贵州喀斯特地区降雨与坡面土壤侵蚀关系研究

2012-05-07刘云芳

水土保持研究 2012年3期

李瑞，李勇，刘云芳

（1.贵州省水土保持技术咨询研究中心，贵阳550002；2.贵州省水土保持监测站，贵阳550002）

贵州是我国水土流失最为严重的省份之一，也是我国唯一没有平原支撑的省份。这里喀斯特地貌发育，坡耕地比重大，土壤侵蚀严重，大量基岩裸露，土地生产力严重下降，形成了类荒漠化现象，即石漠化。坡面水蚀是贵州省喀斯特地区主要的土壤侵蚀类型。因此，对贵州喀斯特地区降雨与坡面土壤侵蚀的关系研究具有重要的意义。

影响土壤侵蚀的因素很多，其中气候因素中的降雨是侵蚀产沙的主要动力因素之一，是引起土壤流失的最主要因子。用径流小区研究天然降雨与水土流失的关系是目前最常用的研究方法。为了探讨降雨与土壤流失的关系，石生新、冯绍元等人利用人工模拟降雨研究了降雨与土壤流失的关系［1］。降雨量的季节分布常会影响水土流失，在降雨量较大的雨季水土流失最严重，而旱季的水土流失量较小。水土流失不仅与降雨量有关，还与降雨强度密切相关［2－3］。为了能定量地预测预报土壤流失量，研究者提出了降雨侵蚀力（Rainfall Erosivity）的概念。当雨滴击溅力和地表径流冲刷力超过土壤颗粒的内聚力时，便会发生降雨侵蚀。基于这种观点，J.Schmidt等［4］通过一种理论方法对降雨侵蚀过程进行了描述，建立了降雨侵蚀的数学仿真模型。

降雨主要由雨量、雨强、降雨历时等特征值来反映，这些因子无疑都会影响水土流失，但作用并不相同。研究表明，不同雨量区之间水土流失强度有差异［5－6］，因而总雨量是研究的前提条件。从降雨与土壤侵蚀的关系研究中看，关于侵蚀性降雨标准、降雨的侵蚀力、侵蚀能量及侵蚀动态过程以及降雨因子和土壤侵蚀量间的关系都有较多研究［7－9］。坡面径流产沙方面也有大量报道［10－13］。但喀斯特地区降雨与坡面径流产沙关系方面的研究鲜见报道，本文以位于贵州喀斯特地区的龙里羊鸡冲小流域为例，研究贵州喀斯特地区降雨与坡面径流产沙关系，探讨不同植被措施下降雨与坡面土壤侵蚀的拟合关系，为贵州省喀斯特地区坡面水土流失治理提供参考。

1 研究区概况

贵州省龙里水土保持科技示范园是水利部首批水土保持科技示范园，位于贵州省龙里县东城郊的羊鸡冲小流域，属长江流域乌江水系。龙里水土保持科技示范园以羊鸡冲小流域为自然单元。主要示范内容包括：水土保持林333hm2，封禁治理及生态修复面积253hm2，经果林107hm2，母本园27hm2，苗圃13hm2，盆景观赏园2hm2，水土保持培训设施，降雨及径流观测设施，土壤侵蚀观测试验场，组织培养室，温室以及节水灌溉设施等。羊鸡冲小流域中心位置为东经107°00′，北纬26°28′，属亚热带季风气候，多年平均气温14.7℃，多年平均降雨量1 158.5mm，极端最高气温35℃，极端最低气温－3℃，积温4 274～4 574.6℃。系岩溶中低山丘陵地貌，总面积1 189hm2，是水力侵蚀为主的面状侵蚀区，属轻度水土流失区。

2 材料与方法

2.1 坡面径流小区选择

龙里水土保持科技示范园共18个径流小区，本研究根据小区不同种植模式选取其中的5个典型径流小区进行试验观测。其中种植乔木的选择6号径流小区，种植模式为杨树（Populus）＋柏树（Platycladns）；种植灌木（经济林）的选择18号径流小区，种植模式为树莓（Myrica rubra Lour.Zucc.）；农耕地选择8号径流小区，目前种植植物为秋葵（Abelmoschus esculentus）；种植草地的选择10号径流小区，目前该径流小区已形成天然草地，盖度约90%左右；撂荒模式选择12号径流小区，撂荒时间5a，目前以杂草为主，盖度约85%左右，详见表1。

表1 径流小区基本情况

2.2 观测方法

（1）雨量观测。径流场设置了一台自记雨量计和一台雨量筒，相互校验。因径流小区相对集中，无须增加雨量筒数量。在降雨日18：00更换记录纸，并相应记录雨量筒雨量。

羊鸡冲小流域径流小区相对集中，径流小区间降雨量变化不大。本次研究剔除部分因试验误差、人为误差等数据后，选取龙里羊鸡冲小流域2008—2010年3a全部降雨观测数据，计46场降雨资料进行分析。

（2）泥沙观测。在降水结束、径流终止后立即观测，首先将集流槽中泥、水扫入集流池中，然后搅拌均匀，在池中采取柱状水样2～3个（总量在1 000～3 000cm3），混合后从中取出500～1 000cm3水样，作为本次冲刷标准样。含沙量的求取，是将水沙样静置24h，过滤后在105℃下烘干至恒重，再进行计算。

本次研究，剔除试验误差数据后，选取相应降雨条件下的全部泥沙观测资料，即46场降雨条件下的全部泥沙观测数据。

（3）观测数据处理。因本研究所涉及的径流小区面积不一，规格分别为75，100，180m2。小区面积不一致，所产生的径流、泥沙等均不具备可比性，因此本研究以100m2为基本模数1M，则75m2为0.75 M，180m2为1.8M，则各小区的径流、泥沙观测数据除以相应的模数后便具有了可比性。

3 结果与分析

3.1 不同种植模式降雨量与坡面土壤侵蚀关系分析

为研究降雨与坡面产沙关系，本研究选取线性、多项式和对数3种关系进行拟合，通过比较，探讨降雨与坡面产沙的最佳拟合模型。

5种种植模式降雨—产沙关系拟合曲线见图1，从3种拟合曲线大致可以看出，5种种植模式下，降雨量与坡面土壤侵蚀的关系并非简单的线性关系。为进一步了解降雨—产沙的关系，我们对3种曲线的拟合方程进行计算，并对相关系数（R）进行统计，结果见表2。

从图1、表2可以看出，3种拟合模型中二次多项式方程拟合效果最好，相关系数均超过了0.5，分别达0.855，0.877，0.743，0.638，0.744；线性方程拟合效果次于二次多项式方程，相关系数均超过了0.5，分别为0.672，0.725，0.679，0.589，0.631，表明几种种植模式降雨—产沙均存在较高的线性关系；对数拟合方程在3种拟合模型中拟合效果最差。

3种拟合模型中二次多项式拟合效果最好，从图1也可以明显看出这一点。此外，由图1可知，降雨量较小时（如小于30mm），产沙量变化并不大，而当降雨量增大时（如大于30mm）产沙量显著增加，这在二次多项式拟合曲线图上可清晰地看出。

图1 几种不同种植模式径流小区降雨－产沙关系曲线

5种种植模式中农耕模式、乔木种植模式降雨与坡面产沙相关性最高，二次多项式相关系数分别为0.877和0.855，拟合方程分别为y＝0.1684x2－6.7812x＋71.61和y＝0.1625x2－7.1552x＋70.193；线性拟合方程相关性系数分别为0.725和0.679，线性方程分别为y＝4.7063x－70.319和y＝3.9287x－66.751；对数拟合方程为y＝89.02lnx－219.66和y＝71.499lnx－182.74，相关系数分别为0.55和0.49。

撂荒地是5种种植模式中降雨—产沙关系最不明显的，相关系数分别为：线性0.589 1、多项式0.637 7、对数0.499 7，拟合方程分别为y＝0.5685x＋1.519，y＝0.0124x2－0.2768x＋11.962和y＝11.994lnx－20.348。这表明，降雨和撂荒地坡面产沙之间存在正相关关系，但是否显著从相关系数无法确认，须进一步作显著性检验方能确定其显著性。撂荒地撂荒时间约为5a，但并不是撂荒以后就再无人为干扰，而是不定期地进行除草，这就导致降雨—产沙之间的规律性受到干扰，除草后产沙量就会偏大。因此，其拟合方程的相关系数较其它几种种植模式要低。

其它2种种植模式，即草地和灌木（经济林）坡面产沙和降雨之间均存在正相关关系。多项式拟合模型的相关系数为0.742 8和0.743 8，相关性较高；线性方程拟合模型相关系数分别为0.679和0.630 6，具有较高的线性相关关系。

表2 不同种植模式下坡面降雨—产沙拟合方程及F检验结果

从上述拟合曲线及相关系数来看，几种不同的坡面种植模式下，降雨量—产沙量之间呈现出较高的相关性。为了确定其显著性，选取线性拟合方程和二次多项式方程进行F检验，检验结果见表2。

从表2可以看出，5中不同种植类型的径流小区降雨—坡面产沙的线性、多项式拟合方程F检查结果均为显著，表明降雨量和产沙量之间在0.05的水平上呈显著正相关。

3.2 降雨强度与坡面土壤侵蚀关系分析

上述研究结果表明，降雨量与坡面产沙关系呈显著正相关，其中三种拟合方程中以二次多项式拟合效果最好，相关系数均大于0.5。但是，除降雨量之外，降雨过程、降雨历时、降雨强度等均对坡面产沙有一定影响。

为进一步研究降雨与坡面土壤侵蚀的关系，以1 h降雨量（I60）和坡面产沙量进行相关分析，5种种植模式下的雨强—泥沙量的二次多项式拟合拟合方程及相关系数见表3所示。

从表3可以看出，5种种植模式下雨强—产沙量拟合方程的相关系数也均未超过0.5，相关系数最大的树莓、草地种植模式也仅为0.37。这表明，雨强和坡面产沙并无明显的相关关系。雨强是单位时间的降雨量，雨强可能很大，但是降雨量可能很小，这是受降雨历时的影响。如2008年8月3日，龙里小流域降雨量观测值仅为12mm，降雨历时也仅为50min，其1h降雨强度高达14.9mm，但其5个径流小区的产沙量均较小，分别为7.14，11.57，7.93，5.71，4.48 g。这就合理的解释了降雨强度和坡面产沙之间并无明显的相关关系。

表3 雨强－产沙二次多项式拟合方程及相关系数

4 结论与讨论

（1）研究表明，5种不同种植模式的径流小区降雨量与坡面土壤侵蚀的线性、二次多项式关系在0.05的显著性水平上均呈显著正相关。相关关系最明显的是乔木种植小区和耕地种植小区，二次多项式拟合方程的R值分别达0.855 2和0.876 5，F检验值分别为58.52和71.30，呈显著正相关。

观察图1中乔木林种植小区二次多项式曲线，可以发现，降雨量小于40mm时，产沙量非常小，多不足10g。究其原因，一方面乔木的截留作用较草地等明显，这就延长了径流产生时间，也即产沙较草地等其它种植模式滞后，减少了土壤侵蚀。此现象说明，林地种植模式在降雨初期和雨量较小时，水土保持功能较为明显。但随着降雨量的增大，林地种植小区产沙量迅速增大（见图1乔木拟合曲线），增幅大于草地、撂荒地等。这主要是因为乔木种植小区树龄小（2006年种植），未形成灌木层、草本层和枯枝落叶层；降雨前期和雨量较小时，灌木种植小区和乔木种植小区情况类似，也因林冠截留作用，泥沙量较小，随着降雨量的增大，灌木林的产沙量增大幅度也较大，大于草地和撂荒地，但不及乔木林；草地和撂荒地在降雨前期截留效果不明显，产沙量大。综合来看，灌木林（经济林）水土流失防治效果较好。

一般而言，坡面水土流失最佳防治模式应当是乔灌草混交模式，即林下种植灌木和播种草籽，形成林、灌、草3层。但从大面积水土流失防治来讲，要进行林灌草3层种植并不容易，投资大，见效慢。从本研究来看，灌木林（经济林）种植模式可取到较好的水土流失防治效果，同时还能产生经济效益，是值得推广的一种水土流失防治模式。此外，封育也不失为一种简单易行的防治模式。贵州省降雨丰富，封育条件下可使植被自然恢复，形成天然草地，亦能起到较好的水土流失防治效果。

（2）研究表明，5种不同种植模式的径流小区坡面产沙与降雨强度的相关关系均不明显，二次多项式拟合方程相关系数分别为0.36，0.37，0.33，0.31，0.37，表明雨强—产沙量相关关系不明显，这主要是坡面土壤侵蚀的其它因素引起的。

从图1可知，在降雨量较小时，坡面产沙差异并不明显，当降雨量较大时，坡面产沙迅速增加。我们知道，径流产沙有一个过程，降雨初期，要经过覆被截留、土壤入渗等过程，这些过程中并不产生径流（超渗产流除外），也即不发生土壤侵蚀。当截留、入渗等过程完成后，径流产生，才开始产沙。这就是降雨量较小时，泥沙量差别并不明显的原因。径流产生后，随着降雨的持续，坡面径流产沙将持续产生。因此，降雨过程、林冠截留、坡面下垫面状况、土壤前期含水量等均是坡面土壤侵蚀的重要影响因素。

坡面产沙过程是降雨与土壤界面之间的响应过程。由于植被对降水再分配过程的影响，以及降雨和地表土层入渗性能的时空变异，使得林地产流产沙过程研究较裸地困难得多［14］。本研究也同样存在这个问题，由于其它因素的存在，使得降雨与坡面土壤侵蚀的关系复杂化，线性关系不及二次多项式明显，但总体来讲，降雨量和坡面土壤侵蚀间关系密切，尤其降雨量较大时（如大于30mm），坡面产沙量迅速增大的趋势较明显。

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