貴州喀斯特區(qū)典型小流域坡面土壤侵蝕與主要影響因子的響應(yīng)

李 瑞, 張 弛, 顧再柯, 吳清林, 文雅琴

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院, 貴陽(yáng) 550001; 2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴陽(yáng) 550001; 3.盤州市老廠國(guó)有林場(chǎng), 貴州 盤州 553537; 4.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站, 貴陽(yáng) 550002)

石漠化(Rocky Desertification)是中國(guó)南方亞熱帶喀斯特地區(qū)嚴(yán)峻的生態(tài)問(wèn)題，導(dǎo)致了喀斯特風(fēng)化殘積層土的迅速貧瘠化[1]。而人口快速增長(zhǎng)導(dǎo)致的過(guò)度開(kāi)墾及不合理的耕作方式是石漠化加速、加劇的主要人為因素[2]。區(qū)域特殊的土壤侵蝕環(huán)境，導(dǎo)致土壤流失呈“二元”特征(坡面侵蝕、地下漏失)，致使這一區(qū)域土壤侵蝕的基礎(chǔ)研究開(kāi)展相對(duì)黃土高原等地區(qū)要少，尤其野外定位觀測(cè)試驗(yàn)。而我們知道，野外定位觀測(cè)對(duì)研究各土壤侵蝕因子具有重要的意義[3]，同時(shí)是水土流失防治措施的研究基礎(chǔ)。

從近年的研究報(bào)道來(lái)看，喀斯特區(qū)坡面土壤侵蝕相關(guān)研究主要集中在各土壤侵蝕因子的探討及不同水土保持措施的應(yīng)用等方面。袁應(yīng)飛等采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，開(kāi)展坡耕地土壤侵蝕特征研究，結(jié)果認(rèn)為針對(duì)喀斯特區(qū)坡耕地，降雨強(qiáng)度對(duì)其水土流失影響程度最大，其次為坡度和孔(裂)隙度[4]。任樂(lè)等針對(duì)貴州坡耕地坡面特征，開(kāi)展了野外沖刷試驗(yàn)，結(jié)果表明坡面土壤分離速率與坡度及沖刷流量均呈顯著正相關(guān)，并可用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)水流剪切力來(lái)估算貴州坡耕地土壤分離速率，同時(shí)針對(duì)有覆蓋和無(wú)覆蓋兩種地表類型進(jìn)行了沖刷試驗(yàn)，認(rèn)為在同一沖刷流量下，苔蘚覆蓋可顯著減小坡面侵蝕速率[5]；在坡耕地水土流失防治措施效應(yīng)研究方面，熊康寧等人針對(duì)典型喀斯特石漠化治理區(qū)的研究認(rèn)為，高原山地坡耕地在實(shí)施坡改梯后減沙率達(dá)92.98%，經(jīng)果林和水保林在種植初期可能因翻耕短期內(nèi)流失嚴(yán)重，但隨著植被生長(zhǎng)，侵蝕量逐年穩(wěn)定下降[6]。朱青等對(duì)貴州喀斯特黃壤區(qū)種植覆蓋保土保水效應(yīng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為玉米間作紫花苜?？杀３制赂厝旮采w，在整個(gè)雨季保持較高的覆蓋度，有較好的保水保土及保肥效果[7]。

綜上，近年來(lái)關(guān)于貴州喀斯特區(qū)土壤侵蝕機(jī)理及防治措施的研究逐步增加，但仍有較多亟待解決的問(wèn)題，如針對(duì)地形因子(LS)、蓋度因子(C)及土壤可蝕性因子(K)的基礎(chǔ)研究仍顯不足，水土保持耕作措施試驗(yàn)示范報(bào)道亦較少。本文采用徑流小區(qū)觀測(cè)法，開(kāi)展定位觀測(cè)，探討坡面土壤侵蝕與不同土地利用方式、地形及降雨等影響因子的響應(yīng)，探明各影響因子對(duì)土壤侵蝕影響的顯著性，以期為貴州喀斯特區(qū)坡面土壤侵蝕積累基礎(chǔ)研究資料，同時(shí)為區(qū)域水土流失防治提供一定參考。

1　材料與方法

1.1　觀測(cè)站點(diǎn)概述

本研究以龍里羊雞沖小流域水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)及畢節(jié)石橋小流域監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為試驗(yàn)觀測(cè)點(diǎn)，收集2013年、2014年水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展本研究。上述2個(gè)站點(diǎn)均屬貴州省水土保持監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，分布位置見(jiàn)圖1。

龍里縣羊雞沖水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于貴州省龍里縣東城郊的羊雞沖小流域，東經(jīng)107°00′53″，北緯26°26′58″。該小流域控制面積11.89 km2，始建于2004年、2009年開(kāi)始觀測(cè)，設(shè)有18個(gè)坡面種植措施徑流小區(qū)，主要種植措施包括水保林、經(jīng)果林、撂荒地及農(nóng)耕地等；畢節(jié)石橋水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位于畢節(jié)鴨池鎮(zhèn)石橋小流域，東經(jīng)105°18′45″—105°27′30″，北緯27°12′10″—27°17′30″。該小流域控制面積35.93 km2，水土流失面積9.86 km2，站點(diǎn)始建于2005年,2009年開(kāi)始觀測(cè)，建有坡面小區(qū)18個(gè)，包括坡度小區(qū)(5°，10°，15°，20°及25°)和坡長(zhǎng)小區(qū)(5，10，15，20及25 m)各5個(gè)，2013年底，該站點(diǎn)因故被拆除，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)截至2013年。

圖1水土保持觀測(cè)站點(diǎn)位置

1.2　數(shù)據(jù)獲取及處理

本文研究資料來(lái)源于上述2個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2013年、2014年逐次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括次降雨土壤侵蝕量及相應(yīng)的降雨量，其中坡面種植措施土壤侵蝕觀測(cè)資料來(lái)源于龍里羊雞沖站點(diǎn)(2014年逐次數(shù)據(jù))，地形及降雨因子觀測(cè)資料來(lái)源于畢節(jié)石橋站點(diǎn)(2013年逐次數(shù)據(jù))。徑流小區(qū)水土流失及相關(guān)氣象指標(biāo)觀測(cè)方法已有很多報(bào)道，本文不再累述，具體可參考相關(guān)文獻(xiàn)[8]。

數(shù)據(jù)整理、基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)及制圖等采用Excel 2010軟件完成，相關(guān)性及差異顯著性分析等采用SPSS 19.0軟件完成。

2　結(jié)果與分析

2.1　坡面土壤侵蝕與不同土地利用方式的響應(yīng)

圖2為龍里羊雞沖小流域3種土地利用方式2014年逐次土壤侵蝕觀測(cè)結(jié)果，從圖可看出，坡耕地在正常耕作活動(dòng)的影響下(翻耕、中耕除草等)，其次降雨土壤侵蝕量明顯高于林地和撂荒地(已恢復(fù)為天然草地)。全年單位面積土壤侵蝕總量分別為：坡耕地629.5 t/km2，林地91.3 t/km2，撂荒地4.7 t/km2，由此不難看出，坡耕地土壤侵蝕遠(yuǎn)大于林地和撂荒地。為進(jìn)一步探明3種土地利用方式對(duì)土壤侵蝕的響應(yīng)，我們對(duì)全年逐次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明，在0.05的水平上，坡耕地土壤侵蝕顯著高于林地和撂荒地；在0.01水平上，坡耕地和撂荒地差異顯著，而和林地差異不顯著，見(jiàn)表1。基于上述結(jié)果不難看出，坡耕地撂荒可大幅度降低土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，但耕地是農(nóng)民賴以生存的根本，不會(huì)輕易將土地荒蕪。對(duì)此，研究者及相關(guān)職能部門應(yīng)針對(duì)喀斯特區(qū)地形破碎、耕地分散等特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)示范等途徑引導(dǎo)農(nóng)民改變傳統(tǒng)耕作方式，在保證產(chǎn)量的基礎(chǔ)上采取水土保持耕作措施。

圖2　羊雞沖小流域2014年3種土地利用方式土壤侵蝕表1　3種不同土地利用方式土壤侵蝕差異顯著性檢驗(yàn)

注：小寫字母表示0.05顯著性水平的比較結(jié)果，大寫字母表示0.01水平。

2.2　坡面土壤侵蝕與地形因子的響應(yīng)

為探明坡長(zhǎng)因子對(duì)坡面土壤侵蝕的影響，我們對(duì)石橋站點(diǎn)坡長(zhǎng)徑流小區(qū)(坡度15°、寬2.5 m，全年保持清耕裸露狀態(tài))2013全年觀測(cè)記錄的28次觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨坡長(zhǎng)的增加，坡面土壤侵蝕呈遞增趨勢(shì)，5，10，15，20及25 m坡長(zhǎng)小區(qū)全年土壤侵蝕總量分別為5 463，6 260，9 330，12 424及14 934 t/km2，見(jiàn)圖3。同時(shí)我們也注意到，在保持地表裸露的狀態(tài)下，各坡長(zhǎng)小區(qū)年土壤侵蝕均遠(yuǎn)大于貴州省喀斯特區(qū)平均土壤侵蝕模數(shù)279.47 t/(km2·a)(據(jù)《貴州省水土保持公告(2011—2015)》)。為進(jìn)一步探明坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響，對(duì)5個(gè)坡長(zhǎng)小區(qū)全年逐次觀測(cè)值進(jìn)行 Kruskal-Wallis H(K)檢驗(yàn)，結(jié)果為p=0.985>0.05，表明坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響并不顯著。此外，針對(duì)全年降雨量大于40 mm的5次土壤侵蝕觀測(cè)值進(jìn)行了t檢查，結(jié)果顯示任何兩個(gè)坡長(zhǎng)小區(qū)之間土壤侵蝕差異均未達(dá)顯著水平。上述結(jié)果表明，隨坡長(zhǎng)增加，侵蝕量呈遞增趨勢(shì)，但坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響并未達(dá)顯著水平。

圖3石橋站點(diǎn)2014年不同坡長(zhǎng)土壤侵蝕

關(guān)于坡度對(duì)坡耕地土壤侵蝕的影響，由于石橋站點(diǎn)20°及25°小區(qū)內(nèi)部存在裸露巖石(圖4)，可能導(dǎo)致上述2個(gè)坡度小區(qū)較5°，10°及15°坡面小區(qū)的坡面徑流流速、流態(tài)等水力學(xué)參數(shù)發(fā)生了較大改變，從而影響了土壤侵蝕，同時(shí)還存在因巖石出露而導(dǎo)致地下水土漏失的可能，因此5個(gè)坡度小區(qū)所測(cè)結(jié)果可比性不強(qiáng)，本文在此對(duì)坡度因子不作討論。

圖4石橋站點(diǎn)20°及25°徑流小區(qū)現(xiàn)狀

2.3　坡面土壤侵蝕與降雨量的響應(yīng)

采用石橋站點(diǎn)2013年5個(gè)坡長(zhǎng)小區(qū)28次土壤侵蝕觀測(cè)結(jié)果，及同步降雨觀測(cè)資料，分析降雨量對(duì)坡面土壤侵蝕的影響。采用逐次觀測(cè)結(jié)果，進(jìn)行了指數(shù)、線性及多項(xiàng)式擬合，其中線性及二次多項(xiàng)式曲線見(jiàn)圖5。從圖5可看出，5個(gè)坡長(zhǎng)徑流小區(qū)全年28次土壤侵蝕量和相應(yīng)降雨量之間存在緊密的關(guān)系，其中以二次多項(xiàng)式擬合效果最好，決定系數(shù)均大于0.5。進(jìn)一步的Pearson秩相關(guān)分析表明，5個(gè)小區(qū)坡面土壤侵蝕和降雨量在0.01水平上呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.627，0.603，0.610，0.631及0.609(表2)。上述結(jié)果表明，降雨量同坡面土壤侵蝕之間存在緊密的相關(guān)關(guān)系，隨著降雨量的增加，坡面侵蝕量呈拋物線形式遞增。

圖5土壤侵蝕與次降雨量關(guān)系擬合曲線

3　討論與結(jié)論

3.1　討 論

坡耕地是我國(guó)南方水土流失的主要策源地[9]，本研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。長(zhǎng)期不合理的耕作方式，加之區(qū)域土層瘠薄，降雨強(qiáng)度大且集中，故而在耕作侵蝕、水力侵蝕及重力侵蝕等多重侵蝕力作用下，土壤逐年流失，最終導(dǎo)致土地石漠化，見(jiàn)圖6。從目前貴州省坡耕地水土流失治理現(xiàn)狀來(lái)看，仍主要以國(guó)家坡耕地水土流失綜合治理專項(xiàng)為主，但國(guó)家治理專項(xiàng)投資有限，加之區(qū)域坡改梯難度大，目前治理范圍較為有限，因此，未來(lái)喀斯特區(qū)坡耕地水土保持研究應(yīng)重視水土保持耕作措施等非工程措施的試驗(yàn)與示范。從目前文獻(xiàn)報(bào)道情況來(lái)看，秸稈還田等水土保持耕作措施調(diào)控水土流失的有效性已被廣泛證實(shí)[10-12]，但喀斯特區(qū)相關(guān)試驗(yàn)、示范及實(shí)踐較黃土高原區(qū)等地區(qū)報(bào)道要少。因此，在未來(lái)的相關(guān)研究工作中，研究者應(yīng)針對(duì)喀斯特區(qū)坡面地形破碎、坡改梯難度大等特點(diǎn)，為農(nóng)民和土地管理者提供科技支撐，為他們提供以證據(jù)為基礎(chǔ)的水土保持耕作措施試驗(yàn)示范，引導(dǎo)他們改變傳統(tǒng)耕作方式，使之實(shí)施更可持續(xù)的土地管理實(shí)踐[13]。

2013年石橋小流域觀測(cè)結(jié)果顯示，坡面土壤侵蝕隨坡度的增加，先增加，然后大幅度減少(圖7)，這與通用土壤流失方程(USLE)及其他研究成果給出的結(jié)論有一定出入[14]，原因前文已述，主要是20°，25°小區(qū)較5°，10°及15°小區(qū)出現(xiàn)了較大面積的露裸巖石，導(dǎo)致小區(qū)下墊面狀況不一致，從而可能導(dǎo)致20°，25°小區(qū)侵蝕結(jié)果發(fā)生大幅改變。事實(shí)上我們知道，在研究坡度因子時(shí)，改變的只能是坡度，其他侵蝕影響因子諸如地表覆蓋度、土壤及巖石出露率等需要嚴(yán)格控制，使產(chǎn)生的誤差在可接受范圍。但是，相對(duì)黃土高原、東北黑土等區(qū)域，喀斯特區(qū)地形破碎、巖溶發(fā)育，野外試驗(yàn)要控制上述巖石出露率等因子十分困難，尤其是中、強(qiáng)度石漠化地區(qū)，這也是迄今為止喀斯特區(qū)土壤侵蝕野外定位觀測(cè)試驗(yàn)相對(duì)較少的原因之一。在相關(guān)科研及生產(chǎn)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，由于區(qū)域土壤侵蝕基礎(chǔ)研究的不足，使得通用土壤流失方程在貴州省水土流失預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)及規(guī)劃中的應(yīng)用受到了一定的限制。地形因子(LS)的計(jì)算往往借鑒其他特定區(qū)域坡度坡長(zhǎng)計(jì)算公式，如Liu基于黃土高原地區(qū)的坡度、坡長(zhǎng)公式等[14-15]。我們知道，喀斯特區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖溶發(fā)育，坡面地形破碎，基于其他區(qū)域的地形因子計(jì)算公式往往不適用于喀斯特區(qū)。目前，喀斯特區(qū)地形因子的研究已有部分報(bào)道，如楊子生針對(duì)滇東地區(qū)坡耕地土壤侵蝕研究得出的LS計(jì)算公式等[16]，但仍局限于特定范圍和特定的坡面條件下應(yīng)用。因此，未來(lái)喀斯特區(qū)應(yīng)重點(diǎn)針對(duì)不同石漠化等級(jí)，加大地形因子的野外定位觀測(cè)力度，逐步建立適用于喀斯特區(qū)不同石漠化等級(jí)、不同坡面狀況下的地形因子公式。

表2　土壤侵蝕與次降雨量的Pearson秩相關(guān)分析

注:**表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

圖6喀斯特區(qū)典型石漠化坡耕地演替示意圖

圖7石橋小流域2013年坡度小區(qū)土壤侵蝕觀測(cè)結(jié)果

3.2　結(jié) 論

貴州喀斯特區(qū)典型小流域坡面不同土地利用方式對(duì)土壤侵蝕的影響較為顯著，幾種土地利用方式中，坡耕地土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)最高，林地次之，撂荒地最低；隨著坡長(zhǎng)增加，坡面土壤侵蝕量呈遞增趨勢(shì)，但坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕的影響并未達(dá)顯著水平；降雨量同坡面土壤侵蝕之間關(guān)系十分密切，在0.01水平上，坡面土壤侵蝕與降雨量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。

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