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土壤侵蚀

在东德[需要解释]

土壤侵蚀土壤退化的一种形式。 土地侵蚀是在所有土地上自然发生的过程。土壤侵蚀的因素是水和风,每年造成大量的土壤流失。土壤侵蚀可能是一个缓慢的过程,持续相对未被注意到,或者它可能以惊人的速率发生,导致表土严重损失。农田土壤的损失可能反映在减少作物生产潜力,降低地表水质和破坏排水网络。

虽然侵蚀是一个自然过程,但人类活动却增加了全球侵蚀发生率的10至40倍。过度(或加速)侵蚀导致现场非现场问题。现场影响包括由于营养丰富的上层土层的损失,农业生产力、自然景观和生态崩溃在某些情况下,最终的结果是荒漠化。场外影响包括河流的侵蚀、农业泥沙输送和水体富营养化、以及与道路和房屋相关的沉积物相关的损害。水和风蚀是土地退化的两个主要原因;结合起来,他们负责全球退化土地面积的约84%,使过度侵蚀成为世界上最重要的环境问题[1][2]毁林、道路、人为气候变化和城市扩张是其对人类活动侵蚀。[3]然而,有许多可以减少或限制脆弱土壤侵蚀的预防和补救做法。

物理过程

降雨和地表径流

爱沙尼亚,降雨造成的侵蚀过程

降雨和可能由降雨产生的地表径流产生四种主要类型的水土流失:飞溅侵蚀板材侵蚀侵蚀沟蚀。溅水侵蚀通常被认为是土壤侵蚀过程中的第一和最不严重的阶段,其后是板材侵蚀,然后是侵蚀,最后是沟槽侵蚀(四个中最严重的)。[4][5]

飞溅侵蚀中,降雨在土壤中会产生一个小火山口,[6] 喷射土壤颗粒。[7]这些土壤颗粒行进的距离在水平地面上可以高达0.6米(2英尺)垂直和1.5米(5英尺)。

如果表面径流土壤饱和,或者如果降雨率大于水可以渗入土壤的速率,则表面径流发生。 如果径流具有足够的流动能量,它会将松散的土壤颗粒运输到斜坡上。[8]板材侵蚀是通过陆上流动运输松散的土壤颗粒。[8]

侵蚀指的是小的、短暂的集中的流动路径的发展,其作为沉积物源和沉积物递送系统用于在山坡上侵蚀。一般来说,在干旱旱地地区的水土流失率最大的地方,河流活动活跃。沟槽中的流动深度通常为几厘米(约一英寸)或更小的量级,并且沿通道的斜率可能相当陡。这意味着,河流表现出水力物理学与流经更深,更宽的河流和河流的水非常不同。[9]

当暴雨或融化的雪期间或之后,当径流水积聚并在狭窄通道中迅速流动时,发生沟槽侵蚀,从而将土壤移除到相当深的深度。[10][11][12]

河流和溪流

这张照片说明了影响同一地方的两种不同类型的侵蚀。由于河流的流动,河谷侵蚀正在发生,位于边缘的冰砾和石头(以及大部分土壤)是随着冰川在地形上流动而留下的。

河流侵蚀发生在沿着线性特征的连续水流的情况下。侵蚀是向下,深化山谷和源头侵蚀,将山谷延伸到山坡,创造陡岸。在流侵蚀的最早阶段,侵蚀活动主要是垂直的,谷地具有典型的V横截面,并且流坡度相对陡峭。当达到一定程度时,侵蚀活动切换到横向侵蚀,这扩大了谷底并产生了狭窄的漫滩。流体梯度变得接近平坦,并且沉积物的横向沉积变得重要,因为流体流过谷底。在流侵蚀的所有阶段中,到目前为止,在洪水时期发生最大的侵蚀,当更多和更快移动的水可用于携带更大的沉积物负荷时。在这样的过程中,不是单独的水侵蚀:悬浮的磨料颗粒,卵石石头也可以在它们穿过表面时在被称为牵引的过程中侵蚀性地起作用。[13]

河岸侵蚀是河岸的磨损。 这不同于水道床上的变化,其被称为“冲刷”。 侵蚀和河岸形式的变化可以通过将金属杆插入堤岸并在不同时间沿着杆标记堤岸表面的位置来测量。[14]

热侵蚀是由于移动水而熔化和削弱永久冻土的结果。[15] 它可以发生在沿河和海岸。在西伯利亚观察到的快速消失是由于热侵蚀,因为河岸的这些部分由永冻土胶结的非粘性材料组成。[16]

Much of this erosion occurs as the weakened banks fail in large slumps. Thermal erosion also affects the Arctic coast, where wave action and near-shore temperatures combine to undercut permafrost bluffs along the shoreline and cause them to fail. Annual erosion rates along a 100-千米(62-英里) segment of the Beaufort Sea shoreline averaged 5.6米(18英尺) per year from 1955 to 2002.[17]

洪水

在极高的流量下,漩涡由大量快速冲刷的水形成。例子:大洪水它在华盛顿州哥伦比亚盆地地区的冲成广大河沟地形。[18]

风蚀

阿尔及利亚,由风蚀造成的岩层。

风蚀是一种主要的地貌力,特别是在干旱地区和半干旱地区。它还是土地退化、蒸发、荒漠化,有害的空气中粉尘和作物损害的主要来源-特别是在人类活动如砍伐森林城市化农业[19][20]

Wind erosion is of two primary varieties: deflation, where the wind picks up and carries away loose particles; and abrasion, where surfaces are worn down as they are struck by airborne particles carried by wind. Deflation is divided into three categories: (1) surface creep, where larger, heavier particles slide or roll along the ground; (2) saltation, where particles are lifted a short height into the air, and bounce and saltate across the surface of the soil; and (3) suspension, where very small and light particles are lifted into the air by the wind, and are often carried for long distances. Saltation is responsible for the majority (50–70%) of wind erosion, followed by suspension (30–40%), and then surface creep (5–25%). [21][22]

在干旱地区和干旱时期,风蚀严重得多。例如,在北美大平原中,估计由于风蚀造成的土壤损失在干旱年可能比在湿年高达6100倍。[23]

崩坏作用

Wadi in Makhtesh Ramon, 以色列旱谷,显示重力崩坏作用在运动。

崩坏作用是岩石和沉积物在倾斜表面上的向下和向外运动, 主要是重力惯性。[24][25]

大量运动是侵蚀过程的重要部分,并且通常是山区中风化材料的分解和运输的第一阶段。[26]它将材料从较高的高度移动到较低的高度,其中其它侵蚀剂例如水流和冰川然后可以拾取材料并将其移动到甚至更低的高度。质量运动过程总是在所有斜坡上连续发生;一些质量运动过程的行为非常缓慢;其他的发生非常突然,经常带来灾难性的后果。岩石或沉积物的任何可察觉的下坡运动通常被称为滑坡。然而,滑坡可以以更详细的方式分类,反映了运动发生的机制和运动发生的速度。这种活动的非常缓慢形式的可见的地形表现之一是岩屑堆

坍落发生在陡峭的山坡上,沿着明显的断裂带发生,经常发生在像黏土这样的材料中,一旦释放,它们可能很快下滑。在某些情况下,坍落度是由斜坡下的水使其变弱造成的。在许多情况下,是由公路的不良工程造成的。

影响土壤侵蚀的因素

气候

降雨量的数量和强度是控制水土壤侵蚀的主要气候因素。如果强降雨发生在土壤表面没有被植被良好保护的时间或地点,则这种关系特别强烈。这可能是在农业活动离开土壤的时期,或在半干旱气候地区,其中植被是自然稀少的。风侵蚀需要强风,特别是在干旱时期,当植被稀疏和土壤干燥时(因此更易受侵蚀)。其他气候因素,如平均温度和温度范围,也可能影响侵蚀,通过它们对植被和土壤性质的影响。一般来说,由于类似的植被和生态系统,具有更多降水(特别是高强度降雨),更多风力或更多风暴的区域预计会有更多的侵蚀。

在世界的一些地区(例如美国中西部),降雨强度是侵蚀性的主要决定因素,较高强度的降雨通常导致水的更多的土壤侵蚀。降雨的大小和速度也是一个重要因素。较大和较高速度的雨滴具有较大的[动能],因此它们的撞击将使土壤颗粒的距离大于较小的,较慢移动的雨滴。[27]

在西欧地区,径流和侵蚀是由层状降雨相对较低的强度落在先前饱和的土壤上造成的。在这种情况下,降水量而不是强度是决定水土壤侵蚀严重程度的主要因素。[28]

土壤结构和组成

未固结的死海(以色列)的侵蚀沟沉积在西南岸。 这个沟壑是在不到一年的时间内洪水中挖掘出来的。

土壤的组成,水分和压实都是决定降雨侵蚀性的主要因素。含有更多粘土的沉积物比那些具有沙子或淤泥的沉积物更易于侵蚀,因为粘土有助于将污垢颗粒粘结在一起。[29]含有高含量有机材料的土壤通常更耐侵蚀,因为有机材料凝结土壤胶体并产生更强的,更稳定的土壤结构。[30]在沉淀之前存在于土壤中的水的量也起重要作用,因为它对可以被土壤吸收的水的量设置限制(并且因此防止其作为侵蚀性径流在表面上流动)。湿的、饱和的土壤将不能吸收尽可能多的雨水,导致更高水平的表面径流,因此对于给定体积的降雨具有更高的侵蚀性。[30][31]土壤压实也影响土壤对水的渗透性,因此也影响作为径流流失的水量。 更加紧密的土壤将具有比较少压实的土壤更大量的表面径流。[30]

植被

植被作为大气和土壤之间的界面。它增加雨水渗透到土壤中,从而减少径流。它保护土壤免受风,这导致风侵蚀减少,以及微气候的有利变化。植物的根部将土壤结合在一起,并与其他根交织,形成更不易受水和风蚀的影响的更加固体的物质。植被的去除增加了表面侵蚀的速率。[32]

地形

土地的地形决定地表径流将流动的速度,这反过来确定径流的侵蚀性。更长、更陡的坡度(特别是没有足够植被覆盖的那些)在大雨期间更容易受到非常高的侵蚀速率,比较短、不太陡的坡度、陡峭的地形也更容易发生泥石流。[33][34][35]

增加水土流失的人类活动

惯习农业

这样的耕地非常容易受到降雨的侵蚀,这是由于植被覆盖的破坏和耕作期间土壤的松动。

惯习农业是全球侵蚀速度增加的最大因素。[36]农田的耕地将土壤分解成更细的颗粒,是主要因素之一。由于机械化的农业设备允许深耕,这严重增加了可通过水蚀进行运输的土壤的数量,这个问题在现代被加剧了。其他包括单一种植,在陡坡上耕作,农药化肥的使用(其杀死将土壤粘在一起的生物)、排种以及表面灌溉。[37][38]由于土壤侵蚀事件的大小选择性性质,可能产生关于限定土壤养分损失的复杂的总体情况。例如,在较细的侵蚀部分中,的损失相对于整个土壤更大。[39]推断这一证据以预测接收水生系统中的后续行为,原因是与更粗的级分相比,更容易运输的材料可以支持更低的溶液P浓度。[40]耕地还通过使土壤脱水并将其分解成可被风拾取的较小颗粒来增加风蚀速率。[41]放牧减少植被覆盖并导致严重的土壤压实,这两者都增加腐蚀速率。[42]

砍伐森林

在这个当中,几乎所有的植被都从陡坡的表面上剥离,在一个有大雨的地区。严重侵蚀发生在这种情况下,造成流沉积和营养丰富表土的损失。

在不受干扰的森林中,矿物土被一层覆盖森林地面的废弃物腐殖质保护。这两个层在土壤上形成吸收雨滴冲击的保护垫。并允许雨水减缓渗出进入下面的土壤,而不是作为地表径流在表面上流动。[43]树和植物的根[44]保持土壤颗粒,防止它们被冲走。[43]植物覆盖物用于降低在撞击地面之前撞击叶片和茎的雨滴的速度,从而减少它们的[动能]。[45]然而,它是森林地板,多于冠层,防止表面侵蚀。 在8米(26英尺)中达到雨滴的终点速度。因为森林檐篷通常高于这个,雨滴通常可以重获终点速度,即使在击中了冠层。然而,完整的森林地板,其各层叶片和有机物质,仍然能够吸收降雨的影响。[45][46]

砍伐森林通过从土壤表面除去腐殖质和凋落物层,去除了将土壤结合在一起的植被覆盖物而引起矿物 土壤压实。一旦火灾或伐木移除了树木,入侵率变高,侵蚀低到森林地板保持完好的程度。严重的如果紧接着暴雨可能导致显著的进一步侵蚀[47]

全球范围内2006年侵蚀性土壤流失的最大贡献者之一是热带森林的砍伐和焚烧。在地球的一些地区,一个国家的整个部门都没有生产效率。例如,在马达加斯加高中心高原上,占该国土地面积的大约百分之十,几乎整个景观都是植被光秃的,沟壑腐蚀的沟通常超过50米(160英尺)深和1千米(0.6英里)宽。

道路和城市化

城市化对侵蚀过程有重大影响 - 首先是剥蚀植被覆盖土地,改变排水模式,在施工期间压实土壤; 接下来通过在沥青或混凝土的不可渗透层中覆盖土地,增加表面径流的量并增加地面风速。[48]从城市地区(特别是道路)径流中携带的大部分沉积物被燃料,油和其他化学品高度污染。[49]这种增加的径流,除了侵蚀和降解流经的土地,还通过改变流经它们的水的体积和速率,并且对它们进行化学污染的沉积,对周围流域造成严重破坏。通过当地水道的增加的水流也导致土地侵蚀速度的大幅增加。[50]

气候变化

在过去几十年观察到的更暖的大气温度预计将导致更剧烈的水文循环,包括更极端的降雨事件。[51]由于气候变化而发生的[海平面上升]]也大大增加了海岸侵蚀率。[52][53]

全球环境影响

世界地图指示容易受侵蚀的地区。
在17和18世纪,复活节岛由于砍伐森林和不可持续的农业做法而遭受严重侵蚀。 由此造成的表土损失最终导致生态崩溃,造成群岛饥饿和复活节岛文明的完全瓦解。[54][55]

由于其生态效应的严重性及其发生的规模,侵蚀是我们今天面临的最重要的全球环境问题之一。[2]

土地退化

水和风侵蚀现在是土地退化的两个主要原因;结合起来,他们负责84%的退化面积。[1]

每年,大约750亿吨土壤从土地侵蚀这是自然速度的13至40倍的速度。[56]世界上约40%的农地严重退化。[57]根据联合国,每年因为干旱砍伐森林气候变化,乌克兰面积肥沃的土地面积减少。[58]非洲,根据联合国大学设在加纳的自然研究所,如果当前土壤退化趋势继续下去,该大陆可能只能在2025年前为其人口提供25%非洲资源。[59]

由于侵蚀造成的土壤肥力损失是进一步的问题,因为反应通常是施用化肥,这导致进一步的水和土壤污染,而不是允许土地再生。[60]

水生生态系统的沉积

由于过量沉积物流入世界水道的影响,土壤侵蚀(特别是来自农业活动)被认为是扩散水污染的全球主要原因。沉积物本身作为污染物,以及作为其他污染物的载体,如附着的农药分子或重金属。[61]

增加沉积物对水生生态系统的影响可能是灾难性的。泥沙可以窒息鱼的产卵床,通过填充在流床上的砾石之间的空间。它还减少了它们的食物供应,并且当沉积物进入其时,引起它们的主要呼吸问题。水生植物和藻类生物的生物多样性减少,无脊椎动物也无法生存和繁殖。虽然沉积事件本身可能相对短暂,但由大量死亡引起的生态破坏通常在未来持续很长时间。[62]

世界上最严重和长期存在的水蚀问题之一是在中华人民共和国,在[黄河]的中层和[长江]的上游。黄河每年超过16亿吨的沉积物流入海洋。沉积物主要来自西北黄土高原区域的水土流失。

空气粉尘污染

在土壤风蚀期间拾取的土壤颗粒是空气污染的主要来源,空气中颗粒 -灰尘的形式。这些空气中的土壤颗粒通常被有毒化学品如农药或石油燃料污染,当他们以后着陆或被吸入或摄入时构成生态和公共健康危害。[63][64][65][66]

灰尘从侵蚀起作用以抑制降雨并将天空颜色从蓝色改变为白色,这导致红色日落的增加。尘埃事件与加勒比和佛罗里达州主要自1970年代以来珊瑚礁的健康下降有关。[67]类似的尘埃起源于戈壁沙漠,它与污染物结合,在下风向或东向传播大距离进入北美。[68]

监测、测量和模拟水土流失

梯田是一种古老的技术,可以显著减慢水耕侵蚀的速度。

侵蚀过程的监测和建模可以帮助人们更好地理解土壤侵蚀的原因,对侵蚀进行预测在一系列可能条件下的情景规划,并计划然而,侵蚀过程的复杂性和必须考虑的科学学科的数量来理解和建模它们(例如气候学水文学地质学水文学土壤科学农业化学物理等)使准确的建模具有挑战性。[69][70][71] 侵蚀模型也是非线性的,这使得它们难以在数字上工作,并且使得难以或不可能按照通过对较小的图采样所收集的数据来对大面积进行预测。[72]

最常用的预测水土流失土壤流失的模型是“通用土壤流失公式英语Universal Soil Loss Equation”(USLE)。这是在20世纪60年代和70年代开发的。它估计一块地块面积上的年平均土壤流失量(A)[73]

A = RKLSCP

其中R是降雨冲蚀指数[74],K是土壤冲蚀指数,L和S表示地形因子[75](其中L为坡长因子,S为坡度因子),C是覆盖与管理因子,P则是水土保持处理因子。

尽管USLE的plot-scale spatial focus,该模型经常被用于估计更大面积上的土壤侵蚀,例如集水区或甚至整个陆地。例如:修正版通用土壤流失公式(Revised Universal Soil Loss Equation,RUSLE)最近被用于量化整个欧洲的土壤侵蚀[76]。这是科学上有争议的,有几个原因。一个主要问题是,USLE不能模拟沟槽侵蚀,因此在任何基于USLE的侵蚀评估中忽略来自沟槽的侵蚀。然而,沟渠侵蚀可能是耕地和牧草土地总侵蚀的很大比例(10-80%)。[77]

在引入USLE后的50年中,已经开发了许多其它土壤侵蚀模型。[78]但是由于土壤侵蚀及其构成过程的复杂性,当验证时,即当将模型预测与侵蚀的现实测量进行比较时,所有侵蚀模型都可能产生不令人满意的结果。[79][80]

预防和治理

一个防风林(一排树)种植在一个农田旁边,作为抵抗强风的盾牌。 这降低了风蚀的影响,并提供了许多其他好处。

防止侵蚀的最有效的已知方法是增加土地上的植被覆盖,这有助于防止风和水的侵蚀。[81]梯田是一种非常有效的侵蚀控制手段,它已经被世界各地的人们实践了数千年。[82]防风林(也称为防护林)是沿着农田的边缘种植的树木和灌木,以遮蔽风场。[83]除了显著减少风蚀外,防风林还提供许多其它益处,例如改善作物(其受到脱水和其他损害性风的影响),有利的鸟类物种的栖息地,[84]固碳[85]和美学改善农业景观。[86][87]传统的种植方法,如混合种植而不是单作和作物轮作也已显示出显著降低侵蚀速率。[88][89]作物残留物在缓解侵蚀中起作用,因为它们减少了雨滴破坏土壤颗粒的影响。[90] 当生产马铃薯时,比种植谷物或油籽作物时侵蚀的可能性更大。[91] 牧草具有纤维根系,其通过将植物锚定到土壤的顶层并覆盖整个田地来帮助抵抗侵蚀,因为它是non-row crop[92]在热带沿海系统中,红树林的性质已被作为减少土壤侵蚀的潜在手段加以研究。 已知它们的复杂根结构有助于减少来自暴风雨和洪水冲击的波浪损伤,同时结合和建造土壤。 这些根可以减缓水流,导致沉积物沉积和减少侵蚀率。 然而,为了保持沉积物平衡,需要存在充足的红树林宽度。[93]

参见

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