上篇 研究

第一章 土壤抗沖性概說

1.1 概念的由來

土壤抗沖性這一概念普遍認為是著名土壤學家朱顯謨先生最先提出來的。有文獻顯示朱先生最早于1958年就在《甘肅中部土壤侵蝕調(diào)查報告》一文中提出“土壤抗沖性”一詞①，但據(jù)朱先生自己說他在20世紀70年代明確地將土壤的抗侵蝕性劃分為抗蝕性和抗沖性兩個方面②，并且在20世紀80年代初通過一篇重要的論文作了系統(tǒng)的說明③。朱先生提出上述兩個概念的實踐背景是黃土高原地區(qū)的土壤侵蝕防治，這是一項他從20世紀50年代就開始的，令人欽佩的科研事業(yè)。至今我們還從先生的研究成果中不斷吸取養(yǎng)分。

朱先生為什么要把黃土地區(qū)的土壤抗侵蝕性作如此劃分呢？抗蝕性和抗沖性二者之間的區(qū)別何在呢？很多年以前，筆者初學土壤侵蝕課的時候，并未深刻理解這些重要概念。不過不能全怪筆者沒有認真聽講，像水土保持這種強實踐性學科的教學本來就不應該在課堂上設置太多時間，講解太多的概念。而應該在講解了主要關(guān)鍵概念之后，把大部分時間安排在實驗和野外實習上，在實踐中向?qū)W生深入講解各種概念，學生才能記得住。不過安排太多的實習，經(jīng)費是個問題。據(jù)老師說，他們當年帶學生實習是到新疆，有學生在沙子里挖出了新鮮的肉蓯蓉，覺得鮮嫩可口，吃了拇指長的一節(jié)，晚上回營地就上火流鼻血了。后來的沙漠學實習目的地逐步由遠及近，基本上就是安排在陜北的毛烏素沙地。如果外出實習不能安排太多太遠，那就應該把實驗課的比重加大，甚至可以以實驗課為主，理論教學為輔。本科教學可以，也應該適度“研究生化”，因為取法乎上，僅得其中，按研究生的要求進行培養(yǎng)，最后培養(yǎng)出合格本科生的可能性會大為增加。

在長期的自我摸索實驗過程中，接觸到的侵蝕現(xiàn)象越來越多，頭腦中才對土壤抗蝕性和抗沖性概念逐漸清晰。朱先生指出，抗蝕性指的是土壤抵抗徑流對其分散和懸浮的能力，主要是受土粒和水的親和能力影響。如果土壤中膠結(jié)物質(zhì)含量比較低，團粒結(jié)構(gòu)不發(fā)育，則遇水容易被分散為細小的土粒，一般是極為微小的團聚體，當然也有一部分單個土粒被分散。土壤抗蝕性弱，在侵蝕過程中的外在表現(xiàn)就是表土的泥濘，而且不是在徑流沖刷攪動的作用下土粒才會這樣。在地表徑流還未發(fā)生集中匯流的漫流階段，這時的流速還非常低，徑流深尚不足以毫米計，不足以對土壤造成明顯沖刷，但此時已經(jīng)能觀察到土壤物質(zhì)的分散和運移了，黃土區(qū)的這種現(xiàn)象尤為明顯。當?shù)乇韽搅靼l(fā)生集中，成為線狀股流時，土壤抗沖性概念便直觀地表現(xiàn)出來了，抗沖性指的是土壤抵抗徑流對其機械破壞和推移的能力。也就是說，水流達到一定的流速和徑流深后，能直接推動土壤物質(zhì)下移，無須事先將土粒分散懸浮。仔細思索這兩個概念，我們大致可以認為土壤抗沖性主要是針對細溝侵蝕及以后的溝蝕階段的，其應用背景是具有較強沖刷能力的集中徑流作用下的侵蝕過程。說得更“物理”一點，可以認為抗蝕性更多涉及的是電磁力學，而抗沖性則更多涉及的是機械力學。讀者若是對此有興趣或是有疑義，可以聯(lián)系筆者進行討論，在此暫不展開論述。

抗蝕性和抗沖性概念在黃土高原地區(qū)發(fā)展出來，是與黃土高原土壤性質(zhì)以及氣候特點密切相關(guān)的。黃土源于風力搬運而來的粉塵物質(zhì)的堆積，顆粒之間形成的是“點棱接觸側(cè)斜支架式多孔結(jié)構(gòu)”①，通俗地講就是土粒沒有緊密排列，只是相互之間靠少數(shù)支點支撐。在水分進入土體之后，土粒之間的支點容易發(fā)生位移，土體隨之下沉甚至形成洞穴，也就是常說的黃土的濕陷性。黃土疏松多孔，滲透性良好，若是雨強較小，雨水全部入滲，難以產(chǎn)生地表徑流。然而，黃土高原總降雨量雖然不大，但短歷時、大雨強的暴雨多發(fā)，結(jié)果是黃土高原產(chǎn)流基本上都是超滲產(chǎn)流，沖刷作用劇烈。目前黃土高原的植被得到了良好恢復，強烈沖刷僅見于局部地點（如未硬化道路）或罕見極端天氣事件中（如2017年陜北“7·26”特大暴雨）。但是在開展大規(guī)模植被恢復工程以前，坡面沖刷的嚴重程度觸目驚心，筆者雖然未親眼見過，但從許多前輩口中聽到過。想必當時劇烈的徑流沖刷給老一輩學者留下了難以磨滅的心理印象。

所以土壤抗沖性是在黃土高原地區(qū)以徑流沖刷為主要水土流失形式的背景下，由理論聯(lián)系實際的老一輩土壤侵蝕學者提出的具有一定地域特色的特殊專有術(shù)語①。當然，土壤抗沖性的研究并沒有限定于黃土高原地區(qū)，學者們也將其理念運用至全國其他侵蝕區(qū)，得到了很多研究結(jié)果。

土壤抗沖性的概念在20世紀80年代初算是正式系統(tǒng)提出并被學界認可，其實在這之前，相關(guān)的實驗研究已經(jīng)開始了②。后來，以黃土高原地區(qū)為主要研究地域，學界開展了一定數(shù)量的關(guān)于土壤抗沖性的研究，比較活躍的時間段大致在20世紀80年代中期至90年代中后期。在1997年，學界有兩篇綜述性文章發(fā)表，標志著關(guān)于土壤抗沖性的研究達到了一個轉(zhuǎn)折點。一篇是《黃土區(qū)土壤抗沖性研究進展及亟待解決的若干問題》（吳普特研究員），一篇是《黃土高原土壤抗沖性研究及有關(guān)問題》（劉國彬研究員）①。事實上，這兩篇綜述是發(fā)表在同一期《水土保持研究》（1997年第4卷第5期）上的，在那一期刊物中，還有其他幾篇土壤抗沖性研究的重要論文。這可以算得上是土壤抗沖性研究歷史的高峰了，在那之后，相關(guān)研究有所降溫，時至今日一直不溫不火。

土壤抗沖性研究暫時陷入低谷的原因，有的是源于科學問題的本身，有的則來源于學界一些其他的因素。

土壤抗沖性的概念是很清晰的，但是從一開始就沒有形成統(tǒng)一的測定標準和研究方法體系，這一問題在前文所述的兩篇綜述文章中均有提到，在其他文獻中也有提及。學者們是認識到這個問題了的，但可能是由于沒有專門研究土壤抗沖性的大型項目的支撐，一直未形成完善的理論和技術(shù)體系，這不能不說是一種遺憾。土壤抗沖性是一個直觀的概念，但它依賴于一套實驗方法的規(guī)定，不同的測定方法自然會衍生出不同的土壤抗沖性指標及相關(guān)計算公式、評價體系。土壤抗沖性研究發(fā)源于黃土區(qū)，某種測定方法在其他侵蝕區(qū)是否適用，甚至僅在黃土高原不同地區(qū)是否適用，都需要通過系統(tǒng)的實驗才能回答。理想的狀況應該是有一個覆蓋全國的，特別是典型水蝕類型區(qū)的土壤抗沖性普查性研究項目，以某一種測定方法為基礎，對一定土壤層次的樣品的抗沖性以及相關(guān)性質(zhì)進行系統(tǒng)測定，掌握抗沖性數(shù)值的大致分布范圍。在大規(guī)模測定的基礎上，對方法的適用性進行評估，篩選一個能夠區(qū)分各地區(qū)各立地條件下土壤抗沖性的計算指標。將項目成果以大家專著或者標準的形式固定下來，并在學界取得共識，讓學界在一個基本明晰的理論和技術(shù)框架內(nèi)對各自所在地區(qū)的抗沖性進行進一步深入研究，所得到的數(shù)據(jù)和成果又能夠在一致的標準下進行匯總，形成可以相互對照和相互引用的數(shù)據(jù)庫。在土壤抗沖性的研究鏈條上，還能衍生出很多其他的課題，最終有可能形成以土壤抗沖性為基礎指標的關(guān)于土壤抗侵蝕能力的龐大研究體系，而且是符合中國土壤侵蝕特點的研究體系。

但是學科的發(fā)展很多時候是無法預知的。

進入21世紀之后，土壤侵蝕模型和SCI論文開始主導學界，土壤侵蝕研究從認識論到方法論都在一定程度上偏向了形而上學。模型都是舶來品，基于模型展開的研究比較容易獲得國外編輯和審稿人的認可。模型里有大量的方程、物理和數(shù)學，有科技含量，可以彰顯研究水平。土壤侵蝕研究逐漸碎片化，哪個細分領(lǐng)域能最快最多產(chǎn)出SCI論文，就全力主攻哪個領(lǐng)域。以至于在有的研究機構(gòu)里，長期形成的優(yōu)勢學科逐漸式微，科研人員不愿意長期堅守某些學科，因為這些學科難以發(fā)表高影響因子的論文，不是研究人員水平不行，而是這些領(lǐng)域的期刊本身影響因子就不高。若不改變在研究生培養(yǎng)、人才招聘、職稱評定、項目申報等過程中的SCI論文導向，不破除對SCI論文的迷信，像朱顯謨先生等老一輩學者那樣掌握著完備學科知識，對理論的實踐應用極度熟悉，對學科發(fā)展一直有戰(zhàn)略性思考的泰斗級科學家難以再度出現(xiàn)。

大家都奔著SCI論文去了。

這或許是土壤抗沖性研究一直不溫不火的最重要的原因。

1.2 各種實驗方法簡介

土壤抗沖性雖然是一個直觀的概念，但并不是一個物理意義明確的概念。土壤被徑流沖刷是一個極度復雜的力學過程，在現(xiàn)有技術(shù)條件下只能通過經(jīng)驗性質(zhì)的實驗測定來確定土壤抗沖性。所以要測定土壤抗沖性，必須先設計一種實驗方法并制作相關(guān)設備，指標的定義和計算都是完全依賴于方法和設備的。測定的方法不一樣，或者哪怕只是設備尺寸的微小變動，都會導致土壤抗沖性數(shù)據(jù)不能相互對比，研究結(jié)果的外延性就無從談起。

在土壤抗沖性研究的歷史上，出現(xiàn)的測定方法可謂五花八門，從來就沒有一個統(tǒng)一標準。出現(xiàn)這種局面的原因是多方面的，但是最主要的原因可能是由于不同的研究者實施實驗的地域不同，地表的覆蓋狀況千差萬別，于是從各自研究需要出發(fā)，發(fā)展出了各式各樣的方法和設備。不過無論形式怎么多樣，所有的方法基本上是要模擬水流對土壤的沖刷。在這里，對主要的幾種土壤抗沖性測定方法進行簡要的梳理，以說明各自的特點。

關(guān)于實驗方法方面的話題還是必須先從朱顯謨先生進行的研究說起。朱先生在開創(chuàng)了土壤抗沖性研究之后，曾用原狀土在靜水和流水條件下做了一些實驗，這些研究可以認為是抗沖性研究的早期。

原狀土在靜水中的崩解速率被用于表示土壤抗沖性的強弱，是源于這二者之間顯而易見的聯(lián)系。水進入土體后，若土粒很快崩解，則意味著土壤肯定不能較好地抵抗徑流沖刷，抗沖性就弱。然而，靜水顯然不能直接反映沖刷過程，而且靜水對土體的破壞作用明明反映的是土壤抗蝕性的強弱，所以用來表示抗沖性強弱顯然是不太合適的。后來也有文獻指出，土壤靜水崩解速率就是反映土體在水中發(fā)生分散的能力①，這完全符合土壤抗蝕性的概念。總體上看，用土壤靜水崩解速率作為土壤抗蝕性的指標更為合適。

在流水條件下的試驗比較有趣。取3 cm×4 cm×4 cm的土塊樣品，置于木板之上，木板傾斜10°，將樣品置于溪流之中進行沖刷，水流深度控制為3 cm②。多么清新自然的研究風氣啊！甚至有“浴乎沂，風乎舞雩，詠而歸”的舒暢。早年，老一輩學者們進行野外科學考察，雖然能夠想象其艱苦程度，但筆者很向往那樣的研究工作。仔細回想，在考大學之前，筆者就憧憬著在黃土高原溝溝梁梁之間穿行考察，以為所報考的專業(yè)就是干這些事，誰能想到最后陷于瓶瓶罐罐、沖沖刷刷、洗洗涮涮之中？

另外一種早期測定方法是使用索波列夫裝置進行土壤抗沖性測定，該方法一聽就知道是來源于蘇聯(lián)學者的研究。筆者從未見過該裝置，故只能從文獻中窺其一二。該裝置應該有一個加壓設備，把水體所受壓強增加到一定數(shù)值之后，由噴嘴噴出沖擊土體，用沖出的坑穴的深度、體積或者沖刷掉的土壤質(zhì)量來表示抗沖性的大小。王佑民先生等學者所著的《黃土高原防護林生態(tài)特征》一書中對索波列夫裝置有一定的介紹，說是供水壓強為1個大氣壓，噴嘴為0.7 mm（應該是直徑），對著土體噴水1 min，然后測定沖刷坑穴的深度①。后來，也有學者使用類似的裝置來測定土壤抗沖性。如李勇等②在20世紀80年代末90年代初，還使用1個大氣壓下的水流沖擊土壤剖面1 min，用沖刷掉的土壤質(zhì)量表示抗沖性的強弱。該文雖未明確指出實驗裝置是什么，但基本上可以確定就是索波列夫裝置。看來早年的類似儀器一直存在于水土保持研究所里，還被學者所使用，時間至少能延續(xù)到20世紀80年代末90年代初。這篇文獻也從一個側(cè)面說明當時的土壤抗沖性測定方法也并未統(tǒng)一，因為早在1979年，后來學界用得比較多的原狀土水槽沖刷法就已經(jīng)由蔣定生先生提出來了，而實際的研究開展時間比論文發(fā)表時間更早，在20世紀60年代就開始了。

蔣定生先生提出的方法，在文獻中稱為“原狀土沖刷水槽測試法”，該項研究是在朱顯謨先生指導下完成的③。土壤抗沖性測試設備是沖刷水槽，水槽下端是裝樣室，上端是穩(wěn)流室，可以調(diào)節(jié)坡度。水槽由一個自動供水桶供水，由于文獻里沒有詳細說明供水桶的構(gòu)造，所以一時還難以確定該供水桶能否實現(xiàn)恒定流量供水。該方法所用的取樣器是自制的矩形取樣器，其內(nèi)部凈尺寸是長20 cm，寬3 cm，深4 cm，所以取出的土樣就是上述大小。蔣定生先生提出的這種方法及相應裝置，在土壤抗沖性研究歷史上具有重要意義，因為這一方法規(guī)定了土壤抗沖性測定實驗的基本形式，也是被學界廣泛接受的形式，即通過模擬徑流對土壤樣品進行沖刷。實驗的形式完全模擬徑流沖刷過程，使得這一方法成為與土壤抗沖性概念最為貼切的方法。該方法也被一些權(quán)威著作所引用，進一步增加了其經(jīng)典性。例如唐克麗先生主編的鴻篇巨著《中國水土保持》里就引用了該方法①。《水土流失測驗與調(diào)查》一書中“土壤抗沖實驗”一節(jié)②，也完全是引用蔣定生先生的方法。這一設備還因存在于西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院水土保持工程實驗室里作為教學儀器，而筆者在整個讀研期間，曾無數(shù)次在實驗室里目睹該裝置及其應用，所以使得筆者對其印象極為深刻。

某種實驗方法和器具自有其傳承的脈絡和機緣巧合。很多情況下，研究生所用的方法往往來自導師或是同門的傳授，因為依賴之前的方法獲得的實驗數(shù)據(jù)業(yè)已存在，在此基礎之上繼續(xù)深化研究是理所當然的選擇。摒棄原有的選擇，另起爐灶再搞一套方法，有很大的失敗概率，研究生和課題組一般都會非常慎重。筆者也不清楚學校實驗室里的那套沖刷水槽是何時何人制作，又為何是嚴格地沿襲了蔣定生先生最先的設計。然而可以依據(jù)邏輯大致推測，這套水槽很有可能是在2005年前后制作的，而且主要參考了《水土流失測驗與調(diào)查》一書，因為書中有極為精確的圖紙可供加工參考。該書不論是編著者抑或是出版機構(gòu)，都無疑有著明顯的水利水保系統(tǒng)的體制背景，因而使得該書在某種程度上具有“準規(guī)程”的性質(zhì)，從而擁有天然的權(quán)威性。

然而，即便有如此優(yōu)秀、細致和規(guī)范的指導性著作，還是沒有能夠統(tǒng)一學界對土壤抗沖性實驗方法的選擇。學者們還是在蔣定生先生所設計的沖刷水槽的基礎上，主要圍繞取樣器的形制對土壤抗沖性測定設備進行了改進。

原先的取樣器由于尺寸較小，寬度只有3 cm，被認為在取樣時缺乏代表性。當初把樣品寬度設計為3 cm，有可能是考慮到水槽的寬度如果過寬，受當時加工條件限制，槽內(nèi)水流不易形成一個水深均勻的橫斷面，水流不是均勻地覆蓋樣品的所有表面，從而會影響沖刷的效果。但3 cm的土樣寬度的確使樣品的代表性有所降低，因為土壤性質(zhì)的空間變異性是很大的，特別是地表土壤，在厘米尺度上就有可能發(fā)生較大變化。還有，表層土壤往往富含根系，有時候一株或者一叢草本植物的根系寬度范圍就已經(jīng)超過3 cm了，這時如果用3 cm寬度的取樣器顯然不合適。適當?shù)丶哟髽悠烦叽纾谝欢ǔ潭壬嫌欣跍p小數(shù)據(jù)的差異性，也有利于表土根系密集層的樣品采集。基于上述原因，蘇寧虎①曾在20世紀80年代中期對取樣器的尺寸進行了擴大，論文中的圖稿顯示其取樣器長仍為20 cm，寬為10 cm，深度為15 cm，但是電子文獻上的字跡不是很清晰，紙質(zhì)版的原始文獻又一時找不到，所以研究者當時所用的取樣器深度究竟是多少，現(xiàn)在也不是太清楚。而引用了該文獻的其他一些文獻對其取樣器深度的尺寸描述有出入，有的說是深7 cm②，有的說深10 cm③，使得這一款抗沖取樣器的深度尺寸愈加顯得撲朔迷離。不論如何，尺寸擴大之后的改款取樣器寬度普遍是10 cm，這是一個整十位數(shù)，符合慣用十進制人群的底層心理特點。尺寸擴大的改款取樣器的生命力是很強的，直至目前都有學者正在使用④，而且深度尺寸恰好就是15 cm，可見是準確沿用了最開始的改款尺寸。該文獻同樣反映了實驗方法傳承的脈絡性和黏性，一個研究團體所沿用的方法往往會傳遞很多代，在不知不覺中就形成了學派。原因前面已經(jīng)講過，即實驗方法的一致性維系著數(shù)據(jù)資料的延續(xù)性，已有的大量數(shù)據(jù)資源成為固守某一實驗方法的重要理由，但有些時候也可能成為改進和創(chuàng)新的阻礙。

王佑民先生等對黃土高原林地土壤抗沖性進行研究時，所采用的土樣尺寸為25 cm × 6 cm × 4 cm，這是凈尺寸。所用的取樣器是可拆卸式的，取土時兩半合在一起成為一個矩形取樣器，沖刷時將取樣器上的螺釘松開，取出土樣，放置在水槽上進行沖刷。所以這種方法的水槽寬度增加了1倍。這種取樣方法是比較獨特的。

還有學者進一步增大取樣器尺寸，采用40 cm × 10 cm × 10 cm的大型取樣器進行研究①。保守計算單個樣品重至少5 kg，這樣的實驗耗費人力過大，同時樣品重復數(shù)量肯定會減少。如此之大的取樣器能否平穩(wěn)地打入土體之中，也是很難保證的。

除了矩形的取樣器，有的學者還試驗過圓形的樣品容器。例如張光輝曾使用直徑10 cm、深5 cm的有機玻璃材質(zhì)的樣品容器，使用擾動土填裝的方法制備樣品，以進行土壤分離速率（soil detachment rate）的測定②。土壤分離速率實際上和土壤抗沖性在概念上有相通之處，都是土壤在徑流沖刷背景下表現(xiàn)出來的性質(zhì)。但東西方的思維方式往往是反的，西方提“土壤可蝕性”，中國提“土壤抗蝕性”。中國的提法更注重實踐，注重辯證法，這是我們的優(yōu)勢，但很多學者認識不到。事實上，土壤分離速率測定實驗和土壤抗沖性測定實驗在外觀上完全一樣，所得數(shù)據(jù)可以按照各自的理念框架進行分析計算。需要明確的是，土壤分離速率是隨坡度和流量條件變化的，是土壤面對不同沖刷條件的表現(xiàn)。而土壤抗沖性是土壤本身內(nèi)在性質(zhì)，雖然必須通過某一種沖刷條件（主要是流量、坡度和時間的組合）來規(guī)定，但從概念上講，它與沖刷條件是無關(guān)的。換句話說，同一個土壤樣品可以有很多分離速率數(shù)值，但只有一個抗沖性數(shù)值。與上述樣品容器凈尺寸完全相同的環(huán)刀也被用于取原狀土進行抗沖性測定①，而且所用的沖刷水槽的尺寸都是一致的，研究機構(gòu)也是同一家，所以這種方法也就代表著另一個學派。

另外，還有學者采用了帶有半圓形土樣室的沖刷水槽②。這項研究的土樣來源于塑料營養(yǎng)缽中種植有須根系植物的土壤，土樣室的尺寸大致與取掉營養(yǎng)缽之后的土體相同。不把土樣室設計為封閉的圓形，據(jù)推測應該是為了避免土樣裝入困難。土樣室的下端是敞開的，從下端向上端放置土樣時，稍微擠一擠土樣就能填裝到位。這種形式的裝置和實驗方法，雖不是主流，但反映出研究者的思維靈活性和創(chuàng)新精神，是值得稱道的。

上述基于沖刷水槽的各類實驗方法，主要區(qū)別在于樣品尺寸的不同，其他方面沒有本質(zhì)區(qū)別。都是要將土樣采集后放置于水槽上進行沖刷，所以是一種異位測定法。異位測定的本質(zhì)就決定了其樣品只能是小尺寸的，樣品大了既取不走也搬不動。但是樣品尺度太小，始終有學者認為水槽法存在著代表性差的問題。所以就又產(chǎn)生出一些原位測定的方法，主要形式是在野外坡面進行放水沖刷實驗，樣地尺寸大為擴大，極大地增強了樣地的代表性。

周佩華先生較早地提出了用野外實地放水沖刷實驗來測定土壤抗沖性。提出在坡面上設置寬1m，投影長度5m的徑流小區(qū)進行放水實驗①。這種原位測定的優(yōu)點在于資料的代表性強，并且適宜于多數(shù)土地利用類型的坡面。比方說，要想測定灌叢地的土壤抗沖性，可選擇合適的灌叢坡面設置徑流小區(qū)，放水所得的結(jié)果肯定能夠較為真實地反映該尺度下灌叢地的抗沖性。即使把樣地換成喬木林也是可行的，因為1 m×5 m尺度的小區(qū)已經(jīng)能夠覆蓋一定株數(shù)的普通喬木。實地沖刷法另一個優(yōu)點是土壤無擾動，能夠最為接近原狀土壤狀態(tài)，這一點是水槽法無論如何也做不到的。

另一種是野外實地放水沖刷方法，實際上是一種野外微型小區(qū)放水法。張建軍等學者曾在野外實地設置長2 m、寬20 cm的微型小區(qū)，在上端設置放水裝置，以恒定流量進行沖刷實驗②。微型小區(qū)的設置應該是臨時的，用薄鐵皮插入土壤圍成小區(qū)即可，所以小區(qū)面積還能有所調(diào)整，如幾年之后的一篇文獻里①，張建軍等學者又將微型小區(qū)寬度設置為30 cm，故小區(qū)面積為0.6 m2。郭明明等學者還設置過長2 m、寬25 cm的微型小區(qū)，但實際的沖刷長度設置為1.5m②。這種微型小區(qū)放水沖刷的方法，也能在一定程度上解決樣地代表性的問題，而且能夠在多個地點實施。

野外實地放水沖刷法只有少數(shù)學者使用，這表明該方法的局限性是很大的，主要在于其耗費人力物力較多。如周佩華先生提出的1 m×5 m小區(qū)放水實驗，需要水罐車拉水數(shù)噸至小區(qū)上方，徑流泥沙收集裝置體積也比較大，設置不易，即使只布設一個小區(qū)也極為困難，沒有大型項目支持是不可能完成的。即便是微型小區(qū)實驗，在野外也必須準備大量的水，背一大桶水翻山越嶺豈是鬧著玩兒的？總之，野外實地放水實驗實施不便，限制了其應用范圍。

在上述方法之外，還有利用徑流小區(qū)降雨侵蝕觀測資料統(tǒng)計分析計算土壤抗沖性的方法，這也是周佩華先生提出來的③。這種方法的前提當然是要能夠獲取大量的長期徑流小區(qū)觀測資料，但這對于普通學者來說并不容易。另一方面，徑流小區(qū)尺度較大，降雨侵蝕過程中肯定同時發(fā)生著搬運和沉積，也就是說小區(qū)上部被沖刷掉的土壤物質(zhì)不一定都被搬運出了小區(qū)，而是可能沉積在小區(qū)下部某處，這部分沉積下來的土壤物質(zhì)沒有被收集，自然就不會納入侵蝕量的計算，如此一來就會低估沖刷量，同時也就可能高估土壤抗沖性。所以大型小區(qū)觀測資料用于估算侵蝕模數(shù)或者校正侵蝕模型都是有利的，但用于估算土壤抗沖性并不適合。土壤抗沖性概念本身就是立足于微小尺度的土壤侵蝕過程的，一開始的實驗方法都在微小尺度上實施，而后來學者們出于對樣品代表性問題的關(guān)注，要么擴大取樣器尺寸，要么干脆進行坡面尺度的小區(qū)實驗，這都在一定程度上偏離了土壤抗沖性概念提出的初衷和這一概念的實質(zhì)內(nèi)涵。其實代表性的問題可以通過大規(guī)模取樣的方式加以克服，如此還能對取樣點之間的空間變異性進行評估。

1.3 各種計算指標簡介

土壤抗沖性研究方法的五花八門除了體現(xiàn)在實驗設備和方法多以外，還體現(xiàn)在計算指標多樣化。由于研究者們對概念的理解各不相同，即使是使用同樣的實驗方法得到的數(shù)據(jù)，也會用不同的公式進行計算，得到的指標也會用不同的方式進行命名。這更加體現(xiàn)了土壤抗沖性研究各自為陣，缺乏一致標準的特點，更加造成了抗沖性數(shù)據(jù)相互比對、相互借鑒成為極為困難的事。

不過從土壤抗沖性的基本概念出發(fā)，計算指標必然涉及土壤、徑流以及時間這3個因素，即使不在公式里體現(xiàn)，也是隱含在計算參數(shù)里，所以指標的實際內(nèi)涵多少都是相通的。由于早期研究的方法的資料比較簡略，這里主要介紹水槽沖刷法出現(xiàn)之后，學界所使用的一些計算指標，這些指標中大多數(shù)是基于該方法的。

蔣定生先生在1979年的論文①中用單位水量沖刷掉的土壤質(zhì)量作為抗沖性指標，就稱其為“抗沖性”，并以字母M表示，其單位是g/L。計算該指標的實驗條件是坡度20°，沖刷流量為6.5 L/min [換算為單寬流量大約為11470 L/（h·m）]。不過用不著多么仔細考察就會發(fā)現(xiàn)，文獻里雖然說是記錄了沖刷時間，但在數(shù)據(jù)表格里沒有說明具體沖刷時間是多少。所以這套沖刷設備可能是用定量的水或者以定量的時間進行沖刷，大致保證流量恒定。這種計算指標被王佑民先生稱為“沖刷模數(shù)”，仍然用字母M表示，而實驗所設定的坡度為20°，沖刷流量為2.5 L/min[換算為單寬流量大約為2500 L/（h·m）]，沖刷時間為4 min①。

還是在1979年的論文中，蔣定生先生在河床泥沙起動條件公式的基礎上，通過經(jīng)驗性質(zhì)的推導，提出了“土壤抗沖力”的定義以及計算公式，單位是N/m2，表示單位面積土壤所能承受而不被沖刷的最大水流切應力②。看來老一輩學者在研究深度上已經(jīng)“碾壓”了后輩學者。只不過抗沖力的計算較為復雜，還必須有水穩(wěn)性團聚體的測定數(shù)據(jù)配套，而且從本質(zhì)上說其經(jīng)驗性質(zhì)還是比較濃厚，所以沒有得到廣泛的驗證。

在1995年的一篇文獻里，蔣定生先生又提出用沖刷掉1 g土所需的水量和時間的乘積來表示土壤抗沖性，單位是L·min/g，并將其稱為“抗沖刷系數(shù)”，用字母C表示③，不過沖刷時的坡度設定為15°，可見沖刷實驗參數(shù)隨時都面臨著調(diào)整。這一計算指標也被編入《水土流失測驗與調(diào)查》一書中，稱為“抗沖系數(shù)”，以字母Kc表示，計算公式不變④。這個指標含有土壤、徑流和時間3要素，可以較為靈活地確定測定參數(shù)的取值進行實驗。

李勇等學者曾經(jīng)用每沖刷掉1g土所需要的時間作為土壤抗沖性指標，以字母AS表示，單位是s/g①。該項研究中，設計坡度20°，沖刷流量是假定雨強為0.5 mm/min、2 mm/min、4 mm/min的暴雨在20 m×5 m 的標準小區(qū)上全部產(chǎn)流的單寬流量，分別為600 L/（h·m）、2400 L/（h·m）和4800 L/（h·m），沖刷時間為15 min。在同一時期，他們還用相同的方法進行了大量實驗，例如幾種灌草植被根系影響下的抗沖性強化研究，而且是在多種坡度下展開的實驗②，為學界積累了大量寶貴數(shù)據(jù)。

汪有科等學者在進行林地的土壤抗沖性研究時，清醒地認識到土壤抗沖性只能有一個值，而不應隨著坡度、流量等外營力的改變而改變③。正如本書前文所述，土壤抗沖性是土壤的內(nèi)在性質(zhì)，不應該隨侵蝕營力改變而變化。在不同沖刷條件下，肯定會得到不同的沖刷量，但不能把每一次實驗的計算結(jié)果都稱為土壤抗沖性數(shù)值。只有在規(guī)定好的、唯一的沖刷條件下得到的計算結(jié)果才是土壤抗沖性數(shù)值。出于這種考慮，他們采用了沖掉1g土所需的水流動能來表示土壤抗沖性，單位是J/g，說是這樣一來，抗沖性指標在理論上只有一個值。該項研究的設計坡度為25°，以單寬流量2400 L/（h·m）為主要沖刷流量，未說明沖刷時間。土壤沖刷量和水流動能之間可能并非線性相關(guān)，隨著坡度或者流量的改變，沖刷量與水流動能之間可能會呈現(xiàn)出較為復雜的關(guān)系。

在使用原位測定的野外實地放水法以及徑流小區(qū)資料統(tǒng)計法的研究中，都不約而同地采用了類似于土壤侵蝕模數(shù)的指標。張建軍等使用微型小區(qū)放水法，把單位面積上單位放水量所產(chǎn)生的泥沙質(zhì)量作為抗沖性指標①，單位為g/（mm·m2）。而在另一篇文獻中，他們又使用簡單的徑流含沙量作為抗沖性指標②，單位是g/L。周佩華先生在使用徑流小區(qū)降雨侵蝕資料統(tǒng)計的方法時，他用單位面積上單位徑流深產(chǎn)生的泥沙質(zhì)量作為土壤抗沖性的計算指標③，單位為kg/（m2·mm）。

土壤抗沖性計算指標的不一致，各個學派一直延續(xù)各自的方法，進一步加深了各類方法之間的鴻溝，至于土壤抗沖性研究的方法能不能標準化，至今仍然是一個難以回答的問題。似乎學界也沒有迫切的需要，盡管這個問題在1997年，土壤抗沖性研究發(fā)生轉(zhuǎn)折的時候，已經(jīng)被學者明確提出來了，但是土壤抗沖性研究方法的標準化現(xiàn)在看起來仍然遙遙無期。

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