李 瑞，李 勇，劉云芳

（1.貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴陽550002；2.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴陽550002）

貴州是我國水土流失最為嚴重的省份之一，也是我國唯一沒有平原支撐的省份。這里喀斯特地貌發(fā)育，坡耕地比重大，土壤侵蝕嚴重，大量基巖裸露，土地生產(chǎn)力嚴重下降，形成了類荒漠化現(xiàn)象，即石漠化。坡面水蝕是貴州省喀斯特地區(qū)主要的土壤侵蝕類型。因此，對貴州喀斯特地區(qū)降雨與坡面土壤侵蝕的關系研究具有重要的意義。

影響土壤侵蝕的因素很多，其中氣候因素中的降雨是侵蝕產(chǎn)沙的主要動力因素之一，是引起土壤流失的最主要因子。用徑流小區(qū)研究天然降雨與水土流失的關系是目前最常用的研究方法。為了探討降雨與土壤流失的關系，石生新、馮紹元等人利用人工模擬降雨研究了降雨與土壤流失的關系［1］。降雨量的季節(jié)分布常會影響水土流失，在降雨量較大的雨季水土流失最嚴重，而旱季的水土流失量較小。水土流失不僅與降雨量有關，還與降雨強度密切相關［2－3］。為了能定量地預測預報土壤流失量，研究者提出了降雨侵蝕力（Rainfall Erosivity）的概念。當雨滴擊濺力和地表徑流沖刷力超過土壤顆粒的內(nèi)聚力時，便會發(fā)生降雨侵蝕。基于這種觀點，J.Schmidt等［4］通過一種理論方法對降雨侵蝕過程進行了描述，建立了降雨侵蝕的數(shù)學仿真模型。

降雨主要由雨量、雨強、降雨歷時等特征值來反映，這些因子無疑都會影響水土流失，但作用并不相同。研究表明，不同雨量區(qū)之間水土流失強度有差異［5－6］，因而總雨量是研究的前提條件。從降雨與土壤侵蝕的關系研究中看，關于侵蝕性降雨標準、降雨的侵蝕力、侵蝕能量及侵蝕動態(tài)過程以及降雨因子和土壤侵蝕量間的關系都有較多研究［7－9］。坡面徑流產(chǎn)沙方面也有大量報道［10－13］。但喀斯特地區(qū)降雨與坡面徑流產(chǎn)沙關系方面的研究鮮見報道，本文以位于貴州喀斯特地區(qū)的龍里羊雞沖小流域為例，研究貴州喀斯特地區(qū)降雨與坡面徑流產(chǎn)沙關系，探討不同植被措施下降雨與坡面土壤侵蝕的擬合關系，為貴州省喀斯特地區(qū)坡面水土流失治理提供參考。

1 研究區(qū)概況

貴州省龍里水土保持科技示范園是水利部首批水土保持科技示范園，位于貴州省龍里縣東城郊的羊雞沖小流域，屬長江流域烏江水系。龍里水土保持科技示范園以羊雞沖小流域為自然單元。主要示范內(nèi)容包括：水土保持林333hm2，封禁治理及生態(tài)修復面積253hm2，經(jīng)果林107hm2，母本園27hm2，苗圃13hm2，盆景觀賞園2hm2，水土保持培訓設施，降雨及徑流觀測設施，土壤侵蝕觀測試驗場，組織培養(yǎng)室，溫室以及節(jié)水灌溉設施等。羊雞沖小流域中心位置為東經(jīng)107°00′，北緯26°28′，屬亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫14.7℃，多年平均降雨量1 158.5mm，極端最高氣溫35℃，極端最低氣溫－3℃，積溫4 274～4 574.6℃。系巖溶中低山丘陵地貌，總面積1 189hm2，是水力侵蝕為主的面狀侵蝕區(qū)，屬輕度水土流失區(qū)。

2 材料與方法

2.1 坡面徑流小區(qū)選擇

龍里水土保持科技示范園共18個徑流小區(qū)，本研究根據(jù)小區(qū)不同種植模式選取其中的5個典型徑流小區(qū)進行試驗觀測。其中種植喬木的選擇6號徑流小區(qū)，種植模式為楊樹（Populus）＋柏樹（Platycladns）；種植灌木（經(jīng)濟林）的選擇18號徑流小區(qū)，種植模式為樹莓（Myrica rubra Lour.Zucc.）；農(nóng)耕地選擇8號徑流小區(qū)，目前種植植物為秋葵（Abelmoschus esculentus）；種植草地的選擇10號徑流小區(qū)，目前該徑流小區(qū)已形成天然草地，蓋度約90%左右；撂荒模式選擇12號徑流小區(qū)，撂荒時間5a，目前以雜草為主，蓋度約85%左右，詳見表1。

表1 徑流小區(qū)基本情況

2.2 觀測方法

（1）雨量觀測。徑流場設置了一臺自記雨量計和一臺雨量筒，相互校驗。因徑流小區(qū)相對集中，無須增加雨量筒數(shù)量。在降雨日18：00更換記錄紙，并相應記錄雨量筒雨量。

羊雞沖小流域徑流小區(qū)相對集中，徑流小區(qū)間降雨量變化不大。本次研究剔除部分因試驗誤差、人為誤差等數(shù)據(jù)后，選取龍里羊雞沖小流域2008—2010年3a全部降雨觀測數(shù)據(jù)，計46場降雨資料進行分析。

（2）泥沙觀測。在降水結束、徑流終止后立即觀測，首先將集流槽中泥、水掃入集流池中，然后攪拌均勻，在池中采取柱狀水樣2～3個（總量在1 000～3 000cm3），混合后從中取出500～1 000cm3水樣，作為本次沖刷標準樣。含沙量的求取，是將水沙樣靜置24h，過濾后在105℃下烘干至恒重，再進行計算。

本次研究，剔除試驗誤差數(shù)據(jù)后，選取相應降雨條件下的全部泥沙觀測資料，即46場降雨條件下的全部泥沙觀測數(shù)據(jù)。

（3）觀測數(shù)據(jù)處理。因本研究所涉及的徑流小區(qū)面積不一，規(guī)格分別為75，100，180m2。小區(qū)面積不一致，所產(chǎn)生的徑流、泥沙等均不具備可比性，因此本研究以100m2為基本模數(shù)1M，則75m2為0.75 M，180m2為1.8M，則各小區(qū)的徑流、泥沙觀測數(shù)據(jù)除以相應的模數(shù)后便具有了可比性。

3 結果與分析

3.1 不同種植模式降雨量與坡面土壤侵蝕關系分析

為研究降雨與坡面產(chǎn)沙關系，本研究選取線性、多項式和對數(shù)3種關系進行擬合，通過比較，探討降雨與坡面產(chǎn)沙的最佳擬合模型。

5種種植模式降雨—產(chǎn)沙關系擬合曲線見圖1，從3種擬合曲線大致可以看出，5種種植模式下，降雨量與坡面土壤侵蝕的關系并非簡單的線性關系。為進一步了解降雨—產(chǎn)沙的關系，我們對3種曲線的擬合方程進行計算，并對相關系數(shù)（R）進行統(tǒng)計，結果見表2。

從圖1、表2可以看出，3種擬合模型中二次多項式方程擬合效果最好，相關系數(shù)均超過了0.5，分別達0.855，0.877，0.743，0.638，0.744；線性方程擬合效果次于二次多項式方程，相關系數(shù)均超過了0.5，分別為0.672，0.725，0.679，0.589，0.631，表明幾種種植模式降雨—產(chǎn)沙均存在較高的線性關系；對數(shù)擬合方程在3種擬合模型中擬合效果最差。

3種擬合模型中二次多項式擬合效果最好，從圖1也可以明顯看出這一點。此外，由圖1可知，降雨量較小時（如小于30mm），產(chǎn)沙量變化并不大，而當降雨量增大時（如大于30mm）產(chǎn)沙量顯著增加，這在二次多項式擬合曲線圖上可清晰地看出。

圖1 幾種不同種植模式徑流小區(qū)降雨－產(chǎn)沙關系曲線

5種種植模式中農(nóng)耕模式、喬木種植模式降雨與坡面產(chǎn)沙相關性最高，二次多項式相關系數(shù)分別為0.877和0.855，擬合方程分別為y＝0.1684x2－6.7812x＋71.61和y＝0.1625x2－7.1552x＋70.193；線性擬合方程相關性系數(shù)分別為0.725和0.679，線性方程分別為y＝4.7063x－70.319和y＝3.9287x－66.751；對數(shù)擬合方程為y＝89.02lnx－219.66和y＝71.499lnx－182.74，相關系數(shù)分別為0.55和0.49。

撂荒地是5種種植模式中降雨—產(chǎn)沙關系最不明顯的，相關系數(shù)分別為：線性0.589 1、多項式0.637 7、對數(shù)0.499 7，擬合方程分別為y＝0.5685x＋1.519，y＝0.0124x2－0.2768x＋11.962和y＝11.994lnx－20.348。這表明，降雨和撂荒地坡面產(chǎn)沙之間存在正相關關系，但是否顯著從相關系數(shù)無法確認，須進一步作顯著性檢驗方能確定其顯著性。撂荒地撂荒時間約為5a，但并不是撂荒以后就再無人為干擾，而是不定期地進行除草，這就導致降雨—產(chǎn)沙之間的規(guī)律性受到干擾，除草后產(chǎn)沙量就會偏大。因此，其擬合方程的相關系數(shù)較其它幾種種植模式要低。

其它2種種植模式，即草地和灌木（經(jīng)濟林）坡面產(chǎn)沙和降雨之間均存在正相關關系。多項式擬合模型的相關系數(shù)為0.742 8和0.743 8，相關性較高；線性方程擬合模型相關系數(shù)分別為0.679和0.630 6，具有較高的線性相關關系。

表2 不同種植模式下坡面降雨—產(chǎn)沙擬合方程及F檢驗結果

從上述擬合曲線及相關系數(shù)來看，幾種不同的坡面種植模式下，降雨量—產(chǎn)沙量之間呈現(xiàn)出較高的相關性。為了確定其顯著性，選取線性擬合方程和二次多項式方程進行F檢驗，檢驗結果見表2。

從表2可以看出，5中不同種植類型的徑流小區(qū)降雨—坡面產(chǎn)沙的線性、多項式擬合方程F檢查結果均為顯著，表明降雨量和產(chǎn)沙量之間在0.05的水平上呈顯著正相關。

3.2 降雨強度與坡面土壤侵蝕關系分析

上述研究結果表明，降雨量與坡面產(chǎn)沙關系呈顯著正相關，其中三種擬合方程中以二次多項式擬合效果最好，相關系數(shù)均大于0.5。但是，除降雨量之外，降雨過程、降雨歷時、降雨強度等均對坡面產(chǎn)沙有一定影響。

為進一步研究降雨與坡面土壤侵蝕的關系，以1 h降雨量（I60）和坡面產(chǎn)沙量進行相關分析，5種種植模式下的雨強—泥沙量的二次多項式擬合擬合方程及相關系數(shù)見表3所示。

從表3可以看出，5種種植模式下雨強—產(chǎn)沙量擬合方程的相關系數(shù)也均未超過0.5，相關系數(shù)最大的樹莓、草地種植模式也僅為0.37。這表明，雨強和坡面產(chǎn)沙并無明顯的相關關系。雨強是單位時間的降雨量，雨強可能很大，但是降雨量可能很小，這是受降雨歷時的影響。如2008年8月3日，龍里小流域降雨量觀測值僅為12mm，降雨歷時也僅為50min，其1h降雨強度高達14.9mm，但其5個徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量均較小，分別為7.14，11.57，7.93，5.71，4.48 g。這就合理的解釋了降雨強度和坡面產(chǎn)沙之間并無明顯的相關關系。

表3 雨強－產(chǎn)沙二次多項式擬合方程及相關系數(shù)

4 結論與討論

（1）研究表明，5種不同種植模式的徑流小區(qū)降雨量與坡面土壤侵蝕的線性、二次多項式關系在0.05的顯著性水平上均呈顯著正相關。相關關系最明顯的是喬木種植小區(qū)和耕地種植小區(qū)，二次多項式擬合方程的R值分別達0.855 2和0.876 5，F(xiàn)檢驗值分別為58.52和71.30，呈顯著正相關。

觀察圖1中喬木林種植小區(qū)二次多項式曲線，可以發(fā)現(xiàn)，降雨量小于40mm時，產(chǎn)沙量非常小，多不足10g。究其原因，一方面喬木的截留作用較草地等明顯，這就延長了徑流產(chǎn)生時間，也即產(chǎn)沙較草地等其它種植模式滯后，減少了土壤侵蝕。此現(xiàn)象說明，林地種植模式在降雨初期和雨量較小時，水土保持功能較為明顯。但隨著降雨量的增大，林地種植小區(qū)產(chǎn)沙量迅速增大（見圖1喬木擬合曲線），增幅大于草地、撂荒地等。這主要是因為喬木種植小區(qū)樹齡小（2006年種植），未形成灌木層、草本層和枯枝落葉層；降雨前期和雨量較小時，灌木種植小區(qū)和喬木種植小區(qū)情況類似，也因林冠截留作用，泥沙量較小，隨著降雨量的增大，灌木林的產(chǎn)沙量增大幅度也較大，大于草地和撂荒地，但不及喬木林；草地和撂荒地在降雨前期截留效果不明顯，產(chǎn)沙量大。綜合來看，灌木林（經(jīng)濟林）水土流失防治效果較好。

一般而言，坡面水土流失最佳防治模式應當是喬灌草混交模式，即林下種植灌木和播種草籽，形成林、灌、草3層。但從大面積水土流失防治來講，要進行林灌草3層種植并不容易，投資大，見效慢。從本研究來看，灌木林（經(jīng)濟林）種植模式可取到較好的水土流失防治效果，同時還能產(chǎn)生經(jīng)濟效益，是值得推廣的一種水土流失防治模式。此外，封育也不失為一種簡單易行的防治模式。貴州省降雨豐富，封育條件下可使植被自然恢復，形成天然草地，亦能起到較好的水土流失防治效果。

（2）研究表明，5種不同種植模式的徑流小區(qū)坡面產(chǎn)沙與降雨強度的相關關系均不明顯，二次多項式擬合方程相關系數(shù)分別為0.36，0.37，0.33，0.31，0.37，表明雨強—產(chǎn)沙量相關關系不明顯，這主要是坡面土壤侵蝕的其它因素引起的。

從圖1可知，在降雨量較小時，坡面產(chǎn)沙差異并不明顯，當降雨量較大時，坡面產(chǎn)沙迅速增加。我們知道，徑流產(chǎn)沙有一個過程，降雨初期，要經(jīng)過覆被截留、土壤入滲等過程，這些過程中并不產(chǎn)生徑流（超滲產(chǎn)流除外），也即不發(fā)生土壤侵蝕。當截留、入滲等過程完成后，徑流產(chǎn)生，才開始產(chǎn)沙。這就是降雨量較小時，泥沙量差別并不明顯的原因。徑流產(chǎn)生后，隨著降雨的持續(xù)，坡面徑流產(chǎn)沙將持續(xù)產(chǎn)生。因此，降雨過程、林冠截留、坡面下墊面狀況、土壤前期含水量等均是坡面土壤侵蝕的重要影響因素。

坡面產(chǎn)沙過程是降雨與土壤界面之間的響應過程。由于植被對降水再分配過程的影響，以及降雨和地表土層入滲性能的時空變異，使得林地產(chǎn)流產(chǎn)沙過程研究較裸地困難得多［14］。本研究也同樣存在這個問題，由于其它因素的存在，使得降雨與坡面土壤侵蝕的關系復雜化，線性關系不及二次多項式明顯，但總體來講，降雨量和坡面土壤侵蝕間關系密切，尤其降雨量較大時（如大于30mm），坡面產(chǎn)沙量迅速增大的趨勢較明顯。

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