降雨影响下库区坡面水土流失特征研究

高 艳

(中路黄河(山西)交通科技集团有限公司，山西 太原 030000)

严重的水土流失会造成耕作层不断变薄，土壤质量退化，肥力逐渐下降，流失的土壤及径流中携带的有机物质进入河道、水库，造成水体污染，水环境、水生态不断恶化。比如三峡库区，坡耕地分布较多，占比超过80%，每年被侵蚀的土壤量超过9450万t[1-2]，大量流失的有机物质和泥沙流入水库，加剧了水库水体的恶化程度和泥沙淤积量，严重影响了水库的使用状态和使用寿命，降低了水库的经济效益，破坏了当地水生态环境[3-4]。所以对坡面水土保持措施效果分析十分重要。柏勇等[5]对比了石漠化地区中各水保措施的保土效果，发现经果林保土效果次于水保林，后者在减少泥沙、径流方面更加明显。边熇等[6]通过室内冲刷试验研究了植被种植位置和覆盖率的减沙效果，发现植被在坡下种植且覆盖度小于30%时的保土效果最优。王鑫雨等[7]通过构建坡面模型分析了农田前沟中不同类植物的保土效果。杜映妮等[8]通过观测降雨条件下丹江口库区坡面径流小区土壤流失量和径流变化趋势，分析了不同植被组合保土措施的效果。陈丹等[9]通过皮尔逊相关分析法研究了径流量、产沙量、降雨量之间的关系，给小流域水土保持措施的制定提供了借鉴。

基于此，研究不同水土保持措施及其组合方式和降雨对坡面水土流失的影响，为库区坡面水土流失防治及水生态、水环境改善措施的制定提供理论支撑。

1 研究区概况

研究区为山西某库区，当地属于典型的大陆性气候，气温均值为28°C，年平均降雨量650～720 mm，夏季6—8月为降雨集中期，达到全年降雨量的65%，区域内土壤类型为黄棕壤，植被种类大多数为苹果、柏树、刺槐等针、阔叶植被。库区内裸地、植被种植区、果园、旱地以及其余用地占比分别为12.9%、32.1%、33.5%、13.5%和8.0%。

2 研究方法

2.1 试验区布设

选择某处水土流失现象较严重的流域，流域内水土流失面积为0.96 km2，占区域全部土地面积的70%。在流域内划分了不同径流小区，小区地面坡度为26°，投影面积为20 m2(宽2 m、长10 m)，并通过水泥墙将各小区隔开。试验区设苹果、花生和油菜轮作、紫穗槐加植物篱、苹果加植物篱、油菜花生加植物篱(油菜和花生轮作)5个处理，同时将裸地设为对照。各区内作物的种植密度相同，且各区的施肥和耕作同步开展，统一管理。

2.2 试验观测方法

将自计雨量器设置在径流场周围的裸地处，每次降雨后得到各区内的降雨量和降雨时间。参考降雨等级划分标准来划分区域2006—2018年间各次降雨强度，共可分成4类。在降雨后根据水位和集流池面积对径流量进行计算，并通过径流量和小区面积相除获得径流深。与此同时，将每次降雨后汇流槽里的所有泥沙集中到集流池里并搅拌，取出样品泥沙，测其体积并烘干后复测干土重量，用干土重量除以体积即得到含沙量，总泥沙量即为径流量和含沙量的乘积。泥沙总量和小区面积的比值即为土壤流失量。

2.3 数据处理

通过spss软件处理所得数据，并分析土壤流失量、降雨特征参数以及径流深之间的相关性，对土壤流失量、降雨侵蚀力和径流深开展回归分析，数据处理后通过Origin绘图软件绘制成图。

3 结果分析

3.1 降雨特征

根据降雨等级划分标准，把2006—2018年内发生的侵蚀性降雨分成4个种类。其中出现次数最多的是Ⅰ型大雨，其降雨次数77场，占比64.7%；其次是Ⅱ型暴雨，其降雨次数36场，占比30.3%；Ⅳ型特大暴雨和Ⅲ型大暴雨降雨场次为1场和5场，占比分别为0.8%和4.2%，各等级降雨的降雨侵蚀力均值从Ⅳ型至Ⅰ型依次减弱，具体见表1。在2006—2018年间，2017年的综合降雨强度最大，降雨次数最多，降雨强度均值达到6 mm/h。

3.2 水土流失特征

在同一水保措施区域内，降雨的侵蚀力均值是影响土壤流失量和径流变化的主要因素。特大暴雨造成的土壤流失量和径流最大，但特大暴雨仅出现过1次，不具有代表性；暴雨侵蚀力所造成的土壤流失和径流仅次于特大暴雨；大雨侵蚀力均值最小，其造成的土壤流失和径流也最低。由此能够得出在一般情况下(未出现特大暴雨)，造成水土流失的主要降雨类型为暴雨。因此推测在一般的年份(缺乏特大暴雨情况)，暴雨是引起水土流失的主要类型。

降雨种类相同时，除了旱地农作物之外，其余水保措施区域的径流深度要小于裸地，具体见图1(a)所示。以暴雨为例进行分析，在紫穗槐+植物篱、农作物、裸地、农作物+植物篱、苹果+植物篱下的径流深分别为17.89 mm、80.13 mm、53.63 mm、40.74 mm、17.89 mm。各水保措施区域内的土壤流失量都比裸地小，从图1(b)中能够看出紫穗槐+植物篱和苹果植物篱的土壤流失量最低。

图1 各区在不同降雨类型下的水土流失状况

对比图1(a)和图1(b)，发现尽管旱地农作物的径流深比裸地高，但其土壤流失量小于后者，说明土壤、水保措施等因素会减少降雨侵蚀。农作物的耕作会对土壤结构中的大团聚体造成破坏，形成一些细小黏粒对土体孔隙进行堵塞，阻止雨水的渗入，并使黏粒在地表黏结成整体，形成表皮，增加地表径流量，这也是裸地径流量小于旱地农作物区的原因。除此之外，农作物根系有着固结土壤的作用，叶片有着截留雨水的作用，这也是旱地农作物区土壤流失量小于裸地的原因，表明水土保持措施会在很大程度上影响土壤受到降雨的侵蚀效果。

3.3 水土保持措施与坡面径流深

2006—2018年间，水土保持措施随时间对径流深的影响(如图2)。从图2中能够看出，各保水措施区域内径流深均值分别是：紫穗槐+植物篱为60.11 mm，农作物+植物篱为58.15 mm，苹果+植物篱为61.21 mm，农作物为68.88 mm，苹果为71.00 mm，裸地区域为77.81 mm，各水土保持措施区径流损失分别比裸地降低22.7%、25.3%、21.3%、11.5%、8.8%。通过图2(a)发现，苹果+植物篱径流深较小，裸地和苹果的径流深近似。从图2(b)中能够看出，在农作物区域，植物篱对径流造成的影响和苹果地近似。从图2(c)中能够看出，紫穗槐+植物篱径流深最小，裸地最高，这说明合理科学地运用植物篱，并和其他措施相结合能够在最大程度上发挥水保效果。

图2 时间增长下各区径流深对比情况

将2006年、2011年、2014年和2018年水土保持措施减少坡面径流效果对比分析(如图3)，能够发现苹果、农作物、农作物+植物篱、苹果+植物篱这4个水土保持措施区域和裸地相比，径流量不但没有减小，反而有所提高，造成此现象的原因为刚设置水保措施的径流区域，经历幼苗栽种、土壤翻挖等活动，对地表土壤造成了严重的破坏，使得水保措施没有发挥原有的效果。在2006年后，随着苹果的不断生长，水土保持措施的效果持续增强。

图3 时间增长下各区域减流率对比情况

3.4 水土保持措施与坡面泥沙量

图4所示为2006—2018年间产沙量受水土保持措施影响的变化趋势。从图中看出，随着时间的增长，各区域的泥沙产量均值分别是：紫穗槐+植物篱为482.5 g，苹果+植物篱为605.2 g，苹果为704.3 g，农作物+植物篱为736.7 g，农作物为770.0 g，裸露地区1100.3 g，各水保持措施区的泥沙损失率分别较裸地降低56%、45%、36%、33%和30%，能够看出在各种水土保持措施中，紫穗槐+植物篱的保土效果最好。不同于之前的径流深降低效果排序，种植紫穗槐的区域泥沙减少幅度最大，减沙率达到50%以上；种植苹果区域的泥沙减少幅度次之，减沙率达到40%～50%；减沙幅度最小的区域为农作物区域，减沙率仅达到30%～40%。

把土壤流失量、降雨特征参数(降雨侵蚀力、降雨平均强度、降雨量)以及径流深进行综合分析，结果表明降雨特征参数、土壤流失量以及径流深之间有较强的关联性。土壤流失量和径流深受降雨侵蚀力的影响最大，降雨侵蚀力是导致水土流失的重要因素，能够对图3所呈现的水土流失趋势进行解释。采取植物篱的方式进行水土保持有较好的效果，这是由于植物篱能够提高土壤团聚体的稳定性，并能够对坡面径流起到拦截作用，减小水流的冲刷力。根据相关研究，当坡面设置植物篱后，提高了水分在土壤中的入渗率，使更多的降雨能够渗入土体流向更深处，使地表径流强度大大降低，减轻了土壤表层所受的侵蚀强度，以此达到保水保土目的[10]。

4 结 论

(1)降雨侵蚀力均值从Ⅳ型至Ⅰ型依次减弱，出现次数最多的是Ⅰ型大雨，占比64.5%；降雨种类相同时，除了旱地农作物之外，其余水保措施区的径流深度要小于裸地；尽管旱地农作物的径流深比裸地高，但其土壤流失量小于后者，说明土壤、水保措施等因素会对降雨侵蚀效果产生影响。

(2)苹果+植物篱的径流深较小，裸地和苹果的径流深近似；在农作物区，植物篱对径流造成的影响和苹果地近似；种植紫穗槐的区泥沙减少幅度最大，减沙率达到50%以上；减沙幅度最小的为农作物区，减沙率仅达到30%～40%。

(3)土壤流失量和径流量随着降雨侵蚀力的增大而增大，紫穗槐+植物篱受降雨侵蚀力的影响最低，表明紫穗槐+植物篱的方式能够大大减小降雨侵蚀力所造成的水土流失，起到显著地保水保土作用。