大凌河流域不同治理措施對(duì)土壤抗沖性能的影響

(建昌縣水利局，遼寧 葫蘆島 125300)

土壤是降雨徑流和水資源儲(chǔ)存的主要場(chǎng)地，通常情況下可與水流、植被和大氣之間發(fā)生交換并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生明顯影響。對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)是土壤的物理性質(zhì)，而土壤抵抗徑流水力沖刷破壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)一般采用土壤抗沖性，土壤抗沖性是對(duì)水土保持生態(tài)功能的直接評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。大量研究結(jié)果表明：土地利用方式、土壤物理性質(zhì)、植被類型和構(gòu)造及水土保持措施等是影響土壤抗沖性的主要因素。北方石質(zhì)山區(qū)屬于我國(guó)嚴(yán)重的水土流失區(qū)域，地表結(jié)構(gòu)主要是以石質(zhì)山地、丘陵為主，其土壤類型多為褐土或棕色森林土，土質(zhì)結(jié)構(gòu)一般為薄殼狀土層且粗骨料顆粒性能突出，地表一般表現(xiàn)為土石混雜、石多土少以及地面易砂礫化或石化等特征。大凌河流域?qū)儆诒狈绞|(zhì)山區(qū)典型的生態(tài)型小流域，該流域山坡陡峭，其中坡度大于20°的面積達(dá)80%以上，降雨時(shí)徑流速度較快導(dǎo)致水力對(duì)土壤的沖刷侵蝕作用較強(qiáng)，且土壤肥沃力嚴(yán)重流失。水土流失和土壤貧瘠造成生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入惡性循環(huán)，該流域是北方石質(zhì)山區(qū)水土流失防治和生態(tài)建設(shè)的重要區(qū)域[2]。

多年來(lái)，大凌河流域水土保持管理部門采取了建梯田、水平槽，構(gòu)建水土保持林、經(jīng)濟(jì)林等一系列的水土保持關(guān)鍵性技術(shù)措施，并取得了明顯的綜合效益，水土流失嚴(yán)重現(xiàn)狀得到一定控制[3]。土壤物理性質(zhì)以及保持水土的功能一方面受水土保持措施影響顯著，另一方面可對(duì)地表水徑流入滲、水分蒸散發(fā)和產(chǎn)匯流產(chǎn)生作用，故水土保持措施可對(duì)降雨徑流進(jìn)行調(diào)控，在一定程度上對(duì)防洪排澇和干旱缺水等自然災(zāi)害起到調(diào)節(jié)作用。不同的水土保持技術(shù)措施以及林地空間配置結(jié)構(gòu)的差異是導(dǎo)致土壤改良程度存在差異的關(guān)鍵因素，因此，探討不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)、抗沖性的作用與影響，對(duì)北方石質(zhì)山區(qū)水土保持綜合效益進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)，對(duì)水土保持林進(jìn)行合理的空間結(jié)構(gòu)配置并提高植被覆蓋率和土地利用率具有十分重要的意義[4]。

1 研究區(qū)域概況

大凌河流域位于遼寧省西部，該流域水土流失嚴(yán)重，泥沙含量約為57kg/m3。流域大小支干交錯(cuò)，全長(zhǎng)398km，所占面積約為2.35萬(wàn)km2。大凌河流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，降雨時(shí)間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3。該流域主要的石質(zhì)類型有砂巖和頁(yè)巖，土壤疏松物理性能較差，水力沖刷侵蝕和風(fēng)力侵蝕引起的嚴(yán)重水土流失，是大凌河泥沙的主要來(lái)源。大凌河流域內(nèi)植被物種豐富，水土保持林主要有華北落葉松林、油松林和側(cè)柏林等，主要植被為荊條灌木、櫟林等[5]。

2 研究方法

本文通過野外勘測(cè)調(diào)查對(duì)大凌河流域水土保持措施和管理制度進(jìn)行研究。調(diào)查結(jié)果顯示大凌河流域水土保持措施主要有華北落葉松林、櫟次生林、灌叢、側(cè)柏林、油松林和石坎梯田等。研究區(qū)域選擇以上6種樣地，并以荒地為參照對(duì)象，所選樣地占植被覆蓋總面積的95%以上。

2.1 樣地特征

為探討分析樣地內(nèi)植被類型、林木空間布置、土壤類型和土層厚度等基本情況[6]，需在靠近樣地群落中心位置且植被分布比較均勻區(qū)設(shè)置25m×25m的喬木樣方；為確保樣地在不同坡地時(shí)均能被抽查到，準(zhǔn)確反映灌木分布狀況，本文在樣地中心和四角分別布置5個(gè)2m×2m的灌木樣方；選擇5個(gè)1m×1m的草本樣方對(duì)草木叢數(shù)量和覆蓋度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。樣地調(diào)查結(jié)果見表1。

為減少其他因素對(duì)土壤物理性質(zhì)和抗沖性的影響，文中所選樣地坡向和坡度大致相同，各樣地土壤類型和土壤特征盡可能相似[7]。

表1 樣地分布基本特征

2.2 土壤物理性能檢測(cè)

土壤挖剖取樣位置宜選擇在植被生長(zhǎng)較為均勻區(qū)，并在樣地上、中、下坡位置的0～10cm、10～20cm、20～30cm深度處各自取樣。取樣后，首先采用環(huán)刀法對(duì)土壤密度、孔隙率等物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，然后將各層的3個(gè)土壤樣品進(jìn)行均勻混合，測(cè)定土壤的粒徑，最后通過野外實(shí)地放水用沖刷儀進(jìn)行土壤抗沖性檢測(cè)。

2.3 土壤粒徑及分形維數(shù)計(jì)算

土樣粒徑測(cè)定前應(yīng)先對(duì)土壤進(jìn)行風(fēng)干處理并過2mm篩，再利用激光粒度分析儀對(duì)過篩后的土樣進(jìn)行粒徑測(cè)定，測(cè)量誤差控制在2%以內(nèi)，測(cè)量范圍在0.02～2000μm之間。土壤分形維數(shù)采用基于粒徑體積分布特征的分形模型進(jìn)行計(jì)算，土樣顆粒體積分布與平均粒徑之間的分形關(guān)系為

Vr

(1)

式中Vr

r——土壤粒徑，mm；

VT——總體積分?jǐn)?shù)；

λV——最大粒徑數(shù)值；

D——體積分形維數(shù)。

3 不同治理措施下土壤物理性能及抗沖性分析

3.1 土壤密度和孔隙率影響分析

不同水土保持措施下的土壤物理性質(zhì)存在較大差異，樣地土壤密度和孔隙率計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，在不同的水土保持措施下，土壤密度隨土層深度的增加而增大，而土壤總孔隙率和毛管孔隙率隨土壤深度的增加呈減小趨勢(shì)，非毛管孔隙率與土壤深度之間的變化規(guī)律不明顯，水土保持措施可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，并提高土壤通透性能。由表2中土壤密度數(shù)據(jù)可知，除了側(cè)柏林和荊條灌叢以外的其他水土保持措施對(duì)土壤密度均有一定的改善作用，并且以櫟次生林對(duì)土壤改良性能最優(yōu)[8]。

表2 不同水土保持措施下各土層的土壤物理性質(zhì)

3.2 土壤顆粒分形影響分析

不同的水土保持措施對(duì)土壤顆粒在各粒徑中的質(zhì)量分布規(guī)律影響不明顯，見表3，樣地土壤粒徑以粗粉粒和細(xì)砂粒為主，所占比例接近一半。一般情況下，土壤分形維數(shù)大于2.88時(shí)可認(rèn)為土壤密實(shí)性較好通透性較差，在不同水土保持措施下，土壤體積分形維數(shù)在2.12～2.54之間并且土壤分形維數(shù)無(wú)明顯差異，故水土保持措施可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤通透性能。

表3 土壤組成、分形維數(shù)以及抗沖性分析

3.3 土壤抗沖性能影響分析

在不同水土保持措施下，土壤受水力侵蝕造成的土壤沖刷量存在一定差異，其中荒地土壤侵蝕量最大，為114.20g/cm3。水土保持措施主要是通過延長(zhǎng)水流徑流時(shí)間以降低水流速率來(lái)減輕水力對(duì)土壤的沖刷作用，水土保持措施也可在一定程度上對(duì)水流進(jìn)行儲(chǔ)存并通過地下徑流作用降低地表徑流水量。水土保持措施可明顯降低土壤侵蝕量，土壤侵蝕量由大到小依此為荊條灌叢(10.32g/cm3)、油松林(6.85g/cm3)、櫟次生林(4.22g/cm3)、側(cè)柏林(2.75g/cm3)、落葉松林(1.48g/cm3)。水土保持措施主要是通過延長(zhǎng)徑流時(shí)間并降低水流速度來(lái)減輕水力對(duì)土壤的沖刷作用[9-11]。

3.4 土壤抗沖性與物理性質(zhì)相關(guān)性分析

本文采用Pearson法對(duì)土壤抗沖性與物理性質(zhì)相關(guān)性指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算分析。結(jié)果表明：土壤侵蝕量與非毛管孔隙率(X1)呈明顯的正相關(guān)性(R2=0.825X1)，土壤沖刷量與土壤顆粒細(xì)、中粉粒體積分?jǐn)?shù)(X2、X3)呈明顯的負(fù)相關(guān)性。(R2=-0.738X2、R2=-0.725X3)；水力沖刷時(shí)間與毛管孔隙率(X4)和總毛管孔隙率(X5)以及土壤密度(R5)呈明顯的正相關(guān)性；而土壤密度與毛管孔隙率和總毛管孔隙率呈負(fù)相關(guān)性，土壤分形維數(shù)與密度、抗沖性、孔隙率無(wú)明顯的相關(guān)性。

文中通過建立沖刷量(Y1)、沖刷時(shí)間(Y2)和土壤密度(Y3)的回歸模型，對(duì)土壤抗沖性與物理性質(zhì)相關(guān)性進(jìn)行更深入的探討研究。經(jīng)過判斷，因變量Y1、Y2、Y3服從正態(tài)分布，可知回歸模型為

Y1=0.05+6.27X1-1.24X2-0.04X3

(R2=0.936,P=0.02)

(2)

Y2=-127.34+2.53X4(R2=0.864,P=0.01)

(3)

Y3=2.74-2.81X5(R2=0.869,P=0.01)

(4)

模型中判定系數(shù)R2值均大于0.8，表明以上3種回歸模型對(duì)樣本的擬合結(jié)果精確度較好，具有可靠的研究意義；而標(biāo)準(zhǔn)差P值均小于0.05，表明模型符合樣本評(píng)價(jià)指標(biāo)總體發(fā)展趨勢(shì)，滿足模型相似度要求。綜上所述，上述3種回歸模型適用于在不同水土保持措施下的樣地土壤物理性質(zhì)和抗沖性相關(guān)性分析研究，且適用于自然生態(tài)環(huán)境相近區(qū)域的指標(biāo)預(yù)測(cè)和模擬。

4 結(jié) 論

本文在分析了北方石質(zhì)山區(qū)基本地貌結(jié)構(gòu)和大凌河流域水土保持措施的基礎(chǔ)上，通過野外實(shí)地勘測(cè)并借鑒有關(guān)資料，選取了大凌河流域6個(gè)典型的水土保持措施樣地。然后利用一定的測(cè)量技術(shù)手段對(duì)樣地基本形貌特征、土壤物理性質(zhì)、土壤粒徑和分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出的主要結(jié)論如下：

a.在不同水土保持措施下，土壤密度隨土層深度增加而增大，而土壤總孔隙率和毛管孔隙率隨土壤深度的增加呈減小趨勢(shì)，非毛管孔隙率與土壤深度之間的變化規(guī)律不明顯，水土保持措施可改善土壤孔隙結(jié)構(gòu)，提高土壤通透性能。

b.各水土保持措施對(duì)土壤顆粒在各粒徑中的質(zhì)量分布規(guī)律影響不明顯，樣地土壤粒徑以粗粉粒和細(xì)砂粒為主。土壤受水力侵蝕造成的土壤沖刷量因水土保持措施不同而存在一定差異。

c.土壤侵蝕量與非毛管孔隙率呈明顯的正相關(guān)性，土壤沖刷量與土壤顆粒細(xì)、中粉粒體積分?jǐn)?shù)呈明顯的負(fù)相關(guān)性；水力沖刷時(shí)間與毛管孔隙率和總毛管孔隙率以及土壤密度呈明顯的正相關(guān)性；而土壤密度與毛管孔隙率和總毛管孔隙率呈負(fù)相關(guān)性，土壤分形維數(shù)與密度、抗沖性、孔隙率無(wú)明顯的相關(guān)性。

[1] 徐佳佳，于占成，史隴俊，等.北京石質(zhì)山區(qū)不同水土保持措施對(duì)土壤物理性質(zhì)及抗沖性的影響——以房山區(qū)蒲洼小流域?yàn)槔齕J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2017(2)：107-114.

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