坡長對貴州喀斯特區黃壤坡耕地土壤侵蝕的影響

高儒學, 高華端, 宋江平, 李華林

(貴州大學 林學院, 貴陽 550025)

坡長是改變地表水流形態，影響泥沙搬運的主要地形因子，不同坡長的坡面土壤侵蝕效應不同[1-3]。北方地區關于坡長對土壤侵蝕的影響的研究相對較早且成熟，且取得了豐碩的成果[4-10]。南方喀斯特區該領域研究起步較晚，研究甚少；郭新亞等[11]利用徑流小區觀測法探討了坡長對黔西北地區坡面產流產沙的影響得出坡面產流量隨坡長的增加呈先減小后增加再減小的變化趨勢，坡面產沙量隨坡長的增加而增加，且產沙量與坡長之間呈線性關系；何永彬等[12]在貴州黔南峰叢洼地區林間白云巖坡地應用137Cs法研究土壤侵蝕表明表土樣的137Cs濃度隨著坡長的增加而增加；蔣榮[13]通過對貴州喀斯特地區的野外徑流小區實測資料分析指出，坡面產流量隨坡長的增加先增大后減小，轉折坡長在15 m左右，正常情況下，呈現坡面產沙量隨坡長的增加而增大的規律性；何永彬等[14]對喀斯特白云巖坡地土壤空間異質性進行測量分析指出土石結構、土壤厚度和土壤顆粒結構等方面表現出隨著坡長和坡位而變化的較高空間異質性特征。付興濤[15]探討了南方紅壤區坡耕地、經濟林地及裸坡地3種主要土地利用方式的土壤侵蝕強度及隨坡長的變化特征；其還采用野外人工模擬降雨的方法，研究了南方紅壤丘陵區作物覆蓋坡耕地上不同雨強下坡長對其土壤侵蝕的影響，并探討了侵蝕增強的臨界雨強和設置水土保持措施的合理坡長[16]。穆恩深[17]研究了喀斯特區石橋小流域不同條件的坡面產流特征得出不同坡長小區之間單位面積土壤侵蝕模數相差不大，坡長與徑流深之間存在很大的關系。李銳等[18]通過對貴州省喀斯特地區4種可控土壤侵蝕因子進行了探討，指出坡面土壤侵蝕隨著坡度和坡長的增加而加劇，隨蓋度的增加而減輕。然而，王恒松等[19]通過對貴州高原山地、盆地及峽谷3種典型地貌單元水土流失機理的研究指出喀斯特坡面的坡長對水土流失的影響不大，規律性不強。

西南喀斯特地區關于坡長對土壤侵蝕的影響的研究較少且處于定性描述階段，北方地區的研究規律并不一定適應喀斯特地區，因此，在西南喀斯特地區定量開展此類研究是很有必要的。本文通過對坡長因子的定量研究，建立適合喀斯特地區的侵蝕模型，為喀斯特地區開展水土保持規劃，水土保持監測和水土保持理論評價等提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　研究區概況

石橋小流域水土保持監測點位于畢節鴨池鎮石橋村，東經105°18′45″—105°27′30″，北緯27°12′10″—27°17′30″。距畢節市區13 km，距貴畢路約2 km。該監測點所在的石橋村小流域面積35.93 km2，水土流失面積9.86 km2，喀斯特石漠化面積占總面積的63.47%，該小流域屬長江流域烏江水系，處于國家水土流失中心防治區——烏江赤水河上中游治理區，同時也屬于貴州省人民政府發布的水土流失重點治理區。氣候類型屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，年平均氣溫達到14.03℃，≥10℃的積溫達到4 166℃，平均日照時數1 377.7 h，無霜期為258 d，多年年均降雨量在863 mm左右，年降雨量主要分布在每年7—9月，占總降雨量的52.4%。植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，原生植被大多被破壞，現在多為次生林，植被大部分分布在山坡上部，喬木樹種主要以松和杉為主，野生植被大多是刺梨、杜鵑、藤、刺和灌叢。石橋小流域土壤類型主要為黃壤，小流域也有巖泥土、大土泥土和石灰土等。小流域屬中山地貌類型區，地勢起伏大，最高海拔達到1 742.3 m，最低海拔為1 425 m，最高海拔和最低海拔相差317.3 m。

1.2　試驗設備

石橋小流域監測點有簡易氣象觀測場1個，坡面徑流小區28個，觀測房60 m2及觀測便道230 m。主要監測設備有：自記雨量計、人工雨量計、電腦、皮尺。由貴州省水土保持監測站設計、建設并直接管理，畢節市監測分站協助管理，2008年試運行，2009年正式開展監測工作。

1.3　試驗設計

試驗選擇在坡耕地標準徑流小區開展，各小區頂部及兩邊設置擋水墻，小區下部設置集流槽收集坡面徑流，并接輸水槽將徑流引入徑流桶，在小區旁放置雨量計以測降雨量。

表1　研究小區概況

1.4　數據來源及試驗方法

研究數據來源于石橋小流域水土保持監測點2009年及2010年降雨產流和產沙實測資料。每次降雨后在2 h內完成取樣，首先觀測集流池、分流池內的水深，用以計算坡面徑流深；收集集流槽土樣并稱重；將集流池、分流池中的泥沙和水充分攪拌混合后取樣帶回實驗室進行沉淀、過濾、烘干等步驟后稱重、計算各坡面產沙模數，降雨均采用自記雨量計記錄的數據；數據處理和圖表的制作主要利用Excel和SPSS軟件。

2　結果與分析

2.1　坡長對坡面徑流深的影響

(1) 坡長與坡面年內徑流深的關系。圖1是在年侵蝕性降雨281.55 mm下，由統計的不同坡長小區內兩年平均徑流深的數據分析得到的。由圖1可知，坡面徑流深隨著坡長呈現起伏的變化。坡長從5 m增加到10 m，徑流深減小了14%；坡長從10 m增加到15 m，徑流深增加了26%；坡長從15 m增加到20 m，徑流深減小了10%；坡長從20 m增加到25 m，徑流深減小了7%。因此，坡長從5 m增加到10 m時，隨著坡長的增加徑流深減??；坡長從10 m增加到15 m，徑流深隨著坡長的增加而增加；坡長從15 m增加到25 m時,徑流深隨著坡長的增加而減小。

圖1坡長與坡面年內徑流深

(2) 次降雨量小雨30 mm時，徑流深隨坡長的變化。圖2是通過統計次最大降雨量小于30 mm時，不同坡長下的徑流深而得到的。由圖2可知，坡長從5 m增加到15 m，徑流深隨著坡長的增加而增加；坡長從15 m到25 m，徑流深隨著坡長的增加而減小。年內徑流深與次最大降雨量小于30 mm下的不同坡長徑流深相比較：從坡長5 m增加到10 m，年內徑流減小了14%，但次最大降雨量小于30 mm時的徑流深卻增加了5%。圖1和圖2表明：坡長從10 m增加到15 m時，徑流深增加的幅度相差不多，分別是26%和23%，說明了坡長對徑流深的影響不隨雨量的變化而變化。

圖2徑流深隨坡長的變化(I<30 mm)

(3) 次降雨量大于30 mm時，徑流深隨坡長的變化。圖3是通過統計次最大降雨量大于30 mm時，不同坡長下的徑流深而得到的。由圖3可知，次降雨量大于30 mm時，坡長從5 m增加到10 m時，徑流深減小了19%，這與年侵蝕性降雨下的土壤侵蝕模數隨坡長的變化規律一致。坡長從10 m增加到15 m時，徑流深增加了27%；坡長從15 m增加到20 m時，徑流深幾乎沒變化，這說明在次降雨較大時，徑流深隨坡長變化的臨界坡長加大，因為在較大降雨時，地表徑流深加大，從5 m到15 m的坡長還不能改變地表徑流運動狀態。從20 m增加到25 m，徑流深減小了7%，這與次最大降雨量小于30 mm的徑流深隨坡長變化規律一致。從總體上看，圖3曲線的變化規律與年內曲線的變化規律一致，均表現出隨著坡長的增加，徑流深先減??；與次最大降雨量小于30 mm的徑流深比較，坡長從15 m增加到20 m時徑流深幾乎沒變化。

圖3徑流深隨坡長的變化(I>30mm)

2.2　坡長對坡面土壤侵蝕模數的影響

(1) 坡長與年內土壤侵蝕模數的關系。由統計的不同坡長小區內兩年平均土壤侵蝕模數的數據分析計算而得到相應的土壤侵蝕模數，再通過坡長與相應的土壤侵蝕模數從而得出圖4。由圖4可知，平均土壤侵蝕模數隨著坡長的變化呈現一次函數關系的增長，擬合度R2=0.9217。隨著坡長的增加，平均土壤侵蝕模數也相應的增加；坡長從5 m增加到25 m的過程中，坡長每增加5 m，相應的土壤侵蝕模數分別增加了97%，12%，119%，13%。即土壤侵蝕模數隨著坡長的變化以15 m為分界點，在5～10 m及15～20 m這兩段坡長內增加最快。

圖4年內土壤侵蝕模數隨坡長的變化

(2) 次最大降雨量小于30 mm時，坡長與土壤侵蝕模數的關系。圖5是通過統計次最大降雨量小于30 mm時，不同坡長下的土壤侵蝕模數而得到的。由圖5可知，坡長從5 m增加到10 m，土壤侵蝕模數增加了156%，增加最大；坡長10 m增加到15 m，土壤侵蝕模數減小了32%；坡長15 m增加到20 m，土壤侵蝕模數減小了16%；雖然坡長20 m增加到25 m，土壤侵蝕模數減小了32%，但整體上坡長從5 m增加了25 m，土壤侵蝕模數呈現了先劇烈上升再連續下降的趨勢。這說明在喀斯特地區，次降雨量小于30 mm時，坡耕地坡長應該盡量調整在10 m以上，這樣有助于減小水土流失，保護水土資源。

圖5坡長與土壤侵蝕模數的關系(I<30 mm)

由圖4和圖5可知，次最大降雨量小于30 mm時的土壤侵蝕模數隨坡長的變化規律與年內土壤侵蝕模數隨坡長的變化規律并不完全一致，兩者相同之處在于坡長從5 m增加到10 m，土壤侵蝕模數一直增大。

(3) 次最大降雨量大于30 mm時，坡長與土壤侵蝕模數的關系。圖6是通過統計次最大降雨量大于30 mm時，不同坡長下的土壤侵蝕模數而得到的?？芍?，坡長與土壤侵蝕模數亦呈現一次函數的增長關系，擬合度R2=0.9146。坡長從5 m增加到25 m，土壤侵蝕模數隨著坡長增加整體呈現上升的趨勢，該趨勢呈先增加慢后增加快，臨界坡長在15 m左右。

圖6坡長與土壤侵蝕模數關系圖(I>30mm)

2.3　不同雨強下對應坡長的土壤侵蝕特征

(1) 不同雨強下坡長與徑流深的關系。圖7是將25 mm/h和41.4 mm/h兩種雨強下的徑流小區測得的坡面徑流深繪制而成的。由圖7可知，兩種雨強下坡長與坡面徑流深之間的關系曲線走向一致。在坡長小于10 m時，徑流深均隨著坡長的增加而減小，其中，25 mm/h雨強的坡面徑流深減小了12%，41.4 mm/h雨強的坡面徑流深減小了32%；當坡長從10 m增加到15 m時，25 mm/h和41.4 mm/h兩種雨強的徑流深均隨著坡長的增加而增加；25 mm/h的雨強徑流深增加了14%，41.4 mm/h的雨強徑流深增加了36%；當坡長從15 m增加到25 m時，兩種雨強的徑流深均隨著坡長的增加而減小。從圖7中還可以看到，雨強越大，徑流深隨坡長的變化規律越明顯。

圖725mm/h和41.4mm/h兩種雨強下坡長與徑流深關系

(2) 不同雨強下坡長與土壤侵蝕模數的關系。圖8是由25 mm/h和41.4 mm/h兩種雨強下的徑流小區測得的坡面土壤侵蝕模數繪制而成的。在兩種雨強下，土壤侵蝕模數均隨著坡長的增長表現出先增大后減小的趨勢。在相同的坡長下，最大30 min雨強越大，土壤侵蝕模數越大；在同一雨強下，土壤侵蝕模數隨著坡長的增加先增大后減小。雨強為25 mm/h時，土壤侵蝕模數隨坡長變化的轉折點為15 m；而雨強增加到41.4 mm/h，轉折點提前至10 m；另外，雨強越大，土壤侵蝕模數隨坡長變化的曲線斜率就越大。

圖825mm/h和41.4mm/h兩種雨強下坡長與土壤侵蝕模數關系

3　結 論

(1) 喀斯特坡耕地坡面年內徑流深隨坡長的變化規律為：坡長從5 m增加到10 m時逐漸減??；坡長從10 m增加到15 m時逐漸增加，在15 m時達到最大；坡長從15 m增加到25 m時逐漸減小。

(2) 次降雨量小雨30 mm時，坡長從5 m增加到15 m，徑流深隨著坡長的增加而增加；坡長從15 m到25 m，徑流深隨著坡長的增加而減小。

(3) 次降雨量大于30 mm時，坡面年內徑流深隨坡長的變化規律為：坡長從5 m增加到10 m時逐漸減??；坡長從10 m增加到15 m時逐漸增加；坡長從15 m增加到25 m時逐漸減小。

(4) 年內平均土壤侵蝕模數隨著坡長的變化呈現一次函數關系的增長，擬合度R2=0.9217。次最大降雨量小于30 mm時，年內平均土壤侵蝕模數隨著坡長的變化呈現先急劇增加后減小的趨勢，峰值出現在10 m。次最大降雨量大于30 mm時，年內平均土壤侵蝕模數隨著坡長的變化亦呈現一次函數的增長關系，擬合度R2=0.9146。

(5) 在最大30 min雨強為25 mm/h和41.4 mm/h條件下，坡長與坡面徑流深之間的關系均呈現先減小后增大再減小的趨勢；坡長與土壤侵蝕模數之間的關系呈現先增大后減小的趨勢；相同的坡長下，最大30 min雨強越大，土壤侵蝕模數越大；同一雨強下，土壤侵蝕模數隨著坡長的增加先增大后減小。

在此，對貴州省水土保持監測站表示誠摯的謝意！

參考文獻:

[1]劉和平.坡長對土壤可蝕性K值測定的影響[D].北京:北京師范大學,2008.

[2]黎四龍,蔡強國,王忠科.坡長對徑流及侵蝕的影響[J].干旱區資源與環境,1998(1):29-35.

[3]汪曉勇,鄭粉莉.黃土坡面坡長對侵蝕搬運過程的影響研究[J].水土保持通報,2008,2(3):1-4.

[4]陳曉安,蔡強國,張利超,等.黃土丘陵溝壑區不同雨強下坡長對坡面土壤侵蝕的影響[J].土壤通報,2011,42(3):721-725.

[5]魏天興,朱金兆.黃土殘塬區坡度和坡長對土壤侵蝕的影響分析[J].北京林業大學學報,2002,24(1):60-62.

[6]郭偉玲.坡度和坡長尺度效應與尺度變換研究[D].北京:中國科學院大學,2012.

[7]王建勛,鄭粉莉,江忠善,等.基于WEPP的黃土丘陵區不同坡長條件下坡面土壤侵蝕預測[J].北京林業大學學報,2008,30(2):151-156.

[8]陳俊杰,孫莉英,劉俊體,等.不同坡長與雨強條件下坡度對細溝侵蝕的影響[J].水土保持通報,2013,33(2):1-5.

[9]陳正發,郭宏忠,史東梅,等.地形因子對紫色土坡耕地土壤侵蝕作用的試驗研究[J].水土保持學報,2010,24(5):83-87.

[10]付興濤,張麗萍,葉碎高.經濟林地坡長對侵蝕產沙動態過程影響的模擬[J].水土保持學報,2010,24(4):73-77.

[11]郭新亞,張興奇,顧禮彬,等.坡長對黔西北地區坡面產流產沙的影響[J].水土保持學報,2015,29(2):40-44.

[12]何永彬,李豪.白云巖喀斯特侵蝕坡地的137Cs法研究[J].云南地理環境研究,2015,27(2):1-6.

[13]蔣榮.地形因子對貴州喀斯特地區坡面土壤侵蝕的影響[D].南京:南京大學,2013.

[14]何永彬,張信寶,李豪.喀斯特白云巖坡地土壤異質性特征與土壤保育模式研究[J].地球與環境,2013(1):77-81.

[15]付興濤.坡面徑流侵蝕產沙及動力學過程的坡長效應研究[D].杭州:浙江大學,2012.

[16]付興濤,張麗萍.紅壤丘陵區坡長對作物覆蓋坡耕地土壤侵蝕的影響[J].農業工程學報,2014,30(5):91-98.

[17]穆恩深.喀斯特區石橋小流域不同條件的坡面徑流的產流特征分析[J].安徽農業科學,2012,40(2):939-941.

[18]李瑞,岳坤前.貴州喀斯特地區坡面土壤侵蝕機理研究[J].科學技術與工程,2015,15(7):151-153.

[19]王恒松,熊康寧,張芳美,等.地形因子對喀斯特坡面水土流失影響的機理研究[J].水土保持通報,2015,35(4):1-7.