東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失特征分析

張展　隋媛媛　常遠(yuǎn)遠(yuǎn)

摘要：以東北低山丘陵區(qū)典型小流域坡面為研究對(duì)象，采用標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)定位監(jiān)測(cè)方法，對(duì)不同坡耕地水土流失特征及其主要影響因素進(jìn)行分析。結(jié)果表明：①2013年和2014年分別發(fā)生14次和7次侵蝕性降水，在單場(chǎng)次降水中，坡度越大，產(chǎn)生的徑流量和泥沙量越大；②研究區(qū)坡耕地水土流失具有時(shí)空變異性，2013年水土流失總量高于枯水年2014年的，6月和7月水土流失量最大，8月和9月相對(duì)較小，年內(nèi)逐月分布情況保持一致；③地形和降水是不可忽視的影響因素，水土流失量總體上隨著坡度、降水量和降水強(qiáng)度的增大而增大，且降水強(qiáng)度與水土流失量的相關(guān)性更為顯著。

關(guān)鍵詞：坡耕地；水土流失；降水強(qiáng)度；低山丘陵區(qū)；東北地區(qū)

影響水土流失的自然因素主要有氣候、地形、土壤、植被4個(gè)方面，有關(guān)坡耕地水土流失及治理問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。楊建霞等用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)法確定了各因子對(duì)坡耕地水土流失的影響，王衛(wèi)東等提出了丘陵區(qū)土地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，袁雪紅等運(yùn)用主成分分析法綜合分析護(hù)坡特性。針對(duì)東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失量與降水特征的相關(guān)分析研究較少的現(xiàn)狀，本文對(duì)東北低山丘陵區(qū)坡耕地水土流失特征及其影響因素進(jìn)行探討，以期為因地制宜推廣應(yīng)用水土流失防治新技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

東北低山丘陵區(qū)地處東北腹地，跨吉林、黑龍江兩省，水土流失嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，坡耕地是水土流失發(fā)生的主要策源地，耕地土壤中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨徑流流失，加劇了區(qū)域土地退化、農(nóng)業(yè)面源污染、河流湖庫(kù)水質(zhì)污染和富營(yíng)養(yǎng)化。研究區(qū)位于吉林省東遼縣安石鎮(zhèn)杏木小流域，地處長(zhǎng)白山余脈，屬于典型的東北低山丘陵地貌區(qū)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)125°22′40″-125°26′10″、北緯42°58′05″-43°01′40″，流域內(nèi)地面坡度為5°-15°，山體多為渾圓狀的“饅頭山”，坡面土壤侵蝕嚴(yán)重。研究區(qū)屬于寒溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫5.2℃，有效積溫2 700-2 800℃，最高氣溫38℃，最低氣溫-40℃；無霜期平均為137 d，年平均日照時(shí)數(shù)為2 497.9 h；多年平均降水量658.1 mm，降水量時(shí)空分布不均，主要集中在7-9月。土壤以暗棕壤和草甸土為主，主要種植作物為玉米和大豆，植被類型包括天然次生林、人工林和草本植物等。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別在坡度為5。和8。的坡耕地上修建標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，各設(shè)置3個(gè)重復(fù)，規(guī)格均為20 m×5 m。小區(qū)四周采用彩色鋼板圍護(hù)，埋入土層深度為20 cm，小區(qū)內(nèi)徑流收集槽前布設(shè)有鐵絲網(wǎng)，防止秸稈等大體積雜物堵塞集水槽口。在小區(qū)內(nèi)種植玉米（品種為吉東54號(hào)），采用傳統(tǒng)順壟種植方式，行間距為65 cm，株間距為30 cm。

1.3觀測(cè)與分析

在各標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)的底部，安裝HL-1型徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（吉林省水土保持科學(xué)研究院研制），該系統(tǒng)通過重力傳感器和液位傳感器能夠?qū)崟r(shí)、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量徑流量和泥沙量。2013-2014年汛期（6-9月），通過徑流泥沙自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄各場(chǎng)次降水徑流量、泥沙量。研究區(qū)內(nèi)安裝的自動(dòng)氣象觀測(cè)站（DL-16型），能夠獲取年內(nèi)降水量、降水強(qiáng)度等氣象數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1單次降水水土流失量

2013年降水量為400.1 mm，降水產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量見表1。在14次侵蝕性降水中，5°坡耕地產(chǎn)流量為1.58-17.98 mm，產(chǎn)沙量1-1 299 kg/hm2。其中：?jiǎn)未谓邓a(chǎn)流量小于5 mm的共計(jì)6次，徑流量大于5 mm的共計(jì)8次；產(chǎn)沙量小于500 kg/hm2的共計(jì)11次，大于500 kg/hm2的共計(jì)3次。8°坡耕地的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別為1.60-19.27 mm和2～1 547 kg/hm2，均大于5°坡耕地的。其中單次降水產(chǎn)流量小于5 mm的共計(jì)6次，大于5 mm的共計(jì)8次；產(chǎn)沙量小于500 kg/hm2的共計(jì)11次，大于500 kg/hm2的共計(jì)3次。

2014年降水量為178.5 mm，降水產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量見表2。2014年僅發(fā)生7次侵蝕性降水，5°和8°坡耕地水土流失量均較小，產(chǎn)流量分別為1.29-10.62 mm和2.29-14.14 mm，產(chǎn)沙量分別為2-250 kg/hm2和32-333 kg/hm2。通過以上分析可知，在單場(chǎng)次侵蝕性降水中，坡度越大，越容易發(fā)生水土流失，產(chǎn)生的徑流量和泥沙量越大；在年內(nèi)不同場(chǎng)次侵蝕性降水中，坡耕地水土流失量具有較大差異，降水是坡耕地水土流失的重要影響因素。

2.2不同月份水土流失量

2013年和2014年5-9月水土流失量分別見圖1和圖2，可以看出，不同月份的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量存在明顯差異。由圖1可知，2013年坡度為5°的坡耕地5-9月產(chǎn)流量分別為7.69、28.10、34.00、12.90、1.74 mm，產(chǎn)沙量分別為202、2 089、1 465、233、17 kg/hm2。不同月份產(chǎn)流量大小順序?yàn)镼7月>Q6月>Q8月>Q5月>Q9月，產(chǎn)沙量大小順序?yàn)镾6月>S7月>S8月>S5月>S9月。坡度為8°的坡耕地5-9月產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量大小順序與坡度為5°的坡耕地一致，且6月和7月水土流失量較為接近。

由圖2可知，2014年坡度為5°的坡耕地不同月份產(chǎn)流量大小順序?yàn)镼7月>Q6月>Q9月>Q8月，產(chǎn)沙量大小順序?yàn)镾6月>S7月>S8月>S9月。而坡度為8°的坡耕地不同月份徑流量、泥沙量大小順序均表現(xiàn)為7月>6月>9月>8月。

通過以上分析可知，2013年水土流失量在6月和7月相對(duì)較大，2014年8月的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量最小，這可能與研究區(qū)降水時(shí)空分布不均勻有關(guān)。對(duì)比不同坡度坡耕地水土流失量可以發(fā)現(xiàn)：坡度越大，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量越大，但是不同坡度的水土流失量逐月分布情況保持一致。

2.3年水土流失量

不同坡度坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量見圖3。可以看出，2013年坡耕地水土流失量大于2014年的，坡度越大坡耕地水土流失量越大。2013年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量分別為84.43、103.23 mm，產(chǎn)沙量分別為4 005、5 427 kg/hm2；2014年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量分別為54.63、63.06 mm，產(chǎn)沙量分別為1 172、1 632 kg/hm2。與2013年相比，2014年坡度為5°的坡耕地產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量分別減小了35.28%和70.74%，坡度為8°的坡耕地產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量分別減小了38.92%和69.93%。主要原因一方面是2013年降水量和降水強(qiáng)度均大于2014年的，另一方面是2013年侵蝕性降水次數(shù)多于2014年的，加劇了土壤理化性質(zhì)及結(jié)構(gòu)的破壞，降低了土壤自身持水保水能力及抗蝕性，因此2013年更容易發(fā)生水土流失。

2.4水土流失量與降水特征相關(guān)性分析

2.4.1水土流失量與降水量相關(guān)性分析

2013年和2014年侵蝕性降水產(chǎn)生的水土流失量與降水量相關(guān)性見圖4?？梢钥闯?，不同坡度坡耕地產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量總體上均隨降水量的增大而增大。2013年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量與降水量均符合線性相關(guān)關(guān)系（見表3），達(dá)到顯著水平（相關(guān)系數(shù)r=0.62，顯著性水平a=0.019）和極顯著水平（r=0.68，a=0.007）。而不同坡度坡耕地產(chǎn)沙量與降水量相關(guān)性不顯著（a>0.05）。2013年，降水量小于20 mm時(shí)的坡耕地產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均較小，分別為1.58-3.92 mm和1-332 kg/hm2：降水量大于20 mm時(shí)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均較大，分別為1.74-19.27 mm和17～1547 kg/hm2。

2014年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量與降水量同樣表現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系，達(dá)到極顯著（r=0.88，a=0.008）和顯著水平（r=0.82，a=0.024）。5°坡耕地產(chǎn)沙量與降水量相關(guān)關(guān)系不顯著（a>0.05），而8°坡耕地產(chǎn)沙量與降水量表現(xiàn)為顯著的線性相關(guān)關(guān)系（r=0.76，a=0.049）。

2.4.2水土流失量與降水強(qiáng)度相關(guān)性分析

降水強(qiáng)度與水土流失量關(guān)系見圖5，不同坡度坡耕地的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量總體上均表現(xiàn)為隨降水強(qiáng)度的增大而增大。2013年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量與降水強(qiáng)度均表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系（見表4），其中5°坡耕地的分別達(dá)到極顯著水平（r=0.72，a=0.004）和顯著水平（r=0.63，a=0.016），8°坡耕地的達(dá)到極顯著水平（r=0.68，a=0.008）和顯著水平（r=0.618，a=0.02）。平均雨強(qiáng)為3-6 mm/h的6個(gè)場(chǎng)次降水量均較?。?.03-23.00 mm），明顯小于降水強(qiáng)度為1.23-2.40 mm/h的4個(gè)場(chǎng)次降水量（為30.05-62.14 mm），說明當(dāng)降水強(qiáng)度較小且次降水強(qiáng)度差異不大時(shí)，降水量是影響坡耕地水土流失不可忽視的因素。

2014年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量與降水強(qiáng)度表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系，分別達(dá)到顯著（r=0.78，a=0.04）和極顯著（r=0.90，a=0.006）水平；產(chǎn)沙量與降水強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系不顯著（a>0.05）。由表1和表2分析可知，2013年坡度為5°和8°的坡耕地單次降水產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量最大值分別為17.98 mm和1 299kg/hm2、19.27 mm和1 547 kg/hm2，均發(fā)生于平均降水強(qiáng)度最大日（6月19日）；2014年單場(chǎng)次降水最大產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量也發(fā)生于平均降水強(qiáng)度最大日。說明降水強(qiáng)度是影響坡耕地產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的重要因素，其與降水量共同影響坡耕地水土流失，但降水強(qiáng)度對(duì)水土流失量的影響更為顯著。

3結(jié)論

（1）2013年共發(fā)生14次侵蝕性降水，坡度為5°和8°的坡耕地單次降水產(chǎn)流量分別為1.58-17.98 mm和1.60-19.27 mm，產(chǎn)沙量分別為1-1 299 kg/hm2和2～1 547 kg/hm2；2014年僅發(fā)生7次侵蝕性降水，不同坡度坡耕地單次降水產(chǎn)流產(chǎn)沙量均小于2013年的。在單場(chǎng)次降水中，坡度越大，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量也越大。

（2）2013年坡度為5°和8°的坡耕地月產(chǎn)流量大小順序?yàn)镼7月>Q6月>Q8月>Q5月>Q9月，產(chǎn)沙量大小順序?yàn)镾6月>S7月>S8月>Ss月>S9月；2014年5°坡耕地月產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量大小順序分別為Q7月>Q6月>Q9月>Q8月和S6月>S7月>S8月>Sg月，8°坡耕地月產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量大小順序均為S7月>S6月>S9月>S8月。2013和2014年逐月產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分布情況保持一致。

（3）2013年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量分別為84.43、103.23 mm，產(chǎn)沙量分別為4 005、5 427kg/hm2，2014年坡度為5°和8°的坡耕地產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量分別比2013年的減小了35.28%、70.74%和38.92%、69.93%。

（4）坡度越大，坡耕地水土流失越嚴(yán)重。水土流失量總體上隨著坡度、降水量和降水強(qiáng)度的增大而增大，降水強(qiáng)度對(duì)水土流失量的影響更為顯著。