朝阳县小流域坡面土壤侵蚀状况与土壤磁化率空间分异特征分析

2020-06-11王万香

黑龙江水利科技 2020年5期

王万香

(朝阳县水土保持局，辽宁朝阳 122000)

0 引言

20世纪70年代，中国诸多学者就开展了自然地理随机分布的研究，但对于水土流失异质性的研究还处于起步阶段。土壤侵蚀是一种在人类生产建设、社会发展、风力和水力等要素作用下随机自然线性，受分析方法、技术手段及系统复杂性影响显著。1930年以前，关于空间变异性的探讨侧重于定性分析和宏观描述，1940年以后，定量分析土壤侵蚀的研究取得了丰硕的成果。早期的研究通常无法区分泥沙来源，且难以评价和分析土壤侵蚀空间不同坡位的分布特征，随着现代空间分析技术和同位素示踪技术的发展，为空间变异研究创造了条件。研究表明，在土壤侵蚀分析时REE示踪和核素示踪法仍存在一定的不足，而磁测法具有无破坏性、成本低、重现性好、简便快捷等优点，对于大批量土壤侵蚀磁性检测样本短时间内即可完成测定[1-10]。因此，选取朝阳县土石质山区小流域为例，采用调查法和磁测法研究坡面土壤侵蚀的差异，揭示磁化率与侵蚀强度间的相关性，以期为朝阳县水土流失治理方案优化设计和土壤侵蚀空间变异研究提供理论依据。

1 研究方法

1.1 区域概况

六家子小流域位于朝阳县西营子乡低山丘陵区，属小凌河中游，地理位置为E120°26′31″-120°31′27、N41°20′39″-41°25′39″，总面积3720.32hm2。该流域为半干旱、半湿润季风气区，年均径流深112mm，年降水量为509mm，季间变化大且多集中在7、8、9三个月。流域内地区山脉纵贯，植被类型以人工林为主，经济林有大扁杏、枣、山杏，林草植被覆盖率45.72%。由于历史上植被破坏严重、干旱少雨及土地利用不合理，加之植被稀少、土质疏松、土壤贫瘠、抗侵蚀力差等因素，流域内水土流失问题十分突出[11-14]。

单家店小流域属小凌河中游，位于E120°17′27″-120°22′56″、N41°16′54″-41°21′30″，总面积3432.28hm2。该流域为大陆性季风气候，径流深125mm，年均降水量496mm，且主要集中于6-9月，气候特征为温差较大、雨热同期、春季干旱、日照充足，。土壤类型以褐土为主，黄土性冲积物和黄土为成土母质成分，植被类型与单家店小流域相同。流域内淋溶褐土广泛分布，土层较高且土壤通透性差，水土流失危害严重属于土石质中度侵蚀区。土壤侵蚀会造成养分流失和生根深度的下降，对自然过程基础产生扰动并改变土壤强度，同时水土流失会造成水环境污染，在水力冲刷作用下挟带大量泥沙并淤堵河道，严重威胁着区域防洪安全。为稳步促进农业发展和增大农民收入，提高农业生产条件和居民生活条件，降低江河泥沙淤积和水土流失危害程度，有必要对这两个小流域的土壤侵蚀状况进行研究分析。

1.2 坡面土壤磁化率的实地测定

以单家店、六家子小流域坡面为例测定不同母质土壤的自然磁性差异，自坡顶向坡下每隔50m设为一个坡段共有8个坡面。然后采用WCL-1型磁化率仪测定不同坡向的坡面侵蚀强度和土壤磁化率，各点土壤磁化率取3次测量平均值，整个坡段的土壤磁化率为每个点的平均值。

然后选择等高位置相同的草地、林地、坡耕地3种坡面，自坡顶向坡下每隔10m设为一个坡段，每个坡段选择5个测点。然后对每个坡段各个测点土壤的磁化率利用WCL-1型磁化率仪测定，各点土壤磁化率取3次测量平均值，整个坡段的土壤磁化率为每个点的平均值。

同时进行磁化率和侵蚀强度的调查，在各个坡段的每一坡面上挖制土壤剖面，层次的划分方法遵循土壤学方法，土壤侵蚀强度依据各层不同的厚度定性确定。剖面厚度与侵蚀强度等级一一对应，极弱、弱、中度侵蚀对应土壤剖面完整、保存1/2A层、保存量少于1/2A或全部流失A层；强烈和剧烈侵蚀对应保存B层厚度<1/2、出露并侵蚀C层。朱显谟、史德明等将该方法应用于北方黄土高原土壤、南方山区红壤侵蚀等级的划分。

2 结果分析

2.1 坡面土壤侵蚀强度空间分异特征

根据表1可知，自坡脚至坡顶六家子小流域各坡面上的土壤侵蚀强度呈减弱、增强、减弱的变化特征，总体趋势为下坡位低于上坡位侵蚀强度，中坡位居中。方差分析表明，土壤磁化率在不同坡段上的差异性水平达到P<0.05显著水平。

表1 六家子小流域土壤侵蚀强度和坡面土壤容积磁化率κ

续表1 六家子小流域土壤侵蚀强度和坡面土壤容积磁化率κ

相同坡位不同坡向上，阴坡侵蚀强度小于阳坡，阴坡和阳坡的平均磁化率为111、105CGSM，六家子小流域阳坡上的土壤气化率最低值为81CGSM，相应的侵蚀强度达到最大为中度侵蚀，坡底磁化率较少为136CGSM，侵蚀强度最小，阳坡坡顶和坡底的磁化率变化幅度达到59CGSM；阴坡土壤侵蚀最强烈的坡段磁化率最小值为100CGSM，所对应的侵蚀等级为弱，最大磁化率值为122CGSM所对应的坡段侵蚀强度为极弱且最小，阴坡坡顶和坡底的磁化率变化幅度为24CGSM，且波动区间元小于阳坡；西坡和东坡的平均磁化率值为110、106CGSM，土壤侵蚀处于阴坡与阳坡的中间范围，磁化率变化幅度为46、54CGSM，变化幅度均低于阳坡且超过阴坡，坡位相同的情况下东坡侵蚀强度低于西坡，六家子小流域东坡、西坡上达到中等侵蚀强度坡段有2个和4个。侵蚀强度因坡向的不同而存在一定差异，其原因为不同坡面接受的太阳热量和发生的蒸发量不同，从而影响地面的植被覆盖状况，阴坡坡面植被发育良好且蒸发量少，所以其侵蚀强度较低，而阳面的水分条件差且太阳辐射量大，因此侵蚀强烈、林草覆盖度低。

自坡顶至坡底土壤侵蚀强度呈强弱交替变化的特征，其原因为坡面上部的水流能量梯度大且水流速度快，降水条件下冲刷能力强挟带泥沙含量多，当达到一定的侵蚀强度后会距坡顶一定距离产生细沟。水流侵蚀动能在达到其极限搬运能力，即含沙量饱和时逐渐减少，所以沉积侵蚀带一般位于坡面某一部位；当逐渐恢复侵蚀力后，水流重新下切并增大侵蚀力，由此导致侵蚀强弱交替出现的现象。

坡面最上部细沟内的径流挟沙能力大、搬运物质较少为引起坡顶侵蚀强度高于坡低的主要原因，所以侵蚀量较大的区域为坡面最上部。同时，流过坡脚的流量在径流过程结束时逐渐减小，因此在坡脚处开始沉积泥沙，导致坡底部位的泥沙堆积及细沟侵蚀量不断减少，侵蚀强度最小的区域为坡底。

单家店小流域土壤侵蚀强度和坡面土壤容积磁化率，见表2。

根据表2可知，自坡脚至坡顶单家店小流域不同坡面上的侵蚀强度呈减弱、增强、减弱的变化特征。

表2 单家店小流域土壤侵蚀强度和坡面土壤容积磁化率

在相同坡位不同坡向上，侵蚀最为强烈的阳坡，其中达到强烈侵蚀等级的有7个坡段，阴坡和阳坡的平均磁化率为53、55CGSM，单家店小流域阳坡上的土壤磁化率最低值为43CGSM，相应的侵蚀强度达到最大为强烈侵蚀，坡底磁化率最低为66CGSM，侵蚀强度最小为弱侵蚀，阳坡的磁化率变化幅度达到23CGSM，相对于六家子小流域阳坡磁化率变化幅度和平均值明显较低，但侵蚀强度远远超过六家子流域；阴坡土壤侵蚀最强烈的坡段磁化率最小值为42CGSM，所对应的侵蚀等级为强烈，最大磁化率值为68CGSM所对应的坡段侵蚀强度为弱且最小，阴坡磁化率变化幅度为26CGSM，波动区间与阳坡基本接近但小于六家子小流域阴坡变化。单家店流域阳坡、阴坡的磁化率及侵蚀强度存在较大差异，其原因为植被和坡向不同对土壤侵蚀产生影响。西坡和东坡的平均磁化率值为49、43CGSM，土壤侵蚀处于阴坡与阳坡的中间，磁化率变化幅度为40、35CGSM，坡位相同的情况下东坡侵蚀强度低于西坡，其东、西坡变化差异性与六家子小流域相同。在坡位、坡向相同的情况下，单家店小流域的侵蚀强度显著大于六家子，采用LSD检验磁化率方差，结果发现不同坡段的土壤磁化率在两个小流域中呈P<0.01的极显著差异，其原因为六家子小流域的土壤本底值高于单家店，且单家店流域的林草覆盖率低于六家子。

在不同岩性坡面上，单家店和六家子小流域的土壤侵蚀强度，自坡顶至坡底均呈现出波动变化特征，且坡底侵蚀强度远低于坡顶，土壤磁化率最低的部位其侵蚀强度达到最大，可见二者之间存在负相关性。从不同坡向的角度分析，土壤侵蚀强度和不同空间部位变幅最大、最小的坡向为阳坡与阴坡，西坡和东坡的土壤侵蚀处于阴坡、阳坡的中间范围，且坡位相同的情况下东坡侵蚀强度低于西坡。土壤本身抗蚀性差异和坡面土壤发育母质不同，为造成单家店、六家子小流域土壤侵蚀差异的主要因素。

2.2 坡面土壤磁化率空间分异特征

六家子小流域土壤磁化率空间分异性，见图1。从图1可以看出，各坡向坡面土壤磁化率总体变化规律为中坡居中、下坡磁化率最高而上坡磁化率最低，呈现出下降、上升、下降、上升、下降、上升的波动变化特征。其原因为坡面土壤中富含磁性的矿物组分在水流搬运、剥蚀和雨滴溅蚀作用下重新分布，下坡位的侵蚀强度小会发生物质沉积，从而导致含磁性矿物量高；而上坡位的侵蚀强度大，剥蚀为主要侵蚀类型，该坡段的磁性矿物在水流冲刷作用下径流而下，使得磁化率相对较低。

在坡位相同的情况下磁化率最低的为阳坡，且阳坡的变化幅度较其它坡段最大达到60CGSM，其次为东坡和西坡，阴坡磁化率变幅最小为20CGSM，但其磁化率值达到最大，上文确定的磁化率和侵蚀强度间存在负相关性与这种分布规律保持较好的一致性，可见坡面侵蚀强度的空间分异性可以利用磁化率来间接描述。

图1 六家子小流域土壤磁化率空间分异性

单家店小流域土壤磁化率空间分异性，见图2。从图2可以看出，单家店小流域各坡向坡面土壤磁化率总体变化规律为中坡居中、下坡磁化率最高而上坡磁化率最低，呈现出上升、下降、上升的波动变化特征。其原因为坡面土壤上方侵蚀强度在坡面径流作用下达到最大，侵蚀强度最小的区域为坡底处，因此在坡面上土壤重新分布。土壤磁化率在不同坡向坡面上的空间变化特征与六家子小流域基本一致，其原因为坡面坡面不同其水热条件存在差异，从而使得不同坡向的磁化率存在差异。

图2 单家店小流域土壤磁化率空间分异性

单家店小流域的磁性本底值较低且发育在石灰岩母质上，因此其坡面土壤磁化率相对于磁性本底值较高的六家子小流域处于较低水平，但其波谷、波峰间的起伏相对较大且变化规律更为明显，阳坡和阴坡的磁化率最大值分别达到15、20CGSM。

2.3 不同用地方式土壤磁化率与侵蚀强度

1)侵蚀强度空间分异。从表3可以看出，3种不同用地方式下六家子小流域等高位置坡面上，土壤侵蚀强度呈坡顶高于坡地的趋势，自坡顶至坡底表现出下降、上升、下降的变化特征。

在等高位置相同的情况下，最大的侵蚀强度位于坡耕地，其中处于中等侵蚀强度的有9个坡段，磁化率最低值为41CGSM；林地土壤侵蚀没有达到中度等级的坡段，磁化率最高为308CGSM且侵蚀强度最小；草地的侵蚀强度处于以上两者中间水平，各个坡段中存在一定的弱侵蚀区。结合小流域实际情况，坡耕地土质疏松且地面覆盖度小，人类活动对坡耕地的影响最大，而林地的土壤坚实度通常大于耕地且土壤的覆盖度大，因此坡耕地远远高于林地侵蚀强度。草地具有较大的土壤覆盖度和较强的固结土壤能力，所以其径流剥蚀力减少作用较为显著，草地侵蚀强度略大于林地但远小于坡耕地。综上分析，不同土地利用方式下六家子小流域的土壤磁化率和侵蚀强度具有相同的空间分异规律，从弱到强的土壤侵蚀为林地<草地<坡耕地，磁化率排序正好与之相反。不同用地方式的侵蚀强度与磁化率，见表3。

表3 不同用地方式的侵蚀强度与磁化率

根据表3可知，3种不同用地方式下单家店小流域等高位置坡面上，自坡顶至坡底土壤侵蚀强度总体呈下降、上升、下降的波动变化特征，其变化规律与磁化率相反，可见两者之间存在一定的内在关联。

相同坡面不同用地方式下，最大的侵蚀强度位于坡耕地，其中达到中等侵蚀强度坡段占到一半以上，磁化率最低值为28CGSM；林地土壤侵蚀以中度级别为主，磁化率最高为445CGSM且不存在土壤侵蚀；草地的侵蚀强度处于以上两者中间水平，该小流域土壤磁化率与侵蚀强度之间存在负相关性，由此表明造成侵蚀强度发生改变的原因可能是土壤磁化率的改变。

总体而言，在流域不同岩性相同的区域内，等高位置相同但用地方式不同的坡面上，磁化率最低而侵蚀强度最高的为坡耕地，林地的磁化率最高而侵蚀强度最小，草地位于两者的中间水平。

2)土壤磁化率空间分异。六家子小流域不同用地方式土壤磁化率，见图3。从图3可以看出，不同用地方式相同等高坡段下，六家子小流域磁化率较低区位于坡顶段，磁化率总体呈波动变化特征，磁化率较高区为坡底沉积区，波动幅度最大为100CGSM。虽然各坡面的坡长不同，但3种土地利用方式具有相同的磁化率空间变异规律，土壤侵蚀率自坡顶至坡脚呈波动变化规律，同时坡顶低于坡底，可见磁化率和侵蚀前股东空间分异规律不受土地利用方式的影响。通过对图3变化特性分析，磁化率及其变幅最大的为林地，>200CGSM，其次为草地的100CGSM；磁化率变化幅度最小且数值最低的为坡耕地，其值在100CGSM以下，这可能与土壤侵蚀强度受不同用地方式的影响相关。

图3 六家子小流域不同用地方式土壤磁化率

单家店小流域不同用地方式土壤磁化率，见图4。从图4可知，不同用地方式相同等高坡段下，单家店小流域磁化率总体呈上升、下降、上升的波动变化特征，坡底沉积区磁化率远远高于坡顶侵蚀区。虽然，磁化率变化趋势在不同用地方式下相同，但坡耕地土壤磁化率在相同空间位置大部分<50CGSM，磁化率变化幅度最大且数值最高的为林地，整体处于200CGSM以上，草地处于两者中间水平，变化幅度为45-150CGSM之间，可见土壤侵蚀差异主要与不同利用方式相关。