坡长对贵州喀斯特区黄壤坡耕地土壤侵蚀的影响

2018-04-11高儒学高华端宋江平李华林

水土保持研究 2018年2期

高儒学, 高华端, 宋江平, 李华林

(贵州大学林学院, 贵阳 550025)

坡长是改变地表水流形态，影响泥沙搬运的主要地形因子，不同坡长的坡面土壤侵蚀效应不同[1-3]。北方地区关于坡长对土壤侵蚀的影响的研究相对较早且成熟，且取得了丰硕的成果[4-10]。南方喀斯特区该领域研究起步较晚，研究甚少；郭新亚等[11]利用径流小区观测法探讨了坡长对黔西北地区坡面产流产沙的影响得出坡面产流量随坡长的增加呈先减小后增加再减小的变化趋势，坡面产沙量随坡长的增加而增加，且产沙量与坡长之间呈线性关系；何永彬等[12]在贵州黔南峰丛洼地区林间白云岩坡地应用137Cs法研究土壤侵蚀表明表土样的137Cs浓度随着坡长的增加而增加；蒋荣[13]通过对贵州喀斯特地区的野外径流小区实测资料分析指出，坡面产流量随坡长的增加先增大后减小，转折坡长在15 m左右，正常情况下，呈现坡面产沙量随坡长的增加而增大的规律性；何永彬等[14]对喀斯特白云岩坡地土壤空间异质性进行测量分析指出土石结构、土壤厚度和土壤颗粒结构等方面表现出随着坡长和坡位而变化的较高空间异质性特征。付兴涛[15]探讨了南方红壤区坡耕地、经济林地及裸坡地3种主要土地利用方式的土壤侵蚀强度及随坡长的变化特征；其还采用野外人工模拟降雨的方法，研究了南方红壤丘陵区作物覆盖坡耕地上不同雨强下坡长对其土壤侵蚀的影响，并探讨了侵蚀增强的临界雨强和设置水土保持措施的合理坡长[16]。穆恩深[17]研究了喀斯特区石桥小流域不同条件的坡面产流特征得出不同坡长小区之间单位面积土壤侵蚀模数相差不大，坡长与径流深之间存在很大的关系。李锐等[18]通过对贵州省喀斯特地区4种可控土壤侵蚀因子进行了探讨，指出坡面土壤侵蚀随着坡度和坡长的增加而加剧，随盖度的增加而减轻。然而，王恒松等[19]通过对贵州高原山地、盆地及峡谷3种典型地貌单元水土流失机理的研究指出喀斯特坡面的坡长对水土流失的影响不大，规律性不强。

西南喀斯特地区关于坡长对土壤侵蚀的影响的研究较少且处于定性描述阶段，北方地区的研究规律并不一定适应喀斯特地区，因此，在西南喀斯特地区定量开展此类研究是很有必要的。本文通过对坡长因子的定量研究，建立适合喀斯特地区的侵蚀模型，为喀斯特地区开展水土保持规划，水土保持监测和水土保持理论评价等提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　研究区概况

石桥小流域水土保持监测点位于毕节鸭池镇石桥村，东经105°18′45″—105°27′30″，北纬27°12′10″—27°17′30″。距毕节市区13 km，距贵毕路约2 km。该监测点所在的石桥村小流域面积35.93 km2，水土流失面积9.86 km2，喀斯特石漠化面积占总面积的63.47%，该小流域属长江流域乌江水系，处于国家水土流失中心防治区——乌江赤水河上中游治理区，同时也属于贵州省人民政府发布的水土流失重点治理区。气候类型属于亚热带湿润季风气候区，年平均气温达到14.03℃，≥10℃的积温达到4 166℃，平均日照时数1 377.7 h，无霜期为258 d，多年年均降雨量在863 mm左右，年降雨量主要分布在每年7—9月，占总降雨量的52.4%。植被类型为亚热带常绿阔叶林，原生植被大多被破坏，现在多为次生林，植被大部分分布在山坡上部，乔木树种主要以松和杉为主，野生植被大多是刺梨、杜鹃、藤、刺和灌丛。石桥小流域土壤类型主要为黄壤，小流域也有岩泥土、大土泥土和石灰土等。小流域属中山地貌类型区，地势起伏大，最高海拔达到1 742.3 m，最低海拔为1 425 m，最高海拔和最低海拔相差317.3 m。

1.2　试验设备

石桥小流域监测点有简易气象观测场1个，坡面径流小区28个，观测房60 m2及观测便道230 m。主要监测设备有：自记雨量计、人工雨量计、电脑、皮尺。由贵州省水土保持监测站设计、建设并直接管理，毕节市监测分站协助管理，2008年试运行，2009年正式开展监测工作。

1.3　试验设计

试验选择在坡耕地标准径流小区开展，各小区顶部及两边设置挡水墙，小区下部设置集流槽收集坡面径流，并接输水槽将径流引入径流桶，在小区旁放置雨量计以测降雨量。

表1　研究小区概况

1.4　数据来源及试验方法

研究数据来源于石桥小流域水土保持监测点2009年及2010年降雨产流和产沙实测资料。每次降雨后在2 h内完成取样，首先观测集流池、分流池内的水深，用以计算坡面径流深；收集集流槽土样并称重；将集流池、分流池中的泥沙和水充分搅拌混合后取样带回实验室进行沉淀、过滤、烘干等步骤后称重、计算各坡面产沙模数，降雨均采用自记雨量计记录的数据；数据处理和图表的制作主要利用Excel和SPSS软件。

2　结果与分析

2.1　坡长对坡面径流深的影响

(1) 坡长与坡面年内径流深的关系。图1是在年侵蚀性降雨281.55 mm下，由统计的不同坡长小区内两年平均径流深的数据分析得到的。由图1可知，坡面径流深随着坡长呈现起伏的变化。坡长从5 m增加到10 m，径流深减小了14%；坡长从10 m增加到15 m，径流深增加了26%；坡长从15 m增加到20 m，径流深减小了10%；坡长从20 m增加到25 m，径流深减小了7%。因此，坡长从5 m增加到10 m时，随着坡长的增加径流深减小；坡长从10 m增加到15 m，径流深随着坡长的增加而增加；坡长从15 m增加到25 m时,径流深随着坡长的增加而减小。

图1坡长与坡面年内径流深

(2) 次降雨量小雨30 mm时，径流深随坡长的变化。图2是通过统计次最大降雨量小于30 mm时，不同坡长下的径流深而得到的。由图2可知，坡长从5 m增加到15 m，径流深随着坡长的增加而增加；坡长从15 m到25 m，径流深随着坡长的增加而减小。年内径流深与次最大降雨量小于30 mm下的不同坡长径流深相比较：从坡长5 m增加到10 m，年内径流减小了14%，但次最大降雨量小于30 mm时的径流深却增加了5%。图1和图2表明：坡长从10 m增加到15 m时，径流深增加的幅度相差不多，分别是26%和23%，说明了坡长对径流深的影响不随雨量的变化而变化。

图2径流深随坡长的变化(I<30 mm)

(3) 次降雨量大于30 mm时，径流深随坡长的变化。图3是通过统计次最大降雨量大于30 mm时，不同坡长下的径流深而得到的。由图3可知，次降雨量大于30 mm时，坡长从5 m增加到10 m时，径流深减小了19%，这与年侵蚀性降雨下的土壤侵蚀模数随坡长的变化规律一致。坡长从10 m增加到15 m时，径流深增加了27%；坡长从15 m增加到20 m时，径流深几乎没变化，这说明在次降雨较大时，径流深随坡长变化的临界坡长加大，因为在较大降雨时，地表径流深加大，从5 m到15 m的坡长还不能改变地表径流运动状态。从20 m增加到25 m，径流深减小了7%，这与次最大降雨量小于30 mm的径流深随坡长变化规律一致。从总体上看，图3曲线的变化规律与年内曲线的变化规律一致，均表现出随着坡长的增加，径流深先减小；与次最大降雨量小于30 mm的径流深比较，坡长从15 m增加到20 m时径流深几乎没变化。

图3径流深随坡长的变化(I>30mm)

2.2　坡长对坡面土壤侵蚀模数的影响

(1) 坡长与年内土壤侵蚀模数的关系。由统计的不同坡长小区内两年平均土壤侵蚀模数的数据分析计算而得到相应的土壤侵蚀模数，再通过坡长与相应的土壤侵蚀模数从而得出图4。由图4可知，平均土壤侵蚀模数随着坡长的变化呈现一次函数关系的增长，拟合度R2=0.9217。随着坡长的增加，平均土壤侵蚀模数也相应的增加；坡长从5 m增加到25 m的过程中，坡长每增加5 m，相应的土壤侵蚀模数分别增加了97%，12%，119%，13%。即土壤侵蚀模数随着坡长的变化以15 m为分界点，在5～10 m及15～20 m这两段坡长内增加最快。

图4年内土壤侵蚀模数随坡长的变化

(2) 次最大降雨量小于30 mm时，坡长与土壤侵蚀模数的关系。图5是通过统计次最大降雨量小于30 mm时，不同坡长下的土壤侵蚀模数而得到的。由图5可知，坡长从5 m增加到10 m，土壤侵蚀模数增加了156%，增加最大；坡长10 m增加到15 m，土壤侵蚀模数减小了32%；坡长15 m增加到20 m，土壤侵蚀模数减小了16%；虽然坡长20 m增加到25 m，土壤侵蚀模数减小了32%，但整体上坡长从5 m增加了25 m，土壤侵蚀模数呈现了先剧烈上升再连续下降的趋势。这说明在喀斯特地区，次降雨量小于30 mm时，坡耕地坡长应该尽量调整在10 m以上，这样有助于减小水土流失，保护水土资源。

图5坡长与土壤侵蚀模数的关系(I<30 mm)

由图4和图5可知，次最大降雨量小于30 mm时的土壤侵蚀模数随坡长的变化规律与年内土壤侵蚀模数随坡长的变化规律并不完全一致，两者相同之处在于坡长从5 m增加到10 m，土壤侵蚀模数一直增大。

(3) 次最大降雨量大于30 mm时，坡长与土壤侵蚀模数的关系。图6是通过统计次最大降雨量大于30 mm时，不同坡长下的土壤侵蚀模数而得到的。可知，坡长与土壤侵蚀模数亦呈现一次函数的增长关系，拟合度R2=0.9146。坡长从5 m增加到25 m，土壤侵蚀模数随着坡长增加整体呈现上升的趋势，该趋势呈先增加慢后增加快，临界坡长在15 m左右。

图6坡长与土壤侵蚀模数关系图(I>30mm)

2.3　不同雨强下对应坡长的土壤侵蚀特征

(1) 不同雨强下坡长与径流深的关系。图7是将25 mm/h和41.4 mm/h两种雨强下的径流小区测得的坡面径流深绘制而成的。由图7可知，两种雨强下坡长与坡面径流深之间的关系曲线走向一致。在坡长小于10 m时，径流深均随着坡长的增加而减小，其中，25 mm/h雨强的坡面径流深减小了12%，41.4 mm/h雨强的坡面径流深减小了32%；当坡长从10 m增加到15 m时，25 mm/h和41.4 mm/h两种雨强的径流深均随着坡长的增加而增加；25 mm/h的雨强径流深增加了14%，41.4 mm/h的雨强径流深增加了36%；当坡长从15 m增加到25 m时，两种雨强的径流深均随着坡长的增加而减小。从图7中还可以看到，雨强越大，径流深随坡长的变化规律越明显。

图725mm/h和41.4mm/h两种雨强下坡长与径流深关系

(2) 不同雨强下坡长与土壤侵蚀模数的关系。图8是由25 mm/h和41.4 mm/h两种雨强下的径流小区测得的坡面土壤侵蚀模数绘制而成的。在两种雨强下，土壤侵蚀模数均随着坡长的增长表现出先增大后减小的趋势。在相同的坡长下，最大30 min雨强越大，土壤侵蚀模数越大；在同一雨强下，土壤侵蚀模数随着坡长的增加先增大后减小。雨强为25 mm/h时，土壤侵蚀模数随坡长变化的转折点为15 m；而雨强增加到41.4 mm/h，转折点提前至10 m；另外，雨强越大，土壤侵蚀模数随坡长变化的曲线斜率就越大。

图825mm/h和41.4mm/h两种雨强下坡长与土壤侵蚀模数关系

3　结论

(1) 喀斯特坡耕地坡面年内径流深随坡长的变化规律为：坡长从5 m增加到10 m时逐渐减小；坡长从10 m增加到15 m时逐渐增加，在15 m时达到最大；坡长从15 m增加到25 m时逐渐减小。

(2) 次降雨量小雨30 mm时，坡长从5 m增加到15 m，径流深随着坡长的增加而增加；坡长从15 m到25 m，径流深随着坡长的增加而减小。

(3) 次降雨量大于30 mm时，坡面年内径流深随坡长的变化规律为：坡长从5 m增加到10 m时逐渐减小；坡长从10 m增加到15 m时逐渐增加；坡长从15 m增加到25 m时逐渐减小。

(4) 年内平均土壤侵蚀模数随着坡长的变化呈现一次函数关系的增长，拟合度R2=0.9217。次最大降雨量小于30 mm时，年内平均土壤侵蚀模数随着坡长的变化呈现先急剧增加后减小的趋势，峰值出现在10 m。次最大降雨量大于30 mm时，年内平均土壤侵蚀模数随着坡长的变化亦呈现一次函数的增长关系，拟合度R2=0.9146。

(5) 在最大30 min雨强为25 mm/h和41.4 mm/h条件下，坡长与坡面径流深之间的关系均呈现先减小后增大再减小的趋势；坡长与土壤侵蚀模数之间的关系呈现先增大后减小的趋势；相同的坡长下，最大30 min雨强越大，土壤侵蚀模数越大；同一雨强下，土壤侵蚀模数随着坡长的增加先增大后减小。

在此，对贵州省水土保持监测站表示诚挚的谢意！

参考文献:

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