不同坡度下的坡面土壤侵蝕特征分析

時(shí) 宏

（北票市臺吉水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122122）

坡度是影響土壤侵蝕和坡面徑流的關(guān)鍵地形因子之一，降雨相同情況下不同坡度產(chǎn)生的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量往往具有較大差異[1]。近年來，中國許多學(xué)者探索了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量與坡度間的關(guān)系，如張興奇等[2]通過現(xiàn)場實(shí)測黔西北地區(qū)徑流小區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨坡度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出先增加后減少再增加的變化特征，但坡面徑流量的增加幅度相對較??；和繼軍等[3]結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量，探討了不同場次降雨下隨坡度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化特征?？紤]到坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受坡度的影響比較復(fù)雜，不同研究對象、方法所得到的結(jié)論具有明顯差異，故進(jìn)一步研究坡面土壤侵蝕受坡度因子的影響特征，對準(zhǔn)確預(yù)測當(dāng)?shù)厮亮魇Чぷ骶哂兄匾饬x[4]。本研究通過設(shè)置不同坡度的徑流小區(qū)，探討分析坡面產(chǎn)流、土壤侵蝕受不同坡度因子的影響規(guī)律，旨在為北票市水土保持綜合治理以及水土流失監(jiān)測等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 小流域概況

北票市水土保持局在大巴溝小流域設(shè)立有監(jiān)測點(diǎn)，該小流域?qū)俅罅韬又Я髅晒艩I河中游，低山丘陵地貌，總面積14.85km2，海拔高程420～680m。氣候類型為大陸性季風(fēng)氣候，日照充足，雨熱同期，溫差較大，年均氣溫8.8℃，均降水量474mm/a，平均徑流深110mm/a，降水量年內(nèi)分配不均勻，年季間變化較大，多集中于7-9月。土壤類型以褐土為主，亞類中淋溶褐土分布廣泛，土層厚度20～110cm之間，肥力中等偏下，土壤抗沖蝕性弱，腐殖質(zhì)薄，通透性差，固土保水能力和復(fù)種指數(shù)低，土壤侵蝕嚴(yán)重。由于長期的人為干擾，流域內(nèi)原始植被破壞殆盡，現(xiàn)狀植被以人工林木和天然次生林為主，植被類型主要有灌叢、真闊混交林、針葉林，主要樹種有山杏、油松、側(cè)柏、國槐、刺槐等，農(nóng)作物以谷子、玉米為主，草種有蒲公英、披堿草、狗尾草、沙大旺等，林草植被覆蓋率34.15%。

1.2 徑流小區(qū)設(shè)置

在大巴溝小流域設(shè)置5°、10°、15°、20°、25°五種不同坡度的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，各小區(qū)的投影面積為長20m×寬5m。然后將長5m×寬1.5m×高1.5m的集流池設(shè)置在各徑流小區(qū)的底部，預(yù)留出水口連接集水池與徑流小區(qū)，集水桶放置于集水池出水口處，主要作用是承接降雨沖刷出的泥沙和徑流量，集水桶容積250L。

1.3 常規(guī)監(jiān)測方法

每次降雨后及每月1日、15日，定期監(jiān)測各徑流小區(qū)植被覆蓋度、土壤含水量和水土流失量，具體如下：

1）植被覆蓋度及土壤含水量監(jiān)測。將各徑流小區(qū)合理劃分成9個(gè)地塊，遵循從下到上、自西向東的原則依次測量記錄，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的可參考性和對比性。文章選用TDR檢測儀測量土壤含水量，通過垂直于坡面拍攝的方式測定植被覆蓋度，維持拍攝高度1.5m不變。

2）水土流失監(jiān)測。首先，準(zhǔn)確測量集水桶及集水池內(nèi)的泥沙量、水量，在均勻攪拌泥沙和水后取出500mL水樣，實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測含沙量；然后將桶內(nèi)泥沙和水倒出，打開閥門清洗集水池，為下次測量做好準(zhǔn)備。

3）試驗(yàn)方法。為形成人工坡面與草灌結(jié)合的徑流小區(qū)，開始先播種高羊茅、狗牙根、白車軸草、黑麥草等禾本科草籽，待草本植被覆蓋穩(wěn)定后模擬天然坡面灌木植被分布和平均密度，然后將胡枝子、荊條等低矮灌木種植于各徑流小區(qū)內(nèi)，完成分階段演替式坡面處理。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將獲取的泥沙和徑流數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0、Excel 2019等軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要包括擬合處理、相關(guān)性分析和基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量等，并考慮實(shí)際需要繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡度與坡面產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量的關(guān)系

不同坡度下各徑流小區(qū)2019、2020年坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不同坡度的產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量見表1。由表1可知，降雨相同情況下，坡度從5°逐漸提高到20°時(shí)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均不斷增加；坡度繼續(xù)從20°提高到25°時(shí)，2020年產(chǎn)沙量及2019、2020年產(chǎn)流量有所減小，但2019年產(chǎn)沙量依然增加。究其原因，雖然各徑流小區(qū)的投影面積相同，但25°＞20°徑流小區(qū)的坡長，更長的徑流途徑使得降雨更易入滲，相應(yīng)的產(chǎn)流量較少；此外，隨著坡度的不斷增加，25°坡面的植被生長狀況和植被覆蓋度不如20°，因此具有較高的降雨滲透性和較小的坡面產(chǎn)流量。而2019年植物根系還不發(fā)達(dá)，坡面植被覆蓋度較小，土壤灌溉后形成物理結(jié)皮且多處于裸露狀態(tài)，從而使得土壤侵蝕量較高，產(chǎn)沙量明顯增大。

表1 不同坡度的產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，2019年在20°坡面上發(fā)生5次最大侵蝕量，而25°坡面僅出現(xiàn)2次最大侵蝕量，2020年所有最大侵蝕量都發(fā)生于20°坡面上。因此，研究認(rèn)為臨界坡度為20°，即20°坡面的土壤侵蝕量達(dá)到最高。

2.2 不同雨強(qiáng)下坡度與產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系

現(xiàn)有研究表明，最大30min雨強(qiáng)I30與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，故將雨強(qiáng)劃分成I30≥50mm/h、I30＜50mm/h兩個(gè)等級[5-6]，通過整理分析2019、2020年10場次侵蝕性降雨數(shù)據(jù)繪制出不同雨強(qiáng)下坡度與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系線，不同雨強(qiáng)下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系，見圖1。

圖1 不同雨強(qiáng)下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系

從圖1可以看出，雨強(qiáng)相同情況下，在5°～20°范圍時(shí)坡度與坡面產(chǎn)流量之間存在正相關(guān)性，隨坡度增加產(chǎn)流量逐漸增大；在20°～25°范圍時(shí)坡度與坡面產(chǎn)流量之間存在負(fù)相關(guān)性，隨坡度增加產(chǎn)流量逐漸減小。雨強(qiáng)不同情況下，I30≥50mm/h整體高于I30＜50mm/h的產(chǎn)流量。此外，2020年各坡度平均產(chǎn)流量均小于同坡度2019年數(shù)據(jù)，這是由于2020年的植物生長狀況更好，根系更加發(fā)達(dá)且植被覆蓋度更高，從而增強(qiáng)了坡面的降雨蓄滲作用。

考慮到2019年剛建立的徑流小區(qū)土壤條件穩(wěn)定性較差，產(chǎn)沙量較多并且與2020年相差較大，所以選擇2019、2020年產(chǎn)沙量平均值來分析，不同雨強(qiáng)下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系，見圖2。從圖2可以看出，在I30≥50mm/h、I30＜50mm/h雨強(qiáng)情況下，坡度從20°逐漸提高到25°時(shí)，坡面產(chǎn)沙量增長率從96.04%、105.30%減小到27.29%、1.63%。隨坡度增加雨滴擊打地表所形成的垂直于表土的分量越小，相應(yīng)的激濺侵蝕力和土壤侵蝕量減小，特別是20°坡度時(shí)的臨界效應(yīng)增加顯著。

圖2 不同雨強(qiáng)下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系

2.3 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)流產(chǎn)沙量的關(guān)系

結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料[7-8]，植被根系、枯枝落葉層、覆蓋度和植被類型是影響土壤侵蝕的主要因素。通過計(jì)算各徑流小區(qū)平均植被覆蓋度，發(fā)現(xiàn)2019、2020年不同坡度徑流小區(qū)的植被覆蓋度為35.26%、66.75%。不同植被覆蓋度下坡度與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系曲線，不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系，見圖3； 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系，見圖4。

圖3 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)流量的關(guān)系

圖4 不同植被覆蓋下坡度與產(chǎn)沙量的關(guān)系

總體上，徑流小區(qū)植被覆蓋度從35.26%提高到66.75%，增長率達(dá)到89.40%，平均坡面產(chǎn)流量從1210.48L下降到903.66L，減少率達(dá)到25.35%，平均坡面產(chǎn)沙量從1440.383t/(hm2·a)下降到2.478t/(hm2·a)，減少率達(dá)到99.8%。研究表明，植被覆蓋度的增加不僅有利于減輕降雨直接沖刷表面土壤的作用，而且植被根系使得土壤的固定作用、抗沖性和抗蝕性明顯增強(qiáng)，有效減小了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

2.4 徑流小區(qū)土壤侵蝕檢驗(yàn)

目前，許多水土流失方程的使用都需要有特定的自然條件，普遍適用性較差，其中應(yīng)用最為廣泛的水蝕模型是通用土壤流失方程(USLE)[9]。文章結(jié)合北票市水文氣象數(shù)據(jù)，利用該模型計(jì)算徑流小區(qū)土壤侵蝕量，以驗(yàn)證該模型及其參數(shù)在遼西低山丘陵區(qū)北票市的實(shí)用性，其計(jì)算公式為：

式中：A為土壤侵蝕速率t/（hm2·a）；R、K、L、S、C、P為降雨侵蝕力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]、土壤可蝕性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]、坡長因子、坡度因子、植被覆蓋或作物管理因子、水保措施因子，L、S、C、P均無量綱，取值區(qū)間0～1。

1）降雨侵蝕力因子R。結(jié)合相關(guān)資料[10]，采用簡化算法計(jì)算R因子值，其中P、Pi代表年降水量(mm)和月降水量(mm)，計(jì)算公式為：

2）土壤可蝕性因子K。依據(jù)現(xiàn)有研究成果[11-12]，采用有機(jī)碳含量和土壤機(jī)械組成公式計(jì)算K因子值，計(jì)算公式：

式中：SAN、SIL為0.050～2.000mm的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)和0.002～0.050mm粉粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)，其中SN1=1－SAN/100，即非砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；C、CLA為土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)和＜0.002mm黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

3）坡長、坡度因子LS。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]，采用緩坡坡度公式、陡坡坡度公式和經(jīng)典公式計(jì)算坡長因子L、坡度因子S值，計(jì)算公式為：

式中：n、θ為坡長指數(shù)和坡度，°；λ代表坡長，m。

4）植被覆蓋與管理因子C。采用植物生長期無人機(jī)拍攝的四景可見光正射影像圖和ENVI、Arc GIS軟件，利用覆蓋度與C值的關(guān)系以及像元二分法模型求解的植被覆蓋度來計(jì)算C因子值，相關(guān)公式：

式中：F為植被覆蓋度，NDVImax、NDVImin為高純度植被像元和裸地的NDVI值(歸一化植被指數(shù))；NIR、R為近紅外波長(μm)和紅外波長(μm)

依據(jù)相關(guān)研究成果和大巴溝小流域水土保持實(shí)地調(diào)查現(xiàn)狀，設(shè)定2019年P(guān)因子值0.30，R因子值82.315[MJ·mm/(hm2·h·a)]，C因子值0.501；2020年P(guān)因子值0.0.35，R因子值24.165[MJ·mm/(hm2·h·a)]，C因子值0.842，2019、2020年的K因子值均取0.15。采用USLE方程計(jì)算不同坡度下各徑流小區(qū)的土壤侵蝕量，基于USLE方程的坡面產(chǎn)沙量，見表2。

表2 基于USLE方程的坡面產(chǎn)沙量

通過對比分析可知，2019年不同坡度下各徑流小區(qū)坡面產(chǎn)沙量實(shí)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于USLE方程的計(jì)算值，這是由于徑流小區(qū)剛建成時(shí)的植被覆蓋度較小，土壤未經(jīng)人工填壓比較疏松，在強(qiáng)降雨和大雨沖擊下引起的土壤侵蝕量較高；2020年不同坡度下各徑流小區(qū)坡面產(chǎn)沙量實(shí)測數(shù)據(jù)與USLE方程計(jì)算值相差不大，所以該模型及其參數(shù)比較適用于遼西低山丘陵區(qū)土壤侵蝕研究。

3 結(jié) 論

文章探討了不同坡度下試驗(yàn)徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，揭示了坡度對低山丘陵區(qū)坡面土壤侵蝕的影響特征，主要結(jié)論如下：

1）隨坡度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，在20°～25°范圍時(shí)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最高，通過分析原始記錄數(shù)據(jù)認(rèn)為臨界坡度取20°與實(shí)際情況更加接近。

2）雨強(qiáng)不同情況下，最大30min雨強(qiáng)I30≥50mm/h整體高于I30＜50mm/h的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，并且產(chǎn)沙量具有明顯差異。隨植被覆蓋度增加坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量逐漸減小。

3）不同坡度下USLE方程模擬計(jì)算的產(chǎn)沙量與實(shí)測結(jié)果相差較小，該模型及其參數(shù)比較適用于遼西低山丘陵區(qū)土壤侵蝕研究。