棲龍灣土壤侵蝕影響因子分析

王敏，靳洪杰，高宗軍，賀云鳳，張文秀，宋笑雨，張睿林

（山東科技大學，山東 青島 266590）

0 引 言

土壤侵蝕是土壤或其他地面組成物質在自然營力作用下或在自然營力與人類活動的綜合作用下被剝蝕、破壞、分離、搬運和沉積的過程。影響土壤侵蝕的因素有很多，海拔[1]、坡度[2]、降水[3]、地形[4]、植物措施和工程措施、植被[5,6]、土壤含水量[7]、風力、添加生物炭[8]等都不同程度的影響土壤侵蝕程度。坡度和降雨因子作為影響土壤侵蝕不可忽視的因素，前人做了許多研究[9,10]。Zingg[11]第一個通過實驗建立了侵蝕量與坡度的1.4次方成正比的關系。McCoo[12]發現土壤侵蝕量與坡度的關系并不是一成不變的，會出現一個轉折坡度。叢鑫[13]表示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。陳法楊[14]證實了最大侵蝕量的臨界坡度為25°。靳長興[15]從坡面流的能量理論出發，證實了臨界坡度為25°。張翔等[16]通過野外放水沖刷試驗研究發現：當坡度小于28°時，平均含沙量和產沙比與坡度呈正相關關系；當坡度超過28°時，平均含沙量和產沙比隨坡度增加而減小。鄧利強等[17]通過室內人工模擬降水試驗發現：在坡度達到25°時，徑流率呈現先增加后平穩波動的趨勢。劉旦旦[18]發現在相同坡度的徑流小區中，產流量、產沙量以及土壤養分的流失量均隨著降雨量的增加而增加；相同降雨條件下不同坡度的徑流小區，產流產沙量隨著坡度的增大而持續增加。

除關于臨界坡度的研究外，降雨因子對土壤侵蝕的影響前人也做了很多研究[19-21]。彭紹云[22]通過試驗發現土壤侵蝕量與降雨量呈線性關系。王軍[23]通過實驗研究發現最高產沙量的臨界坡度約為22°。鄭鵬[24]通過試驗發現降水強度和坡度遞增條件下，土壤徑流量和土壤侵蝕量總體呈現遞增，產流初期，變幅較大，當土壤蓄水飽和后，變幅逐步減小趨于穩定變化。向宇國等[25]研究發現：中小雨下，產沙量變化的臨界坡度為20°；大雨下的臨界坡度隨雨強的變化而改變。牛耀彬等[26]通過試驗發現：中小雨強條件下，產流率和產沙率隨歷時延續呈現波動和平穩兩個階段；大雨強條件下，產流率和產沙率隨歷時的延續呈現波動、平穩和劇烈3個階段。蘇芳莉等[27]通過試驗得出小雨強條件下松散的土壤能較好含蓄降水流失較小，大雨強條件下流失較大。李菲等[28]通過試驗得出：雨強越大的情況下坡面產流時間越早，雨滴對坡面沖蝕破壞更加明顯，徑流含沙量也更高。黃潤哲等[29]提出降雨量支配徑流量，降雨徑流提供產沙的侵蝕力，是侵蝕產沙的主要影響因素。一方面，降雨、徑流量大則侵蝕力大；另一方面，降雨徑流量雖然不大，但降雨強度及徑流強度大仍能導致較大的侵蝕力。

植物措施和工程措施同樣對土壤侵蝕產生重要影響。周檉[30]發現不同土地利用變化對農耕區土壤減蝕的貢獻排序為：退耕還草＞退耕還林＞未利用地轉耕地＞林地轉耕地＞耕地轉未利用地＞草地轉耕地。HUANG[31]通過模型估算了九源溝流域土壤侵蝕情況，發現不同土地利用條件下土壤侵蝕變化率由高到低依次為：森林＞居住區＞道路＞農田＞草地。隨著坡度的增大，土壤侵蝕呈增加趨勢。高泗強[32]通過模型得出林地、旱地和水田是重慶市侵蝕產沙主要來源地，水域、建設用地和未利用地三者以微度侵蝕為主。謝明陽[33]通過引入偏移份額模型對延安市土壤侵蝕情勢進行分析，發現林地、耕地及不同覆蓋度草地之間的比例結構變化是土壤侵蝕情勢發生階段性變化的主要原因。

棲龍灣典型小流域位于魯中山區，以棕壤為主，試驗場內25塊徑流小區土壤均為棕壤。耿靈生[34]分析發現坡度為10°和30°時侵蝕量最小；梯田有最好的保沙效益，坡耕地最差。本文通過試驗觀測和分析其中10塊徑流小區的土壤侵蝕變化，研究坡度、降雨量、降雨強度和土地利用方式對徑流小區土壤侵蝕的影響。通過分析，找出更加適合山東半島棕壤土的水土保持措施配置模式，對于山東的水土流失防治、改善生態環境提出建議。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

棲龍灣典型小流域位于萊蕪市北部山區、黃河流域大汶河支流瀛汶河中上游，總面積11.82 km2。位于東經117°34′34″～117°38′7″、北緯36°21′14″～36°23′22″。小流域海拔205～500 m。地形東高西低、南緩北陡，整體向西南傾斜。流域內干岔河主河道蜿蜒貫穿于流域中部形成溝壑網。氣候屬溫帶濕潤、半濕潤大陸性季風型，雨熱同期，季相明顯。平均降水量732 mm，多集中于夏季且多暴雨，汛期多年平均降水量561.9 mm，占73.89%。豐水年最大降水量1 352.8 mm（1964年），枯水年最小降水量331.8 mm（2014年）。流域平均氣溫為11.2 ℃，≥10 ℃的積溫4 265.9 ℃，年均日照時數為2 485.3 h，無霜期183 d。流域土壤以山地棕壤為主，侵蝕類型為北方土石山區中度侵蝕，多年土壤侵蝕模數為22 t/（km2·a），土壤侵蝕的主要形式為水力侵蝕，面蝕為主。

1.2 數據獲取

徑流小區始建于2005年，徑流小區水平投影寬5 m，長10 m，水平投影面積50 m2。徑流小區平面布置圖如圖1所示。徑流小區上部及兩側設置預制板圍埂，圍埂外側設置保護帶，寬2 m。下部設集水槽和引水槽，引水槽末端設置徑流池，池壁、池底進行防滲處理，池壁繪制量水尺，池底設排水孔，并設立自記水位計，測量蓄水容積，排水和排沙。

圖1 徑流小區平面布置圖（單位：cm）Fig.1 Floor plan of the runoff cell

小流域平均降雨量、最大年降雨量、最小年降雨量等指標根據2007-2016年實測數據分析后獲得，流域內設置自動氣象站、翻斗式數字雨量計、激光雨滴譜儀，提供流域內基礎氣象要素，觀測年降雨季節分布、年均暴雨次數、最大一次降雨量、年降雨量等指標。應用Rain Record軟件讀取程序，對自動氣象站生成的分鐘降雨數據進行計算，輸出日降雨、次降雨和降雨過程，得到最大30 min降雨強度（I30）、降雨侵蝕力等指標。

徑流小區徑流泥沙數據采用人工采集，小區監測設施由集流桶、徑流池組成。根據區域特點，重點突出坡度、坡長和植被對水土流失的影響。小區設置了10°、15°、20°、25°、30°五個自然坡度的徑流小區，每個坡度5個小區，共25個徑流小區，本文選擇10個徑流小區進行分析研究。其中10-1、15-1、20-1、25-1和30-1徑流小區主要考慮坡度和降雨因子對水土流失的影響，10-2、15-2、20-2、15-4和20-4徑流小區主要用于對比10-1、15-1和20-1小區分析植物措施和工程措施對土壤侵蝕的影響。徑流小區布局如表1所示。

表1 徑流小區布局表Tab.1 Runoff cell layout table

1.3 研究方法

本文通過分析10個徑流小區的土壤侵蝕量，分別討論了坡度、降雨量和降雨強度對土壤侵蝕量的影響。10塊徑流小區坡向和坡長均相同，因此不考慮坡向和坡長因素。分別選擇了2008年的2次產流降水、2009年的4次產流降水、2010年的3次產流降水、2011年的5次產流降水、2012年的3次產流降水、2013年的3次產流降水、2014年的2次產流降水、2015年的3次產流降水和2016年的4次產流降水。29次產流降水均為侵蝕性降水。

本研究采用Origin 2018c軟件畫出土壤侵蝕量與坡度關系圖、土壤侵蝕量與降雨量關系圖、土壤侵蝕量與降雨強度關系圖來研究坡度、降雨量和降雨強度的變化對土壤侵蝕程度的影響，用SPSS軟件進行影響因素與侵蝕量的關系擬合。通過統計徑流小區多年土壤侵蝕量來分析不同植物措施和工程措施的土壤侵蝕現狀以及土壤侵蝕影響因素。

2 結果與討論

2.1 坡度對土壤侵蝕的影響

根據10-1、15-1、20-1、25-1和30-1五塊裸地徑流小區的實測數據，繪制出各年份不同坡度的土壤侵蝕量折線圖，土壤侵蝕量與坡度關系圖如圖2所示。

圖2 土壤侵蝕量與坡度關系圖Fig.2 Plot of soil erosion and slope

由觀測數據分析發現：2008年土壤侵蝕量隨坡度的增加增大，最大侵蝕量出現在坡度為30°時，侵蝕量為7.9 kg；2009年土壤侵蝕量在10°～20°隨坡度增加增大，20°～30°隨坡度增加減小，最大侵蝕量出現在坡度為20°時，侵蝕量為0.1 kg；2010年和2016年侵蝕量在10°～15°隨坡度增加減小，15°～30°隨坡度增加增大，最大侵蝕量出現在坡度為10°時，侵蝕量分別為0.10 kg和11.24 kg；2011年10°～15°隨坡度增加侵蝕量增大，15°～25°隨坡度增加侵蝕量減小，25°～30°侵蝕量又隨坡度增加增大，最大侵蝕量出現在坡度為15°時，侵蝕量為0.20 kg；2012年10°～15°隨坡度增加侵蝕量減小，15°～25°隨坡度增加侵蝕量增大，25°～30°侵蝕量又隨坡度增加減小，最大侵蝕量出現在坡度為25°時，侵蝕量為9 kg；2013年和2015年10°～15°侵蝕量隨坡度增加增大，15°～20°隨坡度增加減小，20°～25°侵蝕量隨坡度增加增大，25°～30°時隨坡度增加減小，最大侵蝕量出現在坡度為25°時，侵蝕量分別為0.12 kg和2.02 kg；2014年10°～20°隨坡度增加侵蝕量增大，20°～25°隨坡度增加侵蝕量減小，25°～30°侵蝕量又隨坡度增加增大，最大侵蝕量出現在坡度為20°時，侵蝕量為1.89 kg。年內侵蝕降水與年際侵蝕降水侵蝕量規律基本一致。

綜上所述，在不考慮植被影響的裸地條件下，各地塊土壤侵蝕量與坡度未呈現出良好的變化規律，不同降雨條件下反映出的臨界坡度有所差別。由前人的研究可知土壤侵蝕存在臨界坡度，坡度在20°～30°，大多研究結果為25°。前人[4-6]通過試驗研究坡度對土壤侵蝕的影響，得出存在臨界坡度的結論，臨界坡度在20°～30°，大多研究結果為25°。但對于棲龍灣小流域，觀測數據未呈現出較良好的規律，坡度這個單一因素與侵蝕量的關系并不明顯，因此將坡度分別與降雨強度和降雨量結合進行分析，看能否呈現較良好的規律。

2.2 降雨量對土壤侵蝕的影響

根據10-1、15-1、20-1、25-1、30-1五塊裸地徑流小區的實測數據，繪制出29次侵蝕性降雨各徑流小區土壤侵蝕量在不同降雨量的百分比堆積柱狀圖和降雨量和土壤侵蝕量折線圖，討論坡度和降雨量對土壤侵蝕量的影響。柱狀圖如圖3所示，折線圖如圖4所示，折線圖橫坐標采用以2為底的對數坐標。

圖3 不同降雨量各坡度裸地徑流小區土壤侵蝕量占比Fig.3 Percentage of soil erosion in bare land runoff plots by slope with different rainfall amounts

圖4 不同坡度裸地徑流小區土壤侵蝕量與降雨量關系圖Fig.4 Relationship between soil erosion and rainfall in bare land runoff plots of different slopes

由圖3可知，10個降雨量區間中10～20、40～50和80～90 mm 3個區間隨著坡度增加侵蝕量也增多，且30°裸地小區侵蝕量占比均＞40%；30～40、50～60、90～100和150～160 mm 4個區間雖然隨坡度的增加侵蝕量出現過減小的趨勢，但整體來看還是隨坡度的增加增多，除90～100 mm 區間，30°裸地小區侵蝕量占比均＞40%，150～160 mm區間占比達到了68%；20～30 mm和60～70 mm區間雖然25°裸地小區侵蝕量最大，但30°小區侵蝕量占比均＞30%。可以認為，在各個降雨量變化區間，土壤侵蝕量隨坡度的增大增加。

5塊裸地小區土壤侵蝕量隨著降雨量的增加表現出一致的規律：降雨量≥15.4 mm時徑流小區發生了土壤侵蝕。降雨量為15.4、28.4、40.6、44.0、64.0 mm時侵蝕量出現了5組峰值，峰值最大值出現在降雨量為15.4 mm時，侵蝕量約9.0 kg。5組峰值均出現在降雨量＜80 mm時；降雨量≥80 mm時，土壤侵蝕量隨降雨量的增加呈現出增加的趨勢。5塊裸地小區最大侵蝕量出現在降雨量為153.5 mm時，侵蝕量約11.2 kg。土壤侵蝕量產生以上變化的原因很有可能是濺蝕率和徑流量：徑流提供產沙的侵蝕力，降雨量是影響濺蝕的主要降雨因子。在降雨量＜80 mm時，影響土壤侵蝕量變化的主要原因是濺蝕率，同樣產流前濺蝕率較小，產流后濺蝕率迅速達到峰值，之后又逐漸減小并趨于穩定；而當降雨量≥80 mm時，濺蝕率趨于穩定，徑流量為主要影響因素，降雨量越大徑流量越大，侵蝕量也隨之增多[36]。

2.3 降雨強度對土壤侵蝕的影響

根據10-1、15-1、20-1、25-1、30-1五塊裸地徑流小區的實測數據，繪制出29次侵蝕性降雨各徑流小區土壤侵蝕量在不同降雨強度的百分比堆積柱狀圖和降雨強度和土壤侵蝕量折線圖，討論坡度和降雨強度對土壤侵蝕量的影響。柱狀圖如圖5所示，折線圖如圖6所示，折線圖橫坐標采用以2為底的對數坐標。

圖5 不同降雨強度各坡度裸地徑流小區土壤侵蝕量占比Fig.5 Percentage of soil erosion in bare ground runoff plots by slope with different rainfall intensities

圖6 不同坡度裸地徑流小區土壤侵蝕量與降雨強度關系圖Fig.6 Relationship between soil erosion and rainfall intensity in bare land runoff plots of different slopes

由圖5可知，14個降雨強度區間侵蝕量占絕對優勢的為25°裸地小區和30°裸地小區，不同降雨強度區間各坡度侵蝕量出現了很大變化，不能夠得出任何的變化規律。因此，不能得出降雨強度和坡度對侵蝕量的影響。

由圖6可知，5塊裸地小區土壤侵蝕量隨著降雨強度的增加表現出一致的規律：降雨強度≥1.04 mm/h時徑流小區發生了土壤侵蝕。降雨強度在2.1、9.4和15.4 mm/h時侵蝕量出現了峰值，3組峰值侵蝕量比較平均，最大侵蝕量出現在強度為9.4 mm/h時，約11.2 kg。降雨強度＜8 mm/h時侵蝕量比較平均且侵蝕量較小；而降雨強度≥8 mm/h時侵蝕量突然增大并且出現了較為頻繁的增減變化。土壤侵蝕量并不是單一增長或減少的原因可能與濺蝕率有關：雨滴濺蝕是降雨侵蝕發生的第一步，會破壞土壤結構，分散和搬運土粒。降雨作為濺蝕發生的外營力，降雨強度是影響濺蝕產生的最顯著因素，產流前濺蝕率較小，而產流后濺蝕率迅速達到峰值，之后又逐漸減小并趨于穩定。

2.4 植物措施和工程措施對土壤侵蝕的影響

對比同一坡度下相同降雨量區間不同植物措施和工程措施的土壤侵蝕量發現，種植花生的坡耕地小區（10-2、15-2、20-2）土壤侵蝕量最大，占比＞40%，占比多的小區達到了98%。而林地小區（10-5、15-3、15-4、20-4）土壤侵蝕量很少，通常占比＜20%，占比少的小區只有1%。對于種植林木和灌草的魚鱗坑徑流小區，通常侵蝕量占比在20%左右，認為這一措施減少了裸地60%的土壤侵蝕（見圖7）。同時，隨著降雨量增多，裸地小區土壤侵蝕量占比明顯增加，可以考慮是否與植被因素有關。

李建華[35]等通過實驗研究發現相比于裸地，小區內僅種植花生會加劇土壤侵蝕程度。依據以上數據分析，發現棲龍灣試驗場符合這種規律：根據徑流小區內田間管理記錄，每年4月會對坡耕地及魚鱗坑地進行翻整，其他小區只有除草，并未造成很大的土壤擾動，以及5月進行花生的播種，9、10月份進行花生的收割，由于不斷地進行人工翻耕，破環了土壤本身的物理錨固作用和化學黏結作用，進而使土壤變得松散，更加容易發生土壤侵蝕[37]。裸地小區、耕地小區、林地小區3種徑流小區土壤侵蝕量依次為：耕地小區＞裸地小區＞林地小區。因此，相對于裸地來說，耕種方式不利于水土保持，而種植林木可以更好的減弱土壤侵蝕程度。15-4小區以及20-4小區采用了林木和魚鱗坑結合的方式，而魚鱗坑是魯北山區常見的水土保持措施，應用廣泛，數據表明侵蝕量最小，值得推廣。

2.5 植被覆蓋度對土壤侵蝕的影響

采用SPSS軟件對各個小區的植被覆蓋度和土壤侵蝕量進行相關性分析，兩者在0.01級別呈顯著性負相關，相關系數為-0.284，即植被覆蓋度越高，土壤侵蝕量越小；植被覆蓋度越低，土壤侵蝕量越大。做出散點圖，發現隨著植被覆蓋度的增加侵蝕量呈減小趨勢：覆蓋度＜10%時侵蝕量很大，最大達到了36 kg；＞10%時侵蝕量很小，均＜6 kg，與相關性分析結果一致。對植被覆蓋度和土壤侵蝕量進行擬合，發現二者符合反比例關系，關系式為：

式中：Y為土壤侵蝕量；X為植被覆蓋度。

擬合曲線見圖8。

圖8 不同植物措施和工程措施土壤侵蝕量對比Fig.8 Comparison of soil erosion by different land use types

2.6 各影響因素與土壤侵蝕量的關系

對土層厚度、有機質含量、植被覆蓋度、坡度、植物措施、工程措施、降雨量、侵蝕性降雨量、徑流量因子進行回歸檢驗，逐步回歸分析篩選出了徑流量、降雨量、植被覆蓋度和有機質含量4個因子。其中徑流量、降雨量和植被覆蓋度與土壤侵蝕量呈0.01級別的顯著性，有機質含量與土壤侵蝕量呈0.05級別的顯著性。逐步回歸模型結果為：

Y=20.245+1.576X1-0.008X2-0.047X3-18.364X4

式中：Y為土壤侵蝕量；X1為徑流量；X2為降雨量；X3為植被覆蓋度；X4為有機質含量。

3 結 論

除了坡度這一影響土壤侵蝕的重要因素，降雨量、降雨強度、植被覆蓋度和植物措施和工程措施也是土壤侵蝕不可忽視的因素。本文通過山東省萊蕪市棲龍灣綜合徑流場2008-2016年29場侵蝕性降雨的土壤侵蝕量變化來分析坡度、降雨量、降雨強度、植被覆蓋度和植物措施和工程措施對土壤侵蝕的影響。通過分析不同坡度下降雨量和降雨強度土壤侵蝕量的變化規律，發現坡度和降雨量與土壤侵蝕量相關。10°時侵蝕量最小，30°時侵蝕量最大。通過分析不同植物措施和工程措施下土壤侵蝕量大小，總結土地利用方式對土壤侵蝕的影響，發現林地有水土保持的作用。

（1）徑流場土壤類型為棕壤性土，對于萊蕪棲龍灣小流域，坡度對土壤侵蝕的影響并不明顯，要結合降雨量和降雨強度才能看出顯著相關關系。

（2）在各個降雨量變化區間，土壤侵蝕量隨坡度的增大增加。徑流提供產沙的侵蝕力，降雨量是影響濺蝕的主要降雨因子。在降雨量＜80 mm時，影響土壤侵蝕量變化的主要原因是濺蝕率，同樣產流前濺蝕率較小，產流后濺蝕率迅速達到峰值，之后又逐漸減小并趨于穩定；而當降雨量≥80 mm時，濺蝕率趨于穩定，徑流量為主要影響因素，降雨量越大徑流量越大，侵蝕量也隨之增多。

（3）土壤侵蝕量并不是單一增長或減少的原因可能與濺蝕率有關：雨滴濺蝕是降雨侵蝕發生的第一步，會破壞土壤結構，分散和搬運土粒。降雨作為濺蝕發生的外營力，降雨強度是影響濺蝕產生的最顯著因素，產流前濺蝕率較小，而產流后濺蝕率迅速達到峰值，之后又逐漸減小并趨于穩定。

（4）裸地小區、耕地小區、林地小區3種徑流小區土壤侵蝕量依次為：耕地小區＞裸地小區＞林地小區。當降雨強度和降雨量較小時，無需大規模的采取水土流失防治措施；當降雨強度或降雨量較大時，因耕種方式會加劇土壤侵蝕，所以不建議采用耕種方式，板栗結合魚鱗坑的水土保持措施效果更好。

（5）植被覆蓋度和土壤侵蝕量進行相關性分析，兩者在0.01級別呈顯著性負相關，相關系數為-0.284，植被覆蓋度越高，土壤侵蝕量越小；植被覆蓋度越低，土壤侵蝕量越大。