雨強(qiáng)和土地利用方式對豫西南山區(qū)有機(jī)質(zhì)流失的影響

李中原, 王國重, 屈建鋼, 徐建昭, 閆東鋒

(1.河南省水文水資源局, 河南 鄭州 450003; 2.黃河水文水資源科學(xué)研究院, 河南 鄭州 450004;3.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站, 河南 鄭州 450008; 4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

雨強(qiáng)和土地利用方式對豫西南山區(qū)有機(jī)質(zhì)流失的影響

李中原1, 王國重2, 屈建鋼3, 徐建昭3, 閆東鋒4

(1.河南省水文水資源局, 河南 鄭州 450003; 2.黃河水文水資源科學(xué)研究院, 河南 鄭州 450004;3.河南省水土保持監(jiān)督監(jiān)測總站, 河南 鄭州 450008; 4.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 河南 鄭州 450002)

[目的] 研究丹江口水庫水源區(qū)不同降雨強(qiáng)度和土地利用方式對土壤中有機(jī)質(zhì)流失的影響，為該區(qū)域的面源污染和水土流失防治提供依據(jù)。[方法] 通過人工模擬降雨試驗(yàn)，以豫西南山區(qū)5種常見土地類型的表層土壤為研究對象，應(yīng)用雙因素方差分析，研究雨強(qiáng)和土地利用方式對土壤中有機(jī)質(zhì)的影響。[結(jié)果] 雨強(qiáng)對徑流中有機(jī)質(zhì)的流失影響顯著，雨強(qiáng)越大流失量也越大，而土地類型對其影響不大；泥沙中的有機(jī)質(zhì)流失量受雨強(qiáng)和土地類型的影響均顯著，隨雨強(qiáng)增加而增大；農(nóng)用地(梯田和坡耕地)中隨泥沙流失的有機(jī)質(zhì)含量較高，林草地則低；分別對徑流和流失泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量與雨強(qiáng)作回歸分析，均顯示出多項(xiàng)式擬合效果最好(除灌草地的泥沙擬合外)。[結(jié)論] 梯田作為一種水保措施，能夠保持養(yǎng)分和水土流失，因此其土壤中富集的養(yǎng)分也最多；林草地土壤結(jié)構(gòu)較好，能夠減緩?fù)寥狼治g，因而流失的養(yǎng)分也較少。

人工降雨; 雨強(qiáng); 有機(jī)質(zhì); 土地利用; 方差分析

文獻(xiàn)參數(shù)： 李中原, 王國重, 屈建鋼, 等.雨強(qiáng)和土地利用方式對豫西南山區(qū)有機(jī)質(zhì)流失的影響[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：029-033.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.005； Li Zhongyuan, Wang Guozhong, Qu Jiangang, et al. Effects of rainfall intensity and land use on organic matter loss in southwest coteau of He’nan Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：029-033.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.005

降雨是坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙的先決條件，伴隨著土壤侵蝕，附著在土壤顆粒表面的各種養(yǎng)分必然會隨之流失[1]。土壤中養(yǎng)分的流失量除了與降雨因素有關(guān)，還受土地利用類型的影響[2-5]。近年來國內(nèi)外學(xué)者從降雨強(qiáng)度、土地利用方式、耕作措施等方面對土壤中養(yǎng)分的流失進(jìn)行了大量研究[6-10]。其中，通過人工模擬降雨方法來研究土壤養(yǎng)分流失規(guī)律已成為一種重要研究手段，該方法不僅能夠檢驗(yàn)天然降雨條件下得出的研究結(jié)論，還可以加快研究進(jìn)程，提高工作效率，在短時(shí)間內(nèi)獲得大量資料，而且易于控制，使研究的問題標(biāo)準(zhǔn)化、具體化[11-13]。

丹江口水庫是南水北調(diào)中線工程的水源區(qū)，其水質(zhì)的好壞與南水北調(diào)工程的成敗息息相關(guān)[14]。丹江口水庫的水源區(qū)因地形地貌、土壤植被、降雨和人為活動等影響，水土流失嚴(yán)重，如不加以控制，流失的土壤中攜帶的化肥、農(nóng)藥、殺蟲劑殘留物等污染物一旦進(jìn)入水庫，就會嚴(yán)重影響丹江口水庫的水質(zhì)安全[15-16]。本文擬選取河南南陽丹江口水庫水源區(qū)常見的5種土地利用類型作為研究對象，使用中國科學(xué)研究院水土保持研究所的室內(nèi)人工模擬降雨設(shè)備，研究不同降雨強(qiáng)度和土地利用方式對土壤中有機(jī)質(zhì)流失的影響，旨在為該區(qū)域的面源污染和水土流失防治提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省南陽市西部，涉及西峽、淅川、內(nèi)鄉(xiāng)、鄧州4個(gè)市(縣)，屬于丹江口水庫水源區(qū)。北邊為海拔1 000 m以上的中山區(qū)，山高坡陡；南邊為丹江口水庫庫區(qū)及環(huán)庫丘陵壟崗區(qū)，地形破碎；中間屬淺山區(qū)，溝壑縱橫，地形十分復(fù)雜。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)型大陸性氣候，多年平均降雨量為820 mm，降水年內(nèi)分配不均，60%以上集中于汛期，暴雨集中，強(qiáng)度大，歷時(shí)短，入滲有限，使得地表徑流量較大，再加上山嶺起伏，溝壑交錯(cuò)，加劇了水土流失。20世紀(jì)80年代以來，該區(qū)域以坡改梯、經(jīng)濟(jì)林草和坡面蓄排水工程為重點(diǎn)，開展山、水、田、林、路的綜合治理，使水土流失得到了一定的控制。

1.2 試驗(yàn)裝置與材料

本試驗(yàn)在坡面小區(qū)上進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備由人工降雨模擬裝置系統(tǒng)、試驗(yàn)土槽、徑流泥沙采樣系統(tǒng)、徑流量測系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。人工降雨裝置采用厚度為2 mm的鋼板制作，裝置總高度為1.6 m，裝置保持5°傾斜。裝置上方設(shè)有均勻孔徑的布水器，降雨高度為1.05 m，雨強(qiáng)的控制用轉(zhuǎn)子流量計(jì)。土槽尺寸70 cm×40 cm×20 cm。徑流出口尺寸為30 cm×3 cm×3 cm，徑流出口處接流裝置為水盆。

人工降雨試驗(yàn)于2012年4—8月在中國科學(xué)院水土保持研究所進(jìn)行，設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm/min。設(shè)定雨強(qiáng)為0.5 mm/min，待填裝好一種土壤后，啟動模擬降雨裝置，等產(chǎn)流時(shí)開始計(jì)時(shí)，每10 min取1次水樣和土樣。100 min后，停止人工降雨，挖出土壤，裝入另一種土壤，在同一個(gè)雨強(qiáng)下，繼續(xù)降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)過的土壤，置于容器中，自然風(fēng)干，等待下一個(gè)雨強(qiáng)使用。依次測定5種土壤在6種雨強(qiáng)下的徑流和泥沙中有機(jī)質(zhì)的含量。

供試土壤來自丹江口水庫水源區(qū)研究區(qū)5種常見的土地類型：喬木林、灌草地、梯田、坡耕地、荒草地。選擇這5種土地利用方式的代表性樣地，分別采集耕層(0—20 cm)的土壤，不過篩，保持原狀整體運(yùn)裝回實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)土壤的容重和土槽的面積，計(jì)算需要填充的土壤量。填充土壤時(shí)，每填充2.5 cm，壓實(shí)1次，在填充上層土料之前，疏松下層土壤表面，以防土層之間出現(xiàn)分層。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雨強(qiáng)和土地利用方式對徑流中有機(jī)質(zhì)含量的影響

不同雨強(qiáng)下各種土地利用類型的土壤徑流中有機(jī)質(zhì)流失量及其均值見表1所示。由表1可知：隨著雨強(qiáng)的增加5種土地類型的土壤徑流中有機(jī)質(zhì)的含量也隨之增加：當(dāng)雨強(qiáng)<2.0 mm/min時(shí)，5種用地徑流中有機(jī)質(zhì)含量的均值小于1.0 mg，差異不大；當(dāng)雨強(qiáng)≥2.0 mm/min時(shí)，各用地徑流中有機(jī)質(zhì)的平均含量急劇增加，超過2.0 mg；當(dāng)雨強(qiáng)≥3.0 mm/min時(shí)，其均值超過3.5 mg。相同降雨強(qiáng)度下，各種土壤徑流中有機(jī)質(zhì)的平均含量雖然略有差異，但差別不是很大，其最大差異不超過0.55 mg。表2中，用SAS軟件做了雨強(qiáng)和土地利用方式作用下徑流中有機(jī)質(zhì)含量的雙因素方差分析(置信水平為0.01)，也能說明這一現(xiàn)象。

表1 不同雨強(qiáng)和土地利用方式下徑流中有機(jī)質(zhì)含量 mg

由表2可以看出：雨強(qiáng)對徑流中有機(jī)質(zhì)含量的影響顯著，其顯著性水平為Pr<0.000 1，極顯著；土地類型的影響不顯著，其顯著性水平為Pr=0.065 9。

表2 徑流中有機(jī)質(zhì)流失的雙因素方差分析

2.2 不同雨強(qiáng)和土地利用方式對泥沙中有機(jī)質(zhì)流失量的影響

不同雨強(qiáng)下各種土地利用類型的流失泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量見表3所示。由表3可知：隨著降雨強(qiáng)度的增加流失泥沙中有機(jī)質(zhì)的含量也隨之增加：當(dāng)雨強(qiáng)≤0.5 mm/min時(shí)，各種用地中基本沒有泥沙流失，也就談不上有機(jī)質(zhì)的流失；當(dāng)雨強(qiáng)≥1.0 mm/min時(shí)，各種用地流失泥沙中有機(jī)質(zhì)的平均含量都超過1.60 mg； 雨強(qiáng)≥1.5 mm/min時(shí)，其有機(jī)質(zhì)流失量也急劇增加，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到2.5 mm/min時(shí)，有機(jī)質(zhì)的平均流失量幾乎達(dá)到6.0 mg； 雨強(qiáng)≥3.0 mm/min時(shí)，流失的泥沙更為明顯，有機(jī)質(zhì)的流失超過14 mg。

比較表1和表3，泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量要高于徑流，說明有機(jī)質(zhì)主要是被泥沙顆粒所吸附。這是因?yàn)椋和寥鲤B(yǎng)分流失與土壤流失是同時(shí)發(fā)生的，土壤流失首先是細(xì)顆粒的流失，細(xì)顆粒泥沙對養(yǎng)分具有較強(qiáng)的吸附作用，從而導(dǎo)致了養(yǎng)分流失的富集現(xiàn)象[17-18]。不同雨強(qiáng)下，5種用地泥沙中有機(jī)質(zhì)的含量差異較大，由高到低依次是:梯田>坡耕地>荒草地>喬木林>灌草地，這也說明梯田作為一種水保措施，能夠保持養(yǎng)分和水土流失，因此其土壤中富集的養(yǎng)分較多；當(dāng)?shù)匾话闶┯玫氖菑?fù)混肥，因此坡耕地中有機(jī)質(zhì)含量豐富；林草地的土壤結(jié)構(gòu)較好，能夠減緩養(yǎng)分流失和土壤侵蝕。

表3 不同雨強(qiáng)和土地利用方式下泥沙中有機(jī)質(zhì)流失量 mg

雨強(qiáng)和土地利用類型對流失泥沙中有機(jī)質(zhì)含量的雙因素方差分析詳見表4。由該表可以看出：雨強(qiáng)和土地類型對流失泥沙中有機(jī)質(zhì)含量的影響都極顯著(置信水平為0.01)，其顯著性水平分別為Pr=0.009 5，0.005 2。

表4 流失泥沙中有機(jī)質(zhì)含量的雙因素方差分析

2.3 雨強(qiáng)對有機(jī)質(zhì)流失量的回歸分析

研究表明：降雨強(qiáng)度與有機(jī)質(zhì)流失量之間存在著一定的相關(guān)性，用多項(xiàng)式擬合效果較好[19-21]。用Excel軟件對模擬降雨過程中不同土地類型的地表產(chǎn)流和流失泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量與相應(yīng)的雨強(qiáng)進(jìn)行擬合，擬合方程詳見表5所示。

表5 徑流和流失泥沙中有機(jī)質(zhì)含量與雨強(qiáng)的擬合分析

注:Yr為徑流中的有機(jī)質(zhì)含量(mg)；Ys為泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量(mg)；x為雨強(qiáng)(mm/min)。

表5采用了3種方式對徑流、流失泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行擬合：線性、對數(shù)、二次多項(xiàng)式。各種土地類型中的擬合方程，都顯示隨著雨強(qiáng)的增大，徑流和泥沙中有機(jī)質(zhì)的流失量也隨之增加；灌草地的流失泥沙含量極少，除此之外，其他土地類型的徑流和泥沙數(shù)據(jù)均顯示出多項(xiàng)式擬合效果最好。

3 討論與結(jié)論

人工降雨試驗(yàn)是研究土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的重要途徑。縱觀國內(nèi)外，主要通過這種試驗(yàn)來研究降雨對某種類型土壤中養(yǎng)分流失的影響、比較不同土地利用方式下養(yǎng)分流失特征、雨強(qiáng)和土地利用對特定區(qū)域水土流失的影響，將二者相結(jié)合研究土壤中養(yǎng)分流失或者面源污染的報(bào)道就比較少，針對丹江口水庫水源區(qū)的則更為鮮見。不同用地類型其土壤結(jié)構(gòu)不同，在不同雨強(qiáng)下養(yǎng)分的流失特征也不同，尤其是峰巒起伏，地形多變，水土流失易發(fā)的丹江口水庫水源區(qū)，本研究對于該地區(qū)水保措施配置和土地利用規(guī)劃可以提供理論依據(jù)，這也是本研究的意義所在。

本研究選取丹江口水庫水源區(qū)常見的5種用地類型的表層土壤，采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究在6種雨強(qiáng)下坡耕地、梯田、荒草地、喬木林、灌草地等土壤的徑流和流失泥沙中有機(jī)質(zhì)的含量。結(jié)果表明： ① 雨強(qiáng)對徑流中有機(jī)質(zhì)的流失影響顯著，雨強(qiáng)越大土壤流失量也越大，而土地類型對其影響不大； ② 泥沙中的有機(jī)質(zhì)流失量受雨強(qiáng)和土地類型的影響均顯著，隨雨強(qiáng)增加而增大；農(nóng)用地(梯田和坡耕地)中隨泥沙流失的有機(jī)質(zhì)含量較高，林草地則低； ③ 分別對徑流和流失泥沙中的有機(jī)質(zhì)含量與雨強(qiáng)作回歸分析，均顯示出多項(xiàng)式擬合效果最好(除灌草地的泥沙擬合外)。

通過前面的分析和研究結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)坡改梯工程和退耕還林還草是丹江口水庫水源區(qū)的必然選擇，梯田作為一種水保措施，能夠保持養(yǎng)分和水土流失，因此其土壤中富集的養(yǎng)分也最多；林草地土壤結(jié)構(gòu)較好，能夠減緩?fù)寥狼治g，因而流失的養(yǎng)分也較少。

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Effects of Rainfall Intensity and Land Use on Organic Matter Loss in Southwest Coteau of He’nan Province

LI Zhongyuan1, WANG Guozhong2, QU Jiangang3, XU Jianzhao3, YAN Dongfeng4

(1.HydrologyandWaterResourcesBureauinHe’nanProvince,Zhengzhou,He’nan450003，China; 2.HydrologyandWaterResourcesofYellowRiverScientificResearchInstitute,Zhengzhou,He’nan
450004,China; 3.SoilandWaterConservationSupervisionandInspectionStationinHe’nanProvince,Zhengzhou,He’nan450008,China; 4.CollegeofForestryHe’nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou, 450002,China)

[Objective] The objective of this study is to analyze the effects of rainfall intensity and land use on loss of organic matter in southwest coteau in Danjiangkou reservoir catchment and to provide help for preventing and controlling non-point source pollution and soil erosion of the region. [Methods] Artificial rainfall experiments, two-factor variance analysis method was adopted to investigate nutrient loss in different land use types in Danjiangkou reservoir catchment and the topsoil samples were collected from five common land use types to analyze the organic matter under six levels of rainfall intensity. [Results] (1) The rainfall intensity had significant effects on the loss of organic matter in runoff while land use types had little impact on it, the higher the rainfall intensity is， the more the organic matter loss. (2) Both rainfall intensity and land types had obvious influence on the organic matter content in sediment, increasing with the increase of rainfall intensity. The organic matter content in the sediment from farmland (terraces and hilly land) was higher than that from forest and grass land, which indicated the better effects of soil and water conservation of forest and grass land. (3) The regression analysis between the organic matter content in runoff and sediment with rainfall intensity showed that polynomial fitting gives best performance(except sediment fitting of shrubby grassland) . [Conclusion] The most nutrients were rich in terraces soil, which could keep the nutrients and soil as a kind of soil conservation measures. Less nutrients were lost in woodland and grassland because of their better soil structure, which could reduce nutrient loss and soil erosion.

artificial rainfall; rainfall intensity; organic matter; land use; variance analysis

2016-03-12

2016-07-07

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃“基于分形理論的丹江口水庫水源區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染研究及防治措施”(GG201412)， “河南省丹江口水庫水源區(qū)水土保持與非點(diǎn)源污染特征研究”(GG200901)

李中原(1964—),男(漢族),河南省鄭州市人,碩士,教授級高級工程師,從事水土保持方面的工作。E-mail:lizy0723@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0029-05

S157