極端次降雨事件下的土壤侵蝕調(diào)查研究

摘 要：黃土高原是我國乃至世界上土壤侵蝕狀況最嚴(yán)重的地區(qū)之一，其中細(xì)溝侵蝕是該地區(qū)最主要的土壤侵蝕方式之一，往往一次極端降雨事件造成的細(xì)溝侵蝕量可占全年土壤侵蝕量的50%以上。2013年延安市遭受了自有氣象記錄以來最強(qiáng)的一次極端降雨事件，本文選取延河流域此次降雨相對(duì)集中的4個(gè)縣區(qū)（安塞，志丹，延川，延安寶塔區(qū)）進(jìn)行了系統(tǒng)的土壤侵蝕調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在不同土地利用類型中，自然恢復(fù)的草地和人工林地，土壤侵蝕現(xiàn)象較少，而侵蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重的是坡耕地和果園地；土壤侵蝕量并不是隨坡度的增大一直增加，均存在一個(gè)臨界坡度；隨草本植被蓋度的增加，土壤侵蝕量逐漸減小。植被的垂直結(jié)構(gòu)越完整，侵蝕量越小。此次調(diào)查結(jié)果對(duì)于在黃土高原地區(qū)開展土壤侵蝕相關(guān)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：極端降雨事件；細(xì)溝侵蝕；延河流域

中圖分類號(hào)：S157.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171032017

黃土高原由于其獨(dú)特的自然條件，是我國乃至世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一。近年來，隨著退耕還林還草政策的實(shí)施和響應(yīng)，黃土高原的植被狀況有了很大的改善，傳統(tǒng)的耕作模式大幅度減少，土壤侵蝕狀況得到一定緩解。目前，有學(xué)者認(rèn)為該地區(qū)的土壤侵蝕主要來自于一年中某幾次極端降雨事件。2013年7月，延河流域遭受了自1945年有氣象記錄以來過程最長、強(qiáng)度最大、間隔時(shí)間最短的一次極端降雨，也是黃土高原地區(qū)自退耕還林還草措施實(shí)施以來遭受的最大強(qiáng)度的一次降雨。本文選取延河流域此次降雨相對(duì)集中的4個(gè)縣（安塞，志丹，延川，延安寶塔區(qū)）進(jìn)行了系統(tǒng)的土壤侵蝕調(diào)查，旨在揭示黃土高原地區(qū)遭受極端降雨事件后不同土地利用方式、不同坡度、不同植被蓋度和不同植被結(jié)構(gòu)下的土壤侵蝕狀況及規(guī)律，為下一步的室內(nèi)模擬研究提供理論基礎(chǔ)。此次調(diào)查主要針對(duì)細(xì)溝侵蝕進(jìn)行，因?yàn)榧?xì)溝侵蝕是黃土高原土壤侵蝕的主要方式之一，細(xì)溝侵蝕量對(duì)坡面侵蝕量的貢獻(xiàn)能夠達(dá)到70%以上，占總侵蝕的1/2左右。

1 研究方法

1.1 土壤容重測量與計(jì)算

用凡士林在環(huán)刀內(nèi)壁薄薄的涂抹一層，將鋁盒逐個(gè)編號(hào)并稱量記錄鋁盒的重量（準(zhǔn)確到0.1g），記為G0。 在野外選好樣地后，在樣地周圍選取沒有人為擾動(dòng)的3個(gè)采樣點(diǎn)，拂去表面的枯枝落葉，然后平穩(wěn)打入環(huán)刀，待環(huán)刀全部進(jìn)入土壤后，用鐵鍬挖去環(huán)刀周圍的土壤，取出環(huán)刀，小心脫出環(huán)刀上端的環(huán)刀托，然后用削土刀削平環(huán)刀兩端的土壤。將已采集好的環(huán)刀內(nèi)土壤樣品小心的全部轉(zhuǎn)移到鋁盒內(nèi)，稱量鋁盒及新鮮土壤樣品地重量，記為G1。將樣品帶回室內(nèi)，放在 105℃烘箱內(nèi)烘干至恒重，稱量烘干土及鋁盒重量，記為G2。

1.2 土壤侵蝕量的估算

在野外調(diào)查時(shí)，選取有代表性的樣地后，根據(jù)樣地大小等實(shí)際情況進(jìn)行樣方調(diào)查，一般為10m×10m的樣方。在樣方的上、中、下各拉一條橫線，統(tǒng)計(jì)每條線上的侵蝕溝的寬度、深度、長度，由于調(diào)查的主要是細(xì)溝（深度和寬度均小于20cm）侵蝕，其橫斷面近“V”型，故侵蝕量可用以下公式計(jì)算。

A= 1/2×DWLr/S

式中，A表示土壤侵蝕量（t/km?），D表示侵蝕溝深度，W表示侵蝕溝寬度，L表示侵蝕溝長度，r表示土壤容重，S表示樣方面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用方式與土壤侵蝕

從圖1中可以看出，坡耕地的土壤侵蝕量最大，約為果園地的2倍，草地的4倍，而林草地幾乎沒有侵蝕。坡耕地和果園地由于人為活動(dòng)的干擾，使表層土壤的理化性質(zhì)發(fā)生改變，例如耕作使表層土壤變疏松，地表徑流沖刷作用增大，表層沃土流失，肥力降低，土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，團(tuán)聚體的數(shù)量減少，土壤侵蝕加劇。此外，耕地和果園也受季節(jié)性因素的影響，莊稼和果實(shí)收獲后，土地基本處于裸露狀態(tài)，如遇降雨，極易產(chǎn)生水土流失。而草地和林草地由于地上部分能夠攔截降雨，削減雨滴動(dòng)能，減少了雨滴對(duì)地面的打擊，降低了對(duì)表土層的沖擊侵蝕作用。此外，林草地和草地的貼地面層一般都有一層薄薄的枯枝落葉層，它具有較高的持水容量，延長了徑流入滲時(shí)間，增加了地表粗糙率，既削減了雨滴動(dòng)能又削減了徑流動(dòng)能，保護(hù)表土層不被侵蝕。枯枝落葉層被微生物分解后，又增加了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，土壤團(tuán)聚體數(shù)量增加，提高了土壤抗沖性和抗蝕性。

2.2 植被結(jié)構(gòu)與土壤侵蝕

此次野外調(diào)查的植被結(jié)構(gòu)類型有草本結(jié)構(gòu)，灌草結(jié)構(gòu)，喬草結(jié)構(gòu)和喬灌草結(jié)構(gòu)，如圖2所示：不同植被結(jié)構(gòu)下的土壤侵蝕量分別是草本結(jié)構(gòu)>灌草結(jié)構(gòu)>喬草結(jié)構(gòu)>喬灌草結(jié)構(gòu)。在一次降雨過程中，雨滴遇到喬冠層的阻擋和截留，改變了雨滴降落方式、高度和速度，引起下落地面雨滴直徑和能量的變化。劉向東等對(duì)森林植被的垂直結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，樹冠截留作用消減的雨滴動(dòng)能為17%～40%，草冠層為44.4%，枯枝落葉層為99.5%[1]。被冠層截留后的降雨，有些雨滴落到地面形成林冠雨（捕捉雨），有些則沿樹干流到地面，形成干流，還有一部分穿過枝葉空隙直接落到地面，形成穿透降雨。這部分雨滴降落過程中又會(huì)遇到灌木層和草本層，它們距離地面的高度較低，一般不會(huì)產(chǎn)生擊濺侵蝕所需的雨滴降落速度。有研究表明，當(dāng)樹高10m時(shí)，樹下水滴動(dòng)能幾乎是天然降雨的2倍[2]，當(dāng)冠層覆蓋高度為3～4m時(shí)，喬冠層已無消散雨滴動(dòng)能的作用，如果林下沒有灌木層或草本層的保護(hù)，必然造成嚴(yán)重的土壤侵蝕，這也和調(diào)查中發(fā)現(xiàn)果園地侵蝕比較嚴(yán)重的現(xiàn)象相吻合。因此，某一研究區(qū)域的植被結(jié)構(gòu)直接影響著其土壤侵蝕狀況，植被的垂直結(jié)構(gòu)越完整、越復(fù)雜，其土壤侵蝕程度就越輕。

2.3 坡度與土壤侵蝕

隨著坡度的增加，降雨入滲減少，坡面徑流增加，徑流速度增加，沖刷能力增強(qiáng)，土壤侵蝕量增加。如圖3所示，坡度對(duì)土壤侵蝕作用的影響并不是成單一的正比關(guān)系，而是有一個(gè)侵蝕臨界坡度存在，超過這一臨界坡度，侵蝕量反而減少（或增加）。坡耕地在坡度為30°時(shí)，土壤侵蝕量最大；草地在坡度為35°時(shí)土壤侵蝕量最大；果園地在坡度為26°時(shí)，土壤侵蝕量最小。因此，在考慮坡度對(duì)土壤侵蝕的影響時(shí)，要排除其它因素的干擾，臨界坡度與土壤內(nèi)在性質(zhì)、植被蓋度、土地利用類型、降雨特性等因素有關(guān)，并不是一個(gè)固定的值，在不同的土壤條件和地質(zhì)條件下，它的值也就不一樣[3]。endprint

2.4 植被蓋度與土壤侵蝕

如圖4所示，土壤侵蝕量隨蓋度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，在植被蓋度超過一定值后趨于穩(wěn)定。大量研究表明，在坡面上保持足夠的植被，即植被蓋度（林冠層蓋度即郁閉度）對(duì)防止土壤侵蝕有著重要作用。侯喜祿[4]等認(rèn)為：林分保持水土有效蓋度為60%，在此值以上林分減少土壤侵蝕量的作用大且趨于穩(wěn)定。這也與本文調(diào)查結(jié)果相符合。此外。焦菊英[5]等從植被防治水土流失的能力出發(fā)，提出了有效蓋度的概念，用于表示植被防止水土流失所需要的蓋度閾值；王晗生[6]等人提出了貼地表蓋度的概念，并認(rèn)為就植被而言，一定蓋度的植被，越是貼地面覆蓋，其防蝕作用越有效。

3 結(jié)論與討論

本次野外調(diào)查屬于探索性的研究，有別于以往的室內(nèi)模擬研究，對(duì)機(jī)理的研究和分析不夠深入，下一步要與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合做進(jìn)一步研究。

自黃土高原“退耕還林還草”工程實(shí)施以來，植被狀況有了很大改善，從不同土地利用類型來看，自然恢復(fù)的草地和人工林地，土壤侵蝕現(xiàn)象較少；而侵蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重的是坡耕地和果園地。

不同土地利用方式下的土壤侵蝕量與坡度的關(guān)系較為一致，即土壤侵蝕量并非隨坡度的增大一直增加，均存在一個(gè)臨界坡度，坡耕地在坡度為30°時(shí)，土壤侵蝕量最大；草地在坡度為35°時(shí)土壤侵蝕量最大；果園地在坡度為26°時(shí)，土壤侵蝕量最小。

植被與土壤侵蝕的關(guān)系體現(xiàn)在植被蓋度和垂直結(jié)構(gòu)上，植被的喬灌層能夠有效截留降雨，改變雨滴降落方式，削減雨滴動(dòng)能；草被層能夠保護(hù)地面免受雨滴擊濺，增加地步粗糙度，減少徑流沖刷，削減徑流動(dòng)能。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨草本植被蓋度的增加，土壤侵蝕量逐漸減小，當(dāng)大于40%時(shí)，土壤侵蝕程度明顯降低。植被的垂直結(jié)構(gòu)越完整，侵蝕量越小，果園地侵蝕量大的原因是缺少草被層的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉向東，吳欽孝，趙鴻雁.森林植被垂直截留作用與水土保持[J].水土保持研究，1994（3）：8-13.

[2] Vis M，Klijn F，De Bruijn K M，et al.Resilience strategies for flood risk management in the Netherlands[J].International journal of river basin management，2003，1（1）：33-40，29-35.

[3]王秀英，曹文洪，陳東.土壤侵蝕與地表坡度關(guān)系研究[J].泥沙研究，1998（2）：36-41.

[4]侯喜祿，曹清玉.陜北黃土丘陵溝壑區(qū)植被減沙效益研究[J]. 水土保持通報(bào)，1990，10（2）：33-40.

[5]焦菊英，王萬中，李靖.黃土高原林草水土保持有效蓋度分析[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，24（5）：608-612.

[6]王晗生，劉國彬.植被結(jié)構(gòu)及其防止土壤侵蝕作用分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，1999，13（2）：62-68.

作者簡介：花東文（1989-），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事水土保持、土地整治方面的研究。endprint