降雨影響下庫(kù)區(qū)坡面水土流失特征研究

高 艷

(中路黃河(山西)交通科技集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

嚴(yán)重的水土流失會(huì)造成耕作層不斷變薄，土壤質(zhì)量退化，肥力逐漸下降，流失的土壤及徑流中攜帶的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)入河道、水庫(kù)，造成水體污染，水環(huán)境、水生態(tài)不斷惡化。比如三峽庫(kù)區(qū)，坡耕地分布較多，占比超過(guò)80%，每年被侵蝕的土壤量超過(guò)9450萬(wàn)t[1-2]，大量流失的有機(jī)物質(zhì)和泥沙流入水庫(kù)，加劇了水庫(kù)水體的惡化程度和泥沙淤積量，嚴(yán)重影響了水庫(kù)的使用狀態(tài)和使用壽命，降低了水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益，破壞了當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)環(huán)境[3-4]。所以對(duì)坡面水土保持措施效果分析十分重要。柏勇等[5]對(duì)比了石漠化地區(qū)中各水保措施的保土效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)果林保土效果次于水保林，后者在減少泥沙、徑流方面更加明顯。邊熇等[6]通過(guò)室內(nèi)沖刷試驗(yàn)研究了植被種植位置和覆蓋率的減沙效果，發(fā)現(xiàn)植被在坡下種植且覆蓋度小于30%時(shí)的保土效果最優(yōu)。王鑫雨等[7]通過(guò)構(gòu)建坡面模型分析了農(nóng)田前溝中不同類植物的保土效果。杜映妮等[8]通過(guò)觀測(cè)降雨條件下丹江口庫(kù)區(qū)坡面徑流小區(qū)土壤流失量和徑流變化趨勢(shì)，分析了不同植被組合保土措施的效果。陳丹等[9]通過(guò)皮爾遜相關(guān)分析法研究了徑流量、產(chǎn)沙量、降雨量之間的關(guān)系，給小流域水土保持措施的制定提供了借鑒。

基于此，研究不同水土保持措施及其組合方式和降雨對(duì)坡面水土流失的影響，為庫(kù)區(qū)坡面水土流失防治及水生態(tài)、水環(huán)境改善措施的制定提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為山西某庫(kù)區(qū)，當(dāng)?shù)貙儆诘湫偷拇箨懶詺夂?，氣溫均值?8°C，年平均降雨量650～720 mm，夏季6—8月為降雨集中期，達(dá)到全年降雨量的65%，區(qū)域內(nèi)土壤類型為黃棕壤，植被種類大多數(shù)為蘋(píng)果、柏樹(shù)、刺槐等針、闊葉植被。庫(kù)區(qū)內(nèi)裸地、植被種植區(qū)、果園、旱地以及其余用地占比分別為12.9%、32.1%、33.5%、13.5%和8.0%。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)布設(shè)

選擇某處水土流失現(xiàn)象較嚴(yán)重的流域，流域內(nèi)水土流失面積為0.96 km2，占區(qū)域全部土地面積的70%。在流域內(nèi)劃分了不同徑流小區(qū)，小區(qū)地面坡度為26°，投影面積為20 m2(寬2 m、長(zhǎng)10 m)，并通過(guò)水泥墻將各小區(qū)隔開(kāi)。試驗(yàn)區(qū)設(shè)蘋(píng)果、花生和油菜輪作、紫穗槐加植物籬、蘋(píng)果加植物籬、油菜花生加植物籬(油菜和花生輪作)5個(gè)處理，同時(shí)將裸地設(shè)為對(duì)照。各區(qū)內(nèi)作物的種植密度相同，且各區(qū)的施肥和耕作同步開(kāi)展，統(tǒng)一管理。

2.2 試驗(yàn)觀測(cè)方法

將自計(jì)雨量器設(shè)置在徑流場(chǎng)周圍的裸地處，每次降雨后得到各區(qū)內(nèi)的降雨量和降雨時(shí)間。參考降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)來(lái)劃分區(qū)域2006—2018年間各次降雨強(qiáng)度，共可分成4類。在降雨后根據(jù)水位和集流池面積對(duì)徑流量進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)徑流量和小區(qū)面積相除獲得徑流深。與此同時(shí)，將每次降雨后匯流槽里的所有泥沙集中到集流池里并攪拌，取出樣品泥沙，測(cè)其體積并烘干后復(fù)測(cè)干土重量，用干土重量除以體積即得到含沙量，總泥沙量即為徑流量和含沙量的乘積。泥沙總量和小區(qū)面積的比值即為土壤流失量。

2.3 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)spss軟件處理所得數(shù)據(jù)，并分析土壤流失量、降雨特征參數(shù)以及徑流深之間的相關(guān)性，對(duì)土壤流失量、降雨侵蝕力和徑流深開(kāi)展回歸分析，數(shù)據(jù)處理后通過(guò)Origin繪圖軟件繪制成圖。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨特征

根據(jù)降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，把2006—2018年內(nèi)發(fā)生的侵蝕性降雨分成4個(gè)種類。其中出現(xiàn)次數(shù)最多的是Ⅰ型大雨，其降雨次數(shù)77場(chǎng)，占比64.7%；其次是Ⅱ型暴雨，其降雨次數(shù)36場(chǎng)，占比30.3%；Ⅳ型特大暴雨和Ⅲ型大暴雨降雨場(chǎng)次為1場(chǎng)和5場(chǎng)，占比分別為0.8%和4.2%，各等級(jí)降雨的降雨侵蝕力均值從Ⅳ型至Ⅰ型依次減弱，具體見(jiàn)表1。在2006—2018年間，2017年的綜合降雨強(qiáng)度最大，降雨次數(shù)最多，降雨強(qiáng)度均值達(dá)到6 mm/h。

3.2 水土流失特征

在同一水保措施區(qū)域內(nèi)，降雨的侵蝕力均值是影響土壤流失量和徑流變化的主要因素。特大暴雨造成的土壤流失量和徑流最大，但特大暴雨僅出現(xiàn)過(guò)1次，不具有代表性；暴雨侵蝕力所造成的土壤流失和徑流僅次于特大暴雨；大雨侵蝕力均值最小，其造成的土壤流失和徑流也最低。由此能夠得出在一般情況下(未出現(xiàn)特大暴雨)，造成水土流失的主要降雨類型為暴雨。因此推測(cè)在一般的年份(缺乏特大暴雨情況)，暴雨是引起水土流失的主要類型。

降雨種類相同時(shí)，除了旱地農(nóng)作物之外，其余水保措施區(qū)域的徑流深度要小于裸地，具體見(jiàn)圖1(a)所示。以暴雨為例進(jìn)行分析，在紫穗槐+植物籬、農(nóng)作物、裸地、農(nóng)作物+植物籬、蘋(píng)果+植物籬下的徑流深分別為17.89 mm、80.13 mm、53.63 mm、40.74 mm、17.89 mm。各水保措施區(qū)域內(nèi)的土壤流失量都比裸地小，從圖1(b)中能夠看出紫穗槐+植物籬和蘋(píng)果植物籬的土壤流失量最低。

圖1 各區(qū)在不同降雨類型下的水土流失狀況

對(duì)比圖1(a)和圖1(b)，發(fā)現(xiàn)盡管旱地農(nóng)作物的徑流深比裸地高，但其土壤流失量小于后者，說(shuō)明土壤、水保措施等因素會(huì)減少降雨侵蝕。農(nóng)作物的耕作會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)中的大團(tuán)聚體造成破壞，形成一些細(xì)小黏粒對(duì)土體孔隙進(jìn)行堵塞，阻止雨水的滲入，并使黏粒在地表黏結(jié)成整體，形成表皮，增加地表徑流量，這也是裸地徑流量小于旱地農(nóng)作物區(qū)的原因。除此之外，農(nóng)作物根系有著固結(jié)土壤的作用，葉片有著截留雨水的作用，這也是旱地農(nóng)作物區(qū)土壤流失量小于裸地的原因，表明水土保持措施會(huì)在很大程度上影響土壤受到降雨的侵蝕效果。

3.3 水土保持措施與坡面徑流深

2006—2018年間，水土保持措施隨時(shí)間對(duì)徑流深的影響(如圖2)。從圖2中能夠看出，各保水措施區(qū)域內(nèi)徑流深均值分別是：紫穗槐+植物籬為60.11 mm，農(nóng)作物+植物籬為58.15 mm，蘋(píng)果+植物籬為61.21 mm，農(nóng)作物為68.88 mm，蘋(píng)果為71.00 mm，裸地區(qū)域?yàn)?7.81 mm，各水土保持措施區(qū)徑流損失分別比裸地降低22.7%、25.3%、21.3%、11.5%、8.8%。通過(guò)圖2(a)發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果+植物籬徑流深較小，裸地和蘋(píng)果的徑流深近似。從圖2(b)中能夠看出，在農(nóng)作物區(qū)域，植物籬對(duì)徑流造成的影響和蘋(píng)果地近似。從圖2(c)中能夠看出，紫穗槐+植物籬徑流深最小，裸地最高，這說(shuō)明合理科學(xué)地運(yùn)用植物籬，并和其他措施相結(jié)合能夠在最大程度上發(fā)揮水保效果。

圖2 時(shí)間增長(zhǎng)下各區(qū)徑流深對(duì)比情況

將2006年、2011年、2014年和2018年水土保持措施減少坡面徑流效果對(duì)比分析(如圖3)，能夠發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果、農(nóng)作物、農(nóng)作物+植物籬、蘋(píng)果+植物籬這4個(gè)水土保持措施區(qū)域和裸地相比，徑流量不但沒(méi)有減小，反而有所提高，造成此現(xiàn)象的原因?yàn)閯傇O(shè)置水保措施的徑流區(qū)域，經(jīng)歷幼苗栽種、土壤翻挖等活動(dòng)，對(duì)地表土壤造成了嚴(yán)重的破壞，使得水保措施沒(méi)有發(fā)揮原有的效果。在2006年后，隨著蘋(píng)果的不斷生長(zhǎng)，水土保持措施的效果持續(xù)增強(qiáng)。

圖3 時(shí)間增長(zhǎng)下各區(qū)域減流率對(duì)比情況

3.4 水土保持措施與坡面泥沙量

圖4所示為2006—2018年間產(chǎn)沙量受水土保持措施影響的變化趨勢(shì)。從圖中看出，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，各區(qū)域的泥沙產(chǎn)量均值分別是：紫穗槐+植物籬為482.5 g，蘋(píng)果+植物籬為605.2 g，蘋(píng)果為704.3 g，農(nóng)作物+植物籬為736.7 g，農(nóng)作物為770.0 g，裸露地區(qū)1100.3 g，各水保持措施區(qū)的泥沙損失率分別較裸地降低56%、45%、36%、33%和30%，能夠看出在各種水土保持措施中，紫穗槐+植物籬的保土效果最好。不同于之前的徑流深降低效果排序，種植紫穗槐的區(qū)域泥沙減少幅度最大，減沙率達(dá)到50%以上；種植蘋(píng)果區(qū)域的泥沙減少幅度次之，減沙率達(dá)到40%～50%；減沙幅度最小的區(qū)域?yàn)檗r(nóng)作物區(qū)域，減沙率僅達(dá)到30%～40%。

把土壤流失量、降雨特征參數(shù)(降雨侵蝕力、降雨平均強(qiáng)度、降雨量)以及徑流深進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明降雨特征參數(shù)、土壤流失量以及徑流深之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。土壤流失量和徑流深受降雨侵蝕力的影響最大，降雨侵蝕力是導(dǎo)致水土流失的重要因素，能夠?qū)D3所呈現(xiàn)的水土流失趨勢(shì)進(jìn)行解釋。采取植物籬的方式進(jìn)行水土保持有較好的效果，這是由于植物籬能夠提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，并能夠?qū)ζ旅鎻搅髌鸬綌r截作用，減小水流的沖刷力。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)坡面設(shè)置植物籬后，提高了水分在土壤中的入滲率，使更多的降雨能夠滲入土體流向更深處，使地表徑流強(qiáng)度大大降低，減輕了土壤表層所受的侵蝕強(qiáng)度，以此達(dá)到保水保土目的[10]。

4 結(jié) 論

(1)降雨侵蝕力均值從Ⅳ型至Ⅰ型依次減弱，出現(xiàn)次數(shù)最多的是Ⅰ型大雨，占比64.5%；降雨種類相同時(shí)，除了旱地農(nóng)作物之外，其余水保措施區(qū)的徑流深度要小于裸地；盡管旱地農(nóng)作物的徑流深比裸地高，但其土壤流失量小于后者，說(shuō)明土壤、水保措施等因素會(huì)對(duì)降雨侵蝕效果產(chǎn)生影響。

(2)蘋(píng)果+植物籬的徑流深較小，裸地和蘋(píng)果的徑流深近似；在農(nóng)作物區(qū)，植物籬對(duì)徑流造成的影響和蘋(píng)果地近似；種植紫穗槐的區(qū)泥沙減少幅度最大，減沙率達(dá)到50%以上；減沙幅度最小的為農(nóng)作物區(qū)，減沙率僅達(dá)到30%～40%。

(3)土壤流失量和徑流量隨著降雨侵蝕力的增大而增大，紫穗槐+植物籬受降雨侵蝕力的影響最低，表明紫穗槐+植物籬的方式能夠大大減小降雨侵蝕力所造成的水土流失，起到顯著地保水保土作用。