大牛嶺科技示范園區(qū)不同作物措施坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙分析

單文娜

(遼陽縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111200)

0 引 言

水土流失作為全球性環(huán)境災(zāi)害對人類社會持續(xù)發(fā)展造成明顯制約，全球約有1/3的土地受到不同程度的侵蝕[1]。據(jù)統(tǒng)計，2018年我國共有274萬km2的土地面臨著土壤侵蝕問題，水土流失對生態(tài)環(huán)境的破壞日趨突出[2]。實際上，影響水土流失的因素有很多，其中土壤侵蝕與植被、坡長、坡度、降雨等自然驅(qū)動因素的關(guān)系逐漸引起廣大學(xué)者的關(guān)注[3-5]。降雨屬于引發(fā)水力侵蝕的必要條件，土壤侵蝕速率與降雨特征密切相關(guān)，有學(xué)者通過監(jiān)測模擬降雨或天然降雨下的徑流泥沙探討坡面土壤侵蝕機(jī)理，如肖繼兵等提出土壤侵蝕受降雨復(fù)合因子的影響程度大于單一因子；Liu等通過研究植被坡耕地降雨特征發(fā)現(xiàn)，影響徑流的關(guān)鍵因子是降雨；Fang等將次降雨事件利用K值分類法劃分成3種，其中誘發(fā)黃土高原地區(qū)土壤侵蝕的主要雨型為短歷時、高強(qiáng)度降雨[6-9]。根系對土壤的固結(jié)和植被截留雨滴作用能夠改變降雨對土壤的沖刷、滴濺，Lin等研究認(rèn)為，小麥的泥沙和徑流量較裸地能夠減少86.7%-98.2%、43.8%-83.4%，其具有較強(qiáng)的調(diào)水調(diào)沙能力；也有學(xué)者提出，植被生長的坡地能夠在一定程度上抑制土壤侵蝕，并且水保效果較差的為裸地。

目前，有關(guān)研究大多集中于下墊面、降雨對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響分析，而探討土壤侵蝕與農(nóng)作物措施、降雨相互關(guān)系的較少。受人為干擾、氣候環(huán)境、地形地貌等因素影響，不同地區(qū)的土壤侵蝕發(fā)生機(jī)制不盡相同，因此探討水土流失機(jī)制時必須因地制宜的實施水保措施?？紤]到坡面為土壤侵蝕的主發(fā)地和流域的基本組成單元，文章以大牛嶺科技示范園區(qū)8個坡面徑流小區(qū)為例，結(jié)合2013-2020年產(chǎn)沙、產(chǎn)流、降雨等資料，探討了自然降雨條件下不同作物措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，并進(jìn)一步揭示不同作物措施的水保效果，以期為構(gòu)建坡面侵蝕預(yù)測模型、強(qiáng)化水土流失治理以及優(yōu)化農(nóng)作物配置模式等提供一定指導(dǎo)[10-12]。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

大牛嶺科技示范園區(qū)位于遼陽縣下達(dá)河鄉(xiāng)的大牛嶺村，地處E123°11′54″-123°15′00″，N41°00′42″-40°14′29″，總面積1137hm2。示范園區(qū)為棕壤土，隨地形的垂直分布山地棕壤土從高到底分為殘積、坡積、洪積土，土層厚度為15-150cm，土壤pH值在 6.3-7.2之間，有機(jī)質(zhì)含量為0.2%-0.9%，土壤肥力偏低。研究區(qū)屬季風(fēng)大陸性氣候，其降水量較大，多年平均值為762mm，自東向西降雨量遞減，西部降水量較小為660.2mm。年內(nèi)分布上降水量很不均勻，7月份降水最多，一月份最少，6-9月(汛期)降水量約占全年的71.3%，年均氣溫7.5℃，相對濕度為63%，年均蒸發(fā)量為1450.00mm。

大牛嶺科技示范園區(qū)長期定點觀測泥沙、徑流、降雨數(shù)據(jù)，工程措施為坡耕地和坡改梯，種植作物6種，布設(shè)徑流小區(qū)8個，具體見表1。

表1 徑流小區(qū)參數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)來源

采用大牛嶺科技示范園區(qū)綜合觀測站2013-2020年坡面徑流小區(qū)泥沙、徑流、降雨監(jiān)測資料，以自然降雨事件即2013-2020年4-10月發(fā)生產(chǎn)流的126場次降雨作為試驗數(shù)據(jù)來源。首先測定徑流量，對產(chǎn)生徑流后各徑流小區(qū)的集流池水深利用水尺讀取，考慮集流池底面積計算確定總徑流量；每場次降雨結(jié)束后，觀測沉沙池和分流桶內(nèi)的水位，人工均勻攪拌后取渾水水樣1000mL，放干桶內(nèi)水并提取沉積于集流槽和桶中的泥沙，經(jīng)烘干、過濾、沉淀、沉重等一系列操作確定小區(qū)侵蝕量。

1.3 分析方法

本研究選用Excel 2016、SPSS 24.0等軟件完成數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計學(xué)分析，對150場地降雨事件利用K值聚類法分類，并采用Kruskal Wallis法檢驗降雨類型分類結(jié)果，通過兩兩比較各降雨類型的降雨特征值以及Bonferroni校正明確相關(guān)關(guān)系。文章將降雨按照降雨強(qiáng)度I、降雨歷時D、降雨量P劃分成3類，即高雨強(qiáng)、長歷時、低頻率、大雨量的A型降雨；低雨強(qiáng)、短歷時、高頻率、小雨量的B型降雨；較高雨強(qiáng)、較長歷時、較低頻率、中等雨量的C型降雨；產(chǎn)流產(chǎn)沙受降雨因子影響的特征重要程度利用隨機(jī)森林算法計算，并運用回歸分析和相關(guān)系數(shù)法確定產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系[13-15]。

2 結(jié)果分析

2.1 不同作物措施產(chǎn)流產(chǎn)沙對次降雨的響應(yīng)

經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在不同場次降雨中土壤流失量及產(chǎn)流量最大的是花生措施，最小的是紅薯措施，不同場次降雨中李子樹措施和核桃樹措施的土壤流失量、徑流量相差不大，見表2。

表2 不同作物措施產(chǎn)流產(chǎn)沙量

從表2可以看出，按從小到大的次序排列不同作物措施(坡耕地)產(chǎn)流量：紅薯<大豆<核桃樹<李子樹<花生，產(chǎn)沙量排序為紅薯<大豆<李子樹<核桃樹<花生；按從小到大的次序排列不同作物措施(坡改梯)產(chǎn)流產(chǎn)沙量均符合：紅薯<白蠟樹<大豆，且TC徑流小區(qū)未產(chǎn)生侵蝕僅發(fā)生徑流。坡耕地大豆措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙量始終小于坡改梯大豆措施，坡耕地對紅薯措施產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響更加顯著。

深入分析可知，花生在坡面起壟栽培不利于保水保土可能是造成花生產(chǎn)流產(chǎn)沙量較大的關(guān)鍵，結(jié)合當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣花生扦插前對土壤的翻挖擾動較大，扦插后植被覆蓋度較低，降雨條件下會引起較強(qiáng)的土壤流失；李子樹和核桃樹具有發(fā)達(dá)的根系、茂密的枝葉，樹冠能夠截留蒸發(fā)大部分降雨，有效減緩了降雨直接沖擊地表的速度；紅薯的密植度、種植方式與徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量密切相關(guān)，按水平方向密植的茶樹在一定程度上發(fā)揮著泥沙、徑流攔截作用，經(jīng)樹冠“冠流”降水能夠快速滲入土壤，由此大大降低了對土壤結(jié)構(gòu)的侵蝕破壞。根據(jù)不同作物措施的土壤流失量、徑流量隨降雨場次的變化特征，同一場降雨中各徑流小區(qū)的土壤流失量隨徑流量的增加而增大，并且土壤流失量和徑流量較高的為花生措施，較低的為紅薯措施，在不同場次降雨中各作物措施的土壤流失量差異較大，徑流量差異較小[16-18]。

2.2 不同作物措施產(chǎn)流產(chǎn)沙對雨型的響應(yīng)

2.2.1 降雨類型分類與特征

由于不同類型降雨的降雨特征以及植株地下根面積、根形態(tài)、地上株高和植被覆蓋度等差異，在不同雨型條件下各作物措施的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特性往往存在明顯差異。為深入探討坡面徑流泥沙受降雨的影響，采用降雨強(qiáng)度I、降雨歷時D、降雨量P3個特征指標(biāo)，并使用K均值聚類法劃分150場次降雨事件類型。然后利用Kruskal-Wallis法檢驗降雨類型分類結(jié)果，從而檢驗整體顯著差異性，其中降雨強(qiáng)度置信水平<0.05，降雨歷時和降雨量<0.01，通過兩兩比較降雨特征值和Bonferroni校正確定其相關(guān)關(guān)系，見表3。其中，a、b、c分別代表特征值顯著差異性(P<0.05)。

表3 不同雨型的降雨特征

由表3可知，A型、B型、C型降雨發(fā)生頻次依次為12次、100次、32次，所占比例分別為8.33%、69.44%、22.22%，主要雨型為B雨型；A型降雨的強(qiáng)度最大(5.96mm/h)、平均雨量最多(106.28mm)、降雨歷時最長(26.15h)，B型降雨的強(qiáng)度最小(2.70mm/h)、平均雨量最少(22.76mm)、降雨歷時最短(12.18h)，C型降雨的強(qiáng)度(5.00mm/h)、平均雨量(55.10mm)、降雨歷時最短(17.40h)居中。因此，A型降雨具有降雨強(qiáng)度大、降雨量多、降雨歷時長、發(fā)生頻率低的特點，B型降雨具有降雨強(qiáng)度小、降雨量少、降雨歷時段、發(fā)生頻率高的特點，C型降雨時降雨強(qiáng)度較高、降雨量中等、降雨歷時較長、發(fā)生頻率較低的雨型[19-20]。

2.2.2 不同降雨條件下作物措施產(chǎn)流

不同作物措施在不同雨型條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律存在明顯差異，將各徑流小區(qū)累積土壤流失量占總流失量及累積徑流深占總徑流深的比值按照雨型進(jìn)行劃分見圖1，產(chǎn)流產(chǎn)沙特征見圖2。

(a)土壤流失量 (b)徑流深

(c)C雨型

對于不同雨型，坡耕地徑流小區(qū)的累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量表現(xiàn)出B型

在不同農(nóng)作物種植措施、不同耕作措施和不同雨型下，各徑流小區(qū)的平均土壤流失量和徑流深存在一定差異。對于坡耕地工程措施，按從小到大的次序A型和B型降雨所引起的產(chǎn)流特征為：紅薯<大豆<核桃樹<李子樹<花生的特征，C型降雨表現(xiàn)出紅薯<大豆<李子樹<核桃樹<花生的特征；在A型和C型降雨條件下各作物措施的土壤流失量均呈現(xiàn)出紅薯<大豆<李子樹<核桃樹<花生的變化特征，B型降雨條件下表現(xiàn)為大豆<紅薯<李子樹<核桃樹<花生的變化特征。對于坡改梯徑流小區(qū)，A型和C型降雨所引起的產(chǎn)流特征為紅薯<大豆<白蠟樹，B型降雨則表現(xiàn)為紅薯<白蠟樹<大豆。在A型和B型降雨影響下白蠟樹小于大豆措施的土壤流失量，C型降雨影響下土壤流失量較大的為白蠟樹措施。

2.3 降雨因子對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

降雨特征為驅(qū)動侵蝕和徑流的關(guān)鍵因素，為深入探討不同作物措施小區(qū)與降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系，選擇降雨量×最大60min雨強(qiáng)PI60、降雨量×最大30min雨強(qiáng)PI30、降雨量×降雨強(qiáng)度PI三個降雨復(fù)合因子及最大60min雨強(qiáng)I60、最大30min雨強(qiáng)I30、降雨侵蝕力R、降雨強(qiáng)度I、降雨量P、降雨歷時D五個降雨因子進(jìn)行影響重要度評分。設(shè)輸入變量為降雨復(fù)合因子及降雨因子，輸出變量為土壤流失量和徑流深，隨機(jī)森林模型的參數(shù)設(shè)置成默認(rèn)，結(jié)果見表4。產(chǎn)流受降雨量的影響最大，降雨量的重要程度達(dá)到45%，而其他降雨因子對紅薯措施的徑流深影響較大，降雨量對TC的影響略低于降雨歷史，GC受PI60降雨復(fù)合因子的影響最大。降雨營子對不同作物措施的土壤流失量影響不同，I30對坡改梯小區(qū)的白蠟樹措施和大豆措施的影響較大，PI對GB、GH小區(qū)土壤流失量影響較大，降雨量和PI60對GS、GC小區(qū)的土壤流失量影響較大。產(chǎn)流產(chǎn)沙受I60因子的影響較低，整體在12%以內(nèi)。

表4 降雨因子對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響重要性評分

2.4 不同作物措施產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系

坡面徑流和降雨屬于土壤侵蝕的動力來源，地面形成的薄層水流與降雨引起的坡面產(chǎn)流不斷搬運、剝蝕表層土壤，所以土壤侵蝕與地表徑流之間密切相關(guān)。采用Spearman法確定土壤流失量與作物措施徑流深的相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果為GD 0.631**、GB0.817**、GS0.835**、GH0.886**、GC0.751**、TD0.690**、TY0.885**，均達(dá)到顯著相關(guān)(0.01水平)。為深入探討產(chǎn)沙與產(chǎn)流間的關(guān)系，繪制土壤流失量與徑流深散點圖，如圖3所示。

(a)TY徑流小區(qū)

(b)TD徑流小區(qū)

(c)GC徑流小區(qū)

(d)GH徑流小區(qū)

(e)GS徑流小區(qū)

(f)GB徑流小區(qū)

(g)GD徑流小區(qū)

由圖3可知，不同作物措施的徑流深X與土壤流失量Y存在明顯線性關(guān)系，擬合方程為Y=aX+v，隨產(chǎn)流量的增大各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量也逐漸增加坡耕地大豆措施、辦理措施、核桃樹措施和白蠟樹措施的相關(guān)系數(shù)R2均不少于82%，表明徑流決定了各徑流小區(qū)82%以上的產(chǎn)沙量，為有效抑制侵蝕的發(fā)生可以采取相應(yīng)的減流措施，坡改梯大豆措施、花生和紅薯措施的相關(guān)系數(shù)均不小于75%。A值反映了隨徑流量的增大土壤流失量的增加速度，按從小到大的次序排列為TY

3 結(jié) 論

1)隨降雨場次變化各徑流小區(qū)的土壤流失量及徑流量總體表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，不同場次降雨中土壤流失量差異較大，而徑流量未表現(xiàn)出明顯差異。土壤流失量及產(chǎn)流量較大的為花生措施，最小的為紅薯措施，核桃樹和李子樹的產(chǎn)流產(chǎn)沙量相差不大。

2)不同作物措施響應(yīng)降雨類型的程度存在差異，引起土壤侵蝕的主要為A型降雨，其次為C型，B型降雨屬研究區(qū)主要雨型，發(fā)生頻率較高。A型降雨產(chǎn)生的土壤流失量和徑流深分別總量的38.72%-62.07%、37.52%-48.16%；坡改梯徑流小區(qū)的累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量表現(xiàn)出B型

3)產(chǎn)流主要受降雨量因子的影響，P30、降雨量及降雨復(fù)合因子PI60、PI均可在一定程度上影響作物措施的土壤流失量，產(chǎn)流產(chǎn)沙受I60的影響較低。地表徑流為誘發(fā)土壤侵蝕的內(nèi)在動力，李子樹、核桃樹、大豆、紅薯、花生、白蠟樹措施的土壤流失量與徑流深呈線性顯著相關(guān)，土壤流失量增速呈現(xiàn)出白蠟樹<大豆<李子樹<紅薯<核桃樹<花生的特征。

4)文章主要考慮不同作物措施、降雨類型的侵蝕產(chǎn)沙特征，未來仍需進(jìn)一步研究人為因素、土壤理化性質(zhì)、植被覆蓋度對水沙關(guān)系的影響，以更加完善的資料研究遼陽地區(qū)水土流失規(guī)律，為生態(tài)保護(hù)和水土保持提供一定參考。