栖龙湾径流场土壤侵蚀分析

耿灵生，夏 军，张 平，万 蕙，陈凤琴(. 山东省水利科学研究院，济南 25003；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；3.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430072)

0 引 言

土壤侵蚀已经成为全球重要的环境问题，影响土壤侵蚀的因素可以分为内因和外因两大类，其中内因包括土壤性状、地形地貌等，外因包括降雨、土地利用和植被等[1]。土壤侵蚀以及其影响因子关系的研究对于制定合理的水土保持措施及完善土壤侵蚀的研究具有重要意义[2]并饱受关注[3,4]。

坡度作为地貌形态特征的主要因素，对坡面土壤侵蚀具有重要影响，Zingg第一个通过试验建立了坡度和侵蚀量的经验关系，认为侵蚀量与坡度的1.4次方成正比[5]。McCoo发现土壤侵蚀量随的坡度变化存在一个转折坡度[6]。Horton[7]第一个从理论上探讨了土壤侵蚀的临界坡度，得出临界坡度为57°。而Renner却发现这个转折坡度为40.5°[8]。由于影响土壤侵蚀的因素多种多样，试验及显示过程中难以控制出现了不同区域观测结果不同，甚至相同的区域得出的结论也不同。

土壤侵蚀量也与土壤利用方式密切相关。李建[9]对黄土丘陵区不同的土壤利用方式进行了产流产沙量研究。彭文英[10]对陕西安塞降雨侵蚀资料进行分析，得出不同的土地利用方式产流产沙受降雨量及雨强度影响不明显，但具有明显的分段性与季节性。阮伏水[11]对土地利用方式与土壤侵蚀量关系的研究表明一定的植被覆盖面和水土保持工程措施确实对土壤流失有一定的控制。

不同的植被类型与覆盖度也对土壤的侵蚀有不同的影响，植物可以有效固定土壤，并阻隔降雨，削弱降雨的侵蚀力。陈涛等[12]通过对密云水库流域不同植被覆盖土壤侵蚀的调查研究，得出不同程度土壤覆盖度对土壤侵蚀的影响。刘窑军[13]以三峡库区新建土质道路边坡为研究对象，研究了植被护坡对边坡侵蚀的影响。薛萐[14]等通过对黄土丘陵区五种不同植被恢复模式进行土壤侵蚀性的研究，分析了不同植被对土壤侵蚀量的影响。

影响土壤侵蚀量的因素多种多样，很难控制。本文通过设计不同小区实验的方法分别研究不同土壤坡度、不同土地开垦方式及不同植被对土壤侵蚀量的影响。通过严格控制条件达到控制侵蚀量影响因素的目的，研究结果精确可信。

1 研究区域及数据

1.1 研究区域

栖龙湾综合径流场位于栖龙湾小流域上游，地处莱芜市北部山区、黄河流域大汶河支流瀛汶河中上游，隶属于莱城区口镇，径流场坐标为东经117°37′36″、北纬36°22′46″，海拔高度为295 m。流域气候属温带湿润、半湿润大陆性季风型。多年平均降水量732 mm，多集中于夏季且多暴雨，汛期(6、7、8、9月)多年平均降水量561.9 mm，占73.89%。根据临近小流域的莱芜市雪野水文站多年降水量频率分析成果资料，北部山区不同保证率年降水量为：保证率P=20%的丰水年，降水量871.3 mm；P=50%的平水年，降水量709.9 mm；P=75%的枯水年，降水量为594.3mm；P=95%的枯水年，降水量为441.3 mm。10年一遇24 h最大降雨量188.7mm，20年一遇24 h最大降雨量224.4 mm，年平均蒸发量1 658 mm。

栖龙湾综合径流场于2006年开始建设，2008年已完成10°、15°、20°、25°、30°等5个坡度25个径流小区建设。径流小区设计为宽5 m，长10 m(水平投影)，水平投影面积50 m2。径流小区上部及两侧设置预制板围埂，围埂外侧设置保护带，宽2 m。下部设集水槽和引水槽，引水槽末端设置径流池。

在2008-2014年小区总的侵蚀性降雨量与年降雨逐年变化如图1所示：其中侵蚀性降雨为产流降雨量。可以看出，年侵蚀性降雨量与年降雨量基本成正相关关系。

图1 2008-2014侵蚀性及年降雨量变化Fig.1 The change of annual and erosive rainfall from 2008 to 2014

1.2 数据来源

本文主要研究不同坡度、不同土壤保持措施对土壤侵蚀量的影响，数据来源于2008-2014年25个径流小区产流35场次降雨量，最大30 min降雨强度，土壤侵蚀量，土壤侵蚀流量。

数据资料来源于山东省水利科学研究院，莱芜市水土保持办公室在径流场常驻2名专职检测人员，保持监测设备正常运转以保证资料可靠性。该地区周边植被乔木为刺槐、黑松；灌木为黄荆、酸枣；主要自然优势草种有黄草、菅草、白背草、刺猬皮草等。本文选择了具有代表性的刺槐、黄荆和狗牙根草作为主要研究植被。同时降雨对侵蚀量的分析中包括了2008-2014所有产流降雨包含大、中、小不同类型的研究具有很强的代表性。

径流小区主要情况如表1所示。

表1 栖龙湾径流小区基本情况Tab.1 The basic situation of runoff cells in Xilongwan

2 研究方法

径流小区观测方法是对某一径流小区开展侵蚀量观测的方法，崔灵周[15]等通过对黄土高原小流域地貌形态进行概化，设计出黄土高原小流域初期的概化模型，并提出流域侵蚀产沙的预报指标，黄立民[16]以惠州抽水蓄能电站水库淹没区为观测目标，分析不同年份小区土壤侵蚀量的变化。径流小区方法作为一种传统方法在研究土壤降雨侵蚀方面得到了广泛应用。

本文通过实验分析不同坡度25个径流小区降雨量与降雨侵蚀量关系，降雨强度与侵蚀流量关系，并分析了不同土地开垦方式对土壤侵蚀量的影响，不同植被的水土保持效果。

文中主要用到方差分析来探讨土壤侵蚀与不同影响因子之间的关系。MATLAB中anova1(x)用于单因子方差分析，anova2(X,steps)用于双因子方差分析，通过分析结果中P值确定影响因素的显著性和重要性。

2.1 坡度对土壤侵蚀的影响

通过统计分析2008-2014年35场侵蚀性降雨过程中，5中不同坡度情况下土壤侵蚀量变化情况，判断降雨量与坡度在土壤侵蚀过程中是否对侵蚀量有影响，哪个因素的影响更大。1959年Wischmeier提出最大30 min雨强为考虑雨滴溅蚀作用的指标，随着最大30 min降雨强度的增加，对土壤的侵蚀力也随之增大。在35场侵蚀性降雨过程中，对降雨强度与侵蚀流量相关关系，进行方差分析，讨论两个变量的对侵蚀量影响的重要性。其中侵蚀性降雨选择产流降雨场次。

2.2 不同土地类型对土壤侵蚀量的影响

本文就25个小区中坡度只选取了10°和20°的小区中裸地、坡耕地、梯田的土壤侵蚀量进行对比，并分析不同土壤开垦方式对水土保持的作用是否显著。所用数据如表2。

表2 不同土地开垦方式单因素方差分析Tab.2 The variance analysis of different land reclamation

对逐次侵蚀性降雨中的土壤侵蚀量进行方差分析，并进一步分析梯田是否对水土保持有一定的作用。

2.3 不同植被对土壤侵蚀的影响

不同植被水土保持功能的对比研究即通过实时对比观测植被覆盖地与对照地的侵蚀性降雨量和土壤侵蚀量，研究不同植被的减水减沙效益。本文选取坡度分别为25°，30°的小鱼鳞坑中的植被进行分析，分别分析不同植被的水土保持效果是否有显著差异。分析所用数据如表3所示。

表3 不同植被类型单因素方差分析Tab.3 The variance analysis of different vegetation types

3 结 果

3.1 坡度对土壤侵蚀影响

3.1.1降雨量与坡度对土壤侵蚀量影响

其中matlab输入矩阵列变换因素为5个不同坡度，行变化因素为35场不同的侵蚀性降雨量，每行输入数据为每个坡度平均侵蚀量。分析结果中列因素分析的P值为0.015 9，行因素分析的P值接近于0，两者均小于0.05，说明侵蚀性降雨量与土地坡度均对土壤侵蚀量有显著影响，其中一次降雨的侵蚀性降雨量比坡度对土壤侵蚀量的影响更为显著。

为了进一步分析侵蚀性降雨量和坡度与侵蚀量的相关关系，绘出35场降雨中5个坡度情况下土壤侵蚀量散点图，见图2。

图2 不同坡度侵蚀性降雨量与侵蚀量散点图Fig.2 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different slope

从图2中可以看出，土壤侵蚀量与降雨量并没有表现出良好的相关关系，在侵蚀性降雨量小于50 mm时，不同坡度降雨侵蚀量出现较大差异。侵蚀性降雨量超过50 mm时，不同坡度土壤侵蚀量基本接近，但都整体偏小。坡度为30°和10°的土壤侵蚀量在35场侵蚀性降雨下是最小的。

3.1.2降雨强度与坡度对土壤侵蚀流量影响

其中matlab输入矩阵列变换因素5个不同坡度，行变化因素为35场不同的侵蚀性降雨最大30 min降雨强度，每行输入数据为每个坡度平均侵蚀流量。分析结果中列因素分析的P值为0.025 9，行因素分析的P值接近于0，两者均小于0.05，说明最大30 min降雨强度与土地坡度均对土壤侵蚀流量有显著影响，其中一次降雨的最大30 min降雨强度比坡度对侵蚀流量的影响更为显著。

为了进一步分析最大30 min降雨强度和坡度与侵蚀流量的相关关系，绘出35场降雨的最大30 min降雨强度5个坡度下侵蚀流量散点图，见图3。

图3 不同坡度最大30 min降雨强度与侵蚀流量散点图Fig.3 Scatter chart of maximum rainfall intensity of 30 min and flow flux of soil of erosion under different slopes

在最大30 min降雨强度小于30 mm/h时，可以看出在多数情况下坡度为10°的小区土壤侵蚀流量是最小的，在3场各小区侵蚀流量都比较大的降雨过程中，土壤侵蚀流量随坡度增大，在多场降雨过程中，土壤侵蚀流量在坡度为30°和10°是多数是最小的。

3.2 不同土地开垦方式对土壤侵蚀影响

不同的土壤开垦方式也是水土保持功能研究的一个方面，在此分析2008-2014年35场侵蚀性降雨中，坡度为10°和20°情况下裸地、坡耕地、梯田3种土壤开垦方式下，土壤侵蚀量的变化，其中坡耕地、梯田上均种了花生。单因素方差分析中，列变化因素为3种不同土地开垦方式，方差分析结果P值为0.001 6，小于0.05。说明不同的土壤开垦方式对土壤侵蚀量有显著影响。

为了进一步分析不同土壤开垦方式与土壤侵蚀量的相关关系，绘制35场侵蚀性降雨过程中，不同土壤开垦方式下土壤侵蚀量的散点图如图4所示。

图4 坡度为10°不同土地开垦方式降雨侵蚀量散点图Fig.4 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different land reclamation methods under10°

通过散点图，可以看出随着侵蚀性降雨量的增加，侵蚀量整体呈现上升趋势，同时裸地在35场侵蚀性降雨过程中土壤侵蚀量相对于其他两种开垦方式是最低的，多数侵蚀性降雨过程中，坡耕地的土壤侵蚀量大于梯田。对于有植被的土地，梯田的保沙能力强于坡耕地。在降雨过程中，地表的携沙径流由于梯田边梗阻隔作用，使径流流速下降，泥沙沉积，减少了降雨泥沙侵蚀量。

坡度为20°的3种不同土地开垦方式的土壤侵蚀量方差分析结果表中P为0.02，小于0.05。表明在坡度为20°的情况下，不同土壤开垦方式对侵蚀量有显著影响。进一步分析不同土壤开垦方式土壤侵蚀量与侵蚀性降雨量的相关关系，绘制散点图如图5所示。

图5 坡度20°不同土壤开垦方式降雨侵蚀量散点图Fig.5 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different land reclamation methods under 20°

从图5中看出，最小的一场降雨降雨侵蚀量出现突变，在其后多场降雨中，梯田土壤侵蚀量相对于其他两种开垦方式是最小的，坡耕地的土壤侵蚀量是3种中最大的，坡耕地土壤表面相对松散，相同的降雨量相对其他两种方式将带走更多的土壤，而梯田的阻隔作用大大的削减了降雨的侵蚀力，起到较好水土保持作用。

3.3 不同植被对土壤侵蚀影响

雨滴击溅和径流冲刷是水土流失的动力，植被通过枝叶截流和减速作用来削减降雨侵蚀力，同时枯枝落叶和土壤调蓄作用也对保水、保沙有一定的促进作用。下面分别分析了相同的土地类型即小鱼鳞坑中种植不同的保水保沙植被，35场降雨过程中土壤侵蚀量的变化。

3.3.1刺槐，黄荆，狗牙根草

在坡度为25°，植被分别为刺槐、黄荆、狗牙根草时，35场侵蚀性降雨土壤侵蚀量方差分析结果表中P=0.946 9，大于0.05，刺槐、黄荆、狗牙根草3种植被的保沙效果虽然有差异但是没有显著差异，为了进一步分析3种植被保沙效益的差异性，绘制35场降雨的土壤侵蚀量散点图如图6所示。

图6 坡度25°不同植被降雨侵蚀量散点图Fig.6 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different vegetation under 25°

散点图中，可以看出35场侵蚀性降雨过程中，多场降雨中狗牙根草的土壤侵蚀量居于最大，一般三种植被的土壤侵蚀量并没有较大差异，且每次降雨的土壤侵蚀量一般小于0.5 kg。

3.3.2侧柏，侧柏+刺槐，侧柏+黄荆，黄荆+狗牙根草

不同植被相互搭配也是现在水土保持的一种措施，坡度为30°的侧柏、侧柏+刺槐、侧柏+黄荆、黄荆+狗牙根草，4种植被的组合在35场侵蚀性降雨下土壤侵蚀量进行方差分析，分析结果中列变化因素为不同的植被组合，P=0.206 8，大于0.05，说明4种不同的植被保沙效益方面虽然没有达到显著差异，但却在一定程度上有差异，为了进一步分析这种差异和哪种植被组合方式有最好的抗侵蚀能力，4种植被组合方式土壤侵蚀量散点图如图7所示。

图7 坡度30°不同植被搭配降雨侵蚀量散点图Fig.7 Scatter chart of rainfall and erosion quantity under different vegetation combinations under 30°

通过散点图，可以看出在35场降雨中黄荆+狗牙根草的植被组合方式有明显小于其他植被组合方式的土壤侵蚀量，具有很好的保沙效益。侧柏+黄荆的植被组合在侵蚀性降雨量0～60 mm之间时，随着降雨量的增加，侵蚀量也呈增加趋势。侧柏和侧柏+刺槐并随着降雨量也有一个上升的趋势。

4 结 论

坡度、植被、土地开垦方式作为重要的下垫面因素对土地的侵蚀有着重要影响，同时降雨也是一个不可忽略的因素。本文通过山东省栖龙湾综合径流场中2008-2014年35场侵蚀性降雨下的侵蚀量变化来探讨坡度和植被变化对土壤侵蚀的影响，通过研究不同坡度条件下侵蚀量与侵蚀性降雨量，侵蚀流量与最大30 min降雨强度之间的关系，得到坡度和降雨均与土壤侵蚀量有显著性关系，同时坡度10°和30°情况下的土壤侵蚀量最小。对不同开垦方式土壤侵蚀量的研究表明相对于裸地和坡耕地而言，梯田具有更好的保沙功能，同时坡耕地由于表面松散的结构保沙效果最差。分析单独植被和植被组合土壤侵蚀量的变化，得出刺槐、黄荆、狗牙根草三种植被的保沙效果虽然有差异但是没有显著差异。不同植被组合方式中，黄荆+狗牙根草这种灌木与草搭配的方式保沙效果最好。

通过对坡度、植被、土地开垦方式下侵蚀量方差分析得到土壤开垦方式影响最大，所研究植被的影响最小。应在合适的气候地理环境条件下多推广梯田开垦方式减少水土流失，在水土流失严重地区应推广黄荆+狗牙根草这种灌木与草相结合的保沙植被组合方式。

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[1] Kheir R B, Abdallah C, Khawlie M. Assessing soil erosion in Mediterranean karst landscapes of Lebanon using remote sensing and GIS [J]. Engineering Geology, 2008,99:239-254.

[2] 李秀霞, 倪晋仁. 土壤侵蚀及其影响因素空间相关性分析[J]. 地理科学进展, 2009,28(2):161-166.

[3] Bolinder M A, Angers D A, Gregorich, E G, Cater M R. The response of soil quality indictors to conservation management [J]. Canadian Journal of Soil Science, 1999,79:37-45.

[4] 邱 扬, 傅伯杰. 异质景观中水土流失的空间变异与尺度变异[J]. 生态学报, 2004,24(2):330-337.

[5] Zingg A W. Degree and length of land slope as it affects soil loss in run-off [J]. Agric. Engng., 1940,21:59-64.

[6] Mccool D K, Brown L C, Foster G R. Revised slope steepness factor for the universal soil loss equation[J]. Transactions of the ASAE - American Society of Agricultural Engineers (USA), 1987,30(5):1 387-1 396.

[7] Horton R E. Erosional development of streams and their drainage basins; hydrophysical approach to quantitative morphology [J]. Geological society of America bulletin, 1945,56(3):275-370.

[8] Renner F G. Conditions influencing erosion on the Boise River watershed[M]. US Dept. of Agriculture, 1936.

[9] 李 健, 陈海迟. 黄土丘陵区坡面水土流失规律研究[J]. 干旱区资源与环境, 1996,10(1):71-76.

[10] 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.

[11] 阮伏水. 花岗岩不同土地利用类型坡地水土流失特征[J]. 地理研究, 1995,14(2):64-72.

[12] 陈 涛, 牛瑞卿, 李平湘, 等. 密云水库流域植被覆盖度变化对输沙量的影响[J]. 生态环境学报, 2010,(1):152-159.

[13] 刘窑军, 王天巍, 李朝霞, 等. 不同植被防护措施对三峡库区土质道路边坡侵蚀的影响[J]. 应用生态学报, 2012,23(4):896-902.

[14] 薛 萐, 李占斌, 李 鹏, 等. 不同植被恢复模式对黄土丘陵区土壤抗蚀性的影响[J]. 农业工程学报, 2009,25(S1):69-72.

[15] 崔灵周, 李占斌,朱永清，等.流域地貌分形特征与侵蚀产沙定量耦合关系试验研究[J].水土保持学报,2006,20(2):1-4.

[16] 黄立民.水蚀观测小区在惠州抽水蓄能电站工程土壤侵蚀强度监测中的应用实践[J].广东水利水电,2012 (5):57-60.