融雪與降雨侵蝕條件下水土保持措施因子值對(duì)比研究

(阜新市彰武縣水土保持局，遼寧 阜新 123200)

遼寧省地區(qū)具有冬季積雪量多、春季溫度回升快、融雪徑流量較大等特點(diǎn)，土體受積雪融化徑流侵蝕作用嚴(yán)重，并且土壤性質(zhì)受凍融破壞作用影響顯著，在土體表層解凍不完全的狀況下水分對(duì)土壤的滲透性能較弱；植被在融雪期的覆蓋率較低，局部地區(qū)的融雪徑流對(duì)土壤的侵蝕破壞作用不容忽視，其水土流失現(xiàn)象甚至大于降雨汛期。當(dāng)前，全球氣候正逐漸變暖，相對(duì)于以往的冬季溫度明顯提高，土壤凍融同時(shí)受到積雪融化、氣溫回升等多種因素的影響，土壤侵蝕在融雪徑流與凍融過(guò)程的雙重作用下更加嚴(yán)重。遼寧省地區(qū)對(duì)水土保持措施的研究往往是以降雨侵蝕為主，主要包括對(duì)措施因子值、水保措施適宜性、水土保持效應(yīng)以及措施截水?dāng)r沙效益等方面的研究，而對(duì)融雪侵蝕條件下的不同類(lèi)型水保措施的防控效應(yīng)研究相對(duì)較少，針對(duì)融雪與降雨條件下措施因子的探討分析更加少見(jiàn)。在RUSLE和USLE土壤侵蝕模型中雖然考慮了一定的融雪侵蝕作用，但主要表現(xiàn)為模型中K值與R值的率定和驗(yàn)證分析，而針對(duì)融雪侵蝕條件下措施因子P值的研究相對(duì)較少。劉元寶等給出的土壤流失預(yù)報(bào)方程也未能考慮各措施因子值在融雪條件下的作用影響。

彰武縣樂(lè)園屬于遼寧省西北部地區(qū)典型的低山丘陵區(qū)，冬季積雪量大、春季融雪徑流對(duì)土壤的侵蝕作用明顯。據(jù)此，本文以該區(qū)域樂(lè)園小流域在2015—2016年的融雪侵蝕資料為依據(jù)，根據(jù)相關(guān)的降雨侵蝕數(shù)據(jù)資料對(duì)融雪條件下主要措施的因子值進(jìn)行初步確定，并對(duì)降雨條件下的結(jié)果與其進(jìn)行對(duì)比分析，探討了在融雪與降雨侵蝕條件下同一水土保持措施的防治水土流失效果的差異性，以期為樂(lè)園小流域在融雪與降雨侵蝕條件下的水土保持措施提供決策依據(jù)和理論支持。

1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 區(qū)域概況

樂(lè)園小流域位于彰武縣東部30km區(qū)域，地理位置為東經(jīng)122°44′58″～122°45′18″、北緯42°31′49″～42°36′36″，屬于繞陽(yáng)河流域典型的低山丘陵區(qū)；區(qū)域?yàn)榈湫偷臏貛О敫珊蛋霛駶?rùn)氣候區(qū)，年均降水量470mm且多集中在夏季，6—8月降水量較為集中，為320.1mm，占年降水量的68.1%；該區(qū)域四季分明、雨熱同季，春秋季干旱少雨、夏冬季降雨降雪較多，年均降雪量65mm，遠(yuǎn)高于遼寧省其他區(qū)域，隨著近幾年全球氣溫上升，積雪在春季解凍期的解凍速度快，融雪徑流量大，土壤受融雪侵蝕影響顯著。據(jù)此，本研究的觀測(cè)場(chǎng)建于2013年，所選取的6個(gè)小區(qū)土壤均為草甸土，小區(qū)長(zhǎng)寬分別為30m和5m，小區(qū)坡度為6°，各小區(qū)水土保持措施狀況見(jiàn)表1。

表1 樂(lè)園小流域各小區(qū)水土保持措施狀況

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究以樂(lè)園小流域2015—2016年融雪期的融雪徑流泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)作為融雪侵蝕數(shù)據(jù)來(lái)源；通過(guò)對(duì)研究流域相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)，獲取其降雨侵蝕數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。首先分別對(duì)各小區(qū)坡面的融雪徑流泥沙量進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，并根據(jù)各小區(qū)集流裝置在融水產(chǎn)流結(jié)束時(shí)的徑流深度觀測(cè)記錄獲取小區(qū)地表融水徑流量；然后通過(guò)清理各小區(qū)集流裝置中的徑流泥沙獲取徑流泥沙量數(shù)據(jù)；取3次容量為1L的中層水沙混合樣品，經(jīng)24h沉淀后過(guò)濾上清溶液，然后對(duì)各樣本進(jìn)行烘干稱(chēng)重，以此獲取各小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量。

表2 樂(lè)園小流域融雪與降雨侵蝕作用情況

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)降雨條件下的侵蝕模數(shù)、產(chǎn)流產(chǎn)沙次數(shù)、徑流深度以及水保措施因子值P等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)融雪條件下的各指標(biāo)值采用2015—2016年的融雪期融雪徑流泥沙量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算獲取。并對(duì)各參數(shù)指標(biāo)分別在降雨與融雪條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探討在不同侵蝕條件下各水保措施因子值的防控效果。

水土保持措施分類(lèi)方法參考劉寶元等相關(guān)研究資料，分別將不同水土保持措施劃分為生物、工程和耕作措施，各措施情況見(jiàn)表1。水土保持措施因子值P在不同侵蝕作用條件下的計(jì)算方法如下：在相同條件下的生物措施徑流小區(qū)與裸地小區(qū)的土壤流失量之比即為生物措施B因子；在相同條件下的工程措施、耕作措施分別對(duì)應(yīng)的徑流小區(qū)與順壟種植小區(qū)的土壤流失量之比即為工程措施E因子和耕作措施T因子；順壟耕作與裸地土壤流失量之比即為順壟因子值。

2 結(jié)果與分析

2.1 各措施因子值

融雪與降雨侵蝕條件下的水土保持措施防控效果可通過(guò)各措施因子值進(jìn)行表征，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同侵蝕條件下各水土保持措施因子值計(jì)算結(jié)果

融雪侵蝕條件下2015年、2016年的各措施因子值處于0.001～0.454和0.002～0.373范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)比融雪條件下的各措施因子值可知，各措施因子值由大到小依次為耕作措施T、工程措施E和生物措施B，由此表明生物措施B在融雪條件下的水土保持效果最佳，耕作措施水保效果最差；通過(guò)對(duì)比降雨條件下的各措施因子值可知，各措施因子值由大到小依次為耕作措施T、生物措施B和工程措施E，由此表明在降雨侵蝕條件下的耕作措施E的水土保持效果最好，該結(jié)果與融雪條件下的防控效果存在明顯差異。根據(jù)引排水作用方式的不同，攔蓄引排水耕作在融雪條件下的防控效果小于谷坊措施，而在降雨條件下二者對(duì)水土流失的防控效果相反。

2.2 各措施因子值對(duì)比分析

生物措施中的生態(tài)修復(fù)、封禁治理以及順壟耕作在融雪條件下的措施因子值均小于降雨條件下的計(jì)算結(jié)果，并以裸地小區(qū)為試驗(yàn)對(duì)照組。裸地侵蝕模數(shù)在融雪條件下明顯高于其他水保措施值，裸地小區(qū)在2015年和2016年的侵蝕模數(shù)分別為26.18t/(km2·a)和30.52t/(km2·a)，其他各水保措施侵蝕模數(shù)計(jì)算結(jié)果均小于2.4t/(km2·a)，具體計(jì)算結(jié)果如圖1所示。然而，土壤侵蝕模數(shù)在降雨條件下與其他相關(guān)水保措施小區(qū)的有關(guān)結(jié)果相差不大，這也是引起順壟和生物措施P值結(jié)果較低的主要因素。

圖1 各水保措施小區(qū)在融雪條件下的侵蝕模數(shù)

徑流特性是影響土壤侵蝕量大小的關(guān)鍵性因素，裸地小區(qū)以及各水保措施小區(qū)的徑流深度如圖2和圖3所示。在融雪與降雨條件下的侵蝕性產(chǎn)流過(guò)程僅有2次，計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4。措施因子值與侵蝕模數(shù)呈正相關(guān)，即當(dāng)侵蝕模數(shù)值最小時(shí)措施因子值也最小，研究表明，融雪侵蝕防控效果最好的措施是生態(tài)修復(fù)措施；此結(jié)果與降雨侵蝕防控效果最優(yōu)措施存在一定的差異，在融雪期生態(tài)修復(fù)措施具有融水量少、融雪周期短等特性，此研究結(jié)果與相關(guān)研究資料相同。

圖2 各水保措施小區(qū)在降雨與融雪條件下的徑流深度

圖3 裸地與攔蓄引排水在降雨與融雪條件下的徑流深度

小區(qū)類(lèi)型2015年融雪產(chǎn)流2015年融雪侵蝕性產(chǎn)流2016年融雪產(chǎn)流2016年融雪侵蝕性產(chǎn)流2013年降雨侵蝕性產(chǎn)流攔蓄引排水43441谷坊64543地埂植物45452梯田45432封禁治理35551生態(tài)修復(fù)32113裸地65562

生物措施在融雪條件下具有良好的植被覆蓋條件，雜草和枯枝落葉覆蓋良好，在融雪期具有良好的水土保持效應(yīng)；在融雪期，地埂植物不僅可對(duì)融雪徑流產(chǎn)生橫向攔蓄并以此增大徑流入滲時(shí)間降低徑流對(duì)土壤的侵蝕作用，而且土埂周?chē)谌谘┢诖嬖谳^厚的枯枝落葉層，可在一定程度上對(duì)土壤進(jìn)行隔熱并增大融雪時(shí)間，降低在融雪期徑流對(duì)土壤的沖刷侵蝕作用。梯田主要是通過(guò)改變農(nóng)作物壟作方式降低徑流順坡沖刷侵蝕的作用，梯田在降雨或徑流量較大的條件下可提供徑流途徑，使此措施下的土壤侵蝕量小于裸地小區(qū)，而在融雪條件下其效果不明顯。

措施因子值在融雪條件下比降雨條件下增大的措施主要有地埂植物措施、谷坊和梯田措施。其因子值的增大與裸地對(duì)照組為順壟耕作相關(guān)。由表3計(jì)算結(jié)果可知，梯田在降雨條件下的措施因子值較低，而在融雪條件下土壤表層的凍土結(jié)冰在一定程度上降低了水分的入滲能力，同時(shí)增大了徑流對(duì)土壤的侵蝕能力，相應(yīng)地也會(huì)提高梯田的措施因子值。地埂植物措施可對(duì)徑流進(jìn)行匯集，地埂植物小區(qū)的侵蝕模數(shù)和徑流深度在融雪條件下均高于谷坊小區(qū)，這可能與水保措施效應(yīng)相關(guān)，同時(shí)秋收時(shí)期對(duì)土埂的人為破壞作用也是降低其防控效果的重要因素。梯田措施是遼寧省地區(qū)傳統(tǒng)的耕作方式之一，坡度是影響梯田防控效果的主要因素，一般適用于坡度較緩的耕地。

通過(guò)對(duì)比分析各措施因子在不同侵蝕條件下的因子值可知，在融雪與降雨條件下各水保措施的防控效果存在明顯的差異，這與不同侵蝕條件特征密切相關(guān)。徑流小區(qū)特征是引起降雨與融雪侵蝕條件下侵蝕模數(shù)不同的主要因素，面蝕是小區(qū)內(nèi)侵蝕的主要形式，而在融雪與降雨的雙重侵蝕條件下侵蝕量隨徑流的增大而增加。

3 結(jié) 論

本文以遼寧省西北部地區(qū)的彰武縣樂(lè)園小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)不同措施因子在融雪與降雨侵蝕條件下的因子值進(jìn)行研究分析，得出的主要結(jié)論如下：

a.融雪條件下各措施因子值由大到小依次為耕作措施T、工程措施E和生物措施B，生物措施B在融雪條件下的水土保持效果最佳，耕作措施水保效果最差；其原因是生物措施在融雪條件下具有良好的植被覆蓋條件，雜草和枯枝落葉覆蓋良好，在融雪期具有良好的水土保持效應(yīng)。

b.梯田主要是通過(guò)改變農(nóng)作物壟作方式降低徑流順坡沖刷侵蝕的作用，梯田在降雨或徑流量較大的條件下可提供徑流途徑，使此措施下的土壤侵蝕量小于裸地小區(qū)，而在融雪條件下其效果不明顯。

c.徑流小區(qū)特征是引起降雨與融雪侵蝕條件下侵蝕模數(shù)不同的主要因素，面蝕是小區(qū)內(nèi)侵蝕的主要形式，而在融雪與降雨的雙重侵蝕條件下侵蝕量隨徑流的增大而增加。

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