礦區(qū)不同造林地土壤侵蝕狀況分析

蔡雨新+方向京+武力+武軍+文毅

摘要：在昆陽(yáng)磷礦礦區(qū)采取了不同的植被恢復(fù)措施，并對(duì)不同恢復(fù)時(shí)期的土壤侵蝕狀況進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果表明：土壤侵蝕現(xiàn)象隨植被恢復(fù)年限的增加而降低；相同植被類型的樣地內(nèi)土壤侵蝕隨降雨強(qiáng)度的增加而加??；降雨和土壤侵蝕呈現(xiàn)出3各階段的規(guī)律；植樹造林有良好的保土保水作用。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕；植被類型；降雨量；徑流量；泥沙量

中圖分類號(hào)：S715.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）20-0001-04

1 引言

關(guān)于侵蝕與產(chǎn)沙的研究從20世紀(jì)50年代開始，但是侵蝕規(guī)律的研究成果仍較為薄弱，隨著土壤侵蝕研究規(guī)律研究的深入[1～4]，以及小流域水土流失觀測(cè)和治理經(jīng)驗(yàn)的增加，對(duì)侵蝕過程的研究取得了較多研究成果[5～9]。土壤侵蝕影響土壤緊實(shí)度、容重、水穩(wěn)性團(tuán)粒含量、滲透性、水分狀況以及有機(jī)質(zhì)含量的動(dòng)態(tài)變化等，而此類因素的變化較大程度上受制于其上的植被覆蓋類型，特別是植被根系的分布特征。鑒于此，在野外條件下進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，研究不同植被類型下礦山土壤侵蝕的規(guī)律，以期對(duì)侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律、減蝕方法進(jìn)行闡述。

2 研究區(qū)概況、研究方法

2.1 研究區(qū)概況

昆陽(yáng)磷礦位于昆明市西南72 km，滇池南端西側(cè)2 km處。地理坐標(biāo)為E103°31′10″～103° 34 ′48″、N24°12′58″，行政隸屬昆明市晉寧縣古城區(qū)。該礦區(qū)位于滇池?cái)嘞菖璧匚髂?，屬于中切割中山地貌。礦區(qū)范圍內(nèi)地勢(shì)北高南低，海拔約1950～2400 m，相對(duì)高差約450 m，一般為300 m左右。礦區(qū)地形坡度15～20°，露天開采邊坡與之基本相同，局部形成階狀陡壁。該區(qū)域?qū)儆诒眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛，多年年平均氣溫約14.7 ℃，極端最低氣溫-6 ℃，出現(xiàn)在1月；極端最高氣溫31.4℃，出現(xiàn)在5月。歷年平均降水量917.7 mm，5～10月為雨季，降雨占全年降水量的87%，年蒸發(fā)量1100～1200 mm。礦區(qū)終年無(wú)冰凍，很少降雪。每年1～4月為季風(fēng)期，盛行西南風(fēng)，年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟夏衔飨?。一般風(fēng)力3～4級(jí)，最大風(fēng)速可達(dá)14 m/s以上。

在植被恢復(fù)初期，不同恢復(fù)年限的植被類型（表1）對(duì)林地土壤侵蝕一般也不一致，隨著植被恢復(fù)時(shí)間的增加，植物對(duì)植被恢復(fù)地物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不斷改良，植被恢復(fù)地的保水保土效益在穩(wěn)步增加。

2.2 研究方法

采用南京林業(yè)大學(xué)人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)室研制的人工模擬降雨裝置設(shè)備來(lái)分析不同造林地土壤侵蝕狀況。設(shè)備為全智能人工降雨（器）系統(tǒng)TSJY-1，整體由兩大部分組成：管路系統(tǒng)、降雨模擬系統(tǒng)。其相關(guān)指標(biāo)：①有效降雨面積：30 m2；②降雨高度：4 m；③雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍：10～100 mm/h；④降雨均勻度：84%；⑤雨滴大小調(diào)控范圍：1.7～2.8 mm；⑥降雨歷時(shí)：任意；⑦降雨測(cè)量精度：0.01 mm/h；⑧降雨調(diào)節(jié)精度：7 mm/h。

本次試驗(yàn)選取不同時(shí)間恢復(fù)的群落進(jìn)行人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)。降雨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同恢復(fù)時(shí)間群落的不同降雨強(qiáng)度連續(xù)觀測(cè)，根據(jù)群落蓋度和土壤狀況，每種降雨強(qiáng)度連續(xù)觀測(cè)30或45 min，兩種降雨強(qiáng)度之間間隔20 min，觀測(cè)其降雨過程、徑流過程、水土流失過程，記下降雨和產(chǎn)生徑流的時(shí)間。每15 min測(cè)其地表徑流量和取水樣測(cè)定其泥沙含量，每種降雨強(qiáng)度最后15 min的地表徑流量測(cè)至無(wú)徑流產(chǎn)生為止。水樣中泥沙量采用烘干法。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)生徑流時(shí)間與地表蓋度、降雨強(qiáng)度及土壤初始含水量回歸分析

地表植被蓋度（X1）、降雨強(qiáng)度（X2）及土壤初始含水量（X3）等因子均可影響產(chǎn)生徑流時(shí)間（Y1）。因此據(jù)表2，對(duì)此4類指標(biāo)進(jìn)行多元回歸分析可得到回歸方程：

Y1=0.202X1-0.277X2-0.361X3，R2=0.905

進(jìn)行逐步回歸分析，可得最優(yōu)方程：

Y1=-0.303X2+0.235X1+23.278，R2=0.885

由此可見，產(chǎn)流時(shí)間（Y1）與地表植被蓋度（X1）、降雨強(qiáng)度（X2）關(guān)系更密切。

3.2 不同恢復(fù)時(shí)間群落的降雨量與泥沙量分析

從表2、圖1、圖2看出：地表徑流量和泥沙量一般隨著降雨量的增加而明顯增加。在降雨量小于15 mm時(shí)，不同恢復(fù)年度植被的泥沙量和徑流量差異不大，在15 mm以上差異逐步增大，植被恢復(fù)時(shí)間越短，其土壤流失量也隨之增加。不同時(shí)間恢復(fù)的群落水土流失狀況依次是核桃地>2008年>2007年>2006年>2005年，說明隨著恢復(fù)年限的增加，植被蓋度、郁閉度、地被物隨之增加，植被降水截留功能增強(qiáng)；土壤結(jié)構(gòu)狀況得到改善，滲透能力增強(qiáng)，在降雨過程中削減泥沙量的功能較為明顯，水土流失逐年降低。

3.3 不同降雨強(qiáng)度與徑流量、泥沙量的關(guān)系分析

在同一植被下，不同的降雨強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)，其徑流量也呈變化趨勢(shì)，采用2005年恢復(fù)植被在不同降雨強(qiáng)度下的徑流量、泥沙量分析進(jìn)行比較，從圖3中可以看出，在降雨歷時(shí)15 min的時(shí)候，雨強(qiáng)21.63 mm/h時(shí)的徑流量為2.03 t/hm2，當(dāng)雨強(qiáng)為31.1 mm/h時(shí)，雨強(qiáng)增加44%，但徑流量卻增加了357%，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)59.23 mm/h時(shí)，雨強(qiáng)增加了174%，但徑流量增加到1349%，說明了在同一植被下，隨著降雨強(qiáng)度的增加，徑流量呈增大趨勢(shì)。

地表徑流量和泥沙流失量與雨強(qiáng)、植被蓋度、地被物、土壤改良狀況有很大關(guān)系；從表2、圖4可以看出，在同一植被下，隨著降雨強(qiáng)度的增加，泥沙量也相應(yīng)增加。基本上與徑流量一致。核桃地由于2008年12月才種植，蓋度小，地表裸露，地被物小，水土流失嚴(yán)重，降雨量為89.25 mm時(shí)，地表徑流量和泥沙流失量分別達(dá)205.32 t/hm2、257.77 kg/hm2；而2005年?duì)I建的旱冬瓜+墨西哥柏林，郁閉度達(dá)0.9，地被物豐富，總蓋度達(dá)95%，水土流失較小，降雨量為89.99 mm時(shí)，地表徑流量和泥沙流失量分別為33.92 t/hm2、16.58 kg/hm2。

3.4 不同降雨量與徑流量、泥沙量的關(guān)系分析

降雨量與地表徑流量和泥沙流失量曲線明顯分成三個(gè)階段：當(dāng)降雨量<30 cm時(shí)，地表徑流量和泥沙量隨降雨量緩慢增加；當(dāng)30 cm<降雨量<70 cm時(shí)，地表徑流量和泥沙量隨降雨量明顯上升；當(dāng)降雨量>70 cm時(shí)，地表徑流量和泥沙量隨降雨量極劇上升；這符合水土流失的過程，降雨量增加，水土流失量增加，當(dāng)降雨量達(dá)到一定量時(shí)，水土流失量呈指數(shù)型增加。

3.5 不同年度恢復(fù)植被邊坡土壤侵蝕模數(shù)比較

從表3、圖5中可以看出，邊坡植被的保土能力隨著種植年限的增加而增加，2007年、2006年、2005年恢復(fù)的旱冬瓜+藏柏恢復(fù)模式，植被單位面積土壤侵蝕模數(shù)分別為3771 t/km2·a、2830 t/km2·a、1788 t/km2·a，平均每年減少991 t/km2·a。而與同等條件無(wú)植被區(qū)相比，有植被區(qū)的保土能力比無(wú)植被區(qū)強(qiáng)，復(fù)墾3年、2年、1年后，有植被區(qū)單位面積土壤侵蝕模數(shù)分別是無(wú)植被區(qū)的63%、61%和66%?？梢姡脖荒軌蚱鸬搅己玫谋Ｍ磷饔?，隨著植被的生長(zhǎng)，保土能力增強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1）得到產(chǎn)流時(shí)間與地表蓋度、降雨強(qiáng)度及土壤初始含水量回歸方程：Y1=0.202X1-0.277X2-0.361X3，R2=0.905；進(jìn)行逐步回歸分析，可得最優(yōu)方程：Y1=-0.303X2+0.235X1+23.278，R2=0.885。得出結(jié)論：產(chǎn)流時(shí)間（Y1）與地表蓋度（X1）、降雨強(qiáng)度（X2）有著更為密切的關(guān)系。

（2）從不同恢復(fù)時(shí)間群落的降雨量與泥沙量分析，認(rèn)為不同時(shí)間恢復(fù)的群落水土流失狀況依次是核桃地>2008年>2007年>2006年>2005年，說明隨著恢復(fù)年限的增加，植被蓋度、郁閉度、地被物隨之增加，植被降水截留功能增強(qiáng)；土壤結(jié)構(gòu)狀況得到改善，滲透能力增強(qiáng)，在降雨過程中削減泥沙量的功能較為明顯，水土流失逐年降低。

（3）從不同降雨強(qiáng)度與徑流量、泥沙量的關(guān)系分析，認(rèn)為在同一植被下，不同的降雨強(qiáng)度隨著降雨歷時(shí)，其徑流量也呈變化趨勢(shì)，說明了在同一植被下，隨著降雨強(qiáng)度的增加，徑流量呈增大趨勢(shì)。

（4）從不同降雨量與徑流量、泥沙量的關(guān)系分析，認(rèn)為降雨量與地表徑流量和泥沙流失量曲線明顯分成三個(gè)階段：當(dāng)降雨量<30 cm時(shí)，地表徑流量和泥沙量隨降雨量緩慢增加；當(dāng)30 cm<降雨量<70 cm時(shí)，地表徑流量和泥沙量隨降雨量明顯上升；當(dāng)降雨量>70 cm時(shí)，地表徑流量和泥沙量隨降雨量極劇上升；這符合水土流失的過程，降雨量增加，水土流失量增加，當(dāng)降雨量達(dá)到一定量時(shí)，水土流失量呈指數(shù)型增加。

（5）在植被恢復(fù)初期，通過對(duì)不同年度恢復(fù)植被的土壤侵蝕模數(shù)進(jìn)行比較，得出2005年、2006年、2007年恢復(fù)的旱冬瓜+藏柏林，有植被區(qū)單位面積土壤侵蝕模數(shù)分別是無(wú)植被區(qū)的63%、61%和66%，說明了植被能夠起到良好的保土作用，隨著植被的生長(zhǎng)，保土能力不斷增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅伯杰，邱 揚(yáng)，王 軍，等. 黃土丘陵小流域土地利用變化對(duì)水土流失的影響[J]. 地理學(xué)報(bào)，2002，57（6）：718～721.

[2]潘成忠，上官周平. 不同坡度草地含沙水流水力學(xué)特性及其攔沙機(jī)理[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2007，18（4） ：490～495.

[3]肖培青， 鄭粉莉， 姚文藝. 坡溝系統(tǒng)坡面徑流流態(tài)及水力學(xué)參數(shù)特征研究[J].水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（2）：236～240.

[4]王文龍，雷阿林，等. 黃土丘陵區(qū)土壤侵蝕鏈垂直帶水沙流空間分布[J].水科學(xué)進(jìn)展，2004，15（1）：24～28.

[5]邵水仙，董 智，等. 不同造林模式對(duì)退化石灰?guī)r山地土壤理化性質(zhì)及水文效應(yīng)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào)，2015，29（1）：263～267.

[6]黃振奮.閩東北鷲峰山不同跡地與不同植被恢復(fù)模式對(duì)徑流的影響[J]. 綠色科技，2015（6）：32～34.

[7]王全九，趙光旭，等. 植被類型對(duì)黃土坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及氮磷流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（14）：195～201.

[8]肖培青，姚文藝，等. 植被作用下土壤抗剪強(qiáng)度和徑流侵蝕力的耦合效應(yīng)[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2016，27（2）：224～230.

[9]倪含斌，張麗萍，張登榮.模擬降雨試驗(yàn)研究神東礦區(qū)不同階段堆積棄土的水土流失[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（12）：2065～2071.