不同坡度條件下的水土流失特征研究

叢 鑫，邊 振，薛春珂，孫晶輝，陳振江，蔣國民，徐征和，徐 晶，王 毅，王 坤

(1.濟南大學 資源與環境學院，濟南 250022； 2.濟南市水文局，濟南 2500131; 3.北京林業大學 水土保持學院，北京 100083)

0 引 言

本研究選取南部山區作為研究對象，由于山高坡陡、土壤瘠薄、植被覆蓋度小及近年來大量的開發建設項目對土壤、植被的破壞等因素，南部山區水土流失嚴重。山區復雜多樣的地形地貌是影響坡面產流產沙特征的關鍵因素，坡度是影響坡面徑流和侵蝕的重要地形因子之一[4-6]。研究中利用不同坡度徑流小區，觀測分析天然降雨條件下不同坡度因子對地表產流和土壤侵蝕的影響，為泉城濟南的水土保持和流域水土保持綜合治理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 徑流小區概況

濟南市水文局于2013年在濟西水文基地水土保持監測實驗站內建設了5、10、15、20和25°共5個坡度的徑流小區來研究南部山區水土流失特征。小區坡面北向，投影長度均為10 m，寬度均為5 m。小區土壤為南部山區表層褐土客土鋪設，鋪設厚度為50 cm。徑流小區于2013年6月13日播種白車軸草、黑麥草、狗牙根、高羊茅4種草籽，在植物生長過程中避免人為干擾；徑流小區又于2015年，在草本植被覆蓋穩定后，種植了低矮灌木(荊條、胡枝子)，形成草灌結合人工坡面徑流小區。

1.2 數據獲取

徑流小區于2014年6月1日起進入實驗階段，共監測了2014-2015年累計21次產流。本研究分析了濟南市近10 a的降雨資料，得到其降雨類型大致分為4種和最大30分鐘雨強主要集中在20～40 mm/h兩大降雨特征，故根據21次降雨的降雨類型與降雨強度，選擇具有代表性的10次降雨，2014、2015每年各5次。產流降雨及徑流過程結束后對各小區進行徑流量測定，并進行泥沙取樣。根據小區投影面積將徑流量換算為徑流深。每個小區泥沙取2次重復，以烘干法測定干沙重并計算含沙量及土壤侵蝕量[7,8]。汛期降水量、氣溫、土壤溫度和土壤墑情數據由徑流小區一側的自動氣象站獲取，數據每15min記錄一次。徑流小區土壤含水量使用TDR土壤含水量儀測定，每個小區上部和下部共取6次重復，測定0～10 cm深度的土壤體積含水量，以平均值作為小區土壤含水量值。

1.3 分析項目與方法

1.3.1 分析項目

坡度是影響降雨產流過程及土壤侵蝕強度的重要因素之一，本研究基于徑流小區2014、2015年各5次產流產沙過程，通過對5、10、15、20和25°五個坡度下的產流產沙特性與對應的降水特征、植被特征、土壤特征進行相關分析，深入探討坡度變化下的水土流失特征。同時，綜合分析歷次產流產沙過程中降雨特征、下墊面變化下不同坡度的水土流失響應特征，探索導致水土流失的最主要影響因素。

1.3.2 主要監測方法

(1)水土流失監測。于每月1日、15日及每次降雨后，進行水土流失監測。在5個不同坡度的徑流小區底部各設置一個5 m×1.5 m×1.5 m的集水池，并設置一個出水口，從徑流小區通向集水池。在集水池內對接出水口的位置放置220 L集水桶。降雨后，測量并記錄集水池內220 L集水桶內的水和泥沙量；攪拌均勻，從桶內取出500 mL水樣用以實驗室檢測；倒出桶內水和泥沙，以便下次測量。

“哎喲，不錯嘛，你們說的這兩句詩分別出自于白居易的詩歌《問劉十九》和《別氈帳火爐》。除此之外，在《即事重題》等詩歌里他也提到過爐子。”

(2)土壤含水量監測。于每月1日、15日，進行土壤含水量監測。使用澳大利亞ICT公司生產的土壤含水量檢測儀TDR，將每個徑流小區平均分成6個地塊，按照從西到東、從下到上的方向進行測量并記錄，保證數據的一致性和可參考性。

(3)植被覆蓋度監測。于每月1日、15日，進行植被覆蓋度監測。將每個徑流小區平均分成6個地塊，按照從西到東、從下到上的方向進行拍照，拍照時從地塊正上方約1.5 m的位置俯拍，保證數據的一致性和可參考性。

2 結果與分析

2.1 不同坡度對徑流量的影響

不同坡度徑流小區在同一年內的歷次產流過程中的降雨及下墊面條件基本一致，因此影響徑流量的主要因素為坡度變化。坡度變化對產流產沙的影響主要通過影響降雨入滲實現。相同降雨條件與相同下墊面條件下，隨著坡度增加，坡面水流速度增大，入滲作用減弱，地表產流作用增強，徑流量增加[9-12]。10次降雨產流中，徑流深最小值有2次出現在10°小區，5次出現在5°小區，徑流深最大值9次出現在20°小區，1次出現在25°小區。由此可知，徑流深與坡度總體呈正相關關系，在5°和10°緩坡條件下，降雨易于入滲，產流較少，不易產生徑流，而在20°坡面上由于降雨和徑流垂直于坡面的重力分量較小，而流速增大，土壤入滲作用減弱，易發生超滲產流現象。由2014、2015兩年的年內實驗分析可知，最大產流坡度為20°。歷次產流降雨后的徑流量測驗結果見圖1、圖2。

圖1 2014年不同坡度下的徑流深特征Fig.1 Runoff depth characteristic under different slope in 2014

圖2 2015年不同坡度下的徑流深特征Fig.2 Runoff depth characteristic under different slope in 2015

2.2 不同坡度對土壤侵蝕量的影響

不同坡度徑流小區在同一年內歷次土壤侵蝕過程中的降雨及下墊面條件基本一致，因此影響土壤侵蝕量的主要因素為坡度變化。穩定坡面上，隨坡度增加，徑流量的增大使土壤侵蝕量隨之增加，但坡度增大同時導致雨滴擊濺侵蝕力的減弱，使侵蝕量隨坡度的增加而減小[13,14]。在2014年歷次降雨產流中，7月2日土壤侵蝕量隨坡度變化規律與其后4次相反，坡度越大則土壤侵蝕量越小。由于徑流小區于6月13日人工播種后，至7月初進行多次噴灌。產流降雨前，各小區土壤處于裸露狀態，且灌溉后土壤表面產生物理結皮。7月2日產流降雨過程中，雨滴擊打土壤表面時垂直于土表的分量隨坡度變化，使得雨滴擊濺作用在緩坡處大于陡坡，易導致土壤結皮破壞，進而產生較強的土壤侵蝕；隨坡度增大，雨滴擊濺侵蝕的作用減弱，土壤侵蝕量有所下降。隨后的產流降雨過程中，隨著植被的增長和土壤結構的穩定，坡面水土流失特征逐漸穩定，土壤侵蝕量隨坡度增加而增大。最大侵蝕量出現在20°或25°坡面，最小值出現在5°坡面。在2015年歷次降雨產流中，除8月24日無產沙量外，其余4次土壤侵蝕量均隨坡度增加而增大，最大侵蝕量出現在20°，最小值出現在5°坡面。歷次產流降雨后的土壤侵蝕量測驗結果見圖3、圖4。

圖3 2014年不同坡度下的土壤侵蝕量特征Fig.3 Soil erosion characteristic under different slope in 2014

圖4 2015年不同坡度下的土壤侵蝕量特征Fig.4 Soil erosion characteristic under different slope in 2015

2.3 降雨特征對水土流失量的影響

產流降水在降水總量、平均雨強和I30(最大30 min雨強)不同的情況下，對土壤的侵蝕特征也有所不同。本研究主要分析了2014年年內5次降水特征，將其主要可分為4種類型(圖5)，其中：Ⅰ型降水為7月2日和8月5日，總降水量小，降水歷時短，前期雨強較小，而后期雨強急劇增加；Ⅱ型降水為7月19日，總降水量較大，降水歷時較長，前期雨強小，中后期雨強增強減弱交替出現；Ⅲ型降水為8月19日，總降水量大、降水歷時較長，前期雨強持續較大，后期穩定在較小值；Ⅳ型降水為9月17日，總降水量較大，同時降水歷時長，雨強小而穩定。

圖5 累計降水量特征Fig.5 Cumulative rainfall characteristics

將2014年5次產流測驗中各坡度徑流深的平均值與對應的降水總量、強度和I30進行對比分析(圖6)，結果表明雨強與徑流深變化趨勢一致，最大值出現在8月5日降雨中。總降水量和I30變化趨勢相似，除8月5日外，其他測次均與徑流深變化趨勢一致。因此，2014年年內實驗表明雨強對徑流深起到關鍵作用。

圖6 2014年徑流深與降水特征相關性Fig.6 Correlation between runoff and precipitation characteristics in 2014

同樣，將2015年5次產流測驗中各坡度徑流深的平均值與對應的降水總量、降水強度和I30進行對比分析(圖7)，結果表明雨強變化與徑流深變化趨勢一致，與總降水量和I30變化趨勢部分一致。因此，2015年年內實驗也表明雨強大小對徑流深起到關鍵作用。

圖7 2015年徑流深與降水特征相關性Fig.7 Correlation between runoff and precipitation characteristics in 2015

通過上述分析，故本研究以雨強I的大小作為分級指標的依據，把降雨分為2種不同雨強的雨型，一為低雨強型降雨，I<12 mm/h；二為高雨強型降雨，I≥12mm/h。根據上述I的分級范圍標準，將2014年、2015年10次侵蝕性降雨資料按2種類型分別統計，分析不同時段不同雨強下的產流情況，見圖8。

圖8 不同時段雨強條件下坡面產流量與坡度的關系Fig.8 The relationship between slope and runoff in different rainfall intensity time periods

由圖8分析可得，不同時段雨強條件下，坡度從5°增加到20°的過程中，坡面產流量均與坡度呈正相關關系，即產流量隨坡度的升高而增多。坡度從20°增加到25°的過程中，在兩種雨強范圍內，坡面產流量與坡度的關系呈現負相關。從整體趨勢來講，在濟南南部山區，坡度對坡面產流量的影響很大程度上受雨強的制約，即相同條件下，雨強越大，坡面產流量越大。在兩種雨強條件下繼續細化，可以發現，2014年每個坡度平均產流量都高于同坡度2015年的平均產流量。主要原因是2015年坡面植被覆蓋度增大，植物生長情況更好，根系更加發達，對降雨的蓄滲作用更強。2.4節會對下墊面特征對徑流量影響做出分析。

將2014年5次產流測驗中各坡度土壤侵蝕量的平均值與對應的降水總量、降水強度和I30進行對比分析，結果表明土壤侵蝕量前期隨雨強、總降水量和I30的增加而增大，7月19日出現最大值，隨后逐漸減小(圖9)。土壤侵蝕量與雨型關系密切，7月19日降雨量與降雨歷時較大，且前期降雨時土壤趨于飽和后出現了兩次較大的雨強，造成土壤侵蝕量增大；后期土壤侵蝕量逐漸減小與植被覆蓋度的增加對土壤表面的保護作用增強有關(表1)。8月5日的總降水量和I30均不為各測次最大值，但土壤侵蝕量較大，這與8月初人為清理雜草時對坡面土壤擾動有關。

圖9 2014年土壤侵蝕量與降水特征相關性Fig.9 Correlation between soil erosion and precipitation characteristics in 2014

同樣，將2015年5次產流測驗中各坡度土壤侵蝕量的平均值與對應的降水總量、降水強度和I30進行對比分析，結果表明除4月30日外，土壤侵蝕量前期隨雨強、總降水量和I30的增加而增大，8月4號出現最大值，隨后與雨強變化一致，先增大后減小(圖10)。4月30日降水總量、降水強度和I30均不大，土壤侵蝕量最大，這可能與4月初種植灌木時對坡面土壤擾動有關。因此，土壤侵蝕量只與雨強具有一定的相關性，分析時，應對前期降水情況和土壤、植被等下墊面特征以及人為干擾進行綜合分析，以探討土壤侵蝕量變化的驅動因素。

表1 2014年各小區植被覆蓋度變化 %

圖10 2015年土壤侵蝕量與降水特征相關性Fig.10 Correlation between soil erosion and precipitation characteristics in 2015

根據上述分析，由雨強I的分級范圍標準，將2014年、2015年10次侵蝕性降雨資料按2種類型分別統計，分析不同時段不同雨強下的產沙情況，見圖11。

圖11 不同時段雨強條件下坡面產沙量與坡度的關系Fig.11 The relationship between slope and soil erosion in different rainfall intensity time periods

結果表明，在低雨強條件下，坡面產沙量受坡度作用力的影響較大，坡面產沙量隨坡度的增加而增大。當雨強I30≥40 mm/h并逐漸增大時，坡面產沙量隨坡度的變化在20°左右出現異常，產沙量增速快速下降。從整體來講，在濟南南部山區，坡面產沙量隨降雨強度的增加而增大。

2.4 下墊面特征對水土流失量的影響

針對2015年每個坡度的產流量均比2014年多，產沙量均比2014年小的情況，分析下墊面情況對產流量與產沙量的影響。

為盡量排除雨強等因素干擾。經過對比，選取2014年8月5日和2015年5月12號兩組數據，2014年8月5日降雨量為22 mm，雨強為14.67 mm/h，I30為38 mm/h，植被覆蓋度為34.7%；2015年5月12日降雨量為27.2 mm，雨強為13.84 mm/h，I30為40.8 mm/h，植被覆蓋度為46.6%。在兩種植被覆蓋度條件下，坡面產流量、產沙量與坡度的關系見圖12。

圖12 不同時段下墊面條件下坡面產流、產沙量與坡度的關系Fig.12 The relationship between slope and runoff/soil erosion in different surface condition time periods

分析圖12，得不同植被覆蓋度條件下，2015年每個坡度下的產流量、產沙量均比2014年少。從整體趨勢來講，植被覆蓋度上升，產流量、產沙量均減小。產沙量減少的尤為明顯，因此，通過在坡面種植植物，水土流失程度可以明顯減弱。

3 結論與討論

本研究通過分析不同坡度因子(5、10、15、20和25°)對徑流小區坡面產流、產沙量的影響，研究了濟南南部山區的坡面土壤流失特征，得出以下結論。

(1)徑流小區建設初期，土壤疏松，土表裸露，土壤侵蝕量隨坡度的減小而增大。隨著小區土壤特征的穩定，5°、10°坡面徑流深和土壤侵蝕量均較小，隨著坡度的增加，徑流深和土壤侵蝕量的最大值主要出現在20°坡面，其次為25°坡面，因此可將20～25°作為濟南南部山區水土流失的臨界坡度。這與之前學者研究結論是一致的，即在未消除雨滴擊濺動力時，土壤侵蝕量隨與坡度呈正相關，但遞增到一定程度后，二者呈反相關，即存在一個臨界坡度，且該值大致在22～30°之間。從兩年的土壤侵蝕量來說，2015年灌木種植后，較2014年水土流失明顯減弱，因此應重視裸露緩坡的保護。

(2)通過對歷次產流降水過程中的不同坡度平均徑流深進行對比分析，結果表明徑流深與平均雨強具有較好的相關性，同時與總降水量和I30在部分測次具有一致的變化趨勢。對2014、2015兩年雨強與徑流深進一步分析，得出在同一坡度下，徑流量隨著雨強的增大而增大的結論。

(3)通過對歷次產流降水過程中的不同坡度土壤侵蝕量進行對比分析，結果表明土壤侵蝕量與雨強具有一定相關性，而與總降水量和I30未表現出相關關系。通過對應同時考慮人為干擾和土壤、植被等下墊面因素的共同作用。對2014、2015兩年雨強與土壤侵蝕量進一步分析，得出在同一坡度下，土壤侵蝕量隨著雨強的增大而增大的結論。

(4)通過對兩場次雨強相近的降雨不同下墊面情況下的產流量與產沙量進行分析，結果表明徑流深與土壤侵蝕量隨植被的覆蓋程度的增加而減少，植被措施對水土保持有重要意義。

由于徑流小區屬于新建項目，僅歷時兩年，故本研究僅獲取到2014年和2015年共兩年數據，研究結果存在一定的時間局限性，將來有待持續觀測、收集更多資料來進一步分析和驗證。總結經驗，吸取教訓，今后應繼續進行對徑流小區觀測和數據積累，進一步深入開展土壤侵蝕的相關研究，爭取為濟南市不同自然因素條件下的坡面產流與土壤侵蝕發生發展規律的深入分析提供理論支撐，為土壤坡面侵蝕防治措施的制定提供可靠依據。

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