降雨对辽西褐土区土壤侵蚀的影响研究

时 宏

（北票市台吉水利服务站，辽宁 朝阳 122122）

土壤侵蚀不仅会造成土地资源的破坏，耕地的减少，还会引起洪涝、干旱、淤积等自然灾害，给土地生产力造成严重威胁，并进一步加剧生态环境的恶化，与人类自然资源和土地资源产生“争夺”，甚至引发粮食危机，泥石流、滑坡、崩塌等自然灾害还严重威胁着人类生命财产安全，土壤侵蚀已成为各国环境和资源问题的关注重点[1-2]。我国面临着比较突出的水土流失问题，复杂的自然环境和特殊的国情决定了水土保持支撑经济社会发展的重要作用，研究分析影响土壤侵蚀的因素是实现水土保持目标不可或缺的重要环节[3]。

目前，我国诸多学者研究分析了土壤颗粒、团聚体受降雨的影响，土壤侵蚀受雨强、降雨的影响，坡面侵蚀过程受雨强、坡度的影响，地表微地貌受降雨侵蚀的影响以及团聚体破碎的作用机制等[4-8]。辽西褐土区面积广，范围大，具有优越的水热条件，由于降雨强度大很容易引起土壤水蚀，加剧生态破坏和土壤肥力退化，生态环境更加脆弱。因此，研究辽西褐土区水土保持以及土壤侵蚀受降雨的影响特征具有一定现实意义。

1 研究方法

1.1 区域概况

本研究利用北票市水土保持监督监测站直属的白石厂小流域径流场，探讨辽西低山丘陵褐土区土壤侵蚀受降雨的影响特征。试验区位于北票市西官营镇白石厂小流域内，地理位置介于E120°32'32″-120°32'43″，N41°52'32″-41°50'24″ 之间，总面积8.53km2，海拔高程120～360m，低山丘陵地貌。该流域属于典型的大陆性季风气候，年均降水量509mm，多集中7-9月，雨热同期，热量丰富，光能充足，四季分明，年均气温8.8℃，日照时数2846.7h，无霜期150d。流域内的土壤类型以褐土为主，为第四系全新统(Q4)地层，土层厚度处于20～110cm 之间，抗冲蚀性弱，通透性差，腐殖质较薄，土壤侵蚀严重。流域内植被以人工林为主，树种有油松、杨树、刺槐、荆条、紫穗槐等，经济林有苹果、梨树等，草种有紫花苜蓿、沙打旺等，林木成材率较低，植被覆盖率39.98%。

1.2 试验方法

将坡度8°、宽5m、长20m 的标准径流小区布设于北票市白石厂小流域综合观测场，土壤类型属自然发育而成的褐土，呈无植被裸露状态，径流小区配有二级分流系统、集流池及集流槽，用于计算侵蚀量与径流量，为了观测降雨情况还配有气象站。每次降雨后及时观测分流池、集流池水深，准确计算径流量，含沙量用烘干法测定[11-12]。采用不同的经验公式计算流域中尺度和坡面小尺度的年径流量，但现阶段尚未形成普遍适用的大尺度年径流量计算方法，其相关经验公式如下：

1.3 数据分析

一般地，影响土壤侵蚀的因子主要有地质、植被、土壤、地形和气候等[13]。通用土壤流失方程USLE 中的降雨因子R就是最大30min 降雨强度I30与降雨动能E的乘积EI30，这也是反映降雨侵蚀力的重要指标[14-15]。然而降雨动能的计算过程较为繁琐复杂，对降雨资料的完整性要求较高。为便于计算及相关资料的获取，史冬梅等[16]研究认为产流、产沙与降雨量之间存在显著正相关性。因此，为简易估算土壤侵蚀量可以建立除EI30指标以外的其它特征量与侵蚀量的方程模型，如郑海金等[17]提出了一种简易估算坡地降雨动能的计算方法，表达式如下：

式中：P、E代表一次侵蚀性降雨量(mm)及其总动能(J/m2)。USLE 方程以12.7mm 作为侵蚀性降雨标准，本文结合白石厂小流域褐土坡地实际情况和相关研究资料设定侵蚀性降雨标准10.0mm。

2 结果与分析

2.1 相关性分析

土壤可蚀性在很大程度上决定了侵蚀量，而水蚀等外界动力条件主要来源于降雨，雨滴落地时对土壤形成击溅作用，降雨径流冲刷地表从而造成水土流失，故降雨动能、雨强、降雨量等特性与土壤侵蚀密切相关。本研究利用SPSS 20.0 和Excel 软件对径流量、侵蚀量与降雨个因子进行回归分析以及相关性分析，计算结果如表1。其中，“*”、“**”代表0.05 和0.01 水平上的显著相关。

表1 侵蚀量、径流量与降雨各因子相关性

1）降雨各因子与侵蚀量的相关性。从表1 可以看出，I30、侵蚀性降雨量、降雨量、降雨动能、降雨侵蚀力、径流量均与侵蚀量呈极显著相关性，相关系数依次为0.522、0.675、0.694、0.713、0.732、0.810；降雨历时、降雨强度与侵蚀量呈显著相关性，相关系数依次为0.305、0.360。因此，侵蚀量受降雨各特征量的影响较大。

2）降雨各因子与径流量的相关性。从表1 可以看出，降雨历时、降雨侵蚀力、侵蚀性降雨量、降雨量、降雨动能、侵蚀量均与径流量呈极显著相关性，相关系数依次为0.426、0.602、0.735、0.751、0.767、0.810；降雨强度与径流量不存在显著相关性，相关系数0.145。因此，场次降雨径流量受侵蚀性降雨量、降雨量、降雨动能等因子的影响也很大。

3）径流量与侵蚀量的相关性。从表1 可以看出，径流量与侵蚀量存在极显著相关性，相关系数0.810，表明土壤侵蚀受降雨地表径流的影响不容忽视，该结论与王丽园等[18]研究成果保持一致，即坡面产沙量受坡度的影响程度随坡度的增加而提高，坡度不超过15°时坡面产沙具有较大波动。

2.2 回归分析

依据相关性分析结果，采用SPSS 20.0 和Excel 软件分析降雨特征量对径流量、侵蚀量的综合影响以及径流量、降雨侵蚀力对侵蚀量的影响，经回归分析建立相应的估算方程。

1）降雨侵蚀力与侵蚀量的关系。通过拟合分析降雨侵蚀力与侵蚀量，可建立降雨量与侵蚀量多项式关系如图1 所示，拟合优度Q2=0.8981。其中，G代表土壤侵蚀量(kg)，R代表降雨侵蚀力(hJ·mm·m-2·h-1)。

图1 降雨侵蚀力与侵蚀量的拟合曲线

2）径流量与侵蚀量的关系。通过比较分析径流量与侵蚀量的关系[19-21]，可生成幂函数形式的拟合方程，拟合优度Q2如表2 所示，表达式如下：

表2 侵蚀量与径流量的拟合方程参数值

式中：V、G代表径流量(m3)和侵蚀量(kg)。

3）侵蚀量受降雨特征量的综合影响。通过线性逐步回归分析降雨各特征量值和侵蚀量生成3 种拟合方程，第3 个方程的拟合优度Q2最大(表3)，其表达式如下：

表3 侵蚀量受降雨特征量的综合影响方程参数值

式中：R、E、I代表降雨侵蚀力(hJ·mm·m-2·h-1)、降雨动能(J·m-2)和平均降雨强度(mm·h-1)。

4）径流量受降雨特征量的综合影响。通过线性逐步回归分析降雨径流量和各特征量值生成2 种拟合方程，第2 个方程的拟合优度Q2最大(表4)，其表达式如下：

表4 径流量受降雨特征量的综合影响方程参数值

式中：H代表侵蚀性降雨量(mm·h-1)，其它字母含义同上。

3 结论

1）辽西低山丘陵褐土区一次降雨产生的土壤侵蚀量与I30、侵蚀性降雨量、降雨量、降雨动能、降雨侵蚀力、径流量等呈极显著相关性；一次降雨产生的径流量与降雨历时、降雨侵蚀力、侵蚀性降雨量、降雨量、降雨动能、侵蚀量等特征量呈极显著相关性；径流量与侵蚀量呈极显著相关性，通过采取增加植被覆盖等影响径流量的措施有利于水土保持。

2）通过拟合分析建立降雨各特征量因子对径流量、侵蚀量的综合影响方程及径流量、降雨侵蚀力对侵蚀量的影响方程，结合实测降雨数据可以准确估计侵蚀量和径流量，为水土保持工作提供科学指导。