羊鸡冲小流域主要雨型对砂页岩坡耕地土壤侵蚀的影响

2016-08-15谭顺菊高华端

中国水土保持 2016年4期

关键词：雨型产沙量侵蚀性

谭顺菊，高华端，代　裕

(1.贵州大学林学院，贵州贵阳550025； 2.贵定县德新镇农业服务中心，贵州贵定551300)

羊鸡冲小流域主要雨型对砂页岩坡耕地土壤侵蚀的影响

谭顺菊1,2，高华端1，代裕1

(1.贵州大学林学院，贵州贵阳550025； 2.贵定县德新镇农业服务中心，贵州贵定551300)

砂页岩；坡耕地；土壤侵蚀；雨型；径流；泥沙

根据羊鸡冲小流域坡耕地野外径流小区径流泥沙观测数据及降雨特征资料，研究主要雨型对砂页岩坡耕地土壤侵蚀的影响，结果表明：侵蚀性降雨主要发生在6—9月，尤其7月的降雨量、产沙量、降雨侵蚀力最大；依据降雨量、降雨历时、雨强划分的3类雨型，聚类效果较好，3类雨型降雨频率呈C雨型>B雨型>A雨型，单位面积侵蚀量呈B雨型>C雨型>A雨型；B雨型单位面积侵蚀量与雨强、最大30 min雨强呈幂函数关系，C雨型单位面积侵蚀量与降雨量呈幂函数关系；A雨型单位面积侵蚀量与径流系数呈线性相关，C雨型单位面积侵蚀量与径流深呈幂函数关系。

以云贵高原为中心的西南喀斯特地区是世界上面积最大、最集中连片的喀斯特生态脆弱区。贵州省地处云贵高原东部，以山地和丘陵为主，坡耕地面积占耕地总面积的61.01%[1]，脆弱的生态环境加上人类不合理的社会经济活动，造成人地矛盾突出、植被破坏、岩石裸露、土地生产力衰退甚至丧失，水土流失日益严重。为了解云贵高原侵蚀产沙过程，尤其是坡耕地土壤侵蚀特征，许多学者进行了系统的研究[2-6]，但是成果大多集中在典型喀斯特岩溶地区降雨-径流-产沙规律方面，对砂页岩地区不同雨型土壤侵蚀特征的研究成果较少。基于此，本研究以羊鸡冲小流域坡耕地野外径流小区40次侵蚀性降雨径流泥沙资料为依据，分析主要雨型对砂页岩坡耕地土壤侵蚀的影响，旨在揭示不同雨型的土壤侵蚀规律，以期为黔中砂页岩地区水土流失预测及防治提供理论依据。

1　研究区概况

研究区位于贵州省黔南州龙里县东城郊羊鸡冲小流域，地理位置E107°00′53″、N26°26′58″。该流域属长江流域乌江水系，流域面积11.89 km2，有水土流失面积7.41 km2，是国家珠江南北盘江水土流失重点治理区和贵州省人民政府公布的水土流失重点治理监督区。气候类型为北亚热带湿润季风气候，气候温和，四季分明，年均降水量1 089 mm，年均气温14.8 ℃。土壤类型为黄壤，成土母质为砂页岩，土壤黏性差、透水性强，水土流失严重[7]。

2　研究方法

2.1径流小区设计

在研究区25°坡面上布设 2 个坡耕地径流小区种植玉米。小区垂直投影坡长 15 m、宽 5 m，土层厚度 80 cm，四周有混凝土围埂，围埂地上部分 30 cm、地下部分45 cm，顺坡底部设置水泥集流槽、集流池和一级分流池，集流池采用九孔分流与一级分流池连接。

2.2数据采集与处理

监测时间为2006—2008年。在径流小区旁用自记雨量计监测降雨量。侵蚀性降雨，即降雨后有产流产沙的降雨。考虑土壤前期含水量对侵蚀过程的影响，相邻两次降雨时间间隔小于6 h的记为一次降雨。每次降雨后，测量集流池浑水径流深，并取1 L水样(3个)到实验室进行烘干处理，计算水样含沙率和小区产沙量。数据处理分析采用SPSS 17.0和Excel 2007。降雨侵蚀力计算参照文献[8]，计算公式为

(1)

式中：R为降雨侵蚀力,m·t·cm/(hm2·h)；P为降雨量，mm；I30为最大30min雨强，mm/h。

3　结果与分析

3.1侵蚀性降雨特征

对2006—2008年有准确降雨径流资料的40次侵蚀性降雨进行统计(表1)发现，研究区侵蚀性降雨主要发生在6—9月，期间降雨次数35次，累积降雨量1 000.3mm，占样本降雨总量的88.12%，累积径流量6.23m3，占样本径流总量的89.26%，累积产沙量899.45g，占样本产沙总量的91.94%，累积径流深98.39mm，占样本总径流深的90.73%。每年11月至次年3月为贵州的少雨季节，降雨量少，几乎不发生侵蚀性降雨。4—10月之间：7月降雨量、径流量、产沙量、降雨侵蚀力达到峰值；5月和10月侵蚀性降雨次数均为2次，但5月的降雨量、径流量、产沙量和降雨侵蚀力均大于10月；6月和9月侵蚀性降雨次数均为7次，6月的降雨量、产沙量和降雨侵蚀力大于9月，但径流量却小于9月。

3.2侵蚀性降雨雨型划分

土壤侵蚀程度与侵蚀性降雨雨型密切相关，不论是按降雨量等级划分的雨型还是按降雨历时划分的雨型都是基于单一变量的影响，不能很好地反映侵蚀性降雨特征。为了能更准确地研究侵蚀性降雨与土壤侵蚀之间的关系，以及各种雨型侵蚀能力的大小，本研究以降雨量、降雨历时、雨强为特征变量，采用聚类分析和判别分析相结合的方法，对上述40次侵蚀性降雨进行分类。结果显示，当40次降雨被划分为3类雨型时，降雨历时和雨强两个特征变量的聚类函数和判别函数显著性检验概率<0.01，聚类效果较好，即3 类雨型的聚类函数散点分别聚集在3个相对集中的区域，其中C雨型相对分散、A雨型和 B雨型更为集中，不同雨型间边界清晰无交集。

3.3不同雨型降雨产流产沙情况

根据聚类结果分类统计不同雨型的降雨特征，并将各特征指标的分位数25%和75%所对应的取值，经适当取整，作为相应雨型降雨特征指标的一般变化范围(表2)。将不同雨型的特点归纳为：A雨型，小雨量、短历时、大雨强、低频次降雨，降雨量12～22 mm，降雨历时0.5～1.0 h，雨强21～22 mm/h，降雨侵蚀力4.6～18.1 m·t·cm/(hm2·h)；B雨型，大雨量、长历时、小雨强、中频次降雨，降雨量15～52 mm，降雨历时15～23 h，雨强0.7～3.2 mm/h，降雨侵蚀力0.8～15.6 m·t·cm/(hm2·h)；C雨型，中雨量、中历时、中雨强、高频次降雨，降雨量11～35 mm，降雨历时5～10 h，雨强1.8～5.0 mm/h，降雨侵蚀力1.2～19.9 m·t·cm/(hm2·h)。

表2　不同雨型侵蚀性降雨产流产沙特征值

注：V75为75%分位数对应的数值；V25为25%分位数对应的数值；P为降雨量，mm；T为降雨历时，h；I为雨强，mm/h；I30为最大30 min雨强，mm/h；I60为最大60 min雨强，mm/h；R为降雨侵蚀力，m·t·cm/(hm2·h)；L为径流量，m3；S为产沙量，g；DQSL为单位面积土壤侵蚀量，t/km2。

不同降雨类型统计结果(表2)显示，40次侵蚀性降雨中，A型、B型、C型分别有3、14、23次，分别占样本总数的7.5%、35.0%和57.5%。可见在研究区，C雨型发生频率较高，B雨型次之，A雨型最低，即中雨量、中历时降雨次数最多，大雨量、长历时降雨次数次之，小雨量、短历时降雨次数最少。3类雨型累积降雨量分别占样本降雨总量的4.76%、41.79%和53.45%，累积径流量分别占样本径流总量的3.59%、42.18%和54.23%，累积产沙量分别占样本产沙总量的2.01%、30.43%和67.56%；平均降雨侵蚀力分别为10.47、12.05、17.44 m·t·cm/(hm2·h)，C雨型>B雨型>A雨型；单位面积侵蚀量分别为0.09、2.38、0.38 t/km2，B雨型>C雨型>A雨型。雨型的划分可反映出不同降雨类型的土壤侵蚀规律，即研究区中频次、大雨量、长历时次降雨的单位面积侵蚀量最大，在实际生产生活中应采用工程、植物和耕作措施做好重点防治，减少水土流失。

3.4各雨型DQSL与降雨特征指标的关系

将各雨型对应的DQSL与降雨特征指标(P、T、I、I30、I60、R)进行相关性分析，相关系数统计结果见表3。A雨型DQSL与各降雨特征指标无明显相关性；B雨型DQSL与I、I30在0.05水平上显著相关；C雨型DQSL与P在0.01水平上显著相关，与I60在0.05水平上显著相关。

表3　各雨型降雨特征指标与DQSL的相关性分析

注：**表示在 0.01 水平(双侧)上显著相关；*表示在 0.05 水平(双侧)上显著相关，下同。

为进一步得出DQSL与各特征变量的函数关系，对显著相关的变量进行回归分析(图1)，结果显示：B雨型DQSL与I呈幂函数关系，y=0.097x1.223(R2=0.661)，与I30呈幂函数关系，方程为y=0.015x1.123(R2=0.653)；C雨型DQSL与P呈幂函数关系，y=0.004x1.157(R2=0.308)。土壤侵蚀的发生与降雨量、降雨历时和植被覆盖等因素密切相关。本研究中，A雨型DQSL与降雨特征指标无明显相关性，原因可能是此类雨型样本少，分析软件不能很好地做出分析预测，关于此类雨型DQSL与降雨特征的关系有待于进一步研究。B雨型DQSL与I、I30呈幂函数关系，前者系数和幂指数均大于后者，说明在坡耕(玉米)地上，I对土壤侵蚀的影响大于I30。土壤侵蚀主要受降雨量、降雨历时、植被覆盖的影响，降雨时雨滴经枝叶的截流阻碍后降落到地表，引起表土流失，因此如果降雨量小或者降雨历时短，土壤侵蚀就可能较小。C雨型是自然界最常见的雨型——中雨量、中历时、中雨强、高频次，分析结果显示其DQSL与P、I60呈幂函数关系。可见在研究区坡耕地上，土壤侵蚀主要受降雨量和雨强影响。

图1　单位面积土壤侵蚀量与降雨特征指标的关系

3.5各雨型DQSL与产流特征指标的相关性分析

对各雨型DQSL与产流特征指标进行相关性分析(表4)。结果显示：A雨型DQSL与径流系数在0.05水平上显著相关；B雨型DQSL与产流特征指标无明显相关性；C雨型DQSL与径流量、径流深在0.01水平上显著相关。

表4　各雨型产流特征指标与侵蚀模数的相关性分析

对关系显著的指标进行回归分析(图2)。结果显示：A雨型DQSL与径流系数呈线性相关，方程为y=1.342x-0.014(R2=0.996)；C雨型DQSL与径流深呈幂函数关系，方程为y=0.092x1.185(R2=0.451)。A雨型是小雨量、大雨强型降雨，降雨发生时由于雨滴初始动能较大，对土壤颗粒的机械破坏作用强，能有效分散粗大土壤颗粒，因此当降雨量一定时径流量越大，产沙量越大。B雨型是大雨量、长历时型降雨，降雨开始一段时间后，地表开始产流产沙，随着时间的持续产沙量不断增加，当地表细小土壤颗粒越来越少或者几乎没有时，产沙量不再随径流量而变化，因此总体规律不明显。C雨型径流深与侵蚀模数呈幂函数关系，侵蚀规律介于A雨型与B雨型之间。

图2　单位面积土壤侵蚀量与产流特征指标的关系

4　结　论

在羊鸡冲小流域坡耕地径流小区进行的试验表明，黔中砂页岩地区不同雨型对坡耕地土壤侵蚀影响程度有所不同，主要有：①侵蚀性降雨主要发生在6—9月，期间降雨次数共35次，累积降雨量1 000.3 mm，累积径流量6.23 m3，累积产沙量899.45 g，尤其7月份侵蚀性降雨量、产沙量、降雨侵蚀力最大。②3类雨型降雨频率呈C雨型>B雨型>A雨型，DQSL呈B雨型>C雨型>A雨型。③A雨型DQSL与各降雨特征指标无明显相关性，B雨型DQSL与I、I30呈幂函数关系，C雨型DQSL与P呈幂函数关系。④A雨型DQSL与径流系数呈线性相关，B雨型DQSL与产流特征指标无明显相关性，C雨型DQSL与径流深呈幂函数关系。上述研究成果对黔中砂页岩地区农业生产具有指导意义。

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[5] 张旭贤,高华端,孙利军,等.贵州不同碳酸盐岩坡耕地土壤侵蚀特征研究[J].中国水土保持,2013(9):42-45.

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(责任编辑李杨杨)

2016-01-15

贵州省教育厅教改项目(黔教研合JYSZ字〔2014〕003)

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