不同坡度下的坡面土壤侵蚀特征分析
时间：2023-03-27 10:15:17 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
时 宏
（北票市台吉水利服务站，辽宁 朝阳 122122）
坡度是影响土壤侵蚀和坡面径流的关键地形因子之一，降雨相同情况下不同坡度产生的坡面产流产沙量往往具有较大差异[1]。近年来，中国许多学者探索了坡面产流产沙量与坡度间的关系，如张兴奇等[2]通过现场实测黔西北地区径流小区数据发现，随坡度增加坡面产流产沙量呈现出先增加后减少再增加的变化特征，但坡面径流量的增加幅度相对较小；
和继军等[3]结合现场实测径流小区产流产沙量，探讨了不同场次降雨下随坡度增加坡面产流产沙量的变化特征。考虑到坡面产流产沙受坡度的影响比较复杂，不同研究对象、方法所得到的结论具有明显差异，故进一步研究坡面土壤侵蚀受坡度因子的影响特征，对准确预测当地水土流失工作具有重要意义[4]。本研究通过设置不同坡度的径流小区，探讨分析坡面产流、土壤侵蚀受不同坡度因子的影响规律，旨在为北票市水土保持综合治理以及水土流失监测等提供科学依据。
1.1 小流域概况
北票市水土保持局在大巴沟小流域设立有监测点，该小流域属大凌河支流蒙古营河中游，低山丘陵地貌，总面积14.85km2，海拔高程420～680m。气候类型为大陆性季风气候，日照充足，雨热同期，温差较大，年均气温8.8℃，均降水量474mm/a，平均径流深110mm/a，降水量年内分配不均匀，年季间变化较大，多集中于7-9月。土壤类型以褐土为主，亚类中淋溶褐土分布广泛，土层厚度20～110cm之间，肥力中等偏下，土壤抗冲蚀性弱，腐殖质薄，通透性差，固土保水能力和复种指数低，土壤侵蚀严重。由于长期的人为干扰，流域内原始植被破坏殆尽，现状植被以人工林木和天然次生林为主，植被类型主要有灌丛、真阔混交林、针叶林，主要树种有山杏、油松、侧柏、国槐、刺槐等，农作物以谷子、玉米为主，草种有蒲公英、披碱草、狗尾草、沙大旺等，林草植被覆盖率34.15%。
1.2 径流小区设置
在大巴沟小流域设置5°、10°、15°、20°、25°五种不同坡度的标准径流小区，各小区的投影面积为长20m×宽5m。然后将长5m×宽1.5m×高1.5m的集流池设置在各径流小区的底部，预留出水口连接集水池与径流小区，集水桶放置于集水池出水口处，主要作用是承接降雨冲刷出的泥沙和径流量，集水桶容积250L。
1.3 常规监测方法
每次降雨后及每月1日、15日，定期监测各径流小区植被覆盖度、土壤含水量和水土流失量，具体如下：
1）植被覆盖度及土壤含水量监测。将各径流小区合理划分成9个地块，遵循从下到上、自西向东的原则依次测量记录，确保监测数据的可参考性和对比性。文章选用TDR检测仪测量土壤含水量，通过垂直于坡面拍摄的方式测定植被覆盖度，维持拍摄高度1.5m不变。
2）水土流失监测。首先，准确测量集水桶及集水池内的泥沙量、水量，在均匀搅拌泥沙和水后取出500mL水样，实验室监测含沙量；
然后将桶内泥沙和水倒出，打开阀门清洗集水池，为下次测量做好准备。
3）试验方法。为形成人工坡面与草灌结合的径流小区，开始先播种高羊茅、狗牙根、白车轴草、黑麦草等禾本科草籽，待草本植被覆盖稳定后模拟天然坡面灌木植被分布和平均密度，然后将胡枝子、荆条等低矮灌木种植于各径流小区内，完成分阶段演替式坡面处理。
1.4 数据处理
将获取的泥沙和径流数据利用SPSS 20.0、Excel 2019等软件进行统计分析，主要包括拟合处理、相关性分析和基本数据统计量等，并考虑实际需要绘制图表。
2.1 坡度与坡面产沙量、产流量的关系
不同坡度下各径流小区2019、2020年坡面产流产沙量统计数据，不同坡度的产沙量、产流量见表1。由表1可知，降雨相同情况下，坡度从5°逐渐提高到20°时坡面产流产沙量均不断增加；
坡度继续从20°提高到25°时，2020年产沙量及2019、2020年产流量有所减小，但2019年产沙量依然增加。究其原因，虽然各径流小区的投影面积相同，但25°＞20°径流小区的坡长，更长的径流途径使得降雨更易入渗，相应的产流量较少；
此外，随着坡度的不断增加，25°坡面的植被生长状况和植被覆盖度不如20°，因此具有较高的降雨渗透性和较小的坡面产流量。而2019年植物根系还不发达，坡面植被覆盖度较小，土壤灌溉后形成物理结皮且多处于裸露状态，从而使得土壤侵蚀量较高，产沙量明显增大。
表1 不同坡度的产沙量、产流量
根据实际监测数据，2019年在20°坡面上发生5次最大侵蚀量，而25°坡面仅出现2次最大侵蚀量，2020年所有最大侵蚀量都发生于20°坡面上。因此，研究认为临界坡度为20°，即20°坡面的土壤侵蚀量达到最高。
2.2 不同雨强下坡度与产流产沙量的关系
现有研究表明，最大30min雨强I30与坡面产流产沙量的关联性较强，故将雨强划分成I30≥50mm/h、I30＜50mm/h两个等级[5-6]，通过整理分析2019、2020年10场次侵蚀性降雨数据绘制出不同雨强下坡度与坡面产流产沙量的关系线，不同雨强下坡度与产流量的关系，见图1。
图1 不同雨强下坡度与产流量的关系
从图1可以看出，雨强相同情况下，在5°～20°范围时坡度与坡面产流量之间存在正相关性，随坡度增加产流量逐渐增大；
在20°～25°范围时坡度与坡面产流量之间存在负相关性，随坡度增加产流量逐渐减小。雨强不同情况下，I30≥50mm/h整体高于I30＜50mm/h的产流量。此外，2020年各坡度平均产流量均小于同坡度2019年数据，这是由于2020年的植物生长状况更好，根系更加发达且植被覆盖度更高，从而增强了坡面的降雨蓄渗作用。
考虑到2019年刚建立的径流小区土壤条件稳定性较差，产沙量较多并且与2020年相差较大，所以选择2019、2020年产沙量平均值来分析，不同雨强下坡度与产沙量的关系，见图2。从图2可以看出，在I30≥50mm/h、I30＜50mm/h雨强情况下，坡度从20°逐渐提高到25°时，坡面产沙量增长率从96.04%、105.30%减小到27.29%、1.63%。随坡度增加雨滴击打地表所形成的垂直于表土的分量越小，相应的激溅侵蚀力和土壤侵蚀量减小，特别是20°坡度时的临界效应增加显著。
图2 不同雨强下坡度与产沙量的关系
2.3 不同植被覆盖下坡度与产流产沙量的关系
结合相关文献资料[7-8]，植被根系、枯枝落叶层、覆盖度和植被类型是影响土壤侵蚀的主要因素。通过计算各径流小区平均植被覆盖度，发现2019、2020年不同坡度径流小区的植被覆盖度为35.26%、66.75%。不同植被覆盖度下坡度与坡面产流产沙关系曲线，不同植被覆盖下坡度与产流量的关系，见图3；
不同植被覆盖下坡度与产沙量的关系，见图4。
图3 不同植被覆盖下坡度与产流量的关系
图4 不同植被覆盖下坡度与产沙量的关系
总体上，径流小区植被覆盖度从35.26%提高到66.75%，增长率达到89.40%，平均坡面产流量从1210.48L下降到903.66L，减少率达到25.35%，平均坡面产沙量从1440.383t/(hm2·a)下降到2.478t/(hm2·a)，减少率达到99.8%。研究表明，植被覆盖度的增加不仅有利于减轻降雨直接冲刷表面土壤的作用，而且植被根系使得土壤的固定作用、抗冲性和抗蚀性明显增强，有效减小了坡面产流产沙量。
2.4 径流小区土壤侵蚀检验
目前，许多水土流失方程的使用都需要有特定的自然条件，普遍适用性较差，其中应用最为广泛的水蚀模型是通用土壤流失方程(USLE)[9]。文章结合北票市水文气象数据，利用该模型计算径流小区土壤侵蚀量，以验证该模型及其参数在辽西低山丘陵区北票市的实用性，其计算公式为：
式中：A为土壤侵蚀速率t/（hm2·a）；
R、K、L、S、C、P为降雨侵蚀力因子[MJ·mm/(hm2·h·a)]、土壤可蚀性因子[t·hm2·h/(hm2·MJ·mm)]、坡长因子、坡度因子、植被覆盖或作物管理因子、水保措施因子，L、S、C、P均无量纲，取值区间0～1。
1）降雨侵蚀力因子R。结合相关资料[10]，采用简化算法计算R因子值，其中P、Pi代表年降水量(mm)和月降水量(mm)，计算公式为：
2）土壤可蚀性因子K。依据现有研究成果[11-12]，采用有机碳含量和土壤机械组成公式计算K因子值，计算公式：
式中：SAN、SIL为0.050～2.000mm的砂粒质量分数(%)和0.002～0.050mm粉粒的质量分数(%)，其中SN1=1－SAN/100，即非砂质量分数(%)；
C、CLA为土壤有机碳质量分数(%)和＜0.002mm黏粒质量分数(%)。
3）坡长、坡度因子LS。根据相关文献[13-14]，采用缓坡坡度公式、陡坡坡度公式和经典公式计算坡长因子L、坡度因子S值，计算公式为：
式中：n、θ为坡长指数和坡度，°；
λ代表坡长，m。
4）植被覆盖与管理因子C。采用植物生长期无人机拍摄的四景可见光正射影像图和ENVI、Arc GIS软件，利用覆盖度与C值的关系以及像元二分法模型求解的植被覆盖度来计算C因子值，相关公式：
式中：F为植被覆盖度，NDVImax、NDVImin为高纯度植被像元和裸地的NDVI值(归一化植被指数)；
NIR、R为近红外波长(μm)和红外波长(μm)
依据相关研究成果和大巴沟小流域水土保持实地调查现状，设定2019年P因子值0.30，R因子值82.315[MJ·mm/(hm2·h·a)]，C因子值0.501；
2020年P因子值0.0.35，R因子值24.165[MJ·mm/(hm2·h·a)]，C因子值0.842，2019、2020年的K因子值均取0.15。采用USLE方程计算不同坡度下各径流小区的土壤侵蚀量，基于USLE方程的坡面产沙量，见表2。
表2 基于USLE方程的坡面产沙量
通过对比分析可知，2019年不同坡度下各径流小区坡面产沙量实测数据远高于USLE方程的计算值，这是由于径流小区刚建成时的植被覆盖度较小，土壤未经人工填压比较疏松，在强降雨和大雨冲击下引起的土壤侵蚀量较高；
2020年不同坡度下各径流小区坡面产沙量实测数据与USLE方程计算值相差不大，所以该模型及其参数比较适用于辽西低山丘陵区土壤侵蚀研究。
文章探讨了不同坡度下试验径流小区的产流产沙量，揭示了坡度对低山丘陵区坡面土壤侵蚀的影响特征，主要结论如下：
1）随坡度增加坡面产流产沙量均表现出先增大后减小的变化趋势，在20°～25°范围时的产流产沙量最高，通过分析原始记录数据认为临界坡度取20°与实际情况更加接近。
2）雨强不同情况下，最大30min雨强I30≥50mm/h整体高于I30＜50mm/h的产流产沙量，并且产沙量具有明显差异。随植被覆盖度增加坡面产流产沙量逐渐减小。
3）不同坡度下USLE方程模拟计算的产沙量与实测结果相差较小，该模型及其参数比较适用于辽西低山丘陵区土壤侵蚀研究。
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