降雨因素和不同土地利用方式對(duì)水土流失的影響*

滿建利,姜 成,彭紅霞,宋 建

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,武漢430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074;3.秭歸縣水土保持試驗(yàn)站,湖北秭歸 443600;4.濟(jì)寧學(xué)院附中地理組,山東濟(jì)寧272000)

水土流失是指在水流作用下,土壤被侵蝕、搬運(yùn)和沉淀的整個(gè)過(guò)程。這里我們討論的水土流失是由于水力侵蝕造成的水土流失。水土流失發(fā)生緩慢,可是破壞力很強(qiáng),可以使得梯田、水塘、水庫(kù)、湖泊、河道等發(fā)生淤積;加劇洪水泛濫;在山區(qū)容易引發(fā)山體滑坡、泥石流等災(zāi)害。鑒于水土流失對(duì)生態(tài)及社會(huì)造成破壞性的影響,水土流失問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文就秭歸縣張家沖小流域水土流失狀況進(jìn)行研究,力圖找出降雨因子及其不同利用方式的土地對(duì)水土流失的影響,發(fā)現(xiàn)此地水土流失的規(guī)律。這既有利于改善生態(tài)環(huán)境,又有利于保持水土,減少注入長(zhǎng)江泥沙,對(duì)于推動(dòng)庫(kù)區(qū)水土流失治理、提高坡地持續(xù)生產(chǎn)能力、擴(kuò)大庫(kù)區(qū)環(huán)境容量,具有一定的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)布設(shè)在湖北省秭歸縣張家沖小流域內(nèi),屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,氣候溫和,雨量充沛。年均降水量為1 006.8 mm,年均氣溫17.9℃。

1.1.1 研究區(qū)所在的流域狀況 張家沖小流域系茅坪河支流,距三峽大壩5 km,距秭歸新縣城8.5 km,3條支流覆蓋全流域,在甕橋溝匯集流入茅坪河。流域內(nèi)共有176戶(hù),土地總面積1.62 km2,共有耕地43.2 hm2(大于 25°的耕地 15.6 hm2),林地98.1 hm2(其中疏幼林地40.7 hm2,經(jīng)果林7.5 hm2),草地3.3 hm2,荒山荒坡8 hm2,非生產(chǎn)用地9.3 hm2。

1.1.2 地質(zhì)地貌及植被狀況 該流域?qū)偕降厍鹆甑孛?最低海拔148 m,最高海拔530 m。下部較為平緩,中上部坡度較陡。該流域?qū)俚湫偷幕◢弾r出露發(fā)育區(qū)域,土壤為花崗巖母質(zhì)出露發(fā)育的石英砂土,植被以亞熱帶常綠、落葉闊葉林和針闊混交林為主,林特資源有低山河谷的柑桔,半高山的茶葉、板栗,高山的木材,林草覆蓋率達(dá)到62.6%。

1.1.3 水土流失狀況 按水土流失發(fā)生的原因和表現(xiàn)形式,水土流失類(lèi)型可分為水力侵蝕、重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕3種主要類(lèi)型。在此小流域范圍內(nèi),水土流失類(lèi)型主要為水力侵蝕,侵蝕類(lèi)型主要為面蝕,局部地區(qū)有溝蝕,多發(fā)生在花崗巖、紫色砂頁(yè)巖、頁(yè)巖泥巖出露的坡耕地、疏殘幼林和植被覆蓋率低的地帶[2]。由于面蝕涉及面積廣,被侵蝕的多是肥沃的表層土,既流失土壤,又損失肥力,因此水土流失是造成花崗巖區(qū)土壤地力、土地生產(chǎn)力降低的主要因子之一。據(jù)調(diào)查,張家沖流域2003年有水土流失面積0.97 km2,占土地總面積的60%,其中輕度流失24.1 hm2,占流失總面積的24.8%,中度流失49.5 hm2,占 50.9%,強(qiáng)度流失 8.0 hm2,占 8.2%,極強(qiáng)度流失15.6 hm2,占16%。土壤侵蝕總量達(dá)到6 705 t/a,水土流失十分嚴(yán)重。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置 為了探索花崗巖性區(qū)水土流失規(guī)律,秭歸縣水土保持局在張家沖小流域設(shè)立水土保持試驗(yàn)站,試驗(yàn)站于2002年9月1日正式動(dòng)工興建[3]。本文數(shù)據(jù)主要來(lái)源于卡口站和標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)。標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)小區(qū)由坡地和觀測(cè)水池組成,坡地為面積 20 m2,坡長(zhǎng) 11.03 m,坡度 25°的長(zhǎng)方形,每個(gè)坡地出水口建容積為1.5 m×1.5 m×1.5 m的觀測(cè)水池,這10個(gè)試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)情況為:1石坎梯種糧、2土坎梯種柑、3土坎籬種柑、4坡籬種糧、5坡籬種茶、6坡籬種柑、7坡地種糧、8坡地種茶、9坡地種柑、10荒坡地。試驗(yàn)小區(qū)的外緣都用石灰堆砌,防止客水的進(jìn)入。試驗(yàn)小區(qū)種植的糧食作物為黃豆,花生或者油菜。10月中旬播種油菜,5月左右油菜收割,5月末期播種回茬黃豆或者花生,次年的9月份收割,經(jīng)濟(jì)林主要以柑橘和茶為主。

1.2.2 觀測(cè)內(nèi)容及觀測(cè)方法 該試驗(yàn)的觀測(cè)內(nèi)容主要有年總降雨量、侵蝕雨量、侵蝕降雨次數(shù)、次平均雨量、侵蝕模數(shù)大小,觀測(cè)的方法主要是

(1)SL1型遙測(cè)雨量觀測(cè):08:00定時(shí)調(diào)試自計(jì)鐘,更換自計(jì)記錄紙,同時(shí)以人工雨量器觀測(cè)的雨量校正自計(jì)雨量觀測(cè)讀數(shù)。

(2)雨量器降水量觀測(cè):將雨量器接水桶內(nèi)的雨量倒入量杯讀數(shù)。讀數(shù)時(shí)用手握住量杯的上口,水印線與眼睛視線在同一水平線上,量杯上有一虛一實(shí)兩條水印線,讀數(shù)讀實(shí)線,精確到0.1 mm。最后做好記錄。

(3)泥沙含量的觀測(cè):采用普通器皿取樣,取樣與測(cè)速同步進(jìn)行,泥沙測(cè)點(diǎn)與流速垂線相重合。泥沙處理采用慢性濾紙過(guò)濾,然后將沙包放入電熱干燥恒溫箱在105～110℃狀態(tài)下,恒溫烘8～10 h,冷確后用電子天平稱(chēng)重,計(jì)算含泥量。

(4)徑流觀測(cè):采用流速面積法測(cè)量。一般先選測(cè)流斷面,以順直、比降均一、無(wú)寬窄變化為好,并設(shè)置上、下游兩個(gè)測(cè)流斷面,間距一般在30 m左右。斷面確定后,量測(cè)斷面形狀、尺寸,計(jì)算出斷面面積。該河段過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為上、下斷面的平均值。流速測(cè)定可用流速儀,流速儀測(cè)流受斷面流速分布不均的影響,若水深不很大,可在水深2/3處測(cè)量,并在斷面上每隔一定距離(視水面寬和測(cè)流精度確定)一般2 m測(cè)量一次;若水深大,應(yīng)布設(shè)測(cè)深垂線,并在每垂線上0.2 h、0.6 h和0.8 h處(三點(diǎn)法)或0.2 h、0.8 h(二點(diǎn)法)水深處測(cè)速;測(cè)速時(shí)間應(yīng)在100 s以上。流速儀測(cè)得多點(diǎn)流速后,常用流速等值線法計(jì)算流量和平均流速。方法是先繪制斷面流速分布曲線,再?gòu)淖畲罅魉匍_(kāi)始,每條線與水面線所包之面積可用求積儀測(cè)出。再以縱座標(biāo)為流速,橫座標(biāo)為面積繪成流速面積曲線,該曲線所包圍的面積,即為斷面流量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨因素與土壤侵蝕量的關(guān)系

水土流失是由于系統(tǒng)能量、物質(zhì)過(guò)剩引起的,能量過(guò)剩是水土流失的根源,物質(zhì)過(guò)剩是水土流失的基礎(chǔ)[4]。水土流失的影響因子在于土壤本身?xiàng)l件和外在的條件,如土壤因子為土壤本身的屬性,而植被覆蓋度、土地利用方式、降水因素、人類(lèi)活動(dòng)等外界的影響,是目前導(dǎo)致水土流失的重要的制約因素。當(dāng)然由于各地的自然和社會(huì)情況不同,影響各地水土流失的原因因地而異。在本研究的過(guò)程中,在空間上,由于選取的是一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)范圍,而且觀測(cè)的年限是短期的,所以除降水因素之外,其他的影響因素可以視為是穩(wěn)定的。

表1 降雨因素與侵蝕模數(shù)比較

由表1看出,侵蝕模數(shù)與降雨總量并不成正相關(guān),2004年的總的降雨量為1 187.3 mm,侵蝕模數(shù)80 t/(km2·a);2006年總降雨量為1 176.2 mm,但侵蝕模數(shù)為475 t/(km2·a);2007年總的降雨量為1 356.0 mm,侵蝕模數(shù)為72 t/(km2·a)。2004年與2006年兩年份的降雨總量其實(shí)屬于同一量級(jí),差別不大,可是侵蝕模數(shù)卻比2006年小375 t/(km2·a),2007年與2008年情況與2004年和2006年情況類(lèi)似。

在所有降雨中,只有部分降雨產(chǎn)生地表徑流,進(jìn)而引起土壤流失,這部分降雨稱(chēng)為侵蝕性降雨[5]。侵蝕雨量即降雨轉(zhuǎn)化為徑流后可對(duì)土壤造成侵蝕的雨量。侵蝕雨量理論上應(yīng)該與侵蝕模數(shù)成正相關(guān),所測(cè)數(shù)據(jù)卻并非如此,由表1可以看出,但隨著次平均雨量的增加,侵蝕模數(shù)會(huì)相應(yīng)增加。2004年的次平均雨量為18.33 mm,侵蝕模數(shù)為8 080 t/(km2·a);2006年的次平均雨量為36.40 mm,侵蝕模數(shù)為475 t/(km2·a);這個(gè)規(guī)律并不是通用的,2007年的次平均雨量就比2005年的多,可是侵蝕模數(shù)卻比2005年的小。從動(dòng)力角度考慮,若流域降雨量大,但歷時(shí)長(zhǎng),強(qiáng)度低,則輸沙量未必大;如果雨量大,強(qiáng)度高,則輸沙量必然大[6]。通過(guò)分析可以得出土壤侵蝕量與降雨量、降雨強(qiáng)度和侵蝕雨量有關(guān)系。比較這幾年的數(shù)據(jù)可以看出,2008年的總降雨量,侵蝕雨量最大,所以土壤的侵蝕模數(shù)最大。

2.2 不同試驗(yàn)小區(qū)相同降雨條件下侵蝕模數(shù)對(duì)比

同年中10個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的土壤因子值、降雨因子值、坡面長(zhǎng)度因子值、坡度因子值、水保措施因子值是相同的,僅僅是耕作管理方式的不同。因此下文將討論在不同的耕作管理方式下,水土流失的規(guī)律。

2.2.1 糧食作物種植在不同改良方式的土地上侵蝕模數(shù)對(duì)比 同年,在不同的試驗(yàn)小區(qū)種植同一作物,由于土地利用方式不同,所以在相同的降雨條件下,侵蝕模數(shù)不同。如表2所示,1,4,7分別為石坎梯、坡籬地、坡地,都種植糧食作物,在相同的條件下,2004年坡籬種糧地的土壤侵蝕模數(shù)最小,為18.854 t/(km2·a)。對(duì)比2005-2008年的數(shù)據(jù),坡籬地的土壤侵蝕模數(shù)除2005年的數(shù)值大于石坎梯和坡地外,其余的侵蝕模數(shù)相對(duì)都較小。2005年種植的糧食作物為油菜,由于油菜的長(zhǎng)勢(shì)不同,石坎梯和坡籬地作物的覆蓋面積為30%,坡地為40%,覆蓋面積在不同的試驗(yàn)區(qū)影響了侵蝕量。但這5 a總侵蝕模數(shù)坡籬地種糧的最小,計(jì)算得出為73.704 t/km2,其他依次坡地種糧227.896 t/km2,石坎梯種糧231.262 t/km2。

表2 不同的土地上種植糧食作物的侵蝕模數(shù)

2.2.2 同一經(jīng)濟(jì)作物種植在不同改良方式的土地上侵蝕模數(shù) 表3中的數(shù)據(jù)顯示了同一經(jīng)濟(jì)作物柑橘種植在不同利用方式的土地上侵蝕模數(shù)的大小。經(jīng)計(jì)算,坡籬地的總土壤流失量最小為133.315 t/km2。在這幾種不同的利用方式土地上,2004-2008年這5 a平均土壤侵蝕模數(shù)分別為73.147 2 t/(km2·a)、43.500 8 t/(km2·a)、26.663 t/(km2·a)和45.623 4 t/(km2·a),其中坡籬種柑地的平均水土流失量最小,其次為土坎籬種柑、坡地種柑,土坎梯種柑低的水土流失量最大。

由于秭歸縣的自然條件適合于茶樹(shù)生長(zhǎng),所以當(dāng)?shù)鼐用竦闹饕?jīng)濟(jì)作物是柑橘和茶樹(shù),茶樹(shù)種植不僅可增加農(nóng)民收入,還可治理水土流失。由較表4可以看出坡籬地種茶的水土流失量小于坡地。2004-2008年坡籬地的水土流失總量為75.908 t/km2,坡地為124.909 t/km2?；钠碌丶礋o(wú)人管理沒(méi)有,任其自由生長(zhǎng)雜草的坡地,它總的水土流失量為91.964 t/km2,荒坡地在這里與糧食作物及經(jīng)濟(jì)作物地做對(duì)比,試圖比較分析有無(wú)管理因子條件下水土流失量的大小。

表3 不同的土地上種植柑橘的侵蝕模數(shù)

表4 不同土地種植茶樹(shù)的侵蝕模數(shù)

3 結(jié)論

從以上綜合分析可以得出降雨因素和土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系以及不同的土地利用方式下土壤侵蝕模數(shù)的大小。在除降雨因子發(fā)生變化下,同一地區(qū),土壤侵蝕量與高強(qiáng)度、大降雨量和大侵蝕雨量有密切關(guān)系。至于在不同改良方式下的試驗(yàn)區(qū),由于植物籬笆對(duì)雨水有一定的截留作用,種植相同的糧食作物坡籬地的土壤侵蝕模數(shù)最小,坡地種糧和石坎梯種糧的土壤侵蝕模數(shù)依次增大;相同的經(jīng)濟(jì)作物條件下,坡籬地的水土流失量也為最小,但是種植茶樹(shù)的試驗(yàn)區(qū)的水土流失量要小于坡籬種柑區(qū),坡籬種茶地的5 a總水土流失總量為75.908 t/km2,坡籬種柑區(qū)為133.315 t/km2。這10個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的水土流失量有小到大依次為4坡籬地種糧、5坡籬種茶、10荒坡地、8坡地種茶、6坡籬種柑、3土坎籬種柑、7坡地種糧、9坡地種柑、1石坎梯種糧、2土坎梯種柑。

事實(shí)證明,在相同的背景下,土壤侵蝕量不是降雨因子的單一方面的原因,而是多種降雨因子共同作用的結(jié)果。在水土流失治理植物措施配置時(shí),可以大力提倡植物籬笆與糧食或經(jīng)濟(jì)作物混種,不僅可以提高當(dāng)?shù)鼐用竦氖找?對(duì)于水土流失的治理也可以收到良好的效果。

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