魯中山區(qū)坡面尺度下的土壤侵蝕特征分析

靳洋 孫希華 陳鳳琴

摘要：土地資源的過度開發(fā)利用導致土壤侵蝕問題日益嚴重。坡面作為土壤侵蝕研究的基本單元，分析其在不同條件下土壤侵蝕特征對于水土保持政策制定具有重要意義。以濟南市萊蕪棲龍灣水土保持科技示范園的徑流場為試驗區(qū)，對2008—2012年的降水數(shù)據(jù)以及模擬降水試驗觀測數(shù)據(jù)進行定量分析，結果表明：（1）坡長一定時，25°為侵蝕臨界坡度，坡度大于或小于25°，侵蝕量減少;（2）在10°～30°坡度范圍內(nèi)，降水量達到12.95 mm時才會產(chǎn)生徑流，并且與徑流量和泥沙損失量均呈現(xiàn)正相關趨勢，并且降水強度越大，面蝕轉(zhuǎn)為細溝侵蝕的時間越快，前期侵蝕量的波動越大;（3）10°～20°的坡度范圍內(nèi)，梯田種植方式比順坡種植方式有更好的水土保持效果，25°～30°坡度范圍內(nèi)，林草工程和魚鱗坑等措施結合可以有效減弱土壤侵蝕。

關鍵詞：坡面尺度;土壤侵蝕;棲龍灣;魯中山區(qū)

中圖分類號： S157文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0309-04

收稿日期：2019-08-10

基金項目：山東水土保持學會重點領域創(chuàng)新資助項目（編號：2018sbxhcx05）。

作者簡介：靳洋（1994—），男，山東鄒城人，碩士研究生，主要從事地理信息系統(tǒng)技術應用研究。E-mail：1179040330@qq.com。

通信作者：孫希華，碩士，教授，主要從事GIS技術應用和水土保持研究。E-mail：471572553@qq.com。

土壤侵蝕問題對于可持續(xù)發(fā)展來說是一個重要的限制因素，也是全球范圍內(nèi)重點關注的問題。坡面是土壤侵蝕過程中最基本的單元[1]，分析不同影響因素下土壤侵蝕特征具有十分重要的意義。

坡面尺度的土壤侵蝕是一個復雜的過程，降水、坡度、植被覆蓋等因素都對土壤侵蝕過程有著重要的影響[2]。其中降水因素主要包括降水強度和降水量，姜義亮等研究表明，降水強度由50 mm/h提高到100 mm/h時，對土壤侵蝕增加的貢獻率為89.6%～99.5%[3];程甜甜等在魯中南山丘區(qū)坡面土壤侵蝕研究中表明，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙在各降水因子中與降水量因子相關性最強[4]。各影響因素相互疊加導致了土壤侵蝕的復雜性，李桂芳等研究表明，侵蝕程度與坡度、降水強度均呈現(xiàn)出正相關關系，與植被覆蓋度呈現(xiàn)反比關系，且各因素疊加時，侵蝕強度遠大于任何單一因子的影響[5]。由此可見，降水因素對土壤坡面侵蝕具有關鍵作用。在自然環(huán)境保持不變的前提下，土地利用是土壤侵蝕的重要影響因素之一[6]。不合理的土地利用方式會加劇土壤侵蝕。

本研究通過試驗觀測與定量分析，研究不同坡度、降水以及植被覆蓋類型條件下的土壤侵蝕特征，分析其變化規(guī)律。在自然條件下，相比于降水、坡度等因素，植被覆蓋類型是能夠進行人為干預的因素，進而優(yōu)化土地利用格局，實現(xiàn)山地丘陵區(qū)的坡面侵蝕保護工作。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

濟南市萊蕪區(qū)棲龍灣水土保持科技示范園，位于117°37′6″～117°38′3″E，36°22′32″～36°22′57″N，占地面積為110.27 hm2，地處山東腹地魯中山區(qū)，屬于山東省水土流失重點治理區(qū)，是山東省典型土壤侵蝕區(qū)。氣候類型屬于暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為776 mm;土壤類型為棕壤。設置模擬降水設施及10°、15°、20°、25°、30°共5種坡型25個徑流小區(qū)的徑流觀測試驗場地。

1.2數(shù)據(jù)獲取

模擬降水條件下土壤侵蝕觀測，主要探究不同坡度和降水強度條件下的土壤侵蝕特征。土槽規(guī)格為長×寬×深=2.0 m×1.0 m×0.2 m，坡度可調(diào)。降水強度設定為30、40、50 mm/h;降水歷時60～80 min，在產(chǎn)生徑流后30 min結束觀測。槽內(nèi)土壤密度為1.385 g/cm3，土層總厚度為20 cm。土槽土壤來源為萊蕪區(qū)棲龍灣地區(qū)0～20 cm耕層土壤，為典型棕壤，土質(zhì)為壤土;壤土為魯中山區(qū)最主要的土壤類型，比例高達90%以上，具有典型性。從徑流產(chǎn)生開始，每5 min測量1次，測量每個時段的徑流量和徑流總量;然后分別將每個時間段的徑流量取樣過濾、烘干、稱質(zhì)量，得到每個時間段的泥沙損失量和泥沙損失總量。

自然降水條件下土壤侵蝕觀測，主要探究不同降水量和植被覆蓋類型下的土壤侵蝕特征。園區(qū)內(nèi)徑流場共25個徑流小區(qū)，包含10°、15°、20°、25°、30°共5個坡型，每個徑流小區(qū)長10 m、寬5 m，水平面積為50 m2。其中10°、15°、20°的徑流小區(qū)主要研究農(nóng)作物和經(jīng)濟林對土壤侵蝕的影響;25°、30°的徑流小區(qū)主要研究坡長、坡面工程以及生態(tài)林草措施對土壤侵蝕的影響。分析2008—2012年共5年的降水記錄，包括每次降水的降水強度、降水量、降水歷時以及每次降水所產(chǎn)生的徑流量和土壤侵蝕量，得出不同降水量和植被覆蓋類型對土壤侵蝕的影響程度。

2結果與分析

2.1不同坡度下的土壤侵蝕特征分析

在徑流小區(qū)坡長因素不變的情況下，坡度的不同造成其坡面土壤顆粒的穩(wěn)定性不同，坡面上水流動力特性亦不同，影響到坡面投影面積使承水面積和土壤侵蝕程度不同。

模擬降水條件，將土槽分別設置為10°、15°、20°、25°、30°等5種坡型，降水強度設置為30、40、50 mm/h，觀測不同坡度下的土壤侵蝕特征。根據(jù)徑流小區(qū)不同坡度下的泥沙損失量（圖1）可以看出，在坡度遞增的情況下，產(chǎn)生的總泥沙損失量隨著坡度的增加而增加，在坡度為25°時總泥沙損失量達到最高值，坡度為30°時略有下降。

通過對徑流小區(qū)2008—2012年的觀測數(shù)據(jù)進行分析，10°、15°、20°、25°、30°共5個坡型下裸地的土壤侵蝕模數(shù)（圖2）分別為63、40、55、109、106 t/（km2·年），可以看出在自然降水條件下，坡度為25°時侵蝕模數(shù)最大。

隨著坡度的增加，水分入滲的時間縮短，產(chǎn)流時間也將提前，坡面上土壤顆粒的穩(wěn)定性也隨著坡度的增加而減弱，土壤隨徑流流失的概率增加。坡度增加后，坡面投影面積減小，坡面實際降水總量減少。因此，坡面坡度的變化不是決定坡面土壤流失量的唯一因素，而是坡度變化以及坡度變化后附加因素一起作用的結果。由模擬降水和自然降水隨坡度變化對坡面侵蝕的影響得出，25°為土壤侵蝕的臨界坡度，坡度大于25°或者小于25°，土壤侵蝕量都有所減少。

2.2不同降水條件下的土壤侵蝕特征

在影響土壤侵蝕的因素中，降水是水蝕區(qū)最為主要的外部因素，是土壤侵蝕的先決條件。降水對土壤提供水分，產(chǎn)生徑流，也會在土壤侵蝕過程中提供能量。水分下滲會導致土壤更加疏松，使土壤更易隨徑流流失，同時雨滴降落到地面時產(chǎn)生的沖擊力也會加速水土流失。與此同時，降水的沖擊力也能夠?qū)⑼寥罁魧?，并且降水沖擊開的土壤顆粒會隨水分的流滲而堵塞土壤間的空隙，阻礙水分的下滲[7]。

2.2.1模擬降水條件下侵蝕特征分析

在模擬降水條件下，分別設置30、40、50 mm/h 3種不同的降水強度，觀測在不同降水強度下土壤侵蝕的特征。根據(jù)不同降水強度下的水土流失情況觀測結果（圖3）可以看出，在降水強度為30 mm/h時，徑流量和泥沙損失量在各種坡度條件下表現(xiàn)均不明顯，土壤侵蝕程度較弱。降水強度和徑流量、泥沙損失量均呈現(xiàn)正相關的關系，即隨著降水強度的增加，徑流量和泥沙損失量都有增加趨勢。不過隨著降水強度的增加，增幅逐漸減小。

同時隨著降水強度的增加，徑流量和侵蝕量增加幅度趨于穩(wěn)定的時間變短，對不同坡度下單位時間內(nèi)的水土流失量進行觀測，由圖4可知，徑流產(chǎn)生的波動性較小，降水強度為30 mm/h條件下變化幅度不大，趨于穩(wěn)定的時間較長;40、50 mm/h 降水強度下，前期變化較為劇烈，短時間內(nèi)均達到穩(wěn)定的趨勢，時間分別在25、15 min左右。在不同的降水強度下，產(chǎn)沙過程前期均呈現(xiàn)出不同程度的波動，后期穩(wěn)定，且穩(wěn)定值也隨著降水強度增大而增大。產(chǎn)沙過程中出現(xiàn)波動主要是因為侵蝕方式的變化，尤其是在高強度的降水條件下表現(xiàn)尤為明顯也更加迅速。在侵蝕過程中，土壤顆粒的穩(wěn)定性由于水分下滲發(fā)生不同程度的變化，而且徑流量的迅速增加使其動力和攜沙能力增強，加上裸露土壤表面凹凸不平，侵蝕過程便由面蝕轉(zhuǎn)換為細溝侵蝕，從而引起侵蝕量的波動性變化。試驗場觀測也可發(fā)現(xiàn)，降水強度較高的條件下會有更多細溝產(chǎn)生。

2.2.2自然降水條件下侵蝕特征分析

對徑流場2008年9月至2012年9月共5年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，探究在自然降水條件下土壤侵蝕的特征。在這5年的降水數(shù)據(jù)中，有41次發(fā)生了較為明顯的土壤侵蝕。

對不同降水量條件下的侵蝕量和徑流量進行比較，分析其變化趨勢。由圖5可知，只有當降水量大于12.95 mm時才會產(chǎn)生徑流，并且徑流量和侵蝕量都隨著降水量的增加而增加，且徑流量和侵蝕量的變化趨勢一致。

分析比較不同降水強度下的侵蝕量和徑流量，總結其變化趨勢。由圖6可知，隨著降水強度的增加，土壤侵蝕量與徑流量整體呈上升趨勢，尤其是在降水強度達到>30～40 mm/h后，增加速度更為明顯，徑流量比>20～30 mm/h時增加98.8%，侵蝕量增加158%。短時間內(nèi)的降水很難產(chǎn)生徑流，但魯中山區(qū)降水比較集中，并且強降水一般都伴隨著長時間降水，更容易造成水土流失。

2.3不同土地利用方式下土壤侵蝕特征分析

在觀測場25個徑流小區(qū)內(nèi)，采用了裸地、坡耕地、土坎梯田、小魚鱗坑、大樹穴、魚鱗坑、石坎梯田等7種類型的土地利用方式。

比較不同土地利用方式下的年平均徑流量和年平均侵蝕量（圖7）可以看出，在自然降水條件下，不同土地利用類型的平均侵蝕量和徑流量是不一樣的。坡耕地的徑流量和土壤侵蝕量均最大;相比裸地來說，坡耕地在耕種過程中避免不了要進行翻耕、播種等活動，使土壤更加疏松，更易發(fā)生水土流失。而且各種土地利用類型下的徑流量和侵蝕量也并沒有出現(xiàn)相同的變化趨勢，如土坎梯田、大樹穴的徑流量均大于裸地，但裸地的侵蝕量比土坎梯田和大樹穴都要大。

根據(jù)對徑流小區(qū)泥沙流失取樣分析，可推算出各個徑流小區(qū)不同土地利用條件下的土壤侵蝕模數(shù)（表1）。10°～20°坡度的措施配置主要為農(nóng)作物和經(jīng)濟林，可以看出梯田種植方式有較好的水土保持效果。如果將順坡種植方式改為梯田種植方式，可以有效攔截泥沙，緩解土壤侵蝕;建議坡度較陡的區(qū)域禁止農(nóng)作物和經(jīng)濟林的種植。25°～30°徑流小區(qū)的措施配置主要為生態(tài)林草和坡面工程，可以看出林草覆蓋和魚鱗坑工程等措施相結合可以有效減緩土壤侵蝕。

3結論

（1）坡面尺度下的徑流量和泥沙損失量均與降水總量呈現(xiàn)正相關關系。

（2）坡面臨界侵蝕坡度為25°，當坡面坡度大于或小于25°時，土壤侵蝕程度都會有所減弱。

（3）降水強度越大，面蝕轉(zhuǎn)為細溝侵蝕的時間越快，前期的侵蝕量波動越大。降水量大于12.95 mm時才會產(chǎn)生徑流，并且降水強度在30 mm/h以下時?10°、20°、30°要3種坡型下的徑流總量和泥沙損失量相比之下均較小且無明顯的差異?因此在降水量較小且強降水量不多的地區(qū)無需大規(guī)模地采取措施防治水土流失。

（4）在10°～20°坡度內(nèi)建議種植農(nóng)作物和栽植經(jīng)濟林，當坡度增大時，建議可將順坡種植方式改為梯田種植方式，可適當攔截徑流和泥沙;25°～30°坡度內(nèi)林草措施結合魚鱗坑等工程措施水土保持效果較好，禁止陡坡地開墾種植農(nóng)作物或經(jīng)濟林。

參考文獻：

[1]傅伯杰，趙文武，陳利頂，等. 多尺度土壤侵蝕評價指數(shù)[J]. 科學通報，2006，51（16）：1936-1943.

[2]劉恒，李利偉. 基于GIS的沂源縣土地利用與土壤侵蝕關系研究[J]. 甘肅科技，2018，34（22）：143-146.

[3]姜義亮，鄭粉莉，溫磊磊，等. 降雨和匯流對黑土區(qū)坡面土壤侵蝕的影響試驗研究[J]. 生態(tài)學報，2017，37（24）：8207-8215.

[4]程甜甜，張興剛，李亦然，等. 魯中南山丘區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨關系[J]. 水土保持學報，2017，31（1）：12-16.

[5]李桂芳，鄭粉莉，盧嘉，等. 降雨和地形因子對黑土坡面土壤侵蝕過程的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（4）：147-154，182.

[6]葉芬，黃耀萍，鄒明普. 基于GIS的土壤侵蝕與土地利用關系研究[J]. 北京測繪，2016（3）：15-19.

[7]趙曉蒞. 紫色土區(qū)水力侵蝕對土壤有機碳的影響及SOC預報模型研究[D]. 重慶：西南大學，2008.