高儒學(xué), 高華端, 宋江平, 李華林

(貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴陽 550025)

坡長是改變地表水流形態(tài)，影響泥沙搬運(yùn)的主要地形因子，不同坡長的坡面土壤侵蝕效應(yīng)不同[1-3]。北方地區(qū)關(guān)于坡長對土壤侵蝕的影響的研究相對較早且成熟，且取得了豐碩的成果[4-10]。南方喀斯特區(qū)該領(lǐng)域研究起步較晚，研究甚少；郭新亞等[11]利用徑流小區(qū)觀測法探討了坡長對黔西北地區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響得出坡面產(chǎn)流量隨坡長的增加呈先減小后增加再減小的變化趨勢，坡面產(chǎn)沙量隨坡長的增加而增加，且產(chǎn)沙量與坡長之間呈線性關(guān)系；何永彬等[12]在貴州黔南峰叢洼地區(qū)林間白云巖坡地應(yīng)用137Cs法研究土壤侵蝕表明表土樣的137Cs濃度隨著坡長的增加而增加；蔣榮[13]通過對貴州喀斯特地區(qū)的野外徑流小區(qū)實(shí)測資料分析指出，坡面產(chǎn)流量隨坡長的增加先增大后減小，轉(zhuǎn)折坡長在15 m左右，正常情況下，呈現(xiàn)坡面產(chǎn)沙量隨坡長的增加而增大的規(guī)律性；何永彬等[14]對喀斯特白云巖坡地土壤空間異質(zhì)性進(jìn)行測量分析指出土石結(jié)構(gòu)、土壤厚度和土壤顆粒結(jié)構(gòu)等方面表現(xiàn)出隨著坡長和坡位而變化的較高空間異質(zhì)性特征。付興濤[15]探討了南方紅壤區(qū)坡耕地、經(jīng)濟(jì)林地及裸坡地3種主要土地利用方式的土壤侵蝕強(qiáng)度及隨坡長的變化特征；其還采用野外人工模擬降雨的方法，研究了南方紅壤丘陵區(qū)作物覆蓋坡耕地上不同雨強(qiáng)下坡長對其土壤侵蝕的影響，并探討了侵蝕增強(qiáng)的臨界雨強(qiáng)和設(shè)置水土保持措施的合理坡長[16]。穆恩深[17]研究了喀斯特區(qū)石橋小流域不同條件的坡面產(chǎn)流特征得出不同坡長小區(qū)之間單位面積土壤侵蝕模數(shù)相差不大，坡長與徑流深之間存在很大的關(guān)系。李銳等[18]通過對貴州省喀斯特地區(qū)4種可控土壤侵蝕因子進(jìn)行了探討，指出坡面土壤侵蝕隨著坡度和坡長的增加而加劇，隨蓋度的增加而減輕。然而，王恒松等[19]通過對貴州高原山地、盆地及峽谷3種典型地貌單元水土流失機(jī)理的研究指出喀斯特坡面的坡長對水土流失的影響不大，規(guī)律性不強(qiáng)。

西南喀斯特地區(qū)關(guān)于坡長對土壤侵蝕的影響的研究較少且處于定性描述階段，北方地區(qū)的研究規(guī)律并不一定適應(yīng)喀斯特地區(qū)，因此，在西南喀斯特地區(qū)定量開展此類研究是很有必要的。本文通過對坡長因子的定量研究，建立適合喀斯特地區(qū)的侵蝕模型，為喀斯特地區(qū)開展水土保持規(guī)劃，水土保持監(jiān)測和水土保持理論評價(jià)等提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

石橋小流域水土保持監(jiān)測點(diǎn)位于畢節(jié)鴨池鎮(zhèn)石橋村，東經(jīng)105°18′45″—105°27′30″，北緯27°12′10″—27°17′30″。距畢節(jié)市區(qū)13 km，距貴畢路約2 km。該監(jiān)測點(diǎn)所在的石橋村小流域面積35.93 km2，水土流失面積9.86 km2，喀斯特石漠化面積占總面積的63.47%，該小流域?qū)匍L江流域?yàn)踅?，處于國家水土流失中心防治區(qū)——烏江赤水河上中游治理區(qū)，同時(shí)也屬于貴州省人民政府發(fā)布的水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。氣候類型屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫達(dá)到14.03℃，≥10℃的積溫達(dá)到4 166℃，平均日照時(shí)數(shù)1 377.7 h，無霜期為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，占總降雨量的52.4%。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，原生植被大多被破壞，現(xiàn)在多為次生林，植被大部分分布在山坡上部，喬木樹種主要以松和杉為主，野生植被大多是刺梨、杜鵑、藤、刺和灌叢。石橋小流域土壤類型主要為黃壤，小流域也有巖泥土、大土泥土和石灰土等。小流域?qū)僦猩降孛差愋蛥^(qū)，地勢起伏大，最高海拔達(dá)到1 742.3 m，最低海拔為1 425 m，最高海拔和最低海拔相差317.3 m。

1.2　試驗(yàn)設(shè)備

石橋小流域監(jiān)測點(diǎn)有簡易氣象觀測場1個(gè)，坡面徑流小區(qū)28個(gè)，觀測房60 m2及觀測便道230 m。主要監(jiān)測設(shè)備有：自記雨量計(jì)、人工雨量計(jì)、電腦、皮尺。由貴州省水土保持監(jiān)測站設(shè)計(jì)、建設(shè)并直接管理，畢節(jié)市監(jiān)測分站協(xié)助管理，2008年試運(yùn)行，2009年正式開展監(jiān)測工作。

1.3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇在坡耕地標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)開展，各小區(qū)頂部及兩邊設(shè)置擋水墻，小區(qū)下部設(shè)置集流槽收集坡面徑流，并接輸水槽將徑流引入徑流桶，在小區(qū)旁放置雨量計(jì)以測降雨量。

表1　研究小區(qū)概況

1.4　數(shù)據(jù)來源及試驗(yàn)方法

研究數(shù)據(jù)來源于石橋小流域水土保持監(jiān)測點(diǎn)2009年及2010年降雨產(chǎn)流和產(chǎn)沙實(shí)測資料。每次降雨后在2 h內(nèi)完成取樣，首先觀測集流池、分流池內(nèi)的水深，用以計(jì)算坡面徑流深；收集集流槽土樣并稱重；將集流池、分流池中的泥沙和水充分?jǐn)嚢杌旌虾笕訋Щ貙?shí)驗(yàn)室進(jìn)行沉淀、過濾、烘干等步驟后稱重、計(jì)算各坡面產(chǎn)沙模數(shù)，降雨均采用自記雨量計(jì)記錄的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理和圖表的制作主要利用Excel和SPSS軟件。

2　結(jié)果與分析

2.1　坡長對坡面徑流深的影響

(1) 坡長與坡面年內(nèi)徑流深的關(guān)系。圖1是在年侵蝕性降雨281.55 mm下，由統(tǒng)計(jì)的不同坡長小區(qū)內(nèi)兩年平均徑流深的數(shù)據(jù)分析得到的。由圖1可知，坡面徑流深隨著坡長呈現(xiàn)起伏的變化。坡長從5 m增加到10 m，徑流深減小了14%；坡長從10 m增加到15 m，徑流深增加了26%；坡長從15 m增加到20 m，徑流深減小了10%；坡長從20 m增加到25 m，徑流深減小了7%。因此，坡長從5 m增加到10 m時(shí)，隨著坡長的增加徑流深減小；坡長從10 m增加到15 m，徑流深隨著坡長的增加而增加；坡長從15 m增加到25 m時(shí),徑流深隨著坡長的增加而減小。

圖1坡長與坡面年內(nèi)徑流深

(2) 次降雨量小雨30 mm時(shí)，徑流深隨坡長的變化。圖2是通過統(tǒng)計(jì)次最大降雨量小于30 mm時(shí)，不同坡長下的徑流深而得到的。由圖2可知，坡長從5 m增加到15 m，徑流深隨著坡長的增加而增加；坡長從15 m到25 m，徑流深隨著坡長的增加而減小。年內(nèi)徑流深與次最大降雨量小于30 mm下的不同坡長徑流深相比較：從坡長5 m增加到10 m，年內(nèi)徑流減小了14%，但次最大降雨量小于30 mm時(shí)的徑流深卻增加了5%。圖1和圖2表明：坡長從10 m增加到15 m時(shí)，徑流深增加的幅度相差不多，分別是26%和23%，說明了坡長對徑流深的影響不隨雨量的變化而變化。

圖2徑流深隨坡長的變化(I<30 mm)

(3) 次降雨量大于30 mm時(shí)，徑流深隨坡長的變化。圖3是通過統(tǒng)計(jì)次最大降雨量大于30 mm時(shí)，不同坡長下的徑流深而得到的。由圖3可知，次降雨量大于30 mm時(shí)，坡長從5 m增加到10 m時(shí)，徑流深減小了19%，這與年侵蝕性降雨下的土壤侵蝕模數(shù)隨坡長的變化規(guī)律一致。坡長從10 m增加到15 m時(shí)，徑流深增加了27%；坡長從15 m增加到20 m時(shí)，徑流深幾乎沒變化，這說明在次降雨較大時(shí)，徑流深隨坡長變化的臨界坡長加大，因?yàn)樵谳^大降雨時(shí)，地表徑流深加大，從5 m到15 m的坡長還不能改變地表徑流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從20 m增加到25 m，徑流深減小了7%，這與次最大降雨量小于30 mm的徑流深隨坡長變化規(guī)律一致。從總體上看，圖3曲線的變化規(guī)律與年內(nèi)曲線的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)出隨著坡長的增加，徑流深先減??；與次最大降雨量小于30 mm的徑流深比較，坡長從15 m增加到20 m時(shí)徑流深幾乎沒變化。

圖3徑流深隨坡長的變化(I>30mm)

2.2　坡長對坡面土壤侵蝕模數(shù)的影響

(1) 坡長與年內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系。由統(tǒng)計(jì)的不同坡長小區(qū)內(nèi)兩年平均土壤侵蝕模數(shù)的數(shù)據(jù)分析計(jì)算而得到相應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)，再通過坡長與相應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)從而得出圖4。由圖4可知，平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的變化呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系的增長，擬合度R2=0.9217。隨著坡長的增加，平均土壤侵蝕模數(shù)也相應(yīng)的增加；坡長從5 m增加到25 m的過程中，坡長每增加5 m，相應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)分別增加了97%，12%，119%，13%。即土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的變化以15 m為分界點(diǎn)，在5～10 m及15～20 m這兩段坡長內(nèi)增加最快。

圖4年內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)隨坡長的變化

(2) 次最大降雨量小于30 mm時(shí)，坡長與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系。圖5是通過統(tǒng)計(jì)次最大降雨量小于30 mm時(shí)，不同坡長下的土壤侵蝕模數(shù)而得到的。由圖5可知，坡長從5 m增加到10 m，土壤侵蝕模數(shù)增加了156%，增加最大；坡長10 m增加到15 m，土壤侵蝕模數(shù)減小了32%；坡長15 m增加到20 m，土壤侵蝕模數(shù)減小了16%；雖然坡長20 m增加到25 m，土壤侵蝕模數(shù)減小了32%，但整體上坡長從5 m增加了25 m，土壤侵蝕模數(shù)呈現(xiàn)了先劇烈上升再連續(xù)下降的趨勢。這說明在喀斯特地區(qū)，次降雨量小于30 mm時(shí)，坡耕地坡長應(yīng)該盡量調(diào)整在10 m以上，這樣有助于減小水土流失，保護(hù)水土資源。

圖5坡長與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系(I<30 mm)

由圖4和圖5可知，次最大降雨量小于30 mm時(shí)的土壤侵蝕模數(shù)隨坡長的變化規(guī)律與年內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)隨坡長的變化規(guī)律并不完全一致，兩者相同之處在于坡長從5 m增加到10 m，土壤侵蝕模數(shù)一直增大。

(3) 次最大降雨量大于30 mm時(shí)，坡長與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系。圖6是通過統(tǒng)計(jì)次最大降雨量大于30 mm時(shí)，不同坡長下的土壤侵蝕模數(shù)而得到的?？芍麻L與土壤侵蝕模數(shù)亦呈現(xiàn)一次函數(shù)的增長關(guān)系，擬合度R2=0.9146。坡長從5 m增加到25 m，土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長增加整體呈現(xiàn)上升的趨勢，該趨勢呈先增加慢后增加快，臨界坡長在15 m左右。

圖6坡長與土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系圖(I>30mm)

2.3　不同雨強(qiáng)下對應(yīng)坡長的土壤侵蝕特征

(1) 不同雨強(qiáng)下坡長與徑流深的關(guān)系。圖7是將25 mm/h和41.4 mm/h兩種雨強(qiáng)下的徑流小區(qū)測得的坡面徑流深繪制而成的。由圖7可知，兩種雨強(qiáng)下坡長與坡面徑流深之間的關(guān)系曲線走向一致。在坡長小于10 m時(shí)，徑流深均隨著坡長的增加而減小，其中，25 mm/h雨強(qiáng)的坡面徑流深減小了12%，41.4 mm/h雨強(qiáng)的坡面徑流深減小了32%；當(dāng)坡長從10 m增加到15 m時(shí)，25 mm/h和41.4 mm/h兩種雨強(qiáng)的徑流深均隨著坡長的增加而增加；25 mm/h的雨強(qiáng)徑流深增加了14%，41.4 mm/h的雨強(qiáng)徑流深增加了36%；當(dāng)坡長從15 m增加到25 m時(shí)，兩種雨強(qiáng)的徑流深均隨著坡長的增加而減小。從圖7中還可以看到，雨強(qiáng)越大，徑流深隨坡長的變化規(guī)律越明顯。

圖725mm/h和41.4mm/h兩種雨強(qiáng)下坡長與徑流深關(guān)系

(2) 不同雨強(qiáng)下坡長與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系。圖8是由25 mm/h和41.4 mm/h兩種雨強(qiáng)下的徑流小區(qū)測得的坡面土壤侵蝕模數(shù)繪制而成的。在兩種雨強(qiáng)下，土壤侵蝕模數(shù)均隨著坡長的增長表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在相同的坡長下，最大30 min雨強(qiáng)越大，土壤侵蝕模數(shù)越大；在同一雨強(qiáng)下，土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的增加先增大后減小。雨強(qiáng)為25 mm/h時(shí)，土壤侵蝕模數(shù)隨坡長變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為15 m；而雨強(qiáng)增加到41.4 mm/h，轉(zhuǎn)折點(diǎn)提前至10 m；另外，雨強(qiáng)越大，土壤侵蝕模數(shù)隨坡長變化的曲線斜率就越大。

圖825mm/h和41.4mm/h兩種雨強(qiáng)下坡長與土壤侵蝕模數(shù)關(guān)系

3　結(jié) 論

(1) 喀斯特坡耕地坡面年內(nèi)徑流深隨坡長的變化規(guī)律為：坡長從5 m增加到10 m時(shí)逐漸減??；坡長從10 m增加到15 m時(shí)逐漸增加，在15 m時(shí)達(dá)到最大；坡長從15 m增加到25 m時(shí)逐漸減小。

(2) 次降雨量小雨30 mm時(shí)，坡長從5 m增加到15 m，徑流深隨著坡長的增加而增加；坡長從15 m到25 m，徑流深隨著坡長的增加而減小。

(3) 次降雨量大于30 mm時(shí)，坡面年內(nèi)徑流深隨坡長的變化規(guī)律為：坡長從5 m增加到10 m時(shí)逐漸減?。黄麻L從10 m增加到15 m時(shí)逐漸增加；坡長從15 m增加到25 m時(shí)逐漸減小。

(4) 年內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的變化呈現(xiàn)一次函數(shù)關(guān)系的增長，擬合度R2=0.9217。次最大降雨量小于30 mm時(shí)，年內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的變化呈現(xiàn)先急劇增加后減小的趨勢，峰值出現(xiàn)在10 m。次最大降雨量大于30 mm時(shí)，年內(nèi)平均土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的變化亦呈現(xiàn)一次函數(shù)的增長關(guān)系，擬合度R2=0.9146。

(5) 在最大30 min雨強(qiáng)為25 mm/h和41.4 mm/h條件下，坡長與坡面徑流深之間的關(guān)系均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢；坡長與土壤侵蝕模數(shù)之間的關(guān)系呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；相同的坡長下，最大30 min雨強(qiáng)越大，土壤侵蝕模數(shù)越大；同一雨強(qiáng)下，土壤侵蝕模數(shù)隨著坡長的增加先增大后減小。

在此，對貴州省水土保持監(jiān)測站表示誠摯的謝意！

參考文獻(xiàn):

[1]劉和平.坡長對土壤可蝕性K值測定的影響[D].北京:北京師范大學(xué),2008.

[2]黎四龍,蔡強(qiáng)國,王忠科.坡長對徑流及侵蝕的影響[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1998(1):29-35.

[3]汪曉勇,鄭粉莉.黃土坡面坡長對侵蝕搬運(yùn)過程的影響研究[J].水土保持通報(bào),2008,2(3):1-4.

[4]陳曉安,蔡強(qiáng)國,張利超,等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同雨強(qiáng)下坡長對坡面土壤侵蝕的影響[J].土壤通報(bào),2011,42(3):721-725.

[5]魏天興,朱金兆.黃土殘塬區(qū)坡度和坡長對土壤侵蝕的影響分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(1):60-62.

[6]郭偉玲.坡度和坡長尺度效應(yīng)與尺度變換研究[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2012.

[7]王建勛,鄭粉莉,江忠善,等.基于WEPP的黃土丘陵區(qū)不同坡長條件下坡面土壤侵蝕預(yù)測[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(2):151-156.

[8]陳俊杰,孫莉英,劉俊體,等.不同坡長與雨強(qiáng)條件下坡度對細(xì)溝侵蝕的影響[J].水土保持通報(bào),2013,33(2):1-5.

[9]陳正發(fā),郭宏忠,史東梅,等.地形因子對紫色土坡耕地土壤侵蝕作用的試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(5):83-87.

[10]付興濤,張麗萍,葉碎高.經(jīng)濟(jì)林地坡長對侵蝕產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)過程影響的模擬[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(4):73-77.

[11]郭新亞,張興奇,顧禮彬,等.坡長對黔西北地區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2015,29(2):40-44.

[12]何永彬,李豪.白云巖喀斯特侵蝕坡地的137Cs法研究[J].云南地理環(huán)境研究,2015,27(2):1-6.

[13]蔣榮.地形因子對貴州喀斯特地區(qū)坡面土壤侵蝕的影響[D].南京:南京大學(xué),2013.

[14]何永彬,張信寶,李豪.喀斯特白云巖坡地土壤異質(zhì)性特征與土壤保育模式研究[J].地球與環(huán)境,2013(1):77-81.

[15]付興濤.坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙及動(dòng)力學(xué)過程的坡長效應(yīng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2012.

[16]付興濤,張麗萍.紅壤丘陵區(qū)坡長對作物覆蓋坡耕地土壤侵蝕的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2014,30(5):91-98.

[17]穆恩深.喀斯特區(qū)石橋小流域不同條件的坡面徑流的產(chǎn)流特征分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(2):939-941.

[18]李瑞,岳坤前.貴州喀斯特地區(qū)坡面土壤侵蝕機(jī)理研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015,15(7):151-153.

[19]王恒松,熊康寧,張芳美,等.地形因子對喀斯特坡面水土流失影響的機(jī)理研究[J].水土保持通報(bào),2015,35(4):1-7.