付 滟， 鄭江坤?， 任雨之， 王文武， 曾倩婷， 向明輝， 陳 鑫，張?jiān)破妫?趙 鵬

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，水土保持與荒漠化防治四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，611130，成都； 2.遂寧水土保持試驗(yàn)站，629006，四川遂寧)

土壤侵蝕不僅造成土壤養(yǎng)分流失，還加劇地下水污染和湖泊等水體的富營(yíng)養(yǎng)化。影響土壤侵蝕的因素包括降雨、地形地貌、土壤、植被覆蓋等[1]，對(duì)同一流域而言，其地形地貌和土壤性質(zhì)是長(zhǎng)期地質(zhì)作用的產(chǎn)物，短期內(nèi)變化較小，因而降雨和植被覆蓋成為影響土壤侵蝕的關(guān)鍵[2]。降雨因素中，降雨量[3-4]、降雨歷時(shí)[4]和降雨強(qiáng)度[4-5]都是流域產(chǎn)沙的主控因子。森林植被具有多層截持作用，減流減沙效果明顯，具有較強(qiáng)的涵養(yǎng)水源和保持水土功能[6]，增加和恢復(fù)地表植被，可降低土壤的侵蝕速率[7-8]。

盡管許多學(xué)者已在年尺度[6]和次降雨[9-10]尺度下研究小流域侵蝕產(chǎn)沙特征，但川中丘陵區(qū)年尺度和次降雨尺度下的土壤侵蝕規(guī)律研究較少。筆者通過(guò)分析小流域年尺度和次降雨尺度的產(chǎn)沙規(guī)律及其成因，可為該區(qū)土壤侵蝕防控提供一定參考。

1 研究區(qū)概況

解家灣小流域位于嘉陵江中下游重點(diǎn)治理區(qū)的四川省遂寧市安居區(qū)。流域集雨面積6.89 hm2，平均縱比降29.2‰，海拔最低280 m，最高331.6 m，屬典型盆中丘陵地貌。土壤為侏羅系遂寧組巖層發(fā)育而成的紫色土，土壤松散，抗沖刷和抗蝕能力均弱。主要農(nóng)作物為玉米(Zeamays)、番薯(Ipomoeabatatas)、普通小麥(Triticumaestivum)、蠶豆(Viciafaba)，主要經(jīng)果林為柑橘(Citrusreticulata)、桃(Amygdaluspersica)、桑(Morusalba)。該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，年均降水量(1986—2016年) 為932.7 mm。小流域建場(chǎng)時(shí)，流域內(nèi)水土流失面積達(dá)4.6 hm2，旱耕地3.52 hm2；坡耕地2.77 hm2，其中大于10°坡耕地1.69 hm2；荒坡2.84 hm2。植被覆蓋率隨農(nóng)作物生長(zhǎng)期逐漸變化。1990—2008年改農(nóng)耕地為經(jīng)果林，因大量勞動(dòng)力進(jìn)城務(wù)工，2009年至今擱荒。川中丘陵區(qū)主要以坡耕地為主，早期主要種植農(nóng)作物，但由于種植經(jīng)果林勞動(dòng)力投入較低且經(jīng)濟(jì)效益較高，部分農(nóng)作物用地改為經(jīng)濟(jì)林用地。隨著城市現(xiàn)代化的進(jìn)程，大量勞動(dòng)力進(jìn)城務(wù)工，坡耕地大面積擱荒。因此，研究農(nóng)耕地、經(jīng)果林及擱荒的水土流失變化具有典型性和代表性。

2 材料與方法

降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于遂寧水土保持試驗(yàn)站的氣候觀測(cè)場(chǎng)。降雨中，能夠引發(fā)土壤侵蝕，產(chǎn)沙明顯的降雨為侵蝕性降雨。產(chǎn)沙數(shù)據(jù)來(lái)源于小流域綜合治理效益觀測(cè)場(chǎng)。通過(guò)流域的總控制出口斷面處修建的標(biāo)準(zhǔn)巴塞爾槽量水堰和標(biāo)準(zhǔn)水尺觀測(cè)洪水位，在徑流過(guò)程中，按照降雨強(qiáng)度和徑流變化情況分時(shí)段采集泥沙水樣，用烘干法求含沙量，計(jì)算輸沙模數(shù)。因缺乏次降雨數(shù)據(jù)，未分析2001、2004、2005、2008、2011和2012年次降雨侵蝕產(chǎn)沙規(guī)律。

2.1 降雨侵蝕力的計(jì)算

目前，RUSLE模型是應(yīng)用最廣泛的土壤侵蝕模型之一。降雨侵蝕力(R)是用于表示降雨侵蝕能力大小的指標(biāo)。1958年Wischmeier等[11]首次提出當(dāng)其他因子保持不變時(shí)，降雨動(dòng)能E和次降雨最大30 min降雨強(qiáng)度I30的乘積EI30作為降雨侵蝕力指標(biāo)。

降雨侵蝕力計(jì)算有不同算法[11-12]，根據(jù)川中丘陵區(qū)的侵蝕規(guī)律及降雨特點(diǎn)，采用以下公式計(jì)算降雨侵蝕力[12]：

R=EI30。

(1)

式中：R為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/(hm2·h·a)；E為次降雨總動(dòng)能，MJ·h/a；I30為次降雨最大30 min降雨強(qiáng)度，mm/h。

次降雨總動(dòng)能可通過(guò)下式計(jì)算：

E=eΔV。

(2)

式中：e為單位降雨動(dòng)能，MJ·h/(a·mm)；ΔV為降雨量，mm。

單位降雨動(dòng)能的計(jì)算可通過(guò)以下公式：

E=0.29[1-0.72exp(-0.082i)]。

(3)

式中i為平均降雨強(qiáng)度，mm/h。

2.2 雙累積曲線法

雙累積曲線法是分析水文要素一致性和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)中的簡(jiǎn)單直觀方法[6]，筆者使用降雨量-輸沙模數(shù)和降雨侵蝕力-輸沙模數(shù)雙累積分析，利用累積降雨量與累積輸沙模數(shù)和累積次降雨侵蝕力與累積次輸沙模數(shù)曲線斜率變化來(lái)分析變化趨勢(shì)，通過(guò)斜率的變化來(lái)確定轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并通過(guò)擬合方程計(jì)算下墊面變化的貢獻(xiàn)率。

2.3 分離判別法

文中運(yùn)用分離判別法分析下墊面對(duì)流域輸沙影響[6]，計(jì)算公式如下：

ΔWT=WHR-WB；

(4)

ΔWH=WHR-WHN；

(5)

(6)

式中：ΔWT為輸沙模數(shù)在植被調(diào)整前后的實(shí)際變化量，t/(km2·a)；ΔWH為下墊面對(duì)輸沙的影響量，即評(píng)價(jià)期實(shí)測(cè)值與模擬值之差；WB為基準(zhǔn)期的實(shí)測(cè)值；WHR為評(píng)價(jià)期的實(shí)測(cè)值；WHN為評(píng)價(jià)期的模擬值；ηH為植被建設(shè)對(duì)輸沙變化的貢獻(xiàn)率，%。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨及侵蝕性降雨特征年內(nèi)分析

1986—2016年間，5—9月降雨量最大，占年降雨量的76%。降雨日數(shù)大致呈多峰變化，峰值出現(xiàn)在1、6和9月，年均降雨日數(shù)分別為7.0日、12.2和12.4日。7月的降雨強(qiáng)度在全年間最大，降雨量和降雨日數(shù)的最低值為12月的11.5 mm和4.5日(圖1)。11—翌年3月間的降雨量和降雨時(shí)間(d)與12月的相差不大，此時(shí)間段之間降雨強(qiáng)度較小。降雨時(shí)間較多的月份與降雨量較多月份重合，可知夏季降雨時(shí)間多、雨量多且多暴雨。侵蝕性降雨占全年降雨總量的35.6%，4—11月間都有侵蝕性降雨，但集中在6—8月，呈現(xiàn)單峰變化，占全年侵蝕性降雨的80.9%。降雨量與侵蝕性降雨量都集中于6—8月，在6、7和8月侵蝕性降雨量分別占當(dāng)月降雨量的37.5%、71.8%和54.8%。因根據(jù)大雨和暴雨的降雨特征，在夏季加強(qiáng)水土保持措施[13]。

圖1 降雨量與侵蝕性降雨量及降雨時(shí)間年內(nèi)分布圖Fig.1 Rainfall, erosive rainfall and days of rainfall in a year

圖2 侵蝕性降雨、降雨和輸沙模數(shù)年際變化圖Fig.2 Inter annual variability of erosive rainfall, rainfall and modulus of sediment transport

3.2 降雨量與輸沙模數(shù)的年際變化趨勢(shì)分析

1986—2016年，年均降雨量為932.7 mm，最大降雨量為多年平均降雨量的1.4倍。小流域最大輸沙模數(shù)為多年平均輸沙模數(shù)的3.9倍。由圖2可知，降雨量和輸沙模數(shù)都有明顯下降，但降雨量的下降速率遠(yuǎn)小于輸沙模數(shù)的下降速率。侵蝕性降雨量最大值為1 046.7 mm(2013年)，最小值為1 102.8 mm(1994年)，多年平均侵蝕性降雨量為330.1 mm。2009—2016年間的侵蝕性降雨量明顯大于1986—2007年的侵蝕性降雨量；輸沙模數(shù)在1986—2007年呈明顯下降趨勢(shì)，說(shuō)明下墊面從農(nóng)作物轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)果林增強(qiáng)了該流域水土保持作用。輸沙模數(shù)在2009—2013年有所回升，之后逐漸下降，2009年和2015年相比，侵蝕性降雨量相當(dāng)，但輸沙模數(shù)2015年小于2009年，主要因?yàn)閿R荒初期水土保持工程措施破壞嚴(yán)重，后期林下草本恢復(fù)后侵蝕量降低。

3.3 下墊面與降雨在年輸沙量變化中的貢獻(xiàn)率

根據(jù)植被調(diào)整和雙累積曲線，分為農(nóng)作物種植期(1986—1989)、經(jīng)果林種植期(1990—2008)和擱荒期(2009—2016)。表1通過(guò)分離判別法計(jì)算出植被未變化下的輸沙模數(shù)，但計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大，說(shuō)明3個(gè)時(shí)段內(nèi)的降雨和下墊面均產(chǎn)生變化。分析年降雨量-年輸沙模數(shù)的關(guān)系，在1986—1989年，斜率最陡，產(chǎn)沙嚴(yán)重。因?yàn)樵摃r(shí)段為農(nóng)作物種植期，雖然開(kāi)始采取水土流失治理措施，但由于該區(qū)大多為坡耕旱地，存在不合理的種植方式(如順坡種植)及對(duì)土地的長(zhǎng)期翻耕，加上農(nóng)民對(duì)土地進(jìn)行管護(hù)(如除雜草)，降低地表植被覆蓋，加劇土壤侵蝕量。1990—2008年的斜率明顯減小，因?yàn)樵摃r(shí)段大量種植經(jīng)果林，經(jīng)果林通過(guò)樹(shù)干樹(shù)葉截持降水，根系也能起到固土作用，可增加土壤對(duì)水分吸收，以及對(duì)經(jīng)果林用地的管護(hù)(如蓄水?dāng)r沙措施及梯田埂坎修護(hù))。若以農(nóng)作物種植期為基準(zhǔn)期，經(jīng)果林種植期侵蝕產(chǎn)沙量減少了80.24%，植被變化在減沙方面的貢獻(xiàn)率為78%，降雨在減沙上的貢獻(xiàn)率為22%，說(shuō)明種植經(jīng)果林抑制流域產(chǎn)沙的效果優(yōu)于種植農(nóng)作物。與1990—2008年相比，2009—2016年斜率明顯增加(圖3)，由于，在擱荒期，人工的管護(hù)缺乏，部分梯田埂坎被暴雨沖刷破壞，加上擱荒期降雨量較前期有所增加。在擱荒后期，林下植被明顯增加，能夠有效攔截坡面泥沙輸移。以經(jīng)果林種植期為基準(zhǔn)期，擱荒期的輸沙量增加，侵蝕產(chǎn)沙量增加79.52%，其下墊面變化在增沙量上貢獻(xiàn)率為88%，降雨貢獻(xiàn)率為12%，表明在擱荒期林下植被雖比經(jīng)果林種植期更茂盛，但因缺少人為管護(hù)，暴雨潰壞的梯田未被修護(hù)，造成梯田溝蝕嚴(yán)重，蓄水?dāng)r沙作用下降。通過(guò)比較3個(gè)時(shí)段內(nèi)植被變化，表明增加植被覆蓋能夠有效抑制流域產(chǎn)沙[13]，與宮淵波等[14]研究成果一致。同時(shí)水土保持工程措施在保水保土方面也起到了不可或缺的作用，與符素華等[15]研究結(jié)果相似。

3.4 次降雨侵蝕力與輸沙模數(shù)變化關(guān)系

由圖4～6可知：1986—1989年，雙累積曲線在降雨侵蝕力為456.24 MJ·mm/(hm2·h·a)出現(xiàn)拐點(diǎn)，但轉(zhuǎn)折趨勢(shì)不明顯，該時(shí)間段內(nèi)輸沙模數(shù)與降雨侵蝕力線性擬合關(guān)系較好；1990—2008年，降雨侵蝕力為172.2 MJ·mm/(hm2·h·a)時(shí)是一個(gè)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)之前累積輸沙量隨累積降雨侵蝕力的增大而極速上升，當(dāng)達(dá)到拐點(diǎn)之后，曲線上升速度變緩，并且逐漸趨于穩(wěn)定；在2009—2016年間，雙累積曲線在降雨侵蝕力達(dá)到1 227 MJ·mm/(hm2·h·a)時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后斜率變緩，趨于穩(wěn)定。1990—2008年和2009—2016年內(nèi)雙累積曲線有明顯的拐點(diǎn)，可以解釋2個(gè)時(shí)段的線性擬合關(guān)系較差的原因；但2009—2016年的拐點(diǎn)出現(xiàn)較1990—2008年更遲，因?yàn)?009—2016年初期林下植被少和與梯田埂坎的破壞和降雨增加的影響使該時(shí)段的產(chǎn)沙情況嚴(yán)重。

表1 解家灣小流域侵蝕產(chǎn)沙變化中植被與降雨貢獻(xiàn)率

注：Ⅰ為農(nóng)作物種植期與經(jīng)果林種植期；Ⅱ?yàn)榻?jīng)果林種植期與擱荒期。Notes: This refers that Ⅰ is the crop planting period and the fruit forest planting period. Ⅱ is the fruit forest planting period and desolate period.

圖3 農(nóng)作物種植期、經(jīng)果林種植期和擱荒期累積降雨量與累積輸沙模數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Relationship between accumulated rainfall and cumulated sediment transport modulus during crop planting, fruit forest planting and desolate period

1986—1989年，流域產(chǎn)沙與降雨呈正相關(guān)關(guān)系，小雨時(shí)，流域產(chǎn)沙量少，大雨時(shí)，流域產(chǎn)沙量大。1990—2008年和2009—2016年，小雨時(shí)，隨著降雨侵蝕力的增加，產(chǎn)沙量增大。當(dāng)達(dá)到拐點(diǎn)及雨量加大后，流域的產(chǎn)沙情況與降雨因素和植被覆蓋都有較大關(guān)系。小流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況與降雨具有相同的變化趨勢(shì)，集中于雨季，具有周期性的變化趨勢(shì)[4]，大、暴雨主要集中于夏季，場(chǎng)次雖少，但確是主要降雨量的提供形式[16]。5、6月正好是小雨集中時(shí)期，植被還在發(fā)育中，植被對(duì)流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙抑制作用有限，降雨因素是影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素；7、8月植物發(fā)育完成，正好是大雨和侵蝕性降雨集中的時(shí)間段。植被和降雨都對(duì)流域的產(chǎn)流產(chǎn)沙起作用，植被能夠通過(guò)林冠層和地被層降低降雨的擊濺作用，增加土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的抗沖和抗蝕能力[8]，減少流域產(chǎn)沙與黃明等[2]研究結(jié)果類似。對(duì)1990—2008年和2009—2016年分析說(shuō)明，植被變化對(duì)小流域的保水固土作用明顯；但超過(guò)拐點(diǎn)后，隨著植被覆蓋度的增加，拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的降雨侵蝕力略有增加。1990—2008年，流域大量種植果樹(shù)，經(jīng)果林可以截持降水，減少地表侵蝕作用，但有一定的作用范圍，當(dāng)降雨侵蝕力大于1 000時(shí)，曲線斜率加大，說(shuō)明經(jīng)果林在一定降雨侵蝕力下的保土作用明顯，但超過(guò)界限時(shí)，植被的作用就變?nèi)酢?009—2016年，土地?cái)R荒后，大雨對(duì)梯田埂坎造成破壞及缺少修護(hù)，坡耕地?cái)r沙擋水的能力減弱，由于暴雨沖刷梯田埂坎，盡管本年的年降雨侵蝕力較前年弱，也將造成更嚴(yán)重的產(chǎn)沙。因此，隨著侵蝕時(shí)間變化，在相同降雨侵蝕力下，其產(chǎn)沙情況可能會(huì)更加嚴(yán)重，導(dǎo)致前期累積曲線變化較大；但隨著時(shí)間推移梯田埂坎都已被破壞，加上林下植被叢生，植被蓋度和單位面積生物量明顯增加，對(duì)降雨侵蝕力的抵抗能力加強(qiáng)，曲線在[876,1 339]范圍內(nèi)呈變緩趨勢(shì)，說(shuō)明植被的保土作用仍然較強(qiáng)。

解家灣小流域雖然測(cè)得大量數(shù)據(jù)可為川中丘陵區(qū)的水土流失方式提供依據(jù)，但由于測(cè)量過(guò)程中存在讀數(shù)時(shí)段間隔大、自記水位計(jì)走紙記錄精度較差等原因，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不夠和誤差較大。這些因素增加了結(jié)果的不確定性，需要進(jìn)一步分析。

圖4 1986—1989年次降雨侵蝕力與輸沙模數(shù)關(guān)系及雙累積曲線圖Fig.4 Relationship between rainfall erosivity and modulus of sediment transport and double cumulative plot during 1986-1989

圖5 1990—2008年降雨侵蝕力與輸沙模數(shù)關(guān)系及雙累積曲線圖Fig.5 Relationship between rainfall erosivity and modulus of sediment transport and double cumulative plot during 1990-2008

圖6 2009—2016年降雨侵蝕力與輸沙模數(shù)關(guān)系及雙累積曲線圖Fig.6 Relationship between rainfall erosivity and modulus of sediment transport and double cumulative plot during 2009-2016

4 結(jié)論

在川中丘陵區(qū)，侵蝕性降雨集中于夏季且夏季降雨場(chǎng)次多，在夏季應(yīng)加強(qiáng)水土保持措施，減少土壤侵蝕。3個(gè)時(shí)期對(duì)比分析，植被變化加強(qiáng)能有效固土保水。經(jīng)果林對(duì)小流域保水保土能力大于農(nóng)作物，梯田埂坎的修繕和植被覆蓋度的增加水土保持作用顯著。不同降雨類型下，降雨侵蝕力對(duì)輸沙的影響不同。小雨時(shí)，輸沙量主要受降雨影響；大雨時(shí)，流域輸沙量則主要受植被因素影響，植被具有減少水土流失的作用，但超過(guò)某一降雨侵蝕力的臨界數(shù)值時(shí)，植被對(duì)小流域侵蝕產(chǎn)沙的影響就不再明顯。工程措施和植被覆蓋相結(jié)合能有效減少坡耕地水土流失，田間管理也是不容忽視的影響因素。