融雪與降雨侵蝕條件下水土保持措施因子值對比研究

譚 娟, 范昊明, 許秀泉, 賈燕鋒, 武 敏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽110866)

融雪與降雨侵蝕條件下水土保持措施因子值對比研究

譚 娟, 范昊明, 許秀泉, 賈燕鋒, 武 敏

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 水利學院, 沈陽110866)

東北地區(qū)融雪條件下水土保持措施因子缺乏針對性研究。選擇吉林梅河口吉興徑流小區(qū)2015年、2016年春季融雪侵蝕觀測結(jié)果和已有降雨侵蝕數(shù)據(jù)，對比融雪與降雨條件下水土保持措施因子值、產(chǎn)流產(chǎn)沙次數(shù)、徑流深、侵蝕模數(shù)，探討了不同水土保持措施對降雨侵蝕和融雪侵蝕的防控效果。結(jié)果表明：融雪條件下P值范圍為0.001～0.46，其中生態(tài)修復(fù)措施對于融雪侵蝕的防控效果最好，在融雪時期表現(xiàn)出周期短，融水量少的特點；水平坑措施對融雪侵蝕的影響主要體現(xiàn)在對融水的攔控上；融雪條件下耕作措施中地埂植物帶侵蝕模數(shù)及徑流深大于橫壟。融雪侵蝕地區(qū)(尤其是坡耕地)在進行水土保持措施規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)兼顧降雨和融雪兩種侵蝕類型。

融雪侵蝕; 降雨侵蝕; 水土保持措施因子; 東北低山區(qū)

我國東北地區(qū)積雪量較多，春季融雪期氣溫迅速升高，融雪徑流量較大，積雪融化形成的徑流對土體沖刷產(chǎn)生侵蝕，同時凍融作用對土壤性質(zhì)造成一定的影響，表層土壤解凍不完全，水分入滲較差；且融雪期植被覆蓋較差，融雪侵蝕不容忽視[1]，局部地區(qū)水土流失甚至比汛期還要嚴重[2]。隨著全球氣候變暖，冬季氣溫回升，土壤凍融過程受到氣溫、積雪等變化的影響，凍融過程與融雪徑流等共同作用下土壤侵蝕更為嚴重[3]。以往關(guān)于東北地區(qū)水土保持措施研究通常是以降雨侵蝕為背景的，主要體現(xiàn)在不同類型措施適宜性[4]、措施減沙效益[5]、水土保持效應(yīng)[6-7]、土壤性質(zhì)[8]以及措施因子值[9]等方面，而不同水土保持措施對融雪侵蝕的防控方面還少見針對性探討，對于融雪條件下措施因子的研究則更為少見。雖然在USLE(Universal Soil Loss Equation)和RUSLE(Revised Universal Soil Loss Equation)土壤水蝕模型中已有對融雪侵蝕做了一定的考慮，但都體現(xiàn)在對R值和K值的修正上[10]，而結(jié)合融雪侵蝕對措施因子P值的研究較少。劉寶元等[11]提出的中國土壤流失預(yù)報方程CSLE(Chinese Soil Loss Equation)中也未體現(xiàn)對融雪條件下各措施因子值的考慮。

吉林省梅河口市屬東北典型低山區(qū)，春季融雪期土壤侵蝕較為突出，本文采用該地吉興小流域徑流小區(qū)的2015年、2016年融雪侵蝕數(shù)據(jù)，結(jié)合已有降雨侵蝕資料，初步確定融雪條件下幾種措施的因子值，并將其與降雨條件下的結(jié)果進行對比，分析同一水土保持措施在降雨和融雪條件下防治水土流失效果的差異，以期為融雪侵蝕防治提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吉興小流域位于吉林省梅河口市吉樂鄉(xiāng)(東經(jīng)125°28′13″—125°31′34″，北緯42°10′26″—42°14′32″)，屬于輝發(fā)河水系，為典型低山區(qū)。吉興小流域?qū)俚湫痛箨懶约撅L氣候，多年平均降水量為709 mm，70%降水量集中在6—8月。該地區(qū)多年平均降雪量為77 mm，遠高于東北地區(qū)多年平均降雪量40.65 mm，1956年降雪量甚至達到160 mm，春季解凍期融雪侵蝕問題較突出。觀測場建于2004年，7個徑流小區(qū)內(nèi)土壤類型為白漿化暗棕壤，坡度均為7°。小區(qū)長30 m，寬5 m。小區(qū)水土保持措施配置見表1。

表1 小區(qū)措施配置情況

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究融雪侵蝕數(shù)據(jù)由2015年和2016年融雪期融雪徑流泥沙觀測獲取，降雨侵蝕數(shù)據(jù)通過收集相關(guān)文獻資料獲取(表2)。分別在2015年和2016年對小區(qū)坡面全部融雪徑流泥沙進行觀測，各小區(qū)地表融水徑流量，通過每日融水產(chǎn)流結(jié)束時觀測記錄各小區(qū)集流裝置中徑流深度得到，徑流泥沙數(shù)據(jù)通過每日產(chǎn)流結(jié)束后清理各小區(qū)集流裝置中的徑流泥沙得到，每日產(chǎn)流結(jié)束后將集流裝置中的水沙充分拌勻，取三次中層水沙樣品，每次1 L，將水沙混合樣沉淀24 h后倒掉上清液，用烘干稱重法獲得各小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用2015年和2016年融雪期融雪徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)計算得到融雪條件下水土保持措施因子值(P值)、產(chǎn)流產(chǎn)沙次數(shù)、徑流深、侵蝕模數(shù)，降雨條件下各指標通過利用相關(guān)文獻資料計算獲取。同時將降雨和融雪條件下各指標進行比較，用以進一步分析不同水土保持措施對融雪侵蝕的防控效果。

采用劉寶元等[11]對水土保持措施的分類方法，將6種水土保持措施劃分為生物措施(生態(tài)修復(fù)、灌木埂)、工程措施(水平坑)和耕作措施(橫壟、地埂植物帶、順壟)。融雪與降雨條件下P值計算方法如下：生物措施因子(B因子)為對應(yīng)措施徑流小區(qū)土壤流失量與同等條件下裸地小區(qū)土壤流失量之比；工程措施(E因子)、耕作措施因子(T因子)為對應(yīng)措施徑流小區(qū)土壤流失量與同等條件下順壟種植小區(qū)土壤流失量之比；順壟因子值等于其土壤流失量與裸地土壤流失量之比。

2 結(jié)果與分析

2.1 融雪與降雨條件下各措施因子值

融雪條件下各措施因子值的計算結(jié)果反映了各項措施對融雪侵蝕的防控作用，2015年融雪條件下水土保持措施因子值為0.001～0.46，2016年因子值為0.002～0.38。對比降雨和融雪條件下P值(表3)，得到以下主要差異：按不同類型水土保持措施分，融雪條件下耕作措施因子均值最大，達到0.26；其次為工程措施因子值0.054；生物措施因子值最小，為0.01，可知融雪條件下生物措施的水土保持效果最為顯著，其次為工程措施。在降雨條件下，耕作措施因子值最大，為0.38，其次為生物措施，對降雨侵蝕防治效果最好的為工程措施，這與融雪條件下各措施起到的效果有一定差異。按不同壟作方式分，融雪條件下橫壟措施因子值大于順壟，而降雨條件下則相反。

表2 融雪、降雨侵蝕資料簡介

表3 融雪與降雨條件下水土保持措施因子

2.2 融雪與降雨條件下各措施因子值對比分析

2.2.1 融雪較降雨條件下因子值減小的措施 融雪條件下水土保持措施因子值小于降雨條件的措施包括生物措施(生態(tài)修復(fù)、灌木埂)和順壟，其對照小區(qū)均為裸地小區(qū)。融雪條件下裸地侵蝕模數(shù)遠大于其他措施，2016年裸地小區(qū)融雪侵蝕模數(shù)約為30.64 t/(km2·a)，2015年裸地小區(qū)融雪侵蝕模數(shù)約為26.34 t/(km2·a)，其余措施小區(qū)融雪侵蝕模數(shù)不超過2.5 t/(km2·a)(圖1)，而在降雨條件下和有關(guān)水土保持措施小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)并沒有如此懸殊，這是生物措施和順壟P值計算結(jié)果較小的重要原因。

侵蝕量大小與徑流特性關(guān)系密切，生態(tài)修復(fù)措施徑流深較小(圖2)，且僅有2次侵蝕性產(chǎn)流過程(表4)，侵蝕模數(shù)最小，措施因子值也最小，說明生態(tài)修復(fù)措施對于防治融雪侵蝕效果最好；這與降雨侵蝕結(jié)果有所區(qū)別，該措施在融雪時期表現(xiàn)出融雪周期短，融水量少的特點，這與周宏飛等[12]的研究結(jié)果相同。融雪條件下生物措施的植被覆蓋條件相對較好，凋萎雜草覆蓋較厚，融雪期水土保持效應(yīng)最優(yōu)；灌木埂措施融雪期一方面通過土埂對融雪徑流的橫向攔截來增加徑流入滲時間,從而控制土壤侵蝕，同時融雪期土埂周圍有較厚的枯枝落葉層，其對土壤主要起隔熱作用，增加融水入滲時間，減少該時期因徑流沖刷引起的土壤損失。順壟耕作主要通過種植作物降低徑流沖刷能力[13]，降雨條件下，徑流量較大，順壟的壟溝在某種程度上為徑流提供了流路，導(dǎo)致順壟種植小區(qū)侵蝕量大于裸地小區(qū)，而在融雪條件下，融雪徑流較小，其侵蝕量也較小。

圖1 融雪條件下各措施小區(qū)侵蝕模數(shù)

圖2 融雪與降雨條件下各措施徑流深

小區(qū)2015年產(chǎn)流(融雪)2015年侵蝕性產(chǎn)流(融雪)2016年產(chǎn)流(融雪)2016年侵蝕性產(chǎn)流(融雪)2007年侵蝕性產(chǎn)流(降雨)橫壟53541順壟74653地埂植物帶54542荒山灌木埂54542水平坑44421生態(tài)修復(fù)41213裸地76653

2.2.2 融雪較降雨條件下因子值增大的措施 融雪條件下措施因子值比降雨條件增大的措施為水平坑、地埂植物帶和橫壟。三種措施因子值變大與對照因子為順壟有關(guān)。降雨侵蝕中順壟耕作侵蝕模數(shù)較大，接近裸地侵蝕模數(shù)，甚至在2007年超過裸地[8]，與之相反，融雪侵蝕中順壟侵蝕量遠小于裸地侵蝕量，進而與其他措施侵蝕量差距縮小，導(dǎo)致兩類措施因子值變大。李京圖等[14]研究表明工程措施可以延長徑流滯留時間，增加入滲量，減少徑流量，同時徑流流速降低，徑流侵蝕能力減小。陳光等[5]通過對比指出水平梯田防治水土流失效果最優(yōu)。由表3可知降雨條件下水平坑措施因子值接近于0，融雪條件下表層土壤凍結(jié)減少水分入滲，相對增強了徑流侵蝕能力，也會提高水平坑措施因子值。地埂植物帶、橫壟均為耕作措施。地埂植物帶也具有一定徑流匯集能力，融雪條件下地埂植物帶小區(qū)徑流深和侵蝕模數(shù)均大于橫壟小區(qū)，這與融雪期植物水土保持效應(yīng)有限相關(guān)，同時土埂高度較小，秋收時人為對土埂的踐踏破壞也是影響融雪侵蝕防控效果的因素之一。壟作是東北黑土區(qū)傳統(tǒng)耕作方式，研究表明橫壟受坡度影響較大，適用于坡度比較緩(小于5°)的耕地。試驗小區(qū)坡度為7°，徑流匯集能力比緩坡大，具有一定的“渠系效應(yīng)”，進而加劇坡耕地土壤侵蝕[15]。

對于東北地區(qū)坡度為3°～8°的基本農(nóng)田建設(shè)(試驗小區(qū)坡度為7°)，范建榮等[9]推薦采用水平梯田和地埂植物帶控制水土流失，這兩種措施在降雨條件下減沙效果較好，但根據(jù)試驗結(jié)果融雪條件下地埂植物帶和水平坑因子值高于降雨條件，結(jié)合生物措施考慮，措施配置建議同時采用不同形式地表覆蓋處理，兼顧融雪侵蝕防治。

2.2.3 融雪與降雨侵蝕特征對比分析 對比融雪與降雨條件下措施因子值結(jié)果，可知不同水土保持措施對降雨侵蝕和融雪侵蝕的防控效果有所差異，造成這樣的原因與融雪和降雨侵蝕特征有關(guān)。對比降雨侵蝕與融雪侵蝕，可知融雪侵蝕模數(shù)遠小于降雨侵蝕模數(shù)，這與徑流小區(qū)有很大關(guān)系，小區(qū)內(nèi)侵蝕形式主要以面蝕為主，同時兩種條件下侵蝕量均隨徑流量增加而增大(圖3)。

融雪與降雨侵蝕條件下P值差異還與降水性質(zhì)有關(guān)。降雨量遠大于降雪量，但降雨次數(shù)較多，侵蝕性產(chǎn)流次數(shù)較少，因此一般取大于12 mm的次降雨為侵蝕性降雨，也存在由于前期含水率較高等原因低于12 mm的降雨產(chǎn)流，另外，降雨侵蝕中雨滴對地表的擊濺作用加劇了土壤流失。降雪量雖然較小，并且積雪也因風、蒸發(fā)等因素有所損失，但融雪期產(chǎn)流相對集中。盡管融雪期地表覆被較差，土壤抗侵蝕能力較弱，但受積雪影響，一部分融雪徑流未與表層土壤接觸，或者表層土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，并不直接引起土壤侵蝕(表4)。另外有研究表明上坡融水是影響融雪徑流的重要因素[16]，徑流小區(qū)長度較小，不能完全反映上坡融水對侵蝕影響，因此融雪侵蝕尺度效應(yīng)還需進一步研究。

圖3徑流量與泥沙量關(guān)系(半對數(shù)坐標系)比較

3 結(jié) 論

(1) 各措施對融雪侵蝕的防控程度表現(xiàn)為生物措施>工程措施>耕作措施。融雪侵蝕下生物措施中生態(tài)修復(fù)措施減沙效果最好，這是因為其融雪周期短，融水量少，融雪期植被覆蓋條件較好。

(2) 工程措施對于融雪期的水土保持作用主要體現(xiàn)在對融水的攔控上，降雨條件下水平坑措施因子值最小，而融雪條件下，該措施徑流深較其他措施最小，但侵蝕模數(shù)較生態(tài)修復(fù)措施高。

(3) 融雪條件下耕作措施中地埂植物帶侵蝕模數(shù)及徑流深度大于橫壟，融雪期植被覆蓋較低，且秋收人為對土埂的破壞使得其高度降低，使得對融雪徑流攔截作用減弱。

(4) 存在融雪侵蝕的東北地區(qū)，水土保持措施規(guī)劃設(shè)計應(yīng)兼顧降雨和融雪兩種侵蝕類型。另外，鑒于融雪期較為特殊的下墊面狀況，對于融雪侵蝕下水土保持效益分析的方法還需優(yōu)化，相關(guān)問題的探討還需進一步的數(shù)據(jù)積累。

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ComparisonofPracticeValuesofSoilandWaterConservationMeasuresUndertheConditionofSnowMeltingandRainfallErosion

TAN Juan, FAN Haoming, XU Xiuquan, JIA Yanfeng, WU Min

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgricultureUniversity,Shenyang110866,China)

The pertinence of research on the practice values of soil and water conservation is rarely studied under the condition of snow melting in Northeast China. Based on the observation results of Jilin Meihekou Jixing runoff plot snowmelt erosion in spring in 2015 and 2016, the snowmelt and rainfall factor, practice values of soil and water conservation, the number of the runoff and sediment, the depth of runoff and erosion modulus between snowmelt and rainfall conditions were compared to investigate the effects of different the soil and water conservation measures on snowmelt and rainfall erosion. The results showed that the values ofPranged from 0.001 to 0.46, and the best measure for the prevention was the natural ecosystem rehabilitation, which showed the characteristics of short period, less amount of melt water. The effect of engineering-control factor for cut-off drain on snowmelt erosion was mainly reflected on control of melt water. The erosion modulus and runoff depth of tillage factor for counter ridge combing with vegetation stripes were greater than those of the contour tillage under the snowmelt condition. The two types of erosion (snowmelt and rainfall) should be taken into account in the planning and design of soil and water conservation measurements in the snow melting erosion area (especially the farmland).

snow melting erosion; rainfall erosion; practice values of soil and water conservation; the low mountainous region in northeast China

2016-10-16

：2016-11-01

國家自然科學基金“東北黑土低山丘陵區(qū)融雪侵蝕機理與過程研究”(41371272)

譚娟(1992—),女,貴州貴陽人,碩士生,主要從事土壤侵蝕、小流域治理研究。E-mail:tanjuan_syau@163.com

許秀泉(1986—),男,山東萊蕪人,博士,講師,主要從事坡耕地土壤侵蝕研究。E-mail:xuxiuquan1986@126.com

S157.1

：A

：1005-3409(2017)03-0029-04