夏美玲，高之棟，周 巖，王新軍，趙言文

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京210095；2.贛榆縣夾谷山水土保持試驗站，江蘇 贛榆222100；3.江蘇省水文水資源勘測局，江蘇 南京210029）

氣候因素是影響土壤侵蝕的主要外營力，一般來說，年降水總量大，侵蝕總能量也大，土壤侵蝕因而增強(qiáng)，但是年降雨量的區(qū)域分布和降雨量年內(nèi)分配及降雨強(qiáng)度，對侵蝕往往起主導(dǎo)作用［1］。美國學(xué)者Wischmeier和Smith［2］提出降雨總動能E及其30 min最大雨強(qiáng)I30的乘積與土壤流失量的關(guān)系最為密切，因而降雨侵蝕力的表達(dá)式為：R＝E·I30。我國的學(xué)者根據(jù)中國的具體情況也進(jìn)行了相關(guān)研究，江忠善［3］和王萬忠［4］等提出，在黃土高原地區(qū)，降雨動能和降雨強(qiáng)度的乘積是表征降雨侵蝕力較好的指標(biāo)。土地利用方式通過改變地面組成物質(zhì)、植被及耕作方式從而影響了坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，其中地面組成物質(zhì)是影響土壤侵蝕的內(nèi)部原因，植被覆蓋則是控制和加速土壤侵蝕最敏感的因素［5］。李廣［6］等研究提出，在其它條件相似時，不同土地利用方式對水土流失的影響存在顯著差異。江淼華［7］等也提出不同的土地利用方式，在降雨的作用下，表現(xiàn)出不同的水土流失規(guī)律。

江蘇省地處江淮平原，地勢低平，河湖較多，是全國地勢最低的一個省區(qū)，水土流失危害較輕，因此多年來該省水土保持工作沒有得到深入的開展，然而近年來由于江蘇省經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，毀林開荒種植經(jīng)濟(jì)林或果園以及各種生產(chǎn)建設(shè)項目的數(shù)量越來越多，這些人為干擾造成江蘇省丘陵山區(qū)水土流失趨于嚴(yán)重。自新水土保持法實施以來，該省高度重視水土流失監(jiān)測研究工作，然而目前針對自身特點的試驗研究尚且不足，為深入研究各種降雨強(qiáng)度、不同土地利用方式與土壤流失量之間的關(guān)系，本研究選定江蘇省水土流失重點治理區(qū)贛榆縣夾谷山為主要研究區(qū)域，探索影響該縣水土流失的主要影響因素，揭示贛榆縣水土流失規(guī)律，尋找適宜的水土保持措施，以期為實現(xiàn)有效控制贛榆縣水土流失提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

夾谷山是山東沂蒙山向南延伸的余脈，屬北方土石山區(qū)。試驗小區(qū)位于江蘇省贛榆縣夾谷山水土保持試驗站西側(cè)葫蘆山東側(cè)的荒坡坡面上，地理坐標(biāo)為東經(jīng)118°52′12″，北緯34°55′26″，地面坡度為8°。小區(qū)土壤為花崗片麻巖發(fā)育的砂壤土，土層厚度約35cm，礫石含量高、顆粒粗、黏性極差，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤容重1.2～1.27g／cm3，因此該徑流小區(qū)是江蘇省蘇北丘陵山區(qū)原生地貌的典型代表，園區(qū)多年平均降雨量為933.9mm，屬江蘇省降雨量比較少的地區(qū)，但是該地區(qū)降雨多集中在6—9月份，且多暴雨，降雨強(qiáng)度大，降雨量占全年的70%左右，極易產(chǎn)生水土流失。

2 材料與方法

2.1 試驗設(shè)計與處理

試驗區(qū)根據(jù)本地的地質(zhì)、地貌、氣候、植被、土壤及地形條件，在坡度為8°的葫蘆山東側(cè)荒坡上設(shè)置徑流區(qū)，該徑流區(qū)坡向指向東北，6個小區(qū)平行排列在同一坡面上，依次為喬木用材林、經(jīng)濟(jì)林、牧草、順坡耕作、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)及石埂梯田耕作區(qū)。為防止客水進(jìn)入，小區(qū)四周設(shè)有楔形保護(hù)墻，保護(hù)墻地上部分高25 cm，地下部分埋深30cm。小區(qū)下部布設(shè)集流槽，沉沙池，集水池，并且互相連通。在集流槽出口，集水池入口分別裝有1／2和1／5的分流梯形堰，以減少集水池的設(shè)計容積。集水池一端設(shè)有排水管，便于雨后排水。對6種不同土地利用方式徑流小區(qū)的降雨、徑流泥沙、植被覆蓋度等指標(biāo)進(jìn)行長達(dá)20a的測定（表1）。

2.2 觀測項目和方法

2.2.1 降雨觀測 布設(shè)自記雨量計和普通雨量筒各一臺，觀測降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨過程。自記雨量計必須每日早晨8時準(zhǔn)時對鐘，雨后及時更換自記記錄紙。

2.2.2 泥沙量觀測 每次降雨徑流結(jié)束后，采用體積法測定每個小區(qū)的徑流量和泥沙量。每次徑流取2～3個1 000cm3的水樣，經(jīng)混合均勻后，再保留一個水樣，經(jīng)沉淀、過濾、烘干、稱重得到懸移質(zhì)泥沙量；推移質(zhì)泥沙量采取一次徑流一次清理，烘干稱其重量，得到推移質(zhì)泥沙量。懸移質(zhì)泥沙量與推移質(zhì)泥沙量之和就是每次降雨徑流的泥沙流失量。

2.2.3 土壤性狀 對徑流試驗小區(qū)的表層土壤進(jìn)行采樣，采樣位置位于以小區(qū)中心為原點半徑為3m并在小區(qū)之外的區(qū)域，多點采樣后混勻，以供試驗室分析。土壤理化性質(zhì)（土壤質(zhì)地、容重、機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、滲透速度級和結(jié)構(gòu)級等）按照標(biāo)準(zhǔn)法［8］進(jìn)行測定。

表1 不同土地利用方式徑流小區(qū)概況

2.3 數(shù)據(jù)來源和處理

研究數(shù)據(jù)主要包括1988—1997年及2001—2010年6—9月份徑流試驗小區(qū)的徑流和產(chǎn)沙觀測資料。所有數(shù)據(jù)均在Excel和SPSS 20.0統(tǒng)計軟件中處理與分析。最小顯著性差異法（LSD）［9－11］用于不同土地利用方式試驗觀測數(shù)據(jù)差異的多重比較，顯著水平設(shè)置為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 贛榆夾谷山降雨量特征分析

由圖1可知，1988—1997年及2001—2010年6—9月份共記錄了219次降雨，其中小雨5次，中雨58次，大雨91次，暴雨58次，大暴雨7次，降雨量共9 258.7mm。根據(jù)小區(qū)觀測資料，其中僅有5次小雨未產(chǎn)流，占抽樣次數(shù)的2.3%。

觀測資料顯示，不同土地利用方式下相同的次降雨量，形成徑流最快的是順坡耕作小區(qū)，然后依次是標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)、經(jīng)濟(jì)林區(qū)、喬木小區(qū)、牧草區(qū)，石埂梯田表面徑流量最小，甚至沒有徑流產(chǎn)生。

圖1 1988－2010年中6－9月份的降雨量分布

3.2 不同土地利用方式對坡面產(chǎn)沙的影響

3.2.1 不同土地利用方式年際產(chǎn)沙變化 由圖2可以看出，6個小區(qū)年度侵蝕產(chǎn)沙量變化趨勢與年降雨量基本保持一致，均隨年度降雨量的增大而增大，梯田小區(qū)變化趨勢不明顯。1989年和1991年出現(xiàn)了異常值。

圖2 不同徑流小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量的年際變化

3.2.2 不同土地利用方式年度產(chǎn)沙量差異性分析采用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件，對不同土地利用方式的年度侵蝕產(chǎn)沙量的觀測值進(jìn)行單因素方差分析。從分析結(jié)果可以看出，方差同質(zhì)性F檢驗值為21.150，同時顯著性水平為0.000（接近0），說明不同土地利用方式具有極顯著性差異。不同土地利用方式下的年度侵蝕產(chǎn)沙量均值大小順序為：順坡耕作區(qū)＞標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)＞經(jīng)濟(jì)林區(qū)＞牧草區(qū)＞喬木用材林區(qū)＞梯田區(qū)。結(jié)果表明，不同土地利用方式中，石埂梯田的水土保持效果最好，順坡耕作不僅沒有阻止土壤流失，反而造成土壤流失量加大。

繼續(xù)通過LSD檢驗法比較，結(jié)果顯示LSD的F檢驗值為75.624，組間方差為6.02×108，組內(nèi)方差為1.82×108，說明組間方差明顯大于組內(nèi)方差，此外顯著性水平值為0.000（接近0），說明不同土地利用方式之間具有極顯著性差異。但是通過LSD多重比較中，并沒有顯示喬木用材林、經(jīng)濟(jì)林、牧草及梯田小區(qū)具有明顯差異性，說明這4個小區(qū)對土壤保持的作用基本一致，在本研究觀測中水土保持效果差異不明顯。

3.3 坡面產(chǎn)沙影響因素分析

為了能夠找出試驗小區(qū)土壤產(chǎn)沙量與降雨強(qiáng)度、降雨動能之間的相關(guān)關(guān)系，以20a來6—9月份214次（已去除非可蝕性降雨）降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨動能、土壤產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過參考文獻(xiàn)，篩選出降雨特征因子中可能造成土壤侵蝕的影響因子。

對標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)次土壤流失量與I10，I30，I60，E10，E30，E60這6個單因子進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，確定相關(guān)系數(shù)，并擬合直線與冪函數(shù)曲線兩種形式，進(jìn)行回歸分析，確定判定系數(shù)（表2）。

對標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)次降雨土壤流失量與I30∑E，I30∑E，I30∑E，I10E10，I30E10，I60E10，I10E30，I30E30，I60E30，I10E60，I30E60，I60E60這12個復(fù)合因子進(jìn)行 Pearson相關(guān)性分析，確定相關(guān)系數(shù)，并擬合直線與冪函數(shù)曲線兩種形式，進(jìn)行回歸分析，確定判定系數(shù)，表3為相關(guān)擬合分析結(jié)果。

表2 降雨單因子與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失量相關(guān)擬合分析結(jié)果

表3 降雨復(fù)合因子與標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)土壤流失量相關(guān)擬合分析結(jié)果

通過表2—3可以看出，各種組合中冪函數(shù)相關(guān)系數(shù)及其判定系數(shù)均大于線性相關(guān)系數(shù)及其判定系數(shù)，且I30∑E組合曲線相關(guān)系數(shù)最大，相關(guān)系數(shù)為0.871，達(dá)到高相關(guān)，且判定系數(shù)為0.944，說明其擬合度較高，而且單因子I30與土壤流失量的相關(guān)關(guān)系為0.567，達(dá)到了顯著相關(guān)，冪函數(shù)方程擬合度為0.607，是I10，I30，I60中最高的。所以確定本徑流小區(qū)在土壤結(jié)構(gòu)、坡面坡度和坡長、植被覆蓋度以及水土保持措施不變的情況下，土壤侵蝕產(chǎn)沙量與I30∑E之間呈現(xiàn)密切相關(guān)關(guān)系，即確定I30∑E為降雨侵蝕力因子。

3.4 降雨侵蝕力對土壤侵蝕量的定量作用

相同土地利用方式下，小區(qū)產(chǎn)沙量與降雨侵蝕力（I30∑E）之間存在一定的相關(guān)性，為了得出不同土地利用方式的小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量與降雨侵蝕力之間的規(guī)律，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計回歸方法進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，不同小區(qū)R2值均接近1，說明回歸方程的擬合優(yōu)度非常高。并且不同小區(qū)均通過回歸方程顯著性檢驗。結(jié)果表明，不同土地利用方式下的次降雨侵蝕產(chǎn)沙量與次降雨侵蝕力之間均可用冪函數(shù)進(jìn)行很好的描述。

4 結(jié)論

（1）不同土地利用方式的侵蝕產(chǎn)沙量變化趨勢與年降雨量基本保持一致，均隨年降雨量的增大而增大。梯田小區(qū)變化趨勢不明顯。1989和1991年出現(xiàn)了異常值。出現(xiàn)異常值的原因可能是試驗小區(qū)剛剛建立，觀測經(jīng)驗不足，人為誤差所致。

（2）不同土地利用方式的年產(chǎn)沙量具有顯著差異性，對產(chǎn)沙量的影響大小依次為：順坡耕作區(qū)＞標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)＞經(jīng)濟(jì)林區(qū)＞牧草區(qū)＞喬木用材林區(qū)＞梯田小區(qū)。在不同土地利用方式下，防止土壤流失作用最大，最有效的是梯田，而順坡耕作土壤流失強(qiáng)度最大；6種不同土地利用方式的年均泥沙流失量的差異性與土壤的植被措施和耕作方式以及植被覆蓋度密切相關(guān)。梯田小區(qū)不僅有石埂梯田對土壤進(jìn)行層層攔蓄，還有花生作物根系對土壤顆粒進(jìn)行固定，所以年均泥沙流失量明顯降低；喬木小區(qū)、經(jīng)濟(jì)林小區(qū)和牧草小區(qū)的植物根系對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，提高了土壤的抗沖能力，明顯降低了土壤流失量，但是因為試驗小區(qū)的黑松、茶葉和牧草的植被覆蓋度存在差異，特別是黑松的覆蓋度比較低，且是幼株，所以造成3個小區(qū)之間的土壤流失量差異并不顯著；順坡耕作區(qū)沿坡向種植紅薯，不僅破壞了土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還使水流順著小溝帶走了大量的泥沙，所以較標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)而言，反而加大了土壤流失。

（3）擬合篩選降雨強(qiáng)度和降雨動能與次土壤侵蝕產(chǎn)沙量之間的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)次土壤侵蝕產(chǎn)沙量與I30∑E存在密切相關(guān)關(guān)系，將其定義為降雨侵蝕力。在不同土地利用方式下，擬合次土壤侵蝕產(chǎn)沙量與降雨侵蝕力的相關(guān)關(guān)系，不同小區(qū)的次土壤侵蝕量觀測值均與降雨侵蝕力表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)較強(qiáng)，且達(dá)到極顯著性水平。從回歸方程的參數(shù)可以看出土壤流失侵蝕產(chǎn)沙量隨著降雨侵蝕力的增大而增大。

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