尖山河小流域坡耕地的細溝侵蝕研究

郭玲梅, 王克勤, 蘇 備, 蔣 薇, 米 濤

(西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650224)

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尖山河小流域坡耕地的細溝侵蝕研究

郭玲梅, 王克勤, 蘇 備, 蔣 薇, 米 濤

(西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 昆明 650224)

開展坡耕地細溝侵蝕的研究，對搞清坡面土壤侵蝕規(guī)律，促進坡耕地水土保持具有十分重要的意義。通過定位觀測和野外調(diào)查資料分析，研究了尖山河小流域坡耕地細溝侵蝕的發(fā)展過程。結(jié)果表明:坡耕地產(chǎn)生細溝后，隨著侵蝕性降雨的繼續(xù)，坡面細溝向坡下侵蝕加長，細溝密度逐漸增大，細溝不斷加深加寬，細溝侵蝕量也不斷增加。細溝發(fā)展至其深度達到犁底層后，將基本趨于穩(wěn)定。細溝侵蝕深度一般不超過30 cm，寬可達35 cm，而大多數(shù)細溝深度小于15 cm，寬度小于20 cm。由細溝侵蝕產(chǎn)生的年土壤侵蝕量可達到8 700 t/km2以上。

尖山河小流域; 坡耕地; 降雨量; 細溝侵蝕

坡耕地土壤侵蝕造成的危害已成為全世界共同關(guān)注的問題。細溝侵蝕是坡耕地土壤侵蝕的主要方式之一，是介于片狀侵蝕和溝道侵蝕之間的一種侵蝕類型，細溝一旦發(fā)生，坡面侵蝕量將增加幾倍至幾十倍[1]。據(jù)唐克麗等[2]的研究，黃土高原坡耕地細溝侵蝕量可占總侵蝕量的60%～70%。影響坡耕地土壤細溝侵蝕的因素很多，其中氣候因素中的降雨因素是侵蝕的主要動力之一，是引起細溝侵蝕的最主要因子[3]。坡耕地上形成的這種細小溝道可被正常的耕作活動所填平。

椐據(jù)監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果顯示，云南省廣布的人為開墾>25°的坡耕地是土壤侵蝕的主要源地，全省年流失土壤5億多噸，是全國年流失土壤總量的10%[4]。而尖山河是澂江縣撫仙湖的一條入湖河流[5]，徑流區(qū)內(nèi)荒山荒地和坡耕地面積占55%，水土流失中度侵蝕面積達64.9 km2，每年流失的土壤約34.6萬t。本研究從尖山河坡耕地的細溝侵蝕為出發(fā)點，通過觀測調(diào)查坡耕地細溝侵蝕的發(fā)展演變狀況，從而揭示坡耕地土壤侵蝕的規(guī)律，確定防治措施，對控制坡耕地土壤侵蝕有重大的實踐意義，進而使坡耕地水土流失綜合治理工作取得更好的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益，推動水土保持事業(yè)的進一步發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于珠江南北盤江上游巖溶區(qū)域的玉溪市澂江縣西南部的尖山河小流域，為撫仙湖的一級支流。地理位置為102°47′21″—102°52′02″E，24°32′00″—24°37′38″N，海拔1 722～2 347.4 m，距離縣城16 km，北接龍街鎮(zhèn)廣龍村委會，南接祿充管委會，東臨撫仙湖，西接晉寧縣。流域總面積35.42 km2，河道全長8.5 km。

流域?qū)俚途暥雀咴瓪夂?，地貌類型為中山高原地帶，多年平均降雨? 050 mm，雨季為5—10月，降水量占全年總降水量的74%。暴雨基本出現(xiàn)在雨季，年平均徑流深300 mm，年均蒸發(fā)量為900 mm。流域內(nèi)土壤主要是紅紫泥土和紅壤，人為開墾的>25°的坡耕地較多，水土極易流失，農(nóng)作物以種植烤煙和玉米為主。

1.2 試驗地和雨量計的布設(shè)

根據(jù)小流域地形條件，在研究區(qū)選擇一塊典型坡耕地，對坡耕地內(nèi)的15 m×15 m樣地翻耕疏松整平。

為了便于觀查、測量與記錄細溝侵蝕變化，首先把調(diào)查樣地順坡布設(shè)為5個3 m×15 m的小區(qū)，再把每個小區(qū)劃分為5個3 m×3 m的微型小區(qū)，最后在每個微型小區(qū)的交點處打細樁，并用細繩圈起。調(diào)查時采用測繩沿小區(qū)邊界順坡固定，結(jié)合固定在桿上的鋼卷尺得到細溝所在坡面位置的(x,y)坐標，并用直尺測量細溝的寬度及深度，這樣就減少了測定細溝時對小區(qū)的影響。

在調(diào)查樣地附近布設(shè)了一個重慶水文儀器廠制造的JDZ-1型數(shù)字自記雨量計測定每場降雨的降雨量、降雨歷時。坡耕地區(qū)域特征見表1。

表1 坡耕地區(qū)域特征

1.3 觀測方法

本研究主要以2013年雨季，天然降雨情況下所形成的細溝為研究對象，并采用定位觀測和野外調(diào)查來觀測細溝侵蝕的發(fā)生發(fā)展。

1) 降雨過程使用數(shù)字自記雨量計測定并計算每次的降雨量和降雨強度。

2) 采用烘干稱重法測定土壤容重和土壤含水量。

3) 降雨結(jié)束后，實測細溝長、寬、深、條數(shù)，計算細溝侵蝕量，畫細溝侵蝕分布圖，(細溝的平均溝寬、溝深由沿溝長間隔50 cm測得的數(shù)值確定)。

4) 細溝侵蝕的發(fā)展過程(定時照相)。

相關(guān)計算及數(shù)據(jù)分析：本研究采用Excel 2003數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)分析和圖表處理。

1.4 細溝侵蝕量的計算

計算細溝侵蝕量時采用斷面以矩形處理，單位面積上的細溝侵蝕量由公式計算得出：

式中：Gr——細溝侵蝕量(kg/m2)；m——細溝的總條數(shù)；n——量測一條細溝寬深的次數(shù)；Rwi，Rhi——第i次量測的細溝寬度和深度(cm)；Rl——所量測細溝的長度(cm)；rd——土壤容重(g/cm3)；A——樣方面積(m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

2013年尖山河小流域共有65場降雨，降雨量共計900.2 mm，其中降雨主要集中在5—10月，這6個月的降雨量占了總降雨量的85.0%，旱季僅占15.0%，所以選擇雨季進行坡耕地細溝侵蝕的觀測調(diào)查是具有代表性的。由于年內(nèi)降雨量分配不均，夏季降雨過分集中易形成大雨或暴雨，導(dǎo)致容易產(chǎn)生大的地表徑流并沖刷地表，造成水土的流失[6]。

為了確切的分析降雨與細溝侵蝕的關(guān)系，首先要確定侵蝕性降雨標準。本研究采用RUSLE[7]的侵蝕性降雨標準：如果一次降雨<12.7 mm，則把這次降雨從侵蝕力計算中剔除，但如果此次降雨15分鐘降雨量>6.4 mm，則仍將這次降雨計算在內(nèi)。根據(jù)這個標準，本文所選試驗區(qū)調(diào)查過程中的45次降雨資料中，只有16次降雨達到侵蝕力降水標準。侵蝕性降雨時間分布見表2。

從2013年的7月10日到10月底對試驗區(qū)進行觀測調(diào)查，其中試驗區(qū)坡耕地首次出現(xiàn)細溝的降雨時間是7月25日，侵蝕降雨量為29.6 mm，歷時共200 min，平均降雨強度8.9 mm/h；到8月12日的第5場侵蝕性降雨結(jié)束，累積侵蝕性降雨101.5 mm；8月24日的第6場侵蝕性降雨是降雨量最大的場次，為42.3 mm，歷時共926 min，平均降雨強度2.7 mm/h；到10月23日的第16場侵蝕性降雨結(jié)束，累積侵蝕性降雨330.5 mm，其中從8月24日后到10月23日的侵蝕性降雨有186.7 mm。

到9月中旬時，坡面上出現(xiàn)野古草植被的生長，覆蓋度為2%，多集中在坡面上部，而細溝侵蝕多產(chǎn)生在坡面的中下部，少量植被對坡面細溝侵蝕的影響不明顯。

表2 侵蝕性降雨時間分布

2.2 細溝侵蝕的發(fā)生發(fā)展過程

2.2.1 細溝密度變化 細溝密度是指坡面單位面積上細溝分布的長度(km/km2)，它是描述細溝侵蝕過程的一個重要指標，反映細溝對地表的切割破碎程度。據(jù)野外調(diào)查資料統(tǒng)計計算，7月25日的侵蝕性降雨導(dǎo)致試驗區(qū)坡耕地上首次出現(xiàn)細溝，細溝密度是1.98×10-3km/km2，8月12日、8月24日和10月23日的侵蝕性降雨后調(diào)查得到細溝密度分別是2.20×10-3，2.67×10-3，2.93×10-3km/km2。從圖1侵蝕性降雨量與細溝密度關(guān)系曲線可以看出，細溝密度隨著侵蝕性降雨的繼續(xù)而不斷增大，其中8月24日降雨后引起的細溝密度變化比較大。這是因為降雨使得坡面細溝不斷向坡下侵蝕加長，即細溝對地表的切割程度不斷加強，而當坡耕地上發(fā)育還未基于穩(wěn)定的細溝遇到大侵蝕性的降雨時，細溝發(fā)育則較強，細溝對地表的切割程度更嚴重。

圖1 侵蝕性降雨量與細溝密度關(guān)系

2.2.2 細溝侵蝕的寬度變化 坡耕地降雨產(chǎn)流后，因為凹凸不平的地面對徑流的分配作用和地表土壤抗侵蝕力的空間差異，使徑流在坡面上呈不均勻分布的小溝狀股流。由于這些股流流經(jīng)地方的徑流侵蝕力大于其周圍的侵蝕力，使得徑流在坡面上呈現(xiàn)差異性侵蝕。這樣一來，隨著徑流的逐漸匯集，徑流侵蝕力也逐漸增強，當其在股流流程上的某個地方大于土壤抗侵蝕力時，相對較大的沖刷作用使徑流在該地方突然下泄，形成一個小跌水，進而演化成細溝下切溝頭，就產(chǎn)生了細溝侵蝕[8]。

從細溝侵蝕的寬度統(tǒng)計表3可知，2013年4次觀測調(diào)查坡耕地細溝侵蝕的條數(shù)分別是101條、84條、60條、59條，7月25日的第一場侵蝕性降雨使得坡耕地首次產(chǎn)生的細溝條數(shù)都多余后面的。坡耕地產(chǎn)生細溝后，隨著降雨的不斷進行，細溝侵蝕的寬度變化很大。7月25日降雨產(chǎn)生細溝的寬度多集中在0～5 cm，8月12日侵蝕性降雨后調(diào)查得到細溝寬變化于0～20 cm，而以0～10 cm居多，8月24日的降雨導(dǎo)致細溝寬變化多集中在0～10 cm，與前一次調(diào)查的細溝相比，出現(xiàn)了1條寬度20～25 cm的細溝，10月23日的侵蝕性降雨后，細溝寬度變化于0～35 cm，以5～15 cm居多。把4次調(diào)查的細溝侵蝕寬度作比較，坡耕地產(chǎn)生細溝后，隨著侵蝕性降雨的不斷進行，細溝不斷加寬。第4次調(diào)查坡耕地上發(fā)生侵蝕的細溝平均寬為(8.2 cm)，分別是第1次、第2次和第3次調(diào)查得到的細溝平均寬的2.2倍、1.7倍和1.3倍。并隨著降雨的繼續(xù)，坡耕地上寬0～5 cm的細溝不斷減少，而10～15 cm寬的細溝則不斷增多，細溝侵蝕寬度可達35 cm，而大多數(shù)細溝寬度小于20 cm。

2.2.3 細溝侵蝕的深度變化 從表4細溝侵蝕的深度統(tǒng)計表可知，2013年觀測調(diào)查坡耕地產(chǎn)生細溝后，隨著降雨的繼續(xù)，細溝侵蝕的深度變化很大。7月25日的降雨使得坡耕地上產(chǎn)生細溝深度多集中在0—5 cm，8月12日侵蝕性降雨后調(diào)查得到的細溝深度變化于0—20 cm，而以0—10 cm居多，8月24日的侵蝕性降雨導(dǎo)致細溝深變化也是多集中在0—10 cm，10月23日的侵蝕性降雨后，細溝深度變化于0—30 cm，以5—15 cm居多，與8月24日降雨后的細溝相比，出現(xiàn)了2條20—25 cm和1條25—30 cm深的細溝。10月23日降雨后導(dǎo)致的細溝平均深(5.8 cm)分別是7月25日(2.9 cm)、8月12日(3.6 cm)和8月24日(4.5 cm)的2倍、1.6倍和1.3倍。并且隨著降雨的繼續(xù)，除了0—5 cm深的細溝不斷減少外，其余深度的細溝都有所增加，并且深為20—25 cm和25—30 cm的細溝是最后才產(chǎn)生的。把4次調(diào)查的細溝侵蝕深作比較，坡耕地產(chǎn)生細溝后，隨著侵蝕性降雨的不斷進行，細溝發(fā)育過程不斷加快，細溝深度不斷增加，當其達到犁底層后，細溝的發(fā)展基本穩(wěn)定。據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計，細溝侵蝕深度一般不超過30 cm，而大多數(shù)細溝深度小于15 cm。

表3 細溝侵蝕的寬度統(tǒng)計

表4 細溝侵蝕的深度統(tǒng)計

2.3 坡耕地細溝侵蝕量

細溝侵蝕是坡面產(chǎn)沙的主要方式之一，據(jù)鄭粉莉的研究資料表明，細溝侵蝕量占坡面侵蝕量(即片蝕+細溝侵帶)的60%以上[8]，在坡面上，一旦發(fā)生細溝侵蝕而有連續(xù)降雨，則細溝侵蝕量由細溝出現(xiàn)初期占坡面侵蝕量的26.5%上升到67%[9]。

2013年雨季澂江尖山河小流域侵蝕性降雨特征和坡耕地細溝侵蝕量見表5。據(jù)4次野外坡耕地細溝侵蝕調(diào)查資料可知，7月25日的降雨引起細溝侵蝕量2.21 kg/m2，7月29日—8月12日、8月24日和9月3日—10月23日的侵蝕性降雨分別產(chǎn)生細溝侵蝕量1.34，2.27和3.94 kg/m2，而至8月12日侵蝕性降雨結(jié)束后產(chǎn)生累積細溝侵蝕量為3.55 kg/m2，8月24日和10月23日侵蝕性降雨后分別產(chǎn)生累積細溝侵蝕量5.82，9.76 kg/m2。累積的細溝侵蝕量隨著累積侵蝕性降雨量的增加而不斷增加。野外調(diào)查資料表明，細溝在發(fā)育過程中逐漸擴大，隨之也造成嚴重的細溝侵蝕，細溝侵蝕量也逐漸增大。據(jù)統(tǒng)計，尖山河小流域由于細溝侵蝕產(chǎn)生的年土壤侵蝕量可達到8 700 t/km2。

表5 侵蝕性降雨量與細溝侵蝕量

3 結(jié) 論

1) 降雨使得坡面細溝不斷向坡下侵蝕加長，且在大降雨的情況下，細溝發(fā)育較強，細溝對地表的切割程度更嚴重。7月25日、8月12日、8月24日和10月23日的侵蝕性降雨后，導(dǎo)致試驗區(qū)坡耕地上的細溝密度分別是1.98×10-3，2.20×10-3，2.67×10-3，2.93×10-3km/km2；其中，8月24日的侵蝕性降雨引起的細溝密度變化比較大。

2) 坡耕地產(chǎn)生細溝后，隨著侵蝕性降雨的繼續(xù)，細溝不斷加寬加深。10月23日降雨后，坡耕地上發(fā)生的細溝平均寬(8.2 cm)，是7月25日首次侵蝕性降雨產(chǎn)生細溝平均寬(3.7 cm)的2.2倍，是8月12日和8月24日降雨后的1.7倍和1.3倍；而細溝平均深(5.8 cm)分別是7月25日(2.9 cm)、8月12日(3.6 cm)和8月24日(4.5 cm)侵蝕性降雨后的2倍、1.6倍和1.3倍。

3) 隨著細溝發(fā)育過程的不斷加快，細溝深度不斷增加，當其達到犁底層后，細溝的發(fā)展基本穩(wěn)定。細溝侵蝕深度一般不超過30 cm，寬度可達35 cm，而大多數(shù)細溝深度小于15 cm，寬度小于20 cm。

4) 細溝在發(fā)育過程中逐漸擴大，隨之也造成嚴重的細溝侵蝕，累積的細溝侵蝕量隨著累積侵蝕性降雨量的增加而不斷增加。據(jù)統(tǒng)計，7月25日降雨引起細溝侵蝕量2.21 kg/m2，而至8月12日降雨結(jié)束后產(chǎn)生累積細溝侵蝕量為3.55 kg/m2，8月24日和10月23日降雨后分別產(chǎn)生累積細溝侵蝕量5.82 kg/m2和9.76 kg/m2。尖山河小流域由于細溝侵蝕產(chǎn)生的年土壤侵蝕量可達到8 700 t/km2以上。

4 討 論

1) 細溝侵蝕是坡耕地土壤侵蝕的主要方式。據(jù)研究資料，細溝侵蝕的發(fā)生，普遍認為是在坡面股流的流程上，當徑流侵蝕力大于土壤抗侵蝕力時，形成多個跌水，跌水隨之演化成細溝的下切溝頭。細溝浸蝕的發(fā)展過程概括為細溝下切溝頭溯源侵蝕、溝床下切加深和溝壁崩塌加寬，其中以下切溝頭溯源侵蝕加長占主導(dǎo)地位，形成了斷續(xù)細溝。而一條股流流程上斷續(xù)細溝溝頭的溯源侵蝕，使斷續(xù)細溝連接形成連續(xù)細溝。在這個過程中，由于降雨徑流侵蝕力和土壤抗侵蝕力在時空上的強弱對比關(guān)系，坡面上所有細溝的彼此分叉、合并及連通是細溝發(fā)展過程的主要表現(xiàn)形式。

隨著連續(xù)細溝溝頭溯源侵蝕的不斷發(fā)展，匯集于溝頭處的集流線逐漸縮短，徑流侵蝕力相應(yīng)減弱，當其不能促進溝頭發(fā)展時，細溝的發(fā)展趨于穩(wěn)定。

2) 鄭粉莉等[10]研究結(jié)果表明：降雨徑流能量(尤其是徑流能量)、土壤抗侵蝕性能、坡度、坡長、坡形、地面處理(耕作措施)是影響細溝侵蝕的主要因素。由于所選試驗區(qū)坡度、坡位、坡向、海拔、土壤類型等相似，因此降雨和耕作措施對細溝侵蝕的影響非常明顯，坡形則對細溝的分叉和合并有很大影響。在瓦背狀地形的坡面上，由于坡形對徑流的再分配作用，使徑流從凸起部分流向低凹部分。隨著溝頭的不斷溯源侵蝕，徑流匯集量逐漸減少，因此凸起部分的分叉機率大；而低洼部分，由于徑流線逐漸匯集于淺溝，所以細溝逐漸匯集于淺溝。

3) 坡耕地是人類活動的場所，坡耕地上不乏植被的覆蓋，但是依然可能產(chǎn)生嚴重的細溝侵蝕。究其原因，人類不合理的耕作管理措施是引起細溝侵蝕的重要原因[11]。耕作措施對細溝侵蝕的影響，主要是通過土壤容重來影響下滲、起流時間、徑流量和土壤抗蝕性。澂江尖山河小流域5—10月是一年的雨季，這就為細溝侵蝕的發(fā)生發(fā)展提供了足夠的侵蝕能量；而此時，恰蓬烤煙、玉米收割末期，翻耕使得地面裸露面積越來越大，即使種植其它秋季作物也由于中耕松土和覆蓋度低，也為細溝侵蝕的發(fā)生發(fā)展提供了有利條件。所有這些不合理的耕作管理措施進一步促進了細溝的發(fā)展，導(dǎo)致了嚴重的細溝侵蝕。

基于澂江尖山河小流域雨季與坡耕地土壤侵蝕同期發(fā)生，及陡坡、土壤抗蝕性、抗沖性很弱的特點，應(yīng)該對大面積的坡耕地實施有效的水土保持措施，其中防治坡耕地土壤侵蝕的關(guān)鍵是削弱降雨能量和提高土壤的抗侵蝕性能，以達到保護土壤和減少泥沙入河的目的。

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Rill Erosion in Slope Farmland in Jianshan River Small Watershed

GUO Lingmei, WANG Keqin, SU Bei, JIANG Wei, MI Tao

(FacultyofEnvironmentalScienceandEngineering,SouthwestForestryUniversity,Kunming,Yunnan650224,China)

The research for rill erosion in slope land has the very vital significance to clarify the slope soil erosion, to promote farmland soil and water conservation. The analysis on location observation and field investigation data was carried out to study the development of rill erosion process on the slope in Jianshan River small watershed. The results showed that after the generation of rill in slope farmland, the slope rill erosion lengthened along the slope, rill density increased gradually, the rill became wide and deep, and rill erosion was also increasing under the erosive rainfall. With the accelerating development of rill, rill depth increased. After developing to the depth of the plough, the rill was stable basically. According to statistics, rill erosion depth was generally less than 30 centimeters, its width can be up to 35 cm, and most of the rill depths were less than 15 cm, width was less than 20 cm. Soil losses produced by rill erosion could reach more than 8 700 t/km2.

Jianshan River small watershed; slope farmland; rainfall; rill erosion

2014-04-01

2014-05-30

國家自然科學(xué)基金(30660037);西南林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治重點學(xué)科建設(shè)項目

郭玲梅(1987—),女,云南宣威人,碩士研究生,主要研究方向為土壤侵蝕。E-mail:15198791135@163.com

王克勤(1964—),男,甘肅莊浪人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事山區(qū)小流域環(huán)境綜合治理的理論與技術(shù)研究。E-mail:wangkeqin7389@sina.com

S157.1

1005-3409(2015)02-0012-05