大牛岭科技示范园区不同作物措施坡面产流产沙分析

单文娜

(辽阳县水利事务服务中心，辽宁 辽阳 111200)

0 引 言

水土流失作为全球性环境灾害对人类社会持续发展造成明显制约，全球约有1/3的土地受到不同程度的侵蚀[1]。据统计，2018年我国共有274万km2的土地面临着土壤侵蚀问题，水土流失对生态环境的破坏日趋突出[2]。实际上，影响水土流失的因素有很多，其中土壤侵蚀与植被、坡长、坡度、降雨等自然驱动因素的关系逐渐引起广大学者的关注[3-5]。降雨属于引发水力侵蚀的必要条件，土壤侵蚀速率与降雨特征密切相关，有学者通过监测模拟降雨或天然降雨下的径流泥沙探讨坡面土壤侵蚀机理，如肖继兵等提出土壤侵蚀受降雨复合因子的影响程度大于单一因子；Liu等通过研究植被坡耕地降雨特征发现，影响径流的关键因子是降雨；Fang等将次降雨事件利用K值分类法划分成3种，其中诱发黄土高原地区土壤侵蚀的主要雨型为短历时、高强度降雨[6-9]。根系对土壤的固结和植被截留雨滴作用能够改变降雨对土壤的冲刷、滴溅，Lin等研究认为，小麦的泥沙和径流量较裸地能够减少86.7%-98.2%、43.8%-83.4%，其具有较强的调水调沙能力；也有学者提出，植被生长的坡地能够在一定程度上抑制土壤侵蚀，并且水保效果较差的为裸地。

目前，有关研究大多集中于下垫面、降雨对坡面产流产沙的影响分析，而探讨土壤侵蚀与农作物措施、降雨相互关系的较少。受人为干扰、气候环境、地形地貌等因素影响，不同地区的土壤侵蚀发生机制不尽相同，因此探讨水土流失机制时必须因地制宜的实施水保措施。考虑到坡面为土壤侵蚀的主发地和流域的基本组成单元，文章以大牛岭科技示范园区8个坡面径流小区为例，结合2013-2020年产沙、产流、降雨等资料，探讨了自然降雨条件下不同作物措施的产流产沙特征，并进一步揭示不同作物措施的水保效果，以期为构建坡面侵蚀预测模型、强化水土流失治理以及优化农作物配置模式等提供一定指导[10-12]。

1 研究方法

1.1 区域概况

大牛岭科技示范园区位于辽阳县下达河乡的大牛岭村，地处E123°11′54″-123°15′00″，N41°00′42″-40°14′29″，总面积1137hm2。示范园区为棕壤土，随地形的垂直分布山地棕壤土从高到底分为残积、坡积、洪积土，土层厚度为15-150cm，土壤pH值在 6.3-7.2之间，有机质含量为0.2%-0.9%，土壤肥力偏低。研究区属季风大陆性气候，其降水量较大，多年平均值为762mm，自东向西降雨量递减，西部降水量较小为660.2mm。年内分布上降水量很不均匀，7月份降水最多，一月份最少，6-9月(汛期)降水量约占全年的71.3%，年均气温7.5℃，相对湿度为63%，年均蒸发量为1450.00mm。

大牛岭科技示范园区长期定点观测泥沙、径流、降雨数据，工程措施为坡耕地和坡改梯，种植作物6种，布设径流小区8个，具体见表1。

表1 径流小区参数

1.2 数据来源

采用大牛岭科技示范园区综合观测站2013-2020年坡面径流小区泥沙、径流、降雨监测资料，以自然降雨事件即2013-2020年4-10月发生产流的126场次降雨作为试验数据来源。首先测定径流量，对产生径流后各径流小区的集流池水深利用水尺读取，考虑集流池底面积计算确定总径流量；每场次降雨结束后，观测沉沙池和分流桶内的水位，人工均匀搅拌后取浑水水样1000mL，放干桶内水并提取沉积于集流槽和桶中的泥沙，经烘干、过滤、沉淀、沉重等一系列操作确定小区侵蚀量。

1.3 分析方法

本研究选用Excel 2016、SPSS 24.0等软件完成数据的整理和统计学分析，对150场地降雨事件利用K值聚类法分类，并采用Kruskal Wallis法检验降雨类型分类结果，通过两两比较各降雨类型的降雨特征值以及Bonferroni校正明确相关关系。文章将降雨按照降雨强度I、降雨历时D、降雨量P划分成3类，即高雨强、长历时、低频率、大雨量的A型降雨；低雨强、短历时、高频率、小雨量的B型降雨；较高雨强、较长历时、较低频率、中等雨量的C型降雨；产流产沙受降雨因子影响的特征重要程度利用随机森林算法计算，并运用回归分析和相关系数法确定产流、产沙关系[13-15]。

2 结果分析

2.1 不同作物措施产流产沙对次降雨的响应

经现场监测发现，在不同场次降雨中土壤流失量及产流量最大的是花生措施，最小的是红薯措施，不同场次降雨中李子树措施和核桃树措施的土壤流失量、径流量相差不大，见表2。

表2 不同作物措施产流产沙量

从表2可以看出，按从小到大的次序排列不同作物措施(坡耕地)产流量：红薯<大豆<核桃树<李子树<花生，产沙量排序为红薯<大豆<李子树<核桃树<花生；按从小到大的次序排列不同作物措施(坡改梯)产流产沙量均符合：红薯<白蜡树<大豆，且TC径流小区未产生侵蚀仅发生径流。坡耕地大豆措施的产流产沙量始终小于坡改梯大豆措施，坡耕地对红薯措施产流产沙的影响更加显著。

深入分析可知，花生在坡面起垄栽培不利于保水保土可能是造成花生产流产沙量较大的关键，结合当地耕作习惯花生扦插前对土壤的翻挖扰动较大，扦插后植被覆盖度较低，降雨条件下会引起较强的土壤流失；李子树和核桃树具有发达的根系、茂密的枝叶，树冠能够截留蒸发大部分降雨，有效减缓了降雨直接冲击地表的速度；红薯的密植度、种植方式与径流小区的产流产沙量密切相关，按水平方向密植的茶树在一定程度上发挥着泥沙、径流拦截作用，经树冠“冠流”降水能够快速渗入土壤，由此大大降低了对土壤结构的侵蚀破坏。根据不同作物措施的土壤流失量、径流量随降雨场次的变化特征，同一场降雨中各径流小区的土壤流失量随径流量的增加而增大，并且土壤流失量和径流量较高的为花生措施，较低的为红薯措施，在不同场次降雨中各作物措施的土壤流失量差异较大，径流量差异较小[16-18]。

2.2 不同作物措施产流产沙对雨型的响应

2.2.1 降雨类型分类与特征

由于不同类型降雨的降雨特征以及植株地下根面积、根形态、地上株高和植被覆盖度等差异，在不同雨型条件下各作物措施的产流、产沙特性往往存在明显差异。为深入探讨坡面径流泥沙受降雨的影响，采用降雨强度I、降雨历时D、降雨量P3个特征指标，并使用K均值聚类法划分150场次降雨事件类型。然后利用Kruskal-Wallis法检验降雨类型分类结果，从而检验整体显著差异性，其中降雨强度置信水平<0.05，降雨历时和降雨量<0.01，通过两两比较降雨特征值和Bonferroni校正确定其相关关系，见表3。其中，a、b、c分别代表特征值显著差异性(P<0.05)。

表3 不同雨型的降雨特征

由表3可知，A型、B型、C型降雨发生频次依次为12次、100次、32次，所占比例分别为8.33%、69.44%、22.22%，主要雨型为B雨型；A型降雨的强度最大(5.96mm/h)、平均雨量最多(106.28mm)、降雨历时最长(26.15h)，B型降雨的强度最小(2.70mm/h)、平均雨量最少(22.76mm)、降雨历时最短(12.18h)，C型降雨的强度(5.00mm/h)、平均雨量(55.10mm)、降雨历时最短(17.40h)居中。因此，A型降雨具有降雨强度大、降雨量多、降雨历时长、发生频率低的特点，B型降雨具有降雨强度小、降雨量少、降雨历时段、发生频率高的特点，C型降雨时降雨强度较高、降雨量中等、降雨历时较长、发生频率较低的雨型[19-20]。

2.2.2 不同降雨条件下作物措施产流

不同作物措施在不同雨型条件下的产流产沙规律存在明显差异，将各径流小区累积土壤流失量占总流失量及累积径流深占总径流深的比值按照雨型进行划分见图1，产流产沙特征见图2。

(a)土壤流失量 (b)径流深

(c)C雨型

对于不同雨型，坡耕地径流小区的累积产流产沙量表现出B型

在不同农作物种植措施、不同耕作措施和不同雨型下，各径流小区的平均土壤流失量和径流深存在一定差异。对于坡耕地工程措施，按从小到大的次序A型和B型降雨所引起的产流特征为：红薯<大豆<核桃树<李子树<花生的特征，C型降雨表现出红薯<大豆<李子树<核桃树<花生的特征；在A型和C型降雨条件下各作物措施的土壤流失量均呈现出红薯<大豆<李子树<核桃树<花生的变化特征，B型降雨条件下表现为大豆<红薯<李子树<核桃树<花生的变化特征。对于坡改梯径流小区，A型和C型降雨所引起的产流特征为红薯<大豆<白蜡树，B型降雨则表现为红薯<白蜡树<大豆。在A型和B型降雨影响下白蜡树小于大豆措施的土壤流失量，C型降雨影响下土壤流失量较大的为白蜡树措施。

2.3 降雨因子对产流产沙的影响

降雨特征为驱动侵蚀和径流的关键因素，为深入探讨不同作物措施小区与降雨条件下的产流产沙关系，选择降雨量×最大60min雨强PI60、降雨量×最大30min雨强PI30、降雨量×降雨强度PI三个降雨复合因子及最大60min雨强I60、最大30min雨强I30、降雨侵蚀力R、降雨强度I、降雨量P、降雨历时D五个降雨因子进行影响重要度评分。设输入变量为降雨复合因子及降雨因子，输出变量为土壤流失量和径流深，随机森林模型的参数设置成默认，结果见表4。产流受降雨量的影响最大，降雨量的重要程度达到45%，而其他降雨因子对红薯措施的径流深影响较大，降雨量对TC的影响略低于降雨历史，GC受PI60降雨复合因子的影响最大。降雨营子对不同作物措施的土壤流失量影响不同，I30对坡改梯小区的白蜡树措施和大豆措施的影响较大，PI对GB、GH小区土壤流失量影响较大，降雨量和PI60对GS、GC小区的土壤流失量影响较大。产流产沙受I60因子的影响较低，整体在12%以内。

表4 降雨因子对产流产沙影响重要性评分

2.4 不同作物措施产流产沙关系

坡面径流和降雨属于土壤侵蚀的动力来源，地面形成的薄层水流与降雨引起的坡面产流不断搬运、剥蚀表层土壤，所以土壤侵蚀与地表径流之间密切相关。采用Spearman法确定土壤流失量与作物措施径流深的相关系数，计算结果为GD 0.631**、GB0.817**、GS0.835**、GH0.886**、GC0.751**、TD0.690**、TY0.885**，均达到显著相关(0.01水平)。为深入探讨产沙与产流间的关系，绘制土壤流失量与径流深散点图，如图3所示。

(a)TY径流小区

(b)TD径流小区

(c)GC径流小区

(d)GH径流小区

(e)GS径流小区

(f)GB径流小区

(g)GD径流小区

由图3可知，不同作物措施的径流深X与土壤流失量Y存在明显线性关系，拟合方程为Y=aX+v，随产流量的增大各径流小区产沙量也逐渐增加坡耕地大豆措施、办理措施、核桃树措施和白蜡树措施的相关系数R2均不少于82%，表明径流决定了各径流小区82%以上的产沙量，为有效抑制侵蚀的发生可以采取相应的减流措施，坡改梯大豆措施、花生和红薯措施的相关系数均不小于75%。A值反映了随径流量的增大土壤流失量的增加速度，按从小到大的次序排列为TY

3 结 论

1)随降雨场次变化各径流小区的土壤流失量及径流量总体表现出相同的变化规律，不同场次降雨中土壤流失量差异较大，而径流量未表现出明显差异。土壤流失量及产流量较大的为花生措施，最小的为红薯措施，核桃树和李子树的产流产沙量相差不大。

2)不同作物措施响应降雨类型的程度存在差异，引起土壤侵蚀的主要为A型降雨，其次为C型，B型降雨属研究区主要雨型，发生频率较高。A型降雨产生的土壤流失量和径流深分别总量的38.72%-62.07%、37.52%-48.16%；坡改梯径流小区的累积产流产沙量表现出B型

3)产流主要受降雨量因子的影响，P30、降雨量及降雨复合因子PI60、PI均可在一定程度上影响作物措施的土壤流失量，产流产沙受I60的影响较低。地表径流为诱发土壤侵蚀的内在动力，李子树、核桃树、大豆、红薯、花生、白蜡树措施的土壤流失量与径流深呈线性显著相关，土壤流失量增速呈现出白蜡树<大豆<李子树<红薯<核桃树<花生的特征。

4)文章主要考虑不同作物措施、降雨类型的侵蚀产沙特征，未来仍需进一步研究人为因素、土壤理化性质、植被覆盖度对水沙关系的影响，以更加完善的资料研究辽阳地区水土流失规律，为生态保护和水土保持提供一定参考。