北方土石山区坡面水土流失特征研究

李子君, 刘家圆, 王海军

(1.山东师范大学 地理与环境学院, 济南 250358; 2.山东省水文中心水情部, 济南 250014)

坡面尺度是水土流失过程发生发展的基础地理单元。坡面在降水、地形、植被、土壤、土地利用等因素影响下产流、入渗等水文过程发生了一定变化,进而导致坡面侵蚀过程的发生发展[1]。深入研究坡面尺度的水文过程、土壤侵蚀规律及其影响因素对区域水土保持具有重要的理论和实践意义。

降水是坡面水土流失过程最根本的动力来源,是坡面径流产生和土壤水蚀的先决条件[2],其强度、历时、雨量、等级等直接影响着坡面产流过程的时空差异性。坡度、坡长、植被覆盖、土地利用等下垫面因素主要通过影响产流能量、入渗强度以及降水在坡面的再分配,进而对坡面水土流失过程产生重要影响[3]。由于坡面水土流失过程的复杂性以及区域降水特征和下垫面条件的差异性,不同学者得到的坡面径流特征、土壤侵蚀规律和土壤入渗特征也各不相同[4-5]。

在降水对坡面水沙过程影响的研究中,有研究发现降雨量是影响产流产沙的主要因素[6];有的研究则认为降雨强度是产流产沙的主控因子[7]。在坡度对坡面水土流失过程影响的研究中,有研究发现产流、产沙随坡度增加呈“增加—稳定”趋势[8];有研究表明在小雨、中雨强度下坡面产流产沙量随坡度增大而增大,但当坡度超过20°后,产流产沙量随坡度增加而减少,存在临界坡度[9];还有研究发现产流、产沙随坡度增加而减少[10]。在坡长对坡面产流产沙过程影响的研究中,有研究者认为坡面产流产沙均随坡长的增大而增大[11];也有研究表明坡面土壤侵蚀模数随坡长增加呈现先增加后减少的趋势,存在临界坡长[12]。在植被覆盖对坡面水沙过程影响的研究中,已有研究表明植被覆盖度的高低不同程度地影响坡面减水减沙效果。有研究者发现当植被覆盖度大于60%时,其减水减沙效应明显大于20%和40%植被覆盖度坡面[13];也有研究表明当植被覆盖度大于50%时,坡面产流产沙的变化趋于平缓[14]。对于坡面土壤入渗规律及其影响因素的研究相对较少。有研究认为降雨强度是影响坡面土壤入渗的主要因素,并且随着降雨强度增大,坡面土壤入渗率先增后减[15];还有研究表明坡面土壤入渗率随坡度变化先升后降,随坡长变化线性增加[16]。由于受研究方法、区域差异性等因素的影响,坡面水土流失过程随降水和下垫面条件变化而形成的规律存在较大差异。只有借助多年野外径流小区观测数据,针对不同区域的不同情况进行具体分析,才能准确识别区域的坡面水土流失过程和规律,为区域水土流失的有效防治提供科学依据。

北方土石山区是我国主要的水土流失类型区之一,水蚀是该区域的主要侵蚀类型。该区域地形破碎,沟壑纵横,坡度大,水土流失严重,是全国水土保持规划国家级水土流失重点预防区。目前关于北方土石山区降雨和下垫面条件交互作用下坡面水土流失过程和规律的研究相对较少,基于此选取河北省承德市南山径流场坡面径流小区1988—1991年的观测数据,运用统计方法,分析降雨因子(有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时)、降雨等级和下垫面因子(坡度、坡长、植被覆盖)对坡面水沙过程(径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率)的影响,揭示北方土石山区坡面水土流失发生发展的规律,以期为山区坡面土壤侵蚀动态监测、水土流失防治措施布设和生态建设提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

河北省承德市南山径流场(117°56′E,41°23′N)海拔高度390～450 m,平均坡度15.2°,属于低山丘陵区。气候类型为温带大陆性季风气候,多年平均日照时数2 600 h,年均温9℃,年均无霜期160 d,年均降水量400～450 mm,降水主要集中于夏季。土壤类型为褐土,土地利用类型主要包括裸岩、林地(松林、灌木林、经济林)和草地。

1.2 数据来源

为了探讨和揭示北方土石山区坡面水土流失过程发生发展的规律,河北省承德市水土保持科学研究所自20世纪80年代在承德市陆续布设了一系列不同条件的径流观测站和径流试验场,并于1981—1995年进行了定位观测研究,径流小区监测数据包括降雨量、降雨历时、降雨强度、径流量、侵蚀产沙量等,并被整理汇编成《燕山山区水土流失规律研究径流泥沙测验资料(1981—1995)》。由于北方土石山区土层较薄,所布设的径流小区在20世纪90年代末就因雨水冲刷而毁坏殆尽。基于上述整编资料,在对径流小区布设条件、观测内容和观测时间进行比较分析的基础上,选取南山径流场3组15个野外人工径流小区(表1),利用各径流小区1988—1991年相关观测数据,探究不同降水、坡度、坡长和植被覆盖条件下坡面水土流失规律。

表1 南山径流场径流小区基本特征Table 1 Basic characteristics of runoff plots in Nanshan runoff field

1.3 研究指标与方法

研究指标主要为有效降雨量(mm)、平均降雨强度(mm/h)、降雨历时(min)、降雨等级、径流深度(mm)、土壤侵蚀模数(t/km2)和土壤入渗率(mm/min)。利用自记雨量计和普通雨量桶收集降雨数据,包括次降雨量、降雨历时和降雨强度等。降雨历时是由降雨过程计算出的净雨历时,平均降雨强度利用降雨量和降雨历时计算得出,利用烘干法测定次降雨侵蚀总量,土壤侵蚀模数利用侵蚀总量除以小区面积计算得到。由于原始资料多为浑水,在整编时折算为清水深度,泥沙真比重按2.65 t/m3计算,径流深度=(径流泥沙总量—土壤侵蚀总量/2 650)/小区面积。由于降雨过程中截留量、蒸发量和填洼水量相对较小,可忽略不计,根据水量平衡方程并参考已有研究成果[17],坡面土壤入渗率可以表示为:

I=(Pcosθ-R)/T

(1)

式中:I表示坡面土壤入渗率(mm/min);P表示降雨量(mm);θ表示坡面的坡度(°);R表示次降雨坡面径流深度(mm);T表示降雨历时(min)。

利用Excel 2019进行数据整理,利用SPSS 20.0对数据进行统计分析,采用独立T检验对不同下垫面条件下产流、产沙和入渗差异进行显著性检验,利用Pearson相关分析法对有效降雨量、平均降雨强度和降雨历时与坡面径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率进行相关性检验。

2 结果与分析

2.1 径流场降雨和产流产沙特征

1988—1991年南山径流场降雨和产流产沙特征如表2所示。南山径流场总共降雨188场次,其中有78场降雨产生了地表径流。总降雨量为1 833.50 mm,其中有效降雨量达到1 355.36 mm,占总降雨量的73.40%。降雨次数和有效降雨次数的最高值均出现在7月,其次是6月和8月。降雨量和有效降雨量的最高值均出现在6月份,其次是7月和8月。1990年降雨最多,达到了636.80 mm;1989年降雨最少,仅有324.90 mm。15个径流小区总共产流811次,产流量为265.61 m3;产沙789次,产沙量达到29 803.13 kg。6月份产流量和产沙量均最高,分别占总产流量的32.45%和总产沙量的41.12%,其次是7月、8月和9月,5月份产流量和产沙量均最少,分别占总产流量的0.12%和总产沙量的0.73%。1990年产流量和产沙量均最高,分别占总产流量和产沙量的39.24%和51.69%,其次是1991年和1988年、1989年产流量和产沙量均最低,分别占总产流量和产沙量12.18%和19.13%(图1)。

图1 1988-1991年南山径流场产流产沙变化

表2 1988-1991年南山径流场降雨和产流产沙特征Table 2 Characteristics of rainfall and runoff and sediment generation in the Nanshan runoff field from 1988 to 1991

2.2 下垫面条件对坡面土流失过程的影响

2.2.1 坡度对坡面水土流失过程的影响 坡度是影响坡面水土流失过程的重要因素之一,对坡面发育和侵蚀演变过程起着重要作用。在相同的降雨条件下,坡度的大小在一定程度上决定了径流冲刷和搬运的能力,不同坡度坡面水土流失过程的差异较大[18]。选取5个坡度小区1988—1991年观测数据,计算径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率的平均值、标准误差和差异显著性(图2)。

注：同一指标相同字母表示没有显著性差异(p>0.05),不同字母表示显著性差异(p<0.05),下同。

由图2可知,当坡度从5°08′分别增大到11°00′,16°20′,20°25′,24°08′时,小区的平均径流深度分别为5°08′坡面径流深度的91.71%,67.88%,78.07%,58.25%,说明坡面径流深度整体随着坡度的增加而减少。在相同的坡长和降雨条件下,随着坡度的增加,坡面受雨面积减少,降雨在单位时间内产生的净雨量降低,同时坡面流速增加,径流在坡面的停留时间缩短,导致径流深度随着坡度的增加而减少。5°08′,11°00′小区的坡面径流深度显著大于24°08′小区,而5°08′和11°00′小区以及16°20′和20°25′小区均没有显著性差异。

11°00′,16°20′,20°25′,24°08′坡度径流小区的土壤侵蚀模数分别为5°08′坡度小区的2.41,3.71,4.16,6.14倍,说明坡面土壤侵蚀模数随着坡度的增加而增加,坡度越大对土壤侵蚀的影响越大。这是因为随着坡度的增加,土壤颗粒的稳定性下降,径流在斜坡方向的重力切向分力增大,使坡面流速加快,动能增加,挟带泥沙的能力增大,从而导致土壤侵蚀模数增加。24°08′小区的土壤侵蚀模数显著高于5°08′小区,11°00′,16°20′,20°25′,24°08′小区间的差异均不显著。当坡度从5°08′分别增大到11°00′,16°20′,20°25′,24°08′时,土壤入渗率分别为5°08′坡面的1.16,1.30,1.30,1.37倍,这是由于坡度增加使降雨对地表的垂直作用力降低,雨滴对地表的溅蚀作用减弱,不利于地表结皮的产生,土壤入渗能力也随之增强。土壤入渗率在各坡度小区均没有显著性差异。

2.2.2 坡长对坡面水土流失过程的影响 坡长是影响坡面径流、侵蚀产沙过程的重要因子,决定着坡面水流能量的沿程变化,主要通过影响水流挟沙力影响土壤侵蚀、搬运和沉积过程[19]。选取6个坡长小区1988—1991年观测数据,计算不同坡长小区的径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率的平均值、标准误差和差异显著性(图3)。

图3 不同坡长径流小区的径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率

由图3可见,当坡长由2.18 m增加到4.97,11.00,16.64,22.26,33.19 m时,坡面径流深度分别为2.18 m坡面径流深度的64.04%,50.38%,43.67%,43.93%,35.09%,说明坡面径流深度随坡长增加而逐渐降低。这是由于随着坡长增加,坡面受雨面积也相应增加,影响汇水过程,坡面径流量也随之增加,导致坡面径流动能增加,流速加快,水流在坡面的停留时间减短,径流深度也随之减少。2.18 m坡长小区的坡面径流深度显著大于11.00,16.64,22.26,33.19 m坡长小区,而11.00,16.64,22.26,33.19 m坡长小区的差异均不显著。

当坡长由2.18 m增加到4.97,11,16.64,22.26,33.19 m时,坡面土壤侵蚀模数分别增加了4.39,8.19,12.92,18.26,15.80倍,说明在2.18～33.19 m坡长范围内坡面土壤侵蚀模数随坡长增加出现先增加后减少的趋势,坡长为22.26 m时坡面土壤侵蚀模数达到最大值,存在临界坡长。这是因为随着坡长增加,坡面径流流程增加,径流的不断汇集会增强坡面土壤侵蚀能力和水流挟沙能力,导致坡面土壤侵蚀量随坡长的增加而增大;而当坡长增加到一定程度时,坡面水流的流路增加会使得水流流动的动力减弱,侵蚀阻力增加,挟带泥沙的能力下降,进而导致土壤侵蚀模数也随之下降。22.26 m坡长小区的坡面土壤侵蚀模数显著高于2.18,4.97 m坡长小区,而2.18,4.97 m坡长小区以及11.00,16.64,33.19 m坡长小区间均无显著性差异。

坡长与土壤入渗的关系比较复杂,随坡长增加土壤入渗率呈现先增后减的变化,坡长为4.97 m时坡面的土壤入渗率达到最大值,存在临界坡长。分析认为,在2.18～4.97 m坡长范围内,随着坡长增加,受雨面积增加,土壤入渗量也随之增加;当坡长增加到一定长度时,径流深度减小,对地表的垂直作用力减弱[20],土壤水分入渗受阻。土壤入渗率在各坡长小区均没有显著性差异。

2.2.3 植被覆盖对坡面水土流失过程的影响 植被类型、数量、结构、分布的差异将形成不同的下垫面条件,进而影响坡面降水过程、下渗过程、产流产沙过程及其动力机制[21]。选取4个不同植被覆盖度小区1988—1991年观测数据,计算径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率的平均值、标准误差和差异显著性(图4)。

图4 不同植被覆盖度径流小区的径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率

由图4可见,植被覆盖度由0增加到30%,60%,90%时,坡面径流深度分别为裸地的32.46%,14.28%,13.67%,表明坡面径流深度随植被覆盖度的增加呈现减少的趋势,尤其是植被覆盖度达到30%以上时能够显著减少地表径流。当植被覆盖度较低时,坡面由于缺少植被覆盖难以对降雨进行拦蓄,大量坡面降雨直接转化为坡面漫流,径流量和径流深度也随之增加;随着坡面植被覆盖度的提高,地表的植被能够有效截留部分降水,从而降低水流流速,提高坡面径流渗透能力,显著减少坡面径流的形成机率,径流深度也随之减小。裸地小区的坡面径流深度显著大于植被覆盖度为30%的小区,植被覆盖度为30%小区的坡面径流深度显著大于植被覆盖度为60%和90%的小区,而植被覆盖度为60%和90%的小区无显著性差异。

当植被覆盖度由0增加到30%,60%,90%时,坡面土壤侵蚀模数分别为裸地的10.65%,0.72%,0.39%,可见坡面土壤侵蚀模数随植被覆盖度的增加显著降低,植被覆盖可以有效控制土壤侵蚀。当坡面处于裸露状态时,降雨直接打击和溅蚀会使得土壤松动,坡面径流会直接对坡面进行冲刷,加大了土壤侵蚀发生的机率;当坡面处于较高植被覆盖状态时,植被面积的增加能够减少雨滴对坡面的直接打击,枯落物层和茎干也能提高地表糙度,减小坡面径流的动力和势能,显著减少坡面土壤侵蚀发生的可能性。裸地小区的坡面土壤侵蚀模数显著高于植被覆盖度为30%,60%和90%的小区,而植被覆盖度为30%,60%,90%的小区无显著性差异。

当植被覆盖度由0增加到30%,60%,90%时,坡面土壤入渗率分别为裸地的1.68,1.90,2.13倍,说明坡面土壤入渗率随植被覆盖度的增加而逐渐增大。这是由于低植被覆盖的坡面对降雨的拦蓄作用较小,导致径流在坡面停留时间较短,土壤入渗速率较低;当植被覆盖度增加时,植被对降雨的截留作用以及对土壤入渗能力的改良作用(改善土壤孔隙度、容重和有机质含量等)显著增强,径流在坡面的停留时间延长,坡面土壤入渗速率也相应增大。植被覆盖度为90%和60%小区的土壤入渗率显著高于裸地小区,但植被覆盖度为60%和90%的小区不具有显著性差异。

值得注意的是,低植被覆盖度坡面与高植被覆盖度坡面径流深度、土侵蚀模数和土壤入渗率的差异十分显著,但随着植被覆盖度的增加,坡面径流深度和土壤侵蚀模数的变化速率越来越小并趋于稳定。植被覆盖度由30%增加到90%并没有引起土壤侵蚀模数和土壤入渗率的显著变化,尤其是60%和90%的植被覆盖度对坡面水土流失过程影响的差异不大,说明在水土流失治理中存在临界植被覆盖度。坡面水土流失过程受多种因素综合影响,除降雨影响之外,土壤紧实度、容重、水稳性团聚体、水分状况以及有机质含量等均对土壤的抗蚀性有重要影响,这些土壤理化性质受植被类型特别是植被根系分布特征的影响[22]。上述径流小区植被以野草为主,观测季节为夏、秋季节,草被植物根系量大且密集,茎枝叶枯落物和衰老退化的根系腐烂后可有效改善土壤的理化性状,因此在特定的坡长、坡度、植被种类等条件配合下,植被覆盖度达到30%后,植被的影响作用减小,植被的水沙调控作用趋于稳定,对坡面产流、入渗和抗侵蚀的能力只有一定辅助作用,蓄水拦沙效果表现不明显。因此,一味地增加地表植被覆盖度并不能特别有效地减少水土流失。

2.3 降雨因子与坡面水土流失过程的关系

降雨是坡面产流产沙过程最根本的动力来源,除直接打击土壤形成溅蚀外,还形成地表径流冲刷土壤[23],以一种综合效应影响坡面水土流失过程。降雨因子包括有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时、降雨等级等均对坡面水土流失程起着重要影响。

2.3.1 有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时与坡面水土流失的关系 为了综合分析有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时对坡面径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率的影响,选取15个不同下垫面条件的坡面径流小区1988—1991年数据,对有效降雨量、平均降雨强度、降雨历时与坡面径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率进行Pearson相关分析(表3)。由表3可见,不同降雨因子对坡面水土流失过程的影响各不相同。

表3 坡面径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率与降雨历时、有效降雨量、平均降雨强度间的关系Table 3 Relationship between slope runoff depth, soil erosion modulus, soil infiltration rate and rainfall duration, effective rainfall and average rainfall intensity

有效降雨量、平均降雨强度均与坡面径流深度呈显著正相关,但降雨历时与坡面径流深度的相关性较差,说明坡面径流深度主要受到有效降雨量和平均降雨强度的影响。降雨是坡面径流的直接来源,当降雨量超过土壤的入渗能力就会形成坡面径流,随着降雨量的增大坡面径流深度也增加。当降雨强度增大,降雨的速度会随之增加,单位时间内产生的径流深度也会增加。降雨强度对径流深度的影响也体现在雨滴的大小和雨滴所具有的动能,雨滴对坡面的打击使土壤表层趋于紧实,形成地表结皮,会有效降低坡面的粗糙度[24],更易形成坡面径流。

有效降雨量、平均降雨强度与坡面土壤侵蚀模数呈显著正相关,但降雨历时与坡面土壤侵蚀模数呈负相关且相关性较差,说明坡面土壤侵蚀模数更多地受到有效降雨量和平均降雨强度的影响。除雨滴的溅蚀作用外,降雨量的增加导致坡面径流量的增加从而加大对坡面的侵蚀冲刷,增加产沙量。降雨强度增大,雨滴对坡面土壤的溅蚀能力增强,破坏土壤结构,使土粒分散、破坏和迁移,相应的坡面径流可以携带更多的土壤颗粒[25],同时降雨强度增大会增加坡面径流的紊乱性,进而增加水流的侵蚀能力,使坡面产沙量增加。

降雨历时与土壤入渗率呈显著负相关,有效降雨量和平均降雨强度与土壤入渗率皆呈显著正相关,但有效降雨量与土壤入渗率的相关系数较小,说明土壤入渗率更多受到降雨历时和平均降雨强度的影响。在降雨初期,土壤含水量较少,坡面土壤入渗能力较强;随着降雨的持续,土壤含水量增加,坡面土壤入渗能力下降,同时受雨滴溅蚀的影响,土壤表层形成较为致密的结皮层,在一定程度上使得坡面入渗率降低[24]。降雨强度增大会增加雨滴对坡面的打击力,所产生的冲击力对土壤入渗有一定促进作用[26],同时降雨强度增大会增加坡面径流深度,致使坡面受到的重力增加,坡面土壤入渗率也随之增加。

2.3.2 降雨等级与坡面水土流失过程的关系 为了分析不同等级降雨对坡面径流深度、土壤侵蚀模数、土壤入渗率的影响,根据国家气象局制定的降雨等级划分标准并结合实际情况,依据24 h内降雨总量大小划分为小雨(<10.0 mm)、中雨(10.0～25.0 mm)、大雨(25.0～50.0 mm)、暴雨(≥50.0 mm)4个等级。由表4可知,15个径流小区的中雨累计次数最多(共371次),暴雨累计次数最少(共76次)。当降雨等级由小雨增大为中雨、大雨、暴雨时,坡面径流深度、土壤侵蚀模数分别为小雨的2.15,4.70,13.78倍和4.82,16.68,50.61倍,说明坡面径流深度、土壤侵蚀模数随着降雨等级增大而增加。降雨等级变大,有效降雨量和降雨强度也增大,坡面径流量和侵蚀量也随之增加。

表4 不同降雨等级下的坡面径流深度、土壤侵蚀模数和土壤入渗率Table 4 Slope runoff depth, soil erosion modulus and soil infiltration rate under different rainfall levels

土壤入渗率随着降雨等级的增大整体上呈现先增后减的变化趋势(表4)。当降雨等级为大雨时,坡面土壤入渗率最高为0.34 mm/min;当降雨等级为暴雨时,坡面土壤入渗率下降,这说明坡面土壤入渗率存在临界降雨等级。这是因为一般情况下对于自然坡面次降雨事件而言,土壤含水量均未达到饱和状态,降雨量越大,入渗水量就越大,平均入渗率随之变大。当日降雨量增加,降雨等级也随之增加,达到临界降雨等级后,地表也因受到雨滴击打、溅蚀的影响,在降雨过程中形成致密的结皮[24],阻碍水分的入渗,这时入渗水量变小,平均土壤入渗率变小。

3 结 论

本研究选取河北省承德市南山径流场15个径流小区1988—1991年观测数据,探讨了降雨和不同下垫面条件下坡面径流、土壤侵蚀和土壤入渗特征及规律,得到如下结论:

(1) 随着坡度增加,坡面径流深度逐渐减小,土壤侵蚀模数和土壤入渗率呈逐渐增加的趋势。随着坡长增加,坡面径流深度呈现逐渐减少的趋势,土壤侵蚀模数和土壤入渗率呈现先增后减的变化趋势且存在临界坡长。

(2) 随着植被覆盖度增加,坡面径流深度、土壤侵蚀模数迅速减少,土壤入渗率逐渐增加。植被覆盖度由30%增加到90%并没有引起土壤侵蚀模数和土壤入渗率的显著变化,尤其是60%和90%的植被覆盖度对坡面水土流失过程的影响差异不明显,说明在水土流失治理中存在临界植被覆盖度。

(3) 北方土石山区坡面产流产沙主要受到有效降雨量和平均降雨强度的影响,土壤入渗率则主要受到平均降雨强度和降雨历时的影响。坡面径流深度和土壤侵蚀模数随降雨等级的增加而增加,而土壤入渗率随降雨等级的增加呈现先增后减的变化趋势,存在临界降雨等级。

由于北方土石山区不同降雨和下垫面条件下的坡面水土流失过程存在着一定差异,因此在进行水土流失综合治理时,要根据土石山区坡面条件的实际状况和水土流失特征,结合降雨特点,有针对性地进行生态建设和土壤侵蚀防治。需要注意的是,在坡度对坡面水土流失过程影响的探讨中发现并没有存在临界坡度,这与有的研究并不一致[2],因此对于北方土石山区坡面产流产沙是否存在坡度临界值、临界值大小的问题仍需要进一步地研究。目前对不同土地利用、坡度和植被覆盖条件下坡面渗透性能的研究较多,但对于不同坡长坡面土壤入渗性能的研究相对较少,坡长对坡面土壤入渗的影响方式和影响机制仍需要进一步地探讨。