棲龍灣徑流場(chǎng)土壤侵蝕分析

耿靈生，夏 軍，張 平，萬(wàn) 蕙，陳鳳琴(. 山東省水利科學(xué)研究院，濟(jì)南 25003；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，影響土壤侵蝕的因素可以分為內(nèi)因和外因兩大類(lèi)，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(duì)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(duì)坡面土壤侵蝕具有重要影響，Zingg第一個(gè)通過(guò)試驗(yàn)建立了坡度和侵蝕量的經(jīng)驗(yàn)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(gè)轉(zhuǎn)折坡度[6]。Horton[7]第一個(gè)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(gè)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(yàn)及顯示過(guò)程中難以控制出現(xiàn)了不同區(qū)域觀測(cè)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(duì)黃土丘陵區(qū)不同的土壤利用方式進(jìn)行了產(chǎn)流產(chǎn)沙量研究。彭文英[10]對(duì)陜西安塞降雨侵蝕資料進(jìn)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(qiáng)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(duì)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(shí)對(duì)土壤流失有一定的控制。

不同的植被類(lèi)型與覆蓋度也對(duì)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(guò)對(duì)密云水庫(kù)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(duì)土壤侵蝕的影響。劉窯軍[13]以三峽庫(kù)區(qū)新建土質(zhì)道路邊坡為研究對(duì)象，研究了植被護(hù)坡對(duì)邊坡侵蝕的影響。薛萐[14]等通過(guò)對(duì)黃土丘陵區(qū)五種不同植被恢復(fù)模式進(jìn)行土壤侵蝕性的研究，分析了不同植被對(duì)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(guò)設(shè)計(jì)不同小區(qū)實(shí)驗(yàn)的方法分別研究不同土壤坡度、不同土地開(kāi)墾方式及不同植被對(duì)土壤侵蝕量的影響。通過(guò)嚴(yán)格控制條件達(dá)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(chǎng)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(chǎng)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?rùn)、半濕潤(rùn)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(chǎng)于2006年開(kāi)始建設(shè)，2008年已完成10°、15°、20°、25°、30°等5個(gè)坡度25個(gè)徑流小區(qū)建設(shè)。徑流小區(qū)設(shè)計(jì)為寬5 m，長(zhǎng)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(hù)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。可以看出，年侵蝕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(lái)源

本文主要研究不同坡度、不同土壤保持措施對(duì)土壤侵蝕量的影響，數(shù)據(jù)來(lái)源于2008-2014年25個(gè)徑流小區(qū)產(chǎn)流35場(chǎng)次降雨量，最大30 min降雨強(qiáng)度，土壤侵蝕量，土壤侵蝕流量。

數(shù)據(jù)資料來(lái)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(chǎng)常駐2名專(zhuān)職檢測(cè)人員，保持監(jiān)測(cè)設(shè)備正常運(yùn)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(shì)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(shí)降雨對(duì)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(lèi)型的研究具有很強(qiáng)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(cè)方法是對(duì)某一徑流小區(qū)開(kāi)展侵蝕量觀測(cè)的方法，崔靈周[15]等通過(guò)對(duì)黃土高原小流域地貌形態(tài)進(jìn)行概化，設(shè)計(jì)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(bào)指標(biāo)，黃立民[16]以惠州抽水蓄能電站水庫(kù)淹沒(méi)區(qū)為觀測(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)分析不同坡度25個(gè)徑流小區(qū)降雨量與降雨侵蝕量關(guān)系，降雨強(qiáng)度與侵蝕流量關(guān)系，并分析了不同土地開(kāi)墾方式對(duì)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(lái)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(guò)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(duì)土壤侵蝕的影響

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析2008-2014年35場(chǎng)侵蝕性降雨過(guò)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(guò)程中是否對(duì)侵蝕量有影響，哪個(gè)因素的影響更大。1959年Wischmeier提出最大30 min雨強(qiáng)為考慮雨滴濺蝕作用的指標(biāo)，隨著最大30 min降雨強(qiáng)度的增加，對(duì)土壤的侵蝕力也隨之增大。在35場(chǎng)侵蝕性降雨過(guò)程中，對(duì)降雨強(qiáng)度與侵蝕流量相關(guān)關(guān)系，進(jìn)行方差分析，討論兩個(gè)變量的對(duì)侵蝕量影響的重要性。其中侵蝕性降雨選擇產(chǎn)流降雨場(chǎng)次。

2.2 不同土地類(lèi)型對(duì)土壤侵蝕量的影響

本文就25個(gè)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(jìn)行對(duì)比，并分析不同土壤開(kāi)墾方式對(duì)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(kāi)墾方式單因素方差分析Tab.2 The variance analysis of different land reclamation

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

2.3 不同植被對(duì)土壤侵蝕的影響

不同植被水土保持功能的對(duì)比研究即通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)比觀測(cè)植被覆蓋地與對(duì)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(yú)鱗坑中的植被進(jìn)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(lèi)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(duì)土壤侵蝕影響

3.1.1降雨量與坡度對(duì)土壤侵蝕量影響

其中matlab輸入矩陣列變換因素為5個(gè)不同坡度，行變化因素為35場(chǎng)不同的侵蝕性降雨量，每行輸入數(shù)據(jù)為每個(gè)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(shuō)明侵蝕性降雨量與土地坡度均對(duì)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(duì)土壤侵蝕量的影響更為顯著。

為了進(jìn)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(chǎng)降雨中5個(gè)坡度情況下土壤侵蝕量散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖2。

圖2 不同坡度侵蝕性降雨量與侵蝕量散點(diǎn)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(méi)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(shí)，不同坡度降雨侵蝕量出現(xiàn)較大差異。侵蝕性降雨量超過(guò)50 mm時(shí)，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(chǎng)侵蝕性降雨下是最小的。

3.1.2降雨強(qiáng)度與坡度對(duì)土壤侵蝕流量影響

其中matlab輸入矩陣列變換因素5個(gè)不同坡度，行變化因素為35場(chǎng)不同的侵蝕性降雨最大30 min降雨強(qiáng)度，每行輸入數(shù)據(jù)為每個(gè)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(shuō)明最大30 min降雨強(qiáng)度與土地坡度均對(duì)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(qiáng)度比坡度對(duì)侵蝕流量的影響更為顯著。

為了進(jìn)一步分析最大30 min降雨強(qiáng)度和坡度與侵蝕流量的相關(guān)關(guān)系，繪出35場(chǎng)降雨的最大30 min降雨強(qiáng)度5個(gè)坡度下侵蝕流量散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 不同坡度最大30 min降雨強(qiáng)度與侵蝕流量散點(diǎn)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(qiáng)度小于30 mm/h時(shí)，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(chǎng)各小區(qū)侵蝕流量都比較大的降雨過(guò)程中，土壤侵蝕流量隨坡度增大，在多場(chǎng)降雨過(guò)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(kāi)墾方式對(duì)土壤侵蝕影響

不同的土壤開(kāi)墾方式也是水土保持功能研究的一個(gè)方面，在此分析2008-2014年35場(chǎng)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(kāi)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(kāi)墾方式，方差分析結(jié)果P值為0.001 6，小于0.05。說(shuō)明不同的土壤開(kāi)墾方式對(duì)土壤侵蝕量有顯著影響。

為了進(jìn)一步分析不同土壤開(kāi)墾方式與土壤侵蝕量的相關(guān)關(guān)系，繪制35場(chǎng)侵蝕性降雨過(guò)程中，不同土壤開(kāi)墾方式下土壤侵蝕量的散點(diǎn)圖如圖4所示。

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

通過(guò)散點(diǎn)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(shì)，同時(shí)裸地在35場(chǎng)侵蝕性降雨過(guò)程中土壤侵蝕量相對(duì)于其他兩種開(kāi)墾方式是最低的，多數(shù)侵蝕性降雨過(guò)程中，坡耕地的土壤侵蝕量大于梯田。對(duì)于有植被的土地，梯田的保沙能力強(qiáng)于坡耕地。在降雨過(guò)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(kāi)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(kāi)墾方式對(duì)侵蝕量有顯著影響。進(jìn)一步分析不同土壤開(kāi)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(diǎn)圖如圖5所示。

圖5 坡度20°不同土壤開(kāi)墾方式降雨侵蝕量散點(diǎn)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(chǎng)降雨降雨侵蝕量出現(xiàn)突變，在其后多場(chǎng)降雨中，梯田土壤侵蝕量相對(duì)于其他兩種開(kāi)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(duì)松散，相同的降雨量相對(duì)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(duì)土壤侵蝕影響

雨滴擊濺和徑流沖刷是水土流失的動(dòng)力，植被通過(guò)枝葉截流和減速作用來(lái)削減降雨侵蝕力，同時(shí)枯枝落葉和土壤調(diào)蓄作用也對(duì)保水、保沙有一定的促進(jìn)作用。下面分別分析了相同的土地類(lèi)型即小魚(yú)鱗坑中種植不同的保水保沙植被，35場(chǎng)降雨過(guò)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(shí)，35場(chǎng)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(méi)有顯著差異，為了進(jìn)一步分析3種植被保沙效益的差異性，繪制35場(chǎng)降雨的土壤侵蝕量散點(diǎn)圖如圖6所示。

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

散點(diǎn)圖中，可以看出35場(chǎng)侵蝕性降雨過(guò)程中，多場(chǎng)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(méi)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(chǎng)侵蝕性降雨下土壤侵蝕量進(jìn)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(shuō)明4種不同的植被保沙效益方面雖然沒(méi)有達(dá)到顯著差異，但卻在一定程度上有差異，為了進(jìn)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(diǎn)圖如圖7所示。

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

通過(guò)散點(diǎn)圖，可以看出在35場(chǎng)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(shí)，隨著降雨量的增加，侵蝕量也呈增加趨勢(shì)。側(cè)柏和側(cè)柏+刺槐并隨著降雨量也有一個(gè)上升的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

坡度、植被、土地開(kāi)墾方式作為重要的下墊面因素對(duì)土地的侵蝕有著重要影響，同時(shí)降雨也是一個(gè)不可忽略的因素。本文通過(guò)山東省棲龍灣綜合徑流場(chǎng)中2008-2014年35場(chǎng)侵蝕性降雨下的侵蝕量變化來(lái)探討坡度和植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響，通過(guò)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(qiáng)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(shí)坡度10°和30°情況下的土壤侵蝕量最小。對(duì)不同開(kāi)墾方式土壤侵蝕量的研究表明相對(duì)于裸地和坡耕地而言，梯田具有更好的保沙功能，同時(shí)坡耕地由于表面松散的結(jié)構(gòu)保沙效果最差。分析單獨(dú)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(méi)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(guò)對(duì)坡度、植被、土地開(kāi)墾方式下侵蝕量方差分析得到土壤開(kāi)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(kāi)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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