魯中山區(qū)坡面尺度下的土壤侵蝕特征分析

靳洋 孫希華 陳鳳琴

摘要：土地資源的過度開發(fā)利用導(dǎo)致土壤侵蝕問題日益嚴(yán)重。坡面作為土壤侵蝕研究的基本單元，分析其在不同條件下土壤侵蝕特征對(duì)于水土保持政策制定具有重要意義。以濟(jì)南市萊蕪棲龍灣水土保持科技示范園的徑流場為試驗(yàn)區(qū)，對(duì)2008—2012年的降水?dāng)?shù)據(jù)以及模擬降水試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，結(jié)果表明：（1）坡長一定時(shí)，25°為侵蝕臨界坡度，坡度大于或小于25°，侵蝕量減少;（2）在10°～30°坡度范圍內(nèi)，降水量達(dá)到12.95 mm時(shí)才會(huì)產(chǎn)生徑流，并且與徑流量和泥沙損失量均呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，并且降水強(qiáng)度越大，面蝕轉(zhuǎn)為細(xì)溝侵蝕的時(shí)間越快，前期侵蝕量的波動(dòng)越大;（3）10°～20°的坡度范圍內(nèi)，梯田種植方式比順坡種植方式有更好的水土保持效果，25°～30°坡度范圍內(nèi)，林草工程和魚鱗坑等措施結(jié)合可以有效減弱土壤侵蝕。

關(guān)鍵詞：坡面尺度;土壤侵蝕;棲龍灣;魯中山區(qū)

中圖分類號(hào)： S157文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0309-04

收稿日期：2019-08-10

基金項(xiàng)目：山東水土保持學(xué)會(huì)重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新資助項(xiàng)目（編號(hào)：2018sbxhcx05）。

作者簡介：靳洋（1994—），男，山東鄒城人，碩士研究生，主要從事地理信息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail：1179040330@qq.com。

通信作者：孫希華，碩士，教授，主要從事GIS技術(shù)應(yīng)用和水土保持研究。E-mail：471572553@qq.com。

土壤侵蝕問題對(duì)于可持續(xù)發(fā)展來說是一個(gè)重要的限制因素，也是全球范圍內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問題。坡面是土壤侵蝕過程中最基本的單元[1]，分析不同影響因素下土壤侵蝕特征具有十分重要的意義。

坡面尺度的土壤侵蝕是一個(gè)復(fù)雜的過程，降水、坡度、植被覆蓋等因素都對(duì)土壤侵蝕過程有著重要的影響[2]。其中降水因素主要包括降水強(qiáng)度和降水量，姜義亮等研究表明，降水強(qiáng)度由50 mm/h提高到100 mm/h時(shí)，對(duì)土壤侵蝕增加的貢獻(xiàn)率為89.6%～99.5%[3];程甜甜等在魯中南山丘區(qū)坡面土壤侵蝕研究中表明，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙在各降水因子中與降水量因子相關(guān)性最強(qiáng)[4]。各影響因素相互疊加導(dǎo)致了土壤侵蝕的復(fù)雜性，李桂芳等研究表明，侵蝕程度與坡度、降水強(qiáng)度均呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，與植被覆蓋度呈現(xiàn)反比關(guān)系，且各因素疊加時(shí)，侵蝕強(qiáng)度遠(yuǎn)大于任何單一因子的影響[5]。由此可見，降水因素對(duì)土壤坡面侵蝕具有關(guān)鍵作用。在自然環(huán)境保持不變的前提下，土地利用是土壤侵蝕的重要影響因素之一[6]。不合理的土地利用方式會(huì)加劇土壤侵蝕。

本研究通過試驗(yàn)觀測與定量分析，研究不同坡度、降水以及植被覆蓋類型條件下的土壤侵蝕特征，分析其變化規(guī)律。在自然條件下，相比于降水、坡度等因素，植被覆蓋類型是能夠進(jìn)行人為干預(yù)的因素，進(jìn)而優(yōu)化土地利用格局，實(shí)現(xiàn)山地丘陵區(qū)的坡面侵蝕保護(hù)工作。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

濟(jì)南市萊蕪區(qū)棲龍灣水土保持科技示范園，位于117°37′6″～117°38′3″E，36°22′32″～36°22′57″N，占地面積為110.27 hm2，地處山東腹地魯中山區(qū)，屬于山東省水土流失重點(diǎn)治理區(qū)，是山東省典型土壤侵蝕區(qū)。氣候類型屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為776 mm;土壤類型為棕壤。設(shè)置模擬降水設(shè)施及10°、15°、20°、25°、30°共5種坡型25個(gè)徑流小區(qū)的徑流觀測試驗(yàn)場地。

1.2數(shù)據(jù)獲取

模擬降水條件下土壤侵蝕觀測，主要探究不同坡度和降水強(qiáng)度條件下的土壤侵蝕特征。土槽規(guī)格為長×寬×深=2.0 m×1.0 m×0.2 m，坡度可調(diào)。降水強(qiáng)度設(shè)定為30、40、50 mm/h;降水歷時(shí)60～80 min，在產(chǎn)生徑流后30 min結(jié)束觀測。槽內(nèi)土壤密度為1.385 g/cm3，土層總厚度為20 cm。土槽土壤來源為萊蕪區(qū)棲龍灣地區(qū)0～20 cm耕層土壤，為典型棕壤，土質(zhì)為壤土;壤土為魯中山區(qū)最主要的土壤類型，比例高達(dá)90%以上，具有典型性。從徑流產(chǎn)生開始，每5 min測量1次，測量每個(gè)時(shí)段的徑流量和徑流總量;然后分別將每個(gè)時(shí)間段的徑流量取樣過濾、烘干、稱質(zhì)量，得到每個(gè)時(shí)間段的泥沙損失量和泥沙損失總量。

自然降水條件下土壤侵蝕觀測，主要探究不同降水量和植被覆蓋類型下的土壤侵蝕特征。園區(qū)內(nèi)徑流場共25個(gè)徑流小區(qū)，包含10°、15°、20°、25°、30°共5個(gè)坡型，每個(gè)徑流小區(qū)長10 m、寬5 m，水平面積為50 m2。其中10°、15°、20°的徑流小區(qū)主要研究農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)林對(duì)土壤侵蝕的影響;25°、30°的徑流小區(qū)主要研究坡長、坡面工程以及生態(tài)林草措施對(duì)土壤侵蝕的影響。分析2008—2012年共5年的降水記錄，包括每次降水的降水強(qiáng)度、降水量、降水歷時(shí)以及每次降水所產(chǎn)生的徑流量和土壤侵蝕量，得出不同降水量和植被覆蓋類型對(duì)土壤侵蝕的影響程度。

2結(jié)果與分析

2.1不同坡度下的土壤侵蝕特征分析

在徑流小區(qū)坡長因素不變的情況下，坡度的不同造成其坡面土壤顆粒的穩(wěn)定性不同，坡面上水流動(dòng)力特性亦不同，影響到坡面投影面積使承水面積和土壤侵蝕程度不同。

模擬降水條件，將土槽分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°、30°等5種坡型，降水強(qiáng)度設(shè)置為30、40、50 mm/h，觀測不同坡度下的土壤侵蝕特征。根據(jù)徑流小區(qū)不同坡度下的泥沙損失量（圖1）可以看出，在坡度遞增的情況下，產(chǎn)生的總泥沙損失量隨著坡度的增加而增加，在坡度為25°時(shí)總泥沙損失量達(dá)到最高值，坡度為30°時(shí)略有下降。

通過對(duì)徑流小區(qū)2008—2012年的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，10°、15°、20°、25°、30°共5個(gè)坡型下裸地的土壤侵蝕模數(shù)（圖2）分別為63、40、55、109、106 t/（km2·年），可以看出在自然降水條件下，坡度為25°時(shí)侵蝕模數(shù)最大。

隨著坡度的增加，水分入滲的時(shí)間縮短，產(chǎn)流時(shí)間也將提前，坡面上土壤顆粒的穩(wěn)定性也隨著坡度的增加而減弱，土壤隨徑流流失的概率增加。坡度增加后，坡面投影面積減小，坡面實(shí)際降水總量減少。因此，坡面坡度的變化不是決定坡面土壤流失量的唯一因素，而是坡度變化以及坡度變化后附加因素一起作用的結(jié)果。由模擬降水和自然降水隨坡度變化對(duì)坡面侵蝕的影響得出，25°為土壤侵蝕的臨界坡度，坡度大于25°或者小于25°，土壤侵蝕量都有所減少。

2.2不同降水條件下的土壤侵蝕特征

在影響土壤侵蝕的因素中，降水是水蝕區(qū)最為主要的外部因素，是土壤侵蝕的先決條件。降水對(duì)土壤提供水分，產(chǎn)生徑流，也會(huì)在土壤侵蝕過程中提供能量。水分下滲會(huì)導(dǎo)致土壤更加疏松，使土壤更易隨徑流流失，同時(shí)雨滴降落到地面時(shí)產(chǎn)生的沖擊力也會(huì)加速水土流失。與此同時(shí)，降水的沖擊力也能夠?qū)⑼寥罁魧?shí)，并且降水沖擊開的土壤顆粒會(huì)隨水分的流滲而堵塞土壤間的空隙，阻礙水分的下滲[7]。

2.2.1模擬降水條件下侵蝕特征分析

在模擬降水條件下，分別設(shè)置30、40、50 mm/h 3種不同的降水強(qiáng)度，觀測在不同降水強(qiáng)度下土壤侵蝕的特征。根據(jù)不同降水強(qiáng)度下的水土流失情況觀測結(jié)果（圖3）可以看出，在降水強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，徑流量和泥沙損失量在各種坡度條件下表現(xiàn)均不明顯，土壤侵蝕程度較弱。降水強(qiáng)度和徑流量、泥沙損失量均呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，即隨著降水強(qiáng)度的增加，徑流量和泥沙損失量都有增加趨勢。不過隨著降水強(qiáng)度的增加，增幅逐漸減小。

同時(shí)隨著降水強(qiáng)度的增加，徑流量和侵蝕量增加幅度趨于穩(wěn)定的時(shí)間變短，對(duì)不同坡度下單位時(shí)間內(nèi)的水土流失量進(jìn)行觀測，由圖4可知，徑流產(chǎn)生的波動(dòng)性較小，降水強(qiáng)度為30 mm/h條件下變化幅度不大，趨于穩(wěn)定的時(shí)間較長;40、50 mm/h 降水強(qiáng)度下，前期變化較為劇烈，短時(shí)間內(nèi)均達(dá)到穩(wěn)定的趨勢，時(shí)間分別在25、15 min左右。在不同的降水強(qiáng)度下，產(chǎn)沙過程前期均呈現(xiàn)出不同程度的波動(dòng)，后期穩(wěn)定，且穩(wěn)定值也隨著降水強(qiáng)度增大而增大。產(chǎn)沙過程中出現(xiàn)波動(dòng)主要是因?yàn)榍治g方式的變化，尤其是在高強(qiáng)度的降水條件下表現(xiàn)尤為明顯也更加迅速。在侵蝕過程中，土壤顆粒的穩(wěn)定性由于水分下滲發(fā)生不同程度的變化，而且徑流量的迅速增加使其動(dòng)力和攜沙能力增強(qiáng)，加上裸露土壤表面凹凸不平，侵蝕過程便由面蝕轉(zhuǎn)換為細(xì)溝侵蝕，從而引起侵蝕量的波動(dòng)性變化。試驗(yàn)場觀測也可發(fā)現(xiàn)，降水強(qiáng)度較高的條件下會(huì)有更多細(xì)溝產(chǎn)生。

2.2.2自然降水條件下侵蝕特征分析

對(duì)徑流場2008年9月至2012年9月共5年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究在自然降水條件下土壤侵蝕的特征。在這5年的降水?dāng)?shù)據(jù)中，有41次發(fā)生了較為明顯的土壤侵蝕。

對(duì)不同降水量條件下的侵蝕量和徑流量進(jìn)行比較，分析其變化趨勢。由圖5可知，只有當(dāng)降水量大于12.95 mm時(shí)才會(huì)產(chǎn)生徑流，并且徑流量和侵蝕量都隨著降水量的增加而增加，且徑流量和侵蝕量的變化趨勢一致。

分析比較不同降水強(qiáng)度下的侵蝕量和徑流量，總結(jié)其變化趨勢。由圖6可知，隨著降水強(qiáng)度的增加，土壤侵蝕量與徑流量整體呈上升趨勢，尤其是在降水強(qiáng)度達(dá)到>30～40 mm/h后，增加速度更為明顯，徑流量比>20～30 mm/h時(shí)增加98.8%，侵蝕量增加158%。短時(shí)間內(nèi)的降水很難產(chǎn)生徑流，但魯中山區(qū)降水比較集中，并且強(qiáng)降水一般都伴隨著長時(shí)間降水，更容易造成水土流失。

2.3不同土地利用方式下土壤侵蝕特征分析

在觀測場25個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)，采用了裸地、坡耕地、土坎梯田、小魚鱗坑、大樹穴、魚鱗坑、石坎梯田等7種類型的土地利用方式。

比較不同土地利用方式下的年平均徑流量和年平均侵蝕量（圖7）可以看出，在自然降水條件下，不同土地利用類型的平均侵蝕量和徑流量是不一樣的。坡耕地的徑流量和土壤侵蝕量均最大;相比裸地來說，坡耕地在耕種過程中避免不了要進(jìn)行翻耕、播種等活動(dòng)，使土壤更加疏松，更易發(fā)生水土流失。而且各種土地利用類型下的徑流量和侵蝕量也并沒有出現(xiàn)相同的變化趨勢，如土坎梯田、大樹穴的徑流量均大于裸地，但裸地的侵蝕量比土坎梯田和大樹穴都要大。

根據(jù)對(duì)徑流小區(qū)泥沙流失取樣分析，可推算出各個(gè)徑流小區(qū)不同土地利用條件下的土壤侵蝕模數(shù)（表1）。10°～20°坡度的措施配置主要為農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)林，可以看出梯田種植方式有較好的水土保持效果。如果將順坡種植方式改為梯田種植方式，可以有效攔截泥沙，緩解土壤侵蝕;建議坡度較陡的區(qū)域禁止農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)林的種植。25°～30°徑流小區(qū)的措施配置主要為生態(tài)林草和坡面工程，可以看出林草覆蓋和魚鱗坑工程等措施相結(jié)合可以有效減緩?fù)寥狼治g。

3結(jié)論

（1）坡面尺度下的徑流量和泥沙損失量均與降水總量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

（2）坡面臨界侵蝕坡度為25°，當(dāng)坡面坡度大于或小于25°時(shí)，土壤侵蝕程度都會(huì)有所減弱。

（3）降水強(qiáng)度越大，面蝕轉(zhuǎn)為細(xì)溝侵蝕的時(shí)間越快，前期的侵蝕量波動(dòng)越大。降水量大于12.95 mm時(shí)才會(huì)產(chǎn)生徑流，并且降水強(qiáng)度在30 mm/h以下時(shí)?10°、20°、30°要3種坡型下的徑流總量和泥沙損失量相比之下均較小且無明顯的差異?因此在降水量較小且強(qiáng)降水量不多的地區(qū)無需大規(guī)模地采取措施防治水土流失。

（4）在10°～20°坡度內(nèi)建議種植農(nóng)作物和栽植經(jīng)濟(jì)林，當(dāng)坡度增大時(shí)，建議可將順坡種植方式改為梯田種植方式，可適當(dāng)攔截徑流和泥沙;25°～30°坡度內(nèi)林草措施結(jié)合魚鱗坑等工程措施水土保持效果較好，禁止陡坡地開墾種植農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)林。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅伯杰，趙文武，陳利頂，等. 多尺度土壤侵蝕評(píng)價(jià)指數(shù)[J]. 科學(xué)通報(bào)，2006，51（16）：1936-1943.

[2]劉恒，李利偉. 基于GIS的沂源縣土地利用與土壤侵蝕關(guān)系研究[J]. 甘肅科技，2018，34（22）：143-146.

[3]姜義亮，鄭粉莉，溫磊磊，等. 降雨和匯流對(duì)黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的影響試驗(yàn)研究[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，37（24）：8207-8215.

[4]程甜甜，張興剛，李亦然，等. 魯中南山丘區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨關(guān)系[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2017，31（1）：12-16.

[5]李桂芳，鄭粉莉，盧嘉，等. 降雨和地形因子對(duì)黑土坡面土壤侵蝕過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（4）：147-154，182.

[6]葉芬，黃耀萍，鄒明普. 基于GIS的土壤侵蝕與土地利用關(guān)系研究[J]. 北京測繪，2016（3）：15-19.

[7]趙曉蒞. 紫色土區(qū)水力侵蝕對(duì)土壤有機(jī)碳的影響及SOC預(yù)報(bào)模型研究[D]. 重慶：西南大學(xué)，2008.