羊雞沖小流域主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響

譚順菊，高華端，代　裕

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽550025； 2.貴定縣德新鎮(zhèn)農業(yè)服務中心，貴州 貴定551300)

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羊雞沖小流域主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響

譚順菊1,2，高華端1，代裕1

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽550025； 2.貴定縣德新鎮(zhèn)農業(yè)服務中心，貴州 貴定551300)

砂頁巖；坡耕地；土壤侵蝕；雨型；徑流；泥沙

根據(jù)羊雞沖小流域坡耕地野外徑流小區(qū)徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)及降雨特征資料，研究主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響，結果表明：侵蝕性降雨主要發(fā)生在6—9月，尤其7月的降雨量、產沙量、降雨侵蝕力最大；依據(jù)降雨量、降雨歷時、雨強劃分的3類雨型，聚類效果較好，3類雨型降雨頻率呈C雨型>B雨型>A雨型，單位面積侵蝕量呈B雨型>C雨型>A雨型；B雨型單位面積侵蝕量與雨強、最大30 min雨強呈冪函數(shù)關系，C雨型單位面積侵蝕量與降雨量呈冪函數(shù)關系；A雨型單位面積侵蝕量與徑流系數(shù)呈線性相關，C雨型單位面積侵蝕量與徑流深呈冪函數(shù)關系。

以云貴高原為中心的西南喀斯特地區(qū)是世界上面積最大、最集中連片的喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)。貴州省地處云貴高原東部，以山地和丘陵為主，坡耕地面積占耕地總面積的61.01%[1]，脆弱的生態(tài)環(huán)境加上人類不合理的社會經濟活動，造成人地矛盾突出、植被破壞、巖石裸露、土地生產力衰退甚至喪失，水土流失日益嚴重。為了解云貴高原侵蝕產沙過程，尤其是坡耕地土壤侵蝕特征，許多學者進行了系統(tǒng)的研究[2-6]，但是成果大多集中在典型喀斯特巖溶地區(qū)降雨-徑流-產沙規(guī)律方面，對砂頁巖地區(qū)不同雨型土壤侵蝕特征的研究成果較少。基于此，本研究以羊雞沖小流域坡耕地野外徑流小區(qū)40次侵蝕性降雨徑流泥沙資料為依據(jù)，分析主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響，旨在揭示不同雨型的土壤侵蝕規(guī)律，以期為黔中砂頁巖地區(qū)水土流失預測及防治提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔南州龍里縣東城郊羊雞沖小流域，地理位置E107°00′53″、N26°26′58″。該流域屬長江流域烏江水系，流域面積11.89 km2，有水土流失面積7.41 km2，是國家珠江南北盤江水土流失重點治理區(qū)和貴州省人民政府公布的水土流失重點治理監(jiān)督區(qū)。氣候類型為北亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，四季分明，年均降水量1 089 mm，年均氣溫14.8 ℃。土壤類型為黃壤，成土母質為砂頁巖，土壤黏性差、透水性強，水土流失嚴重[7]。

2　研究方法

2.1徑流小區(qū)設計

在研究區(qū)25°坡面上布設 2 個坡耕地徑流小區(qū)種植玉米。小區(qū)垂直投影坡長 15 m、寬 5 m，土層厚度 80 cm，四周有混凝土圍埂，圍埂地上部分 30 cm、地下部分45 cm，順坡底部設置水泥集流槽、集流池和一級分流池，集流池采用九孔分流與一級分流池連接。

2.2數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)測時間為2006—2008年。在徑流小區(qū)旁用自記雨量計監(jiān)測降雨量。侵蝕性降雨，即降雨后有產流產沙的降雨。考慮土壤前期含水量對侵蝕過程的影響，相鄰兩次降雨時間間隔小于6 h的記為一次降雨。每次降雨后，測量集流池渾水徑流深，并取1 L水樣(3個)到實驗室進行烘干處理，計算水樣含沙率和小區(qū)產沙量。數(shù)據(jù)處理分析采用SPSS 17.0和Excel 2007。降雨侵蝕力計算參照文獻[8]，計算公式為

(1)

式中：R為降雨侵蝕力,m·t·cm/(hm2·h)；P為降雨量，mm；I30為最大30min雨強，mm/h。

3　結果與分析

3.1侵蝕性降雨特征

對2006—2008年有準確降雨徑流資料的40次侵蝕性降雨進行統(tǒng)計(表1)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)侵蝕性降雨主要發(fā)生在6—9月，期間降雨次數(shù)35次，累積降雨量1 000.3mm，占樣本降雨總量的88.12%，累積徑流量6.23m3，占樣本徑流總量的89.26%，累積產沙量899.45g，占樣本產沙總量的91.94%，累積徑流深98.39mm，占樣本總徑流深的90.73%。每年11月至次年3月為貴州的少雨季節(jié)，降雨量少，幾乎不發(fā)生侵蝕性降雨。4—10月之間：7月降雨量、徑流量、產沙量、降雨侵蝕力達到峰值；5月和10月侵蝕性降雨次數(shù)均為2次，但5月的降雨量、徑流量、產沙量和降雨侵蝕力均大于10月；6月和9月侵蝕性降雨次數(shù)均為7次，6月的降雨量、產沙量和降雨侵蝕力大于9月，但徑流量卻小于9月。

3.2侵蝕性降雨雨型劃分

土壤侵蝕程度與侵蝕性降雨雨型密切相關，不論是按降雨量等級劃分的雨型還是按降雨歷時劃分的雨型都是基于單一變量的影響，不能很好地反映侵蝕性降雨特征。為了能更準確地研究侵蝕性降雨與土壤侵蝕之間的關系，以及各種雨型侵蝕能力的大小，本研究以降雨量、降雨歷時、雨強為特征變量，采用聚類分析和判別分析相結合的方法，對上述40次侵蝕性降雨進行分類。結果顯示，當40次降雨被劃分為3類雨型時，降雨歷時和雨強兩個特征變量的聚類函數(shù)和判別函數(shù)顯著性檢驗概率<0.01，聚類效果較好，即3 類雨型的聚類函數(shù)散點分別聚集在3個相對集中的區(qū)域，其中C雨型相對分散、A雨型和 B雨型更為集中，不同雨型間邊界清晰無交集。

3.3不同雨型降雨產流產沙情況

根據(jù)聚類結果分類統(tǒng)計不同雨型的降雨特征，并將各特征指標的分位數(shù)25%和75%所對應的取值，經適當取整，作為相應雨型降雨特征指標的一般變化范圍(表2)。將不同雨型的特點歸納為：A雨型，小雨量、短歷時、大雨強、低頻次降雨，降雨量12～22 mm，降雨歷時0.5～1.0 h，雨強21～22 mm/h，降雨侵蝕力4.6～18.1 m·t·cm/(hm2·h)；B雨型，大雨量、長歷時、小雨強、中頻次降雨，降雨量15～52 mm，降雨歷時15～23 h，雨強0.7～3.2 mm/h，降雨侵蝕力0.8～15.6 m·t·cm/(hm2·h)；C雨型，中雨量、中歷時、中雨強、高頻次降雨，降雨量11～35 mm，降雨歷時5～10 h，雨強1.8～5.0 mm/h，降雨侵蝕力1.2～19.9 m·t·cm/(hm2·h)。

表2　不同雨型侵蝕性降雨產流產沙特征值

注：V75為75%分位數(shù)對應的數(shù)值；V25為25%分位數(shù)對應的數(shù)值；P為降雨量，mm；T為降雨歷時，h；I為雨強，mm/h；I30為最大30 min雨強，mm/h；I60為最大60 min雨強，mm/h；R為降雨侵蝕力，m·t·cm/(hm2·h)；L為徑流量，m3；S為產沙量，g；DQSL為單位面積土壤侵蝕量，t/km2。

不同降雨類型統(tǒng)計結果(表2)顯示，40次侵蝕性降雨中，A型、B型、C型分別有3、14、23次，分別占樣本總數(shù)的7.5%、35.0%和57.5%?？梢娫谘芯繀^(qū)，C雨型發(fā)生頻率較高，B雨型次之，A雨型最低，即中雨量、中歷時降雨次數(shù)最多，大雨量、長歷時降雨次數(shù)次之，小雨量、短歷時降雨次數(shù)最少。3類雨型累積降雨量分別占樣本降雨總量的4.76%、41.79%和53.45%，累積徑流量分別占樣本徑流總量的3.59%、42.18%和54.23%，累積產沙量分別占樣本產沙總量的2.01%、30.43%和67.56%；平均降雨侵蝕力分別為10.47、12.05、17.44 m·t·cm/(hm2·h)，C雨型>B雨型>A雨型；單位面積侵蝕量分別為0.09、2.38、0.38 t/km2，B雨型>C雨型>A雨型。雨型的劃分可反映出不同降雨類型的土壤侵蝕規(guī)律，即研究區(qū)中頻次、大雨量、長歷時次降雨的單位面積侵蝕量最大，在實際生產生活中應采用工程、植物和耕作措施做好重點防治，減少水土流失。

3.4各雨型DQSL與降雨特征指標的關系

將各雨型對應的DQSL與降雨特征指標(P、T、I、I30、I60、R)進行相關性分析，相關系數(shù)統(tǒng)計結果見表3。A雨型DQSL與各降雨特征指標無明顯相關性；B雨型DQSL與I、I30在0.05水平上顯著相關；C雨型DQSL與P在0.01水平上顯著相關，與I60在0.05水平上顯著相關。

表3　各雨型降雨特征指標與DQSL的相關性分析

注：**表示在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；*表示在 0.05 水平(雙側)上顯著相關，下同。

為進一步得出DQSL與各特征變量的函數(shù)關系，對顯著相關的變量進行回歸分析(圖1)，結果顯示：B雨型DQSL與I呈冪函數(shù)關系，y=0.097x1.223(R2=0.661)，與I30呈冪函數(shù)關系，方程為y=0.015x1.123(R2=0.653)；C雨型DQSL與P呈冪函數(shù)關系，y=0.004x1.157(R2=0.308)。土壤侵蝕的發(fā)生與降雨量、降雨歷時和植被覆蓋等因素密切相關。本研究中，A雨型DQSL與降雨特征指標無明顯相關性，原因可能是此類雨型樣本少，分析軟件不能很好地做出分析預測，關于此類雨型DQSL與降雨特征的關系有待于進一步研究。B雨型DQSL與I、I30呈冪函數(shù)關系，前者系數(shù)和冪指數(shù)均大于后者，說明在坡耕(玉米)地上，I對土壤侵蝕的影響大于I30。土壤侵蝕主要受降雨量、降雨歷時、植被覆蓋的影響，降雨時雨滴經枝葉的截流阻礙后降落到地表，引起表土流失，因此如果降雨量小或者降雨歷時短，土壤侵蝕就可能較小。C雨型是自然界最常見的雨型——中雨量、中歷時、中雨強、高頻次，分析結果顯示其DQSL與P、I60呈冪函數(shù)關系?？梢娫谘芯繀^(qū)坡耕地上，土壤侵蝕主要受降雨量和雨強影響。

圖1　單位面積土壤侵蝕量與降雨特征指標的關系

3.5各雨型DQSL與產流特征指標的相關性分析

對各雨型DQSL與產流特征指標進行相關性分析(表4)。結果顯示：A雨型DQSL與徑流系數(shù)在0.05水平上顯著相關；B雨型DQSL與產流特征指標無明顯相關性；C雨型DQSL與徑流量、徑流深在0.01水平上顯著相關。

表4　各雨型產流特征指標與侵蝕模數(shù)的相關性分析

對關系顯著的指標進行回歸分析(圖2)。結果顯示：A雨型DQSL與徑流系數(shù)呈線性相關，方程為y=1.342x-0.014(R2=0.996)；C雨型DQSL與徑流深呈冪函數(shù)關系，方程為y=0.092x1.185(R2=0.451)。A雨型是小雨量、大雨強型降雨，降雨發(fā)生時由于雨滴初始動能較大，對土壤顆粒的機械破壞作用強，能有效分散粗大土壤顆粒，因此當降雨量一定時徑流量越大，產沙量越大。B雨型是大雨量、長歷時型降雨，降雨開始一段時間后，地表開始產流產沙，隨著時間的持續(xù)產沙量不斷增加，當?shù)乇砑毿⊥寥李w粒越來越少或者幾乎沒有時，產沙量不再隨徑流量而變化，因此總體規(guī)律不明顯。C雨型徑流深與侵蝕模數(shù)呈冪函數(shù)關系，侵蝕規(guī)律介于A雨型與B雨型之間。

圖2　單位面積土壤侵蝕量與產流特征指標的關系

4　結　論

在羊雞沖小流域坡耕地徑流小區(qū)進行的試驗表明，黔中砂頁巖地區(qū)不同雨型對坡耕地土壤侵蝕影響程度有所不同，主要有：①侵蝕性降雨主要發(fā)生在6—9月，期間降雨次數(shù)共35次，累積降雨量1 000.3 mm，累積徑流量6.23 m3，累積產沙量899.45 g，尤其7月份侵蝕性降雨量、產沙量、降雨侵蝕力最大。②3類雨型降雨頻率呈C雨型>B雨型>A雨型，DQSL呈B雨型>C雨型>A雨型。③A雨型DQSL與各降雨特征指標無明顯相關性，B雨型DQSL與I、I30呈冪函數(shù)關系，C雨型DQSL與P呈冪函數(shù)關系。④A雨型DQSL與徑流系數(shù)呈線性相關，B雨型DQSL與產流特征指標無明顯相關性，C雨型DQSL與徑流深呈冪函數(shù)關系。上述研究成果對黔中砂頁巖地區(qū)農業(yè)生產具有指導意義。

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(責任編輯李楊楊)

2016-01-15

貴州省教育廳教改項目(黔教研合JYSZ字〔2014〕003)

S157

A

1000-0941(2016)04-0044-04

譚順菊(1987—)，女，貴州清鎮(zhèn)市人，碩士研究生，主要研究方向為區(qū)域水土保持與環(huán)境；通信作者高華端(1965—)，男，貴州織金縣人，教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為區(qū)域水土保持與環(huán)境。