栖龙湾土壤侵蚀影响因子分析

王敏，靳洪杰，高宗军，贺云凤，张文秀，宋笑雨，张睿林

（山东科技大学，山东 青岛 266590）

0 引 言

土壤侵蚀是土壤或其他地面组成物质在自然营力作用下或在自然营力与人类活动的综合作用下被剥蚀、破坏、分离、搬运和沉积的过程。影响土壤侵蚀的因素有很多，海拔[1]、坡度[2]、降水[3]、地形[4]、植物措施和工程措施、植被[5,6]、土壤含水量[7]、风力、添加生物炭[8]等都不同程度的影响土壤侵蚀程度。坡度和降雨因子作为影响土壤侵蚀不可忽视的因素，前人做了许多研究[9,10]。Zingg[11]第一个通过实验建立了侵蚀量与坡度的1.4次方成正比的关系。McCoo[12]发现土壤侵蚀量与坡度的关系并不是一成不变的，会出现一个转折坡度。丛鑫[13]表示在未消除雨滴击溅动力时，土壤侵蚀量随与坡度呈正相关，但递增到一定程度后，二者呈反相关，即存在一个临界坡度。陈法杨[14]证实了最大侵蚀量的临界坡度为25°。靳长兴[15]从坡面流的能量理论出发，证实了临界坡度为25°。张翔等[16]通过野外放水冲刷试验研究发现：当坡度小于28°时，平均含沙量和产沙比与坡度呈正相关关系；当坡度超过28°时，平均含沙量和产沙比随坡度增加而减小。邓利强等[17]通过室内人工模拟降水试验发现：在坡度达到25°时，径流率呈现先增加后平稳波动的趋势。刘旦旦[18]发现在相同坡度的径流小区中，产流量、产沙量以及土壤养分的流失量均随着降雨量的增加而增加；相同降雨条件下不同坡度的径流小区，产流产沙量随着坡度的增大而持续增加。

除关于临界坡度的研究外，降雨因子对土壤侵蚀的影响前人也做了很多研究[19-21]。彭绍云[22]通过试验发现土壤侵蚀量与降雨量呈线性关系。王军[23]通过实验研究发现最高产沙量的临界坡度约为22°。郑鹏[24]通过试验发现降水强度和坡度递增条件下，土壤径流量和土壤侵蚀量总体呈现递增，产流初期，变幅较大，当土壤蓄水饱和后，变幅逐步减小趋于稳定变化。向宇国等[25]研究发现：中小雨下，产沙量变化的临界坡度为20°；大雨下的临界坡度随雨强的变化而改变。牛耀彬等[26]通过试验发现：中小雨强条件下，产流率和产沙率随历时延续呈现波动和平稳两个阶段；大雨强条件下，产流率和产沙率随历时的延续呈现波动、平稳和剧烈3个阶段。苏芳莉等[27]通过试验得出小雨强条件下松散的土壤能较好含蓄降水流失较小，大雨强条件下流失较大。李菲等[28]通过试验得出：雨强越大的情况下坡面产流时间越早，雨滴对坡面冲蚀破坏更加明显，径流含沙量也更高。黄润哲等[29]提出降雨量支配径流量，降雨径流提供产沙的侵蚀力，是侵蚀产沙的主要影响因素。一方面，降雨、径流量大则侵蚀力大；另一方面，降雨径流量虽然不大，但降雨强度及径流强度大仍能导致较大的侵蚀力。

植物措施和工程措施同样对土壤侵蚀产生重要影响。周柽[30]发现不同土地利用变化对农耕区土壤减蚀的贡献排序为：退耕还草＞退耕还林＞未利用地转耕地＞林地转耕地＞耕地转未利用地＞草地转耕地。HUANG[31]通过模型估算了九源沟流域土壤侵蚀情况，发现不同土地利用条件下土壤侵蚀变化率由高到低依次为：森林＞居住区＞道路＞农田＞草地。随着坡度的增大，土壤侵蚀呈增加趋势。高泗强[32]通过模型得出林地、旱地和水田是重庆市侵蚀产沙主要来源地，水域、建设用地和未利用地三者以微度侵蚀为主。谢明阳[33]通过引入偏移份额模型对延安市土壤侵蚀情势进行分析，发现林地、耕地及不同覆盖度草地之间的比例结构变化是土壤侵蚀情势发生阶段性变化的主要原因。

栖龙湾典型小流域位于鲁中山区，以棕壤为主，试验场内25块径流小区土壤均为棕壤。耿灵生[34]分析发现坡度为10°和30°时侵蚀量最小；梯田有最好的保沙效益，坡耕地最差。本文通过试验观测和分析其中10块径流小区的土壤侵蚀变化，研究坡度、降雨量、降雨强度和土地利用方式对径流小区土壤侵蚀的影响。通过分析，找出更加适合山东半岛棕壤土的水土保持措施配置模式，对于山东的水土流失防治、改善生态环境提出建议。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

栖龙湾典型小流域位于莱芜市北部山区、黄河流域大汶河支流瀛汶河中上游，总面积11.82 km2。位于东经117°34′34″～117°38′7″、北纬36°21′14″～36°23′22″。小流域海拔205～500 m。地形东高西低、南缓北陡，整体向西南倾斜。流域内干岔河主河道蜿蜒贯穿于流域中部形成沟壑网。气候属温带湿润、半湿润大陆性季风型，雨热同期，季相明显。平均降水量732 mm，多集中于夏季且多暴雨，汛期多年平均降水量561.9 mm，占73.89%。丰水年最大降水量1 352.8 mm（1964年），枯水年最小降水量331.8 mm（2014年）。流域平均气温为11.2 ℃，≥10 ℃的积温4 265.9 ℃，年均日照时数为2 485.3 h，无霜期183 d。流域土壤以山地棕壤为主，侵蚀类型为北方土石山区中度侵蚀，多年土壤侵蚀模数为22 t/（km2·a），土壤侵蚀的主要形式为水力侵蚀，面蚀为主。

1.2 数据获取

径流小区始建于2005年，径流小区水平投影宽5 m，长10 m，水平投影面积50 m2。径流小区平面布置图如图1所示。径流小区上部及两侧设置预制板围埂，围埂外侧设置保护带，宽2 m。下部设集水槽和引水槽，引水槽末端设置径流池，池壁、池底进行防渗处理，池壁绘制量水尺，池底设排水孔，并设立自记水位计，测量蓄水容积，排水和排沙。

图1 径流小区平面布置图（单位：cm）Fig.1 Floor plan of the runoff cell

小流域平均降雨量、最大年降雨量、最小年降雨量等指标根据2007-2016年实测数据分析后获得，流域内设置自动气象站、翻斗式数字雨量计、激光雨滴谱仪，提供流域内基础气象要素，观测年降雨季节分布、年均暴雨次数、最大一次降雨量、年降雨量等指标。应用Rain Record软件读取程序，对自动气象站生成的分钟降雨数据进行计算，输出日降雨、次降雨和降雨过程，得到最大30 min降雨强度（I30）、降雨侵蚀力等指标。

径流小区径流泥沙数据采用人工采集，小区监测设施由集流桶、径流池组成。根据区域特点，重点突出坡度、坡长和植被对水土流失的影响。小区设置了10°、15°、20°、25°、30°五个自然坡度的径流小区，每个坡度5个小区，共25个径流小区，本文选择10个径流小区进行分析研究。其中10-1、15-1、20-1、25-1和30-1径流小区主要考虑坡度和降雨因子对水土流失的影响，10-2、15-2、20-2、15-4和20-4径流小区主要用于对比10-1、15-1和20-1小区分析植物措施和工程措施对土壤侵蚀的影响。径流小区布局如表1所示。

表1 径流小区布局表Tab.1 Runoff cell layout table

1.3 研究方法

本文通过分析10个径流小区的土壤侵蚀量，分别讨论了坡度、降雨量和降雨强度对土壤侵蚀量的影响。10块径流小区坡向和坡长均相同，因此不考虑坡向和坡长因素。分别选择了2008年的2次产流降水、2009年的4次产流降水、2010年的3次产流降水、2011年的5次产流降水、2012年的3次产流降水、2013年的3次产流降水、2014年的2次产流降水、2015年的3次产流降水和2016年的4次产流降水。29次产流降水均为侵蚀性降水。

本研究采用Origin 2018c软件画出土壤侵蚀量与坡度关系图、土壤侵蚀量与降雨量关系图、土壤侵蚀量与降雨强度关系图来研究坡度、降雨量和降雨强度的变化对土壤侵蚀程度的影响，用SPSS软件进行影响因素与侵蚀量的关系拟合。通过统计径流小区多年土壤侵蚀量来分析不同植物措施和工程措施的土壤侵蚀现状以及土壤侵蚀影响因素。

2 结果与讨论

2.1 坡度对土壤侵蚀的影响

根据10-1、15-1、20-1、25-1和30-1五块裸地径流小区的实测数据，绘制出各年份不同坡度的土壤侵蚀量折线图，土壤侵蚀量与坡度关系图如图2所示。

图2 土壤侵蚀量与坡度关系图Fig.2 Plot of soil erosion and slope

由观测数据分析发现：2008年土壤侵蚀量随坡度的增加增大，最大侵蚀量出现在坡度为30°时，侵蚀量为7.9 kg；2009年土壤侵蚀量在10°～20°随坡度增加增大，20°～30°随坡度增加减小，最大侵蚀量出现在坡度为20°时，侵蚀量为0.1 kg；2010年和2016年侵蚀量在10°～15°随坡度增加减小，15°～30°随坡度增加增大，最大侵蚀量出现在坡度为10°时，侵蚀量分别为0.10 kg和11.24 kg；2011年10°～15°随坡度增加侵蚀量增大，15°～25°随坡度增加侵蚀量减小，25°～30°侵蚀量又随坡度增加增大，最大侵蚀量出现在坡度为15°时，侵蚀量为0.20 kg；2012年10°～15°随坡度增加侵蚀量减小，15°～25°随坡度增加侵蚀量增大，25°～30°侵蚀量又随坡度增加减小，最大侵蚀量出现在坡度为25°时，侵蚀量为9 kg；2013年和2015年10°～15°侵蚀量随坡度增加增大，15°～20°随坡度增加减小，20°～25°侵蚀量随坡度增加增大，25°～30°时随坡度增加减小，最大侵蚀量出现在坡度为25°时，侵蚀量分别为0.12 kg和2.02 kg；2014年10°～20°随坡度增加侵蚀量增大，20°～25°随坡度增加侵蚀量减小，25°～30°侵蚀量又随坡度增加增大，最大侵蚀量出现在坡度为20°时，侵蚀量为1.89 kg。年内侵蚀降水与年际侵蚀降水侵蚀量规律基本一致。

综上所述，在不考虑植被影响的裸地条件下，各地块土壤侵蚀量与坡度未呈现出良好的变化规律，不同降雨条件下反映出的临界坡度有所差别。由前人的研究可知土壤侵蚀存在临界坡度，坡度在20°～30°，大多研究结果为25°。前人[4-6]通过试验研究坡度对土壤侵蚀的影响，得出存在临界坡度的结论，临界坡度在20°～30°，大多研究结果为25°。但对于栖龙湾小流域，观测数据未呈现出较良好的规律，坡度这个单一因素与侵蚀量的关系并不明显，因此将坡度分别与降雨强度和降雨量结合进行分析，看能否呈现较良好的规律。

2.2 降雨量对土壤侵蚀的影响

根据10-1、15-1、20-1、25-1、30-1五块裸地径流小区的实测数据，绘制出29次侵蚀性降雨各径流小区土壤侵蚀量在不同降雨量的百分比堆积柱状图和降雨量和土壤侵蚀量折线图，讨论坡度和降雨量对土壤侵蚀量的影响。柱状图如图3所示，折线图如图4所示，折线图横坐标采用以2为底的对数坐标。

图3 不同降雨量各坡度裸地径流小区土壤侵蚀量占比Fig.3 Percentage of soil erosion in bare land runoff plots by slope with different rainfall amounts

图4 不同坡度裸地径流小区土壤侵蚀量与降雨量关系图Fig.4 Relationship between soil erosion and rainfall in bare land runoff plots of different slopes

由图3可知，10个降雨量区间中10～20、40～50和80～90 mm 3个区间随着坡度增加侵蚀量也增多，且30°裸地小区侵蚀量占比均＞40%；30～40、50～60、90～100和150～160 mm 4个区间虽然随坡度的增加侵蚀量出现过减小的趋势，但整体来看还是随坡度的增加增多，除90～100 mm 区间，30°裸地小区侵蚀量占比均＞40%，150～160 mm区间占比达到了68%；20～30 mm和60～70 mm区间虽然25°裸地小区侵蚀量最大，但30°小区侵蚀量占比均＞30%。可以认为，在各个降雨量变化区间，土壤侵蚀量随坡度的增大增加。

5块裸地小区土壤侵蚀量随着降雨量的增加表现出一致的规律：降雨量≥15.4 mm时径流小区发生了土壤侵蚀。降雨量为15.4、28.4、40.6、44.0、64.0 mm时侵蚀量出现了5组峰值，峰值最大值出现在降雨量为15.4 mm时，侵蚀量约9.0 kg。5组峰值均出现在降雨量＜80 mm时；降雨量≥80 mm时，土壤侵蚀量随降雨量的增加呈现出增加的趋势。5块裸地小区最大侵蚀量出现在降雨量为153.5 mm时，侵蚀量约11.2 kg。土壤侵蚀量产生以上变化的原因很有可能是溅蚀率和径流量：径流提供产沙的侵蚀力，降雨量是影响溅蚀的主要降雨因子。在降雨量＜80 mm时，影响土壤侵蚀量变化的主要原因是溅蚀率，同样产流前溅蚀率较小，产流后溅蚀率迅速达到峰值，之后又逐渐减小并趋于稳定；而当降雨量≥80 mm时，溅蚀率趋于稳定，径流量为主要影响因素，降雨量越大径流量越大，侵蚀量也随之增多[36]。

2.3 降雨强度对土壤侵蚀的影响

根据10-1、15-1、20-1、25-1、30-1五块裸地径流小区的实测数据，绘制出29次侵蚀性降雨各径流小区土壤侵蚀量在不同降雨强度的百分比堆积柱状图和降雨强度和土壤侵蚀量折线图，讨论坡度和降雨强度对土壤侵蚀量的影响。柱状图如图5所示，折线图如图6所示，折线图横坐标采用以2为底的对数坐标。

图5 不同降雨强度各坡度裸地径流小区土壤侵蚀量占比Fig.5 Percentage of soil erosion in bare ground runoff plots by slope with different rainfall intensities

图6 不同坡度裸地径流小区土壤侵蚀量与降雨强度关系图Fig.6 Relationship between soil erosion and rainfall intensity in bare land runoff plots of different slopes

由图5可知，14个降雨强度区间侵蚀量占绝对优势的为25°裸地小区和30°裸地小区，不同降雨强度区间各坡度侵蚀量出现了很大变化，不能够得出任何的变化规律。因此，不能得出降雨强度和坡度对侵蚀量的影响。

由图6可知，5块裸地小区土壤侵蚀量随着降雨强度的增加表现出一致的规律：降雨强度≥1.04 mm/h时径流小区发生了土壤侵蚀。降雨强度在2.1、9.4和15.4 mm/h时侵蚀量出现了峰值，3组峰值侵蚀量比较平均，最大侵蚀量出现在强度为9.4 mm/h时，约11.2 kg。降雨强度＜8 mm/h时侵蚀量比较平均且侵蚀量较小；而降雨强度≥8 mm/h时侵蚀量突然增大并且出现了较为频繁的增减变化。土壤侵蚀量并不是单一增长或减少的原因可能与溅蚀率有关：雨滴溅蚀是降雨侵蚀发生的第一步，会破坏土壤结构，分散和搬运土粒。降雨作为溅蚀发生的外营力，降雨强度是影响溅蚀产生的最显著因素，产流前溅蚀率较小，而产流后溅蚀率迅速达到峰值，之后又逐渐减小并趋于稳定。

2.4 植物措施和工程措施对土壤侵蚀的影响

对比同一坡度下相同降雨量区间不同植物措施和工程措施的土壤侵蚀量发现，种植花生的坡耕地小区（10-2、15-2、20-2）土壤侵蚀量最大，占比＞40%，占比多的小区达到了98%。而林地小区（10-5、15-3、15-4、20-4）土壤侵蚀量很少，通常占比＜20%，占比少的小区只有1%。对于种植林木和灌草的鱼鳞坑径流小区，通常侵蚀量占比在20%左右，认为这一措施减少了裸地60%的土壤侵蚀（见图7）。同时，随着降雨量增多，裸地小区土壤侵蚀量占比明显增加，可以考虑是否与植被因素有关。

李建华[35]等通过实验研究发现相比于裸地，小区内仅种植花生会加剧土壤侵蚀程度。依据以上数据分析，发现栖龙湾试验场符合这种规律：根据径流小区内田间管理记录，每年4月会对坡耕地及鱼鳞坑地进行翻整，其他小区只有除草，并未造成很大的土壤扰动，以及5月进行花生的播种，9、10月份进行花生的收割，由于不断地进行人工翻耕，破环了土壤本身的物理锚固作用和化学黏结作用，进而使土壤变得松散，更加容易发生土壤侵蚀[37]。裸地小区、耕地小区、林地小区3种径流小区土壤侵蚀量依次为：耕地小区＞裸地小区＞林地小区。因此，相对于裸地来说，耕种方式不利于水土保持，而种植林木可以更好的减弱土壤侵蚀程度。15-4小区以及20-4小区采用了林木和鱼鳞坑结合的方式，而鱼鳞坑是鲁北山区常见的水土保持措施，应用广泛，数据表明侵蚀量最小，值得推广。

2.5 植被覆盖度对土壤侵蚀的影响

采用SPSS软件对各个小区的植被覆盖度和土壤侵蚀量进行相关性分析，两者在0.01级别呈显著性负相关，相关系数为-0.284，即植被覆盖度越高，土壤侵蚀量越小；植被覆盖度越低，土壤侵蚀量越大。做出散点图，发现随着植被覆盖度的增加侵蚀量呈减小趋势：覆盖度＜10%时侵蚀量很大，最大达到了36 kg；＞10%时侵蚀量很小，均＜6 kg，与相关性分析结果一致。对植被覆盖度和土壤侵蚀量进行拟合，发现二者符合反比例关系，关系式为：

式中：Y为土壤侵蚀量；X为植被覆盖度。

拟合曲线见图8。

图8 不同植物措施和工程措施土壤侵蚀量对比Fig.8 Comparison of soil erosion by different land use types

2.6 各影响因素与土壤侵蚀量的关系

对土层厚度、有机质含量、植被覆盖度、坡度、植物措施、工程措施、降雨量、侵蚀性降雨量、径流量因子进行回归检验，逐步回归分析筛选出了径流量、降雨量、植被覆盖度和有机质含量4个因子。其中径流量、降雨量和植被覆盖度与土壤侵蚀量呈0.01级别的显著性，有机质含量与土壤侵蚀量呈0.05级别的显著性。逐步回归模型结果为：

Y=20.245+1.576X1-0.008X2-0.047X3-18.364X4

式中：Y为土壤侵蚀量；X1为径流量；X2为降雨量；X3为植被覆盖度；X4为有机质含量。

3 结 论

除了坡度这一影响土壤侵蚀的重要因素，降雨量、降雨强度、植被覆盖度和植物措施和工程措施也是土壤侵蚀不可忽视的因素。本文通过山东省莱芜市栖龙湾综合径流场2008-2016年29场侵蚀性降雨的土壤侵蚀量变化来分析坡度、降雨量、降雨强度、植被覆盖度和植物措施和工程措施对土壤侵蚀的影响。通过分析不同坡度下降雨量和降雨强度土壤侵蚀量的变化规律，发现坡度和降雨量与土壤侵蚀量相关。10°时侵蚀量最小，30°时侵蚀量最大。通过分析不同植物措施和工程措施下土壤侵蚀量大小，总结土地利用方式对土壤侵蚀的影响，发现林地有水土保持的作用。

（1）径流场土壤类型为棕壤性土，对于莱芜栖龙湾小流域，坡度对土壤侵蚀的影响并不明显，要结合降雨量和降雨强度才能看出显著相关关系。

（2）在各个降雨量变化区间，土壤侵蚀量随坡度的增大增加。径流提供产沙的侵蚀力，降雨量是影响溅蚀的主要降雨因子。在降雨量＜80 mm时，影响土壤侵蚀量变化的主要原因是溅蚀率，同样产流前溅蚀率较小，产流后溅蚀率迅速达到峰值，之后又逐渐减小并趋于稳定；而当降雨量≥80 mm时，溅蚀率趋于稳定，径流量为主要影响因素，降雨量越大径流量越大，侵蚀量也随之增多。

（3）土壤侵蚀量并不是单一增长或减少的原因可能与溅蚀率有关：雨滴溅蚀是降雨侵蚀发生的第一步，会破坏土壤结构，分散和搬运土粒。降雨作为溅蚀发生的外营力，降雨强度是影响溅蚀产生的最显著因素，产流前溅蚀率较小，而产流后溅蚀率迅速达到峰值，之后又逐渐减小并趋于稳定。

（4）裸地小区、耕地小区、林地小区3种径流小区土壤侵蚀量依次为：耕地小区＞裸地小区＞林地小区。当降雨强度和降雨量较小时，无需大规模的采取水土流失防治措施；当降雨强度或降雨量较大时，因耕种方式会加剧土壤侵蚀，所以不建议采用耕种方式，板栗结合鱼鳞坑的水土保持措施效果更好。

（5）植被覆盖度和土壤侵蚀量进行相关性分析，两者在0.01级别呈显著性负相关，相关系数为-0.284，植被覆盖度越高，土壤侵蚀量越小；植被覆盖度越低，土壤侵蚀量越大。