紫色土区土地利用类型与降水变化对水土流失的影响

刘纪根，李 蓉

（1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；2.长江水利委员会网络中心信息所，武汉 430010）

紫色土区土地利用类型与降水变化对水土流失的影响

刘纪根1，李 蓉2

（1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010；2.长江水利委员会网络中心信息所，武汉 430010）

以川中丘陵区鹤鸣观小流域及其3个试验小区2个试验阶段（1983-1986年，1989-2000年）为研究对象，分析了不同土地利用类型水土流失特征、径流侵蚀对降水变化的响应及小流域综合治理后的效益。结果表明：对于第一阶段，不同雨强下的径流深变化依次是荒地＞草地＞坡耕地；侵蚀模数的变化依次为坡耕地＞荒地＞草地。对于第二阶段，其径流深变化依次是梯地＞草地＞林地；侵蚀模数的变化依次为梯地＞草地＞林地。荒地、低覆盖草地、坡耕地径流量、侵蚀量与降水变量相关系数较高，土壤侵蚀主要受降水变化影响。林地、高覆盖草地、梯地径流量、侵蚀与降水变量的相关系数较小且没有显著性，可能是植被覆盖、土壤特性对减缓径流和侵蚀过程具有重要作用，说明土地利用／覆被变化具有明显分异的水土流失效应。由于水土保持综合治理的作用，1990-2004年小流域多年平均径流量比1985-1989年多年平均径流量减少30.67%，多年平均输沙量减少91.29%，多年平均含沙量减少76.05%。

紫色土区；土地利用类型；降水变化；水土流失；影响

土地利用变化对地表径流和土壤侵蚀的影响研究是自然地理过程研究的热点问题之一。近年来，国内外专家对此问题展开了一系列研究。彭文英（2001）研究了不同土地利用方式产流产沙随降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力变化的规律［1］。王维明（2006）分析了闽北不同土地利用类型的土壤流失量差异及次降雨量与土壤流失量的关系［2］。黄志霖（2005）通过黄土丘陵区坡耕地、草地的径流、侵蚀观测数据，分析不同坡度、土地利用模式和降水变化的水土流失分异［3］。卫伟（2006）研究了半干旱黄土丘陵沟壑区降水特征值及下垫面因子对水土流失的影响规律［4，5］。张志强［6］、张晓明［7］、纳磊［8］、张建军［9］等从流域角度上探讨了流域侵蚀产沙对土地利用变化的响应。其研究大多限制在黄土高原，对川中紫色土的研究相对很少。蔡强国（1998）通过人工模拟降雨试验探讨了紫色土陡坡地不同土地利用对水土流失过程的影响［10］。刘刚才（2001）研究了四川低山丘陵区不同土地利用类型年均、月均水土流失特征［11］。韩建刚（2005）探讨了紫色土区不同雨型下土壤流失对不同土地利用类型的响应特征，指出土地利用方式变化强烈影响到紫色土区小流域土壤流失量，而雨型变化对其影响相对较小［12］。影响水土流失的因素和水土流失发生发展的过程极为复杂，各个因子之间互相作用，互相叠加或抵消，共同导致了径流和土壤侵蚀。紫色土区降雨充沛，下垫面变化复杂，但关于降雨及下垫面等综合作用下的地表径流与土壤侵蚀规律研究还很薄弱。本文以川中丘陵区鹤鸣观小流域及其径流小区实测资料，探讨不同土地利用的水土流失特征及其对降雨特征的响应，分析小流域综合治理后产生的效益，拟为川中丘陵区水土保持措施布局及综合治理范式提供参考。

1 研究区概况

鹤鸣观小流域位于四川省南部县境内东经105°44′，北纬31°31′。属嘉陵江一级支流西河的一条支流，流域面积2 km2左右，由3条小支沟组成，河网密度2.37 km／km2。其中Ⅰ号和Ⅱ号支沟为试验沟，其海拔高程分别为409～681m和394～680 m。支沟面积分别为0.8 km2和0.42 km2，干流长度分别为0.241 km和0.350 km，干流平均比降为50‰和310‰。流域成土母质为白垩系下统城墙岩群，土壤以沙土和中壤土为主。该地区气候温和、雨量充沛，属亚热带季风气候。据多年气象观测资料分析，多年平均降雨量为975 mm，多年平均降雨天数为142 d，汛期（5-10月）降雨量占全年降雨量的75%。

为了研究四川紫色土丘陵区流域侵蚀产沙特征，四川省升钟水土保持试验站在鹤鸣观小流域Ⅰ、Ⅱ号支沟出口布设了观测站，在Ⅱ号支沟山坡上布设了3个试验径流小区，3个径流小区的基本情况见表1，小区从1983年开始观测，支沟出口站从1985年开始观测。

表1 鹤鸣观小流域3个试验小区基本情况表Table 1 Basic condition of 3 plots in Hemingguan watershed

径流小区试验分2个阶段进行。1983-1986年为第一个阶段，把Ⅰ号小区处理为人工破坏型，场内允许放牧、割伐，破坏植被，年均覆盖率低于20%；Ⅱ号小区处理为封坡禁伐型，场内保留自然生长的马桑、黄荆、茅草，实行封禁，年均覆盖率为60%左右；Ⅲ号小区处理为自然荒坡垦种型，按当地垦坡习惯，全坡翻耕，作垄栽种了红苕、黄豆，年均覆盖率为30%。在取得1983-1986年连续4年3个小区的水土流失试验资料后，从1987年起，进行第二阶段的观测试验。在试验处理上，Ⅰ号小区由人工破坏型改为工程整地造林型，场内坡面整成0.4 m×0.6 m（宽×高）水平阶梯状，每条平台间隔1.0 m打鱼鳞形的树窝，栽植桤、柏混交幼树，坡面挖截流壕2条，断面尺寸为0.3 m×0.5 m（宽×高），两壕间隔6.0 m，用来拦截径流、泥沙；Ⅲ号小区把原来的自然坡面改为六台缓坡梯地，其平均坡度小于15°，地宽2～3 m，用青砖代替块石干砌作埂，埂高出地面0.1～0.15 m，埂宽0.24 m，砖缝作透水用，每台地横向开沟作垄2条。每年小春种豌豆，大春种红苕，套种绿、黄豆。作物覆盖率随生长期而变化，最多达60%。这2个阶段的实验小区一定程度上代表了流域的荒地、林地、草地（低覆盖、高覆盖）、坡耕地、梯地5种土地利用类型。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用水土流失特征

以鹤鸣观Ⅱ号支沟山坡上的3个径流小区2个试验阶段（1983-1986年，1989-2000年）为例，分析了不同土地利用的径流、侵蚀变化规律（如图1至图4）。对于第一阶段：不同雨强下的径流深变化依次是荒地＞草地＞坡耕地；侵蚀模数的变化依次为坡耕地＞荒地＞草地。对于荒地来说，在降雨过程中易产生结皮，影响土壤入渗速率，因此其径流深较大。草地由于植被对降雨雨滴的消能作用，可以有效地防止土壤表层形成结皮，使之呈疏松状态，保持有较高的水流入渗率。同时发达的根系，也给水流的入渗创造良好的条件。坡面的糙率随植被盖度的增加而增加，使坡面水流流速降低，也加大水流入渗的可能性，因此其径流深相对较小。坡耕地由于犁地作用，使土壤疏松，土壤空隙大，水流入渗速率大，因此其径流深也就最小。

图1 1983-1986年不同土地利用径流深随降雨强度变化图Fig.1 Variations between runoff depth and rainfall intensity in different land uses from 1983 to 1986

图2 1983-1986年不同土地利用侵蚀模数随降雨强度变化图Fig.2 Variations between erosionmodulus and rainfall intensity in different land uses from 1983 to 1986

图3 1989-2000年不同土地利用径流深随降雨强度变化图Fig.3 Variations between runoff depth and rainfall intensity in different land uses from 1989 to 2000

紫色土坡耕地在紫色土低山丘陵区的主要几种土地利用类型（草地、林地、坡耕地等）中，其侵蚀是最严重的。坡耕地由于翻耕扰动，其土壤结构被破坏，抗蚀性差，因此，即使径流深最小，但其产生的侵蚀却是最大的。荒坡地由于植被覆盖和杂草根系的作用，其地表抗蚀性较翻耕农地大得多，所以侵蚀量较小。草地相对荒地来说，其发达的根系使土壤抗蚀性最高，因此侵蚀量最小。雨强不同，径流深、侵蚀产沙有一定差异。荒地、草地、坡耕地的径流深具有很好的同步性，其间的差值随雨强变化不是很大。

对于第二阶段，其径流深变化依次是梯地＞草地＞林地；侵蚀模数的变化依次为梯地＞草地＞林地。林地径流深、侵蚀量在不同降雨量条件下都已经非常小，而且随着雨强的变化其变化趋势也不是十分明显。这说明紫色土草地较林地而言，不利于减少径流，这主要是由于，一方面杂草截流不如树林，另一方面，草根浅而密不易形成大空隙，树木根深而稀易形成大空隙，这样草地雨水入渗率较小。但是，草地的侵蚀大于林地侵蚀量，应该归功于树木对降雨特性的改变和根系对土壤水稳定性团聚体的改善。

植被对侵蚀的抑制作用表现在：一是对降雨侵蚀力的影响；二是植物根系及枯枝落叶层对下渗和径流的影响，当降雨量和强度超过了植被拦截能力时，可产生侵蚀。人工林达到一定的覆盖率时，能截留较多的降雨量，保护地面不受或少受水滴和流水的侵蚀，减蚀作用明显。因此Ⅰ，Ⅱ号场减水减沙效益明显。林草措施蓄水保土作用大小主要依赖于植物覆盖率的变化，随着植物覆盖率的增加，其作用愈加明显。

图4 1989-2000年不同土地利用侵蚀模数随降雨强度变化Fig.4 Variations between erosion modulus and rainfall intensity in different land uses from 1989 to 2000

2.2 径流量、侵蚀量对降水变化的响应

分析降水因子与径流侵蚀之间的关系，必须从降水量、降水历时、平均雨强等相关指标入手，采用相关分析方法分别对不同土地利用的径流和侵蚀与降水特征值进行了分析，结果见表2和表3。

表2 不同土地利用径流深与降水因子的相关分析Table 2 The correlation analysis between runoff depth and rainfall factors in different land uses

表3 不同土地利用侵蚀模数与降水因子的相关分析Table 3 The correlation analysis between erosionmodulus and rainfall factors in different land uses

在同一坡面，同一场降雨下，地表产流产沙主要受地表覆盖不同的影响。而地表覆盖差异主要是土地利用不同的反映。覆盖度不同的土地利用方式在拦截雨水和入渗等方面有很大差异，这种差异必然引起产流产沙方面的差异。经过对不同土地利用径流深与降雨历时、雨量、雨强、雨量与雨强乘积进行相关分析表明，对于荒地、低覆盖草地（1983-1986年，植被覆盖度较低）、坡耕地而言，其径流深与雨量的相关系数最大，其次是雨量与雨强乘积、降雨历时，雨强与径流深的相关系数一般。林地、高覆盖草地（1989-2004年，植被覆盖度较高）、梯地的径流深则与降雨历时、雨量、雨强、雨量与雨强乘积的相关性较差。荒地、低覆盖草地、坡耕地侵蚀模数与雨量与雨强乘积的相关性最好，其次依次是雨量、雨强，与降雨历时的相关性最差。林地、高覆盖草地、梯地侵蚀模数与降雨历时、雨量、雨强、雨量与雨强乘积的相关性都较差。雨量与径流深、侵蚀模数的关系明显好于雨强，这主要与研究区的产流方式有很大的关系，在超渗产流地区往往雨强与产沙模数间的关系好于雨量与产沙模数的关系。本研究区属于蓄满产流区，产流量与降雨量的关系较雨强更为密切，而产流量又直接影响到产沙量。

不同土地利用类型，水土流失对降水变化响应结果迥异。荒地、低覆盖草地、坡耕地径流量、侵蚀量与降水变量相关系数较高，土壤侵蚀主要受降水变化影响。林地、高覆盖草地、梯地径流量、侵蚀与降水变量的相关系数较小且没有显著性，可能是植被覆盖、土壤特性对减缓径流和侵蚀过程具有重要作用，说明土地利用／覆被变化具有明显分异的水土流失效应。径流与各降水变量的相关系数较大，表明径流对降水变化响应更敏感；侵蚀与降水变量相关系数较小，说明侵蚀量除受降水因素作用外，还可能受植被、土壤和径流等更为复杂的过程或机理影响。

2.3 小流域综合治理效益分析

小流域综合治理是通过工程措施、生物措施和耕作措施的合理配置，改变流域微地貌、微地形，从而改变径流产沙的边界条件，提高土壤抗蚀抗冲能力，达到降低土壤侵蚀量的目的。

2.3.1 流域水沙特性分析

表4中列出鹤鸣观小流域Ⅱ号支沟试验期间各年实测的降雨、径流、土壤流失资料，可以看到，由于降雨状况的变化，以及综合治理活动对试验流域下垫面状况的影响，鹤鸣观小流域的年降水量、径流量、输沙量的历年变化过程呈波动变化，高低值交替出现，三者的变化过程基本对应，即雨多、水多、沙多，雨少、水少、沙少，但它们的变化幅度和离散程度依次递增。受气候条件的影响，降雨的年内分配不均匀，降雨主要集中在5-10月，汛期降雨量占年降雨量的比例平均为85%。1987年降雨量最多，产流量也最大，1996年降雨量最少。1987年年降雨量为1996年年降雨量的3.20倍，年径流量则为1996年的26.63倍。1987年的土壤流失量是1996年的2 588.75倍，变幅远大于降雨和径流变幅。1988年降雨量和1999年降雨量相差不大，但1999年的径流量相对1988年减少36.36%，土壤流失量减少91.11%。表明流域综合治理措施有效地抑制了坡面侵蚀产沙和输沙过程。

表4 试验流域1985-2004年实测降水、径流、土壤流失资料Table 4 Data of actuallymeasured rainfall，runoff and soil loss in experimentwatershed from 1985 to 2004

2.3.2 降雨量与径流量、输沙量双累积曲线

从鹤鸣观小流域Ⅱ号支沟累积年降雨量与年径流量（图5）看出，累积年径流量与累积降雨量的关系基本成一直线，即水土保持措施对径流的影响很小。但累积年降雨量与年输沙量关系（图6）看出，1989年后的斜率较1989年前的明显偏小，可见水土保持措施对减沙效果显著。若将2个自然时段截取相同的横坐标，即在降雨量相等的情况下比较输沙量，由于水土保持综合治理的作用，1989年后多年平均输沙量较1989年前减少了90.97%。

2.3.3 多年平均含沙量

图5 年降雨量与年径流量双累积曲线散点图Fig.5 Double accumulative curve between annual rainfall amount and annual runoff amount

试验小流域1989年前后多年平均径流量、输沙量、含沙量见表6。80年代前由于自然地理条件及人类活动的破坏，水土流失十分严重。80年代后由于加强水土保持工作，采取了各种保护和治理水土流失的措施，这些措施到90年代开始发挥效益。从表6中可看出，1990-2004年多年平均径流量比1985-1989年多年平均径流量减少30.67%，多年平均输沙量减少91.29%，多年平均含沙量较1989年前减少76.05%。

图6 年降雨量与年输沙量双累积曲线散点图Fig.6 Double accumulative curve between annual rainfall amount and annual sediment transportation amount

表5 水土保持综合治理效益Table 5 Benefits of comprehensive controlmeasures of soil and water conservation

表6 多年平均含沙量Table 6 Long-tern average sediment concentration

3 结 论

通过对鹤鸣观小流域径流小区2个实验阶段的对比研究以及试验流域综合治理的水保效益分析，初步得出以下结论：

（1）以鹤鸣观Ⅱ号支沟山坡上的3个径流小区2个试验阶段（1983-1986年，1989-2000年）为例，分析了不同土地利用的径流、侵蚀变化规律。对于第一阶段：不同雨强下的径流深变化依次是荒地＞草地＞坡耕地；侵蚀模数的变化依次为坡耕地＞荒地＞草地。雨强不同，径流深、侵蚀产沙有一定差异。荒地、草地、坡耕地的径流深具有很好的同步性，其间的差值随雨强变化不是很大。对于第二阶段，其径流深变化依次是梯地＞草地＞林地；侵蚀模数的变化依次为梯地＞草地＞林地。

（2）不同土地利用类型，水土流失对降水变化响应结果迥异。荒地、低覆盖草地、坡耕地径流量、侵蚀量与降水变量相关系数较高，土壤侵蚀主要受降水变化影响。林地、高覆盖草地、梯地径流量、侵蚀与降水变量的相关系数较小且没有显著性，可能是植被覆盖、土壤特性对减缓径流和侵蚀过程具有重要作用，说明土地利用／覆被变化具有明显分异的水土流失效应。

（3）鹤鸣观试验小流域累积年降雨量与累积年输沙量关系曲线1989年后的斜率较1989年前的明显偏小，表明流域综合治理措施有效地抑制了坡面侵蚀产沙和输沙过程。在降雨量相等的情况下比较输沙量，由于水土保持综合治理的作用，1989年后多年平均输沙量较1989年前减少了90.97%。由于水土保持综合治理的作用，1990-2004年小流域多年平均径流量比1985-1989年多年平均径流量减少30.67%，多年平均输沙量减少91.29%，多年平均含沙量减少76.05%。

［1］ 彭文英，张科利.不同土地利用产流产沙与降雨特征的关系［J］.水土保持通报，2001，21（4）：25-29.

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［10］蔡强国，吴淑安.紫色土陡坡地不同土地利用对水土流失过程的影响［J］.水土保持通报，1998，18（2）：1-8.

［11］刘刚才，朱 波，代华龙，等.四川低山丘陵区紫色土不同土地利用类型的水蚀特征［J］.水土保持学报，2001，15（6）：96-99.

［12］韩建刚，李占斌.紫色土小流域土壤流失对不同土地利用类型的响应［J］.中国水土保持科学，2005，3（4）：37-41.

（编辑：曾小汉）

Effect of Land Use and Rainfall Factors on Soil and Water Loss in Purp le Soil Region

LIU Ji-gen1，LIRong2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute；2.Institute of Information Research，Network Information Centre of ChangjiangWater Resources Commission，Wuhan 430010，China）

This study was carried out in Hemingguan small watershed and its 3 experiment plots in which the observation time were divided into 2 periods（from 1983 to 1986 and from 1989 to 2000）in hilly region of the central Sichuan，and the characteristics of soil and water loss of different land uses，the response of runoff and soil erosion on rainfall factors and benefits of comprehensive control measures in small watershed were analyzed.The results show as follows：In first period，runoff depth in different rainfall intensities in turn was wasteland＞grassland＞slopeland，but erosion modulus in order slopeland＞wasteland＞grassland.In second period，runoff depth successively was terrace land＞grassland＞forestry，and erosion modulus terrace land＞grassland＞forestry.The correlation degree among runoff on slopeland，soil erosion，low covered grassland and precipitation wasmuch high，which showed that soil erosion wasmainly influenced by rainfall factors.The correlation coefficient among precipitation erosion in forestry，high covered grassland and terrace land wasmuch low，itmay be that vegetative cover and soil characteristic play an important role on retarding runoff and erosion processes，which showed land use or vegetative cover had obvious effect on soil and water loss.Owing to the action of comprehensive controlmeasures of soil and water conservation，long-tern average runoff amount from 1990 to 2004 had reduced by 30.67%，average sediment transportation by 91.29%and average sediment content by 76.05%than those parameters from 1985 to 1989 respectively.

purple soil region；land use；rainfall factor；soil and water loss；effect

S157.1

A

1001-5485（2009）08-0010-05

2009-03-04；

2009-04-21

国家重点基础研究发展计划（2007CB407207）、水利部公益性行业科研专项（200701010）

刘纪根（1975-），男，湖北汉川人，高级工程师，理学博士，主要从事流域侵蚀产沙、水土保持等方面的研究，（电话）027-82926207（电子信箱）jigenliu＠163.com。