棲龍灣徑流場土壤侵蝕分析

耿靈生，夏 軍，張 平，萬 蕙，陳鳳琴(. 山東省水利科學(xué)研究院，濟南 25003；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072；3.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430072)

0 引 言

土壤侵蝕已經(jīng)成為全球重要的環(huán)境問題，影響土壤侵蝕的因素可以分為內(nèi)因和外因兩大類，其中內(nèi)因包括土壤性狀、地形地貌等，外因包括降雨、土地利用和植被等[1]。土壤侵蝕以及其影響因子關(guān)系的研究對于制定合理的水土保持措施及完善土壤侵蝕的研究具有重要意義[2]并飽受關(guān)注[3,4]。

坡度作為地貌形態(tài)特征的主要因素，對坡面土壤侵蝕具有重要影響，Zingg第一個通過試驗建立了坡度和侵蝕量的經(jīng)驗關(guān)系，認(rèn)為侵蝕量與坡度的1.4次方成正比[5]。McCoo發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕量隨的坡度變化存在一個轉(zhuǎn)折坡度[6]。Horton[7]第一個從理論上探討了土壤侵蝕的臨界坡度，得出臨界坡度為57°。而Renner卻發(fā)現(xiàn)這個轉(zhuǎn)折坡度為40.5°[8]。由于影響土壤侵蝕的因素多種多樣，試驗及顯示過程中難以控制出現(xiàn)了不同區(qū)域觀測結(jié)果不同，甚至相同的區(qū)域得出的結(jié)論也不同。

土壤侵蝕量也與土壤利用方式密切相關(guān)。李建[9]對黃土丘陵區(qū)不同的土壤利用方式進行了產(chǎn)流產(chǎn)沙量研究。彭文英[10]對陜西安塞降雨侵蝕資料進行分析，得出不同的土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙受降雨量及雨強度影響不明顯，但具有明顯的分段性與季節(jié)性。阮伏水[11]對土地利用方式與土壤侵蝕量關(guān)系的研究表明一定的植被覆蓋面和水土保持工程措施確實對土壤流失有一定的控制。

不同的植被類型與覆蓋度也對土壤的侵蝕有不同的影響，植物可以有效固定土壤，并阻隔降雨，削弱降雨的侵蝕力。陳濤等[12]通過對密云水庫流域不同植被覆蓋土壤侵蝕的調(diào)查研究，得出不同程度土壤覆蓋度對土壤侵蝕的影響。劉窯軍[13]以三峽庫區(qū)新建土質(zhì)道路邊坡為研究對象，研究了植被護坡對邊坡侵蝕的影響。薛萐[14]等通過對黃土丘陵區(qū)五種不同植被恢復(fù)模式進行土壤侵蝕性的研究，分析了不同植被對土壤侵蝕量的影響。

影響土壤侵蝕量的因素多種多樣，很難控制。本文通過設(shè)計不同小區(qū)實驗的方法分別研究不同土壤坡度、不同土地開墾方式及不同植被對土壤侵蝕量的影響。通過嚴(yán)格控制條件達到控制侵蝕量影響因素的目的，研究結(jié)果精確可信。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

棲龍灣綜合徑流場位于棲龍灣小流域上游，地處萊蕪市北部山區(qū)、黃河流域大汶河支流瀛汶河中上游，隸屬于萊城區(qū)口鎮(zhèn)，徑流場坐標(biāo)為東經(jīng)117°37′36″、北緯36°22′46″，海拔高度為295 m。流域氣候?qū)贉貛駶?、半濕潤大陸性季風(fēng)型。多年平均降水量732 mm，多集中于夏季且多暴雨，汛期(6、7、8、9月)多年平均降水量561.9 mm，占73.89%。根據(jù)臨近小流域的萊蕪市雪野水文站多年降水量頻率分析成果資料，北部山區(qū)不同保證率年降水量為：保證率P=20%的豐水年，降水量871.3 mm；P=50%的平水年，降水量709.9 mm；P=75%的枯水年，降水量為594.3mm；P=95%的枯水年，降水量為441.3 mm。10年一遇24 h最大降雨量188.7mm，20年一遇24 h最大降雨量224.4 mm，年平均蒸發(fā)量1 658 mm。

棲龍灣綜合徑流場于2006年開始建設(shè)，2008年已完成10°、15°、20°、25°、30°等5個坡度25個徑流小區(qū)建設(shè)。徑流小區(qū)設(shè)計為寬5 m，長10 m(水平投影)，水平投影面積50 m2。徑流小區(qū)上部及兩側(cè)設(shè)置預(yù)制板圍埂，圍埂外側(cè)設(shè)置保護帶，寬2 m。下部設(shè)集水槽和引水槽，引水槽末端設(shè)置徑流池。

在2008-2014年小區(qū)總的侵蝕性降雨量與年降雨逐年變化如圖1所示：其中侵蝕性降雨為產(chǎn)流降雨量?？梢钥闯觯昵治g性降雨量與年降雨量基本成正相關(guān)關(guān)系。

圖1 2008-2014侵蝕性及年降雨量變化Fig.1 The change of annual and erosive rainfall from 2008 to 2014

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文主要研究不同坡度、不同土壤保持措施對土壤侵蝕量的影響，數(shù)據(jù)來源于2008-2014年25個徑流小區(qū)產(chǎn)流35場次降雨量，最大30 min降雨強度，土壤侵蝕量，土壤侵蝕流量。

數(shù)據(jù)資料來源于山東省水利科學(xué)研究院，萊蕪市水土保持辦公室在徑流場常駐2名專職檢測人員，保持監(jiān)測設(shè)備正常運轉(zhuǎn)以保證資料可靠性。該地區(qū)周邊植被喬木為刺槐、黑松；灌木為黃荊、酸棗；主要自然優(yōu)勢草種有黃草、菅草、白背草、刺猬皮草等。本文選擇了具有代表性的刺槐、黃荊和狗牙根草作為主要研究植被。同時降雨對侵蝕量的分析中包括了2008-2014所有產(chǎn)流降雨包含大、中、小不同類型的研究具有很強的代表性。

徑流小區(qū)主要情況如表1所示。

表1 棲龍灣徑流小區(qū)基本情況Tab.1 The basic situation of runoff cells in Xilongwan

2 研究方法

徑流小區(qū)觀測方法是對某一徑流小區(qū)開展侵蝕量觀測的方法，崔靈周[15]等通過對黃土高原小流域地貌形態(tài)進行概化，設(shè)計出黃土高原小流域初期的概化模型，并提出流域侵蝕產(chǎn)沙的預(yù)報指標(biāo)，黃立民[16]以惠州抽水蓄能電站水庫淹沒區(qū)為觀測目標(biāo)，分析不同年份小區(qū)土壤侵蝕量的變化。徑流小區(qū)方法作為一種傳統(tǒng)方法在研究土壤降雨侵蝕方面得到了廣泛應(yīng)用。

本文通過實驗分析不同坡度25個徑流小區(qū)降雨量與降雨侵蝕量關(guān)系，降雨強度與侵蝕流量關(guān)系，并分析了不同土地開墾方式對土壤侵蝕量的影響，不同植被的水土保持效果。

文中主要用到方差分析來探討土壤侵蝕與不同影響因子之間的關(guān)系。MATLAB中anova1(x)用于單因子方差分析，anova2(X,steps)用于雙因子方差分析，通過分析結(jié)果中P值確定影響因素的顯著性和重要性。

2.1 坡度對土壤侵蝕的影響

通過統(tǒng)計分析2008-2014年35場侵蝕性降雨過程中，5中不同坡度情況下土壤侵蝕量變化情況，判斷降雨量與坡度在土壤侵蝕過程中是否對侵蝕量有影響，哪個因素的影響更大。1959年Wischmeier提出最大30 min雨強為考慮雨滴濺蝕作用的指標(biāo)，隨著最大30 min降雨強度的增加，對土壤的侵蝕力也隨之增大。在35場侵蝕性降雨過程中，對降雨強度與侵蝕流量相關(guān)關(guān)系，進行方差分析，討論兩個變量的對侵蝕量影響的重要性。其中侵蝕性降雨選擇產(chǎn)流降雨場次。

2.2 不同土地類型對土壤侵蝕量的影響

本文就25個小區(qū)中坡度只選取了10°和20°的小區(qū)中裸地、坡耕地、梯田的土壤侵蝕量進行對比，并分析不同土壤開墾方式對水土保持的作用是否顯著。所用數(shù)據(jù)如表2。

表2 不同土地開墾方式單因素方差分析Tab.2 The variance analysis of different land reclamation

對逐次侵蝕性降雨中的土壤侵蝕量進行方差分析，并進一步分析梯田是否對水土保持有一定的作用。

2.3 不同植被對土壤侵蝕的影響

不同植被水土保持功能的對比研究即通過實時對比觀測植被覆蓋地與對照地的侵蝕性降雨量和土壤侵蝕量，研究不同植被的減水減沙效益。本文選取坡度分別為25°，30°的小魚鱗坑中的植被進行分析，分別分析不同植被的水土保持效果是否有顯著差異。分析所用數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同植被類型單因素方差分析Tab.3 The variance analysis of different vegetation types

3 結(jié) 果

3.1 坡度對土壤侵蝕影響

3.1.1降雨量與坡度對土壤侵蝕量影響

其中matlab輸入矩陣列變換因素為5個不同坡度，行變化因素為35場不同的侵蝕性降雨量，每行輸入數(shù)據(jù)為每個坡度平均侵蝕量。分析結(jié)果中列因素分析的P值為0.015 9，行因素分析的P值接近于0，兩者均小于0.05，說明侵蝕性降雨量與土地坡度均對土壤侵蝕量有顯著影響，其中一次降雨的侵蝕性降雨量比坡度對土壤侵蝕量的影響更為顯著。

為了進一步分析侵蝕性降雨量和坡度與侵蝕量的相關(guān)關(guān)系，繪出35場降雨中5個坡度情況下土壤侵蝕量散點圖，見圖2。

圖2 不同坡度侵蝕性降雨量與侵蝕量散點圖Fig.2 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different slope

從圖2中可以看出，土壤侵蝕量與降雨量并沒有表現(xiàn)出良好的相關(guān)關(guān)系，在侵蝕性降雨量小于50 mm時，不同坡度降雨侵蝕量出現(xiàn)較大差異。侵蝕性降雨量超過50 mm時，不同坡度土壤侵蝕量基本接近，但都整體偏小。坡度為30°和10°的土壤侵蝕量在35場侵蝕性降雨下是最小的。

3.1.2降雨強度與坡度對土壤侵蝕流量影響

其中matlab輸入矩陣列變換因素5個不同坡度，行變化因素為35場不同的侵蝕性降雨最大30 min降雨強度，每行輸入數(shù)據(jù)為每個坡度平均侵蝕流量。分析結(jié)果中列因素分析的P值為0.025 9，行因素分析的P值接近于0，兩者均小于0.05，說明最大30 min降雨強度與土地坡度均對土壤侵蝕流量有顯著影響，其中一次降雨的最大30 min降雨強度比坡度對侵蝕流量的影響更為顯著。

為了進一步分析最大30 min降雨強度和坡度與侵蝕流量的相關(guān)關(guān)系，繪出35場降雨的最大30 min降雨強度5個坡度下侵蝕流量散點圖，見圖3。

圖3 不同坡度最大30 min降雨強度與侵蝕流量散點圖Fig.3 Scatter chart of maximum rainfall intensity of 30 min and flow flux of soil of erosion under different slopes

在最大30 min降雨強度小于30 mm/h時，可以看出在多數(shù)情況下坡度為10°的小區(qū)土壤侵蝕流量是最小的，在3場各小區(qū)侵蝕流量都比較大的降雨過程中，土壤侵蝕流量隨坡度增大，在多場降雨過程中，土壤侵蝕流量在坡度為30°和10°是多數(shù)是最小的。

3.2 不同土地開墾方式對土壤侵蝕影響

不同的土壤開墾方式也是水土保持功能研究的一個方面，在此分析2008-2014年35場侵蝕性降雨中，坡度為10°和20°情況下裸地、坡耕地、梯田3種土壤開墾方式下，土壤侵蝕量的變化，其中坡耕地、梯田上均種了花生。單因素方差分析中，列變化因素為3種不同土地開墾方式，方差分析結(jié)果P值為0.001 6，小于0.05。說明不同的土壤開墾方式對土壤侵蝕量有顯著影響。

為了進一步分析不同土壤開墾方式與土壤侵蝕量的相關(guān)關(guān)系，繪制35場侵蝕性降雨過程中，不同土壤開墾方式下土壤侵蝕量的散點圖如圖4所示。

圖4 坡度為10°不同土地開墾方式降雨侵蝕量散點圖Fig.4 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different land reclamation methods under10°

通過散點圖，可以看出隨著侵蝕性降雨量的增加，侵蝕量整體呈現(xiàn)上升趨勢，同時裸地在35場侵蝕性降雨過程中土壤侵蝕量相對于其他兩種開墾方式是最低的，多數(shù)侵蝕性降雨過程中，坡耕地的土壤侵蝕量大于梯田。對于有植被的土地，梯田的保沙能力強于坡耕地。在降雨過程中，地表的攜沙徑流由于梯田邊梗阻隔作用，使徑流流速下降，泥沙沉積，減少了降雨泥沙侵蝕量。

坡度為20°的3種不同土地開墾方式的土壤侵蝕量方差分析結(jié)果表中P為0.02，小于0.05。表明在坡度為20°的情況下，不同土壤開墾方式對侵蝕量有顯著影響。進一步分析不同土壤開墾方式土壤侵蝕量與侵蝕性降雨量的相關(guān)關(guān)系，繪制散點圖如圖5所示。

圖5 坡度20°不同土壤開墾方式降雨侵蝕量散點圖Fig.5 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different land reclamation methods under 20°

從圖5中看出，最小的一場降雨降雨侵蝕量出現(xiàn)突變，在其后多場降雨中，梯田土壤侵蝕量相對于其他兩種開墾方式是最小的，坡耕地的土壤侵蝕量是3種中最大的，坡耕地土壤表面相對松散，相同的降雨量相對其他兩種方式將帶走更多的土壤，而梯田的阻隔作用大大的削減了降雨的侵蝕力，起到較好水土保持作用。

3.3 不同植被對土壤侵蝕影響

雨滴擊濺和徑流沖刷是水土流失的動力，植被通過枝葉截流和減速作用來削減降雨侵蝕力，同時枯枝落葉和土壤調(diào)蓄作用也對保水、保沙有一定的促進作用。下面分別分析了相同的土地類型即小魚鱗坑中種植不同的保水保沙植被，35場降雨過程中土壤侵蝕量的變化。

3.3.1刺槐，黃荊，狗牙根草

在坡度為25°，植被分別為刺槐、黃荊、狗牙根草時，35場侵蝕性降雨土壤侵蝕量方差分析結(jié)果表中P=0.946 9，大于0.05，刺槐、黃荊、狗牙根草3種植被的保沙效果雖然有差異但是沒有顯著差異，為了進一步分析3種植被保沙效益的差異性，繪制35場降雨的土壤侵蝕量散點圖如圖6所示。

圖6 坡度25°不同植被降雨侵蝕量散點圖Fig.6 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different vegetation under 25°

散點圖中，可以看出35場侵蝕性降雨過程中，多場降雨中狗牙根草的土壤侵蝕量居于最大，一般三種植被的土壤侵蝕量并沒有較大差異，且每次降雨的土壤侵蝕量一般小于0.5 kg。

3.3.2側(cè)柏，側(cè)柏+刺槐，側(cè)柏+黃荊，黃荊+狗牙根草

不同植被相互搭配也是現(xiàn)在水土保持的一種措施，坡度為30°的側(cè)柏、側(cè)柏+刺槐、側(cè)柏+黃荊、黃荊+狗牙根草，4種植被的組合在35場侵蝕性降雨下土壤侵蝕量進行方差分析，分析結(jié)果中列變化因素為不同的植被組合，P=0.206 8，大于0.05，說明4種不同的植被保沙效益方面雖然沒有達到顯著差異，但卻在一定程度上有差異，為了進一步分析這種差異和哪種植被組合方式有最好的抗侵蝕能力，4種植被組合方式土壤侵蝕量散點圖如圖7所示。

圖7 坡度30°不同植被搭配降雨侵蝕量散點圖Fig.7 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different vegetation combinations under 30°

通過散點圖，可以看出在35場降雨中黃荊+狗牙根草的植被組合方式有明顯小于其他植被組合方式的土壤侵蝕量，具有很好的保沙效益。側(cè)柏+黃荊的植被組合在侵蝕性降雨量0～60 mm之間時，隨著降雨量的增加，侵蝕量也呈增加趨勢。側(cè)柏和側(cè)柏+刺槐并隨著降雨量也有一個上升的趨勢。

4 結(jié) 論

坡度、植被、土地開墾方式作為重要的下墊面因素對土地的侵蝕有著重要影響，同時降雨也是一個不可忽略的因素。本文通過山東省棲龍灣綜合徑流場中2008-2014年35場侵蝕性降雨下的侵蝕量變化來探討坡度和植被變化對土壤侵蝕的影響，通過研究不同坡度條件下侵蝕量與侵蝕性降雨量，侵蝕流量與最大30 min降雨強度之間的關(guān)系，得到坡度和降雨均與土壤侵蝕量有顯著性關(guān)系，同時坡度10°和30°情況下的土壤侵蝕量最小。對不同開墾方式土壤侵蝕量的研究表明相對于裸地和坡耕地而言，梯田具有更好的保沙功能，同時坡耕地由于表面松散的結(jié)構(gòu)保沙效果最差。分析單獨植被和植被組合土壤侵蝕量的變化，得出刺槐、黃荊、狗牙根草三種植被的保沙效果雖然有差異但是沒有顯著差異。不同植被組合方式中，黃荊+狗牙根草這種灌木與草搭配的方式保沙效果最好。

通過對坡度、植被、土地開墾方式下侵蝕量方差分析得到土壤開墾方式影響最大，所研究植被的影響最小。應(yīng)在合適的氣候地理環(huán)境條件下多推廣梯田開墾方式減少水土流失，在水土流失嚴(yán)重地區(qū)應(yīng)推廣黃荊+狗牙根草這種灌木與草相結(jié)合的保沙植被組合方式。

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[1] Kheir R B, Abdallah C, Khawlie M. Assessing soil erosion in Mediterranean karst landscapes of Lebanon using remote sensing and GIS [J]. Engineering Geology, 2008,99:239-254.

[2] 李秀霞, 倪晉仁. 土壤侵蝕及其影響因素空間相關(guān)性分析[J]. 地理科學(xué)進展, 2009,28(2):161-166.

[3] Bolinder M A, Angers D A, Gregorich, E G, Cater M R. The response of soil quality indictors to conservation management [J]. Canadian Journal of Soil Science, 1999,79:37-45.

[4] 邱 揚, 傅伯杰. 異質(zhì)景觀中水土流失的空間變異與尺度變異[J]. 生態(tài)學(xué)報, 2004,24(2):330-337.

[5] Zingg A W. Degree and length of land slope as it affects soil loss in run-off [J]. Agric. Engng., 1940,21:59-64.

[6] Mccool D K, Brown L C, Foster G R. Revised slope steepness factor for the universal soil loss equation[J]. Transactions of the ASAE - American Society of Agricultural Engineers (USA), 1987,30(5):1 387-1 396.

[7] Horton R E. Erosional development of streams and their drainage basins; hydrophysical approach to quantitative morphology [J]. Geological society of America bulletin, 1945,56(3):275-370.

[8] Renner F G. Conditions influencing erosion on the Boise River watershed[M]. US Dept. of Agriculture, 1936.

[9] 李 健, 陳海遲. 黃土丘陵區(qū)坡面水土流失規(guī)律研究[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 1996,10(1):71-76.

[10] 彭文英, 張科利. 不同土地利用產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征的關(guān)系[J]. 水土保持通報, 2001,21(4):25-29.

[11] 阮伏水. 花崗巖不同土地利用類型坡地水土流失特征[J]. 地理研究, 1995,14(2):64-72.

[12] 陳 濤, 牛瑞卿, 李平湘, 等. 密云水庫流域植被覆蓋度變化對輸沙量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2010,(1):152-159.

[13] 劉窯軍, 王天巍, 李朝霞, 等. 不同植被防護措施對三峽庫區(qū)土質(zhì)道路邊坡侵蝕的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2012,23(4):896-902.

[14] 薛 萐, 李占斌, 李 鵬, 等. 不同植被恢復(fù)模式對黃土丘陵區(qū)土壤抗蝕性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2009,25(S1):69-72.

[15] 崔靈周, 李占斌,朱永清，等.流域地貌分形特征與侵蝕產(chǎn)沙定量耦合關(guān)系試驗研究[J].水土保持學(xué)報,2006,20(2):1-4.

[16] 黃立民.水蝕觀測小區(qū)在惠州抽水蓄能電站工程土壤侵蝕強度監(jiān)測中的應(yīng)用實踐[J].廣東水利水電,2012 (5):57-60.