降雨對遼西褐土區土壤侵蝕的影響研究

時 宏

（北票市臺吉水利服務站，遼寧 朝陽 122122）

土壤侵蝕不僅會造成土地資源的破壞，耕地的減少，還會引起洪澇、干旱、淤積等自然災害，給土地生產力造成嚴重威脅，并進一步加劇生態環境的惡化，與人類自然資源和土地資源產生“爭奪”，甚至引發糧食危機，泥石流、滑坡、崩塌等自然災害還嚴重威脅著人類生命財產安全，土壤侵蝕已成為各國環境和資源問題的關注重點[1-2]。我國面臨著比較突出的水土流失問題，復雜的自然環境和特殊的國情決定了水土保持支撐經濟社會發展的重要作用，研究分析影響土壤侵蝕的因素是實現水土保持目標不可或缺的重要環節[3]。

目前，我國諸多學者研究分析了土壤顆粒、團聚體受降雨的影響，土壤侵蝕受雨強、降雨的影響，坡面侵蝕過程受雨強、坡度的影響，地表微地貌受降雨侵蝕的影響以及團聚體破碎的作用機制等[4-8]。遼西褐土區面積廣，范圍大，具有優越的水熱條件，由于降雨強度大很容易引起土壤水蝕，加劇生態破壞和土壤肥力退化，生態環境更加脆弱。因此，研究遼西褐土區水土保持以及土壤侵蝕受降雨的影響特征具有一定現實意義。

1 研究方法

1.1 區域概況

本研究利用北票市水土保持監督監測站直屬的白石廠小流域徑流場，探討遼西低山丘陵褐土區土壤侵蝕受降雨的影響特征。試驗區位于北票市西官營鎮白石廠小流域內，地理位置介于E120°32'32″-120°32'43″，N41°52'32″-41°50'24″ 之間，總面積8.53km2，海拔高程120～360m，低山丘陵地貌。該流域屬于典型的大陸性季風氣候，年均降水量509mm，多集中7-9月，雨熱同期，熱量豐富，光能充足，四季分明，年均氣溫8.8℃，日照時數2846.7h，無霜期150d。流域內的土壤類型以褐土為主，為第四系全新統(Q4)地層，土層厚度處于20～110cm 之間，抗沖蝕性弱，通透性差，腐殖質較薄，土壤侵蝕嚴重。流域內植被以人工林為主，樹種有油松、楊樹、刺槐、荊條、紫穗槐等，經濟林有蘋果、梨樹等，草種有紫花苜蓿、沙打旺等，林木成材率較低，植被覆蓋率39.98%。

1.2 試驗方法

將坡度8°、寬5m、長20m 的標準徑流小區布設于北票市白石廠小流域綜合觀測場，土壤類型屬自然發育而成的褐土，呈無植被裸露狀態，徑流小區配有二級分流系統、集流池及集流槽，用于計算侵蝕量與徑流量，為了觀測降雨情況還配有氣象站。每次降雨后及時觀測分流池、集流池水深，準確計算徑流量，含沙量用烘干法測定[11-12]。采用不同的經驗公式計算流域中尺度和坡面小尺度的年徑流量，但現階段尚未形成普遍適用的大尺度年徑流量計算方法，其相關經驗公式如下：

1.3 數據分析

一般地，影響土壤侵蝕的因子主要有地質、植被、土壤、地形和氣候等[13]。通用土壤流失方程USLE 中的降雨因子R就是最大30min 降雨強度I30與降雨動能E的乘積EI30，這也是反映降雨侵蝕力的重要指標[14-15]。然而降雨動能的計算過程較為繁瑣復雜，對降雨資料的完整性要求較高。為便于計算及相關資料的獲取，史冬梅等[16]研究認為產流、產沙與降雨量之間存在顯著正相關性。因此，為簡易估算土壤侵蝕量可以建立除EI30指標以外的其它特征量與侵蝕量的方程模型，如鄭海金等[17]提出了一種簡易估算坡地降雨動能的計算方法，表達式如下：

式中：P、E代表一次侵蝕性降雨量(mm)及其總動能(J/m2)。USLE 方程以12.7mm 作為侵蝕性降雨標準，本文結合白石廠小流域褐土坡地實際情況和相關研究資料設定侵蝕性降雨標準10.0mm。

2 結果與分析

2.1 相關性分析

土壤可蝕性在很大程度上決定了侵蝕量，而水蝕等外界動力條件主要來源于降雨，雨滴落地時對土壤形成擊濺作用，降雨徑流沖刷地表從而造成水土流失，故降雨動能、雨強、降雨量等特性與土壤侵蝕密切相關。本研究利用SPSS 20.0 和Excel 軟件對徑流量、侵蝕量與降雨個因子進行回歸分析以及相關性分析，計算結果如表1。其中，“*”、“**”代表0.05 和0.01 水平上的顯著相關。

表1 侵蝕量、徑流量與降雨各因子相關性

1）降雨各因子與侵蝕量的相關性。從表1 可以看出，I30、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、降雨侵蝕力、徑流量均與侵蝕量呈極顯著相關性，相關系數依次為0.522、0.675、0.694、0.713、0.732、0.810；降雨歷時、降雨強度與侵蝕量呈顯著相關性，相關系數依次為0.305、0.360。因此，侵蝕量受降雨各特征量的影響較大。

2）降雨各因子與徑流量的相關性。從表1 可以看出，降雨歷時、降雨侵蝕力、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、侵蝕量均與徑流量呈極顯著相關性，相關系數依次為0.426、0.602、0.735、0.751、0.767、0.810；降雨強度與徑流量不存在顯著相關性，相關系數0.145。因此，場次降雨徑流量受侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能等因子的影響也很大。

3）徑流量與侵蝕量的相關性。從表1 可以看出，徑流量與侵蝕量存在極顯著相關性，相關系數0.810，表明土壤侵蝕受降雨地表徑流的影響不容忽視，該結論與王麗園等[18]研究成果保持一致，即坡面產沙量受坡度的影響程度隨坡度的增加而提高，坡度不超過15°時坡面產沙具有較大波動。

2.2 回歸分析

依據相關性分析結果，采用SPSS 20.0 和Excel 軟件分析降雨特征量對徑流量、侵蝕量的綜合影響以及徑流量、降雨侵蝕力對侵蝕量的影響，經回歸分析建立相應的估算方程。

1）降雨侵蝕力與侵蝕量的關系。通過擬合分析降雨侵蝕力與侵蝕量，可建立降雨量與侵蝕量多項式關系如圖1 所示，擬合優度Q2=0.8981。其中，G代表土壤侵蝕量(kg)，R代表降雨侵蝕力(hJ·mm·m-2·h-1)。

圖1 降雨侵蝕力與侵蝕量的擬合曲線

2）徑流量與侵蝕量的關系。通過比較分析徑流量與侵蝕量的關系[19-21]，可生成冪函數形式的擬合方程，擬合優度Q2如表2 所示，表達式如下：

表2 侵蝕量與徑流量的擬合方程參數值

式中：V、G代表徑流量(m3)和侵蝕量(kg)。

3）侵蝕量受降雨特征量的綜合影響。通過線性逐步回歸分析降雨各特征量值和侵蝕量生成3 種擬合方程，第3 個方程的擬合優度Q2最大(表3)，其表達式如下：

表3 侵蝕量受降雨特征量的綜合影響方程參數值

式中：R、E、I代表降雨侵蝕力(hJ·mm·m-2·h-1)、降雨動能(J·m-2)和平均降雨強度(mm·h-1)。

4）徑流量受降雨特征量的綜合影響。通過線性逐步回歸分析降雨徑流量和各特征量值生成2 種擬合方程，第2 個方程的擬合優度Q2最大(表4)，其表達式如下：

表4 徑流量受降雨特征量的綜合影響方程參數值

式中：H代表侵蝕性降雨量(mm·h-1)，其它字母含義同上。

3 結論

1）遼西低山丘陵褐土區一次降雨產生的土壤侵蝕量與I30、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、降雨侵蝕力、徑流量等呈極顯著相關性；一次降雨產生的徑流量與降雨歷時、降雨侵蝕力、侵蝕性降雨量、降雨量、降雨動能、侵蝕量等特征量呈極顯著相關性；徑流量與侵蝕量呈極顯著相關性，通過采取增加植被覆蓋等影響徑流量的措施有利于水土保持。

2）通過擬合分析建立降雨各特征量因子對徑流量、侵蝕量的綜合影響方程及徑流量、降雨侵蝕力對侵蝕量的影響方程，結合實測降雨數據可以準確估計侵蝕量和徑流量，為水土保持工作提供科學指導。