李子口徑流小區(qū)不同植被條件下降雨對(duì)土壤侵蝕的影響研究

吳世祥，何 聰，楊 丹,2，胡翠華，劉守江,2*

(1.西華師范大學(xué) 國(guó)土資源學(xué)院，四川 南充 637000；2.西華師范大學(xué)嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

降雨侵蝕是對(duì)土壤侵蝕的重要方式之一，能造成水土流失，破壞生態(tài)環(huán)境，危害生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)降雨與土壤侵蝕的方面的研究主要有降雨對(duì)土壤侵蝕量的影響[1～3]、降雨與土壤侵蝕模數(shù)[4，5]、降雨強(qiáng)度與土壤侵蝕[6～8]、不同降雨類(lèi)型對(duì)土壤侵蝕的影響[9，10]等，對(duì)于如何有效抑制降雨對(duì)土壤的侵蝕和推動(dòng)水土保持[11～13]一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。研究小組在降雨量充足，土壤侵蝕與水土流失嚴(yán)重的李子口流域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)采用徑流小區(qū)的實(shí)驗(yàn)方法，觀測(cè)和分析徑流小區(qū)不同植被條件下降雨對(duì)土壤侵蝕的影響，比較不同植被對(duì)水土的保持能力，以求找到最為適合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況的水土保持措施，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，推動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

李子口小流域位于四川省南充市南部縣升鐘水庫(kù)流域面積內(nèi)(31°31′21″N，105°42′58″E)，屬嘉陵江西河支流，海拔在439 m左右。氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，多年平均氣溫在17.2℃左右，多年平均降雨量在1 029 mm左右。由于全年降雨量與降雨天數(shù)均較多，并受到水庫(kù)濕潤(rùn)環(huán)境的影響，土壤受侵蝕顯著，水土流失嚴(yán)重。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū)的設(shè)置

2014年4月至10月，研究小組采用徑流小區(qū)的實(shí)驗(yàn)方法，參照唐秋瑋等[14]的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在升鐘水保站李子口小流域的6個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)。徑流小區(qū)1號(hào)、3號(hào)和4號(hào)均為種植作物的農(nóng)耕小區(qū)，2號(hào)小區(qū)為撂荒的參照小區(qū)，5號(hào)和6號(hào)小區(qū)為林地小區(qū)，6個(gè)小區(qū)的基本狀況如表1所示。每個(gè)徑流小區(qū)均有一套測(cè)流設(shè)備，對(duì)降雨產(chǎn)生的徑流量以及泥沙含量等進(jìn)行測(cè)算與采樣，并在采樣后通過(guò)烘干法及徑流小區(qū)面積推算土壤的流失量。

表1徑流小區(qū)基本概況

Tab.1 Runoff plot basic situation

1.2.2 降雨量及降雨侵蝕力的測(cè)算

使用DSJ-2型虹吸式自記雨量計(jì)，對(duì)2014年4—10月份實(shí)驗(yàn)期間徑流小區(qū)的降雨量和降雨強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定與記錄，同時(shí)對(duì)降雨侵蝕力進(jìn)行計(jì)算。

降雨侵蝕力是降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，是降雨物理性質(zhì)的的函數(shù)，其概念及計(jì)算公式是由Wischmeier等[15]提出的。計(jì)算公式如下：

R=E×I30

(1)

式中R為降雨侵蝕力(MJ.mm·hm-2·h-1)，E為降雨總動(dòng)能(MJ·hm-2·h-1)，I30為降雨最大30 min降雨強(qiáng)度(mm·h-1)。實(shí)驗(yàn)期間徑流小區(qū)的降雨量、降雨歷時(shí)、I30、降雨侵蝕力基本概況如表2所示。

表2實(shí)驗(yàn)期間徑流小區(qū)降雨情況

Tab.2 Therainfallinrunoffplotduringtheexperiment

日期降雨量/mm累積歷時(shí)/minI30 /(mm·h-1)降雨侵蝕力/(MJ.mm·hm-2·h-1)4月18日35.2 19030.6278.76月14日30.72750310.286月29日20.898019.879.547月20日44.558041.2387.338月9日59.771030388.68月26日34.844014.286.528月30日23.56101783.969月8日16.112022.284.219月9日71.536034.8611.279月11日61.1101058.4878.99月13日27.339012.257.279月14日14.439015.242.039月16日15.89504.69.0910月1日56.181026.8307.2210月28日41.183014.6102.59

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS22.0計(jì)算實(shí)驗(yàn)期間降雨量、降雨侵蝕力與徑流量、徑流深、平均含沙量以及土壤流失量之間的相關(guān)系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同植被條件下降雨對(duì)地表徑流量、徑流深的影響

從圖1可知，總體上6個(gè)徑流小區(qū)降雨形成的徑流量與徑流深在趨勢(shì)上基本一致，均表現(xiàn)為撂荒地>農(nóng)耕地>林地，具體為撂荒2號(hào)小區(qū)>農(nóng)耕4號(hào)小區(qū)>農(nóng)耕3號(hào)小區(qū)>農(nóng)耕1號(hào)小區(qū)>林地6號(hào)小區(qū)>林地5號(hào)小區(qū)，林地小區(qū)對(duì)于降雨形成的地表徑流截留最強(qiáng)。

作為參照撂荒的2號(hào)小區(qū)的徑流量與徑流深均屬于6個(gè)小區(qū)中的最大值，徑流量與徑流深分別為1.717 m3和13.691 mm，遠(yuǎn)高于農(nóng)耕小區(qū)與林地小區(qū)。作為林地的5號(hào)小區(qū)與6號(hào)小區(qū)的徑流量與徑流深在6個(gè)小區(qū)中均比較小，其中5號(hào)小區(qū)的徑流量與徑流深均為6個(gè)小區(qū)中的最小值，分別為0.15 m3和0.474 mm。在3個(gè)農(nóng)耕徑流小區(qū)中，種植生菜的4號(hào)小區(qū)徑流量與徑流深最大，分別為0.628 m3和4.695 mm，而種植辣椒的1號(hào)小區(qū)與輪作油菜和玉米的3號(hào)小區(qū)的徑流量、徑流深基本一致，相差不大。

圖1 徑流小區(qū)的地表徑流量與徑流深Fig.1 Runoff plot surface runoff and runoff depen

3.2 不同植被條件下降雨對(duì)地表徑流含沙量、土壤流失量的影響

由圖2可知，總體上除1號(hào)小區(qū)土壤流失量受土質(zhì)影響有所波動(dòng)外，6個(gè)徑流小區(qū)在降雨條件下，地表徑流的平均含沙量與土壤流失量的趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為撂荒地>農(nóng)耕地>林地，具體為撂荒2號(hào)小區(qū)>農(nóng)耕1號(hào)小區(qū)>農(nóng)耕4號(hào)小區(qū)>農(nóng)耕3號(hào)小區(qū)>林地5號(hào)小區(qū)>林地6號(hào)小區(qū)，林地小區(qū)受到降雨侵蝕造成的土壤流失最少。

6個(gè)徑流小區(qū)中，撂荒的2號(hào)小區(qū)地表徑流的平均含沙量與土壤的流失量在均處于最大值，分別為3.462 g·L-1和0.325 t·hm-2，屬于林地的5號(hào)與6號(hào)小區(qū)的地表徑流平均含沙量以及土壤流失量均比較小，其中6號(hào)小區(qū)達(dá)到最小值，分別為0.119 g·L-1和0.001 t·hm-2。在3個(gè)農(nóng)耕小區(qū)中，1號(hào)小區(qū)地表徑流的平均含沙量最高，達(dá)到2.279 g·L-1，但在土壤流失量上卻低于4號(hào)小區(qū)(0.138 t·hm-2)。

圖2 徑流小區(qū)地表徑流的平均含沙量與土壤的流失量Fig.2 The average sediment conceneration and soil loes in vunoff plot

3.3 不同植被條件下降雨與土壤侵蝕的相關(guān)關(guān)系

從表3可知，6個(gè)徑流小區(qū)的地表徑流量、徑流深與降雨量、降雨侵蝕力之間均呈顯著正相關(guān)；在地表徑流平均含沙量方面，撂荒的2號(hào)小區(qū)和林地5號(hào)、6號(hào)小區(qū)的平均含沙量與降雨量、降雨侵蝕力之間的相關(guān)性均不顯著。而農(nóng)耕小區(qū)中的3號(hào)、4號(hào)小區(qū)的平均含沙量與降雨量、降雨侵蝕力之間的相關(guān)性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，農(nóng)耕1號(hào)小區(qū)的平均含沙量與降雨侵蝕力呈顯著正相關(guān)。在土壤流失量上，6個(gè)徑流小區(qū)的土壤流失量總體上均與降雨量、降雨侵蝕力呈顯著性正相關(guān)。

表3降雨與土壤侵蝕的相關(guān)系數(shù)

Tab.3 Correletioncoefficientbetweenrainfallandsoilerosion

小區(qū)號(hào)徑流量徑流深平均含沙量土壤流失量1降雨量0.584?0.621?0.5080.629?降雨侵蝕力0.874??0.899??0.610?0.868??2降雨量0.903??0.865??0.1840.766??降雨侵蝕力0.890??0.895??0.3310.909??3降雨量0.670??0.632?0.591?0.647??降雨侵蝕力0.855??0.837??0.815??0.876??4降雨量0.730??0.706??0.565?0.631?降雨侵蝕力0.871??0.846??0.861??0.886??5降雨量0.872??0.761??0.0480.689??降雨侵蝕力0.944??0.920??0.1190.790??6降雨量0.821??0.729??0.1320.452降雨侵蝕力0.946??0.921??0.1380.592?

注：*. 在置信度(雙測(cè))為 0.05 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

**. 在置信度(雙測(cè))為 0.01 時(shí)，相關(guān)性是顯著的。

4 討論與總結(jié)

4.1 討論

本文中6個(gè)小區(qū)的地表徑流量與徑流深的趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為撂荒地>農(nóng)耕地>林地，原因在于撂荒地地表植被覆蓋在6個(gè)小區(qū)中最少，對(duì)地表降雨產(chǎn)生的徑流的截留也較少，降雨直接作用于地表，故降雨在地表產(chǎn)生的徑流量與徑流深較大。在農(nóng)耕小區(qū)，由于農(nóng)作物的遮蓋加之土層較為疏松，能對(duì)降雨進(jìn)行截留，故徑流量與徑流深較撂荒小區(qū)小，同時(shí)，農(nóng)耕4號(hào)小區(qū)植被為生菜，其郁閉度較辣椒和油菜、玉米等更低，且根系分布也較為稀疏，水土保持能力較弱，對(duì)地表降雨形成的徑流攔截較少，截留作用弱，故徑流量與徑流深較1號(hào)與3號(hào)小區(qū)高。而林地5號(hào)小區(qū)與6號(hào)小區(qū)地表樹(shù)木茂密，植被蓋度大，喬木層對(duì)于降雨的截留能力較強(qiáng)，雨水難以到達(dá)地面形成徑流，故林地兩個(gè)小區(qū)降雨形成的地表徑流量與徑流深較?。挥绕涫?號(hào)小區(qū)為榿木與柏樹(shù)的混交林，植被郁閉度更高，對(duì)雨水的截留能力更強(qiáng)，因此為最小值。

6個(gè)徑流小區(qū)在降雨條件下，地表徑流的平均含沙量與土壤流失量的趨勢(shì)基本一致，均表現(xiàn)為撂荒地>農(nóng)耕地>林地。原因在于撂荒地2號(hào)小區(qū)地表植被郁閉度低，對(duì)雨水產(chǎn)生的地表徑流以及土壤表層的泥沙截留能力均比較弱，使得降雨在地表形成的徑流量較大并沖刷帶走大量的表層土壤，水土保持能力差，地表徑流含沙量與土壤流失量大。農(nóng)耕小區(qū)地表徑流較少，地表農(nóng)作物和疏松的土壤對(duì)于水土有一定的保持能力，故較撂荒地少；其中1號(hào)小區(qū)與4號(hào)小區(qū)分別種植辣椒與生菜，地表土質(zhì)均比較疏松，易受雨水沖刷，但1號(hào)小區(qū)植被郁閉度高于4號(hào)小區(qū)，對(duì)地表徑流的截留能力較強(qiáng)，故地表徑流量小，雖地表徑流平均含沙量較高，但土壤流失量較小；而3號(hào)小區(qū)采用油菜與玉米輪作的耕種方式，植被郁閉度高且根系發(fā)達(dá)，地表徑流量小，表層土壤泥沙不易流失，地表徑流含沙量與土壤流失量在農(nóng)耕小區(qū)中均比較小。林地5號(hào)與6號(hào)小區(qū)植被郁閉度最高，降雨產(chǎn)生的地表徑流較少，土壤受到的侵蝕和沖刷強(qiáng)度較低，其中5號(hào)小區(qū)為榿木與柏樹(shù)的混交林，人為活動(dòng)較多，土層受擾動(dòng)較強(qiáng)，土質(zhì)較為疏松，6號(hào)小區(qū)樹(shù)種單一，并受人為因素影響小，土質(zhì)更為穩(wěn)定，土壤表層泥沙更不易被沖刷，故地表徑流含沙量與土壤流失量最小。

6個(gè)徑流小區(qū)的地表徑流量、徑流深與降雨量、降雨侵蝕力之間均呈顯著正相關(guān)，表明隨著降雨量的增加以及降雨侵蝕力的增強(qiáng)，徑流小區(qū)地表徑流量與徑流深也隨之增加，原因在于在徑流小區(qū)的地表徑流主要來(lái)源于降雨，降雨量和降雨侵蝕力作用并影響各徑流小區(qū)的地表土壤徑流量與徑流深，降雨量與降雨侵蝕力的變化也會(huì)引起徑流量與徑流深的變化。這可能是由于農(nóng)耕小區(qū)受農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，地表土層的土質(zhì)較為松散，更易受到降雨的影響，故而相關(guān)性較高。表明隨著降雨量和降雨侵蝕力的增加，徑流小區(qū)土壤流失量也會(huì)增加，降雨對(duì)于徑流小區(qū)土壤的侵蝕作用較強(qiáng)。

研究不同植被條件下降雨對(duì)土壤侵蝕的影響，能了解不同植被的水土保持能力，以期制定最為適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的水土保持措施。本文在對(duì)不同植被條件下降雨對(duì)土壤侵蝕影響的比較分析中發(fā)現(xiàn)，林地5號(hào)、6號(hào)小區(qū)的地表徑流量、徑流深、平均含沙量以及土壤流失量均比較低，表明林地對(duì)地表徑流的截留能力與涵養(yǎng)水源的能力強(qiáng)，對(duì)水土的保持能力強(qiáng)。在農(nóng)耕地中，植被郁閉度好的3號(hào)、1號(hào)小區(qū)的地表徑流量與徑流深也較低，并且3號(hào)小區(qū)的地表徑流平均含沙量與土壤流失量也均比較低，表明輪作油菜、玉米的農(nóng)耕方式較優(yōu)。然而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于實(shí)際條件的限制，林地徑流小區(qū)的坡度和面積要大于其他徑流區(qū)，坡位和坡向也有所不同，使得徑流小區(qū)在比較上有所差別和誤差。從結(jié)果上看，林地的水土保持能力最強(qiáng)，但種植林地在短時(shí)間內(nèi)并不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，而農(nóng)耕區(qū)油菜與玉米的輪作雖在土壤流失量上較低，但在涵養(yǎng)水源上不理想，故想找到最佳的水土保持植物措施需要進(jìn)一步的努力與研究。

4.2 結(jié)論

本文從撂荒地、農(nóng)耕地、林地3種類(lèi)型的6個(gè)徑流小區(qū)出發(fā)，比較分析不同植被條件下降雨對(duì)土壤侵蝕的影響。在對(duì)不同植被條件下降雨與土壤侵蝕的相關(guān)性研究中發(fā)現(xiàn)，6個(gè)徑流小區(qū)的降雨量、降雨侵蝕力與地表徑流量、徑流深、以及土壤流失量之間的相關(guān)關(guān)系均呈顯著正相關(guān)，表明隨著降雨量與降雨侵蝕力的增加，徑流小區(qū)土壤的侵蝕也會(huì)增強(qiáng)，降雨對(duì)當(dāng)?shù)赝寥狼治g有重要的影響。研究結(jié)果表明在徑流小區(qū)，降雨對(duì)土壤侵蝕作用強(qiáng)，通過(guò)種植榿木與柏樹(shù)等樹(shù)種，建立林地，能有效的保持水土和涵養(yǎng)水源，同時(shí)選擇以輪作油菜、玉米的農(nóng)耕方式也能減少土壤的流失。