貴州喀斯特區典型小流域坡面土壤侵蝕與主要影響因子的響應

李 瑞, 張 弛, 顧再柯, 吳清林, 文雅琴

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴陽 550001; 2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心,貴陽 550001; 3.盤州市老廠國有林場, 貴州 盤州 553537; 4.貴州省水土保持監測站, 貴陽 550002)

石漠化(Rocky Desertification)是中國南方亞熱帶喀斯特地區嚴峻的生態問題，導致了喀斯特風化殘積層土的迅速貧瘠化[1]。而人口快速增長導致的過度開墾及不合理的耕作方式是石漠化加速、加劇的主要人為因素[2]。區域特殊的土壤侵蝕環境，導致土壤流失呈“二元”特征(坡面侵蝕、地下漏失)，致使這一區域土壤侵蝕的基礎研究開展相對黃土高原等地區要少，尤其野外定位觀測試驗。而我們知道，野外定位觀測對研究各土壤侵蝕因子具有重要的意義[3]，同時是水土流失防治措施的研究基礎。

從近年的研究報道來看，喀斯特區坡面土壤侵蝕相關研究主要集中在各土壤侵蝕因子的探討及不同水土保持措施的應用等方面。袁應飛等采用室內模擬降雨試驗，開展坡耕地土壤侵蝕特征研究，結果認為針對喀斯特區坡耕地，降雨強度對其水土流失影響程度最大，其次為坡度和孔(裂)隙度[4]。任樂等針對貴州坡耕地坡面特征，開展了野外沖刷試驗，結果表明坡面土壤分離速率與坡度及沖刷流量均呈顯著正相關，并可用水動力學參數水流剪切力來估算貴州坡耕地土壤分離速率，同時針對有覆蓋和無覆蓋兩種地表類型進行了沖刷試驗，認為在同一沖刷流量下，苔蘚覆蓋可顯著減小坡面侵蝕速率[5]；在坡耕地水土流失防治措施效應研究方面，熊康寧等人針對典型喀斯特石漠化治理區的研究認為，高原山地坡耕地在實施坡改梯后減沙率達92.98%，經果林和水保林在種植初期可能因翻耕短期內流失嚴重，但隨著植被生長，侵蝕量逐年穩定下降[6]。朱青等對貴州喀斯特黃壤區種植覆蓋保土保水效應進行了研究，認為玉米間作紫花苜蓿可保持坡耕地全年覆蓋，在整個雨季保持較高的覆蓋度，有較好的保水保土及保肥效果[7]。

綜上，近年來關于貴州喀斯特區土壤侵蝕機理及防治措施的研究逐步增加，但仍有較多亟待解決的問題，如針對地形因子(LS)、蓋度因子(C)及土壤可蝕性因子(K)的基礎研究仍顯不足，水土保持耕作措施試驗示范報道亦較少。本文采用徑流小區觀測法，開展定位觀測，探討坡面土壤侵蝕與不同土地利用方式、地形及降雨等影響因子的響應，探明各影響因子對土壤侵蝕影響的顯著性，以期為貴州喀斯特區坡面土壤侵蝕積累基礎研究資料，同時為區域水土流失防治提供一定參考。

1　材料與方法

1.1　觀測站點概述

本研究以龍里羊雞沖小流域水土保持監測站點及畢節石橋小流域監測站點為試驗觀測點，收集2013年、2014年水土流失監測數據開展本研究。上述2個站點均屬貴州省水土保持監測網絡，分布位置見圖1。

龍里縣羊雞沖水土保持監測站點位于貴州省龍里縣東城郊的羊雞沖小流域，東經107°00′53″，北緯26°26′58″。該小流域控制面積11.89 km2，始建于2004年、2009年開始觀測，設有18個坡面種植措施徑流小區，主要種植措施包括水保林、經果林、撂荒地及農耕地等；畢節石橋水土保持監測站點位于畢節鴨池鎮石橋小流域，東經105°18′45″—105°27′30″，北緯27°12′10″—27°17′30″。該小流域控制面積35.93 km2，水土流失面積9.86 km2，站點始建于2005年,2009年開始觀測，建有坡面小區18個，包括坡度小區(5°，10°，15°，20°及25°)和坡長小區(5，10，15，20及25 m)各5個，2013年底，該站點因故被拆除，監測數據截至2013年。

圖1水土保持觀測站點位置

1.2　數據獲取及處理

本文研究資料來源于上述2個水土保持監測站點2013年、2014年逐次監測數據，包括次降雨土壤侵蝕量及相應的降雨量，其中坡面種植措施土壤侵蝕觀測資料來源于龍里羊雞沖站點(2014年逐次數據)，地形及降雨因子觀測資料來源于畢節石橋站點(2013年逐次數據)。徑流小區水土流失及相關氣象指標觀測方法已有很多報道，本文不再累述，具體可參考相關文獻[8]。

數據整理、基礎統計及制圖等采用Excel 2010軟件完成，相關性及差異顯著性分析等采用SPSS 19.0軟件完成。

2　結果與分析

2.1　坡面土壤侵蝕與不同土地利用方式的響應

圖2為龍里羊雞沖小流域3種土地利用方式2014年逐次土壤侵蝕觀測結果，從圖可看出，坡耕地在正常耕作活動的影響下(翻耕、中耕除草等)，其次降雨土壤侵蝕量明顯高于林地和撂荒地(已恢復為天然草地)。全年單位面積土壤侵蝕總量分別為：坡耕地629.5 t/km2，林地91.3 t/km2，撂荒地4.7 t/km2，由此不難看出，坡耕地土壤侵蝕遠大于林地和撂荒地。為進一步探明3種土地利用方式對土壤侵蝕的響應，我們對全年逐次觀測數據進行差異顯著性檢驗，結果表明，在0.05的水平上，坡耕地土壤侵蝕顯著高于林地和撂荒地；在0.01水平上，坡耕地和撂荒地差異顯著，而和林地差異不顯著，見表1。基于上述結果不難看出，坡耕地撂荒可大幅度降低土壤侵蝕風險，但耕地是農民賴以生存的根本，不會輕易將土地荒蕪。對此，研究者及相關職能部門應針對喀斯特區地形破碎、耕地分散等特點，通過試驗示范等途徑引導農民改變傳統耕作方式，在保證產量的基礎上采取水土保持耕作措施。

圖2　羊雞沖小流域2014年3種土地利用方式土壤侵蝕表1　3種不同土地利用方式土壤侵蝕差異顯著性檢驗

注：小寫字母表示0.05顯著性水平的比較結果，大寫字母表示0.01水平。

2.2　坡面土壤侵蝕與地形因子的響應

為探明坡長因子對坡面土壤侵蝕的影響，我們對石橋站點坡長徑流小區(坡度15°、寬2.5 m，全年保持清耕裸露狀態)2013全年觀測記錄的28次觀測結果進行分析，發現隨坡長的增加，坡面土壤侵蝕呈遞增趨勢，5，10，15，20及25 m坡長小區全年土壤侵蝕總量分別為5 463，6 260，9 330，12 424及14 934 t/km2，見圖3。同時我們也注意到，在保持地表裸露的狀態下，各坡長小區年土壤侵蝕均遠大于貴州省喀斯特區平均土壤侵蝕模數279.47 t/(km2·a)(據《貴州省水土保持公告(2011—2015)》)。為進一步探明坡長對土壤侵蝕的影響，對5個坡長小區全年逐次觀測值進行 Kruskal-Wallis H(K)檢驗，結果為p=0.985>0.05，表明坡長對土壤侵蝕的影響并不顯著。此外，針對全年降雨量大于40 mm的5次土壤侵蝕觀測值進行了t檢查，結果顯示任何兩個坡長小區之間土壤侵蝕差異均未達顯著水平。上述結果表明，隨坡長增加，侵蝕量呈遞增趨勢，但坡長對土壤侵蝕的影響并未達顯著水平。

圖3石橋站點2014年不同坡長土壤侵蝕

關于坡度對坡耕地土壤侵蝕的影響，由于石橋站點20°及25°小區內部存在裸露巖石(圖4)，可能導致上述2個坡度小區較5°，10°及15°坡面小區的坡面徑流流速、流態等水力學參數發生了較大改變，從而影響了土壤侵蝕，同時還存在因巖石出露而導致地下水土漏失的可能，因此5個坡度小區所測結果可比性不強，本文在此對坡度因子不作討論。

圖4石橋站點20°及25°徑流小區現狀

2.3　坡面土壤侵蝕與降雨量的響應

采用石橋站點2013年5個坡長小區28次土壤侵蝕觀測結果，及同步降雨觀測資料，分析降雨量對坡面土壤侵蝕的影響。采用逐次觀測結果，進行了指數、線性及多項式擬合，其中線性及二次多項式曲線見圖5。從圖5可看出，5個坡長徑流小區全年28次土壤侵蝕量和相應降雨量之間存在緊密的關系，其中以二次多項式擬合效果最好，決定系數均大于0.5。進一步的Pearson秩相關分析表明，5個小區坡面土壤侵蝕和降雨量在0.01水平上呈顯著正相關，相關系數分別為0.627，0.603，0.610，0.631及0.609(表2)。上述結果表明，降雨量同坡面土壤侵蝕之間存在緊密的相關關系，隨著降雨量的增加，坡面侵蝕量呈拋物線形式遞增。

圖5土壤侵蝕與次降雨量關系擬合曲線

3　討論與結論

3.1　討 論

坡耕地是我國南方水土流失的主要策源地[9]，本研究也證實了這一觀點。長期不合理的耕作方式，加之區域土層瘠薄，降雨強度大且集中，故而在耕作侵蝕、水力侵蝕及重力侵蝕等多重侵蝕力作用下，土壤逐年流失，最終導致土地石漠化，見圖6。從目前貴州省坡耕地水土流失治理現狀來看，仍主要以國家坡耕地水土流失綜合治理專項為主，但國家治理專項投資有限，加之區域坡改梯難度大，目前治理范圍較為有限，因此，未來喀斯特區坡耕地水土保持研究應重視水土保持耕作措施等非工程措施的試驗與示范。從目前文獻報道情況來看，秸稈還田等水土保持耕作措施調控水土流失的有效性已被廣泛證實[10-12]，但喀斯特區相關試驗、示范及實踐較黃土高原區等地區報道要少。因此，在未來的相關研究工作中，研究者應針對喀斯特區坡面地形破碎、坡改梯難度大等特點，為農民和土地管理者提供科技支撐，為他們提供以證據為基礎的水土保持耕作措施試驗示范，引導他們改變傳統耕作方式，使之實施更可持續的土地管理實踐[13]。

2013年石橋小流域觀測結果顯示，坡面土壤侵蝕隨坡度的增加，先增加，然后大幅度減少(圖7)，這與通用土壤流失方程(USLE)及其他研究成果給出的結論有一定出入[14]，原因前文已述，主要是20°，25°小區較5°，10°及15°小區出現了較大面積的露裸巖石，導致小區下墊面狀況不一致，從而可能導致20°，25°小區侵蝕結果發生大幅改變。事實上我們知道，在研究坡度因子時，改變的只能是坡度，其他侵蝕影響因子諸如地表覆蓋度、土壤及巖石出露率等需要嚴格控制，使產生的誤差在可接受范圍。但是，相對黃土高原、東北黑土等區域，喀斯特區地形破碎、巖溶發育，野外試驗要控制上述巖石出露率等因子十分困難，尤其是中、強度石漠化地區，這也是迄今為止喀斯特區土壤侵蝕野外定位觀測試驗相對較少的原因之一。在相關科研及生產實踐中我們發現，由于區域土壤侵蝕基礎研究的不足，使得通用土壤流失方程在貴州省水土流失預測、評價及規劃中的應用受到了一定的限制。地形因子(LS)的計算往往借鑒其他特定區域坡度坡長計算公式，如Liu基于黃土高原地區的坡度、坡長公式等[14-15]。我們知道，喀斯特區地質環境復雜，巖溶發育，坡面地形破碎，基于其他區域的地形因子計算公式往往不適用于喀斯特區。目前，喀斯特區地形因子的研究已有部分報道，如楊子生針對滇東地區坡耕地土壤侵蝕研究得出的LS計算公式等[16]，但仍局限于特定范圍和特定的坡面條件下應用。因此，未來喀斯特區應重點針對不同石漠化等級，加大地形因子的野外定位觀測力度，逐步建立適用于喀斯特區不同石漠化等級、不同坡面狀況下的地形因子公式。

表2　土壤侵蝕與次降雨量的Pearson秩相關分析

注:**表示在0.01 水平(雙側)上顯著相關。

圖6喀斯特區典型石漠化坡耕地演替示意圖

圖7石橋小流域2013年坡度小區土壤侵蝕觀測結果

3.2　結 論

貴州喀斯特區典型小流域坡面不同土地利用方式對土壤侵蝕的影響較為顯著，幾種土地利用方式中，坡耕地土壤侵蝕風險最高，林地次之，撂荒地最低；隨著坡長增加，坡面土壤侵蝕量呈遞增趨勢，但坡長對土壤侵蝕的影響并未達顯著水平；降雨量同坡面土壤侵蝕之間關系十分密切，在0.01水平上，坡面土壤侵蝕與降雨量之間存在顯著的正相關關系。

參考文獻：

[1]Yuan D X. Rock desertification in the subtropical karst of south China[J]. Z. Geomorph. N. F.,1997,108:81-90.

[2]李森,魏興琥,黃金國,等.中國南方喀斯特區土地石漠化的成因與過程[J].中國沙漠,2007,27(6):918-926.

[3]Prosdocimi M, Cerdà A, Tarolli P. Soil water erosion on Mediterranean vineyards: A review[J]. Catena,2016,141:1-21.

[4]袁應飛,戴全厚,李昌蘭,等.喀斯特典型坡耕地模擬降雨條件下的土壤侵蝕響應[J].水土保持學報,2016,30(3):24-28.

[5]任樂,張科利,郭繼成.基于沖刷試驗的貴州耕地土壤抗沖性研究[J].水土保持學報,2013,27(1):56-59.

[6]熊康寧,李晉,龍明忠.典型喀斯特石漠化治理區水土流失特征與關鍵問題[J].地理學報,2012,67(7):878-888.

[7]朱青,陳正剛,李劍,等.貴州坡耕地3種種植模式的水土保持效果對比研究[J].水土保持研究,2012,19(4):22-25.

[8]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.

[9]劉志剛.坡改梯對我國經濟可持續發展的影響和對策[J].中國水土保持科學,2011,9(4):46-49.

[10]Prosdocimi M, Jordán A, Tarolli P, et al. The immediate effectiveness of barley straw mulch in reducing soil erodibility and surface runoff generation in Mediterranean vineyards[J]. Science of the Total Environment, 2016,547:323-330.

[11]Kairis O, Karavitis C, Kounalaki A, et al. The effect of land management practices on soil erosion and land desertification in an olive grove[J]. Soil Use and Management, 2013,29(4):597-606.

[12]Zhang S, Li P, Yang X, et al. Effects of tillage and plastic mulch on soil water, growth and yield of spring-sown maize[J]. Soil and Tillage Research, 2011,112(1):92-97.

[13]Prosdocimi M, Tarolli P, CerdàA. Mulching practices for reducing soil water erosion: A review[J]. Earth-Science Reviews, 2016,161:191-203.

[14]Liu B Y, Nearing M A, Risse L M. Slope gradient effects on soil loss for steep slopes[J]. Transactions of the Asae, 1994,37(6):1835-1840.

[15]Liu B Y, Nearing M A, Shi P J, et al. Slope length effects on soil loss for steep slopes[J]. Soil Science Society of America Journal, 2000,64(5):1759-1763.

[16]楊子生.滇東北山區坡耕地土壤侵蝕的地形因子[J].山地學報,1999,17(S1):16-18.