大凌河流域不同治理措施对土壤抗冲性能的影响

2018-03-05

中国水能及电气化 2018年1期

(建昌县水利局，辽宁葫芦岛 125300)

土壤是降雨径流和水资源储存的主要场地，通常情况下可与水流、植被和大气之间发生交换并对环境产生明显影响。对土壤结构和功能进行评价的基本指标是土壤的物理性质，而土壤抵抗径流水力冲刷破坏的评价指标一般采用土壤抗冲性，土壤抗冲性是对水土保持生态功能的直接评价指标[1]。大量研究结果表明：土地利用方式、土壤物理性质、植被类型和构造及水土保持措施等是影响土壤抗冲性的主要因素。北方石质山区属于我国严重的水土流失区域，地表结构主要是以石质山地、丘陵为主，其土壤类型多为褐土或棕色森林土，土质结构一般为薄壳状土层且粗骨料颗粒性能突出，地表一般表现为土石混杂、石多土少以及地面易砂砾化或石化等特征。大凌河流域属于北方石质山区典型的生态型小流域，该流域山坡陡峭，其中坡度大于20°的面积达80%以上，降雨时径流速度较快导致水力对土壤的冲刷侵蚀作用较强，且土壤肥沃力严重流失。水土流失和土壤贫瘠造成生态系统进入恶性循环，该流域是北方石质山区水土流失防治和生态建设的重要区域[2]。

多年来，大凌河流域水土保持管理部门采取了建梯田、水平槽，构建水土保持林、经济林等一系列的水土保持关键性技术措施，并取得了明显的综合效益，水土流失严重现状得到一定控制[3]。土壤物理性质以及保持水土的功能一方面受水土保持措施影响显著，另一方面可对地表水径流入渗、水分蒸散发和产汇流产生作用，故水土保持措施可对降雨径流进行调控，在一定程度上对防洪排涝和干旱缺水等自然灾害起到调节作用。不同的水土保持技术措施以及林地空间配置结构的差异是导致土壤改良程度存在差异的关键因素，因此，探讨不同水土保持措施对土壤物理性质、抗冲性的作用与影响，对北方石质山区水土保持综合效益进行科学的评价，对水土保持林进行合理的空间结构配置并提高植被覆盖率和土地利用率具有十分重要的意义[4]。

1 研究区域概况

大凌河流域位于辽宁省西部，该流域水土流失严重，泥沙含量约为57kg/m3。流域大小支干交错，全长398km，所占面积约为2.35万km2。大凌河流域属于温带季风气候，四季分明，日照丰富、温差大，资料显示9月和10是该流域的降雨旺季，年降水量约为450～600mm，降雨时间分布不均匀，径流量约为16.67亿m3。该流域主要的石质类型有砂岩和页岩，土壤疏松物理性能较差，水力冲刷侵蚀和风力侵蚀引起的严重水土流失，是大凌河泥沙的主要来源。大凌河流域内植被物种丰富，水土保持林主要有华北落叶松林、油松林和侧柏林等，主要植被为荆条灌木、栎林等[5]。

2 研究方法

本文通过野外勘测调查对大凌河流域水土保持措施和管理制度进行研究。调查结果显示大凌河流域水土保持措施主要有华北落叶松林、栎次生林、灌丛、侧柏林、油松林和石坎梯田等。研究区域选择以上6种样地，并以荒地为参照对象，所选样地占植被覆盖总面积的95%以上。

2.1 样地特征

为探讨分析样地内植被类型、林木空间布置、土壤类型和土层厚度等基本情况[6]，需在靠近样地群落中心位置且植被分布比较均匀区设置25m×25m的乔木样方；为确保样地在不同坡地时均能被抽查到，准确反映灌木分布状况，本文在样地中心和四角分别布置5个2m×2m的灌木样方；选择5个1m×1m的草本样方对草木丛数量和覆盖度等参数进行计算。样地调查结果见表1。

为减少其他因素对土壤物理性质和抗冲性的影响，文中所选样地坡向和坡度大致相同，各样地土壤类型和土壤特征尽可能相似[7]。

表1 样地分布基本特征

2.2 土壤物理性能检测

土壤挖剖取样位置宜选择在植被生长较为均匀区，并在样地上、中、下坡位置的0～10cm、10～20cm、20～30cm深度处各自取样。取样后，首先采用环刀法对土壤密度、孔隙率等物理性质进行检测，然后将各层的3个土壤样品进行均匀混合，测定土壤的粒径，最后通过野外实地放水用冲刷仪进行土壤抗冲性检测。

2.3 土壤粒径及分形维数计算

土样粒径测定前应先对土壤进行风干处理并过2mm筛，再利用激光粒度分析仪对过筛后的土样进行粒径测定，测量误差控制在2%以内，测量范围在0.02～2000μm之间。土壤分形维数采用基于粒径体积分布特征的分形模型进行计算，土样颗粒体积分布与平均粒径之间的分形关系为

(1)

式中Vr

r——土壤粒径，mm；

VT——总体积分数；

λV——最大粒径数值；

D——体积分形维数。

3 不同治理措施下土壤物理性能及抗冲性分析

3.1 土壤密度和孔隙率影响分析

不同水土保持措施下的土壤物理性质存在较大差异，样地土壤密度和孔隙率计算结果见表2。由表2可知，在不同的水土保持措施下，土壤密度随土层深度的增加而增大，而土壤总孔隙率和毛管孔隙率随土壤深度的增加呈减小趋势，非毛管孔隙率与土壤深度之间的变化规律不明显，水土保持措施可改善土壤孔隙结构，并提高土壤通透性能。由表2中土壤密度数据可知，除了侧柏林和荆条灌丛以外的其他水土保持措施对土壤密度均有一定的改善作用，并且以栎次生林对土壤改良性能最优[8]。

表2 不同水土保持措施下各土层的土壤物理性质

3.2 土壤颗粒分形影响分析

不同的水土保持措施对土壤颗粒在各粒径中的质量分布规律影响不明显，见表3，样地土壤粒径以粗粉粒和细砂粒为主，所占比例接近一半。一般情况下，土壤分形维数大于2.88时可认为土壤密实性较好通透性较差，在不同水土保持措施下，土壤体积分形维数在2.12～2.54之间并且土壤分形维数无明显差异，故水土保持措施可改善土壤孔隙结构，提高土壤通透性能。

表3 土壤组成、分形维数以及抗冲性分析

3.3 土壤抗冲性能影响分析

在不同水土保持措施下，土壤受水力侵蚀造成的土壤冲刷量存在一定差异，其中荒地土壤侵蚀量最大，为114.20g/cm3。水土保持措施主要是通过延长水流径流时间以降低水流速率来减轻水力对土壤的冲刷作用，水土保持措施也可在一定程度上对水流进行储存并通过地下径流作用降低地表径流水量。水土保持措施可明显降低土壤侵蚀量，土壤侵蚀量由大到小依此为荆条灌丛(10.32g/cm3)、油松林(6.85g/cm3)、栎次生林(4.22g/cm3)、侧柏林(2.75g/cm3)、落叶松林(1.48g/cm3)。水土保持措施主要是通过延长径流时间并降低水流速度来减轻水力对土壤的冲刷作用[9-11]。

3.4 土壤抗冲性与物理性质相关性分析

本文采用Pearson法对土壤抗冲性与物理性质相关性指标进行简单的计算分析。结果表明：土壤侵蚀量与非毛管孔隙率(X1)呈明显的正相关性(R2=0.825X1)，土壤冲刷量与土壤颗粒细、中粉粒体积分数(X2、X3)呈明显的负相关性。(R2=-0.738X2、R2=-0.725X3)；水力冲刷时间与毛管孔隙率(X4)和总毛管孔隙率(X5)以及土壤密度(R5)呈明显的正相关性；而土壤密度与毛管孔隙率和总毛管孔隙率呈负相关性，土壤分形维数与密度、抗冲性、孔隙率无明显的相关性。

文中通过建立冲刷量(Y1)、冲刷时间(Y2)和土壤密度(Y3)的回归模型，对土壤抗冲性与物理性质相关性进行更深入的探讨研究。经过判断，因变量Y1、Y2、Y3服从正态分布，可知回归模型为

Y1=0.05+6.27X1-1.24X2-0.04X3

(R2=0.936,P=0.02)

(2)

Y2=-127.34+2.53X4(R2=0.864,P=0.01)

(3)

Y3=2.74-2.81X5(R2=0.869,P=0.01)

(4)

模型中判定系数R2值均大于0.8，表明以上3种回归模型对样本的拟合结果精确度较好，具有可靠的研究意义；而标准差P值均小于0.05，表明模型符合样本评价指标总体发展趋势，满足模型相似度要求。综上所述，上述3种回归模型适用于在不同水土保持措施下的样地土壤物理性质和抗冲性相关性分析研究，且适用于自然生态环境相近区域的指标预测和模拟。