矿区不同造林地土壤侵蚀状况分析

蔡雨新+方向京+武力+武军+文毅

摘要：在昆阳磷矿矿区采取了不同的植被恢复措施，并对不同恢复时期的土壤侵蚀状况进行了观测，结果表明：土壤侵蚀现象随植被恢复年限的增加而降低；相同植被类型的样地内土壤侵蚀随降雨强度的增加而加剧；降雨和土壤侵蚀呈现出3各阶段的规律；植树造林有良好的保土保水作用。

关键词：土壤侵蚀；植被类型；降雨量；径流量；泥沙量

中图分类号：S715.3

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0001-04

1 引言

关于侵蚀与产沙的研究从20世纪50年代开始，但是侵蚀规律的研究成果仍较为薄弱，随着土壤侵蚀研究规律研究的深入[1～4]，以及小流域水土流失观测和治理经验的增加，对侵蚀过程的研究取得了较多研究成果[5～9]。土壤侵蚀影响土壤紧实度、容重、水稳性团粒含量、渗透性、水分状况以及有机质含量的动态变化等，而此类因素的变化较大程度上受制于其上的植被覆盖类型，特别是植被根系的分布特征。鉴于此，在野外条件下进行人工模拟降雨试验，研究不同植被类型下矿山土壤侵蚀的规律，以期对侵蚀产沙规律、减蚀方法进行阐述。

2 研究区概况、研究方法

2.1 研究区概况

昆阳磷矿位于昆明市西南72 km，滇池南端西侧2 km处。地理坐标为E103°31′10″～103° 34 ′48″、N24°12′58″，行政隶属昆明市晋宁县古城区。该矿区位于滇池断陷盆地西南，属于中切割中山地貌。矿区范围内地势北高南低，海拔约1950～2400 m，相对高差约450 m，一般为300 m左右。矿区地形坡度15～20°，露天开采边坡与之基本相同，局部形成阶状陡壁。该区域属于北亚热带季风气候，日照充足，雨量充沛，多年年平均气温约14.7 ℃，极端最低气温-6 ℃，出现在1月；极端最高气温31.4℃，出现在5月。历年平均降水量917.7 mm，5～10月为雨季，降雨占全年降水量的87%，年蒸发量1100～1200 mm。矿区终年无冰冻，很少降雪。每年1～4月为季风期，盛行西南风，年主导风向为南南西向。一般风力3～4级，最大风速可达14 m/s以上。

在植被恢复初期，不同恢复年限的植被类型（表1）对林地土壤侵蚀一般也不一致，随着植被恢复时间的增加，植物对植被恢复地物理性质和化学性质不断改良，植被恢复地的保水保土效益在稳步增加。

2.2 研究方法

采用南京林业大学人工模拟降雨实验室研制的人工模拟降雨装置设备来分析不同造林地土壤侵蚀状况。设备为全智能人工降雨（器）系统TSJY-1，整体由两大部分组成：管路系统、降雨模拟系统。其相关指标：①有效降雨面积：30 m2；②降雨高度：4 m；③雨强连续变化范围：10～100 mm/h；④降雨均匀度：84%；⑤雨滴大小调控范围：1.7～2.8 mm；⑥降雨历时：任意；⑦降雨测量精度：0.01 mm/h；⑧降雨调节精度：7 mm/h。

本次试验选取不同时间恢复的群落进行人工模拟降雨实验。降雨实验设计不同恢复时间群落的不同降雨强度连续观测，根据群落盖度和土壤状况，每种降雨强度连续观测30或45 min，两种降雨强度之间间隔20 min，观测其降雨过程、径流过程、水土流失过程，记下降雨和产生径流的时间。每15 min测其地表径流量和取水样测定其泥沙含量，每种降雨强度最后15 min的地表径流量测至无径流产生为止。水样中泥沙量采用烘干法。

3 结果与分析

3.1 产生径流时间与地表盖度、降雨强度及土壤初始含水量回归分析

地表植被盖度（X1）、降雨强度（X2）及土壤初始含水量（X3）等因子均可影响产生径流时间（Y1）。因此据表2，对此4类指标进行多元回归分析可得到回归方程：

Y1=0.202X1-0.277X2-0.361X3，R2=0.905

进行逐步回归分析，可得最优方程：

Y1=-0.303X2+0.235X1+23.278，R2=0.885

由此可见，产流时间（Y1）与地表植被盖度（X1）、降雨强度（X2）关系更密切。

3.2 不同恢复时间群落的降雨量与泥沙量分析

从表2、图1、图2看出：地表径流量和泥沙量一般随着降雨量的增加而明显增加。在降雨量小于15 mm时，不同恢复年度植被的泥沙量和径流量差异不大，在15 mm以上差异逐步增大，植被恢复时间越短，其土壤流失量也随之增加。不同时间恢复的群落水土流失状况依次是核桃地>2008年>2007年>2006年>2005年，说明随着恢复年限的增加，植被盖度、郁闭度、地被物随之增加，植被降水截留功能增强；土壤结构状况得到改善，渗透能力增强，在降雨过程中削减泥沙量的功能较为明显，水土流失逐年降低。

3.3 不同降雨强度与径流量、泥沙量的关系分析

在同一植被下，不同的降雨强度随着降雨历时，其径流量也呈变化趋势，采用2005年恢复植被在不同降雨强度下的径流量、泥沙量分析进行比较，从图3中可以看出，在降雨历时15 min的时候，雨强21.63 mm/h时的径流量为2.03 t/hm2，当雨强为31.1 mm/h时，雨强增加44%，但径流量却增加了357%，当雨强达59.23 mm/h时，雨强增加了174%，但径流量增加到1349%，说明了在同一植被下，随着降雨强度的增加，径流量呈增大趋势。

地表径流量和泥沙流失量与雨强、植被盖度、地被物、土壤改良状况有很大关系；从表2、图4可以看出，在同一植被下，随着降雨强度的增加，泥沙量也相应增加。基本上与径流量一致。核桃地由于2008年12月才种植，盖度小，地表裸露，地被物小，水土流失严重，降雨量为89.25 mm时，地表径流量和泥沙流失量分别达205.32 t/hm2、257.77 kg/hm2；而2005年营建的旱冬瓜+墨西哥柏林，郁闭度达0.9，地被物丰富，总盖度达95%，水土流失较小，降雨量为89.99 mm时，地表径流量和泥沙流失量分别为33.92 t/hm2、16.58 kg/hm2。

3.4 不同降雨量与径流量、泥沙量的关系分析

降雨量与地表径流量和泥沙流失量曲线明显分成三个阶段：当降雨量<30 cm时，地表径流量和泥沙量随降雨量缓慢增加；当30 cm<降雨量<70 cm时，地表径流量和泥沙量随降雨量明显上升；当降雨量>70 cm时，地表径流量和泥沙量随降雨量极剧上升；这符合水土流失的过程，降雨量增加，水土流失量增加，当降雨量达到一定量时，水土流失量呈指数型增加。

3.5 不同年度恢复植被边坡土壤侵蚀模数比较

从表3、图5中可以看出，边坡植被的保土能力随着种植年限的增加而增加，2007年、2006年、2005年恢复的旱冬瓜+藏柏恢复模式，植被单位面积土壤侵蚀模数分别为3771 t/km2·a、2830 t/km2·a、1788 t/km2·a，平均每年减少991 t/km2·a。而与同等条件无植被区相比，有植被区的保土能力比无植被区强，复垦3年、2年、1年后，有植被区单位面积土壤侵蚀模数分别是无植被区的63%、61%和66%。可见，植被能够起到良好的保土作用，随着植被的生长，保土能力增强。

4 结论

（1）得到产流时间与地表盖度、降雨强度及土壤初始含水量回归方程：Y1=0.202X1-0.277X2-0.361X3，R2=0.905；进行逐步回归分析，可得最优方程：Y1=-0.303X2+0.235X1+23.278，R2=0.885。得出结论：产流时间（Y1）与地表盖度（X1）、降雨强度（X2）有着更为密切的关系。

（2）从不同恢复时间群落的降雨量与泥沙量分析，认为不同时间恢复的群落水土流失状况依次是核桃地>2008年>2007年>2006年>2005年，说明随着恢复年限的增加，植被盖度、郁闭度、地被物随之增加，植被降水截留功能增强；土壤结构状况得到改善，渗透能力增强，在降雨过程中削减泥沙量的功能较为明显，水土流失逐年降低。

（3）从不同降雨强度与径流量、泥沙量的关系分析，认为在同一植被下，不同的降雨强度随着降雨历时，其径流量也呈变化趋势，说明了在同一植被下，随着降雨强度的增加，径流量呈增大趋势。

（4）从不同降雨量与径流量、泥沙量的关系分析，认为降雨量与地表径流量和泥沙流失量曲线明显分成三个阶段：当降雨量<30 cm时，地表径流量和泥沙量随降雨量缓慢增加；当30 cm<降雨量<70 cm时，地表径流量和泥沙量随降雨量明显上升；当降雨量>70 cm时，地表径流量和泥沙量随降雨量极剧上升；这符合水土流失的过程，降雨量增加，水土流失量增加，当降雨量达到一定量时，水土流失量呈指数型增加。

（5）在植被恢复初期，通过对不同年度恢复植被的土壤侵蚀模数进行比较，得出2005年、2006年、2007年恢复的旱冬瓜+藏柏林，有植被区单位面积土壤侵蚀模数分别是无植被区的63%、61%和66%，说明了植被能够起到良好的保土作用，随着植被的生长，保土能力不断增强。

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