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        降雨對遼西褐土區(qū)土壤侵蝕的影響研究

        2023-03-08 15:21:20時(shí)
        黑龍江水利科技 2023年1期
        關(guān)鍵詞:褐土侵蝕性土壤侵蝕

        時(shí) 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(shí)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力條件主要來源于降雨,雨滴落地時(shí)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(shí)、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(shí)、降雨侵蝕力、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動(dòng)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(dòng)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(shí)坡面產(chǎn)沙具有較大波動(dòng)。

        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(gè)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(shí)、降雨侵蝕力、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動(dòng)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)。

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