极端次降雨事件下的土壤侵蚀调查研究

摘 要：黄土高原是我国乃至世界上土壤侵蚀状况最严重的地区之一，其中细沟侵蚀是该地区最主要的土壤侵蝕方式之一，往往一次极端降雨事件造成的细沟侵蚀量可占全年土壤侵蚀量的50%以上。2013年延安市遭受了自有气象记录以来最强的一次极端降雨事件，本文选取延河流域此次降雨相对集中的4个县区（安塞，志丹，延川，延安宝塔区）进行了系统的土壤侵蚀调查，结果发现：在不同土地利用类型中，自然恢复的草地和人工林地，土壤侵蚀现象较少，而侵蚀现象比较严重的是坡耕地和果园地；土壤侵蚀量并不是随坡度的增大一直增加，均存在一个临界坡度；随草本植被盖度的增加，土壤侵蚀量逐渐减小。植被的垂直结构越完整，侵蚀量越小。此次调查结果对于在黄土高原地区开展土壤侵蚀相关研究具有一定的现实意义。

关键词：极端降雨事件；细沟侵蚀；延河流域

中图分类号：S157.1 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032017

黄土高原由于其独特的自然条件，是我国乃至世界上土壤侵蚀最严重的地区之一。近年来，随着退耕还林还草政策的实施和响应，黄土高原的植被状况有了很大的改善，传统的耕作模式大幅度减少，土壤侵蚀状况得到一定缓解。目前，有学者认为该地区的土壤侵蚀主要来自于一年中某几次极端降雨事件。2013年7月，延河流域遭受了自1945年有气象记录以来过程最长、强度最大、间隔时间最短的一次极端降雨，也是黄土高原地区自退耕还林还草措施实施以来遭受的最大强度的一次降雨。本文选取延河流域此次降雨相对集中的4个县（安塞，志丹，延川，延安宝塔区）进行了系统的土壤侵蚀调查，旨在揭示黄土高原地区遭受极端降雨事件后不同土地利用方式、不同坡度、不同植被盖度和不同植被结构下的土壤侵蚀状况及规律，为下一步的室内模拟研究提供理论基础。此次调查主要针对细沟侵蚀进行，因为细沟侵蚀是黄土高原土壤侵蚀的主要方式之一，细沟侵蚀量对坡面侵蚀量的贡献能够达到70%以上，占总侵蚀的1/2左右。

1 研究方法

1.1 土壤容重测量与计算

用凡士林在环刀内壁薄薄的涂抹一层，将铝盒逐个编号并称量记录铝盒的重量（准确到0.1g），记为G0。 在野外选好样地后，在样地周围选取没有人为扰动的3个采样点，拂去表面的枯枝落叶，然后平稳打入环刀，待环刀全部进入土壤后，用铁锹挖去环刀周围的土壤，取出环刀，小心脱出环刀上端的环刀托，然后用削土刀削平环刀两端的土壤。将已采集好的环刀内土壤样品小心的全部转移到铝盒内，称量铝盒及新鲜土壤样品地重量，记为G1。将样品带回室内，放在 105℃烘箱内烘干至恒重，称量烘干土及铝盒重量，记为G2。

1.2 土壤侵蚀量的估算

在野外调查时，选取有代表性的样地后，根据样地大小等实际情况进行样方调查，一般为10m×10m的样方。在样方的上、中、下各拉一条横线，统计每条线上的侵蚀沟的宽度、深度、长度，由于调查的主要是细沟（深度和宽度均小于20cm）侵蚀，其横断面近“V”型，故侵蚀量可用以下公式计算。

A= 1/2×DWLr/S

式中，A表示土壤侵蚀量（t/km?），D表示侵蚀沟深度，W表示侵蚀沟宽度，L表示侵蚀沟长度，r表示土壤容重，S表示样方面积。

2 结果与分析

2.1 土地利用方式与土壤侵蚀

从图1中可以看出，坡耕地的土壤侵蚀量最大，约为果园地的2倍，草地的4倍，而林草地几乎没有侵蚀。坡耕地和果园地由于人为活动的干扰，使表层土壤的理化性质发生改变，例如耕作使表层土壤变疏松，地表径流冲刷作用增大，表层沃土流失，肥力降低，土壤有机质含量降低，团聚体的数量减少，土壤侵蚀加剧。此外，耕地和果园也受季节性因素的影响，庄稼和果实收获后，土地基本处于裸露状态，如遇降雨，极易产生水土流失。而草地和林草地由于地上部分能够拦截降雨，削减雨滴动能，减少了雨滴对地面的打击，降低了对表土层的冲击侵蚀作用。此外，林草地和草地的贴地面层一般都有一层薄薄的枯枝落叶层，它具有较高的持水容量，延长了径流入渗时间，增加了地表粗糙率，既削减了雨滴动能又削减了径流动能，保护表土层不被侵蚀。枯枝落叶层被微生物分解后，又增加了土壤的有机质含量，土壤团聚体数量增加，提高了土壤抗冲性和抗蚀性。

2.2 植被结构与土壤侵蚀

此次野外调查的植被结构类型有草本结构，灌草结构，乔草结构和乔灌草结构，如图2所示：不同植被结构下的土壤侵蚀量分别是草本结构>灌草结构>乔草结构>乔灌草结构。在一次降雨过程中，雨滴遇到乔冠层的阻挡和截留，改变了雨滴降落方式、高度和速度，引起下落地面雨滴直径和能量的变化。刘向东等对森林植被的垂直结构研究发现，树冠截留作用消减的雨滴动能为17%～40%，草冠层为44.4%，枯枝落叶层为99.5%[1]。被冠层截留后的降雨，有些雨滴落到地面形成林冠雨（捕捉雨），有些则沿树干流到地面，形成干流，还有一部分穿过枝叶空隙直接落到地面，形成穿透降雨。这部分雨滴降落过程中又会遇到灌木层和草本层，它们距离地面的高度较低，一般不会产生击溅侵蚀所需的雨滴降落速度。有研究表明，当树高10m时，树下水滴动能几乎是天然降雨的2倍[2]，当冠层覆盖高度为3～4m时，乔冠层已无消散雨滴动能的作用，如果林下没有灌木层或草本层的保护，必然造成严重的土壤侵蚀，这也和调查中发现果园地侵蚀比较严重的现象相吻合。因此，某一研究区域的植被结构直接影响着其土壤侵蚀状况，植被的垂直结构越完整、越复杂，其土壤侵蚀程度就越轻。

2.3 坡度与土壤侵蚀

随着坡度的增加，降雨入渗减少，坡面径流增加，径流速度增加，冲刷能力增强，土壤侵蚀量增加。如图3所示，坡度对土壤侵蚀作用的影响并不是成单一的正比关系，而是有一个侵蚀临界坡度存在，超过这一临界坡度，侵蚀量反而减少（或增加）。坡耕地在坡度为30°时，土壤侵蚀量最大；草地在坡度为35°时土壤侵蚀量最大；果园地在坡度为26°时，土壤侵蚀量最小。因此，在考虑坡度对土壤侵蚀的影响时，要排除其它因素的干扰，临界坡度与土壤内在性质、植被盖度、土地利用类型、降雨特性等因素有关，并不是一个固定的值，在不同的土壤条件和地质条件下，它的值也就不一样[3]。endprint

2.4 植被盖度与土壤侵蚀

如图4所示，土壤侵蚀量随盖度的增加呈现递减的趋势，在植被盖度超过一定值后趋于稳定。大量研究表明，在坡面上保持足够的植被，即植被盖度（林冠层盖度即郁闭度）对防止土壤侵蚀有着重要作用。侯喜禄[4]等认为：林分保持水土有效盖度为60%，在此值以上林分减少土壤侵蚀量的作用大且趋于稳定。这也与本文调查结果相符合。此外。焦菊英[5]等从植被防治水土流失的能力出发，提出了有效盖度的概念，用于表示植被防止水土流失所需要的盖度阈值；王晗生[6]等人提出了贴地表盖度的概念，并认为就植被而言，一定盖度的植被，越是贴地面覆盖，其防蚀作用越有效。

3 结论与讨论

本次野外调查属于探索性的研究，有别于以往的室内模拟研究，对机理的研究和分析不够深入，下一步要与室内试验相结合做进一步研究。

自黄土高原“退耕还林还草”工程实施以来，植被状况有了很大改善，从不同土地利用类型来看，自然恢复的草地和人工林地，土壤侵蚀现象较少；而侵蚀现象比较严重的是坡耕地和果园地。

不同土地利用方式下的土壤侵蚀量与坡度的关系较为一致，即土壤侵蚀量并非随坡度的增大一直增加，均存在一个临界坡度，坡耕地在坡度为30°时，土壤侵蚀量最大；草地在坡度为35°时土壤侵蚀量最大；果园地在坡度为26°时，土壤侵蚀量最小。

植被与土壤侵蚀的关系体现在植被盖度和垂直结构上，植被的乔灌层能够有效截留降雨，改变雨滴降落方式，削减雨滴动能；草被层能够保护地面免受雨滴击溅，增加地步粗糙度，减少径流冲刷，削减径流动能。调查发现，随草本植被盖度的增加，土壤侵蚀量逐渐减小，当大于40%时，土壤侵蚀程度明显降低。植被的垂直结构越完整，侵蚀量越小，果园地侵蚀量大的原因是缺少草被层的保护。

参考文献

[1]刘向东，吴钦孝，赵鸿雁.森林植被垂直截留作用与水土保持[J].水土保持研究，1994（3）：8-13.

[2] Vis M，Klijn F，De Bruijn K M，et al.Resilience strategies for flood risk management in the Netherlands[J].International journal of river basin management，2003，1（1）：33-40，29-35.

[3]王秀英，曹文洪，陈东.土壤侵蚀与地表坡度关系研究[J].泥沙研究，1998（2）：36-41.

[4]侯喜禄，曹清玉.陕北黄土丘陵沟壑区植被减沙效益研究[J]. 水土保持通报，1990，10（2）：33-40.

[5]焦菊英，王萬中，李靖.黄土高原林草水土保持有效盖度分析[J].植物生态学报，2000，24（5）：608-612.

[6]王晗生，刘国彬.植被结构及其防止土壤侵蚀作用分析[J].干旱区资源与环境，1999，13（2）：62-68.

作者简介：花东文（1989-），男，河南信阳人，硕士研究生，主要从事水土保持、土地整治方面的研究。endprint