雨滴擊濺力及地表徑流沖刷力的抵抗能力也不同。

土壤的另外一個重要特性是入滲能力， 定義為水分滲入土壤的較大速率。土壤入滲過程將降雨分為3 個部分， 即土壤表層水分、地下水和地表徑流(附錄B) 。土壤表層水分將土壤顆粒結合在一起， 增加土壤團聚力， 能夠降低土壤風蝕速率。流入地表以下的水分會產生土壤孔隙水壓力， 降低土壤顆粒之間的摩擦力， 使土壤顆粒更容易受到重力及其他外在侵蝕力的侵蝕。亞地表徑流會在坡腳處流出， 成為滲漏流， 匯入地表徑流。一旦降雨速率超過土壤入滲速率， 徑流就會匯于地表， 在地表上流動， 產生水力侵蝕動力， 并將泥沙從山坡運移到溝道中。一般來說， A 層土壤的入滲能力遠遠高于B 層土壤的入滲能力。當侵蝕將A 層土壤移走時， 便將B 層土壤暴露， 此時， 一場高強度的降雨會產生更高的徑流速率和更多的徑流量； 同時， 由于土壤入滲率降低， 會產生更高的土壤侵蝕速率。當然， 這還依賴于B層土壤材料對于土壤侵蝕外營力的承受力。

土壤具有能夠極大地影響植被生長的物理和化學性質。比如， 過多或過少的土壤水分都會影響植被生長。排水速率較慢的土壤會水澇， 使該土壤只適合于種植水生(濕地) 植物類型， 而且傾向于需水較多的庭院植物。排水速率較快的土壤不能保持充足的水分， 只能適于栽植旱生(沙地) 植被類型。一種土壤的持水能力與其顆粒組成密切相關。質地較細的土壤比質地較粗的土壤擁有更大的可供水分子吸附和儲存的表面積。從經驗法則來說， 砂粒含量比例為70 % 或更多的土壤被認為是比較干旱的。當風力和水力侵蝕過程將土壤中的細顆粒移走時， 土壤持水能力將會下降。當水分成為一個限制因素時， 土壤持水能力的下降反過來會影響植被的生長。另外， 土壤侵蝕減小了土壤厚度， 從而降低了可用于儲存水分和養分的土壤體積。

土壤肥力是土壤提供植物生長所必需的營養元素的數量和平衡各元素及化合物的能力。

植物營養元素大多儲存于上層土壤中， 并在此循環。移去上層土壤會減少植被可利用的養分數量。不管是天然產生的、還是農場主或專家施用的植物營養劑和殺蟲劑(包括昆蟲劑、除草劑和殺菌劑) ， 它們都吸附于泥沙顆粒中， 隨徑流或侵蝕過程而被運移。圖1.2 顯示了美國潛在含有殺蟲劑的徑流的空間變異性。

侵蝕的經濟后果

侵蝕的經濟后果要在侵蝕源地(不同用途場地、農地或建筑用地) 、區域和國家尺度上檢驗。土壤物理化學特性的變化會影響作物盈利性、降低作物產量， 所以， 要維持產量就得提高管理要求。據美國農業部自然資源保護局統計(1997a) ， 土壤侵蝕仍然在威脅美國將近三分之一的農地、至少五分之一牧場地的土地生產力。土壤侵蝕通過降低土壤礦物質、土壤持水力、根系深度和植物養分可利用率來減少作物產量， 同時降低土壤結構性， 改變土壤質地(Weesiea et al.， 1994) 。

事實證明， 土壤侵蝕和土地生產力之間的關系， 某種程度上是很難描述的， 因為土壤侵蝕速率和土地生產力均受變化較大的時間和空間諸多條件的影響。例如， Olson 等(1994) 觀察到有以下因素使土壤侵蝕和土地生產力之間的關系更加復雜： ① 景觀位置和山坡組成； ② 地表和亞地表水流； ③ 自然和人為侵蝕控制措施； ④ 土壤性質； ⑤ 過去及現在土地管理狀況。另外， 不同年份間的氣候變化也直接影響土壤侵蝕和土地生產力， 這使野外研究、數據分析及解釋等變得更加復雜。

土壤侵蝕是一種隱性過程， 它首先能夠剝蝕生產力最強的表層土壤， 同時會以不易覺察的速度在很長時期內降低土地生產力。然而， 這種土地生產力的降低經常被種植高產量作物以及增加肥料和殺蟲劑的施用量等形式所掩蓋。這一般會發生在能夠得到經濟支持來支撐增加肥料和殺蟲劑而增加的投資的地區(Follett and Stewart ， 1985) 。在廣泛施用商業化肥之前， 相比于表層土壤少量流失下的農作物產量， 表層土壤嚴重流失的土地降低了大約50 %或更多的農作物產量(Weesies et al.， 1994) 。大量研究分析已經表明， 農作物產量的降低主要受土壤和氣候特征， 以及肥料施用率的影響。無論從長期來說， 還是從短期來說， 土壤侵蝕都會影響農業經濟的盈利性。

高侵蝕速率的累積效益會在國家層面和區域層面上反映出來。自1982 年以來， 美國農地減少了大約1100 萬英畝(2.6 % ) ， 草地大約減少了1200 萬英畝(9 % ) ， 牧草地減少了大約0.11 億英畝(2.6 % ) ， 而林地增加了0.036 億英畝或0.9 % (美國農業部自然資源保護局， 1997 ， 2000 年修正) 。美國東北部和南部的一些州將以前的農地改成了林地。密西西比河底部的許多森林和大平原草地現在都改成了農地(美國農業部自然資源保護局， 1997a) 。

實際上， 導致這些土地利用變化的原因很多， 包括農業貿易經濟上的變化、以往侵蝕造成的土壤損失以及土壤侵蝕控制項目的影響。另外， 由于各種土地利用類型之間的競爭， 尤其是城鎮和小城鎮的發展， 也會導致土地利用類型的變化。

為了努力保護易受水力侵蝕和風力侵蝕的土壤， 保護規劃項目(CRP) 于1985 年創立。

到1997 年， 保護規劃項目已經將0.327 億英畝土地納入了保護規劃， 不作為生產用地。據估計， 每年由于面蝕和細溝侵蝕造成的耕地的土壤流失量為3.1 噸/(英畝? 年) ， 而保護規劃項目內的土地由于面蝕和細溝侵蝕造成的土壤流失量是0.4 噸/(英畝? 年) 。據估計， 每年由于風力侵蝕造成的耕地上的土壤流失量是2.5 噸/(英畝? 年) ， 而保護規劃項目內的土地由于風力侵蝕造成的土壤流失量是0.3 噸/(英畝? 年) (美國農業部自然資源保護局，1997b) 。

土壤保護規劃項目是將易受土壤侵蝕的土地退出耕作， 這在美國是十分可行的， 因為在其他不太易受土壤侵蝕的農地上可以施用大量的肥料以及經濟和技術措施使其生產力達到較大化。現在， 每英畝農地的食品和纖維等產量已經是1935 年時每英畝產量的3 倍(美國農業部自然資源保護局， 1997a) 。因此， 美國農業市場的需求能夠以低于其他工業國家的價格得到滿足。但問題是這種高水平土地生產力是否能夠在將來得到持續發展。美國有10.8 億英畝農地的年均土壤侵蝕速率超過了土壤容許流失率(美國農業部自然資源保護局，1997b) 。圖1.3 顯示了美國農地土壤侵蝕的空間變化。

然而， 世界上其他部分地區的情況是非常不同的。調查證明， 由于嚴重的土壤侵蝕以及人口增長造成的土地生產力下降， 已經導致了在過去10 年中世界人均食物供給下滑， 并且還會繼續下滑(Pimental et al.， 1995) 。在土地歸屬權沒有立法規定的地區， 總可以得到其他土地(盡管有時只是作為家庭生存的物質保障) ， 一旦從新土地上得到的預期回報能夠超過已有的被耕作的土地， 農民便會轉移到新的土地上(Barbier and Bishop ， 1995) 。土地輪墾本身并沒有問題， 實際上， 它在某種程度上與作物的輪作制度是一致的， 但在讓土地休養之前的高強度耕作(包括延長高強度全耕的作物生產) ， 以及在土地未利用時沒有進行植被覆蓋等， 都會導致嚴重的土地退化， 而這種退化需要很長時間才能恢復。

在一些國家， 政府為農民提供肥料、殺蟲劑和灌溉設施的補助， 以保障實現生產目標(至少在短期內) 。這類項目主要支持土壤侵蝕過程、評估、測定及控制， 而不是分析全世界土壤侵蝕問題。其他國家的土壤侵蝕相關信息可以在Morgan (1986) 、Troeh 等(1991) 的文章中得到， 也可以在Journal o f Soil and W ater Conser vation 或者其他期刊資源中獲得。

由于采礦、居民建筑、商業開發以及高速公路建設等造成的土地干擾， 可以使土壤侵蝕速率以2 倍或更多幾何級的倍數增加， 當然這還要取決于土地被干擾前的利用狀況( Toyand Hadley ， 1987) 。在5 個月期間， 3 個有開礦建設的流域分別有0.3 噸/英畝、2.0 噸/英畝和0.4 噸/英畝(0.6 、2.4 和1.0 公噸/公頃) 的泥沙產生， 而在同時期內， 附近沒有開礦建設的流域則沒有泥沙產生(Curtis ， 1971) 。即便在土地休養時， 對地面植被和底層土壤的干擾， 包括車輛碾壓、騎馬踐踏以及行人踐踏等， 都會導致細溝侵蝕和溝蝕的發生。這些干擾會降低土地的美學價值， 增加管理維護費用， 并增加流入附近溝道的泥沙量。

土壤侵蝕控制技術給人的主要標志性印象通常是增加農地的維護費用， 增加礦場的土地復墾費用， 增加建筑用地表水和泥沙的管理費用， 這些都會降低土地的盈利性。歷史上， 許多農民不愿意僅僅因為控制土壤侵蝕而改變低風險的傳統農業管理措施， 除非他們做這些能獲得更好的經濟效益。土壤侵蝕控制措施的經濟效益似乎是他們接受或不接受土壤侵蝕控制措施的主要原因(Weesies et al.， 1994) 。當一個家庭面臨溫飽問題或銀行貸款問題時， 長期的土壤侵蝕控制目標似乎與他們毫不相關。同樣， 工礦開發者、建筑項目的管理者必須規劃和控制項目的費用， 通常還有公司老板、監督者和投資者等都關注項目的盈利性。