礦區不同造林地土壤侵蝕狀況分析

蔡雨新+方向京+武力+武軍+文毅

摘要：在昆陽磷礦礦區采取了不同的植被恢復措施，并對不同恢復時期的土壤侵蝕狀況進行了觀測，結果表明：土壤侵蝕現象隨植被恢復年限的增加而降低；相同植被類型的樣地內土壤侵蝕隨降雨強度的增加而加劇；降雨和土壤侵蝕呈現出3各階段的規律；植樹造林有良好的保土保水作用。

關鍵詞：土壤侵蝕；植被類型；降雨量；徑流量；泥沙量

中圖分類號：S715.3

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）20-0001-04

1 引言

關于侵蝕與產沙的研究從20世紀50年代開始，但是侵蝕規律的研究成果仍較為薄弱，隨著土壤侵蝕研究規律研究的深入[1～4]，以及小流域水土流失觀測和治理經驗的增加，對侵蝕過程的研究取得了較多研究成果[5～9]。土壤侵蝕影響土壤緊實度、容重、水穩性團粒含量、滲透性、水分狀況以及有機質含量的動態變化等，而此類因素的變化較大程度上受制于其上的植被覆蓋類型，特別是植被根系的分布特征。鑒于此，在野外條件下進行人工模擬降雨試驗，研究不同植被類型下礦山土壤侵蝕的規律，以期對侵蝕產沙規律、減蝕方法進行闡述。

2 研究區概況、研究方法

2.1 研究區概況

昆陽磷礦位于昆明市西南72 km，滇池南端西側2 km處。地理坐標為E103°31′10″～103° 34 ′48″、N24°12′58″，行政隸屬昆明市晉寧縣古城區。該礦區位于滇池斷陷盆地西南，屬于中切割中山地貌。礦區范圍內地勢北高南低，海拔約1950～2400 m，相對高差約450 m，一般為300 m左右。礦區地形坡度15～20°，露天開采邊坡與之基本相同，局部形成階狀陡壁。該區域屬于北亞熱帶季風氣候，日照充足，雨量充沛，多年年平均氣溫約14.7 ℃，極端最低氣溫-6 ℃，出現在1月；極端最高氣溫31.4℃，出現在5月。歷年平均降水量917.7 mm，5～10月為雨季，降雨占全年降水量的87%，年蒸發量1100～1200 mm。礦區終年無冰凍，很少降雪。每年1～4月為季風期，盛行西南風，年主導風向為南南西向。一般風力3～4級，最大風速可達14 m/s以上。

在植被恢復初期，不同恢復年限的植被類型（表1）對林地土壤侵蝕一般也不一致，隨著植被恢復時間的增加，植物對植被恢復地物理性質和化學性質不斷改良，植被恢復地的保水保土效益在穩步增加。

2.2 研究方法

采用南京林業大學人工模擬降雨實驗室研制的人工模擬降雨裝置設備來分析不同造林地土壤侵蝕狀況。設備為全智能人工降雨（器）系統TSJY-1，整體由兩大部分組成：管路系統、降雨模擬系統。其相關指標：①有效降雨面積：30 m2；②降雨高度：4 m；③雨強連續變化范圍：10～100 mm/h；④降雨均勻度：84%；⑤雨滴大小調控范圍：1.7～2.8 mm；⑥降雨歷時：任意；⑦降雨測量精度：0.01 mm/h；⑧降雨調節精度：7 mm/h。

本次試驗選取不同時間恢復的群落進行人工模擬降雨實驗。降雨實驗設計不同恢復時間群落的不同降雨強度連續觀測，根據群落蓋度和土壤狀況，每種降雨強度連續觀測30或45 min，兩種降雨強度之間間隔20 min，觀測其降雨過程、徑流過程、水土流失過程，記下降雨和產生徑流的時間。每15 min測其地表徑流量和取水樣測定其泥沙含量，每種降雨強度最后15 min的地表徑流量測至無徑流產生為止。水樣中泥沙量采用烘干法。

3 結果與分析

3.1 產生徑流時間與地表蓋度、降雨強度及土壤初始含水量回歸分析

地表植被蓋度（X1）、降雨強度（X2）及土壤初始含水量（X3）等因子均可影響產生徑流時間（Y1）。因此據表2，對此4類指標進行多元回歸分析可得到回歸方程：

Y1=0.202X1-0.277X2-0.361X3，R2=0.905

進行逐步回歸分析，可得最優方程：

Y1=-0.303X2+0.235X1+23.278，R2=0.885

由此可見，產流時間（Y1）與地表植被蓋度（X1）、降雨強度（X2）關系更密切。

3.2 不同恢復時間群落的降雨量與泥沙量分析

從表2、圖1、圖2看出：地表徑流量和泥沙量一般隨著降雨量的增加而明顯增加。在降雨量小于15 mm時，不同恢復年度植被的泥沙量和徑流量差異不大，在15 mm以上差異逐步增大，植被恢復時間越短，其土壤流失量也隨之增加。不同時間恢復的群落水土流失狀況依次是核桃地>2008年>2007年>2006年>2005年，說明隨著恢復年限的增加，植被蓋度、郁閉度、地被物隨之增加，植被降水截留功能增強；土壤結構狀況得到改善，滲透能力增強，在降雨過程中削減泥沙量的功能較為明顯，水土流失逐年降低。

3.3 不同降雨強度與徑流量、泥沙量的關系分析

在同一植被下，不同的降雨強度隨著降雨歷時，其徑流量也呈變化趨勢，采用2005年恢復植被在不同降雨強度下的徑流量、泥沙量分析進行比較，從圖3中可以看出，在降雨歷時15 min的時候，雨強21.63 mm/h時的徑流量為2.03 t/hm2，當雨強為31.1 mm/h時，雨強增加44%，但徑流量卻增加了357%，當雨強達59.23 mm/h時，雨強增加了174%，但徑流量增加到1349%，說明了在同一植被下，隨著降雨強度的增加，徑流量呈增大趨勢。

地表徑流量和泥沙流失量與雨強、植被蓋度、地被物、土壤改良狀況有很大關系；從表2、圖4可以看出，在同一植被下，隨著降雨強度的增加，泥沙量也相應增加。基本上與徑流量一致。核桃地由于2008年12月才種植，蓋度小，地表裸露，地被物小，水土流失嚴重，降雨量為89.25 mm時，地表徑流量和泥沙流失量分別達205.32 t/hm2、257.77 kg/hm2；而2005年營建的旱冬瓜+墨西哥柏林，郁閉度達0.9，地被物豐富，總蓋度達95%，水土流失較小，降雨量為89.99 mm時，地表徑流量和泥沙流失量分別為33.92 t/hm2、16.58 kg/hm2。

3.4 不同降雨量與徑流量、泥沙量的關系分析

降雨量與地表徑流量和泥沙流失量曲線明顯分成三個階段：當降雨量<30 cm時，地表徑流量和泥沙量隨降雨量緩慢增加；當30 cm<降雨量<70 cm時，地表徑流量和泥沙量隨降雨量明顯上升；當降雨量>70 cm時，地表徑流量和泥沙量隨降雨量極劇上升；這符合水土流失的過程，降雨量增加，水土流失量增加，當降雨量達到一定量時，水土流失量呈指數型增加。

3.5 不同年度恢復植被邊坡土壤侵蝕模數比較

從表3、圖5中可以看出，邊坡植被的保土能力隨著種植年限的增加而增加，2007年、2006年、2005年恢復的旱冬瓜+藏柏恢復模式，植被單位面積土壤侵蝕模數分別為3771 t/km2·a、2830 t/km2·a、1788 t/km2·a，平均每年減少991 t/km2·a。而與同等條件無植被區相比，有植被區的保土能力比無植被區強，復墾3年、2年、1年后，有植被區單位面積土壤侵蝕模數分別是無植被區的63%、61%和66%。可見，植被能夠起到良好的保土作用，隨著植被的生長，保土能力增強。

4 結論

（1）得到產流時間與地表蓋度、降雨強度及土壤初始含水量回歸方程：Y1=0.202X1-0.277X2-0.361X3，R2=0.905；進行逐步回歸分析，可得最優方程：Y1=-0.303X2+0.235X1+23.278，R2=0.885。得出結論：產流時間（Y1）與地表蓋度（X1）、降雨強度（X2）有著更為密切的關系。

（2）從不同恢復時間群落的降雨量與泥沙量分析，認為不同時間恢復的群落水土流失狀況依次是核桃地>2008年>2007年>2006年>2005年，說明隨著恢復年限的增加，植被蓋度、郁閉度、地被物隨之增加，植被降水截留功能增強；土壤結構狀況得到改善，滲透能力增強，在降雨過程中削減泥沙量的功能較為明顯，水土流失逐年降低。

（3）從不同降雨強度與徑流量、泥沙量的關系分析，認為在同一植被下，不同的降雨強度隨著降雨歷時，其徑流量也呈變化趨勢，說明了在同一植被下，隨著降雨強度的增加，徑流量呈增大趨勢。

（4）從不同降雨量與徑流量、泥沙量的關系分析，認為降雨量與地表徑流量和泥沙流失量曲線明顯分成三個階段：當降雨量<30 cm時，地表徑流量和泥沙量隨降雨量緩慢增加；當30 cm<降雨量<70 cm時，地表徑流量和泥沙量隨降雨量明顯上升；當降雨量>70 cm時，地表徑流量和泥沙量隨降雨量極劇上升；這符合水土流失的過程，降雨量增加，水土流失量增加，當降雨量達到一定量時，水土流失量呈指數型增加。

（5）在植被恢復初期，通過對不同年度恢復植被的土壤侵蝕模數進行比較，得出2005年、2006年、2007年恢復的旱冬瓜+藏柏林，有植被區單位面積土壤侵蝕模數分別是無植被區的63%、61%和66%，說明了植被能夠起到良好的保土作用，隨著植被的生長，保土能力不斷增強。

參考文獻：

[1]傅伯杰，邱 揚，王 軍，等. 黃土丘陵小流域土地利用變化對水土流失的影響[J]. 地理學報，2002，57（6）：718～721.

[2]潘成忠，上官周平. 不同坡度草地含沙水流水力學特性及其攔沙機理[J]. 水科學進展，2007，18（4） ：490～495.

[3]肖培青， 鄭粉莉， 姚文藝. 坡溝系統坡面徑流流態及水力學參數特征研究[J].水科學進展，2009，20（2）：236～240.

[4]王文龍，雷阿林，等. 黃土丘陵區土壤侵蝕鏈垂直帶水沙流空間分布[J].水科學進展，2004，15（1）：24～28.

[5]邵水仙，董 智，等. 不同造林模式對退化石灰巖山地土壤理化性質及水文效應的影響[J]. 水土保持學報，2015，29（1）：263～267.

[6]黃振奮.閩東北鷲峰山不同跡地與不同植被恢復模式對徑流的影響[J]. 綠色科技，2015（6）：32～34.

[7]王全九，趙光旭，等. 植被類型對黃土坡地產流產沙及氮磷流失的影響[J]. 農業工程學報，2016，32（14）：195～201.

[8]肖培青，姚文藝，等. 植被作用下土壤抗剪強度和徑流侵蝕力的耦合效應[J]. 水科學進展，2016，27（2）：224～230.

[9]倪含斌，張麗萍，張登榮.模擬降雨試驗研究神東礦區不同階段堆積棄土的水土流失[J]. 環境科學學報，2006，26（12）：2065～2071.