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【中国科学报】成都山地所揭示耕作侵蚀机理

2014-11-17 中国科学报 冯丽妃
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  在研究基础上,张建辉团队指出,我国长江上游丘陵农耕区耕作侵蚀作为一种重要的土壤侵蚀类型,其侵蚀速率在一些地方甚至超过水蚀。

  驾车行驶在秋日川渝乡野的公路上,当终点在地平线的尽头蔓延,你的视野中不会错过这样一幅画面:路旁起伏的丘陵如同驼峰起落,间或,连绵的“驼队”里会显出一块色彩斑斓的平坦腹地,其间点缀着些高高矮矮的家舍。

  远观像一幅画,然而如果你有暇登上其中一些小山包,可能会发现一些并不那么令人愉悦的景象——一些耕作的丘陵顶部由于土壤流失严重,表层土壤已十分稀薄,甚至出现了岩石裸露。

  这种现象背后有哪些原因?如何改善?围绕这些问题,中科院水利部成都山地灾害与环境研究所研究员张建辉带领的科研团队深入田间地头,与农民交流经验,通过实地考察和一系列实验研究终于解开了这个谜题。相关研究成果发表在《全球变化生物学》《欧洲土壤》《美国土壤学会志》《地貌学》等国际主流专业期刊上。

  矛盾背后藏线索

  一直以来,南方耕地的侵蚀原因一直被归咎于水蚀。然而,多年的实地考察中,张建辉在四川紫色土区发现了一种特殊的现象:进行农业耕作的丘陵往往是坡顶侵蚀更加严重,而不是坡腰。

  如果用水蚀来解释这个现象有些行不通。“因为雨水来时丘陵顶部尚未形成股流,从坡中部到坡脚股流越往下会越大,所以水蚀冲刷最严重的地方应该从丘陵坡地的中部开始。”张建辉在接受《中国科学报》记者采访时说,“但环境同位素(137Cs)分析表明最严重土壤侵蚀却发生在坡顶部。”

  张建辉等人认为耕作侵蚀是这一现象发生的原因。耕作不仅会通过改变土壤物理性质而产生侵蚀,还直接造成土壤分散、搬运和沉积,导致土壤在景观内的重新分配,使土壤在坡面发生了净位移。

  然而,人为耕作直接造成土壤侵蚀一直以来被研究领域所忽视。“实际上,无论是人力与畜力耕作,还是机械力耕作,都会使土壤发生位移。”张建辉说,而且耕作还会将土壤输送至水蚀强烈部位,导致水蚀作用加剧。

  据了解,长江上游农耕旱地面积1533万公顷,其中坡度大于和等于5度的坡耕地有767万公顷,占旱地总面积的50%,其水土流失涉及面最广、发生频率最大。在研究基础上,张建辉团队指出,我国长江上游丘陵农耕区耕作侵蚀作为一种重要的土壤侵蚀类型,其侵蚀速率在一些地方甚至超过水蚀。

  耕作侵蚀累积效应

  “耕作侵蚀的主要问题在于使坡地土壤自上往下的搬运。”张建辉说。由于农耕与人类文明的发展相伴而生,长期下来造成的土壤流失累积效应非常严重。在实地调查中,他们发现四川丘陵区的很多农耕地带坡顶部基本上都只留下10~20厘米的浅薄土层,有的地方已经岩石裸露。“很多地方坡顶部已经没有多少土壤,但是农民又要生产,就要依靠挖掘破碎基岩以促使其风化来补充土壤。”他说。

  研究发现,坡梯地田埂在地形系列土壤再分配模式中起着关键的作用——使从水蚀主导的侵蚀过程向耕作侵蚀主导的侵蚀过程转变。研究揭示了,有田埂的坡梯地水蚀起较小作用,耕作侵蚀主导坡面土壤再分配过程的65%~71%;无田埂的坡梯地,耕作和水蚀对土壤再分配过程均起着重要作用,坡梯地系列上半部耕作侵蚀占82%~97%,下半部完全受水蚀控制,导致在整个坡梯地系列发生土壤净流失。

  同时,坡梯地有无田埂在很大程度上制约着土壤侵蚀类型。“坡梯地的田埂阻挡了地表径流的形成和发展,产生了一个土壤下坡零传输线,这导致耕作搬运的土壤在田埂前方沉积。”张建辉说,在无田埂的坡梯地系列,耕作侵蚀对水蚀起着重要的物质传输作用,增加了土壤流失。

  研究还揭示了,耕作侵蚀的物质搬运机理不同于水蚀——水蚀的土壤颗粒搬运具有明显的分选性,细颗粒被优先移走;而耕作侵蚀表现为对土壤整体搬运,土壤颗粒搬运不具分选性。

  耕种方式亟待改变

  针对我国南方水土流失问题,国家层面也开展了很多防护工作。如1999年开展实施的国家大型生态工程项目“长江流域的退耕还林还草工程”大幅度减少了水土流失。该项目仅在四川和重庆两个地区的退耕还林面积就已达2832.4万亩和1917.5万亩。

  然而,为保住18亿亩的耕地面积,丘陵坡地的农业耕种仍不可或缺。而在我国南方很多丘陵地带,由于耕地地块狭小,坡度较大,目前90%以上的农民仍停留在人力或畜力耕作阶段。“而且为了省力,大多数时候农民都采用顺坡耕作(自下往上耕),导致土壤向下坡位移。”张建辉说。

  认识耕作侵蚀机理对水土保持措施和生产实践均具有重要的指导作用。为了遏制水土流失,研究人员指出,在实施坡改梯时,除非水平梯地被建,否则坡梯地反而加剧耕作侵蚀,两种类型侵蚀同时发生时产生的土壤损失较之两个单一类型侵蚀土壤损失的总和更大。因此在坡改梯工程中,建立垂直于等高线的坡梯地阻隔线是一个至关重要的措施。

  “等高耕作就是顺着坡地等高线耕作,可以减少土壤向下搬运的速度。”张建辉解释说。他指出,最佳方式是逆坡耕作(自上向下耕)。在调查过程中,他们发现四川简阳市石桥镇有家农户连续29年坚持逆坡耕作,非常有助于保持土壤,其总侵蚀速率较顺坡耕作降低了60.5%。“但这种方式比较费力,要寻求更科学且易于操作的方法,还需要从降低耕作侵蚀力的耕作机具研发方面着手。”他说。

(原载于《中国科学报》 2014-11-17 06版)

打印 责任编辑:冀正一

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