不同坡度下的坡面土壤侵蝕特征分析

時 宏

（北票市臺吉水利服務站，遼寧 朝陽 122122）

坡度是影響土壤侵蝕和坡面徑流的關鍵地形因子之一，降雨相同情況下不同坡度產生的坡面產流產沙量往往具有較大差異[1]。近年來，中國許多學者探索了坡面產流產沙量與坡度間的關系，如張興奇等[2]通過現場實測黔西北地區徑流小區數據發現，隨坡度增加坡面產流產沙量呈現出先增加后減少再增加的變化特征，但坡面徑流量的增加幅度相對較?。缓屠^軍等[3]結合現場實測徑流小區產流產沙量，探討了不同場次降雨下隨坡度增加坡面產流產沙量的變化特征。考慮到坡面產流產沙受坡度的影響比較復雜，不同研究對象、方法所得到的結論具有明顯差異，故進一步研究坡面土壤侵蝕受坡度因子的影響特征，對準確預測當地水土流失工作具有重要意義[4]。本研究通過設置不同坡度的徑流小區，探討分析坡面產流、土壤侵蝕受不同坡度因子的影響規律，旨在為北票市水土保持綜合治理以及水土流失監測等提供科學依據。

1 研究方法

1.1 小流域概況

北票市水土保持局在大巴溝小流域設立有監測點，該小流域屬大凌河支流蒙古營河中游，低山丘陵地貌，總面積14.85km2，海拔高程420～680m。氣候類型為大陸性季風氣候，日照充足，雨熱同期，溫差較大，年均氣溫8.8℃，均降水量474mm/a，平均徑流深110mm/a，降水量年內分配不均勻，年季間變化較大，多集中于7-9月。土壤類型以褐土為主，亞類中淋溶褐土分布廣泛，土層厚度20～110cm之間，肥力中等偏下，土壤抗沖蝕性弱，腐殖質薄，通透性差，固土保水能力和復種指數低，土壤侵蝕嚴重。由于長期的人為干擾，流域內原始植被破壞殆盡，現狀植被以人工林木和天然次生林為主，植被類型主要有灌叢、真闊混交林、針葉林，主要樹種有山杏、油松、側柏、國槐、刺槐等，農作物以谷子、玉米為主，草種有蒲公英、披堿草、狗尾草、沙大旺等，林草植被覆蓋率34.15%。

1.2 徑流小區設置

在大巴溝小流域設置5°、10°、15°、20°、25°五種不同坡度的標準徑流小區，各小區的投影面積為長20m×寬5m。然后將長5m×寬1.5m×高1.5m的集流池設置在各徑流小區的底部，預留出水口連接集水池與徑流小區，集水桶放置于集水池出水口處，主要作用是承接降雨沖刷出的泥沙和徑流量，集水桶容積250L。

1.3 常規監測方法

每次降雨后及每月1日、15日，定期監測各徑流小區植被覆蓋度、土壤含水量和水土流失量，具體如下：

1）植被覆蓋度及土壤含水量監測。將各徑流小區合理劃分成9個地塊，遵循從下到上、自西向東的原則依次測量記錄，確保監測數據的可參考性和對比性。文章選用TDR檢測儀測量土壤含水量，通過垂直于坡面拍攝的方式測定植被覆蓋度，維持拍攝高度1.5m不變。

2）水土流失監測。首先，準確測量集水桶及集水池內的泥沙量、水量，在均勻攪拌泥沙和水后取出500mL水樣，實驗室監測含沙量；然后將桶內泥沙和水倒出，打開閥門清洗集水池，為下次測量做好準備。

3）試驗方法。為形成人工坡面與草灌結合的徑流小區，開始先播種高羊茅、狗牙根、白車軸草、黑麥草等禾本科草籽，待草本植被覆蓋穩定后模擬天然坡面灌木植被分布和平均密度，然后將胡枝子、荊條等低矮灌木種植于各徑流小區內，完成分階段演替式坡面處理。

1.4 數據處理

將獲取的泥沙和徑流數據利用SPSS 20.0、Excel 2019等軟件進行統計分析，主要包括擬合處理、相關性分析和基本數據統計量等，并考慮實際需要繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 坡度與坡面產沙量、產流量的關系

不同坡度下各徑流小區2019、2020年坡面產流產沙量統計數據，不同坡度的產沙量、產流量見表1。由表1可知，降雨相同情況下，坡度從5°逐漸提高到20°時坡面產流產沙量均不斷增加；坡度繼續從20°提高到25°時，2020年產沙量及2019、2020年產流量有所減小，但2019年產沙量依然增加。究其原因，雖然各徑流小區的投影面積相同，但25°＞20°徑流小區的坡長，更長的徑流途徑使得降雨更易入滲，相應的產流量較少；此外，隨著坡度的不斷增加，25°坡面的植被生長狀況和植被覆蓋度不如20°，因此具有較高的降雨滲透性和較小的坡面產流量。而2019年植物根系還不發達，坡面植被覆蓋度較小，土壤灌溉后形成物理結皮且多處于裸露狀態，從而使得土壤侵蝕量較高，產沙量明顯增大。

表1 不同坡度的產沙量、產流量

根據實際監測數據，2019年在20°坡面上發生5次最大侵蝕量，而25°坡面僅出現2次最大侵蝕量，2020年所有最大侵蝕量都發生于20°坡面上。因此，研究認為臨界坡度為20°，即20°坡面的土壤侵蝕量達到最高。

2.2 不同雨強下坡度與產流產沙量的關系

現有研究表明，最大30min雨強I30與坡面產流產沙量的關聯性較強，故將雨強劃分成I30≥50mm/h、I30＜50mm/h兩個等級[5-6]，通過整理分析2019、2020年10場次侵蝕性降雨數據繪制出不同雨強下坡度與坡面產流產沙量的關系線，不同雨強下坡度與產流量的關系，見圖1。

圖1 不同雨強下坡度與產流量的關系

從圖1可以看出，雨強相同情況下，在5°～20°范圍時坡度與坡面產流量之間存在正相關性，隨坡度增加產流量逐漸增大；在20°～25°范圍時坡度與坡面產流量之間存在負相關性，隨坡度增加產流量逐漸減小。雨強不同情況下，I30≥50mm/h整體高于I30＜50mm/h的產流量。此外，2020年各坡度平均產流量均小于同坡度2019年數據，這是由于2020年的植物生長狀況更好，根系更加發達且植被覆蓋度更高，從而增強了坡面的降雨蓄滲作用。

考慮到2019年剛建立的徑流小區土壤條件穩定性較差，產沙量較多并且與2020年相差較大，所以選擇2019、2020年產沙量平均值來分析，不同雨強下坡度與產沙量的關系，見圖2。從圖2可以看出，在I30≥50mm/h、I30＜50mm/h雨強情況下，坡度從20°逐漸提高到25°時，坡面產沙量增長率從96.04%、105.30%減小到27.29%、1.63%。隨坡度增加雨滴擊打地表所形成的垂直于表土的分量越小，相應的激濺侵蝕力和土壤侵蝕量減小，特別是20°坡度時的臨界效應增加顯著。

圖2 不同雨強下坡度與產沙量的關系

2.3 不同植被覆蓋下坡度與產流產沙量的關系

結合相關文獻資料[7-8]，植被根系、枯枝落葉層、覆蓋度和植被類型是影響土壤侵蝕的主要因素。通過計算各徑流小區平均植被覆蓋度，發現2019、2020年不同坡度徑流小區的植被覆蓋度為35.26%、66.75%。不同植被覆蓋度下坡度與坡面產流產沙關系曲線，不同植被覆蓋下坡度與產流量的關系，見圖3； 不同植被覆蓋下坡度與產沙量的關系，見圖4。

圖3 不同植被覆蓋下坡度與產流量的關系

圖4 不同植被覆蓋下坡度與產沙量的關系

總體上，徑流小區植被覆蓋度從35.26%提高到66.75%，增長率達到89.40%，平均坡面產流量從1210.48L下降到903.66L，減少率達到25.35%，平均坡面產沙量從1440.383t/(hm2·a)下降到2.478t/(hm2·a)，減少率達到99.8%。研究表明，植被覆蓋度的增加不僅有利于減輕降雨直接沖刷表面土壤的作用，而且植被根系使得土壤的固定作用、抗沖性和抗蝕性明顯增強，有效減小了坡面產流產沙量。

2.4 徑流小區土壤侵蝕檢驗

目前，許多水土流失方程的使用都需要有特定的自然條件，普遍適用性較差，其中應用最為廣泛的水蝕模型是通用土壤流失方程(USLE)[9]。文章結合北票市水文氣象數據，利用該模型計算徑流小區土壤侵蝕量，以驗證該模型及其參數在遼西低山丘陵區北票市的實用性，其計算公式為：

式中：A為土壤侵蝕速率t/（hm2·a）；R、K、L、S、C、P為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]、土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋或作物管理因子、水保措施因子，L、S、C、P均無量綱，取值區間0～1。

1）降雨侵蝕力因子R。結合相關資料[10]，采用簡化算法計算R因子值，其中P、Pi代表年降水量(mm)和月降水量(mm)，計算公式為：

2）土壤可蝕性因子K。依據現有研究成果[11-12]，采用有機碳含量和土壤機械組成公式計算K因子值，計算公式：

式中：SAN、SIL為0.050～2.000mm的砂粒質量分數(%)和0.002～0.050mm粉粒的質量分數(%)，其中SN1=1－SAN/100，即非砂質量分數(%)；C、CLA為土壤有機碳質量分數(%)和＜0.002mm黏粒質量分數(%)。

3）坡長、坡度因子LS。根據相關文獻[13-14]，采用緩坡坡度公式、陡坡坡度公式和經典公式計算坡長因子L、坡度因子S值，計算公式為：

式中：n、θ為坡長指數和坡度，°；λ代表坡長，m。

4）植被覆蓋與管理因子C。采用植物生長期無人機拍攝的四景可見光正射影像圖和ENVI、Arc GIS軟件，利用覆蓋度與C值的關系以及像元二分法模型求解的植被覆蓋度來計算C因子值，相關公式：

式中：F為植被覆蓋度，NDVImax、NDVImin為高純度植被像元和裸地的NDVI值(歸一化植被指數)；NIR、R為近紅外波長(μm)和紅外波長(μm)

依據相關研究成果和大巴溝小流域水土保持實地調查現狀，設定2019年P因子值0.30，R因子值82.315[MJ·mm/(hm2·h·a)]，C因子值0.501；2020年P因子值0.0.35，R因子值24.165[MJ·mm/(hm2·h·a)]，C因子值0.842，2019、2020年的K因子值均取0.15。采用USLE方程計算不同坡度下各徑流小區的土壤侵蝕量，基于USLE方程的坡面產沙量，見表2。

表2 基于USLE方程的坡面產沙量

通過對比分析可知，2019年不同坡度下各徑流小區坡面產沙量實測數據遠高于USLE方程的計算值，這是由于徑流小區剛建成時的植被覆蓋度較小，土壤未經人工填壓比較疏松，在強降雨和大雨沖擊下引起的土壤侵蝕量較高；2020年不同坡度下各徑流小區坡面產沙量實測數據與USLE方程計算值相差不大，所以該模型及其參數比較適用于遼西低山丘陵區土壤侵蝕研究。

3 結 論

文章探討了不同坡度下試驗徑流小區的產流產沙量，揭示了坡度對低山丘陵區坡面土壤侵蝕的影響特征，主要結論如下：

1）隨坡度增加坡面產流產沙量均表現出先增大后減小的變化趨勢，在20°～25°范圍時的產流產沙量最高，通過分析原始記錄數據認為臨界坡度取20°與實際情況更加接近。

2）雨強不同情況下，最大30min雨強I30≥50mm/h整體高于I30＜50mm/h的產流產沙量，并且產沙量具有明顯差異。隨植被覆蓋度增加坡面產流產沙量逐漸減小。

3）不同坡度下USLE方程模擬計算的產沙量與實測結果相差較小，該模型及其參數比較適用于遼西低山丘陵區土壤侵蝕研究。