降雨對遼西褐土區(qū)土壤侵蝕的影響研究

時 宏

（北票市臺吉水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122122）

土壤侵蝕不僅會造成土地資源的破壞，耕地的減少，還會引起洪澇、干旱、淤積等自然災(zāi)害，給土地生產(chǎn)力造成嚴(yán)重威脅，并進(jìn)一步加劇生態(tài)環(huán)境的惡化，與人類自然資源和土地資源產(chǎn)生“爭奪”，甚至引發(fā)糧食危機(jī)，泥石流、滑坡、崩塌等自然災(zāi)害還嚴(yán)重威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)安全，土壤侵蝕已成為各國環(huán)境和資源問題的關(guān)注重點(diǎn)[1-2]。我國面臨著比較突出的水土流失問題，復(fù)雜的自然環(huán)境和特殊的國情決定了水土保持支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要作用，研究分析影響土壤侵蝕的因素是實(shí)現(xiàn)水土保持目標(biāo)不可或缺的重要環(huán)節(jié)[3]。

目前，我國諸多學(xué)者研究分析了土壤顆粒、團(tuán)聚體受降雨的影響，土壤侵蝕受雨強(qiáng)、降雨的影響，坡面侵蝕過程受雨強(qiáng)、坡度的影響，地表微地貌受降雨侵蝕的影響以及團(tuán)聚體破碎的作用機(jī)制等[4-8]。遼西褐土區(qū)面積廣，范圍大，具有優(yōu)越的水熱條件，由于降雨強(qiáng)度大很容易引起土壤水蝕，加劇生態(tài)破壞和土壤肥力退化，生態(tài)環(huán)境更加脆弱。因此，研究遼西褐土區(qū)水土保持以及土壤侵蝕受降雨的影響特征具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

本研究利用北票市水土保持監(jiān)督監(jiān)測站直屬的白石廠小流域徑流場，探討遼西低山丘陵褐土區(qū)土壤侵蝕受降雨的影響特征。試驗(yàn)區(qū)位于北票市西官營鎮(zhèn)白石廠小流域內(nèi)，地理位置介于E120°32'32″-120°32'43″，N41°52'32″-41°50'24″ 之間，總面積8.53km2，海拔高程120～360m，低山丘陵地貌。該流域?qū)儆诘湫偷拇箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量509mm，多集中7-9月，雨熱同期，熱量豐富，光能充足，四季分明，年均氣溫8.8℃，日照時數(shù)2846.7h，無霜期150d。流域內(nèi)的土壤類型以褐土為主，為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層，土層厚度處于20～110cm 之間，抗沖蝕性弱，通透性差，腐殖質(zhì)較薄，土壤侵蝕嚴(yán)重。流域內(nèi)植被以人工林為主，樹種有油松、楊樹、刺槐、荊條、紫穗槐等，經(jīng)濟(jì)林有蘋果、梨樹等，草種有紫花苜蓿、沙打旺等，林木成材率較低，植被覆蓋率39.98%。

1.2 試驗(yàn)方法

將坡度8°、寬5m、長20m 的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)布設(shè)于北票市白石廠小流域綜合觀測場，土壤類型屬自然發(fā)育而成的褐土，呈無植被裸露狀態(tài)，徑流小區(qū)配有二級分流系統(tǒng)、集流池及集流槽，用于計(jì)算侵蝕量與徑流量，為了觀測降雨情況還配有氣象站。每次降雨后及時觀測分流池、集流池水深，準(zhǔn)確計(jì)算徑流量，含沙量用烘干法測定[11-12]。采用不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流域中尺度和坡面小尺度的年徑流量，但現(xiàn)階段尚未形成普遍適用的大尺度年徑流量計(jì)算方法，其相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式如下：

1.3 數(shù)據(jù)分析

一般地，影響土壤侵蝕的因子主要有地質(zhì)、植被、土壤、地形和氣候等[13]。通用土壤流失方程USLE 中的降雨因子R就是最大30min 降雨強(qiáng)度I30與降雨動能E的乘積EI30，這也是反映降雨侵蝕力的重要指標(biāo)[14-15]。然而降雨動能的計(jì)算過程較為繁瑣復(fù)雜，對降雨資料的完整性要求較高。為便于計(jì)算及相關(guān)資料的獲取，史冬梅等[16]研究認(rèn)為產(chǎn)流、產(chǎn)沙與降雨量之間存在顯著正相關(guān)性。因此，為簡易估算土壤侵蝕量可以建立除EI30指標(biāo)以外的其它特征量與侵蝕量的方程模型，如鄭海金等[17]提出了一種簡易估算坡地降雨動能的計(jì)算方法，表達(dá)式如下：

式中：P、E代表一次侵蝕性降雨量(mm)及其總動能(J/m2)。USLE 方程以12.7mm 作為侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合白石廠小流域褐土坡地實(shí)際情況和相關(guān)研究資料設(shè)定侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)10.0mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 相關(guān)性分析

土壤可蝕性在很大程度上決定了侵蝕量，而水蝕等外界動力條件主要來源于降雨，雨滴落地時對土壤形成擊濺作用，降雨徑流沖刷地表從而造成水土流失，故降雨動能、雨強(qiáng)、降雨量等特性與土壤侵蝕密切相關(guān)。本研究利用SPSS 20.0 和Excel 軟件對徑流量、侵蝕量與降雨個因子進(jìn)行回歸分析以及相關(guān)性分析，計(jì)算結(jié)果如表1。其中，“*”、“**”代表0.05 和0.01 水平上的顯著相關(guān)。

表1 侵蝕量、徑流量與降雨各因子相關(guān)性

1）降雨各因子與侵蝕量的相關(guān)性。從表1 可以看出，I30、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、降雨侵蝕力、徑流量均與侵蝕量呈極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)依次為0.522、0.675、0.694、0.713、0.732、0.810；降雨歷時、降雨強(qiáng)度與侵蝕量呈顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)依次為0.305、0.360。因此，侵蝕量受降雨各特征量的影響較大。

2）降雨各因子與徑流量的相關(guān)性。從表1 可以看出，降雨歷時、降雨侵蝕力、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、侵蝕量均與徑流量呈極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)依次為0.426、0.602、0.735、0.751、0.767、0.810；降雨強(qiáng)度與徑流量不存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.145。因此，場次降雨徑流量受侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能等因子的影響也很大。

3）徑流量與侵蝕量的相關(guān)性。從表1 可以看出，徑流量與侵蝕量存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.810，表明土壤侵蝕受降雨地表徑流的影響不容忽視，該結(jié)論與王麗園等[18]研究成果保持一致，即坡面產(chǎn)沙量受坡度的影響程度隨坡度的增加而提高，坡度不超過15°時坡面產(chǎn)沙具有較大波動。

2.2 回歸分析

依據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，采用SPSS 20.0 和Excel 軟件分析降雨特征量對徑流量、侵蝕量的綜合影響以及徑流量、降雨侵蝕力對侵蝕量的影響，經(jīng)回歸分析建立相應(yīng)的估算方程。

1）降雨侵蝕力與侵蝕量的關(guān)系。通過擬合分析降雨侵蝕力與侵蝕量，可建立降雨量與侵蝕量多項(xiàng)式關(guān)系如圖1 所示，擬合優(yōu)度Q2=0.8981。其中，G代表土壤侵蝕量(kg)，R代表降雨侵蝕力(hJ·mm·m-2·h-1)。

圖1 降雨侵蝕力與侵蝕量的擬合曲線

2）徑流量與侵蝕量的關(guān)系。通過比較分析徑流量與侵蝕量的關(guān)系[19-21]，可生成冪函數(shù)形式的擬合方程，擬合優(yōu)度Q2如表2 所示，表達(dá)式如下：

表2 侵蝕量與徑流量的擬合方程參數(shù)值

式中：V、G代表徑流量(m3)和侵蝕量(kg)。

3）侵蝕量受降雨特征量的綜合影響。通過線性逐步回歸分析降雨各特征量值和侵蝕量生成3 種擬合方程，第3 個方程的擬合優(yōu)度Q2最大(表3)，其表達(dá)式如下：

表3 侵蝕量受降雨特征量的綜合影響方程參數(shù)值

式中：R、E、I代表降雨侵蝕力(hJ·mm·m-2·h-1)、降雨動能(J·m-2)和平均降雨強(qiáng)度(mm·h-1)。

4）徑流量受降雨特征量的綜合影響。通過線性逐步回歸分析降雨徑流量和各特征量值生成2 種擬合方程，第2 個方程的擬合優(yōu)度Q2最大(表4)，其表達(dá)式如下：

表4 徑流量受降雨特征量的綜合影響方程參數(shù)值

式中：H代表侵蝕性降雨量(mm·h-1)，其它字母含義同上。

3 結(jié)論

1）遼西低山丘陵褐土區(qū)一次降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕量與I30、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、降雨侵蝕力、徑流量等呈極顯著相關(guān)性；一次降雨產(chǎn)生的徑流量與降雨歷時、降雨侵蝕力、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、侵蝕量等特征量呈極顯著相關(guān)性；徑流量與侵蝕量呈極顯著相關(guān)性，通過采取增加植被覆蓋等影響徑流量的措施有利于水土保持。

2）通過擬合分析建立降雨各特征量因子對徑流量、侵蝕量的綜合影響方程及徑流量、降雨侵蝕力對侵蝕量的影響方程，結(jié)合實(shí)測降雨數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確估計(jì)侵蝕量和徑流量，為水土保持工作提供科學(xué)指導(dǎo)。