雨强和土地利用方式对豫西南山区有机质流失的影响

李中原, 王国重, 屈建钢, 徐建昭, 闫东锋

(1.河南省水文水资源局, 河南 郑州 450003; 2.黄河水文水资源科学研究院, 河南 郑州 450004;3.河南省水土保持监督监测总站, 河南 郑州 450008; 4.河南农业大学 林学院, 河南 郑州 450002)

雨强和土地利用方式对豫西南山区有机质流失的影响

李中原1, 王国重2, 屈建钢3, 徐建昭3, 闫东锋4

(1.河南省水文水资源局, 河南 郑州 450003; 2.黄河水文水资源科学研究院, 河南 郑州 450004;3.河南省水土保持监督监测总站, 河南 郑州 450008; 4.河南农业大学 林学院, 河南 郑州 450002)

[目的] 研究丹江口水库水源区不同降雨强度和土地利用方式对土壤中有机质流失的影响，为该区域的面源污染和水土流失防治提供依据。[方法] 通过人工模拟降雨试验，以豫西南山区5种常见土地类型的表层土壤为研究对象，应用双因素方差分析，研究雨强和土地利用方式对土壤中有机质的影响。[结果] 雨强对径流中有机质的流失影响显著，雨强越大流失量也越大，而土地类型对其影响不大；泥沙中的有机质流失量受雨强和土地类型的影响均显著，随雨强增加而增大；农用地(梯田和坡耕地)中随泥沙流失的有机质含量较高，林草地则低；分别对径流和流失泥沙中的有机质含量与雨强作回归分析，均显示出多项式拟合效果最好(除灌草地的泥沙拟合外)。[结论] 梯田作为一种水保措施，能够保持养分和水土流失，因此其土壤中富集的养分也最多；林草地土壤结构较好，能够减缓土壤侵蚀，因而流失的养分也较少。

人工降雨; 雨强; 有机质; 土地利用; 方差分析

文献参数： 李中原, 王国重, 屈建钢, 等.雨强和土地利用方式对豫西南山区有机质流失的影响[J].水土保持通报，2017,37(1)：029-033.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.005； Li Zhongyuan, Wang Guozhong, Qu Jiangang, et al. Effects of rainfall intensity and land use on organic matter loss in southwest coteau of He’nan Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：029-033.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.005

降雨是坡地产流产沙的先决条件，伴随着土壤侵蚀，附着在土壤颗粒表面的各种养分必然会随之流失[1]。土壤中养分的流失量除了与降雨因素有关，还受土地利用类型的影响[2-5]。近年来国内外学者从降雨强度、土地利用方式、耕作措施等方面对土壤中养分的流失进行了大量研究[6-10]。其中，通过人工模拟降雨方法来研究土壤养分流失规律已成为一种重要研究手段，该方法不仅能够检验天然降雨条件下得出的研究结论，还可以加快研究进程，提高工作效率，在短时间内获得大量资料，而且易于控制，使研究的问题标准化、具体化[11-13]。

丹江口水库是南水北调中线工程的水源区，其水质的好坏与南水北调工程的成败息息相关[14]。丹江口水库的水源区因地形地貌、土壤植被、降雨和人为活动等影响，水土流失严重，如不加以控制，流失的土壤中携带的化肥、农药、杀虫剂残留物等污染物一旦进入水库，就会严重影响丹江口水库的水质安全[15-16]。本文拟选取河南南阳丹江口水库水源区常见的5种土地利用类型作为研究对象，使用中国科学研究院水土保持研究所的室内人工模拟降雨设备，研究不同降雨强度和土地利用方式对土壤中有机质流失的影响，旨在为该区域的面源污染和水土流失防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河南省南阳市西部，涉及西峡、淅川、内乡、邓州4个市(县)，属于丹江口水库水源区。北边为海拔1 000 m以上的中山区，山高坡陡；南边为丹江口水库库区及环库丘陵垄岗区，地形破碎；中间属浅山区，沟壑纵横，地形十分复杂。该区域属亚热带季风型大陆性气候，多年平均降雨量为820 mm，降水年内分配不均，60%以上集中于汛期，暴雨集中，强度大，历时短，入渗有限，使得地表径流量较大，再加上山岭起伏，沟壑交错，加剧了水土流失。20世纪80年代以来，该区域以坡改梯、经济林草和坡面蓄排水工程为重点，开展山、水、田、林、路的综合治理，使水土流失得到了一定的控制。

1.2 试验装置与材料

本试验在坡面小区上进行，试验设备由人工降雨模拟装置系统、试验土槽、径流泥沙采样系统、径流量测系统等几个部分组成。人工降雨装置采用厚度为2 mm的钢板制作，装置总高度为1.6 m，装置保持5°倾斜。装置上方设有均匀孔径的布水器，降雨高度为1.05 m，雨强的控制用转子流量计。土槽尺寸70 cm×40 cm×20 cm。径流出口尺寸为30 cm×3 cm×3 cm，径流出口处接流装置为水盆。

人工降雨试验于2012年4—8月在中国科学院水土保持研究所进行，设计降雨强度为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 mm/min。设定雨强为0.5 mm/min，待填装好一种土壤后，启动模拟降雨装置，等产流时开始计时，每10 min取1次水样和土样。100 min后，停止人工降雨，挖出土壤，装入另一种土壤，在同一个雨强下，继续降雨试验。试验过的土壤，置于容器中，自然风干，等待下一个雨强使用。依次测定5种土壤在6种雨强下的径流和泥沙中有机质的含量。

供试土壤来自丹江口水库水源区研究区5种常见的土地类型：乔木林、灌草地、梯田、坡耕地、荒草地。选择这5种土地利用方式的代表性样地，分别采集耕层(0—20 cm)的土壤，不过筛，保持原状整体运装回实验室。根据土壤的容重和土槽的面积，计算需要填充的土壤量。填充土壤时，每填充2.5 cm，压实1次，在填充上层土料之前，疏松下层土壤表面，以防土层之间出现分层。

2 结果与分析

2.1 不同雨强和土地利用方式对径流中有机质含量的影响

不同雨强下各种土地利用类型的土壤径流中有机质流失量及其均值见表1所示。由表1可知：随着雨强的增加5种土地类型的土壤径流中有机质的含量也随之增加：当雨强<2.0 mm/min时，5种用地径流中有机质含量的均值小于1.0 mg，差异不大；当雨强≥2.0 mm/min时，各用地径流中有机质的平均含量急剧增加，超过2.0 mg；当雨强≥3.0 mm/min时，其均值超过3.5 mg。相同降雨强度下，各种土壤径流中有机质的平均含量虽然略有差异，但差别不是很大，其最大差异不超过0.55 mg。表2中，用SAS软件做了雨强和土地利用方式作用下径流中有机质含量的双因素方差分析(置信水平为0.01)，也能说明这一现象。

表1 不同雨强和土地利用方式下径流中有机质含量 mg

由表2可以看出：雨强对径流中有机质含量的影响显著，其显著性水平为Pr<0.000 1，极显著；土地类型的影响不显著，其显著性水平为Pr=0.065 9。

表2 径流中有机质流失的双因素方差分析

2.2 不同雨强和土地利用方式对泥沙中有机质流失量的影响

不同雨强下各种土地利用类型的流失泥沙中的有机质含量见表3所示。由表3可知：随着降雨强度的增加流失泥沙中有机质的含量也随之增加：当雨强≤0.5 mm/min时，各种用地中基本没有泥沙流失，也就谈不上有机质的流失；当雨强≥1.0 mm/min时，各种用地流失泥沙中有机质的平均含量都超过1.60 mg； 雨强≥1.5 mm/min时，其有机质流失量也急剧增加，当雨强达到2.5 mm/min时，有机质的平均流失量几乎达到6.0 mg； 雨强≥3.0 mm/min时，流失的泥沙更为明显，有机质的流失超过14 mg。

比较表1和表3，泥沙中的有机质含量要高于径流，说明有机质主要是被泥沙颗粒所吸附。这是因为：土壤养分流失与土壤流失是同时发生的，土壤流失首先是细颗粒的流失，细颗粒泥沙对养分具有较强的吸附作用，从而导致了养分流失的富集现象[17-18]。不同雨强下，5种用地泥沙中有机质的含量差异较大，由高到低依次是:梯田>坡耕地>荒草地>乔木林>灌草地，这也说明梯田作为一种水保措施，能够保持养分和水土流失，因此其土壤中富集的养分较多；当地一般施用的是复混肥，因此坡耕地中有机质含量丰富；林草地的土壤结构较好，能够减缓养分流失和土壤侵蚀。

表3 不同雨强和土地利用方式下泥沙中有机质流失量 mg

雨强和土地利用类型对流失泥沙中有机质含量的双因素方差分析详见表4。由该表可以看出：雨强和土地类型对流失泥沙中有机质含量的影响都极显著(置信水平为0.01)，其显著性水平分别为Pr=0.009 5，0.005 2。

表4 流失泥沙中有机质含量的双因素方差分析

2.3 雨强对有机质流失量的回归分析

研究表明：降雨强度与有机质流失量之间存在着一定的相关性，用多项式拟合效果较好[19-21]。用Excel软件对模拟降雨过程中不同土地类型的地表产流和流失泥沙中的有机质含量与相应的雨强进行拟合，拟合方程详见表5所示。

表5 径流和流失泥沙中有机质含量与雨强的拟合分析

注:Yr为径流中的有机质含量(mg)；Ys为泥沙中的有机质含量(mg)；x为雨强(mm/min)。

表5采用了3种方式对径流、流失泥沙中的有机质含量进行拟合：线性、对数、二次多项式。各种土地类型中的拟合方程，都显示随着雨强的增大，径流和泥沙中有机质的流失量也随之增加；灌草地的流失泥沙含量极少，除此之外，其他土地类型的径流和泥沙数据均显示出多项式拟合效果最好。

3 讨论与结论

人工降雨试验是研究土壤侵蚀和养分流失的重要途径。纵观国内外，主要通过这种试验来研究降雨对某种类型土壤中养分流失的影响、比较不同土地利用方式下养分流失特征、雨强和土地利用对特定区域水土流失的影响，将二者相结合研究土壤中养分流失或者面源污染的报道就比较少，针对丹江口水库水源区的则更为鲜见。不同用地类型其土壤结构不同，在不同雨强下养分的流失特征也不同，尤其是峰峦起伏，地形多变，水土流失易发的丹江口水库水源区，本研究对于该地区水保措施配置和土地利用规划可以提供理论依据，这也是本研究的意义所在。

本研究选取丹江口水库水源区常见的5种用地类型的表层土壤，采用室内人工模拟降雨试验，研究在6种雨强下坡耕地、梯田、荒草地、乔木林、灌草地等土壤的径流和流失泥沙中有机质的含量。结果表明： ① 雨强对径流中有机质的流失影响显著，雨强越大土壤流失量也越大，而土地类型对其影响不大； ② 泥沙中的有机质流失量受雨强和土地类型的影响均显著，随雨强增加而增大；农用地(梯田和坡耕地)中随泥沙流失的有机质含量较高，林草地则低； ③ 分别对径流和流失泥沙中的有机质含量与雨强作回归分析，均显示出多项式拟合效果最好(除灌草地的泥沙拟合外)。

通过前面的分析和研究结果，不难发现坡改梯工程和退耕还林还草是丹江口水库水源区的必然选择，梯田作为一种水保措施，能够保持养分和水土流失，因此其土壤中富集的养分也最多；林草地土壤结构较好，能够减缓土壤侵蚀，因而流失的养分也较少。

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Effects of Rainfall Intensity and Land Use on Organic Matter Loss in Southwest Coteau of He’nan Province

LI Zhongyuan1, WANG Guozhong2, QU Jiangang3, XU Jianzhao3, YAN Dongfeng4

(1.HydrologyandWaterResourcesBureauinHe’nanProvince,Zhengzhou,He’nan450003，China; 2.HydrologyandWaterResourcesofYellowRiverScientificResearchInstitute,Zhengzhou,He’nan
450004,China; 3.SoilandWaterConservationSupervisionandInspectionStationinHe’nanProvince,Zhengzhou,He’nan450008,China; 4.CollegeofForestryHe’nanAgriculturalUniversity,Zhengzhou, 450002,China)

[Objective] The objective of this study is to analyze the effects of rainfall intensity and land use on loss of organic matter in southwest coteau in Danjiangkou reservoir catchment and to provide help for preventing and controlling non-point source pollution and soil erosion of the region. [Methods] Artificial rainfall experiments, two-factor variance analysis method was adopted to investigate nutrient loss in different land use types in Danjiangkou reservoir catchment and the topsoil samples were collected from five common land use types to analyze the organic matter under six levels of rainfall intensity. [Results] (1) The rainfall intensity had significant effects on the loss of organic matter in runoff while land use types had little impact on it, the higher the rainfall intensity is， the more the organic matter loss. (2) Both rainfall intensity and land types had obvious influence on the organic matter content in sediment, increasing with the increase of rainfall intensity. The organic matter content in the sediment from farmland (terraces and hilly land) was higher than that from forest and grass land, which indicated the better effects of soil and water conservation of forest and grass land. (3) The regression analysis between the organic matter content in runoff and sediment with rainfall intensity showed that polynomial fitting gives best performance(except sediment fitting of shrubby grassland) . [Conclusion] The most nutrients were rich in terraces soil, which could keep the nutrients and soil as a kind of soil conservation measures. Less nutrients were lost in woodland and grassland because of their better soil structure, which could reduce nutrient loss and soil erosion.

artificial rainfall; rainfall intensity; organic matter; land use; variance analysis

2016-03-12

2016-07-07

河南省科技攻关计划“基于分形理论的丹江口水库水源区农业面源污染研究及防治措施”(GG201412)， “河南省丹江口水库水源区水土保持与非点源污染特征研究”(GG200901)

李中原(1964—),男(汉族),河南省郑州市人,硕士,教授级高级工程师,从事水土保持方面的工作。E-mail:lizy0723@163.com。

A

1000-288X(2017)01-0029-05

S157