川北丘陵區土地利用方式對地表侵蝕產沙的影響

楊 丹

( 1. 西華師范大學國土資源學院，四川 南充 637009；2. 西華師范大學嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009)

地表侵蝕產沙是降水與下墊面相互作用的結果[1]，是流域地貌變化的主導因素之一，已受到國內外相關學者的高度重視[2-3]。國內外學者針對侵蝕產沙過程的研究主要集中于徑流量、輸沙量的變化規律及其影響因素等方面[4-5]，我國的相關研究多集中于黃河流域和長江流域中下游[6-8]，而針對長江上游嘉陵江流域侵蝕產沙過程的研究相對較少，且主要集中在水保措施的保土減沙方面[9-10]。如張明波等[10]研究發現實施水土保持治理，對控制嘉陵江流域內水土流失現象有積極作用，減沙效益可達20%以上，但減水效益不足5%。土地利用方式作為改變地表形態的重要手段之一，不僅影響流域的蒸散發性能，而且可以通過改變地表覆被類型及程度來影響流域的產流產沙[11-12]。然而，已有研究中多關注農田、城鎮、水域、耕地、林地、交通用地等土地利用方式對土壤侵蝕過程的影響[13-14]，針對農地利用過程中因耕種導致的土地利用形式差異引起的土壤侵蝕過程發生變化的研究幾乎沒有。川北丘陵區是我國典型的農業區，坡耕地廣泛分布、人地矛盾突出，耕作方式多樣化明顯，農地的不同利用方式對流域的侵蝕產沙也起著重要作用。因此，為彌補該區缺乏關于農地土地利用方式對土壤侵蝕過程影響的研究，本研究以嘉陵江西河流域為重點研究區，通過野外長期定位觀測試驗，深入研究川北丘陵區農地不同土地利用方式下產流產沙的變化過程，研究結果有助于建立適合嘉陵江流域的土壤侵蝕產沙預報模型，利于指導該區采用合理的土地利用方式減少區域的侵蝕產沙。

1 研究區概況

研究區位于四川省南部縣境內，屬嘉陵江支流西河流域（105°43′E，31°30′N），地處川東北低山深丘區，區內海拔為344～730 m。該區屬亞熱帶濕潤季風季候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，多年平均降雨量和蒸發量分別為931 mm和513 mm，年內降水主要集中在5—10月，約占全年降水量的82%，多年平均氣溫為17.2 ℃[15-16]。該區母巖為白堊系下統城墻巖群砂泥巖，土壤類型以水稻土和黃壤土為主，其有機質含量較低，結構狀況不良，易分散懸浮，抗蝕性、抗沖性均較差[15,17]。區內植被主要為亞熱帶常綠闊葉混交林，溫帶針葉林和次生植被，植物品種繁多，植被覆蓋率約為35%[15]。該區糧食作物以水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）、紅苕（Ipomoea batatas）為主，經濟作物以油菜（Brassica napus）和棉花（Gossypiumspp.）為主。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本研究選取了南充市升鐘水土保持試驗站（以下簡稱“水保站”）內降雨條件一致（表1）的4個相鄰徑流小區以分析不同土地利用方式對產流產沙變化的影響。鑒于數據的可得性和完整性，本研究選取了2005—2016年各徑流小區的年總徑流量和年侵蝕模數數據，以及2008—2016的年平均泥沙含量數據進行分析。其中，降雨數據通過徑流小區附近的氣象站獲得，徑流量通過直接測定徑流池深度計算獲得，泥沙含量通過烘干法測定，年侵蝕模數則通過年總侵蝕量與徑流小區面積進行換算而得到。

表1 觀測小區2005—2016年降雨情況Table 1 Precipitation in the monitoring area from 2005 to 2016

2.2 研究方法

選取4個徑流小區進行對比研究，其長、寬、坡度均分別為20、5 m、5°，土壤類型均為黃壤。為研究土地利用方式對侵蝕產沙過程的影響，在保證其他條件一致的情況，對土地不同利用方式進行分析，見表2。其中，CK主要通過人工修剪的方式使其植被蓋度常年維持在5%以下，且常年無其他干擾。T1、T3、T4均主要通過機耕或人工方式進行耕作，土壤擾動深度在10～15 cm以內，且相應作物種植根據節令進行，全年基本無閑置期。

表2 觀測小區概況Table 2 Basic information of monitoring area

2.3 數據處理

采用Excel 2013進行數據整理，通過SPSS 16.0和Origin 8.0對各徑流小區的徑流、侵蝕狀況差異進行統計分析，并采用 Duncan 法進行方差分析，同時采用Sigmaplot 10.0進行圖形繪制。

3 結果與分析

3.1 土地利用方式對徑流量的影響

由圖1可知，2005—2016年4種處理徑流小區徑流量的時間變化過程。不同土地利用方式徑流小區的徑流量年際變化過程有較大差異。其中，T1徑流量在觀測時段內呈明顯的“單峰”現象，即在2005—2013年間徑流量基本保持穩定在10.66 m3附近，波動相對較小，隨后，T1徑流量開始急劇增大，并在2015年達到最大值（112.40 m3），接著在2016年急劇減少到12.04 m3。這與2005—2016年間降水量在2015年取得最大值有一定關系，即T1徑流量峰值的出現時間與年降水量有很大關系。分析發現，CK的徑流量也具有“峰值”現象，并在2011年達到最大值（47.46 m3），但CK年徑流峰值的出現時間與年降水量的變化并不具有同步性。對比發現，T1徑流量最大值遠高于CK，但徑流量峰值出現的時間有一定差異，由此說明種植蔬菜對徑流的年際變化規律影響相對較小，但對其具體變化過程有一定改變作用，即蔬菜種植可在一定程度上改變下墊面產流對降水量的響應特征。

圖1 各徑流小區年總徑流量的年際變化Fig. 1 Annual variation of runoff

進一步分析發現，T3與T4的徑流變化過程相對一致，均在觀測期間呈現出“雙峰”現象，即徑流量在2007年和2014年或2015年達到峰值，且2個徑流小區的徑流量峰值也較為接近。其中，T3在2007年和2015年達到徑流量峰值68.96 m3和66.20 m3，T4在2007年和2014年達到徑流量峰值72.74 m3和70.40 m3。

為進一步探討土地利用方式對徑流量的影響，對上述4個小區徑流量進行方差分析，結果顯示不同土地利用方式小區徑流量之間無顯著差異，說明在降雨條件一致的情況下土地利用方式的改變不會對徑流量的大小造成顯著的影響。不同土地利用方式的4個小區多年平均徑流量關系為T4（27.12 m3）＞CK（26.49 m3）＞T3（23.34 m3）＞T1（21.85 m3），即種植飼草可在一定程度上增加徑流量，而種植蔬菜或農作物混種可以減少產流量，這可能與飼草柔韌性較好遇到強降雨時易倒伏從而減少入滲，同時倒伏的飼草有助于降低地表糙度，加速徑流形成和流動，進而使得徑流量增加有一定關系。但由于上述作用強度有限，僅能使得T4徑流量有所增加，但并不顯著地高于其他處理小區。

3.2 土地利用方式對徑流泥沙含量的影響

由圖2可知，2008—2016年間，各土地利用方式徑流小區年平均泥沙含量的年際變化過程。整體上看，各徑流小區的泥沙含量均呈現出較強的時間波動性。其中，CK泥沙含量的年際波動最為明顯，其最大值出現在2014年為5.92 g/mL，最小值出現在2015年為0.968 g/mL，在整個觀測時段內泥沙含量的變幅高達4.95 g/mL，是4種土地利用方式中泥沙含量變化幅度最大的。相對而言，T3泥沙含量年際變化最小，在2008—2016年間的變化幅度僅為0.69 g/mL。T1和T4泥沙含量的年際變化波動性介于前兩者之間，變化幅度分別為2.92 g/mL和1.57 g/mL。分析發現，CK泥沙含量的變化幅度分別為T1、T3和T4的1.70、7.16和3.15倍。由此可知，3種處理的土地利用方式均可在一定程度上減小泥沙含量的年際變化使其各年度趨于穩定。

圖1 泥沙含量的年際變化過程Fig. 2 Annual variation of sediment content

通過方差分析可以對比不同處理小區泥沙含量的均值大小關系，從而可以確定不同土地利用方式的保土減沙效果。結果顯示，CK的平均泥沙含量（3.10 g/mL）顯著高于其他3個處理（P＜0.05），分別為 T1（1.90 g/mL）、T3（0.72 g/mL）和T4（0.74 g/mL）的1.63、2.65和2.56倍，由此可知3種處理的土地利用方式對降低泥沙含量作用明顯。此外，各土地利用方式處理之間的泥沙含量也存在較大差異，其中T1泥沙含量雖然顯著低于CK（P＜0.05），但顯著高于T3和T4（P＜0.05），由此說明種植蔬菜雖然可以降低泥沙含量，但對泥沙含量的降低作用不及農作物混種和牧草種植。進一步分析發現，T3和T4的泥沙含量之間無顯著差異，即種植飼草或者農作物混種不會對徑流小區的多年平均泥沙含量產生顯著影響。這可能是由于蔬菜的根系分布深度較淺，且密度較低，僅能起到保護較淺土層免受侵蝕的作用，而小麥、玉米、紅苕和飼草的根系分布都相對較深，且密度很大，對土體的“加筋”作用更為明顯，因此T3和T4的年平均泥沙含量要明顯低于T1。由此可知，可以通過實施不同農作物混種或者種植牧草來降低徑流泥沙含量，從而起到保土的作用。

3.3 土地利用方式對侵蝕模數的影響

侵蝕模數反映了表層土壤在自然營力和人為活動的綜合作用下，單位面積和單位時間內被剝蝕搬運的土壤侵蝕量，是衡量土壤侵蝕程度的重要量化指標。由圖3可知，2005—2016年間各土地利用方式小區年土壤侵蝕模數的變化過程，各小區侵蝕模數在隨觀測年份表現出不同程度的起伏變化，但土壤侵蝕模數與觀測年份之間無顯著函數關系。其中，CK土壤侵蝕模數在不同年份的波動強度最大，變幅高達2 018.9 t/（km2·a），最大土壤侵蝕模數是最小土壤侵蝕模數的209.13倍，表現出極強的年際變化效應。相對而言，T1、T3和T4侵蝕模數的年際變化幅度相對較弱 ， 分 別 為 693.7、 193.9 t/（ km2·a） 和 213.7 t/（km2·a），CK土壤侵蝕模數的年際變化幅度分別為T1、T3和T4的2.91、10.41和9.45倍。由此可知，農作物混種和牧草種植較蔬菜種植在弱化土壤侵蝕模數的年際變化上具有類似的積極作用。

圖3 徑流小區侵蝕模數的時間變化Fig. 3 Annual variation of erosion modulus

方差分析結果表明，CK的平均土壤侵蝕模數顯著高于其他3種處理（P＜0.05），分別為T1、T3和T4的2.68、7.42和6.47倍，由此可知裸地的侵蝕強度要明顯高于種植作物的處理，這可能與耕作打窩、打埂導致泥沙提前淤積使得被搬運帶走的泥沙量減少有一定關系。進一步分析發現，T1、T3和T4的土壤侵蝕模數之間無顯著差異，但在數值大小上表現為T1＞T4＞T3，且T3與T4侵蝕模數較為接近，分別為87.37、100.33 t/（km2·a），而 T1的侵蝕模數 241.82 t/（km2·a）要高于前兩者。由此說明，不同的土地利用方式對徑流小區的侵蝕模數存在較大影響，這可能與蔬菜種植小區植被蓋度較低，而T3與T4的植被覆蓋度較高有較大關系。

4 結論與討論

本研究主要探討了土地利用方式對徑流小區產流產沙過程的影響，對比分析了蔬菜種植、農作物混種和飼草種植對徑流量、泥沙含量及土壤侵蝕模數的影響，從土地利用方式的角度分析了徑流量、泥沙含量和土壤侵蝕模數的年際變化過程和規律，得到了一些有益的結論。然而，地表產流產沙不僅受到土地利用方式的影響，而且受到其他諸多因素的共同作用，例如降水入滲的快慢及多少對地表徑流有顯著影響，而土壤有機質含量、結構的水穩定性、抗蝕性等理化性質對土壤侵蝕過程也起著重要作用[18-19]。如郁耀闖等[20]的研究發現土壤可蝕性與水穩性團聚體、土壤黏結力、根重密度之間成顯著負相關關系。Ciampalin等[21]、Wang等[22]認為土壤分離能力將會隨著土壤有機質含量、土壤黏結力以及水穩性團粒含量的增大而降低。此外，由于人類耕作方式、習慣的差異和泥沙顆粒運動的隨機性將引起的地表微地形的改變，進而改變入滲過程及泥沙運移路徑，從而影響地表產流產沙過程。如李裕元等[23]研究發現與壓實相比，土壤翻耕可導致入滲率下降40%～60%，使得坡度產沙量增加3倍，實施免耕可有效減輕水土流失。同時，土地利用方式、入滲、土壤理化性質、人類活動及泥沙運動規律等對產流產沙過程的影響并非獨立的，而是存在相互影響的內在耦合機制，因此綜合考慮上述因素對地表產流產沙的影響將是下一步研究的重點方向之一。

不同土地利用方式對多年平均徑流量影響較弱，但農作物混種和飼草種植對徑流量的年際變化規律有明顯影響，而蔬菜種植對徑流的年際變化過程影響較小。農作物混種和飼草種植小區徑流量在2005—2016年間呈“雙峰”現象，而蔬菜種植小區和CK均呈“單峰”現象。土地利用方式的差異對泥沙含量大小的影響強于對其年際變化規律的影響。CK的泥沙含量顯著高于蔬菜、農作物混種和飼草種植處理，分別為后者的1.63、2.65和2.56倍，且農作物混種和飼草種植處理的泥沙含量相對接近并顯著低于蔬菜種植小區。各土地利用方式處理的泥沙含量均表現出不同程度的時間波動性，但3種處理小區泥沙含量的年際波動性要明顯弱于CK。改變土地利用方式對降低土壤侵蝕量作用顯著，3種土地利用方式較CK可降低土壤侵蝕模數2.68～7.42倍。蔬菜種植、農作物混種和飼草種植的土壤侵蝕模數之間無顯著差異，但農作物混種和飼草種植較蔬菜種植在降低土壤侵蝕強度方面作用更好。