滿建利,姜 成,彭紅霞,宋 建

(1.中國地質大學 地球科學學院,武漢430074;2.中國地質大學生物地質與環(huán)境地質教育部重點實驗室,武漢430074;3.秭歸縣水土保持試驗站,湖北秭歸 443600;4.濟寧學院附中地理組,山東濟寧272000)

水土流失是指在水流作用下,土壤被侵蝕、搬運和沉淀的整個過程。這里我們討論的水土流失是由于水力侵蝕造成的水土流失。水土流失發(fā)生緩慢,可是破壞力很強,可以使得梯田、水塘、水庫、湖泊、河道等發(fā)生淤積;加劇洪水泛濫;在山區(qū)容易引發(fā)山體滑坡、泥石流等災害。鑒于水土流失對生態(tài)及社會造成破壞性的影響,水土流失問題已經(jīng)成為國內外研究的熱點問題。本文就秭歸縣張家沖小流域水土流失狀況進行研究,力圖找出降雨因子及其不同利用方式的土地對水土流失的影響,發(fā)現(xiàn)此地水土流失的規(guī)律。這既有利于改善生態(tài)環(huán)境,又有利于保持水土,減少注入長江泥沙,對于推動庫區(qū)水土流失治理、提高坡地持續(xù)生產(chǎn)能力、擴大庫區(qū)環(huán)境容量,具有一定的理論研究意義和實際應用價值。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)布設在湖北省秭歸縣張家沖小流域內,屬亞熱帶大陸性季風氣候,氣候溫和,雨量充沛。年均降水量為1 006.8 mm,年均氣溫17.9℃。

1.1.1 研究區(qū)所在的流域狀況 張家沖小流域系茅坪河支流,距三峽大壩5 km,距秭歸新縣城8.5 km,3條支流覆蓋全流域,在甕橋溝匯集流入茅坪河。流域內共有176戶,土地總面積1.62 km2,共有耕地43.2 hm2(大于 25°的耕地 15.6 hm2),林地98.1 hm2(其中疏幼林地40.7 hm2,經(jīng)果林7.5 hm2),草地3.3 hm2,荒山荒坡8 hm2,非生產(chǎn)用地9.3 hm2。

1.1.2 地質地貌及植被狀況 該流域屬山地丘陵地貌,最低海拔148 m,最高海拔530 m。下部較為平緩,中上部坡度較陡。該流域屬典型的花崗巖出露發(fā)育區(qū)域,土壤為花崗巖母質出露發(fā)育的石英砂土,植被以亞熱帶常綠、落葉闊葉林和針闊混交林為主,林特資源有低山河谷的柑桔,半高山的茶葉、板栗,高山的木材,林草覆蓋率達到62.6%。

1.1.3 水土流失狀況 按水土流失發(fā)生的原因和表現(xiàn)形式,水土流失類型可分為水力侵蝕、重力侵蝕和風力侵蝕3種主要類型。在此小流域范圍內,水土流失類型主要為水力侵蝕,侵蝕類型主要為面蝕,局部地區(qū)有溝蝕,多發(fā)生在花崗巖、紫色砂頁巖、頁巖泥巖出露的坡耕地、疏殘幼林和植被覆蓋率低的地帶[2]。由于面蝕涉及面積廣,被侵蝕的多是肥沃的表層土,既流失土壤,又損失肥力,因此水土流失是造成花崗巖區(qū)土壤地力、土地生產(chǎn)力降低的主要因子之一。據(jù)調查,張家沖流域2003年有水土流失面積0.97 km2,占土地總面積的60%,其中輕度流失24.1 hm2,占流失總面積的24.8%,中度流失49.5 hm2,占 50.9%,強度流失 8.0 hm2,占 8.2%,極強度流失15.6 hm2,占16%。土壤侵蝕總量達到6 705 t/a,水土流失十分嚴重。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗區(qū)設置 為了探索花崗巖性區(qū)水土流失規(guī)律,秭歸縣水土保持局在張家沖小流域設立水土保持試驗站,試驗站于2002年9月1日正式動工興建[3]。本文數(shù)據(jù)主要來源于卡口站和標準試驗小區(qū)。標準試驗小區(qū)由坡地和觀測水池組成,坡地為面積 20 m2,坡長 11.03 m,坡度 25°的長方形,每個坡地出水口建容積為1.5 m×1.5 m×1.5 m的觀測水池,這10個試驗小區(qū)布設情況為:1石坎梯種糧、2土坎梯種柑、3土坎籬種柑、4坡籬種糧、5坡籬種茶、6坡籬種柑、7坡地種糧、8坡地種茶、9坡地種柑、10荒坡地。試驗小區(qū)的外緣都用石灰堆砌,防止客水的進入。試驗小區(qū)種植的糧食作物為黃豆,花生或者油菜。10月中旬播種油菜,5月左右油菜收割,5月末期播種回茬黃豆或者花生,次年的9月份收割,經(jīng)濟林主要以柑橘和茶為主。

1.2.2 觀測內容及觀測方法 該試驗的觀測內容主要有年總降雨量、侵蝕雨量、侵蝕降雨次數(shù)、次平均雨量、侵蝕模數(shù)大小,觀測的方法主要是

(1)SL1型遙測雨量觀測:08:00定時調試自計鐘,更換自計記錄紙,同時以人工雨量器觀測的雨量校正自計雨量觀測讀數(shù)。

(2)雨量器降水量觀測:將雨量器接水桶內的雨量倒入量杯讀數(shù)。讀數(shù)時用手握住量杯的上口,水印線與眼睛視線在同一水平線上,量杯上有一虛一實兩條水印線,讀數(shù)讀實線,精確到0.1 mm。最后做好記錄。

(3)泥沙含量的觀測:采用普通器皿取樣,取樣與測速同步進行,泥沙測點與流速垂線相重合。泥沙處理采用慢性濾紙過濾,然后將沙包放入電熱干燥恒溫箱在105～110℃狀態(tài)下,恒溫烘8～10 h,冷確后用電子天平稱重,計算含泥量。

(4)徑流觀測:采用流速面積法測量。一般先選測流斷面,以順直、比降均一、無寬窄變化為好,并設置上、下游兩個測流斷面,間距一般在30 m左右。斷面確定后,量測斷面形狀、尺寸,計算出斷面面積。該河段過水斷面面積為上、下斷面的平均值。流速測定可用流速儀,流速儀測流受斷面流速分布不均的影響,若水深不很大,可在水深2/3處測量,并在斷面上每隔一定距離(視水面寬和測流精度確定)一般2 m測量一次;若水深大,應布設測深垂線,并在每垂線上0.2 h、0.6 h和0.8 h處(三點法)或0.2 h、0.8 h(二點法)水深處測速;測速時間應在100 s以上。流速儀測得多點流速后,常用流速等值線法計算流量和平均流速。方法是先繪制斷面流速分布曲線,再從最大流速開始,每條線與水面線所包之面積可用求積儀測出。再以縱座標為流速,橫座標為面積繪成流速面積曲線,該曲線所包圍的面積,即為斷面流量。

2 結果與分析

2.1 降雨因素與土壤侵蝕量的關系

水土流失是由于系統(tǒng)能量、物質過剩引起的,能量過剩是水土流失的根源,物質過剩是水土流失的基礎[4]。水土流失的影響因子在于土壤本身條件和外在的條件,如土壤因子為土壤本身的屬性,而植被覆蓋度、土地利用方式、降水因素、人類活動等外界的影響,是目前導致水土流失的重要的制約因素。當然由于各地的自然和社會情況不同,影響各地水土流失的原因因地而異。在本研究的過程中,在空間上,由于選取的是一個試驗小區(qū)范圍,而且觀測的年限是短期的,所以除降水因素之外,其他的影響因素可以視為是穩(wěn)定的。

表1 降雨因素與侵蝕模數(shù)比較

由表1看出,侵蝕模數(shù)與降雨總量并不成正相關,2004年的總的降雨量為1 187.3 mm,侵蝕模數(shù)80 t/(km2·a);2006年總降雨量為1 176.2 mm,但侵蝕模數(shù)為475 t/(km2·a);2007年總的降雨量為1 356.0 mm,侵蝕模數(shù)為72 t/(km2·a)。2004年與2006年兩年份的降雨總量其實屬于同一量級,差別不大,可是侵蝕模數(shù)卻比2006年小375 t/(km2·a),2007年與2008年情況與2004年和2006年情況類似。

在所有降雨中,只有部分降雨產(chǎn)生地表徑流,進而引起土壤流失,這部分降雨稱為侵蝕性降雨[5]。侵蝕雨量即降雨轉化為徑流后可對土壤造成侵蝕的雨量。侵蝕雨量理論上應該與侵蝕模數(shù)成正相關,所測數(shù)據(jù)卻并非如此,由表1可以看出,但隨著次平均雨量的增加,侵蝕模數(shù)會相應增加。2004年的次平均雨量為18.33 mm,侵蝕模數(shù)為8 080 t/(km2·a);2006年的次平均雨量為36.40 mm,侵蝕模數(shù)為475 t/(km2·a);這個規(guī)律并不是通用的,2007年的次平均雨量就比2005年的多,可是侵蝕模數(shù)卻比2005年的小。從動力角度考慮,若流域降雨量大,但歷時長,強度低,則輸沙量未必大;如果雨量大,強度高,則輸沙量必然大[6]。通過分析可以得出土壤侵蝕量與降雨量、降雨強度和侵蝕雨量有關系。比較這幾年的數(shù)據(jù)可以看出,2008年的總降雨量,侵蝕雨量最大,所以土壤的侵蝕模數(shù)最大。

2.2 不同試驗小區(qū)相同降雨條件下侵蝕模數(shù)對比

同年中10個試驗小區(qū)的土壤因子值、降雨因子值、坡面長度因子值、坡度因子值、水保措施因子值是相同的,僅僅是耕作管理方式的不同。因此下文將討論在不同的耕作管理方式下,水土流失的規(guī)律。

2.2.1 糧食作物種植在不同改良方式的土地上侵蝕模數(shù)對比 同年,在不同的試驗小區(qū)種植同一作物,由于土地利用方式不同,所以在相同的降雨條件下,侵蝕模數(shù)不同。如表2所示,1,4,7分別為石坎梯、坡籬地、坡地,都種植糧食作物,在相同的條件下,2004年坡籬種糧地的土壤侵蝕模數(shù)最小,為18.854 t/(km2·a)。對比2005-2008年的數(shù)據(jù),坡籬地的土壤侵蝕模數(shù)除2005年的數(shù)值大于石坎梯和坡地外,其余的侵蝕模數(shù)相對都較小。2005年種植的糧食作物為油菜,由于油菜的長勢不同,石坎梯和坡籬地作物的覆蓋面積為30%,坡地為40%,覆蓋面積在不同的試驗區(qū)影響了侵蝕量。但這5 a總侵蝕模數(shù)坡籬地種糧的最小,計算得出為73.704 t/km2,其他依次坡地種糧227.896 t/km2,石坎梯種糧231.262 t/km2。

表2 不同的土地上種植糧食作物的侵蝕模數(shù)

2.2.2 同一經(jīng)濟作物種植在不同改良方式的土地上侵蝕模數(shù) 表3中的數(shù)據(jù)顯示了同一經(jīng)濟作物柑橘種植在不同利用方式的土地上侵蝕模數(shù)的大小。經(jīng)計算,坡籬地的總土壤流失量最小為133.315 t/km2。在這幾種不同的利用方式土地上,2004-2008年這5 a平均土壤侵蝕模數(shù)分別為73.147 2 t/(km2·a)、43.500 8 t/(km2·a)、26.663 t/(km2·a)和45.623 4 t/(km2·a),其中坡籬種柑地的平均水土流失量最小,其次為土坎籬種柑、坡地種柑,土坎梯種柑低的水土流失量最大。

由于秭歸縣的自然條件適合于茶樹生長,所以當?shù)鼐用竦闹饕?jīng)濟作物是柑橘和茶樹,茶樹種植不僅可增加農(nóng)民收入,還可治理水土流失。由較表4可以看出坡籬地種茶的水土流失量小于坡地。2004-2008年坡籬地的水土流失總量為75.908 t/km2,坡地為124.909 t/km2?；钠碌丶礋o人管理沒有,任其自由生長雜草的坡地,它總的水土流失量為91.964 t/km2,荒坡地在這里與糧食作物及經(jīng)濟作物地做對比,試圖比較分析有無管理因子條件下水土流失量的大小。

表3 不同的土地上種植柑橘的侵蝕模數(shù)

表4 不同土地種植茶樹的侵蝕模數(shù)

3 結論

從以上綜合分析可以得出降雨因素和土壤侵蝕模數(shù)的關系以及不同的土地利用方式下土壤侵蝕模數(shù)的大小。在除降雨因子發(fā)生變化下,同一地區(qū),土壤侵蝕量與高強度、大降雨量和大侵蝕雨量有密切關系。至于在不同改良方式下的試驗區(qū),由于植物籬笆對雨水有一定的截留作用,種植相同的糧食作物坡籬地的土壤侵蝕模數(shù)最小,坡地種糧和石坎梯種糧的土壤侵蝕模數(shù)依次增大;相同的經(jīng)濟作物條件下,坡籬地的水土流失量也為最小,但是種植茶樹的試驗區(qū)的水土流失量要小于坡籬種柑區(qū),坡籬種茶地的5 a總水土流失總量為75.908 t/km2,坡籬種柑區(qū)為133.315 t/km2。這10個試驗小區(qū)的水土流失量有小到大依次為4坡籬地種糧、5坡籬種茶、10荒坡地、8坡地種茶、6坡籬種柑、3土坎籬種柑、7坡地種糧、9坡地種柑、1石坎梯種糧、2土坎梯種柑。

事實證明,在相同的背景下,土壤侵蝕量不是降雨因子的單一方面的原因,而是多種降雨因子共同作用的結果。在水土流失治理植物措施配置時,可以大力提倡植物籬笆與糧食或經(jīng)濟作物混種,不僅可以提高當?shù)鼐用竦氖找?對于水土流失的治理也可以收到良好的效果。

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