密云水庫上游不同土地利用方式下的土壤侵蝕特征

樊登星, 余新曉, 賈國棟, 王賀年, 趙 陽

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100083)

密云水庫上游不同土地利用方式下的土壤侵蝕特征

樊登星, 余新曉, 賈國棟, 王賀年, 趙 陽

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100083)

摘要：[目的] 為了合理配置北京密云水庫水土流失重點(diǎn)治理區(qū)的水土保持綜合措施。[方法] 基于石匣小流域坡面徑流小區(qū)定位觀測資料，分析了不同土地利用方式及水土保持措施的坡面土壤侵蝕特征。[結(jié)果] (1) 5種土地利用方式的土壤侵蝕量差異明顯，與裸地相比較，耕地、人工草地、封禁荒草地和林地的減沙率達(dá)63.88%～99.63%； (2) 梯田比坡耕地措施小區(qū)的土壤侵蝕量減少了95.62%，起到了顯著的水土保持作用； (3) 采用水平條和魚鱗坑措施林地小區(qū)的減沙率分別為83.56%和96.53%，具有十分明顯的減蝕作用； (4) 與人工草地相比較，封禁荒草地的侵蝕產(chǎn)沙量減少了98.25%，可以有效地控制水土流失。[結(jié)論] 增加地表植被覆蓋，減少人為干擾以及合適地配置梯田、魚鱗坑和水平條等水土保持工程措施具有良好的水土保持作用。

關(guān)鍵詞：徑流小區(qū)； 土壤侵蝕； 土地利用方式； 水土保持措施； 密云水庫

坡面是地表過程發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)單元，是土壤侵蝕的主要發(fā)生地和溝道泥沙的主要來源區(qū)[1-2]。坡面土地利用方式及水土保持綜合措施的合理布置是控制水土流失最重要的影響因素[3]。通過調(diào)整合理的土地利用方式與配置適當(dāng)?shù)钠旅嫠帘３执胧┛梢杂行У匾种频乇硭亮魇АＤ壳?，已有很多學(xué)者對(duì)中國不同水土流失重點(diǎn)防治區(qū)的坡面水土流失過程進(jìn)行了研究，并取得了重要的成果[4-9]。這些研究基于大量的試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，分析了不同土地利用方式的坡面水土流失效應(yīng)及影響因素，并針對(duì)土地利用格局演變條件下的土壤侵蝕規(guī)律做了大量而詳細(xì)的分析[10-17]。然而，這些研究多數(shù)集中于對(duì)不同土地利用方式水土流失效應(yīng)的對(duì)比分析或者對(duì)不同水土保持措施的減水減沙效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，很少有研究對(duì)土地利用方式和水土保持措施共同作用下的水土保持效果進(jìn)行深入地探討。

密云水庫是北京市唯一的地表飲用水源，水庫及其上游地區(qū)多為土石山區(qū)和丘陵區(qū)，水土流失嚴(yán)重。有關(guān)研究表明，密云水庫泥沙淤積量已達(dá)1.70×108m3，而由水土流失造成的徑流泥沙是非點(diǎn)源污染物的主要載體，已經(jīng)成為影響水庫水質(zhì)的重要污染源之一。本研究利用北京市密云縣石匣小流域坡面徑流試驗(yàn)小區(qū)的多年連續(xù)觀測資料，分析了不同土地利用方式和不同水土保持措施共同作用下的坡面土壤侵蝕特征，以期為密云水庫上游水土流失重點(diǎn)治理區(qū)水土保持綜合治理措施的合理布局提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)域概況

密云縣石匣小流域地處北京市北部山區(qū)密云水庫的東北方向，地理坐標(biāo)為117°01′—117°07′E和43°32′—43°38′N。按水系劃分，該區(qū)屬于潮河流域下游，隸屬燕山山脈，為土石淺山丘陵區(qū)，地勢北高南低。海拔高度150～390 m，溝壑密度0.2 km/km2。坡面平緩，大于20°的坡面僅占流域面積的16.2%。該流域總面積33 km2，其中水土流失面積32.22 km2，占總面積的97.7%，土壤侵蝕模數(shù)為2 500 t/(km2·a)。土壤類型為洪沖積物母質(zhì)上發(fā)育的淋溶褐土。流域氣候?yàn)榕瘻貛Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均降水量為661.8 mm，降水分布不均，80%集中在6—9月。該流域北部的植被以雜草灌木叢為主，覆蓋度為80%。丘陵地帶存在的植被多為人工種植的刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、油松(PinustabuliformisCarr.)及一些經(jīng)濟(jì)林種等。

坡面徑流小區(qū)布設(shè)在石匣小流域的中心示范區(qū)內(nèi)，面積為2 km2。選擇坡向、坡度、坡長、工程措施、生物措施等試驗(yàn)因子進(jìn)行布設(shè)(表1)。小區(qū)的主要的觀測指標(biāo)包括降水量、降雨強(qiáng)度、徑流量、泥沙沖刷量、徑流含沙量、土壤含水量、植被覆蓋度、樹木成活率、地徑、樹高、郁閉度等。自建成徑流小區(qū)以來，我們主要開展了不同林草覆蓋措施、農(nóng)作物管理措施和水土保持工程措施的水土保持效益監(jiān)測以及不同坡度、坡長徑流小區(qū)土壤侵蝕監(jiān)測等方面的試驗(yàn)研究。主要的觀測指標(biāo)包括降水量、降雨強(qiáng)度、徑流量、泥沙沖刷量、徑流含沙量、土壤含水量、植被覆蓋度、樹木成活率、地徑、樹高、郁閉度等。

表1　徑流小區(qū)基本情況

2資料與方法

本文選取了2000—2006年13個(gè)不同水土保持措施徑流小區(qū)的降水、徑流和泥沙等觀測數(shù)據(jù)與資料。其中，降雨觀測中用虹吸式自記雨量計(jì)觀測降雨量及降雨過程，降雨資料為每年6—9月有地表徑流和泥沙記錄的次降雨數(shù)據(jù)，研究時(shí)段內(nèi)的總降雨量(產(chǎn)流降雨)為1 740.25 mm；徑流觀測中徑流量采用徑流桶/分流桶測定；泥沙觀測中含沙量采用傳統(tǒng)攪拌取樣，過濾烘干測定。

由于本文所選的13個(gè)徑流小區(qū)具有不同的坡度，為了消除不同坡度對(duì)土壤侵蝕的影響，我們將各小區(qū)土壤侵蝕量轉(zhuǎn)化到同一坡度(15°)上進(jìn)行比較研究，以便在相同條件下對(duì)比不同土地利用和不同水土保持措施下的土壤侵蝕特征。參照前人研究結(jié)果[4-5]選用坡度公式對(duì)坡度加以修正，見式(1)—(3)：

S=10.8sinH+0.03(H<5°)

(1)

S=16.8sinH-0.50(5°≤H<10°)

(2)

S=21.91sinH-0.96(H≥10°)

(3)

式中：S——坡度因子；H——坡度(°)。

(4)

利用SPSS 18.0進(jìn)行土壤侵蝕特征的差異顯著性檢驗(yàn)。其中，應(yīng)用最小顯著性差異(LSD)方法檢驗(yàn)不同土地利用方式之間土壤侵蝕特征的差異顯著性；應(yīng)用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)不同水土保持措施之間土壤侵蝕特征的差異顯著性。

3結(jié)果與討論

3.1　徑流小區(qū)土壤侵蝕特征

基于2000—2006年13個(gè)不用水土保持措施徑流小區(qū)的觀測數(shù)據(jù)，對(duì)各徑流小區(qū)的土壤侵蝕特征進(jìn)行了分析。由表1可以看出，各小區(qū)土壤侵蝕量差異明顯，其中1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(休閑坡耕地)的土壤侵蝕模數(shù)最大，達(dá)2 155.97 t/(km2·a)；13號(hào)林地(油松、刺槐)小區(qū)最小，沒有產(chǎn)生泥沙。13個(gè)小區(qū)按土壤侵蝕量的大小排序，前3位分別是1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)(休閑坡耕地)、3號(hào)坡耕地(玉米)和2號(hào)坡耕地(玉米)，而土壤侵蝕量最小的3個(gè)小區(qū)分別是7號(hào)封禁(自然坡)、12號(hào)林地(刺槐)、13號(hào)林地(油松、刺槐)。在降雨、土壤類型，坡長、坡寬等影響因素相同的條件下，各徑流小區(qū)土壤侵蝕量的差異主要是由不同的土地利用方式和不同的水土保持措施造成的。

3.2　不同土地利用方式的土壤侵蝕特征

13個(gè)徑流小區(qū)主要有裸地、耕地、人工草地、林地和封禁荒草地5種不同的土地利用方式，不同土地利用方式小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)如圖1所示。由圖1可知，5種不同土地利用方式的土壤侵蝕模數(shù)差異較大，其大小排序?yàn)椋郝愕?耕地>人工草地>封禁荒草地>林地。以1號(hào)裸地小區(qū)為對(duì)照，耕地的減沙率達(dá)到63.88%，人工草地的減沙率為78.97%，封禁荒草地的減沙率為99.62%，林地的減沙率為99.63%。各土地利用方式小區(qū)均表現(xiàn)出了不同程度的水土保持效益。不同土地利用方式的土壤侵蝕量差異顯著性分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，裸地產(chǎn)生的侵蝕量最大，并且裸地與其他4種土地利用方式的土壤侵蝕量差異性顯著(p<0.001)。其余4種土地利用方式之間均差的p>0.05，說明這4種土地利用方式之間土壤侵蝕量的差異不明顯。

圖1　不同土地利用徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)

表2　不同土地利用方式作用下的土壤侵蝕量均值方差矩陣　　　t/(km2·a)

注：***表示相關(guān)性達(dá)到顯著水平(p<0.001)。

不同土地利用方式的水土保持作用表現(xiàn)出一定的差異，這主要與植被覆蓋、水土保持措施類型以及人為活動(dòng)干擾直接相關(guān)[1-3,10-13,18]。耕地與裸地相比，農(nóng)作物的根系具有固土和改良土壤作用。農(nóng)作物枝葉等地表覆蓋物能夠有效地減小地表徑流的侵蝕力，從而起到了一定的保持水土作用。但與此同時(shí)，由于在耕地上定期從事的耕作、土地整理等活動(dòng)也增加了對(duì)坡面土壤的人為干擾程度[3,12-14]，可能導(dǎo)致產(chǎn)生新的水土流失，因此耕地水土保持效果并不明顯。在人工草地選擇典型水土保持草本植物沙打旺，并同時(shí)采用小水平條措施，增加了地表覆蓋度，在減少地表徑流方面起到了較好的作用。但由于草本的蓋度較低(<40%)，同時(shí)受定期的小區(qū)人工作業(yè)處理影響，加大了對(duì)土壤的擾動(dòng)，增加了土壤的不穩(wěn)定性，產(chǎn)生了較大的土壤侵蝕量。封禁撫育是水土保持生態(tài)修復(fù)的重要措施之一[14-15]，灌草植物的密集根系具有良好的固土作用，通過封禁撫育措施可以充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力并增強(qiáng)土壤抗蝕抗沖能力；同時(shí)，封禁處理有效地阻止了人類活動(dòng)對(duì)坡面的擾動(dòng)，增強(qiáng)了保水保土效果。林地可以有效地調(diào)控地表徑流，阻滯泥沙，降低水土流失[5,18]，但由于不同林地受水土保持措施、林分年齡、密度、郁閉度、林下灌草蓋度、地表枯落物層厚度等因素影響，使林地表現(xiàn)出不同的保水保土能力，但總體來看，其水土保持效果較顯著。

3.3　不同水土保持措施的土壤侵蝕特征

耕地的水土保持措施主要有坡耕地和梯田。這2種不同措施的土壤侵蝕特征如表3所示。與1號(hào)裸地小區(qū)相比較，2種措施小區(qū)的減沙率分別為55.11%和98.03%。其中，坡耕地措施小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為968.77 t/(km2·a)，遠(yuǎn)大于北方土石山區(qū)允許土壤流失量200 t/(km2·a)，加劇了土壤侵蝕程度。梯田措施小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)為42.41 t/(km2·a)，與坡耕地措施相比較，梯田的土壤侵蝕量減少了95.62%，表現(xiàn)出了非常良好的水土保持效益。坡耕地與梯田的T檢驗(yàn)p值小于0.05，表明兩者差異性顯著。梯田是控制水土流失的有效措施，通過改變?cè)械男〉匦?，使坡面變平整，截?cái)嘣械膹搅髁骶€，強(qiáng)化降水就地入滲攔蓄，避免坡面徑流的產(chǎn)生，增加土壤水分含量，有利于植被生長。同時(shí)發(fā)達(dá)的植被根系起到了固土減蝕作用，起到了良好的保持水土的效果。

林地土地利用方式下的主要水土保持措施有魚鱗坑和水平條。2種不同措施下的土壤侵蝕特征如表3所示。與1號(hào)裸地小區(qū)相比較，2種不同措施小區(qū)的減沙率均在99%以上，其中，魚鱗坑措施林地的土壤侵蝕量為0.03 t/(km2·a)，基本無侵蝕發(fā)生，而水平條措施小區(qū)林地的土壤侵蝕量為15.81 t/(km2·a)。水平條與魚鱗坑的T檢驗(yàn)p值大于0.05，表明兩者差異性不顯著。采取魚鱗坑措施的林地土壤侵蝕量最小，具有最大的減蝕作用。魚鱗坑的埂中間高兩邊低，截?cái)嗔藦搅魍ǖ?，避免了徑流的集中，增加降水的就地入滲攔蓄及土壤水分含量。另外受到魚鱗坑的調(diào)節(jié)，徑流的沖刷能力也相應(yīng)減弱。由此可見，通過適當(dāng)?shù)墓こ陶卮胧┻M(jìn)行人工造林能夠有效地?cái)r蓄降雨，防治水土流失。

表3　不同水土保持措施的土壤侵蝕特征

草地的水土保持措施有封禁和人工種草。這2種不同措施的土壤侵蝕量分別為7.89和453.58 t/(km2·a)。在相同的降水和立地條件下，人工草地的土壤侵蝕量是封禁荒草地的57倍。人工種草與封禁措施的T檢驗(yàn)p值小于0.05，表明兩者差異性顯著。與人工草地相比較，采用封禁措施而形成的自然荒草地的侵蝕產(chǎn)沙量有明顯的減少，發(fā)揮了更好的水土保持效應(yīng)。這主要是由于封禁自然荒草地避免了人為活動(dòng)對(duì)坡面土壤層的干擾。

4結(jié) 論

(1) 5種土地利用方式的多年平均土壤侵蝕量之間的差異明顯，各土地利用方式的土壤侵蝕模數(shù)大小排序?yàn)椋郝愕?耕地>人工草地>林地>封禁荒草地。耕地、人工草地、林地和封禁荒草地均發(fā)揮了不同程度的水土保持作用，與裸地相比較，其減沙率達(dá)63.88%~99.63%。在5種土地利用方式中，封禁荒草地和林地具有較高的植被覆蓋度，能夠有效地防止對(duì)坡面的人為擾動(dòng)，因此其水土保持作用最明顯。

(2) 采用梯田措施小區(qū)的耕地土壤侵蝕量最小，與坡耕地措施相比較，其土壤侵蝕量減少了95.62%。梯田可以有效地?cái)r蓄坡面徑流，減少土壤侵蝕，是控制坡面水土流失最為有效的水土保持農(nóng)業(yè)措施之一。

(3) 采用水平條和魚鱗坑措施的林地土壤侵蝕量較小，具有十分明顯的減蝕作用。合理的林分結(jié)構(gòu)與合適地配置魚鱗坑和水平條等水土保持工程措施，能夠有效地?cái)r蓄降雨，起到良好的保持水土的效果作用。

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Characteristics of Soil Erosion Under Different Landuse Types in Upper Area of Miyun Reservoir

FAN Dengxing, YU Xinxiao, JIA Guodong, WANG He’nian, ZHAO Yang

(SchoolofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,KeyLaboratoryofSoiland

WaterConservationandDesertificationCombating,MinistryofEducation, 100083,China)

Abstract：[Objective] To configuring appropriate soil and water conservation measures for solving the problem of soil and water erosion in upper area of Miyun reservoir in Beijing City.[Methods] Based on the data of 13 different runoff plots in Shixia small watershed, the effects of different land use types and soil conservation measures were analyzed.[Results] Woodland was the most effective soil and water conservation measure at slope scale. The order of soil conservation benefits in five land use types was that: woodland> banned tending> artificial grassland> cropland> bare land, and the sediment was reduced by 63.88% to 99.63%. Compared with steep slope land, the sediments from terraces were reduced by 95.62%. Fish-scale pit and horizontal bars measures can effectively intercept surface runoff and control erosion.[Conclusion] Through establishing the mixed structure stand and configuring soil and water conservation engineering measures, such as fish-scale pit terraces and level strips, soil and water loss can be effectively controlled.

Keywords:runoff plots; soil erosion; landuse types; soil and water conservation measures; Miyun reservoir

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)01-0005-04

中圖分類號(hào)：S157.1

通信作者：余新曉(1961—),男(漢族),甘肅省平?jīng)鍪腥?博士,教授,主要從事水土保持與生態(tài)水文研究。E-mail:yuxinxiao111@126.com。

收稿日期：2014-01-24修回日期：2014-03-01

資助項(xiàng)目：北京林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃“水土保持生態(tài)工程坡面穩(wěn)定性機(jī)理研究”(TD2011-01); “十二五”國家科技支撐項(xiàng)目“三北地區(qū)水源涵養(yǎng)林體系構(gòu)建技術(shù)研究與示范”(2011BAD38B05)

第一作者：樊登星(1982—),男(漢族),河北省懷安縣人,博士研究生,研究方向?yàn)樗帘３?。E-mail:fandengxing@126.com。