侵蚀作用(英语:Erosion)是指外营力对地表冲刷、磨蚀、和溶蚀等作用的总称。[1]外营力包括流水、冰川、波浪、潮流、海流、风等。风化作用产生碎屑,为外营力提供了侵蚀地面的条件;继侵蚀作用之后,相继出现搬运作用和堆积作用,使地貌改观。[1]侵蚀作用为地表物质的搬运、迁移创造了条件。[5]
在侵蚀作用过程中,流动的角形的粒子会磨滑(摩擦或冲刷)经过的表面,并磨蚀岩石或土壤。[6]风力、流水、冰川、波浪等外力会在运动状态下改变地面岩石及其风化物。[7]侵蚀作用会受到气候(降水[8]、风力[9])、植被[10]、地形[11]、地质构造[12]和人类活动[13]等因素的影响,可以按照各种不同的外作用力分为水侵、风蚀、海蚀、冰蚀等[3]。不同类型的侵蚀作用会形成不同的地貌,例如形成溶洞、钟乳石、风蚀柱、风蚀蘑菇、冰斗、角峰、“U形谷”、海蚀柱等地貌形态。[7][14]
侵蚀作用的发生是一个自然过程,但集约化农业、森林树木乱砍滥伐、城市扩张等人类活动很大程度上加快了侵蚀作用的速度。[2]过度侵蚀会导致营养丰富的上层土壤流失,农业生产力下降,出现荒漠化;还会导致水道沉积和水体富营养化。[15]可以通过植树造林,[16]护滩养滩修复、护岸工程修建等行动来减少侵蚀作用带来的消极影响[17]。
形成
侵蚀作用主要由重力推动,并由外营力(流动媒体)辅助,包括水(河流、地下水、海浪等)、冰(冰川),风等。[6]风力、流水、冰川、波浪等外力会在运动状态下改变地面岩石及其风化物。[7]在侵蚀作用过程中,流动的角形的粒子会磨滑(摩擦或冲刷)经过的表面,并磨蚀岩石。因此,山崩的碎石可能会侵蚀沿途的斜坡或河道,河流的沉积物会侵蚀河床的岩石部分,而冰川中的岩石碎块会侵蚀山谷底部。[6]
气候
降水量和降水强度是影响侵蚀作用的主要气候因子。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会导致更多的水土流失。雨滴的大小和速度也是一个重要因素。较大且速度较高的雨滴具有较大的动能,因此它们的撞击将使土壤颗粒比较小、移动速度较慢的雨滴移动更远的距离。[8]在世界其他地区(例如西欧),径流和侵蚀是由于相对较低强度的层状降雨落在先前饱和的土壤上造成的。在这种情况下,决定水土流失严重程度的主要因素是降雨量而不是强度。[18]根据气候变化预测,到2050年,欧洲的侵蚀力将显著增加,土壤侵蚀可能增加13%-22.5%。[19]
风力和风量也会影响侵蚀。相似的植被和生态系统,风量较多或风暴较多的地区预计会遭受更多侵蚀。风蚀需要强风,特别是在干旱时期,植被稀疏且土壤干燥(因此更容易被侵蚀)。在台湾,台风频率在21世纪显著增加,风暴频率的增加与河流和水库沉积物负荷的增加之间存在密切联系,凸显了气候变化对侵蚀的影响。[9]除此之外,其他气候因素,例如平均温度和温度范围也可能通过对植被和土壤特性的影响而影响侵蚀。[9][20]
植被
植被充当大气和土壤之间的界面。它增加了土壤对雨水的渗透性,从而减少径流。它保护土壤免受风的影响,从而减少风蚀,并带来有利的小气候变化。植物的根部与土壤结合在一起,并与其他根交织在一起,形成更坚固的物质,不易受到流水侵蚀[21]和风蚀的影响。植被的去除增加了地表侵蚀的速度。[10]
研究得出,无论是林地、砍伐迹地或草地,当地面被植被所覆盖,或土壤被密集的根系所固结时,降雨、坡度等自然因素对侵蚀的作用很微弱;而土壤表层一旦失去植被保护或根系的固结,降雨和地形对等因素对侵蚀的作用则十分明显,侵蚀速率可增至原来的数百倍甚至更多。[22]
地形
地形对流域水文、土壤侵蚀和产沙量具有重要作用,且被认为是影响土壤侵蚀的重要因素。[11]土地的地形决定了地表径流的流动速度,进而决定了径流的侵蚀力。较长、较陡的斜坡(尤其是那些没有足够植被覆盖的斜坡)比较短、不太陡的斜坡在大雨期间更容易受到极高的侵蚀率。陡峭的地形也更容易发生泥石流、山体滑坡和其他形式的重力侵蚀过程。[8]
地形因子中的海拔高度是影响径流系数的最重要变量,海拔较低的地区土壤水分含量较高,可增加径流系数。坡度坡长因子是土壤侵蚀模型中重要的地形因子,其反映了坡度和坡长对土壤侵蚀的综合影响,土壤侵蚀随坡度坡长因子的增加而增加。[11]坡面侵蚀量主要受降雨强度—坡度—坡长交互作用的影响。[23]
地质构造
构造过程控制着地球表面侵蚀的速率和分布[12]。活跃的构造运动会将新鲜的、未风化的岩石带向地表,使其受到侵蚀作用。如果构造作用导致地球表面的一部分(例如山脉)相对于周围区域升高或降低,这必然会改变陆地表面的坡度。侵蚀作用与当地坡度关系密切,所以将改变地球隆起区域的侵蚀率。[24]
构造过程通常发生在以下三种类型之一的板块边界处:汇聚边界、发散边界或变换边界。[24]这些过程形成并改变了地球表面的地形,通过均衡抬升、地壳增厚以及断层和褶皱形式的变形机制有效地增加了地势。相对于区域基准面的海拔升高,导致河道坡度变陡,地形局部降水量增加,最终导致侵蚀率急剧增加。固定区域的地形和总体地形决定了地表径流的流动速度,最终决定了径流的潜在侵蚀力。在强降雨期间,较长、较陡的斜坡比较短、逐渐倾斜的区域更容易遭受更高的侵蚀率。因此,通过构造隆起形成的大山脉和其他高地势区域的侵蚀率将明显更高。[25]
人类活动
人类活动既可以加速侵蚀过程,也可以控制水土流失发生,是影响土壤侵蚀的主要因素。[13]集约化农业、森林树木乱砍滥伐、城市扩张等人类活动很大程度上加快了侵蚀作用的速度。[2]
人类集约化农业的发展会加速耕作侵蚀,这是一种由于耕作使土壤移动而在耕地中发生的土壤侵蚀形式。[26][27]过度放牧和坡地开荒等人类活动都是在破坏地表植被,耕作时翻地使土壤疏松,改变了土壤的团粒结构,有利于农作物生产,单会导致土壤的强度与抗蚀性降低,容易发生土壤侵蚀。[28]居民点建设作为人类活动中重要的城市扩张类型,将显著增加沟道周边的汇水能力,加剧沟头溯源侵蚀和沟道边缘冲刷。此外,公路作为城市扩张的产物,对地表汇流也产生重要的影响。被硬化的公路路面雨水无法下渗,降水产生股流冲刷公路两侧沟岸,加剧土壤侵蚀的发生。[13]
分类
侵蚀作用可以按照是否改变岩石化学成分的分类方法分为机械剥蚀作用和化学剥蚀作用。[4]机械侵蚀作用指风、流水、冰川、海洋靠其本身的动能对岩石的机械破坏,并不改变其化学成分[29],主要包括河流的冲蚀和磨蚀作用、风的吹蚀和磨蚀作用、波浪海流的冲蚀和磨蚀作用、冰川的挖蚀磨蚀作用等;化学侵蚀作用指流水、地下水、海洋等以溶解的方式对岩石的破坏作用,主要指流水的溶蚀作用,具体包括河流的溶蚀、波浪海流的溶蚀、地下水的溶蚀和潜蚀等作用。[4]
侵蚀作用还可以按照各种不同的外作用力分为水侵、风蚀、海蚀、冰蚀等[3]。
水蚀
水蚀主要包括河流侵蚀、降雨侵蚀和地下水溶蚀。[4][29][30]
河流侵蚀
河流侵蚀作用包括冲蚀、磨蚀和溶蚀等作用。[4]冲蚀作用是指水流的冲蚀使河岸崩塌,带走泥沙石砾。大陆面积约90%的地方都处于流水的侵蚀作用控制之下:降水冲蚀地表,沟谷和河流的流水,使谷底和河床加宽加深。坡面上的流水冲刷着整个坡面,使之趋于破碎。在流水侵蚀的作用下,形成千沟万壑的地表形态。[31]例如中国的黄土高原由于植被多遭破坏,流水侵蚀严重,造成千沟万壑的地表形态。[4]磨蚀作用是指被搬运的粗粒碎屑以滚动或跃移方式前进,沿途磨蚀河床和岸壁,砂砾之间也发生相互碰撞和研磨,使其粒径变小,圆度增大(波浪、潮流、海流和风的作用亦出现这种情况);细粒的粉砂、粘土则被悬浮下输。[32]河流溶蚀作用指水对可溶性岩石的化学侵蚀过程。当水中含有二氧化碳时,则具有较强的溶蚀能力,在易溶岩区(如石灰岩区)溶蚀作用尤其明显。[32]地表水和地下水能溶解岩石中的可溶解性盐类,如碳酸钙、氯化钠等,形成天然溶液而随水流失,这个过程是化学剥蚀作用。[31]中国的桂林山水、路南石林等岩溶地貌就是可溶性石灰岩受到含有二氧化碳流水的长期溶解和冲刷作用而形成的。[7]
河流侵蚀作用按作用方向可分为下蚀、侧蚀和向源侵蚀。下蚀作用加深河床,在上游山区刻蚀出宏伟峡谷。旁蚀作用拓宽河谷,在中下游区形成蜿蜒曲流和宽坦的谷底平原。向源侵蚀使河流向源头延长。[32]通常,河流的上游或中游都从山区通过,这里水流湍急,河道断面较窄,河流的侵蚀作用主要导致河床下蚀。正因为如此,河流的中上游经常会出现瀑布和峡谷。河流的下游通常位于平原,地势平缓,流速较慢。由于地球自转产生的科里奥利力,河道外侧的水流流速较快,久而久之,对河道外侧形成强烈的侧蚀。侧蚀的结果使河道呈现出弯曲状,称为河曲。[33]

降雨侵蚀
降雨通常会产生四种类型的侵蚀,分别是飞溅侵蚀、片状侵蚀、细沟侵蚀和沟壑侵蚀。[29]
飞溅侵蚀是侵蚀过程的第一阶段,当雨滴落下击中裸露的土壤时,就会发生飞溅侵蚀。这种爆炸性的冲击破坏了土壤团聚体,使单个的土壤颗粒“飞溅”到土壤表面。飞溅的颗粒可以上升到离地面60厘米的高度,并从撞击点移动1.5米。这些飞溅的颗粒堵塞了土壤团聚体之间的空间,减少了渗透,增加了径流。[34]

如果土壤饱和,或者降雨量大于水渗透土壤的速度,就会发生地表径流。如果径流具有足够的流动能量,它会将松散的土壤颗粒(沉积物)沿斜坡输送。[35] 片状侵蚀会通过雨滴撞击和浅层表面径流将薄层带有营养物质和有机物的土壤带走[34]。片状侵蚀的早期迹象包括裸露的树根草根和底层石质土壤等。[34]
当径流沿着斜坡集中形成小通道时,就会发生细沟侵蚀。[36]细沟侵蚀是片状侵蚀和沟壑侵蚀的中间阶段。[34]细沟是深度小于30厘米的浅层排水线。细沟侵蚀常见于裸露的农业用地,特别是过度放牧的土地,以及土壤结构松动的新开垦土壤。可以通过在水道铺草和建立排水沟等方法来减少径流的体积和速度,从而减少细沟侵蚀。[34]
如果侵蚀的小沟深度超过30厘米,就被称为沟壑侵蚀。[36]沟壑侵蚀是指在暴雨或融雪期间或之后,径流水积聚并在狭窄的通道中快速流动,从而将土壤侵蚀到相当深的程度。[37][38]严重的沟壑侵蚀可能会使部分田地的耕作效率地下甚至完全无法使用。[39]

地下水侵蚀
地下水侵蚀指的是地下水的溶蚀和潜蚀作用,一般发生在岩石裂隙和孔隙中。地下水循着岩石空隙流动并溶解岩石,使空隙扩大,在岩石内形成各种形状与大小的洞穴[30],溶解可溶性岩石,形成喀斯特地貌,称为溶蚀作用。地下水溶蚀易形成溶洞,钟乳石、石笋等地貌。地下水沿岩(土)层的裂隙流动,溶解并冲带岩(土)层中可溶性矿物,对岩(土)层起淘空作用,引起上覆岩(土)层发生坍陷,称为潜蚀作用。[40]潜蚀会形成溶沟和石芽等地貌。片流或土壤底层的地下水,在可溶性岩石表面上沿着低洼处流动并沿着岩石裂缝向下渗流,使洼地或裂隙扩大,在地面上形成的沟槽叫溶沟,深几厘米到几十米不等,溶沟之间凸起的石脊叫石芽,溶沟和石芽经常相间出现[41]。

风蚀作用
风蚀作用表现为风的吹蚀和磨蚀作用。[42]吹蚀作用是指风吹过地面产生紊流,砂砾或尘土离开地面使地表物质遭受破坏的过程。吹蚀作用主要限于沙漠、海滩等地。[42]风有时会把沙子吹成高耸的沙丘,例如中国戈壁沙漠巴丹吉林部分的一些沙丘高达400米。[29]磨蚀作用指由于风沙流贴近地面运动,运动的沙粒冲击、摩擦岩石表面的作用。洁净的风(非挟沙气流)即使是超过临界起动值的,通常对于多数地表无显著作用,而风如挟沙形成挟沙气流,则以其所携带的泥沙颗粒为工具,对地表会产生巨大的冲击力和摩擦力。[42]试验证明,风所挟带的以高速跃移的颗粒通过冲击方式可以推动直径6倍于它或重量200倍于它的颗粒。处于不同胶结程度的土壤结壳或泥沙块体,也会因受被吹扬颗粒的滚动或滑动摩擦,特别是跳跃颗粒的撞击而发生崩解和破碎,使地表增加风吹蚀的泥沙数量,加剧风蚀。[42]在干旱的沙漠区常常可以见到一些奇形怪状的岩石。它们有的像古代城堡,有的像擎天立柱,有的像大石蘑菇,这并非雕塑家们的精工巧作,而是风挟带岩石碎屑,磨蚀岩石的结果,人们称之为风蚀地貌。[4]

一般说来,在气流内沙粒集中分布于距离地面30厘米的高度内,所以这一高程范围内磨蚀作用特别显著。磨蚀作用与吹蚀作用常相伴而生,吹蚀带动沙粒而引起磨蚀,磨蚀又为吹蚀提供更多的原料。风蚀作用的强度主要取决于风速大小和地面状况。风速愈大,地面愈干燥,植被稀疏,松散碎屑物粒径变化范围愈大,风蚀作用就愈强。[42]
海蚀作用
海蚀作用是由波浪、潮流、海流等引起的,包括冲蚀、磨蚀和溶蚀等作用,主要发生在海岸带,[40]其中波浪是最强大、最普遍的动力因素。[43]海浪到达海岸变成拍岸浪时,海水携带的砂砾便获得动能而猛烈冲击和研磨滨岸带的海底和海岸岩石。[44]潮汐在开阔海岸带附近作用较弱,仅起助长海浪的破坏作用。涨潮时汹涌潮水将能量叠加于上从而增加了拍岸浪威力;退潮时又把大量松散物带走,使基岩裸露从而增大了海浪剥蚀的范围和深度。而在海湾河口地区潮汐的破坏作用十分强烈,如杭州湾的潮汐高潮时水位迅速开高速度加快,至海宁市可形成8~12米潮峰猛烈冲击两岸、进行强烈破坏。[44]
在全世界约27万千米的海岸线,海浪不断拍击岩石,可以产生每平方米38吨的压力,一面把岩石“击”成碎屑,一面再以碎屑为工具加速破坏着岩石,由于海浪和淘沙的不断破坏[44],加上海水中矿物质含量较高,对沿岸岩石具有更强的溶解作用,基岩海岸可形成多种海蚀柱、海蚀桥、海蚀洞穴等奇特的海蚀地貌。[7]

冰蚀作用
冰蚀作用指冰川缓慢运动中发生的挖蚀作用(拔蚀作用)和磨蚀作用[40]。冰蚀多发生于高寒地区或一些高山山顶,[29]巨大的冰川,可以刨蚀地面,形成冰斗、角峰、U形谷等冰川地貌。[7]

冰川对地表具有强大的侵蚀破坏能力[45]。冰川的挖蚀作用,主要因冰川自身的重量和冰体的运动,致使底床基岩破碎,冰雪融水渗入节理裂隙,时冻时融,从而使裂隙扩大,岩块不断破碎,冰川就象推土机铲土一样,把松动的石块挖起,并与冰冻结一起带走[46]。在冰川的后背和冰体越过冰阶跌落处,或基岩节理发育的地区,挖蚀作用表现明显[47]。它形成的冰硕物比较粗大。大陆冰川作用区的大量漂砾,一般是冰川挖蚀作用的产物。冰川的磨蚀作用,是由冰川对冰床产生的巨大压力所引起的。如冰川厚度为100米时,每平方米的冰床上,将受到90吨左右的压力。通过冰川的运动,就可促使底部石块压破磨碎,再加由挖蚀作用所产生的碎屑,冻结于冰川的底部,成为冰川对底床进行刮削、例磨的工具,从而形成了粒级较细的冰硬物。当冰川运动受到阻碍或遇到冰阶时,磨蚀作用表现更为突出,产生了基岩或砾石表面的磨光面。在磨光面上,常常有冰川擦痕、磨蚀沟和新月形裂隙。冰川擦痕宽、深一般只有数毫米,长短不等,多呈钉头形,有时亦可弯曲或呈弧状。冰川擦痕与冰川运动方向大致平行,基岩或砾石磨光面上的几组交切擦痕,表明了冰川流动方向的改变或因被冰川挟带砾石方位的转动所致。新月形挤压裂隙也可指示冰川的流向,裂隙而本身皆倾向于冰川的上游。[46][47]
在地球历史上,巨大的冰川曾多次覆盖北半球的部分地区,冰河时代的冰川雕刻了现代北美北部和欧洲的大部分地貌。例如美国纽约州的五指湖。如今在格陵兰岛和南极洲等地冰川还在持续侵蚀着地球。[29]
积极影响
形成冲积平原
侵蚀过程中河流将泥沙碎石带入下游,形成平坦的冲积平原,适合于人类和动植物的繁衍生存。世界上最大的冲积平原是亚马孙平原,由亚马孙河上游的泥沙冲积而成,中国的宁夏平原、华北平原是由黄河携带的泥沙冲积而成的。[48]
消极影响
山体滑坡
山体滑坡,也称为滑坡,[49]是指大量土石从山上或山坡上相对快速地移动。山体滑坡是指大量相对干燥的碎片沿着中度到陡峭的斜坡快速移动。随着含水量的增加,大量的浪费表现为碎片雪崩,然后是土流,最后是泥石流。含水量的进一步增加会产生表层洪水,这是流水侵蚀的一种形式。[50]
水土流失
侵蚀作用会导致水土流失,土壤养分流失。[51]土壤侵蚀会产生大量淤积的泥沙,导致暴雨径流加剧,从而加剧洪涝灾害和防洪难度,影响了河道泄洪和航道的正常运行。土壤侵蚀会降低土壤肥力,导致土地生产力和粮食产量降低,加剧当地的贫困程度。水土流失会将一些重金属、农药等转移到未受到污染的河流和农田中,危害粮食食品安全和人民群众的正常健康生活,破坏农业土地资源和生态环境,进而使经济和生态发展受到制约。[52]
植树造林
与坡耕地比较,人工草地和林地减少径流的效益为60%-90%,减少侵蚀量的效益为70%-100%。林下生长有茂密草灌的林地,森林覆盖率达60%时,即能够有效地控制土壤侵蚀。[16]现代生物气候条件说明,黄土高原绝大部分地区应该覆盖天然林(包括乔木、灌木)和草被。特别在沟谷部位应该加大植树造林种草力度,使植被生长更加繁茂,这样无论是坡面侵蚀、沟谷侵蚀还是重力侵蚀,均能得到有效控制。[16]
休耕轮牧
采用免耕或休耕的做法可以减少侵蚀作用带来的消极影响。研究表明,免耕或休耕的做法可以保护土壤不受外界干扰,有助于保持更多如氮等重要营养物质,提高保水能力,进而提高农作物产量。轮牧可以减缓土壤被压实的速度,从而减少侵蚀。[39]
护岸建筑
天然河岸或海岸,因受波浪、潮汐、水流等自然力的破坏作用,会产生侵蚀现象[53],需修建护岸建筑物。护岸建筑物可用于防护海岸或河岸免遭波浪或水流的冲刷。[54]
护岸方法可分为两种:一类是直接护岸,即利用护坡和护岸墙等加固天然岸边,斜面式护坡和直立式护岸墙,是直接护岸方法所采用的两类建筑物。另一类是间接护岸,即利用在沿岸建筑的丁坝或潜堤,促使岸滩前发生淤积,以形成稳定的新岸坡。[54]

防波堤
许多沿岸地区都建有防波堤以保护海岸。防波堤是港口工程的重要组成部分,是防御波浪对港口的侵蚀、保证港内水域平稳和基础设施安全的水工建筑物。防波堤的主要功能是防止受掩护水域受到波浪的干扰,以保证船舶等正常作业所需要的泊稳条件。有的防波堤还具有防止游积、流沙和冰凌流人港池、航道,导流和内侧兼做码头和靠船的功能。防波堤通常建立在离海岸一定距离的地方,它既保证了海水的自由出入,又能有效地分散波浪能量。[55]

防波堤按结构形式分为斜坡堤、直立堤和混合堤[56]。斜坡堤,堤身两侧均为斜坡面,一般用于水浅、地质差地。直立堤有重力式和桩式两种类型,重力式直立堤一般要求有较好的地基条件,桩式直立堤适用于水浅、地基较差地区;混合堤实际上是高基床的直立堤,一般适用于水深、地基承载力有限的地区。[57]

淤地坝
淤地坝作为黄土高原水土保持治理的重要工程措施,是指在水土流失地区各级沟道中以拦泥淤地为目的而修建的坝体建筑物。黄土高原人工建设淤地坝已有400多年的历史。经过几百年的经验总结和知识积累,发现淤地坝在拦泥保土、减蚀固沟和淤地造田方面发挥着十分重要的作用。因此,淤地坝工程在黄土高原地区进行了大范围的推广和应用。[58]
黄土高原土壤侵蚀
中国黄土高原是丘陵沟壑地貌,土质疏松,年平均降水量少,降水集中在夏季,导致了黄土高原地区容易发生土壤侵蚀,黄土高原的生态环境和生态系统十分脆弱[59]。黄土高原地区,受到内外营力的共同作用剥蚀强烈,形成特有的塬、梁、峁地貌和千沟万壑景观。[60]
水力侵蚀是黄土高原最主要的侵蚀类型,主要是由于暴雨和地表径流造成的水土流失,降雨总量和强度与土壤侵蚀量呈正相关。风力侵蚀主要是风沙刮蚀裸露的地表导致的,风沙将地表土壤带走。重力侵蚀主要是由于土体松散,承重力较差,造成土体塌落。土壤侵蚀程度受土壤自身理化性质影响,疏松的土壤吸水性强,吸水后易形成较为坚实的结构,但这种土壤自身脆弱,易收到风力侵蚀和重力侵蚀;而透水性较差的土壤在强降水后还会产生径流,经流冲刷造成水力侵蚀。[61]

喀斯特地貌
喀斯特地貌是具有溶蚀性的水对可溶性岩石(大多为石灰岩)进行溶蚀作用等形成的地表和地下形态的总称,又称岩溶地貌。除溶蚀作用外,还包括流水的冲蚀及坍塌等机械侵蚀的过程。中国喀斯特地貌分布区域较广,如广西、贵州、云南等地[62],主要形态有溶沟、石芽、天坑、竖井、峰林、溶洞等[63]。

大连金石滩海岸侵蚀
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