楊 青

(安順學(xué)院資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 安順 561000)

喀斯特地區(qū)地勢陡峭,地形破碎,水土流失嚴(yán)重[1,2]。水土流失將導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失和土地退化,是當(dāng)前最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[3],對于區(qū)域甚至全球生態(tài)安全及人類社會發(fā)展造成嚴(yán)重的威脅[4]。降雨量、降雨強度、植被和許多其他因素會導(dǎo)致斜坡上產(chǎn)生徑流和泥沙。研究表明,植被可以增加土壤入滲,減少徑流和流速,提高水土流失和抗侵蝕能力[5]。并且植被覆蓋度與徑流和土壤流失之間存在很強的相關(guān)性[6,7]。產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量是表征土壤侵蝕強度的2個重要指標(biāo),受降雨量、植被、前期土壤含水量、基巖裸露率等多種因素綜合影響[8-11]。中國土壤流失方程CSLE,在CSLE模型中,用B因子(生物措施)、E因子(工程措施)和T因子(耕作措施)模擬不同水土保持措施下坡耕地的年平均土壤流失量,更加符合我國水土流失的現(xiàn)狀[12-14],被廣泛應(yīng)用于我國許多地區(qū)的土壤侵蝕評價[15-20]?？λ固丨h(huán)境特殊而復(fù)雜,使用非巖溶地區(qū)的侵蝕分類標(biāo)準(zhǔn)來計算水土流失,將對巖溶地區(qū)的水土保持和生產(chǎn)生活產(chǎn)生極其不利的影響[1]。貴州省是西南地區(qū)喀斯特地貌最典型的省份之一,利用長時間序列的坡面徑流小區(qū)數(shù)據(jù),研究不同水土保持措施坡面的徑流泥沙運移規(guī)律,估算水土保持因子值,可填補該地區(qū)的空白。

本研究利用貴州省遵義市滸洋水小流域2016—2018年徑流小區(qū)觀測數(shù)據(jù),重點研究不同水土保持措施下坡面徑流泥沙動態(tài)規(guī)律,以及水土保持因子值的模擬研究。為更全面地揭示喀斯特山區(qū)土壤侵蝕特征,為喀斯特地區(qū)黃壤坡面水土保持因子值研究提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省遵義市滸洋水小流域坡面徑流場位于遵義市西部樂山鎮(zhèn)與鴨溪鎮(zhèn)交界處,地理位置為N27°36′20″,E106°39′59″。監(jiān)測點所在流域?qū)贋踅灯珟r河支流的上游,流域面積20.87km2。多年平均氣溫為14.6℃,降雨多集中5—9月,占全年降雨量67%,平均年相對濕度82%；土壤以黃壤土為主,平均土層厚度在50～70cm。

研究區(qū)監(jiān)測點始建于2004年,坡面徑流小區(qū)共7個,于2015年6月遷建,2016年啟動觀測,坡面徑流小區(qū)的坡度、坡向、土壤、地貌基本一致,徑流小區(qū)水平投影寬度均為5m,小區(qū)水平投影長度均為20m,坡度為15°；小區(qū)設(shè)置不同土地利用分類,1＃小區(qū)為耕地(順坡耕作播種玉米),2＃小區(qū)為耕地(等高耕作播種玉米),3＃小區(qū)為經(jīng)果林(寶石李),4＃小區(qū)為經(jīng)果林(矮晚柚),5＃小區(qū)為經(jīng)濟林(茶樹),6＃小區(qū)為人工喬木林(香樟),7＃小區(qū)為耕地(裸荒對照小區(qū))。

1.2 研究方法

本研究采用7個徑流小區(qū)2016—2019年降雨、徑流、泥沙等實測數(shù)據(jù),對實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計分析,結(jié)合SPSS軟件進行統(tǒng)計描述,檢驗離群值和極端值,并剔除異常值。

1.2.1 入滲率的計算方法

對各小區(qū)的入滲率進行計算,入滲率公式:

式中,R入滲是入滲率,mm·min-1；RAIN是降雨量,mm；RUN是徑流深,mm；T是降雨歷時,min。

1.2.2 BET值的意義及獲取

中國土壤流失方程(CSLE)是目前我國應(yīng)用最為廣泛的土壤侵蝕估算模型,與美國通用流失方程(USLE)相比,采用B、E、T因子來表示水土保持作用,更易歸類和便于使用。CSLE方程由降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長坡度等因子組成[12],具體表達(dá)式:

A＝RKLSBET

式中,A是年平均土壤侵蝕量,t·hm-2·a-1；R是降雨侵蝕性因子,MJ·mm/(hm2·h·a)；K是土壤可蝕性因子,t·hm2·h/(MJ·mm·hm2)；LS是地形因子(無量綱),L為坡長,S為坡度；B是生物措施因子(無量綱)；E是工程措施因子(無量綱)；T是耕作措施因子(無量綱)。

1.2.3 水土保持因子計算方法

一般根據(jù)當(dāng)?shù)刂脖活愋汀⒏髁?xí)慣和主要水土保持措施分別布設(shè)觀測小區(qū),同時布設(shè)相應(yīng)的對照小區(qū):休閑裸露農(nóng)地,與當(dāng)?shù)馗魍降奶镩g處理來保持清耕,植被蓋度不超過5%。B、E、T因子的計算公式:

B/E/T＝A/A0

式中,B、E、T因子指相同條件下,一種實施生物措施/工程措施/耕作措施的坡地的土壤流失量與連續(xù)休閑農(nóng)耕地土壤侵蝕量的比值；A代表某措施坡面的土壤流失量,t·hm-2·a-1；A0為對照小區(qū)的土壤流失量,t·hm-2·a-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

為分析降雨對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的影響,軟件分析了降雨與徑流深和土壤流失的相關(guān)性,模擬了2016—2019年3—8月降雨與徑流深度的線性關(guān)系。結(jié)果表明,不同土地利用類型下降雨、坡面徑流和產(chǎn)沙特征存在差異。

表1 降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙的相關(guān)性分析結(jié)果

通過SPSS,分別對徑流小區(qū)的降雨量、徑流深度、降雨侵蝕力和土壤流失進行了Person相關(guān)分析。一般來說,降雨侵蝕力與土壤流失呈正相關(guān),但由于植被具有一定的抑制作用,兩者之間的關(guān)系復(fù)雜且呈非線性關(guān)系。結(jié)果顯示,所有小區(qū)徑流深與土壤流失量均存在顯著的相關(guān)性[21]。其中,順坡耕種的玉米地(1＃徑流小區(qū))相關(guān)性R值最高,甚至高于對照組撂荒地(7＃徑流小區(qū))；等高耕種的玉米地(2＃徑流小區(qū))相關(guān)性R值則低于同樣種植玉米的1＃小區(qū)；6＃小區(qū)是人工喬木林,屬于水保林種植香樟,其相關(guān)性R值最小。

各小區(qū)的降雨量與徑流深和土壤流失量均呈正相關(guān),說明徑流量、土壤流失量隨著降雨量的增加而逐漸增加。但是,除3＃、7＃小區(qū)外,其余小區(qū)二者之間的相關(guān)性并不顯著；且4＃小區(qū)(經(jīng)果林種植柚子)其雨量與徑流深、土壤流失量均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,但是相關(guān)性均不顯著。

其中,1＃、2＃、3＃、5＃、6＃、7＃徑流小區(qū)徑流深與降雨量呈顯著正相關(guān),由圖1可以得出,當(dāng)降雨量＞13mm時,每個徑流樣地都產(chǎn)生地表徑流,因此,各徑流小區(qū)之間的侵蝕臨界降雨量沒有明顯差異。

圖1 徑流深與降雨量

徑流深與降雨量的斜率大小順序為0.1123(6＃)＞0.1057(3＃)＞0.0969(7＃)＞0.0766(1＃)＞0.0715(5＃)＞0.0625(2＃)；6＃徑流小區(qū)(水保林)的土壤對于雨滴擊濺和徑流沖刷的侵蝕敏感度最高,其次是3＃徑流小區(qū)(經(jīng)果林),7＃徑流小區(qū)(撂荒)；2＃徑流小區(qū)(等高耕種玉米)侵蝕敏感性最低。分析得出,不同土地利用群落的土壤理化性質(zhì)也不同,一般情況下,撂荒地的植被覆蓋率很小,一旦發(fā)生侵蝕性降雨,容易產(chǎn)生地表徑流,造成嚴(yán)重的水土流失。但在此次研究中6＃水保林(種植香樟)和3＃經(jīng)果林(種植李子)的侵蝕敏感度反而高于撂荒地,經(jīng)實地調(diào)查及徑流小區(qū)的特點分析得出,植被雖能對降雨造成的產(chǎn)流產(chǎn)沙有一定的調(diào)控能力,但6＃小區(qū)種植的香樟為常綠樹種,枯枝落葉較少,且栽種密度大,一定程度上抑制了林下雜草的生長,同時可能受到樹齡及覆蓋度的影響[21],所以其涵養(yǎng)水源效果不佳,導(dǎo)致減流效果不明顯,其侵蝕敏感度最高。而3＃經(jīng)果林(種植李子)由于要定時對其進行施肥、除草等田間管理措施,導(dǎo)致其侵蝕敏感性較高。

2.2 次降雨入滲對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

通過計算各小區(qū)的入滲率,結(jié)果表明,土壤入滲率隨著降雨強度的增加呈線性增加,且兩者之間的關(guān)系符合線性函數(shù)關(guān)系(P＜0.01):

R入滲＝a Rp-b

式中,a、b為常數(shù)；Rp為降雨強度,mm·h-1；此次研究結(jié)果的決定系數(shù)(R2)在0.95以上。

此外,入滲率與降雨歷時呈負(fù)相關(guān)。雨前土壤含水量對徑流的影響主要體現(xiàn)在降雨前期。各徑流區(qū)在降雨開始時的產(chǎn)流量存在差異,但當(dāng)降雨達(dá)到一定階段時,兩者的徑流生成過程會趨于相同。其中,入滲速率對水體的重力和雨滴撞擊土壤表面的沖量起關(guān)鍵作用,即降雨強度越大沖量越大,水流下滲速率越大。因此,降雨強度是影響土壤入滲的關(guān)鍵因素[23]。

2.3 水土保持因子B、E、T的估算

2.3.1 B因子計算方法

B因子表示生物措施,是指通過人工種植或保護改變地表覆蓋的各項措施,包括人工喬木林,人工灌木林地、經(jīng)濟林地(果園、茶園等)人工草地,以及以水土保持為目的通過政策法規(guī)封育、禁牧的天然林地和草地。本研究通過天然降雨得到不同土地利用徑流小區(qū)與對照裸地小區(qū)的土壤流失量,進而計算B因子值。計算公式:

B＝A植被/A撂荒

式中,B代表徑流小區(qū)生物措施值；A植被是有地表覆蓋小區(qū)的土壤流失量,t·hm-2·a-1,A撂荒是對照小區(qū)即撂荒地的土壤流失量,t·hm-2·a-1。

基于2016—2019年各徑流小區(qū)的實測數(shù)據(jù)計算,分析其動態(tài)變化規(guī)律,見表2。

表2 徑流小區(qū)生物措施B因子值

3＃經(jīng)果林種植李子的徑流小區(qū)多年平均B值為0.49,其變化范圍為0.02～0.97,6—8月的值較高,3—5月的值較低。4＃經(jīng)果林種植柚子的徑流小區(qū)多年平均B值為0.85,其變化范圍為0.53～0.99,除3月的較低,其他月份的值均處于較高水平。5＃經(jīng)果林種植茶葉的徑流小區(qū)多年平均B值為0.04,其變化范圍為0.01～0.35,5月的值較高。6＃水保林種植香樟的徑流小區(qū)多年平均B值為0.02,其變化范圍為0.01～0.14,7月的值較高,其他月份的值均偏低。

3＃徑流小區(qū),由于3月還沒有開始進行除草工作,因此植被覆蓋度較高,B值也較低。4—8月開始都會進行除草,因此植被覆蓋度會逐漸。4＃經(jīng)果林種植柚子、5＃經(jīng)濟林種植茶葉,與耕地類型不同的是,該類小區(qū)的田間耕作措施沒有規(guī)律,沒有按相應(yīng)的月份或季節(jié)實施相應(yīng)的田間措施。植被覆蓋度與土壤侵蝕呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到一定水平時,減徑減沙作用將處于穩(wěn)定狀態(tài)[7]。經(jīng)實地調(diào)查,4＃群落植被覆蓋度較低,造成徑流泥沙量最大。也說明植被覆蓋度在很大程度上決定了區(qū)域水土流失的強度,增加植被覆蓋度是防止水土流失的有效手段之一。6＃水保林種植香樟的徑流小區(qū)多年平均B值為0.07,是所有小區(qū)中B值最小的,并且也是極差最小的。

綜上,喀斯特地區(qū)不同土地利用類型條件下的B值總體上趨勢相同,但不同小區(qū)、不同植被覆蓋條件下又各有差異。4＃小區(qū)的B值最大各月份之間的B值也處于較高水平,在研究時間范圍內(nèi)其植被覆蓋度小于20%。同樣是經(jīng)果/濟林的3＃和5＃小區(qū),B值隨著植被覆蓋度的增加,逐漸減少,這說明該地區(qū)種植經(jīng)果/濟林的同時,需要保證區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋度和相應(yīng)的管理措施實施到位,可以減少區(qū)域土壤侵蝕量,進而使B值變小,達(dá)到一定的水土保持效果；并且5＃小區(qū)種植茶葉其B值和各月份的值域變化幅度也較小,因此說明該地區(qū)種植茶葉不僅能帶來相應(yīng)的經(jīng)濟,同時還能對控制水土流失起一定的作用。

2.3.2 E因子計算方法

E因子表示工程措施,是指通過動用一定土方工程改變原地形條件來達(dá)到水土保持目的的各項措施,包括梯田、水平階、淤地壩、沉砂池和護坡工程等等。本實驗小區(qū)沒有相應(yīng)的工程措施小區(qū),根據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)(試行)》查水土保持工程措施因子賦值表,見表3,可得到水土保持工程措施因子值E值。

表3 水土保持工程措施因子賦值表

2.3.3 T因子計算方法

T因子表示耕作措施,是指通過改變傳統(tǒng)耕作方式,達(dá)到水土保持目的的各種措施,包括等高耕作、間作套種以及輪作、穴播和休閑等各項措施。

該監(jiān)測站坡耕地的T因子在0.01～0.98變化,多年平均值為0.21。根據(jù)《區(qū)域水土流失動態(tài)監(jiān)測技術(shù)(試行)》,查耕作措施輪作措施賦值表,貴州高原二茬一茬水田和旱地面積T值作物為0.410,相比之下徑流小區(qū)監(jiān)測值偏低。

表4 監(jiān)測試驗小區(qū)耕地T值統(tǒng)計表

2＃小區(qū)與1＃小區(qū)相似均種植玉米,所有其變化趨勢相同；但是因耕作方式的不同,該小區(qū)是等高耕作其多年平均T值略低于1＃順坡耕作小區(qū),順坡耕作的小區(qū)T值大于等高耕作的小區(qū),但小區(qū)T值達(dá)到頂峰的時間幾乎相同；8—9月開始收玉米,此時的田間措施對土壤土層造成擾動就更大,會破壞小區(qū)的植被覆蓋度,這段時間的T值明顯增大。其中,1＃順坡耕種玉米措施的徑流小區(qū)年均T值為0.21,變化幅度為0.01～0.98。7—8月數(shù)值較高,3—4月數(shù)值較低。2＃等高耕種玉米的徑流小區(qū)多年平均T值為0.15,變化幅度為0.02～0.75。8月數(shù)值較高,3月、6月數(shù)值較低。1＃徑流小區(qū),3月由于正值鋤草準(zhǔn)備播種玉米的時間,此時植被生長較旺盛,并且也沒有過多的人為干擾,因此植被覆蓋度較高,該月份T值也較低。4月開始播種玉米,會對土壤土層造成擾動,擾動深度20cm左右,因此此時的植被覆蓋度會降低,從4月開始T值也會逐漸增大。7—8月會對小區(qū)進行除草、施肥等田間措施,土壤擾動深度10cm左右,因此此時的植被覆蓋度處于一個波動變化的狀態(tài),T值也較高。

3 討論

此次研究中6＃水保林(種植香樟)和3＃經(jīng)果林(種植李子)的侵蝕敏感度高于撂荒地,經(jīng)實地調(diào)查及徑流小區(qū)的特點分析得出:植被雖能對降雨造成的產(chǎn)流產(chǎn)沙有一定的調(diào)控能力,但6＃小區(qū)種植的香樟為常綠樹種,枯枝落葉較少,且栽種密度大,一定程度上抑制了林下雜草的生長,同時可能受到樹齡及植被覆蓋度的影響。3＃經(jīng)果林(種植李子)的侵蝕敏感度較次之,為了使果樹吸收更多的土壤養(yǎng)分和光照等,需要定期進行土地管理,以保證果林的產(chǎn)量和質(zhì)量,從而實現(xiàn)相應(yīng)的經(jīng)濟效益。因此,對這類土地的影響也比較大。

降雨是引起坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要原因,土壤侵蝕量的發(fā)生取決于多個因子,其中存在復(fù)雜的線性或非線性關(guān)系,各個因子之間存在不同的響應(yīng)。降雨造成徑流小區(qū)的土壤流失量的產(chǎn)生,而產(chǎn)生量的多少是各水土保持因子值的重要體現(xiàn),當(dāng)?shù)孛嫱耆懵稌r該值趨于1,地面得到良好的保護,該值越趨于0.001。有關(guān)喀斯特地區(qū)的研究中,有林地的C值取值為0.001[23],本研究中6＃水保林種植香樟屬于喬木林,其B值最小且有趨于0.001的趨勢。由于數(shù)據(jù)的限制本次研究未考慮群落層次結(jié)構(gòu),相關(guān)研究加入了地表作物高度、冠層覆蓋度以及地表覆蓋度等對B值進行估算[24]。

本文分析討論了降雨、不同土地利用方式、植被覆蓋度與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系,并估算了水土保持因子(生物措施和耕作措施)的值。由于數(shù)據(jù)的限制,缺乏研究區(qū)耕作措施因子進一步的深入討論,今后應(yīng)持續(xù)獲取長時間序列數(shù)據(jù)且加強對地表作物高度、冠層覆蓋度、雨前(后)土壤含水量等因子的研究,可以總結(jié)出符合區(qū)域特征的水土流失現(xiàn)狀和水土保持因子值變化規(guī)律,為完善喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模型研究提供更多的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過對各個徑流小區(qū)不同土地利用類型、不同農(nóng)作物的綜合比較,對不同水土保持措施的坡面土壤侵蝕進行研究,初步找出水土保持工程措施和耕作措施因子值的變化趨勢,并進一步揭示二者之間的關(guān)系,從而調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)。

各小區(qū)徑流深與土壤流失量均存在顯著的正相關(guān),順坡耕種的玉米地(1＃徑流小區(qū))相關(guān)性R值最高。6＃小區(qū)是人工喬木林,屬于水保林種植香樟,其徑流深與土壤流失量相關(guān)性R值最小。徑流小區(qū)之間侵蝕性臨界降雨量差異不明顯,當(dāng)降雨量＞13mm時,各徑流小區(qū)都有地表徑流產(chǎn)生。6＃小區(qū)種植的香樟為常綠樹種,其侵蝕敏感度最高；2＃徑流小區(qū)(等高耕種玉米農(nóng)作物)的侵蝕敏感度最低。

土壤的入滲功能越強,將提高植被截流保水的能力,進而減少超滲產(chǎn)流,降低地表徑流對泥沙的輸送能力等。各徑流小區(qū)土壤入滲率隨降雨強度的增加呈線性增加,兩者之間的關(guān)系符合線性函數(shù)關(guān)系,決定系數(shù)(R2)在0.95以上。入滲率與降雨持續(xù)時間呈負(fù)相關(guān),土壤雨前含水量對降雨徑流的影響主要體現(xiàn)在降雨初期。

5＃小區(qū)B因子(生物措施)值在各月份之間的變化幅度較小,從經(jīng)濟和水土保持的角度來看,該地區(qū)更適合種植茶葉。在耕作方式上,坡面耕作小區(qū)的T值(耕作因子)大于等高耕作的徑流小區(qū),等高線耕作可以在一定程度上控制區(qū)域土壤侵蝕。