川北丘陵区土地利用方式对地表侵蚀产沙的影响

杨 丹

( 1. 西华师范大学国土资源学院，四川 南充 637009；2. 西华师范大学嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

地表侵蚀产沙是降水与下垫面相互作用的结果[1]，是流域地貌变化的主导因素之一，已受到国内外相关学者的高度重视[2-3]。国内外学者针对侵蚀产沙过程的研究主要集中于径流量、输沙量的变化规律及其影响因素等方面[4-5]，我国的相关研究多集中于黄河流域和长江流域中下游[6-8]，而针对长江上游嘉陵江流域侵蚀产沙过程的研究相对较少，且主要集中在水保措施的保土减沙方面[9-10]。如张明波等[10]研究发现实施水土保持治理，对控制嘉陵江流域内水土流失现象有积极作用，减沙效益可达20%以上，但减水效益不足5%。土地利用方式作为改变地表形态的重要手段之一，不仅影响流域的蒸散发性能，而且可以通过改变地表覆被类型及程度来影响流域的产流产沙[11-12]。然而，已有研究中多关注农田、城镇、水域、耕地、林地、交通用地等土地利用方式对土壤侵蚀过程的影响[13-14]，针对农地利用过程中因耕种导致的土地利用形式差异引起的土壤侵蚀过程发生变化的研究几乎没有。川北丘陵区是我国典型的农业区，坡耕地广泛分布、人地矛盾突出，耕作方式多样化明显，农地的不同利用方式对流域的侵蚀产沙也起着重要作用。因此，为弥补该区缺乏关于农地土地利用方式对土壤侵蚀过程影响的研究，本研究以嘉陵江西河流域为重点研究区，通过野外长期定位观测试验，深入研究川北丘陵区农地不同土地利用方式下产流产沙的变化过程，研究结果有助于建立适合嘉陵江流域的土壤侵蚀产沙预报模型，利于指导该区采用合理的土地利用方式减少区域的侵蚀产沙。

1 研究区概况

研究区位于四川省南部县境内，属嘉陵江支流西河流域（105°43′E，31°30′N），地处川东北低山深丘区，区内海拔为344～730 m。该区属亚热带湿润季风季候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，多年平均降雨量和蒸发量分别为931 mm和513 mm，年内降水主要集中在5—10月，约占全年降水量的82%，多年平均气温为17.2 ℃[15-16]。该区母岩为白垩系下统城墙岩群砂泥岩，土壤类型以水稻土和黄壤土为主，其有机质含量较低，结构状况不良，易分散悬浮，抗蚀性、抗冲性均较差[15,17]。区内植被主要为亚热带常绿阔叶混交林，温带针叶林和次生植被，植物品种繁多，植被覆盖率约为35%[15]。该区粮食作物以水稻（Oryza sativa）、小麦（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）、红苕（Ipomoea batatas）为主，经济作物以油菜（Brassica napus）和棉花（Gossypiumspp.）为主。

2 材料与方法

2.1 数据来源

本研究选取了南充市升钟水土保持试验站（以下简称“水保站”）内降雨条件一致（表1）的4个相邻径流小区以分析不同土地利用方式对产流产沙变化的影响。鉴于数据的可得性和完整性，本研究选取了2005—2016年各径流小区的年总径流量和年侵蚀模数数据，以及2008—2016的年平均泥沙含量数据进行分析。其中，降雨数据通过径流小区附近的气象站获得，径流量通过直接测定径流池深度计算获得，泥沙含量通过烘干法测定，年侵蚀模数则通过年总侵蚀量与径流小区面积进行换算而得到。

表1 观测小区2005—2016年降雨情况Table 1 Precipitation in the monitoring area from 2005 to 2016

2.2 研究方法

选取4个径流小区进行对比研究，其长、宽、坡度均分别为20、5 m、5°，土壤类型均为黄壤。为研究土地利用方式对侵蚀产沙过程的影响，在保证其他条件一致的情况，对土地不同利用方式进行分析，见表2。其中，CK主要通过人工修剪的方式使其植被盖度常年维持在5%以下，且常年无其他干扰。T1、T3、T4均主要通过机耕或人工方式进行耕作，土壤扰动深度在10～15 cm以内，且相应作物种植根据节令进行，全年基本无闲置期。

表2 观测小区概况Table 2 Basic information of monitoring area

2.3 数据处理

采用Excel 2013进行数据整理，通过SPSS 16.0和Origin 8.0对各径流小区的径流、侵蚀状况差异进行统计分析，并采用 Duncan 法进行方差分析，同时采用Sigmaplot 10.0进行图形绘制。

3 结果与分析

3.1 土地利用方式对径流量的影响

由图1可知，2005—2016年4种处理径流小区径流量的时间变化过程。不同土地利用方式径流小区的径流量年际变化过程有较大差异。其中，T1径流量在观测时段内呈明显的“单峰”现象，即在2005—2013年间径流量基本保持稳定在10.66 m3附近，波动相对较小，随后，T1径流量开始急剧增大，并在2015年达到最大值（112.40 m3），接着在2016年急剧减少到12.04 m3。这与2005—2016年间降水量在2015年取得最大值有一定关系，即T1径流量峰值的出现时间与年降水量有很大关系。分析发现，CK的径流量也具有“峰值”现象，并在2011年达到最大值（47.46 m3），但CK年径流峰值的出现时间与年降水量的变化并不具有同步性。对比发现，T1径流量最大值远高于CK，但径流量峰值出现的时间有一定差异，由此说明种植蔬菜对径流的年际变化规律影响相对较小，但对其具体变化过程有一定改变作用，即蔬菜种植可在一定程度上改变下垫面产流对降水量的响应特征。

图1 各径流小区年总径流量的年际变化Fig. 1 Annual variation of runoff

进一步分析发现，T3与T4的径流变化过程相对一致，均在观测期间呈现出“双峰”现象，即径流量在2007年和2014年或2015年达到峰值，且2个径流小区的径流量峰值也较为接近。其中，T3在2007年和2015年达到径流量峰值68.96 m3和66.20 m3，T4在2007年和2014年达到径流量峰值72.74 m3和70.40 m3。

为进一步探讨土地利用方式对径流量的影响，对上述4个小区径流量进行方差分析，结果显示不同土地利用方式小区径流量之间无显著差异，说明在降雨条件一致的情况下土地利用方式的改变不会对径流量的大小造成显著的影响。不同土地利用方式的4个小区多年平均径流量关系为T4（27.12 m3）＞CK（26.49 m3）＞T3（23.34 m3）＞T1（21.85 m3），即种植饲草可在一定程度上增加径流量，而种植蔬菜或农作物混种可以减少产流量，这可能与饲草柔韧性较好遇到强降雨时易倒伏从而减少入渗，同时倒伏的饲草有助于降低地表糙度，加速径流形成和流动，进而使得径流量增加有一定关系。但由于上述作用强度有限，仅能使得T4径流量有所增加，但并不显著地高于其他处理小区。

3.2 土地利用方式对径流泥沙含量的影响

由图2可知，2008—2016年间，各土地利用方式径流小区年平均泥沙含量的年际变化过程。整体上看，各径流小区的泥沙含量均呈现出较强的时间波动性。其中，CK泥沙含量的年际波动最为明显，其最大值出现在2014年为5.92 g/mL，最小值出现在2015年为0.968 g/mL，在整个观测时段内泥沙含量的变幅高达4.95 g/mL，是4种土地利用方式中泥沙含量变化幅度最大的。相对而言，T3泥沙含量年际变化最小，在2008—2016年间的变化幅度仅为0.69 g/mL。T1和T4泥沙含量的年际变化波动性介于前两者之间，变化幅度分别为2.92 g/mL和1.57 g/mL。分析发现，CK泥沙含量的变化幅度分别为T1、T3和T4的1.70、7.16和3.15倍。由此可知，3种处理的土地利用方式均可在一定程度上减小泥沙含量的年际变化使其各年度趋于稳定。

图1 泥沙含量的年际变化过程Fig. 2 Annual variation of sediment content

通过方差分析可以对比不同处理小区泥沙含量的均值大小关系，从而可以确定不同土地利用方式的保土减沙效果。结果显示，CK的平均泥沙含量（3.10 g/mL）显著高于其他3个处理（P＜0.05），分别为 T1（1.90 g/mL）、T3（0.72 g/mL）和T4（0.74 g/mL）的1.63、2.65和2.56倍，由此可知3种处理的土地利用方式对降低泥沙含量作用明显。此外，各土地利用方式处理之间的泥沙含量也存在较大差异，其中T1泥沙含量虽然显著低于CK（P＜0.05），但显著高于T3和T4（P＜0.05），由此说明种植蔬菜虽然可以降低泥沙含量，但对泥沙含量的降低作用不及农作物混种和牧草种植。进一步分析发现，T3和T4的泥沙含量之间无显著差异，即种植饲草或者农作物混种不会对径流小区的多年平均泥沙含量产生显著影响。这可能是由于蔬菜的根系分布深度较浅，且密度较低，仅能起到保护较浅土层免受侵蚀的作用，而小麦、玉米、红苕和饲草的根系分布都相对较深，且密度很大，对土体的“加筋”作用更为明显，因此T3和T4的年平均泥沙含量要明显低于T1。由此可知，可以通过实施不同农作物混种或者种植牧草来降低径流泥沙含量，从而起到保土的作用。

3.3 土地利用方式对侵蚀模数的影响

侵蚀模数反映了表层土壤在自然营力和人为活动的综合作用下，单位面积和单位时间内被剥蚀搬运的土壤侵蚀量，是衡量土壤侵蚀程度的重要量化指标。由图3可知，2005—2016年间各土地利用方式小区年土壤侵蚀模数的变化过程，各小区侵蚀模数在随观测年份表现出不同程度的起伏变化，但土壤侵蚀模数与观测年份之间无显著函数关系。其中，CK土壤侵蚀模数在不同年份的波动强度最大，变幅高达2 018.9 t/（km2·a），最大土壤侵蚀模数是最小土壤侵蚀模数的209.13倍，表现出极强的年际变化效应。相对而言，T1、T3和T4侵蚀模数的年际变化幅度相对较弱 ， 分 别 为 693.7、 193.9 t/（ km2·a） 和 213.7 t/（km2·a），CK土壤侵蚀模数的年际变化幅度分别为T1、T3和T4的2.91、10.41和9.45倍。由此可知，农作物混种和牧草种植较蔬菜种植在弱化土壤侵蚀模数的年际变化上具有类似的积极作用。

图3 径流小区侵蚀模数的时间变化Fig. 3 Annual variation of erosion modulus

方差分析结果表明，CK的平均土壤侵蚀模数显著高于其他3种处理（P＜0.05），分别为T1、T3和T4的2.68、7.42和6.47倍，由此可知裸地的侵蚀强度要明显高于种植作物的处理，这可能与耕作打窝、打埂导致泥沙提前淤积使得被搬运带走的泥沙量减少有一定关系。进一步分析发现，T1、T3和T4的土壤侵蚀模数之间无显著差异，但在数值大小上表现为T1＞T4＞T3，且T3与T4侵蚀模数较为接近，分别为87.37、100.33 t/（km2·a），而 T1的侵蚀模数 241.82 t/（km2·a）要高于前两者。由此说明，不同的土地利用方式对径流小区的侵蚀模数存在较大影响，这可能与蔬菜种植小区植被盖度较低，而T3与T4的植被覆盖度较高有较大关系。

4 结论与讨论

本研究主要探讨了土地利用方式对径流小区产流产沙过程的影响，对比分析了蔬菜种植、农作物混种和饲草种植对径流量、泥沙含量及土壤侵蚀模数的影响，从土地利用方式的角度分析了径流量、泥沙含量和土壤侵蚀模数的年际变化过程和规律，得到了一些有益的结论。然而，地表产流产沙不仅受到土地利用方式的影响，而且受到其他诸多因素的共同作用，例如降水入渗的快慢及多少对地表径流有显著影响，而土壤有机质含量、结构的水稳定性、抗蚀性等理化性质对土壤侵蚀过程也起着重要作用[18-19]。如郁耀闯等[20]的研究发现土壤可蚀性与水稳性团聚体、土壤黏结力、根重密度之间成显著负相关关系。Ciampalin等[21]、Wang等[22]认为土壤分离能力将会随着土壤有机质含量、土壤黏结力以及水稳性团粒含量的增大而降低。此外，由于人类耕作方式、习惯的差异和泥沙颗粒运动的随机性将引起的地表微地形的改变，进而改变入渗过程及泥沙运移路径，从而影响地表产流产沙过程。如李裕元等[23]研究发现与压实相比，土壤翻耕可导致入渗率下降40%～60%，使得坡度产沙量增加3倍，实施免耕可有效减轻水土流失。同时，土地利用方式、入渗、土壤理化性质、人类活动及泥沙运动规律等对产流产沙过程的影响并非独立的，而是存在相互影响的内在耦合机制，因此综合考虑上述因素对地表产流产沙的影响将是下一步研究的重点方向之一。

不同土地利用方式对多年平均径流量影响较弱，但农作物混种和饲草种植对径流量的年际变化规律有明显影响，而蔬菜种植对径流的年际变化过程影响较小。农作物混种和饲草种植小区径流量在2005—2016年间呈“双峰”现象，而蔬菜种植小区和CK均呈“单峰”现象。土地利用方式的差异对泥沙含量大小的影响强于对其年际变化规律的影响。CK的泥沙含量显著高于蔬菜、农作物混种和饲草种植处理，分别为后者的1.63、2.65和2.56倍，且农作物混种和饲草种植处理的泥沙含量相对接近并显著低于蔬菜种植小区。各土地利用方式处理的泥沙含量均表现出不同程度的时间波动性，但3种处理小区泥沙含量的年际波动性要明显弱于CK。改变土地利用方式对降低土壤侵蚀量作用显著，3种土地利用方式较CK可降低土壤侵蚀模数2.68～7.42倍。蔬菜种植、农作物混种和饲草种植的土壤侵蚀模数之间无显著差异，但农作物混种和饲草种植较蔬菜种植在降低土壤侵蚀强度方面作用更好。