譚順菊，高華端，代　裕

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025； 2.貴定縣德新鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，貴州 貴定551300)

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羊雞沖小流域主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響

譚順菊1,2，高華端1，代裕1

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院，貴州 貴陽550025； 2.貴定縣德新鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，貴州 貴定551300)

砂頁巖；坡耕地；土壤侵蝕；雨型；徑流；泥沙

根據(jù)羊雞沖小流域坡耕地野外徑流小區(qū)徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)及降雨特征資料，研究主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明：侵蝕性降雨主要發(fā)生在6—9月，尤其7月的降雨量、產(chǎn)沙量、降雨侵蝕力最大；依據(jù)降雨量、降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)劃分的3類雨型，聚類效果較好，3類雨型降雨頻率呈C雨型>B雨型>A雨型，單位面積侵蝕量呈B雨型>C雨型>A雨型；B雨型單位面積侵蝕量與雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)呈冪函數(shù)關(guān)系，C雨型單位面積侵蝕量與降雨量呈冪函數(shù)關(guān)系；A雨型單位面積侵蝕量與徑流系數(shù)呈線性相關(guān)，C雨型單位面積侵蝕量與徑流深呈冪函數(shù)關(guān)系。

以云貴高原為中心的西南喀斯特地區(qū)是世界上面積最大、最集中連片的喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)。貴州省地處云貴高原東部，以山地和丘陵為主，坡耕地面積占耕地總面積的61.01%[1]，脆弱的生態(tài)環(huán)境加上人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，造成人地矛盾突出、植被破壞、巖石裸露、土地生產(chǎn)力衰退甚至喪失，水土流失日益嚴(yán)重。為了解云貴高原侵蝕產(chǎn)沙過程，尤其是坡耕地土壤侵蝕特征，許多學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[2-6]，但是成果大多集中在典型喀斯特巖溶地區(qū)降雨-徑流-產(chǎn)沙規(guī)律方面，對砂頁巖地區(qū)不同雨型土壤侵蝕特征的研究成果較少。基于此，本研究以羊雞沖小流域坡耕地野外徑流小區(qū)40次侵蝕性降雨徑流泥沙資料為依據(jù)，分析主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響，旨在揭示不同雨型的土壤侵蝕規(guī)律，以期為黔中砂頁巖地區(qū)水土流失預(yù)測及防治提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔南州龍里縣東城郊羊雞沖小流域，地理位置E107°00′53″、N26°26′58″。該流域?qū)匍L江流域?yàn)踅?，流域面積11.89 km2，有水土流失面積7.41 km2，是國家珠江南北盤江水土流失重點(diǎn)治理區(qū)和貴州省人民政府公布的水土流失重點(diǎn)治理監(jiān)督區(qū)。氣候類型為北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，年均降水量1 089 mm，年均氣溫14.8 ℃。土壤類型為黃壤，成土母質(zhì)為砂頁巖，土壤黏性差、透水性強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重[7]。

2　研究方法

2.1徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

在研究區(qū)25°坡面上布設(shè) 2 個(gè)坡耕地徑流小區(qū)種植玉米。小區(qū)垂直投影坡長 15 m、寬 5 m，土層厚度 80 cm，四周有混凝土圍埂，圍埂地上部分 30 cm、地下部分45 cm，順坡底部設(shè)置水泥集流槽、集流池和一級分流池，集流池采用九孔分流與一級分流池連接。

2.2數(shù)據(jù)采集與處理

監(jiān)測時(shí)間為2006—2008年。在徑流小區(qū)旁用自記雨量計(jì)監(jiān)測降雨量。侵蝕性降雨，即降雨后有產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨?？紤]土壤前期含水量對侵蝕過程的影響，相鄰兩次降雨時(shí)間間隔小于6 h的記為一次降雨。每次降雨后，測量集流池渾水徑流深，并取1 L水樣(3個(gè))到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干處理，計(jì)算水樣含沙率和小區(qū)產(chǎn)沙量。數(shù)據(jù)處理分析采用SPSS 17.0和Excel 2007。降雨侵蝕力計(jì)算參照文獻(xiàn)[8]，計(jì)算公式為

(1)

式中：R為降雨侵蝕力,m·t·cm/(hm2·h)；P為降雨量，mm；I30為最大30min雨強(qiáng)，mm/h。

3　結(jié)果與分析

3.1侵蝕性降雨特征

對2006—2008年有準(zhǔn)確降雨徑流資料的40次侵蝕性降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)侵蝕性降雨主要發(fā)生在6—9月，期間降雨次數(shù)35次，累積降雨量1 000.3mm，占樣本降雨總量的88.12%，累積徑流量6.23m3，占樣本徑流總量的89.26%，累積產(chǎn)沙量899.45g，占樣本產(chǎn)沙總量的91.94%，累積徑流深98.39mm，占樣本總徑流深的90.73%。每年11月至次年3月為貴州的少雨季節(jié)，降雨量少，幾乎不發(fā)生侵蝕性降雨。4—10月之間：7月降雨量、徑流量、產(chǎn)沙量、降雨侵蝕力達(dá)到峰值；5月和10月侵蝕性降雨次數(shù)均為2次，但5月的降雨量、徑流量、產(chǎn)沙量和降雨侵蝕力均大于10月；6月和9月侵蝕性降雨次數(shù)均為7次，6月的降雨量、產(chǎn)沙量和降雨侵蝕力大于9月，但徑流量卻小于9月。

3.2侵蝕性降雨雨型劃分

土壤侵蝕程度與侵蝕性降雨雨型密切相關(guān)，不論是按降雨量等級劃分的雨型還是按降雨歷時(shí)劃分的雨型都是基于單一變量的影響，不能很好地反映侵蝕性降雨特征。為了能更準(zhǔn)確地研究侵蝕性降雨與土壤侵蝕之間的關(guān)系，以及各種雨型侵蝕能力的大小，本研究以降雨量、降雨歷時(shí)、雨強(qiáng)為特征變量，采用聚類分析和判別分析相結(jié)合的方法，對上述40次侵蝕性降雨進(jìn)行分類。結(jié)果顯示，當(dāng)40次降雨被劃分為3類雨型時(shí)，降雨歷時(shí)和雨強(qiáng)兩個(gè)特征變量的聚類函數(shù)和判別函數(shù)顯著性檢驗(yàn)概率<0.01，聚類效果較好，即3 類雨型的聚類函數(shù)散點(diǎn)分別聚集在3個(gè)相對集中的區(qū)域，其中C雨型相對分散、A雨型和 B雨型更為集中，不同雨型間邊界清晰無交集。

3.3不同雨型降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙情況

根據(jù)聚類結(jié)果分類統(tǒng)計(jì)不同雨型的降雨特征，并將各特征指標(biāo)的分位數(shù)25%和75%所對應(yīng)的取值，經(jīng)適當(dāng)取整，作為相應(yīng)雨型降雨特征指標(biāo)的一般變化范圍(表2)。將不同雨型的特點(diǎn)歸納為：A雨型，小雨量、短歷時(shí)、大雨強(qiáng)、低頻次降雨，降雨量12～22 mm，降雨歷時(shí)0.5～1.0 h，雨強(qiáng)21～22 mm/h，降雨侵蝕力4.6～18.1 m·t·cm/(hm2·h)；B雨型，大雨量、長歷時(shí)、小雨強(qiáng)、中頻次降雨，降雨量15～52 mm，降雨歷時(shí)15～23 h，雨強(qiáng)0.7～3.2 mm/h，降雨侵蝕力0.8～15.6 m·t·cm/(hm2·h)；C雨型，中雨量、中歷時(shí)、中雨強(qiáng)、高頻次降雨，降雨量11～35 mm，降雨歷時(shí)5～10 h，雨強(qiáng)1.8～5.0 mm/h，降雨侵蝕力1.2～19.9 m·t·cm/(hm2·h)。

表2　不同雨型侵蝕性降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征值

注：V75為75%分位數(shù)對應(yīng)的數(shù)值；V25為25%分位數(shù)對應(yīng)的數(shù)值；P為降雨量，mm；T為降雨歷時(shí)，h；I為雨強(qiáng)，mm/h；I30為最大30 min雨強(qiáng)，mm/h；I60為最大60 min雨強(qiáng)，mm/h；R為降雨侵蝕力，m·t·cm/(hm2·h)；L為徑流量，m3；S為產(chǎn)沙量，g；DQSL為單位面積土壤侵蝕量，t/km2。

不同降雨類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)顯示，40次侵蝕性降雨中，A型、B型、C型分別有3、14、23次，分別占樣本總數(shù)的7.5%、35.0%和57.5%。可見在研究區(qū)，C雨型發(fā)生頻率較高，B雨型次之，A雨型最低，即中雨量、中歷時(shí)降雨次數(shù)最多，大雨量、長歷時(shí)降雨次數(shù)次之，小雨量、短歷時(shí)降雨次數(shù)最少。3類雨型累積降雨量分別占樣本降雨總量的4.76%、41.79%和53.45%，累積徑流量分別占樣本徑流總量的3.59%、42.18%和54.23%，累積產(chǎn)沙量分別占樣本產(chǎn)沙總量的2.01%、30.43%和67.56%；平均降雨侵蝕力分別為10.47、12.05、17.44 m·t·cm/(hm2·h)，C雨型>B雨型>A雨型；單位面積侵蝕量分別為0.09、2.38、0.38 t/km2，B雨型>C雨型>A雨型。雨型的劃分可反映出不同降雨類型的土壤侵蝕規(guī)律，即研究區(qū)中頻次、大雨量、長歷時(shí)次降雨的單位面積侵蝕量最大，在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)采用工程、植物和耕作措施做好重點(diǎn)防治，減少水土流失。

3.4各雨型DQSL與降雨特征指標(biāo)的關(guān)系

將各雨型對應(yīng)的DQSL與降雨特征指標(biāo)(P、T、I、I30、I60、R)進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。A雨型DQSL與各降雨特征指標(biāo)無明顯相關(guān)性；B雨型DQSL與I、I30在0.05水平上顯著相關(guān)；C雨型DQSL與P在0.01水平上顯著相關(guān)，與I60在0.05水平上顯著相關(guān)。

表3　各雨型降雨特征指標(biāo)與DQSL的相關(guān)性分析

注：**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，下同。

為進(jìn)一步得出DQSL與各特征變量的函數(shù)關(guān)系，對顯著相關(guān)的變量進(jìn)行回歸分析(圖1)，結(jié)果顯示：B雨型DQSL與I呈冪函數(shù)關(guān)系，y=0.097x1.223(R2=0.661)，與I30呈冪函數(shù)關(guān)系，方程為y=0.015x1.123(R2=0.653)；C雨型DQSL與P呈冪函數(shù)關(guān)系，y=0.004x1.157(R2=0.308)。土壤侵蝕的發(fā)生與降雨量、降雨歷時(shí)和植被覆蓋等因素密切相關(guān)。本研究中，A雨型DQSL與降雨特征指標(biāo)無明顯相關(guān)性，原因可能是此類雨型樣本少，分析軟件不能很好地做出分析預(yù)測，關(guān)于此類雨型DQSL與降雨特征的關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。B雨型DQSL與I、I30呈冪函數(shù)關(guān)系，前者系數(shù)和冪指數(shù)均大于后者，說明在坡耕(玉米)地上，I對土壤侵蝕的影響大于I30。土壤侵蝕主要受降雨量、降雨歷時(shí)、植被覆蓋的影響，降雨時(shí)雨滴經(jīng)枝葉的截流阻礙后降落到地表，引起表土流失，因此如果降雨量小或者降雨歷時(shí)短，土壤侵蝕就可能較小。C雨型是自然界最常見的雨型——中雨量、中歷時(shí)、中雨強(qiáng)、高頻次，分析結(jié)果顯示其DQSL與P、I60呈冪函數(shù)關(guān)系?？梢娫谘芯繀^(qū)坡耕地上，土壤侵蝕主要受降雨量和雨強(qiáng)影響。

圖1　單位面積土壤侵蝕量與降雨特征指標(biāo)的關(guān)系

3.5各雨型DQSL與產(chǎn)流特征指標(biāo)的相關(guān)性分析

對各雨型DQSL與產(chǎn)流特征指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)。結(jié)果顯示：A雨型DQSL與徑流系數(shù)在0.05水平上顯著相關(guān)；B雨型DQSL與產(chǎn)流特征指標(biāo)無明顯相關(guān)性；C雨型DQSL與徑流量、徑流深在0.01水平上顯著相關(guān)。

表4　各雨型產(chǎn)流特征指標(biāo)與侵蝕模數(shù)的相關(guān)性分析

對關(guān)系顯著的指標(biāo)進(jìn)行回歸分析(圖2)。結(jié)果顯示：A雨型DQSL與徑流系數(shù)呈線性相關(guān)，方程為y=1.342x-0.014(R2=0.996)；C雨型DQSL與徑流深呈冪函數(shù)關(guān)系，方程為y=0.092x1.185(R2=0.451)。A雨型是小雨量、大雨強(qiáng)型降雨，降雨發(fā)生時(shí)由于雨滴初始動(dòng)能較大，對土壤顆粒的機(jī)械破壞作用強(qiáng)，能有效分散粗大土壤顆粒，因此當(dāng)降雨量一定時(shí)徑流量越大，產(chǎn)沙量越大。B雨型是大雨量、長歷時(shí)型降雨，降雨開始一段時(shí)間后，地表開始產(chǎn)流產(chǎn)沙，隨著時(shí)間的持續(xù)產(chǎn)沙量不斷增加，當(dāng)?shù)乇砑?xì)小土壤顆粒越來越少或者幾乎沒有時(shí)，產(chǎn)沙量不再隨徑流量而變化，因此總體規(guī)律不明顯。C雨型徑流深與侵蝕模數(shù)呈冪函數(shù)關(guān)系，侵蝕規(guī)律介于A雨型與B雨型之間。

圖2　單位面積土壤侵蝕量與產(chǎn)流特征指標(biāo)的關(guān)系

4　結(jié)　論

在羊雞沖小流域坡耕地徑流小區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)表明，黔中砂頁巖地區(qū)不同雨型對坡耕地土壤侵蝕影響程度有所不同，主要有：①侵蝕性降雨主要發(fā)生在6—9月，期間降雨次數(shù)共35次，累積降雨量1 000.3 mm，累積徑流量6.23 m3，累積產(chǎn)沙量899.45 g，尤其7月份侵蝕性降雨量、產(chǎn)沙量、降雨侵蝕力最大。②3類雨型降雨頻率呈C雨型>B雨型>A雨型，DQSL呈B雨型>C雨型>A雨型。③A雨型DQSL與各降雨特征指標(biāo)無明顯相關(guān)性，B雨型DQSL與I、I30呈冪函數(shù)關(guān)系，C雨型DQSL與P呈冪函數(shù)關(guān)系。④A雨型DQSL與徑流系數(shù)呈線性相關(guān)，B雨型DQSL與產(chǎn)流特征指標(biāo)無明顯相關(guān)性，C雨型DQSL與徑流深呈冪函數(shù)關(guān)系。上述研究成果對黔中砂頁巖地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

2016-01-15

貴州省教育廳教改項(xiàng)目(黔教研合JYSZ字〔2014〕003)

S157

A

1000-0941(2016)04-0044-04

譚順菊(1987—)，女，貴州清鎮(zhèn)市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閰^(qū)域水土保持與環(huán)境；通信作者高華端(1965—)，男，貴州織金縣人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閰^(qū)域水土保持與環(huán)境。