紫色土區(qū)土地利用類型與降水變化對水土流失的影響

劉紀(jì)根，李 蓉

（1.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；2.長江水利委員會網(wǎng)絡(luò)中心信息所，武漢 430010）

紫色土區(qū)土地利用類型與降水變化對水土流失的影響

劉紀(jì)根1，李 蓉2

（1.長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010；2.長江水利委員會網(wǎng)絡(luò)中心信息所，武漢 430010）

以川中丘陵區(qū)鶴鳴觀小流域及其3個試驗小區(qū)2個試驗階段（1983-1986年，1989-2000年）為研究對象，分析了不同土地利用類型水土流失特征、徑流侵蝕對降水變化的響應(yīng)及小流域綜合治理后的效益。結(jié)果表明：對于第一階段，不同雨強(qiáng)下的徑流深變化依次是荒地＞草地＞坡耕地；侵蝕模數(shù)的變化依次為坡耕地＞荒地＞草地。對于第二階段，其徑流深變化依次是梯地＞草地＞林地；侵蝕模數(shù)的變化依次為梯地＞草地＞林地。荒地、低覆蓋草地、坡耕地徑流量、侵蝕量與降水變量相關(guān)系數(shù)較高，土壤侵蝕主要受降水變化影響。林地、高覆蓋草地、梯地徑流量、侵蝕與降水變量的相關(guān)系數(shù)較小且沒有顯著性，可能是植被覆蓋、土壤特性對減緩徑流和侵蝕過程具有重要作用，說明土地利用／覆被變化具有明顯分異的水土流失效應(yīng)。由于水土保持綜合治理的作用，1990-2004年小流域多年平均徑流量比1985-1989年多年平均徑流量減少30.67%，多年平均輸沙量減少91.29%，多年平均含沙量減少76.05%。

紫色土區(qū)；土地利用類型；降水變化；水土流失；影響

土地利用變化對地表徑流和土壤侵蝕的影響研究是自然地理過程研究的熱點(diǎn)問題之一。近年來，國內(nèi)外專家對此問題展開了一系列研究。彭文英（2001）研究了不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙隨降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨侵蝕力變化的規(guī)律［1］。王維明（2006）分析了閩北不同土地利用類型的土壤流失量差異及次降雨量與土壤流失量的關(guān)系［2］。黃志霖（2005）通過黃土丘陵區(qū)坡耕地、草地的徑流、侵蝕觀測數(shù)據(jù)，分析不同坡度、土地利用模式和降水變化的水土流失分異［3］。衛(wèi)偉（2006）研究了半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)降水特征值及下墊面因子對水土流失的影響規(guī)律［4，5］。張志強(qiáng)［6］、張曉明［7］、納磊［8］、張建軍［9］等從流域角度上探討了流域侵蝕產(chǎn)沙對土地利用變化的響應(yīng)。其研究大多限制在黃土高原，對川中紫色土的研究相對很少。蔡強(qiáng)國（1998）通過人工模擬降雨試驗探討了紫色土陡坡地不同土地利用對水土流失過程的影響［10］。劉剛才（2001）研究了四川低山丘陵區(qū)不同土地利用類型年均、月均水土流失特征［11］。韓建剛（2005）探討了紫色土區(qū)不同雨型下土壤流失對不同土地利用類型的響應(yīng)特征，指出土地利用方式變化強(qiáng)烈影響到紫色土區(qū)小流域土壤流失量，而雨型變化對其影響相對較小［12］。影響水土流失的因素和水土流失發(fā)生發(fā)展的過程極為復(fù)雜，各個因子之間互相作用，互相疊加或抵消，共同導(dǎo)致了徑流和土壤侵蝕。紫色土區(qū)降雨充沛，下墊面變化復(fù)雜，但關(guān)于降雨及下墊面等綜合作用下的地表徑流與土壤侵蝕規(guī)律研究還很薄弱。本文以川中丘陵區(qū)鶴鳴觀小流域及其徑流小區(qū)實(shí)測資料，探討不同土地利用的水土流失特征及其對降雨特征的響應(yīng)，分析小流域綜合治理后產(chǎn)生的效益，擬為川中丘陵區(qū)水土保持措施布局及綜合治理范式提供參考。

1 研究區(qū)概況

鶴鳴觀小流域位于四川省南部縣境內(nèi)東經(jīng)105°44′，北緯31°31′。屬嘉陵江一級支流西河的一條支流，流域面積2 km2左右，由3條小支溝組成，河網(wǎng)密度2.37 km／km2。其中Ⅰ號和Ⅱ號支溝為試驗溝，其海拔高程分別為409～681m和394～680 m。支溝面積分別為0.8 km2和0.42 km2，干流長度分別為0.241 km和0.350 km，干流平均比降為50‰和310‰。流域成土母質(zhì)為白堊系下統(tǒng)城墻巖群，土壤以沙土和中壤土為主。該地區(qū)氣候溫和、雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候。據(jù)多年氣象觀測資料分析，多年平均降雨量為975 mm，多年平均降雨天數(shù)為142 d，汛期（5-10月）降雨量占全年降雨量的75%。

為了研究四川紫色土丘陵區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙特征，四川省升鐘水土保持試驗站在鶴鳴觀小流域Ⅰ、Ⅱ號支溝出口布設(shè)了觀測站，在Ⅱ號支溝山坡上布設(shè)了3個試驗徑流小區(qū)，3個徑流小區(qū)的基本情況見表1，小區(qū)從1983年開始觀測，支溝出口站從1985年開始觀測。

表1 鶴鳴觀小流域3個試驗小區(qū)基本情況表Table 1 Basic condition of 3 plots in Hemingguan watershed

徑流小區(qū)試驗分2個階段進(jìn)行。1983-1986年為第一個階段，把Ⅰ號小區(qū)處理為人工破壞型，場內(nèi)允許放牧、割伐，破壞植被，年均覆蓋率低于20%；Ⅱ號小區(qū)處理為封坡禁伐型，場內(nèi)保留自然生長的馬桑、黃荊、茅草，實(shí)行封禁，年均覆蓋率為60%左右；Ⅲ號小區(qū)處理為自然荒坡墾種型，按當(dāng)?shù)貕ㄆ铝?xí)慣，全坡翻耕，作壟栽種了紅苕、黃豆，年均覆蓋率為30%。在取得1983-1986年連續(xù)4年3個小區(qū)的水土流失試驗資料后，從1987年起，進(jìn)行第二階段的觀測試驗。在試驗處理上，Ⅰ號小區(qū)由人工破壞型改為工程整地造林型，場內(nèi)坡面整成0.4 m×0.6 m（寬×高）水平階梯狀，每條平臺間隔1.0 m打魚鱗形的樹窩，栽植榿、柏混交幼樹，坡面挖截流壕2條，斷面尺寸為0.3 m×0.5 m（寬×高），兩壕間隔6.0 m，用來攔截徑流、泥沙；Ⅲ號小區(qū)把原來的自然坡面改為六臺緩坡梯地，其平均坡度小于15°，地寬2～3 m，用青磚代替塊石干砌作埂，埂高出地面0.1～0.15 m，埂寬0.24 m，磚縫作透水用，每臺地橫向開溝作壟2條。每年小春種豌豆，大春種紅苕，套種綠、黃豆。作物覆蓋率隨生長期而變化，最多達(dá)60%。這2個階段的實(shí)驗小區(qū)一定程度上代表了流域的荒地、林地、草地（低覆蓋、高覆蓋）、坡耕地、梯地5種土地利用類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用水土流失特征

以鶴鳴觀Ⅱ號支溝山坡上的3個徑流小區(qū)2個試驗階段（1983-1986年，1989-2000年）為例，分析了不同土地利用的徑流、侵蝕變化規(guī)律（如圖1至圖4）。對于第一階段：不同雨強(qiáng)下的徑流深變化依次是荒地＞草地＞坡耕地；侵蝕模數(shù)的變化依次為坡耕地＞荒地＞草地。對于荒地來說，在降雨過程中易產(chǎn)生結(jié)皮，影響土壤入滲速率，因此其徑流深較大。草地由于植被對降雨雨滴的消能作用，可以有效地防止土壤表層形成結(jié)皮，使之呈疏松狀態(tài)，保持有較高的水流入滲率。同時發(fā)達(dá)的根系，也給水流的入滲創(chuàng)造良好的條件。坡面的糙率隨植被蓋度的增加而增加，使坡面水流流速降低，也加大水流入滲的可能性，因此其徑流深相對較小。坡耕地由于犁地作用，使土壤疏松，土壤空隙大，水流入滲速率大，因此其徑流深也就最小。

圖1 1983-1986年不同土地利用徑流深隨降雨強(qiáng)度變化圖Fig.1 Variations between runoff depth and rainfall intensity in different land uses from 1983 to 1986

圖2 1983-1986年不同土地利用侵蝕模數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化圖Fig.2 Variations between erosionmodulus and rainfall intensity in different land uses from 1983 to 1986

圖3 1989-2000年不同土地利用徑流深隨降雨強(qiáng)度變化圖Fig.3 Variations between runoff depth and rainfall intensity in different land uses from 1989 to 2000

紫色土坡耕地在紫色土低山丘陵區(qū)的主要幾種土地利用類型（草地、林地、坡耕地等）中，其侵蝕是最嚴(yán)重的。坡耕地由于翻耕擾動，其土壤結(jié)構(gòu)被破壞，抗蝕性差，因此，即使徑流深最小，但其產(chǎn)生的侵蝕卻是最大的?；钠碌赜捎谥脖桓采w和雜草根系的作用，其地表抗蝕性較翻耕農(nóng)地大得多，所以侵蝕量較小。草地相對荒地來說，其發(fā)達(dá)的根系使土壤抗蝕性最高，因此侵蝕量最小。雨強(qiáng)不同，徑流深、侵蝕產(chǎn)沙有一定差異。荒地、草地、坡耕地的徑流深具有很好的同步性，其間的差值隨雨強(qiáng)變化不是很大。

對于第二階段，其徑流深變化依次是梯地＞草地＞林地；侵蝕模數(shù)的變化依次為梯地＞草地＞林地。林地徑流深、侵蝕量在不同降雨量條件下都已經(jīng)非常小，而且隨著雨強(qiáng)的變化其變化趨勢也不是十分明顯。這說明紫色土草地較林地而言，不利于減少徑流，這主要是由于，一方面雜草截流不如樹林，另一方面，草根淺而密不易形成大空隙，樹木根深而稀易形成大空隙，這樣草地雨水入滲率較小。但是，草地的侵蝕大于林地侵蝕量，應(yīng)該歸功于樹木對降雨特性的改變和根系對土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的改善。

植被對侵蝕的抑制作用表現(xiàn)在：一是對降雨侵蝕力的影響；二是植物根系及枯枝落葉層對下滲和徑流的影響，當(dāng)降雨量和強(qiáng)度超過了植被攔截能力時，可產(chǎn)生侵蝕。人工林達(dá)到一定的覆蓋率時，能截留較多的降雨量，保護(hù)地面不受或少受水滴和流水的侵蝕，減蝕作用明顯。因此Ⅰ，Ⅱ號場減水減沙效益明顯。林草措施蓄水保土作用大小主要依賴于植物覆蓋率的變化，隨著植物覆蓋率的增加，其作用愈加明顯。

圖4 1989-2000年不同土地利用侵蝕模數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化Fig.4 Variations between erosion modulus and rainfall intensity in different land uses from 1989 to 2000

2.2 徑流量、侵蝕量對降水變化的響應(yīng)

分析降水因子與徑流侵蝕之間的關(guān)系，必須從降水量、降水歷時、平均雨強(qiáng)等相關(guān)指標(biāo)入手，采用相關(guān)分析方法分別對不同土地利用的徑流和侵蝕與降水特征值進(jìn)行了分析，結(jié)果見表2和表3。

表2 不同土地利用徑流深與降水因子的相關(guān)分析Table 2 The correlation analysis between runoff depth and rainfall factors in different land uses

表3 不同土地利用侵蝕模數(shù)與降水因子的相關(guān)分析Table 3 The correlation analysis between erosionmodulus and rainfall factors in different land uses

在同一坡面，同一場降雨下，地表產(chǎn)流產(chǎn)沙主要受地表覆蓋不同的影響。而地表覆蓋差異主要是土地利用不同的反映。覆蓋度不同的土地利用方式在攔截雨水和入滲等方面有很大差異，這種差異必然引起產(chǎn)流產(chǎn)沙方面的差異。經(jīng)過對不同土地利用徑流深與降雨歷時、雨量、雨強(qiáng)、雨量與雨強(qiáng)乘積進(jìn)行相關(guān)分析表明，對于荒地、低覆蓋草地（1983-1986年，植被覆蓋度較低）、坡耕地而言，其徑流深與雨量的相關(guān)系數(shù)最大，其次是雨量與雨強(qiáng)乘積、降雨歷時，雨強(qiáng)與徑流深的相關(guān)系數(shù)一般。林地、高覆蓋草地（1989-2004年，植被覆蓋度較高）、梯地的徑流深則與降雨歷時、雨量、雨強(qiáng)、雨量與雨強(qiáng)乘積的相關(guān)性較差?；牡亍⒌透采w草地、坡耕地侵蝕模數(shù)與雨量與雨強(qiáng)乘積的相關(guān)性最好，其次依次是雨量、雨強(qiáng)，與降雨歷時的相關(guān)性最差。林地、高覆蓋草地、梯地侵蝕模數(shù)與降雨歷時、雨量、雨強(qiáng)、雨量與雨強(qiáng)乘積的相關(guān)性都較差。雨量與徑流深、侵蝕模數(shù)的關(guān)系明顯好于雨強(qiáng)，這主要與研究區(qū)的產(chǎn)流方式有很大的關(guān)系，在超滲產(chǎn)流地區(qū)往往雨強(qiáng)與產(chǎn)沙模數(shù)間的關(guān)系好于雨量與產(chǎn)沙模數(shù)的關(guān)系。本研究區(qū)屬于蓄滿產(chǎn)流區(qū)，產(chǎn)流量與降雨量的關(guān)系較雨強(qiáng)更為密切，而產(chǎn)流量又直接影響到產(chǎn)沙量。

不同土地利用類型，水土流失對降水變化響應(yīng)結(jié)果迥異?；牡?、低覆蓋草地、坡耕地徑流量、侵蝕量與降水變量相關(guān)系數(shù)較高，土壤侵蝕主要受降水變化影響。林地、高覆蓋草地、梯地徑流量、侵蝕與降水變量的相關(guān)系數(shù)較小且沒有顯著性，可能是植被覆蓋、土壤特性對減緩徑流和侵蝕過程具有重要作用，說明土地利用／覆被變化具有明顯分異的水土流失效應(yīng)。徑流與各降水變量的相關(guān)系數(shù)較大，表明徑流對降水變化響應(yīng)更敏感；侵蝕與降水變量相關(guān)系數(shù)較小，說明侵蝕量除受降水因素作用外，還可能受植被、土壤和徑流等更為復(fù)雜的過程或機(jī)理影響。

2.3 小流域綜合治理效益分析

小流域綜合治理是通過工程措施、生物措施和耕作措施的合理配置，改變流域微地貌、微地形，從而改變徑流產(chǎn)沙的邊界條件，提高土壤抗蝕抗沖能力，達(dá)到降低土壤侵蝕量的目的。

2.3.1 流域水沙特性分析

表4中列出鶴鳴觀小流域Ⅱ號支溝試驗期間各年實(shí)測的降雨、徑流、土壤流失資料，可以看到，由于降雨狀況的變化，以及綜合治理活動對試驗流域下墊面狀況的影響，鶴鳴觀小流域的年降水量、徑流量、輸沙量的歷年變化過程呈波動變化，高低值交替出現(xiàn)，三者的變化過程基本對應(yīng)，即雨多、水多、沙多，雨少、水少、沙少，但它們的變化幅度和離散程度依次遞增。受氣候條件的影響，降雨的年內(nèi)分配不均勻，降雨主要集中在5-10月，汛期降雨量占年降雨量的比例平均為85%。1987年降雨量最多，產(chǎn)流量也最大，1996年降雨量最少。1987年年降雨量為1996年年降雨量的3.20倍，年徑流量則為1996年的26.63倍。1987年的土壤流失量是1996年的2 588.75倍，變幅遠(yuǎn)大于降雨和徑流變幅。1988年降雨量和1999年降雨量相差不大，但1999年的徑流量相對1988年減少36.36%，土壤流失量減少91.11%。表明流域綜合治理措施有效地抑制了坡面侵蝕產(chǎn)沙和輸沙過程。

表4 試驗流域1985-2004年實(shí)測降水、徑流、土壤流失資料Table 4 Data of actuallymeasured rainfall，runoff and soil loss in experimentwatershed from 1985 to 2004

2.3.2 降雨量與徑流量、輸沙量雙累積曲線

從鶴鳴觀小流域Ⅱ號支溝累積年降雨量與年徑流量（圖5）看出，累積年徑流量與累積降雨量的關(guān)系基本成一直線，即水土保持措施對徑流的影響很小。但累積年降雨量與年輸沙量關(guān)系（圖6）看出，1989年后的斜率較1989年前的明顯偏小，可見水土保持措施對減沙效果顯著。若將2個自然時段截取相同的橫坐標(biāo)，即在降雨量相等的情況下比較輸沙量，由于水土保持綜合治理的作用，1989年后多年平均輸沙量較1989年前減少了90.97%。

2.3.3 多年平均含沙量

圖5 年降雨量與年徑流量雙累積曲線散點(diǎn)圖Fig.5 Double accumulative curve between annual rainfall amount and annual runoff amount

試驗小流域1989年前后多年平均徑流量、輸沙量、含沙量見表6。80年代前由于自然地理條件及人類活動的破壞，水土流失十分嚴(yán)重。80年代后由于加強(qiáng)水土保持工作，采取了各種保護(hù)和治理水土流失的措施，這些措施到90年代開始發(fā)揮效益。從表6中可看出，1990-2004年多年平均徑流量比1985-1989年多年平均徑流量減少30.67%，多年平均輸沙量減少91.29%，多年平均含沙量較1989年前減少76.05%。

圖6 年降雨量與年輸沙量雙累積曲線散點(diǎn)圖Fig.6 Double accumulative curve between annual rainfall amount and annual sediment transportation amount

表5 水土保持綜合治理效益Table 5 Benefits of comprehensive controlmeasures of soil and water conservation

表6 多年平均含沙量Table 6 Long-tern average sediment concentration

3 結(jié) 論

通過對鶴鳴觀小流域徑流小區(qū)2個實(shí)驗階段的對比研究以及試驗流域綜合治理的水保效益分析，初步得出以下結(jié)論：

（1）以鶴鳴觀Ⅱ號支溝山坡上的3個徑流小區(qū)2個試驗階段（1983-1986年，1989-2000年）為例，分析了不同土地利用的徑流、侵蝕變化規(guī)律。對于第一階段：不同雨強(qiáng)下的徑流深變化依次是荒地＞草地＞坡耕地；侵蝕模數(shù)的變化依次為坡耕地＞荒地＞草地。雨強(qiáng)不同，徑流深、侵蝕產(chǎn)沙有一定差異?；牡?、草地、坡耕地的徑流深具有很好的同步性，其間的差值隨雨強(qiáng)變化不是很大。對于第二階段，其徑流深變化依次是梯地＞草地＞林地；侵蝕模數(shù)的變化依次為梯地＞草地＞林地。

（2）不同土地利用類型，水土流失對降水變化響應(yīng)結(jié)果迥異?；牡亍⒌透采w草地、坡耕地徑流量、侵蝕量與降水變量相關(guān)系數(shù)較高，土壤侵蝕主要受降水變化影響。林地、高覆蓋草地、梯地徑流量、侵蝕與降水變量的相關(guān)系數(shù)較小且沒有顯著性，可能是植被覆蓋、土壤特性對減緩徑流和侵蝕過程具有重要作用，說明土地利用／覆被變化具有明顯分異的水土流失效應(yīng)。

（3）鶴鳴觀試驗小流域累積年降雨量與累積年輸沙量關(guān)系曲線1989年后的斜率較1989年前的明顯偏小，表明流域綜合治理措施有效地抑制了坡面侵蝕產(chǎn)沙和輸沙過程。在降雨量相等的情況下比較輸沙量，由于水土保持綜合治理的作用，1989年后多年平均輸沙量較1989年前減少了90.97%。由于水土保持綜合治理的作用，1990-2004年小流域多年平均徑流量比1985-1989年多年平均徑流量減少30.67%，多年平均輸沙量減少91.29%，多年平均含沙量減少76.05%。

［1］ 彭文英，張科利.不同土地利用產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征的關(guān)系［J］.水土保持通報，2001，21（4）：25-29.

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（編輯：曾小漢）

Effect of Land Use and Rainfall Factors on Soil and Water Loss in Purp le Soil Region

LIU Ji-gen1，LIRong2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute；2.Institute of Information Research，Network Information Centre of ChangjiangWater Resources Commission，Wuhan 430010，China）

This study was carried out in Hemingguan small watershed and its 3 experiment plots in which the observation time were divided into 2 periods（from 1983 to 1986 and from 1989 to 2000）in hilly region of the central Sichuan，and the characteristics of soil and water loss of different land uses，the response of runoff and soil erosion on rainfall factors and benefits of comprehensive control measures in small watershed were analyzed.The results show as follows：In first period，runoff depth in different rainfall intensities in turn was wasteland＞grassland＞slopeland，but erosion modulus in order slopeland＞wasteland＞grassland.In second period，runoff depth successively was terrace land＞grassland＞forestry，and erosion modulus terrace land＞grassland＞forestry.The correlation degree among runoff on slopeland，soil erosion，low covered grassland and precipitation wasmuch high，which showed that soil erosion wasmainly influenced by rainfall factors.The correlation coefficient among precipitation erosion in forestry，high covered grassland and terrace land wasmuch low，itmay be that vegetative cover and soil characteristic play an important role on retarding runoff and erosion processes，which showed land use or vegetative cover had obvious effect on soil and water loss.Owing to the action of comprehensive controlmeasures of soil and water conservation，long-tern average runoff amount from 1990 to 2004 had reduced by 30.67%，average sediment transportation by 91.29%and average sediment content by 76.05%than those parameters from 1985 to 1989 respectively.

purple soil region；land use；rainfall factor；soil and water loss；effect

S157.1

A

1001-5485（2009）08-0010-05

2009-03-04；

2009-04-21

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（2007CB407207）、水利部公益性行業(yè)科研專項（200701010）

劉紀(jì)根（1975-），男，湖北漢川人，高級工程師，理學(xué)博士，主要從事流域侵蝕產(chǎn)沙、水土保持等方面的研究，（電話）027-82926207（電子信箱）jigenliu＠163.com。