李子君, 劉家圓, 王海軍

(1.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 濟(jì)南 250358; 2.山東省水文中心水情部, 濟(jì)南 250014)

坡面尺度是水土流失過(guò)程發(fā)生發(fā)展的基礎(chǔ)地理單元。坡面在降水、地形、植被、土壤、土地利用等因素影響下產(chǎn)流、入滲等水文過(guò)程發(fā)生了一定變化,進(jìn)而導(dǎo)致坡面侵蝕過(guò)程的發(fā)生發(fā)展[1]。深入研究坡面尺度的水文過(guò)程、土壤侵蝕規(guī)律及其影響因素對(duì)區(qū)域水土保持具有重要的理論和實(shí)踐意義。

降水是坡面水土流失過(guò)程最根本的動(dòng)力來(lái)源,是坡面徑流產(chǎn)生和土壤水蝕的先決條件[2],其強(qiáng)度、歷時(shí)、雨量、等級(jí)等直接影響著坡面產(chǎn)流過(guò)程的時(shí)空差異性。坡度、坡長(zhǎng)、植被覆蓋、土地利用等下墊面因素主要通過(guò)影響產(chǎn)流能量、入滲強(qiáng)度以及降水在坡面的再分配,進(jìn)而對(duì)坡面水土流失過(guò)程產(chǎn)生重要影響[3]。由于坡面水土流失過(guò)程的復(fù)雜性以及區(qū)域降水特征和下墊面條件的差異性,不同學(xué)者得到的坡面徑流特征、土壤侵蝕規(guī)律和土壤入滲特征也各不相同[4-5]。

在降水對(duì)坡面水沙過(guò)程影響的研究中,有研究發(fā)現(xiàn)降雨量是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素[6];有的研究則認(rèn)為降雨強(qiáng)度是產(chǎn)流產(chǎn)沙的主控因子[7]。在坡度對(duì)坡面水土流失過(guò)程影響的研究中,有研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流、產(chǎn)沙隨坡度增加呈“增加—穩(wěn)定”趨勢(shì)[8];有研究表明在小雨、中雨強(qiáng)度下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨坡度增大而增大,但當(dāng)坡度超過(guò)20°后,產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨坡度增加而減少,存在臨界坡度[9];還有研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流、產(chǎn)沙隨坡度增加而減少[10]。在坡長(zhǎng)對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程影響的研究中,有研究者認(rèn)為坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙均隨坡長(zhǎng)的增大而增大[11];也有研究表明坡面土壤侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),存在臨界坡長(zhǎng)[12]。在植被覆蓋對(duì)坡面水沙過(guò)程影響的研究中,已有研究表明植被覆蓋度的高低不同程度地影響坡面減水減沙效果。有研究者發(fā)現(xiàn)當(dāng)植被覆蓋度大于60%時(shí),其減水減沙效應(yīng)明顯大于20%和40%植被覆蓋度坡面[13];也有研究表明當(dāng)植被覆蓋度大于50%時(shí),坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化趨于平緩[14]。對(duì)于坡面土壤入滲規(guī)律及其影響因素的研究相對(duì)較少。有研究認(rèn)為降雨強(qiáng)度是影響坡面土壤入滲的主要因素,并且隨著降雨強(qiáng)度增大,坡面土壤入滲率先增后減[15];還有研究表明坡面土壤入滲率隨坡度變化先升后降,隨坡長(zhǎng)變化線性增加[16]。由于受研究方法、區(qū)域差異性等因素的影響,坡面水土流失過(guò)程隨降水和下墊面條件變化而形成的規(guī)律存在較大差異。只有借助多年野外徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù),針對(duì)不同區(qū)域的不同情況進(jìn)行具體分析,才能準(zhǔn)確識(shí)別區(qū)域的坡面水土流失過(guò)程和規(guī)律,為區(qū)域水土流失的有效防治提供科學(xué)依據(jù)。

北方土石山區(qū)是我國(guó)主要的水土流失類型區(qū)之一,水蝕是該區(qū)域的主要侵蝕類型。該區(qū)域地形破碎,溝壑縱橫,坡度大,水土流失嚴(yán)重,是全國(guó)水土保持規(guī)劃國(guó)家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)。目前關(guān)于北方土石山區(qū)降雨和下墊面條件交互作用下坡面水土流失過(guò)程和規(guī)律的研究相對(duì)較少,基于此選取河北省承德市南山徑流場(chǎng)坡面徑流小區(qū)1988—1991年的觀測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法,分析降雨因子(有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí))、降雨等級(jí)和下墊面因子(坡度、坡長(zhǎng)、植被覆蓋)對(duì)坡面水沙過(guò)程(徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)、土壤入滲率)的影響,揭示北方土石山區(qū)坡面水土流失發(fā)生發(fā)展的規(guī)律,以期為山區(qū)坡面土壤侵蝕動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、水土流失防治措施布設(shè)和生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省承德市南山徑流場(chǎng)(117°56′E,41°23′N)海拔高度390～450 m,平均坡度15.2°,屬于低山丘陵區(qū)。氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均日照時(shí)數(shù)2 600 h,年均溫9℃,年均無(wú)霜期160 d,年均降水量400～450 mm,降水主要集中于夏季。土壤類型為褐土,土地利用類型主要包括裸巖、林地(松林、灌木林、經(jīng)濟(jì)林)和草地。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了探討和揭示北方土石山區(qū)坡面水土流失過(guò)程發(fā)生發(fā)展的規(guī)律,河北省承德市水土保持科學(xué)研究所自20世紀(jì)80年代在承德市陸續(xù)布設(shè)了一系列不同條件的徑流觀測(cè)站和徑流試驗(yàn)場(chǎng),并于1981—1995年進(jìn)行了定位觀測(cè)研究,徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、徑流量、侵蝕產(chǎn)沙量等,并被整理匯編成《燕山山區(qū)水土流失規(guī)律研究徑流泥沙測(cè)驗(yàn)資料(1981—1995)》。由于北方土石山區(qū)土層較薄,所布設(shè)的徑流小區(qū)在20世紀(jì)90年代末就因雨水沖刷而毀壞殆盡?；谏鲜稣庂Y料,在對(duì)徑流小區(qū)布設(shè)條件、觀測(cè)內(nèi)容和觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上,選取南山徑流場(chǎng)3組15個(gè)野外人工徑流小區(qū)(表1),利用各徑流小區(qū)1988—1991年相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù),探究不同降水、坡度、坡長(zhǎng)和植被覆蓋條件下坡面水土流失規(guī)律。

表1 南山徑流場(chǎng)徑流小區(qū)基本特征Table 1 Basic characteristics of runoff plots in Nanshan runoff field

1.3 研究指標(biāo)與方法

研究指標(biāo)主要為有效降雨量(mm)、平均降雨強(qiáng)度(mm/h)、降雨歷時(shí)(min)、降雨等級(jí)、徑流深度(mm)、土壤侵蝕模數(shù)(t/km2)和土壤入滲率(mm/min)。利用自記雨量計(jì)和普通雨量桶收集降雨數(shù)據(jù),包括次降雨量、降雨歷時(shí)和降雨強(qiáng)度等。降雨歷時(shí)是由降雨過(guò)程計(jì)算出的凈雨歷時(shí),平均降雨強(qiáng)度利用降雨量和降雨歷時(shí)計(jì)算得出,利用烘干法測(cè)定次降雨侵蝕總量,土壤侵蝕模數(shù)利用侵蝕總量除以小區(qū)面積計(jì)算得到。由于原始資料多為渾水,在整編時(shí)折算為清水深度,泥沙真比重按2.65 t/m3計(jì)算,徑流深度=(徑流泥沙總量—土壤侵蝕總量/2 650)/小區(qū)面積。由于降雨過(guò)程中截留量、蒸發(fā)量和填洼水量相對(duì)較小,可忽略不計(jì),根據(jù)水量平衡方程并參考已有研究成果[17],坡面土壤入滲率可以表示為:

I=(Pcosθ-R)/T

(1)

式中:I表示坡面土壤入滲率(mm/min);P表示降雨量(mm);θ表示坡面的坡度(°);R表示次降雨坡面徑流深度(mm);T表示降雨歷時(shí)(min)。

利用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,利用SPSS 20.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用獨(dú)立T檢驗(yàn)對(duì)不同下墊面條件下產(chǎn)流、產(chǎn)沙和入滲差異進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),利用Pearson相關(guān)分析法對(duì)有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)與坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流場(chǎng)降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

1988—1991年南山徑流場(chǎng)降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征如表2所示。南山徑流場(chǎng)總共降雨188場(chǎng)次,其中有78場(chǎng)降雨產(chǎn)生了地表徑流?？偨涤炅繛? 833.50 mm,其中有效降雨量達(dá)到1 355.36 mm,占總降雨量的73.40%。降雨次數(shù)和有效降雨次數(shù)的最高值均出現(xiàn)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現(xiàn)在6月份,其次是7月和8月。1990年降雨最多,達(dá)到了636.80 mm;1989年降雨最少,僅有324.90 mm。15個(gè)徑流小區(qū)總共產(chǎn)流811次,產(chǎn)流量為265.61 m3;產(chǎn)沙789次,產(chǎn)沙量達(dá)到29 803.13 kg。6月份產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均最高,分別占總產(chǎn)流量的32.45%和總產(chǎn)沙量的41.12%,其次是7月、8月和9月,5月份產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均最少,分別占總產(chǎn)流量的0.12%和總產(chǎn)沙量的0.73%。1990年產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均最高,分別占總產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的39.24%和51.69%,其次是1991年和1988年、1989年產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均最低,分別占總產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量12.18%和19.13%(圖1)。

圖1 1988-1991年南山徑流場(chǎng)產(chǎn)流產(chǎn)沙變化

表2 1988-1991年南山徑流場(chǎng)降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征Table 2 Characteristics of rainfall and runoff and sediment generation in the Nanshan runoff field from 1988 to 1991

2.2 下墊面條件對(duì)坡面土流失過(guò)程的影響

2.2.1 坡度對(duì)坡面水土流失過(guò)程的影響 坡度是影響坡面水土流失過(guò)程的重要因素之一,對(duì)坡面發(fā)育和侵蝕演變過(guò)程起著重要作用。在相同的降雨條件下,坡度的大小在一定程度上決定了徑流沖刷和搬運(yùn)的能力,不同坡度坡面水土流失過(guò)程的差異較大[18]。選取5個(gè)坡度小區(qū)1988—1991年觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差和差異顯著性(圖2)。

注：同一指標(biāo)相同字母表示沒(méi)有顯著性差異(p>0.05),不同字母表示顯著性差異(p<0.05),下同。

由圖2可知,當(dāng)坡度從5°08′分別增大到11°00′,16°20′,20°25′,24°08′時(shí),小區(qū)的平均徑流深度分別為5°08′坡面徑流深度的91.71%,67.88%,78.07%,58.25%,說(shuō)明坡面徑流深度整體隨著坡度的增加而減少。在相同的坡長(zhǎng)和降雨條件下,隨著坡度的增加,坡面受雨面積減少,降雨在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的凈雨量降低,同時(shí)坡面流速增加,徑流在坡面的停留時(shí)間縮短,導(dǎo)致徑流深度隨著坡度的增加而減少。5°08′,11°00′小區(qū)的坡面徑流深度顯著大于24°08′小區(qū),而5°08′和11°00′小區(qū)以及16°20′和20°25′小區(qū)均沒(méi)有顯著性差異。

11°00′,16°20′,20°25′,24°08′坡度徑流小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)分別為5°08′坡度小區(qū)的2.41,3.71,4.16,6.14倍,說(shuō)明坡面土壤侵蝕模數(shù)隨著坡度的增加而增加,坡度越大對(duì)土壤侵蝕的影響越大。這是因?yàn)殡S著坡度的增加,土壤顆粒的穩(wěn)定性下降,徑流在斜坡方向的重力切向分力增大,使坡面流速加快,動(dòng)能增加,挾帶泥沙的能力增大,從而導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)增加。24°08′小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)顯著高于5°08′小區(qū),11°00′,16°20′,20°25′,24°08′小區(qū)間的差異均不顯著。當(dāng)坡度從5°08′分別增大到11°00′,16°20′,20°25′,24°08′時(shí),土壤入滲率分別為5°08′坡面的1.16,1.30,1.30,1.37倍,這是由于坡度增加使降雨對(duì)地表的垂直作用力降低,雨滴對(duì)地表的濺蝕作用減弱,不利于地表結(jié)皮的產(chǎn)生,土壤入滲能力也隨之增強(qiáng)。土壤入滲率在各坡度小區(qū)均沒(méi)有顯著性差異。

2.2.2 坡長(zhǎng)對(duì)坡面水土流失過(guò)程的影響 坡長(zhǎng)是影響坡面徑流、侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程的重要因子,決定著坡面水流能量的沿程變化,主要通過(guò)影響水流挾沙力影響土壤侵蝕、搬運(yùn)和沉積過(guò)程[19]。選取6個(gè)坡長(zhǎng)小區(qū)1988—1991年觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算不同坡長(zhǎng)小區(qū)的徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差和差異顯著性(圖3)。

圖3 不同坡長(zhǎng)徑流小區(qū)的徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率

由圖3可見(jiàn),當(dāng)坡長(zhǎng)由2.18 m增加到4.97,11.00,16.64,22.26,33.19 m時(shí),坡面徑流深度分別為2.18 m坡面徑流深度的64.04%,50.38%,43.67%,43.93%,35.09%,說(shuō)明坡面徑流深度隨坡長(zhǎng)增加而逐漸降低。這是由于隨著坡長(zhǎng)增加,坡面受雨面積也相應(yīng)增加,影響匯水過(guò)程,坡面徑流量也隨之增加,導(dǎo)致坡面徑流動(dòng)能增加,流速加快,水流在坡面的停留時(shí)間減短,徑流深度也隨之減少。2.18 m坡長(zhǎng)小區(qū)的坡面徑流深度顯著大于11.00,16.64,22.26,33.19 m坡長(zhǎng)小區(qū),而11.00,16.64,22.26,33.19 m坡長(zhǎng)小區(qū)的差異均不顯著。

當(dāng)坡長(zhǎng)由2.18 m增加到4.97,11,16.64,22.26,33.19 m時(shí),坡面土壤侵蝕模數(shù)分別增加了4.39,8.19,12.92,18.26,15.80倍,說(shuō)明在2.18～33.19 m坡長(zhǎng)范圍內(nèi)坡面土壤侵蝕模數(shù)隨坡長(zhǎng)增加出現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),坡長(zhǎng)為22.26 m時(shí)坡面土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到最大值,存在臨界坡長(zhǎng)。這是因?yàn)殡S著坡長(zhǎng)增加,坡面徑流流程增加,徑流的不斷匯集會(huì)增強(qiáng)坡面土壤侵蝕能力和水流挾沙能力,導(dǎo)致坡面土壤侵蝕量隨坡長(zhǎng)的增加而增大;而當(dāng)坡長(zhǎng)增加到一定程度時(shí),坡面水流的流路增加會(huì)使得水流流動(dòng)的動(dòng)力減弱,侵蝕阻力增加,挾帶泥沙的能力下降,進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕模數(shù)也隨之下降。22.26 m坡長(zhǎng)小區(qū)的坡面土壤侵蝕模數(shù)顯著高于2.18,4.97 m坡長(zhǎng)小區(qū),而2.18,4.97 m坡長(zhǎng)小區(qū)以及11.00,16.64,33.19 m坡長(zhǎng)小區(qū)間均無(wú)顯著性差異。

坡長(zhǎng)與土壤入滲的關(guān)系比較復(fù)雜,隨坡長(zhǎng)增加土壤入滲率呈現(xiàn)先增后減的變化,坡長(zhǎng)為4.97 m時(shí)坡面的土壤入滲率達(dá)到最大值,存在臨界坡長(zhǎng)。分析認(rèn)為,在2.18～4.97 m坡長(zhǎng)范圍內(nèi),隨著坡長(zhǎng)增加,受雨面積增加,土壤入滲量也隨之增加;當(dāng)坡長(zhǎng)增加到一定長(zhǎng)度時(shí),徑流深度減小,對(duì)地表的垂直作用力減弱[20],土壤水分入滲受阻。土壤入滲率在各坡長(zhǎng)小區(qū)均沒(méi)有顯著性差異。

2.2.3 植被覆蓋對(duì)坡面水土流失過(guò)程的影響 植被類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、分布的差異將形成不同的下墊面條件,進(jìn)而影響坡面降水過(guò)程、下滲過(guò)程、產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程及其動(dòng)力機(jī)制[21]。選取4個(gè)不同植被覆蓋度小區(qū)1988—1991年觀測(cè)數(shù)據(jù),計(jì)算徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差和差異顯著性(圖4)。

圖4 不同植被覆蓋度徑流小區(qū)的徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率

由圖4可見(jiàn),植被覆蓋度由0增加到30%,60%,90%時(shí),坡面徑流深度分別為裸地的32.46%,14.28%,13.67%,表明坡面徑流深度隨植被覆蓋度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì),尤其是植被覆蓋度達(dá)到30%以上時(shí)能夠顯著減少地表徑流。當(dāng)植被覆蓋度較低時(shí),坡面由于缺少植被覆蓋難以對(duì)降雨進(jìn)行攔蓄,大量坡面降雨直接轉(zhuǎn)化為坡面漫流,徑流量和徑流深度也隨之增加;隨著坡面植被覆蓋度的提高,地表的植被能夠有效截留部分降水,從而降低水流流速,提高坡面徑流滲透能力,顯著減少坡面徑流的形成機(jī)率,徑流深度也隨之減小。裸地小區(qū)的坡面徑流深度顯著大于植被覆蓋度為30%的小區(qū),植被覆蓋度為30%小區(qū)的坡面徑流深度顯著大于植被覆蓋度為60%和90%的小區(qū),而植被覆蓋度為60%和90%的小區(qū)無(wú)顯著性差異。

當(dāng)植被覆蓋度由0增加到30%,60%,90%時(shí),坡面土壤侵蝕模數(shù)分別為裸地的10.65%,0.72%,0.39%,可見(jiàn)坡面土壤侵蝕模數(shù)隨植被覆蓋度的增加顯著降低,植被覆蓋可以有效控制土壤侵蝕。當(dāng)坡面處于裸露狀態(tài)時(shí),降雨直接打擊和濺蝕會(huì)使得土壤松動(dòng),坡面徑流會(huì)直接對(duì)坡面進(jìn)行沖刷,加大了土壤侵蝕發(fā)生的機(jī)率;當(dāng)坡面處于較高植被覆蓋狀態(tài)時(shí),植被面積的增加能夠減少雨滴對(duì)坡面的直接打擊,枯落物層和莖干也能提高地表糙度,減小坡面徑流的動(dòng)力和勢(shì)能,顯著減少坡面土壤侵蝕發(fā)生的可能性。裸地小區(qū)的坡面土壤侵蝕模數(shù)顯著高于植被覆蓋度為30%,60%和90%的小區(qū),而植被覆蓋度為30%,60%,90%的小區(qū)無(wú)顯著性差異。

當(dāng)植被覆蓋度由0增加到30%,60%,90%時(shí),坡面土壤入滲率分別為裸地的1.68,1.90,2.13倍,說(shuō)明坡面土壤入滲率隨植被覆蓋度的增加而逐漸增大。這是由于低植被覆蓋的坡面對(duì)降雨的攔蓄作用較小,導(dǎo)致徑流在坡面停留時(shí)間較短,土壤入滲速率較低;當(dāng)植被覆蓋度增加時(shí),植被對(duì)降雨的截留作用以及對(duì)土壤入滲能力的改良作用(改善土壤孔隙度、容重和有機(jī)質(zhì)含量等)顯著增強(qiáng),徑流在坡面的停留時(shí)間延長(zhǎng),坡面土壤入滲速率也相應(yīng)增大。植被覆蓋度為90%和60%小區(qū)的土壤入滲率顯著高于裸地小區(qū),但植被覆蓋度為60%和90%的小區(qū)不具有顯著性差異。

值得注意的是,低植被覆蓋度坡面與高植被覆蓋度坡面徑流深度、土侵蝕模數(shù)和土壤入滲率的差異十分顯著,但隨著植被覆蓋度的增加,坡面徑流深度和土壤侵蝕模數(shù)的變化速率越來(lái)越小并趨于穩(wěn)定。植被覆蓋度由30%增加到90%并沒(méi)有引起土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率的顯著變化,尤其是60%和90%的植被覆蓋度對(duì)坡面水土流失過(guò)程影響的差異不大,說(shuō)明在水土流失治理中存在臨界植被覆蓋度。坡面水土流失過(guò)程受多種因素綜合影響,除降雨影響之外,土壤緊實(shí)度、容重、水穩(wěn)性團(tuán)聚體、水分狀況以及有機(jī)質(zhì)含量等均對(duì)土壤的抗蝕性有重要影響,這些土壤理化性質(zhì)受植被類型特別是植被根系分布特征的影響[22]。上述徑流小區(qū)植被以野草為主,觀測(cè)季節(jié)為夏、秋季節(jié),草被植物根系量大且密集,莖枝葉枯落物和衰老退化的根系腐爛后可有效改善土壤的理化性狀,因此在特定的坡長(zhǎng)、坡度、植被種類等條件配合下,植被覆蓋度達(dá)到30%后,植被的影響作用減小,植被的水沙調(diào)控作用趨于穩(wěn)定,對(duì)坡面產(chǎn)流、入滲和抗侵蝕的能力只有一定輔助作用,蓄水?dāng)r沙效果表現(xiàn)不明顯。因此,一味地增加地表植被覆蓋度并不能特別有效地減少水土流失。

2.3 降雨因子與坡面水土流失過(guò)程的關(guān)系

降雨是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程最根本的動(dòng)力來(lái)源,除直接打擊土壤形成濺蝕外,還形成地表徑流沖刷土壤[23],以一種綜合效應(yīng)影響坡面水土流失過(guò)程。降雨因子包括有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨等級(jí)等均對(duì)坡面水土流失程起著重要影響。

2.3.1 有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)與坡面水土流失的關(guān)系 為了綜合分析有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)對(duì)坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)、土壤入滲率的影響,選取15個(gè)不同下墊面條件的坡面徑流小區(qū)1988—1991年數(shù)據(jù),對(duì)有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)與坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(表3)。由表3可見(jiàn),不同降雨因子對(duì)坡面水土流失過(guò)程的影響各不相同。

表3 坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)、土壤入滲率與降雨歷時(shí)、有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度間的關(guān)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、平均降雨強(qiáng)度均與坡面徑流深度呈顯著正相關(guān),但降雨歷時(shí)與坡面徑流深度的相關(guān)性較差,說(shuō)明坡面徑流深度主要受到有效降雨量和平均降雨強(qiáng)度的影響。降雨是坡面徑流的直接來(lái)源,當(dāng)降雨量超過(guò)土壤的入滲能力就會(huì)形成坡面徑流,隨著降雨量的增大坡面徑流深度也增加。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大,降雨的速度會(huì)隨之增加,單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的徑流深度也會(huì)增加。降雨強(qiáng)度對(duì)徑流深度的影響也體現(xiàn)在雨滴的大小和雨滴所具有的動(dòng)能,雨滴對(duì)坡面的打擊使土壤表層趨于緊實(shí),形成地表結(jié)皮,會(huì)有效降低坡面的粗糙度[24],更易形成坡面徑流。

有效降雨量、平均降雨強(qiáng)度與坡面土壤侵蝕模數(shù)呈顯著正相關(guān),但降雨歷時(shí)與坡面土壤侵蝕模數(shù)呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性較差,說(shuō)明坡面土壤侵蝕模數(shù)更多地受到有效降雨量和平均降雨強(qiáng)度的影響。除雨滴的濺蝕作用外,降雨量的增加導(dǎo)致坡面徑流量的增加從而加大對(duì)坡面的侵蝕沖刷,增加產(chǎn)沙量。降雨強(qiáng)度增大,雨滴對(duì)坡面土壤的濺蝕能力增強(qiáng),破壞土壤結(jié)構(gòu),使土粒分散、破壞和遷移,相應(yīng)的坡面徑流可以攜帶更多的土壤顆粒[25],同時(shí)降雨強(qiáng)度增大會(huì)增加坡面徑流的紊亂性,進(jìn)而增加水流的侵蝕能力,使坡面產(chǎn)沙量增加。

降雨歷時(shí)與土壤入滲率呈顯著負(fù)相關(guān),有效降雨量和平均降雨強(qiáng)度與土壤入滲率皆呈顯著正相關(guān),但有效降雨量與土壤入滲率的相關(guān)系數(shù)較小,說(shuō)明土壤入滲率更多受到降雨歷時(shí)和平均降雨強(qiáng)度的影響。在降雨初期,土壤含水量較少,坡面土壤入滲能力較強(qiáng);隨著降雨的持續(xù),土壤含水量增加,坡面土壤入滲能力下降,同時(shí)受雨滴濺蝕的影響,土壤表層形成較為致密的結(jié)皮層,在一定程度上使得坡面入滲率降低[24]。降雨強(qiáng)度增大會(huì)增加雨滴對(duì)坡面的打擊力,所產(chǎn)生的沖擊力對(duì)土壤入滲有一定促進(jìn)作用[26],同時(shí)降雨強(qiáng)度增大會(huì)增加坡面徑流深度,致使坡面受到的重力增加,坡面土壤入滲率也隨之增加。

2.3.2 降雨等級(jí)與坡面水土流失過(guò)程的關(guān)系 為了分析不同等級(jí)降雨對(duì)坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)、土壤入滲率的影響,根據(jù)國(guó)家氣象局制定的降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際情況,依據(jù)24 h內(nèi)降雨總量大小劃分為小雨(<10.0 mm)、中雨(10.0～25.0 mm)、大雨(25.0～50.0 mm)、暴雨(≥50.0 mm)4個(gè)等級(jí)。由表4可知,15個(gè)徑流小區(qū)的中雨累計(jì)次數(shù)最多(共371次),暴雨累計(jì)次數(shù)最少(共76次)。當(dāng)降雨等級(jí)由小雨增大為中雨、大雨、暴雨時(shí),坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)分別為小雨的2.15,4.70,13.78倍和4.82,16.68,50.61倍,說(shuō)明坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)隨著降雨等級(jí)增大而增加。降雨等級(jí)變大,有效降雨量和降雨強(qiáng)度也增大,坡面徑流量和侵蝕量也隨之增加。

表4 不同降雨等級(jí)下的坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率Table 4 Slope runoff depth, soil erosion modulus and soil infiltration rate under different rainfall levels

土壤入滲率隨著降雨等級(jí)的增大整體上呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)(表4)。當(dāng)降雨等級(jí)為大雨時(shí),坡面土壤入滲率最高為0.34 mm/min;當(dāng)降雨等級(jí)為暴雨時(shí),坡面土壤入滲率下降,這說(shuō)明坡面土壤入滲率存在臨界降雨等級(jí)。這是因?yàn)橐话闱闆r下對(duì)于自然坡面次降雨事件而言,土壤含水量均未達(dá)到飽和狀態(tài),降雨量越大,入滲水量就越大,平均入滲率隨之變大。當(dāng)日降雨量增加,降雨等級(jí)也隨之增加,達(dá)到臨界降雨等級(jí)后,地表也因受到雨滴擊打、濺蝕的影響,在降雨過(guò)程中形成致密的結(jié)皮[24],阻礙水分的入滲,這時(shí)入滲水量變小,平均土壤入滲率變小。

3 結(jié) 論

本研究選取河北省承德市南山徑流場(chǎng)15個(gè)徑流小區(qū)1988—1991年觀測(cè)數(shù)據(jù),探討了降雨和不同下墊面條件下坡面徑流、土壤侵蝕和土壤入滲特征及規(guī)律,得到如下結(jié)論:

(1) 隨著坡度增加,坡面徑流深度逐漸減小,土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率呈逐漸增加的趨勢(shì)。隨著坡長(zhǎng)增加,坡面徑流深度呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì),土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)且存在臨界坡長(zhǎng)。

(2) 隨著植被覆蓋度增加,坡面徑流深度、土壤侵蝕模數(shù)迅速減少,土壤入滲率逐漸增加。植被覆蓋度由30%增加到90%并沒(méi)有引起土壤侵蝕模數(shù)和土壤入滲率的顯著變化,尤其是60%和90%的植被覆蓋度對(duì)坡面水土流失過(guò)程的影響差異不明顯,說(shuō)明在水土流失治理中存在臨界植被覆蓋度。

(3) 北方土石山區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙主要受到有效降雨量和平均降雨強(qiáng)度的影響,土壤入滲率則主要受到平均降雨強(qiáng)度和降雨歷時(shí)的影響。坡面徑流深度和土壤侵蝕模數(shù)隨降雨等級(jí)的增加而增加,而土壤入滲率隨降雨等級(jí)的增加呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì),存在臨界降雨等級(jí)。

由于北方土石山區(qū)不同降雨和下墊面條件下的坡面水土流失過(guò)程存在著一定差異,因此在進(jìn)行水土流失綜合治理時(shí),要根據(jù)土石山區(qū)坡面條件的實(shí)際狀況和水土流失特征,結(jié)合降雨特點(diǎn),有針對(duì)性地進(jìn)行生態(tài)建設(shè)和土壤侵蝕防治。需要注意的是,在坡度對(duì)坡面水土流失過(guò)程影響的探討中發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有存在臨界坡度,這與有的研究并不一致[2],因此對(duì)于北方土石山區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙是否存在坡度臨界值、臨界值大小的問(wèn)題仍需要進(jìn)一步地研究。目前對(duì)不同土地利用、坡度和植被覆蓋條件下坡面滲透性能的研究較多,但對(duì)于不同坡長(zhǎng)坡面土壤入滲性能的研究相對(duì)較少,坡長(zhǎng)對(duì)坡面土壤入滲的影響方式和影響機(jī)制仍需要進(jìn)一步地探討。