朝陽縣小流域坡面土壤侵蝕狀況與土壤磁化率空間分異特征分析

2020-06-11 07:17:14王萬香

黑龍江水利科技 2020年5期

王萬香

(朝陽縣水土保持局，遼寧朝陽 122000)

0 引言

20世紀70年代，中國諸多學(xué)者就開展了自然地理隨機分布的研究，但對于水土流失異質(zhì)性的研究還處于起步階段。土壤侵蝕是一種在人類生產(chǎn)建設(shè)、社會發(fā)展、風(fēng)力和水力等要素作用下隨機自然線性，受分析方法、技術(shù)手段及系統(tǒng)復(fù)雜性影響顯著。1930年以前，關(guān)于空間變異性的探討側(cè)重于定性分析和宏觀描述，1940年以后，定量分析土壤侵蝕的研究取得了豐碩的成果。早期的研究通常無法區(qū)分泥沙來源，且難以評價和分析土壤侵蝕空間不同坡位的分布特征，隨著現(xiàn)代空間分析技術(shù)和同位素示蹤技術(shù)的發(fā)展，為空間變異研究創(chuàng)造了條件。研究表明，在土壤侵蝕分析時REE示蹤和核素示蹤法仍存在一定的不足，而磁測法具有無破壞性、成本低、重現(xiàn)性好、簡便快捷等優(yōu)點，對于大批量土壤侵蝕磁性檢測樣本短時間內(nèi)即可完成測定[1-10]。因此，選取朝陽縣土石質(zhì)山區(qū)小流域為例，采用調(diào)查法和磁測法研究坡面土壤侵蝕的差異，揭示磁化率與侵蝕強度間的相關(guān)性，以期為朝陽縣水土流失治理方案優(yōu)化設(shè)計和土壤侵蝕空間變異研究提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

六家子小流域位于朝陽縣西營子鄉(xiāng)低山丘陵區(qū)，屬小凌河中游，地理位置為E120°26′31″-120°31′27、N41°20′39″-41°25′39″，總面積3720.32hm2。該流域為半干旱、半濕潤季風(fēng)氣區(qū)，年均徑流深112mm，年降水量為509mm，季間變化大且多集中在7、8、9三個月。流域內(nèi)地區(qū)山脈縱貫，植被類型以人工林為主，經(jīng)濟林有大扁杏、棗、山杏，林草植被覆蓋率45.72%。由于歷史上植被破壞嚴重、干旱少雨及土地利用不合理，加之植被稀少、土質(zhì)疏松、土壤貧瘠、抗侵蝕力差等因素，流域內(nèi)水土流失問題十分突出[11-14]。

單家店小流域?qū)傩×韬又杏危挥贓120°17′27″-120°22′56″、N41°16′54″-41°21′30″，總面積3432.28hm2。該流域為大陸性季風(fēng)氣候，徑流深125mm，年均降水量496mm，且主要集中于6-9月，氣候特征為溫差較大、雨熱同期、春季干旱、日照充足，。土壤類型以褐土為主，黃土性沖積物和黃土為成土母質(zhì)成分，植被類型與單家店小流域相同。流域內(nèi)淋溶褐土廣泛分布，土層較高且土壤通透性差，水土流失危害嚴重屬于土石質(zhì)中度侵蝕區(qū)。土壤侵蝕會造成養(yǎng)分流失和生根深度的下降，對自然過程基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動并改變土壤強度，同時水土流失會造成水環(huán)境污染，在水力沖刷作用下挾帶大量泥沙并淤堵河道，嚴重威脅著區(qū)域防洪安全。為穩(wěn)步促進農(nóng)業(yè)發(fā)展和增大農(nóng)民收入，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和居民生活條件，降低江河泥沙淤積和水土流失危害程度，有必要對這兩個小流域的土壤侵蝕狀況進行研究分析。

1.2 坡面土壤磁化率的實地測定

以單家店、六家子小流域坡面為例測定不同母質(zhì)土壤的自然磁性差異，自坡頂向坡下每隔50m設(shè)為一個坡段共有8個坡面。然后采用WCL-1型磁化率儀測定不同坡向的坡面侵蝕強度和土壤磁化率，各點土壤磁化率取3次測量平均值，整個坡段的土壤磁化率為每個點的平均值。

然后選擇等高位置相同的草地、林地、坡耕地3種坡面，自坡頂向坡下每隔10m設(shè)為一個坡段，每個坡段選擇5個測點。然后對每個坡段各個測點土壤的磁化率利用WCL-1型磁化率儀測定，各點土壤磁化率取3次測量平均值，整個坡段的土壤磁化率為每個點的平均值。

同時進行磁化率和侵蝕強度的調(diào)查，在各個坡段的每一坡面上挖制土壤剖面，層次的劃分方法遵循土壤學(xué)方法，土壤侵蝕強度依據(jù)各層不同的厚度定性確定。剖面厚度與侵蝕強度等級一一對應(yīng)，極弱、弱、中度侵蝕對應(yīng)土壤剖面完整、保存1/2A層、保存量少于1/2A或全部流失A層；強烈和劇烈侵蝕對應(yīng)保存B層厚度<1/2、出露并侵蝕C層。朱顯謨、史德明等將該方法應(yīng)用于北方黃土高原土壤、南方山區(qū)紅壤侵蝕等級的劃分。

2 結(jié)果分析

2.1 坡面土壤侵蝕強度空間分異特征

根據(jù)表1可知，自坡腳至坡頂六家子小流域各坡面上的土壤侵蝕強度呈減弱、增強、減弱的變化特征，總體趨勢為下坡位低于上坡位侵蝕強度，中坡位居中。方差分析表明，土壤磁化率在不同坡段上的差異性水平達到P<0.05顯著水平。

表1 六家子小流域土壤侵蝕強度和坡面土壤容積磁化率κ

續(xù)表1 六家子小流域土壤侵蝕強度和坡面土壤容積磁化率κ

相同坡位不同坡向上，陰坡侵蝕強度小于陽坡，陰坡和陽坡的平均磁化率為111、105CGSM，六家子小流域陽坡上的土壤氣化率最低值為81CGSM，相應(yīng)的侵蝕強度達到最大為中度侵蝕，坡底磁化率較少為136CGSM，侵蝕強度最小，陽坡坡頂和坡底的磁化率變化幅度達到59CGSM；陰坡土壤侵蝕最強烈的坡段磁化率最小值為100CGSM，所對應(yīng)的侵蝕等級為弱，最大磁化率值為122CGSM所對應(yīng)的坡段侵蝕強度為極弱且最小，陰坡坡頂和坡底的磁化率變化幅度為24CGSM，且波動區(qū)間元小于陽坡；西坡和東坡的平均磁化率值為110、106CGSM，土壤侵蝕處于陰坡與陽坡的中間范圍，磁化率變化幅度為46、54CGSM，變化幅度均低于陽坡且超過陰坡，坡位相同的情況下東坡侵蝕強度低于西坡，六家子小流域東坡、西坡上達到中等侵蝕強度坡段有2個和4個。侵蝕強度因坡向的不同而存在一定差異，其原因為不同坡面接受的太陽熱量和發(fā)生的蒸發(fā)量不同，從而影響地面的植被覆蓋狀況，陰坡坡面植被發(fā)育良好且蒸發(fā)量少，所以其侵蝕強度較低，而陽面的水分條件差且太陽輻射量大，因此侵蝕強烈、林草覆蓋度低。

自坡頂至坡底土壤侵蝕強度呈強弱交替變化的特征，其原因為坡面上部的水流能量梯度大且水流速度快，降水條件下沖刷能力強挾帶泥沙含量多，當(dāng)達到一定的侵蝕強度后會距坡頂一定距離產(chǎn)生細溝。水流侵蝕動能在達到其極限搬運能力，即含沙量飽和時逐漸減少，所以沉積侵蝕帶一般位于坡面某一部位；當(dāng)逐漸恢復(fù)侵蝕力后，水流重新下切并增大侵蝕力，由此導(dǎo)致侵蝕強弱交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。

坡面最上部細溝內(nèi)的徑流挾沙能力大、搬運物質(zhì)較少為引起坡頂侵蝕強度高于坡低的主要原因，所以侵蝕量較大的區(qū)域為坡面最上部。同時，流過坡腳的流量在徑流過程結(jié)束時逐漸減小，因此在坡腳處開始沉積泥沙，導(dǎo)致坡底部位的泥沙堆積及細溝侵蝕量不斷減少，侵蝕強度最小的區(qū)域為坡底。

單家店小流域土壤侵蝕強度和坡面土壤容積磁化率，見表2。

根據(jù)表2可知，自坡腳至坡頂單家店小流域不同坡面上的侵蝕強度呈減弱、增強、減弱的變化特征。

表2 單家店小流域土壤侵蝕強度和坡面土壤容積磁化率

在相同坡位不同坡向上，侵蝕最為強烈的陽坡，其中達到強烈侵蝕等級的有7個坡段，陰坡和陽坡的平均磁化率為53、55CGSM，單家店小流域陽坡上的土壤磁化率最低值為43CGSM，相應(yīng)的侵蝕強度達到最大為強烈侵蝕，坡底磁化率最低為66CGSM，侵蝕強度最小為弱侵蝕，陽坡的磁化率變化幅度達到23CGSM，相對于六家子小流域陽坡磁化率變化幅度和平均值明顯較低，但侵蝕強度遠遠超過六家子流域；陰坡土壤侵蝕最強烈的坡段磁化率最小值為42CGSM，所對應(yīng)的侵蝕等級為強烈，最大磁化率值為68CGSM所對應(yīng)的坡段侵蝕強度為弱且最小，陰坡磁化率變化幅度為26CGSM，波動區(qū)間與陽坡基本接近但小于六家子小流域陰坡變化。單家店流域陽坡、陰坡的磁化率及侵蝕強度存在較大差異，其原因為植被和坡向不同對土壤侵蝕產(chǎn)生影響。西坡和東坡的平均磁化率值為49、43CGSM，土壤侵蝕處于陰坡與陽坡的中間，磁化率變化幅度為40、35CGSM，坡位相同的情況下東坡侵蝕強度低于西坡，其東、西坡變化差異性與六家子小流域相同。在坡位、坡向相同的情況下，單家店小流域的侵蝕強度顯著大于六家子，采用LSD檢驗磁化率方差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同坡段的土壤磁化率在兩個小流域中呈P<0.01的極顯著差異，其原因為六家子小流域的土壤本底值高于單家店，且單家店流域的林草覆蓋率低于六家子。

在不同巖性坡面上，單家店和六家子小流域的土壤侵蝕強度，自坡頂至坡底均呈現(xiàn)出波動變化特征，且坡底侵蝕強度遠低于坡頂，土壤磁化率最低的部位其侵蝕強度達到最大，可見二者之間存在負相關(guān)性。從不同坡向的角度分析，土壤侵蝕強度和不同空間部位變幅最大、最小的坡向為陽坡與陰坡，西坡和東坡的土壤侵蝕處于陰坡、陽坡的中間范圍，且坡位相同的情況下東坡侵蝕強度低于西坡。土壤本身抗蝕性差異和坡面土壤發(fā)育母質(zhì)不同，為造成單家店、六家子小流域土壤侵蝕差異的主要因素。

2.2 坡面土壤磁化率空間分異特征

六家子小流域土壤磁化率空間分異性，見圖1。從圖1可以看出，各坡向坡面土壤磁化率總體變化規(guī)律為中坡居中、下坡磁化率最高而上坡磁化率最低，呈現(xiàn)出下降、上升、下降、上升、下降、上升的波動變化特征。其原因為坡面土壤中富含磁性的礦物組分在水流搬運、剝蝕和雨滴濺蝕作用下重新分布，下坡位的侵蝕強度小會發(fā)生物質(zhì)沉積，從而導(dǎo)致含磁性礦物量高；而上坡位的侵蝕強度大，剝蝕為主要侵蝕類型，該坡段的磁性礦物在水流沖刷作用下徑流而下，使得磁化率相對較低。

在坡位相同的情況下磁化率最低的為陽坡，且陽坡的變化幅度較其它坡段最大達到60CGSM，其次為東坡和西坡，陰坡磁化率變幅最小為20CGSM，但其磁化率值達到最大，上文確定的磁化率和侵蝕強度間存在負相關(guān)性與這種分布規(guī)律保持較好的一致性，可見坡面侵蝕強度的空間分異性可以利用磁化率來間接描述。

圖1 六家子小流域土壤磁化率空間分異性

單家店小流域土壤磁化率空間分異性，見圖2。從圖2可以看出，單家店小流域各坡向坡面土壤磁化率總體變化規(guī)律為中坡居中、下坡磁化率最高而上坡磁化率最低，呈現(xiàn)出上升、下降、上升的波動變化特征。其原因為坡面土壤上方侵蝕強度在坡面徑流作用下達到最大，侵蝕強度最小的區(qū)域為坡底處，因此在坡面上土壤重新分布。土壤磁化率在不同坡向坡面上的空間變化特征與六家子小流域基本一致，其原因為坡面坡面不同其水熱條件存在差異，從而使得不同坡向的磁化率存在差異。

圖2 單家店小流域土壤磁化率空間分異性

單家店小流域的磁性本底值較低且發(fā)育在石灰?guī)r母質(zhì)上，因此其坡面土壤磁化率相對于磁性本底值較高的六家子小流域處于較低水平，但其波谷、波峰間的起伏相對較大且變化規(guī)律更為明顯，陽坡和陰坡的磁化率最大值分別達到15、20CGSM。

2.3 不同用地方式土壤磁化率與侵蝕強度

1)侵蝕強度空間分異。從表3可以看出，3種不同用地方式下六家子小流域等高位置坡面上，土壤侵蝕強度呈坡頂高于坡地的趨勢，自坡頂至坡底表現(xiàn)出下降、上升、下降的變化特征。

在等高位置相同的情況下，最大的侵蝕強度位于坡耕地，其中處于中等侵蝕強度的有9個坡段，磁化率最低值為41CGSM；林地土壤侵蝕沒有達到中度等級的坡段，磁化率最高為308CGSM且侵蝕強度最??；草地的侵蝕強度處于以上兩者中間水平，各個坡段中存在一定的弱侵蝕區(qū)。結(jié)合小流域?qū)嶋H情況，坡耕地土質(zhì)疏松且地面覆蓋度小，人類活動對坡耕地的影響最大，而林地的土壤堅實度通常大于耕地且土壤的覆蓋度大，因此坡耕地遠遠高于林地侵蝕強度。草地具有較大的土壤覆蓋度和較強的固結(jié)土壤能力，所以其徑流剝蝕力減少作用較為顯著，草地侵蝕強度略大于林地但遠小于坡耕地。綜上分析，不同土地利用方式下六家子小流域的土壤磁化率和侵蝕強度具有相同的空間分異規(guī)律，從弱到強的土壤侵蝕為林地<草地<坡耕地，磁化率排序正好與之相反。不同用地方式的侵蝕強度與磁化率，見表3。

表3 不同用地方式的侵蝕強度與磁化率

根據(jù)表3可知，3種不同用地方式下單家店小流域等高位置坡面上，自坡頂至坡底土壤侵蝕強度總體呈下降、上升、下降的波動變化特征，其變化規(guī)律與磁化率相反，可見兩者之間存在一定的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

相同坡面不同用地方式下，最大的侵蝕強度位于坡耕地，其中達到中等侵蝕強度坡段占到一半以上，磁化率最低值為28CGSM；林地土壤侵蝕以中度級別為主，磁化率最高為445CGSM且不存在土壤侵蝕；草地的侵蝕強度處于以上兩者中間水平，該小流域土壤磁化率與侵蝕強度之間存在負相關(guān)性，由此表明造成侵蝕強度發(fā)生改變的原因可能是土壤磁化率的改變。

總體而言，在流域不同巖性相同的區(qū)域內(nèi)，等高位置相同但用地方式不同的坡面上，磁化率最低而侵蝕強度最高的為坡耕地，林地的磁化率最高而侵蝕強度最小，草地位于兩者的中間水平。

2)土壤磁化率空間分異。六家子小流域不同用地方式土壤磁化率，見圖3。從圖3可以看出，不同用地方式相同等高坡段下，六家子小流域磁化率較低區(qū)位于坡頂段，磁化率總體呈波動變化特征，磁化率較高區(qū)為坡底沉積區(qū)，波動幅度最大為100CGSM。雖然各坡面的坡長不同，但3種土地利用方式具有相同的磁化率空間變異規(guī)律，土壤侵蝕率自坡頂至坡腳呈波動變化規(guī)律，同時坡頂?shù)陀谄碌?，可見磁化率和侵蝕前股東空間分異規(guī)律不受土地利用方式的影響。通過對圖3變化特性分析，磁化率及其變幅最大的為林地，>200CGSM，其次為草地的100CGSM；磁化率變化幅度最小且數(shù)值最低的為坡耕地，其值在100CGSM以下，這可能與土壤侵蝕強度受不同用地方式的影響相關(guān)。

圖3 六家子小流域不同用地方式土壤磁化率

單家店小流域不同用地方式土壤磁化率，見圖4。從圖4可知，不同用地方式相同等高坡段下，單家店小流域磁化率總體呈上升、下降、上升的波動變化特征，坡底沉積區(qū)磁化率遠遠高于坡頂侵蝕區(qū)。雖然，磁化率變化趨勢在不同用地方式下相同，但坡耕地土壤磁化率在相同空間位置大部分<50CGSM，磁化率變化幅度最大且數(shù)值最高的為林地，整體處于200CGSM以上，草地處于兩者中間水平，變化幅度為45-150CGSM之間，可見土壤侵蝕差異主要與不同利用方式相關(guān)。