川北丘陵區(qū)土地利用方式對(duì)地表侵蝕產(chǎn)沙的影響

楊 丹

( 1. 西華師范大學(xué)國(guó)土資源學(xué)院，四川 南充 637009；2. 西華師范大學(xué)嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

地表侵蝕產(chǎn)沙是降水與下墊面相互作用的結(jié)果[1]，是流域地貌變化的主導(dǎo)因素之一，已受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的高度重視[2-3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的研究主要集中于徑流量、輸沙量的變化規(guī)律及其影響因素等方面[4-5]，我國(guó)的相關(guān)研究多集中于黃河流域和長(zhǎng)江流域中下游[6-8]，而針對(duì)長(zhǎng)江上游嘉陵江流域侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的研究相對(duì)較少，且主要集中在水保措施的保土減沙方面[9-10]。如張明波等[10]研究發(fā)現(xiàn)實(shí)施水土保持治理，對(duì)控制嘉陵江流域內(nèi)水土流失現(xiàn)象有積極作用，減沙效益可達(dá)20%以上，但減水效益不足5%。土地利用方式作為改變地表形態(tài)的重要手段之一，不僅影響流域的蒸散發(fā)性能，而且可以通過(guò)改變地表覆被類型及程度來(lái)影響流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙[11-12]。然而，已有研究中多關(guān)注農(nóng)田、城鎮(zhèn)、水域、耕地、林地、交通用地等土地利用方式對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響[13-14]，針對(duì)農(nóng)地利用過(guò)程中因耕種導(dǎo)致的土地利用形式差異引起的土壤侵蝕過(guò)程發(fā)生變化的研究幾乎沒(méi)有。川北丘陵區(qū)是我國(guó)典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，坡耕地廣泛分布、人地矛盾突出，耕作方式多樣化明顯，農(nóng)地的不同利用方式對(duì)流域的侵蝕產(chǎn)沙也起著重要作用。因此，為彌補(bǔ)該區(qū)缺乏關(guān)于農(nóng)地土地利用方式對(duì)土壤侵蝕過(guò)程影響的研究，本研究以嘉陵江西河流域?yàn)橹攸c(diǎn)研究區(qū)，通過(guò)野外長(zhǎng)期定位觀測(cè)試驗(yàn)，深入研究川北丘陵區(qū)農(nóng)地不同土地利用方式下產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化過(guò)程，研究結(jié)果有助于建立適合嘉陵江流域的土壤侵蝕產(chǎn)沙預(yù)報(bào)模型，利于指導(dǎo)該區(qū)采用合理的土地利用方式減少區(qū)域的侵蝕產(chǎn)沙。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省南部縣境內(nèi)，屬嘉陵江支流西河流域（105°43′E，31°30′N），地處川東北低山深丘區(qū)，區(qū)內(nèi)海拔為344～730 m。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)季候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤(rùn)，多年平均降雨量和蒸發(fā)量分別為931 mm和513 mm，年內(nèi)降水主要集中在5—10月，約占全年降水量的82%，多年平均氣溫為17.2 ℃[15-16]。該區(qū)母巖為白堊系下統(tǒng)城墻巖群砂泥巖，土壤類型以水稻土和黃壤土為主，其有機(jī)質(zhì)含量較低，結(jié)構(gòu)狀況不良，易分散懸浮，抗蝕性、抗沖性均較差[15,17]。區(qū)內(nèi)植被主要為亞熱帶常綠闊葉混交林，溫帶針葉林和次生植被，植物品種繁多，植被覆蓋率約為35%[15]。該區(qū)糧食作物以水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）、紅苕（Ipomoea batatas）為主，經(jīng)濟(jì)作物以油菜（Brassica napus）和棉花（Gossypiumspp.）為主。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究選取了南充市升鐘水土保持試驗(yàn)站（以下簡(jiǎn)稱“水保站”）內(nèi)降雨條件一致（表1）的4個(gè)相鄰徑流小區(qū)以分析不同土地利用方式對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙變化的影響。鑒于數(shù)據(jù)的可得性和完整性，本研究選取了2005—2016年各徑流小區(qū)的年總徑流量和年侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)，以及2008—2016的年平均泥沙含量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，降雨數(shù)據(jù)通過(guò)徑流小區(qū)附近的氣象站獲得，徑流量通過(guò)直接測(cè)定徑流池深度計(jì)算獲得，泥沙含量通過(guò)烘干法測(cè)定，年侵蝕模數(shù)則通過(guò)年總侵蝕量與徑流小區(qū)面積進(jìn)行換算而得到。

表1 觀測(cè)小區(qū)2005—2016年降雨情況Table 1 Precipitation in the monitoring area from 2005 to 2016

2.2 研究方法

選取4個(gè)徑流小區(qū)進(jìn)行對(duì)比研究，其長(zhǎng)、寬、坡度均分別為20、5 m、5°，土壤類型均為黃壤。為研究土地利用方式對(duì)侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的影響，在保證其他條件一致的情況，對(duì)土地不同利用方式進(jìn)行分析，見(jiàn)表2。其中，CK主要通過(guò)人工修剪的方式使其植被蓋度常年維持在5%以下，且常年無(wú)其他干擾。T1、T3、T4均主要通過(guò)機(jī)耕或人工方式進(jìn)行耕作，土壤擾動(dòng)深度在10～15 cm以內(nèi)，且相應(yīng)作物種植根據(jù)節(jié)令進(jìn)行，全年基本無(wú)閑置期。

表2 觀測(cè)小區(qū)概況Table 2 Basic information of monitoring area

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，通過(guò)SPSS 16.0和Origin 8.0對(duì)各徑流小區(qū)的徑流、侵蝕狀況差異進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用 Duncan 法進(jìn)行方差分析，同時(shí)采用Sigmaplot 10.0進(jìn)行圖形繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地利用方式對(duì)徑流量的影響

由圖1可知，2005—2016年4種處理徑流小區(qū)徑流量的時(shí)間變化過(guò)程。不同土地利用方式徑流小區(qū)的徑流量年際變化過(guò)程有較大差異。其中，T1徑流量在觀測(cè)時(shí)段內(nèi)呈明顯的“單峰”現(xiàn)象，即在2005—2013年間徑流量基本保持穩(wěn)定在10.66 m3附近，波動(dòng)相對(duì)較小，隨后，T1徑流量開(kāi)始急劇增大，并在2015年達(dá)到最大值（112.40 m3），接著在2016年急劇減少到12.04 m3。這與2005—2016年間降水量在2015年取得最大值有一定關(guān)系，即T1徑流量峰值的出現(xiàn)時(shí)間與年降水量有很大關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)，CK的徑流量也具有“峰值”現(xiàn)象，并在2011年達(dá)到最大值（47.46 m3），但CK年徑流峰值的出現(xiàn)時(shí)間與年降水量的變化并不具有同步性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，T1徑流量最大值遠(yuǎn)高于CK，但徑流量峰值出現(xiàn)的時(shí)間有一定差異，由此說(shuō)明種植蔬菜對(duì)徑流的年際變化規(guī)律影響相對(duì)較小，但對(duì)其具體變化過(guò)程有一定改變作用，即蔬菜種植可在一定程度上改變下墊面產(chǎn)流對(duì)降水量的響應(yīng)特征。

圖1 各徑流小區(qū)年總徑流量的年際變化Fig. 1 Annual variation of runoff

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，T3與T4的徑流變化過(guò)程相對(duì)一致，均在觀測(cè)期間呈現(xiàn)出“雙峰”現(xiàn)象，即徑流量在2007年和2014年或2015年達(dá)到峰值，且2個(gè)徑流小區(qū)的徑流量峰值也較為接近。其中，T3在2007年和2015年達(dá)到徑流量峰值68.96 m3和66.20 m3，T4在2007年和2014年達(dá)到徑流量峰值72.74 m3和70.40 m3。

為進(jìn)一步探討土地利用方式對(duì)徑流量的影響，對(duì)上述4個(gè)小區(qū)徑流量進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示不同土地利用方式小區(qū)徑流量之間無(wú)顯著差異，說(shuō)明在降雨條件一致的情況下土地利用方式的改變不會(huì)對(duì)徑流量的大小造成顯著的影響。不同土地利用方式的4個(gè)小區(qū)多年平均徑流量關(guān)系為T4（27.12 m3）＞CK（26.49 m3）＞T3（23.34 m3）＞T1（21.85 m3），即種植飼草可在一定程度上增加徑流量，而種植蔬菜或農(nóng)作物混種可以減少產(chǎn)流量，這可能與飼草柔韌性較好遇到強(qiáng)降雨時(shí)易倒伏從而減少入滲，同時(shí)倒伏的飼草有助于降低地表糙度，加速?gòu)搅餍纬珊土鲃?dòng)，進(jìn)而使得徑流量增加有一定關(guān)系。但由于上述作用強(qiáng)度有限，僅能使得T4徑流量有所增加，但并不顯著地高于其他處理小區(qū)。

3.2 土地利用方式對(duì)徑流泥沙含量的影響

由圖2可知，2008—2016年間，各土地利用方式徑流小區(qū)年平均泥沙含量的年際變化過(guò)程。整體上看，各徑流小區(qū)的泥沙含量均呈現(xiàn)出較強(qiáng)的時(shí)間波動(dòng)性。其中，CK泥沙含量的年際波動(dòng)最為明顯，其最大值出現(xiàn)在2014年為5.92 g/mL，最小值出現(xiàn)在2015年為0.968 g/mL，在整個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi)泥沙含量的變幅高達(dá)4.95 g/mL，是4種土地利用方式中泥沙含量變化幅度最大的。相對(duì)而言，T3泥沙含量年際變化最小，在2008—2016年間的變化幅度僅為0.69 g/mL。T1和T4泥沙含量的年際變化波動(dòng)性介于前兩者之間，變化幅度分別為2.92 g/mL和1.57 g/mL。分析發(fā)現(xiàn)，CK泥沙含量的變化幅度分別為T1、T3和T4的1.70、7.16和3.15倍。由此可知，3種處理的土地利用方式均可在一定程度上減小泥沙含量的年際變化使其各年度趨于穩(wěn)定。

圖1 泥沙含量的年際變化過(guò)程Fig. 2 Annual variation of sediment content

通過(guò)方差分析可以對(duì)比不同處理小區(qū)泥沙含量的均值大小關(guān)系，從而可以確定不同土地利用方式的保土減沙效果。結(jié)果顯示，CK的平均泥沙含量（3.10 g/mL）顯著高于其他3個(gè)處理（P＜0.05），分別為 T1（1.90 g/mL）、T3（0.72 g/mL）和T4（0.74 g/mL）的1.63、2.65和2.56倍，由此可知3種處理的土地利用方式對(duì)降低泥沙含量作用明顯。此外，各土地利用方式處理之間的泥沙含量也存在較大差異，其中T1泥沙含量雖然顯著低于CK（P＜0.05），但顯著高于T3和T4（P＜0.05），由此說(shuō)明種植蔬菜雖然可以降低泥沙含量，但對(duì)泥沙含量的降低作用不及農(nóng)作物混種和牧草種植。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，T3和T4的泥沙含量之間無(wú)顯著差異，即種植飼草或者農(nóng)作物混種不會(huì)對(duì)徑流小區(qū)的多年平均泥沙含量產(chǎn)生顯著影響。這可能是由于蔬菜的根系分布深度較淺，且密度較低，僅能起到保護(hù)較淺土層免受侵蝕的作用，而小麥、玉米、紅苕和飼草的根系分布都相對(duì)較深，且密度很大，對(duì)土體的“加筋”作用更為明顯，因此T3和T4的年平均泥沙含量要明顯低于T1。由此可知，可以通過(guò)實(shí)施不同農(nóng)作物混種或者種植牧草來(lái)降低徑流泥沙含量，從而起到保土的作用。

3.3 土地利用方式對(duì)侵蝕模數(shù)的影響

侵蝕模數(shù)反映了表層土壤在自然營(yíng)力和人為活動(dòng)的綜合作用下，單位面積和單位時(shí)間內(nèi)被剝蝕搬運(yùn)的土壤侵蝕量，是衡量土壤侵蝕程度的重要量化指標(biāo)。由圖3可知，2005—2016年間各土地利用方式小區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)的變化過(guò)程，各小區(qū)侵蝕模數(shù)在隨觀測(cè)年份表現(xiàn)出不同程度的起伏變化，但土壤侵蝕模數(shù)與觀測(cè)年份之間無(wú)顯著函數(shù)關(guān)系。其中，CK土壤侵蝕模數(shù)在不同年份的波動(dòng)強(qiáng)度最大，變幅高達(dá)2 018.9 t/（km2·a），最大土壤侵蝕模數(shù)是最小土壤侵蝕模數(shù)的209.13倍，表現(xiàn)出極強(qiáng)的年際變化效應(yīng)。相對(duì)而言，T1、T3和T4侵蝕模數(shù)的年際變化幅度相對(duì)較弱 ， 分 別 為 693.7、 193.9 t/（ km2·a） 和 213.7 t/（km2·a），CK土壤侵蝕模數(shù)的年際變化幅度分別為T1、T3和T4的2.91、10.41和9.45倍。由此可知，農(nóng)作物混種和牧草種植較蔬菜種植在弱化土壤侵蝕模數(shù)的年際變化上具有類似的積極作用。

圖3 徑流小區(qū)侵蝕模數(shù)的時(shí)間變化Fig. 3 Annual variation of erosion modulus

方差分析結(jié)果表明，CK的平均土壤侵蝕模數(shù)顯著高于其他3種處理（P＜0.05），分別為T1、T3和T4的2.68、7.42和6.47倍，由此可知裸地的侵蝕強(qiáng)度要明顯高于種植作物的處理，這可能與耕作打窩、打埂導(dǎo)致泥沙提前淤積使得被搬運(yùn)帶走的泥沙量減少有一定關(guān)系。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，T1、T3和T4的土壤侵蝕模數(shù)之間無(wú)顯著差異，但在數(shù)值大小上表現(xiàn)為T1＞T4＞T3，且T3與T4侵蝕模數(shù)較為接近，分別為87.37、100.33 t/（km2·a），而 T1的侵蝕模數(shù) 241.82 t/（km2·a）要高于前兩者。由此說(shuō)明，不同的土地利用方式對(duì)徑流小區(qū)的侵蝕模數(shù)存在較大影響，這可能與蔬菜種植小區(qū)植被蓋度較低，而T3與T4的植被覆蓋度較高有較大關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

本研究主要探討了土地利用方式對(duì)徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響，對(duì)比分析了蔬菜種植、農(nóng)作物混種和飼草種植對(duì)徑流量、泥沙含量及土壤侵蝕模數(shù)的影響，從土地利用方式的角度分析了徑流量、泥沙含量和土壤侵蝕模數(shù)的年際變化過(guò)程和規(guī)律，得到了一些有益的結(jié)論。然而，地表產(chǎn)流產(chǎn)沙不僅受到土地利用方式的影響，而且受到其他諸多因素的共同作用，例如降水入滲的快慢及多少對(duì)地表徑流有顯著影響，而土壤有機(jī)質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性、抗蝕性等理化性質(zhì)對(duì)土壤侵蝕過(guò)程也起著重要作用[18-19]。如郁耀闖等[20]的研究發(fā)現(xiàn)土壤可蝕性與水穩(wěn)性團(tuán)聚體、土壤黏結(jié)力、根重密度之間成顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。Ciampalin等[21]、Wang等[22]認(rèn)為土壤分離能力將會(huì)隨著土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤黏結(jié)力以及水穩(wěn)性團(tuán)粒含量的增大而降低。此外，由于人類耕作方式、習(xí)慣的差異和泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性將引起的地表微地形的改變，進(jìn)而改變?nèi)霛B過(guò)程及泥沙運(yùn)移路徑，從而影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。如李裕元等[23]研究發(fā)現(xiàn)與壓實(shí)相比，土壤翻耕可導(dǎo)致入滲率下降40%～60%，使得坡度產(chǎn)沙量增加3倍，實(shí)施免耕可有效減輕水土流失。同時(shí)，土地利用方式、入滲、土壤理化性質(zhì)、人類活動(dòng)及泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律等對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響并非獨(dú)立的，而是存在相互影響的內(nèi)在耦合機(jī)制，因此綜合考慮上述因素對(duì)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響將是下一步研究的重點(diǎn)方向之一。

不同土地利用方式對(duì)多年平均徑流量影響較弱，但農(nóng)作物混種和飼草種植對(duì)徑流量的年際變化規(guī)律有明顯影響，而蔬菜種植對(duì)徑流的年際變化過(guò)程影響較小。農(nóng)作物混種和飼草種植小區(qū)徑流量在2005—2016年間呈“雙峰”現(xiàn)象，而蔬菜種植小區(qū)和CK均呈“單峰”現(xiàn)象。土地利用方式的差異對(duì)泥沙含量大小的影響強(qiáng)于對(duì)其年際變化規(guī)律的影響。CK的泥沙含量顯著高于蔬菜、農(nóng)作物混種和飼草種植處理，分別為后者的1.63、2.65和2.56倍，且農(nóng)作物混種和飼草種植處理的泥沙含量相對(duì)接近并顯著低于蔬菜種植小區(qū)。各土地利用方式處理的泥沙含量均表現(xiàn)出不同程度的時(shí)間波動(dòng)性，但3種處理小區(qū)泥沙含量的年際波動(dòng)性要明顯弱于CK。改變土地利用方式對(duì)降低土壤侵蝕量作用顯著，3種土地利用方式較CK可降低土壤侵蝕模數(shù)2.68～7.42倍。蔬菜種植、農(nóng)作物混種和飼草種植的土壤侵蝕模數(shù)之間無(wú)顯著差異，但農(nóng)作物混種和飼草種植較蔬菜種植在降低土壤侵蝕強(qiáng)度方面作用更好。