贛榆縣夾谷山坡面侵蝕產沙特征及其影響因素

夏美玲，高之棟，周 巖，王新軍，趙言文

（1.南京農業大學 資源與環境學院，江蘇 南京210095；2.贛榆縣夾谷山水土保持試驗站，江蘇 贛榆222100；3.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京210029）

氣候因素是影響土壤侵蝕的主要外營力，一般來說，年降水總量大，侵蝕總能量也大，土壤侵蝕因而增強，但是年降雨量的區域分布和降雨量年內分配及降雨強度，對侵蝕往往起主導作用［1］。美國學者Wischmeier和Smith［2］提出降雨總動能E及其30 min最大雨強I30的乘積與土壤流失量的關系最為密切，因而降雨侵蝕力的表達式為：R＝E·I30。我國的學者根據中國的具體情況也進行了相關研究，江忠善［3］和王萬忠［4］等提出，在黃土高原地區，降雨動能和降雨強度的乘積是表征降雨侵蝕力較好的指標。土地利用方式通過改變地面組成物質、植被及耕作方式從而影響了坡面的產流產沙過程，其中地面組成物質是影響土壤侵蝕的內部原因，植被覆蓋則是控制和加速土壤侵蝕最敏感的因素［5］。李廣［6］等研究提出，在其它條件相似時，不同土地利用方式對水土流失的影響存在顯著差異。江淼華［7］等也提出不同的土地利用方式，在降雨的作用下，表現出不同的水土流失規律。

江蘇省地處江淮平原，地勢低平，河湖較多，是全國地勢最低的一個省區，水土流失危害較輕，因此多年來該省水土保持工作沒有得到深入的開展，然而近年來由于江蘇省經濟飛速發展，毀林開荒種植經濟林或果園以及各種生產建設項目的數量越來越多，這些人為干擾造成江蘇省丘陵山區水土流失趨于嚴重。自新水土保持法實施以來，該省高度重視水土流失監測研究工作，然而目前針對自身特點的試驗研究尚且不足，為深入研究各種降雨強度、不同土地利用方式與土壤流失量之間的關系，本研究選定江蘇省水土流失重點治理區贛榆縣夾谷山為主要研究區域，探索影響該縣水土流失的主要影響因素，揭示贛榆縣水土流失規律，尋找適宜的水土保持措施，以期為實現有效控制贛榆縣水土流失提供理論依據和技術支撐。

1 研究區概況

夾谷山是山東沂蒙山向南延伸的余脈，屬北方土石山區。試驗小區位于江蘇省贛榆縣夾谷山水土保持試驗站西側葫蘆山東側的荒坡坡面上，地理坐標為東經118°52′12″，北緯34°55′26″，地面坡度為8°。小區土壤為花崗片麻巖發育的砂壤土，土層厚度約35cm，礫石含量高、顆粒粗、黏性極差，有機質含量低，土壤容重1.2～1.27g／cm3，因此該徑流小區是江蘇省蘇北丘陵山區原生地貌的典型代表，園區多年平均降雨量為933.9mm，屬江蘇省降雨量比較少的地區，但是該地區降雨多集中在6—9月份，且多暴雨，降雨強度大，降雨量占全年的70%左右，極易產生水土流失。

2 材料與方法

2.1 試驗設計與處理

試驗區根據本地的地質、地貌、氣候、植被、土壤及地形條件，在坡度為8°的葫蘆山東側荒坡上設置徑流區，該徑流區坡向指向東北，6個小區平行排列在同一坡面上，依次為喬木用材林、經濟林、牧草、順坡耕作、標準小區及石埂梯田耕作區。為防止客水進入，小區四周設有楔形保護墻，保護墻地上部分高25 cm，地下部分埋深30cm。小區下部布設集流槽，沉沙池，集水池，并且互相連通。在集流槽出口，集水池入口分別裝有1／2和1／5的分流梯形堰，以減少集水池的設計容積。集水池一端設有排水管，便于雨后排水。對6種不同土地利用方式徑流小區的降雨、徑流泥沙、植被覆蓋度等指標進行長達20a的測定（表1）。

2.2 觀測項目和方法

2.2.1 降雨觀測 布設自記雨量計和普通雨量筒各一臺，觀測降雨量、降雨強度、降雨過程。自記雨量計必須每日早晨8時準時對鐘，雨后及時更換自記記錄紙。

2.2.2 泥沙量觀測 每次降雨徑流結束后，采用體積法測定每個小區的徑流量和泥沙量。每次徑流取2～3個1 000cm3的水樣，經混合均勻后，再保留一個水樣，經沉淀、過濾、烘干、稱重得到懸移質泥沙量；推移質泥沙量采取一次徑流一次清理，烘干稱其重量，得到推移質泥沙量。懸移質泥沙量與推移質泥沙量之和就是每次降雨徑流的泥沙流失量。

2.2.3 土壤性狀 對徑流試驗小區的表層土壤進行采樣，采樣位置位于以小區中心為原點半徑為3m并在小區之外的區域，多點采樣后混勻，以供試驗室分析。土壤理化性質（土壤質地、容重、機械組成、有機質含量、滲透速度級和結構級等）按照標準法［8］進行測定。

表1 不同土地利用方式徑流小區概況

2.3 數據來源和處理

研究數據主要包括1988—1997年及2001—2010年6—9月份徑流試驗小區的徑流和產沙觀測資料。所有數據均在Excel和SPSS 20.0統計軟件中處理與分析。最小顯著性差異法（LSD）［9－11］用于不同土地利用方式試驗觀測數據差異的多重比較，顯著水平設置為0.05。

3 結果與分析

3.1 贛榆夾谷山降雨量特征分析

由圖1可知，1988—1997年及2001—2010年6—9月份共記錄了219次降雨，其中小雨5次，中雨58次，大雨91次，暴雨58次，大暴雨7次，降雨量共9 258.7mm。根據小區觀測資料，其中僅有5次小雨未產流，占抽樣次數的2.3%。

觀測資料顯示，不同土地利用方式下相同的次降雨量，形成徑流最快的是順坡耕作小區，然后依次是標準小區、經濟林區、喬木小區、牧草區，石埂梯田表面徑流量最小，甚至沒有徑流產生。

圖1 1988－2010年中6－9月份的降雨量分布

3.2 不同土地利用方式對坡面產沙的影響

3.2.1 不同土地利用方式年際產沙變化 由圖2可以看出，6個小區年度侵蝕產沙量變化趨勢與年降雨量基本保持一致，均隨年度降雨量的增大而增大，梯田小區變化趨勢不明顯。1989年和1991年出現了異常值。

圖2 不同徑流小區侵蝕產沙量的年際變化

3.2.2 不同土地利用方式年度產沙量差異性分析采用SPSS 20.0統計軟件，對不同土地利用方式的年度侵蝕產沙量的觀測值進行單因素方差分析。從分析結果可以看出，方差同質性F檢驗值為21.150，同時顯著性水平為0.000（接近0），說明不同土地利用方式具有極顯著性差異。不同土地利用方式下的年度侵蝕產沙量均值大小順序為：順坡耕作區＞標準小區＞經濟林區＞牧草區＞喬木用材林區＞梯田區。結果表明，不同土地利用方式中，石埂梯田的水土保持效果最好，順坡耕作不僅沒有阻止土壤流失，反而造成土壤流失量加大。

繼續通過LSD檢驗法比較，結果顯示LSD的F檢驗值為75.624，組間方差為6.02×108，組內方差為1.82×108，說明組間方差明顯大于組內方差，此外顯著性水平值為0.000（接近0），說明不同土地利用方式之間具有極顯著性差異。但是通過LSD多重比較中，并沒有顯示喬木用材林、經濟林、牧草及梯田小區具有明顯差異性，說明這4個小區對土壤保持的作用基本一致，在本研究觀測中水土保持效果差異不明顯。

3.3 坡面產沙影響因素分析

為了能夠找出試驗小區土壤產沙量與降雨強度、降雨動能之間的相關關系，以20a來6—9月份214次（已去除非可蝕性降雨）降雨量、降雨強度、降雨動能、土壤產沙量數據為依據，通過參考文獻，篩選出降雨特征因子中可能造成土壤侵蝕的影響因子。

對標準小區次土壤流失量與I10，I30，I60，E10，E30，E60這6個單因子進行Pearson相關性分析，確定相關系數，并擬合直線與冪函數曲線兩種形式，進行回歸分析，確定判定系數（表2）。

對標準小區次降雨土壤流失量與I30∑E，I30∑E，I30∑E，I10E10，I30E10，I60E10，I10E30，I30E30，I60E30，I10E60，I30E60，I60E60這12個復合因子進行 Pearson相關性分析，確定相關系數，并擬合直線與冪函數曲線兩種形式，進行回歸分析，確定判定系數，表3為相關擬合分析結果。

表2 降雨單因子與標準小區土壤流失量相關擬合分析結果

表3 降雨復合因子與標準小區土壤流失量相關擬合分析結果

通過表2—3可以看出，各種組合中冪函數相關系數及其判定系數均大于線性相關系數及其判定系數，且I30∑E組合曲線相關系數最大，相關系數為0.871，達到高相關，且判定系數為0.944，說明其擬合度較高，而且單因子I30與土壤流失量的相關關系為0.567，達到了顯著相關，冪函數方程擬合度為0.607，是I10，I30，I60中最高的。所以確定本徑流小區在土壤結構、坡面坡度和坡長、植被覆蓋度以及水土保持措施不變的情況下，土壤侵蝕產沙量與I30∑E之間呈現密切相關關系，即確定I30∑E為降雨侵蝕力因子。

3.4 降雨侵蝕力對土壤侵蝕量的定量作用

相同土地利用方式下，小區產沙量與降雨侵蝕力（I30∑E）之間存在一定的相關性，為了得出不同土地利用方式的小區侵蝕產沙量與降雨侵蝕力之間的規律，運用數理統計回歸方法進行分析。分析結果表明，不同小區R2值均接近1，說明回歸方程的擬合優度非常高。并且不同小區均通過回歸方程顯著性檢驗。結果表明，不同土地利用方式下的次降雨侵蝕產沙量與次降雨侵蝕力之間均可用冪函數進行很好的描述。

4 結論

（1）不同土地利用方式的侵蝕產沙量變化趨勢與年降雨量基本保持一致，均隨年降雨量的增大而增大。梯田小區變化趨勢不明顯。1989和1991年出現了異常值。出現異常值的原因可能是試驗小區剛剛建立，觀測經驗不足，人為誤差所致。

（2）不同土地利用方式的年產沙量具有顯著差異性，對產沙量的影響大小依次為：順坡耕作區＞標準小區＞經濟林區＞牧草區＞喬木用材林區＞梯田小區。在不同土地利用方式下，防止土壤流失作用最大，最有效的是梯田，而順坡耕作土壤流失強度最大；6種不同土地利用方式的年均泥沙流失量的差異性與土壤的植被措施和耕作方式以及植被覆蓋度密切相關。梯田小區不僅有石埂梯田對土壤進行層層攔蓄，還有花生作物根系對土壤顆粒進行固定，所以年均泥沙流失量明顯降低；喬木小區、經濟林小區和牧草小區的植物根系對土壤結構進行固定，提高了土壤的抗沖能力，明顯降低了土壤流失量，但是因為試驗小區的黑松、茶葉和牧草的植被覆蓋度存在差異，特別是黑松的覆蓋度比較低，且是幼株，所以造成3個小區之間的土壤流失量差異并不顯著；順坡耕作區沿坡向種植紅薯，不僅破壞了土壤的結構穩定性，還使水流順著小溝帶走了大量的泥沙，所以較標準小區而言，反而加大了土壤流失。

（3）擬合篩選降雨強度和降雨動能與次土壤侵蝕產沙量之間的相關關系，發現次土壤侵蝕產沙量與I30∑E存在密切相關關系，將其定義為降雨侵蝕力。在不同土地利用方式下，擬合次土壤侵蝕產沙量與降雨侵蝕力的相關關系，不同小區的次土壤侵蝕量觀測值均與降雨侵蝕力表現為冪函數關系，相關系數較強，且達到極顯著性水平。從回歸方程的參數可以看出土壤流失侵蝕產沙量隨著降雨侵蝕力的增大而增大。

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