水土流失的空间尺度效应

如题所述

坡地系统ETA结构实质是坡地系统内部自组织过程的具体体现。坡地系统与外界环境的密切联系,以及土壤侵蚀与各影响要素的非线性时变的关系是发生自组织过程的基本前提。由这个前提所决定,土壤、植被、坡形等背景条件与降水作用的相干与协同不仅制约着共同作用过程中诸因素的关系以及作用大小的排列顺序,而且最终决定着ETA作用强度和移动土壤的时空分布格局。正因如此,多个低层次的ETA子系统组成较高层次ETA系统时,低层次子系统的相互作用发生协同,可使高层次系统呈现出不同于构成它的子系统的性质和特征。这正是水土流失研究中空间尺度效应产生的根本原因。

坡地(或坡地系统)水土流失的空间尺度效应主要表现为随着研究区范围的扩大,土壤侵蚀的宏观特征更为明显,单位面积平均土壤流失量减小;影响土壤侵蚀或流失的主要因素的数目改变;影响因素的主次排序也随之易位。

(一)区域化现象

大量水土流失研究的成果说明,随着研究范围大小的变化,土壤侵蚀的整体特征会出现质的差异。当研究的面积较小时,虽然可以观察到具体的ETA现象,但很难划分“侵蚀区”和“堆积区”,即使划分出来,也难以确定影响因素的主次排序。在不同地段,主要影响因素可以完全不同,或以坡形变化为主或以植被条件为主,也可突出表现为土壤(或母质)抗蚀能力的差异。当研究面积不断扩大到一定程度时,宏观的侵蚀区、堆积区的轮廓就会清晰地显现出来。与此同时,地貌特征、河流形态、植物群落乃至气候都相应地表现出与高层次ETA相契合的分区规律。野外调查发现,在以侵蚀为主的湘西山地丘陵区,严重侵蚀的面积占有相当高的比例,地形的优势坡角一般较大。而在以堆积为主的洞庭湖区,轻微侵蚀和土层逐年增厚的范围占据相当大的比例,地形的优势坡角一般仅为5°~10°。

(二)水土流失量的非线性减小趋势

与研究区的空间大小相适应,单位面积平均土壤流失量随流域集水面积的增大表现出依次减小的规律。根据湖南湘西地区的水文观测资料(表9-4),在三级支流的红岩溪流域,其含沙量为1.4kg/m3,当范围扩展为一级支流的溇水流域时,水中含沙量的平均值明显下降,仅为0.51kg/m3。对这种空间尺度效应,美国土壤保持局也进行过详细的研究,结果也证实了随集水面积增大,总的输沙率呈下降的趋势,两者具有非线性的反比关系。对于某一特定的小流域,有时情况并非完全如此,例如流域背景条件的抗蚀性高于周围其他小流域,或优于中等流域的平均水平,该小流域单位面积的产沙量可以小于中等流域。但对大多数小流域来说,上述的关系仍然成立。从ETA的作用过程来分析,不同流域的土壤流失量是指各测点的泥沙通量,也就是流域中沟道、河流的土壤输移总量与发生在沟道暂时性堆积总量的差值。然而,由于沟道、河流所占据的面积远小于流域总面积,沟道河流的输移量远小于包括坡面搬运作用在内的土壤搬运总量。随着流域面积的扩大,堆积作用出现的频率也越来越大,而且以嵌套、重叠的形式进行。如果在最低层次的坡面小区中搬运量近似等于流失量的话,那么在较大流域中堆积作用的重叠发生、真正能够转化为沟道河流输移量的土壤必然随流程的延长而减小。

表9-4 不同尺度流域水中含沙量对比

(三)侵蚀、堆积作用的强化与抑制

水土流失过程的ETA层次化还会形成另外一种空间尺度效应,这就是背景条件的协同现象。区域性的水土流失研究表明,在“侵蚀区”,各种背景条件有助于侵蚀作用发育的倾向,而在“堆积区”,背景条件更利于堆积物的形成。这是因为各背景条件组合时,彼此的协调和相互作用可使其共性得到强化,个性则被抑制。像岩土、坡度、坡长等这类既可加剧又可阻抗侵蚀的因子则会在这种协同中跟随大趋势变化,或成为侵蚀因素,或成为阻抗因素。随着ETA层次的提高,区域背景条件主导作用的取向将变得更为明显。野外调查发现,在侵蚀较严重的山地丘陵区,地形高差较大,高角度坡面占优势,尽管土质的抗蚀能力、植被条件的平均水平与平原相差不大,土壤侵蚀仍朝加剧的方向发展。土壤可蚀性的一面得到强化,抗蚀性的一面受到抑制。植被覆盖不完善、坡长的增加等都可成为侵蚀发育的有利条件。于是林中的小径、局部采伐的空地都可加速侵蚀沟的发育,并成为一种诱发因素导致更大范围的正反馈侵蚀过程。例如在页岩分布区,优势坡度虽然不大,但母岩的抗风化能力很差,坡面上的杂草或阻滞在细沟中的枯枝一旦被清除,土壤和风化的岩屑就会迅速泻溜和水蚀,而且规模也越来越大。与此相反,在滨岸平原,背景条件的协同往往表现为侵蚀弱化的趋向,土壤抗蚀性的一面得到充分体现,植物固土阻滞、地形的消能等作用表现更明显。然而,当研究的范围较小时,整个背景条件的取向则不明显,侵蚀、堆积可在局部地段分别发生。

(四)诸背景条件相互关系的改变

随着空间尺度的加大,区域整体水土流失趋向明朗化的同时,各种背景条件的关系随之改变。局部条件的变化可加速原有的侵蚀过程或原有的堆积过程。一种因素变化速率的增长可使其他因素的作用受到抑制或强化。土壤侵蚀量或土壤流失量与某种因素的定量关系也随之变化。一般认为,坡度是控制侵蚀强度的重要因素,坡度增大侵蚀强度也应增大。但利拉德、尼尔等人的野外研究却否定了这一点。他们指出,不是所有的研究都表明侵蚀量一定随坡度的增加而增加。同样,坡长增加侵蚀强度也随之增大的认识也被威斯奇迈尔、莱尔等人的研究所动摇。产生这些问题的原因可能来自两个方面。首先,土壤侵蚀是多因素综合作用的过程,当某一因素量的变化处于一个特定的变化域内,可与土壤侵蚀量保持近似线性或非线性的统计关系。一旦该因素量的改变突破其阈值时,原有的统计关系也随之变异;另外,各因素与土壤侵蚀量之间的统计关系不同,可能产生变异的阈值也不同。当坡度或坡长的改变超过相应的阈值时,若其他因素的量仍处于各自阈值内,坡度、坡长与其他因素的组合关系就会形成新的协同形式,并最终表现为某些因素异军突起,掩盖或破坏了坡度或坡长与土壤侵蚀量的原先统计规律。

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