水土资源一直是人类赖以生存的宝藏,中国作为世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一,土壤侵蚀是世界上最重要的土地退化过程之一,被认为是对粮食供应、人类健康和陆地生态系统的严重威胁。在全球变化情景下,气候和土地利用方式将对不同区域的坡地产流产沙产生明显影响。

坡耕地是导致我国水土流失主要的原因之一,大量的水土流失使耕地面积逐年减少,保水保肥能力由强变弱,宜耕性愈来愈差[1]。为减少和缓解水土流失,我国大部分地区实施坡改梯工程[2]。早在18世纪,世界一些土壤学家就开始了对土壤侵蚀的研究[3,4]。进入二十世纪后,由于水土流失造成的严重后果,世界一些国家加强了对坡改梯的定量研究,如Liu等[5]研究降雨强度和坡度梯度及其相互作用对盐碱土壤坡面飞溅和陆上水流传输的影响发现,坡度对沉积物流失的影响随着降雨强度的增加而减小,而坡度对平缓坡度的影响大于对陡坡的影响;Jia等[6]研究了在不同降雨强度下,裸露坡面和不同植被类型下的径流和泥沙流失变化发现,灌木草和草地坡地有效减小坡地产流和产沙量;Tarolli[7]研究得出,坡改梯对增加水的渗透,减轻水土流失具有重要意义;刘盼等[8]基于RUSLE模型、李依珊等[9]利用CSLE模型、周夏飞等[10]基于USLE模型对坡改梯土壤侵蚀进行研究发现,相较于坡耕地,梯田措施明显提高土壤含水量和土层贮水量,提高保水效果[11];另外,梯田的地表径流量明显降低,土壤入渗性能改善,土壤抗蚀性增强[12],可以有效地改善水、环境质量,提高土壤抗旱能力以及增加土壤肥力,从而提高作物产量,增加农民收入。

安徽大别山区是我国典型的集山区、库区、多省交界区、水土流失严重区、贫困区于一体的革命老区,严重的水土流失给当地经济社会和生态环境产生了很大危害[13,14]。据《安徽省水土保持监测公报》[15,16],皖西大别山区水土流失面积达7563.98km2,占全区总面积的32.81%以上,成为安徽省水土流失最严重的地区。经初步测算,每年流失的土壤资源达3246万t。目前,我国水土流失研究主要集中在黄土高原、南方丘陵区和岩溶山区等地,针对大别山区的研究,大多是基于岳西水土保持试验站数据开展研究[14,17],且现有研究一般是对坡耕地与坡改梯的水土保持效应进行单独研究与论述,缺少对二者对比分析,而基于多年试验观测数据,在不同雨强条件下不同土地利用方式的水土保持效应研究有待进一步研究。基于此,本文基于霍山县水土保持试验站2016—2017年观测资料,采用数理统计方法计算降雨历时、雨量、平均雨强、最大30min雨强、最大60min雨强等降雨因子的综合得分,以此表征降雨影响,并对不同时间尺度与雨强情况进行分析,得到不同工程措施在不同雨强下的产流产沙一般规律,以期为淮河流域工程设施重点建设的质量和实施效果预测提供理论支撑。

1、材料与方法

1.1试验区概况

霍山县水土保持试验站(115°59′09″—115°59′20″E,31°08′43″—31°09′09″N)建立于1981年,依据安徽省水利厅部署,负责江子河小流域综合观测站相关监测、试验、研究工作,用于提供监测资料和科研成果。其中径流场位于试验站山场内,占地面积5.73hm2,2011年共改建8个试验小区,每个小区面积均是100m2(20m×5m)。其中T4小区(坡改梯)和T5小区(坡耕地),以监测水土流失观测目的,T4和T5小区的坡度为23°,坡向为WS,主要土壤类型为砂壤。

1.2数据观测

径流场监测指标有各类降雨因子、径流量、产沙量、侵蚀模数、下垫面性质及植被覆盖度等。采取自记式雨量进行降雨全时段监测,以5min为间隔进行记录,人工记录降雨起止时间及降雨过程中雨势动态特征,以便进行验证。1000mL广口取样瓶用于降雨后混合水样收集,采用铝盒烘干法测定水样含沙量。土壤水分观测采用TDR法测定,测量深度为6cm,测量时间间隔为15天,分别在试验小区的上、中、下坡各测量3次取平均值。本文采用2016—2017年标准径流小区野外观资料,通过前期对比检查、整理分析后,整体数据较为准确可靠。

1.3数据处理方法

本文中不同雨强与不同工程措施坡地产流产沙关系采用相关系数法,相关系数绝对值越大代表变量之间相关关系密切程度高。变异系数CV表示坡地产流产沙在雨强变异的程度,是不同雨强下坡地产流产沙标准差与均值的比值,其大小反映了不同雨强下坡地产流产沙的稳定性。CV值越大,说明样点产流产沙变化越剧烈;CV值越小,坡地产流产沙越稳定。坡面的产流产沙特征是土壤侵蚀结果的集中反映,本研究主要针对不同雨强下坡耕地和坡改梯对坡面产流产沙的影响进行相关数据分析,以探究坡耕地与坡改梯在不同雨强影响下坡面土壤侵蚀的变化特征。此外本文定义:3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月—翌年2月为冬季。

2、结果与分析

2.1坡改梯和坡耕地产流产沙特征分析

降雨是导致水土流失的主要动力,其与坡改梯、坡耕地产流产沙情况有密切联系。在坡耕地关于作物类型与产流产沙的研究中,降雨量和降雨强度是主要影响因子。由图1a和图1b月平均降水量和降水强度可知,7月I和I30最大,分别为5,25mm/h,8月I60最大,为214mm/h;由图1c可知,坡改梯产流峰值出现在4月,为0.34m3,坡耕地产流峰值出现在7月,为0.38m3;由图1d可知,坡改梯和坡耕地产沙峰期主要在8月,分别为0.25,2.47kg/m3。7—9月坡地产流产沙高于其他月份,表明坡地产流产沙高峰期与雨强高峰期基本吻合,说明在高水平的雨强下土壤侵蚀情况更为严重。在不同雨强和工程措施的影响下,其变化有显著的季节性变化。坡改梯年平均产流总量最高,为9.91mm,是坡改梯产流总量的1.05倍。坡耕地年平均产沙总量也最高,为27.39m3,是坡改梯的6.17倍。在7—8月的强降雨时期,坡改梯的产沙远低于坡耕地。不同土地措施对产沙的抑制效果呈现坡改梯>坡耕地,且坡改梯的效果较为明显。坡改梯在强降雨时期更易造成土壤表层板结,雨滴溅蚀破坏了表层土壤颗粒的结构,形成了不易流失的结皮层,表土结皮能够在一定程度上加剧表面径流,减少坡面产沙,因此造成的产流量最大而产沙量最少[17,18,19]。而自然坡地土壤的疏松程度较高,土壤渗透力强,径流流速下降的同时增加了径流的入渗时间,从而大大降低产流速率,故与坡改梯相比,在强降雨时期不易形成结皮,产沙量最多。

图1降雨量、雨强及产流产沙年内变化

利用霍山县江子河小流域综合观测站提供的逐日产流产沙量与降雨强度I、最大雨强I30、最大雨强I60数据,分析月尺度产流产沙量与I、I30、I60相关系数。从整体上看,坡耕地月平均产流产沙量与I、I30、I60的相关系数整体高于坡改梯。影响地表月平均产流量与产沙量的主要动力是降雨侵蚀力,通过对不同水土工程措施下I、I30以及I60与水土流失相关因子的相关分析(表1)可知,I与坡耕地的产流量相关性(0.63)最高;I30对坡耕地月平均产流、坡改梯月平均产流和产沙影响最显著,相关系数分布是0.75,0.44,0.75;I60对坡耕地月平均产沙影响最显著,对坡改梯产沙影响最显著。不同工程措施对月平均产流产沙影响最大的降雨因子各不相同;I30对坡改梯的月平均产流产沙影响最为明显,I30对坡耕地月平均产流影响最大,而I60对月平均产沙量影响最大。坡耕地产流产沙与I、I30以及I60最强相关均高于坡改梯。

表1雨强与月平均产流、产沙相关性分析

2.2雨强与坡改梯、坡耕地产流产沙季节性变化特征

由图2可知,夏季降水历时最短,占总降水历时的27%,但夏季I、I30和I60都最强,分别为3.54,20.16,60.59mm/h;秋季降水历时最长,占总降水历时的33%;在每年秋季,气象部门与农业部门要注意降水历时和降水量,以免对该区秋收造成影响,减少经济损失。

图2坡改梯和坡耕地不同季节降水历时和雨强关系

由图3可知,春夏两季产流、产沙与I、I30以及I60相关性差异较大,秋冬季r值稳定,为0.1～0.4,且该区春夏季降水丰富,常有暴雨出现,因此,本文主要研究不同雨强对春夏季坡地产流产沙的影响。从图3a、图3d可以看出,I对坡耕地的春季产流产沙影响最明显,且I与春夏两季坡改梯产流产沙的相关性均低于坡耕地,说明在2016年1月至2017年11月春夏两季期间,I对坡改梯的影响低于坡耕地。春季I30对坡耕地产流产沙影响最显著,对坡改梯夏季产流影响最显著;且I30与坡改梯春夏的产流、春的产沙的相关性均低于坡耕地,说明在I30对坡改梯产流产沙影响较小(图3b、图3e)。夏季I60与坡耕地产流产沙影响最显著,坡改梯夏季产流产沙相关性显著;夏秋季I60与坡改梯产流产沙的相关性均高于坡耕地,表明在夏季I60对坡改梯产流产沙影响最大,对坡耕地产流影响较大(图3c、图3f)。综上所述,I60对坡地夏季产流产沙影响最大。从季节尺度来看,春季产流产沙相关系数差值最大的是I30,差值最小是I60,表明I30对坡地春季产流产沙影响差异最大,I60对坡地春季产流产沙影响差异最小,夏季产流r值相差较小,为0.01～0.1;I60对产沙影响差值最大,I对产沙相关系数差值最小。

图3不同雨强对坡地产流产沙相关性分析

2.3雨强与坡改梯、坡耕地产流产沙年尺度变化特征

降雨是坡面产流产沙的来源与动力,降雨通过雨滴降落击溅破坏土壤结构,雨滴的动能与降雨强度有关。由前人[20,21]研究可知,雨强是产流产沙的主要因子,不同坡地的产流量和产沙量随着降雨强度的增加而变化,并且径流产沙峰值与最大雨强有很大的相关性。由图4可知,降雨强度I主要分布在1～3mm/h,最大30min降雨强度I30主要区间为3～30mm/h,且I30为24mm/h时,降雨历时达到最大值;最大60min降雨强度I60为2～30mm/h,且I60为17mm/h时,最大降雨历时达到78h。I60的最大雨强为695mm/h,且降雨历时达到50h。基于图4分析结果,降水主要集中在I为1～3mm/h,占全部降水的84.21%,故分为1≤I≤3mm/h和I>3mm/h开展下一步的研究。

图4不同雨强与降水历时趋势

由图5可知,1≤I≤3mm/h,I为2.1mm/h坡耕地产沙达到最大值;I为2.2mm/h,坡改梯产流产沙和坡耕地产流达到最大值;坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的0.78,7.52倍;I>3mm/h,I为4.2mm/h坡改梯和坡耕地产流产沙均达到最大值,坡耕地产流产沙是坡改梯的2.52,6.40倍;表明随着I的增大,坡改梯与坡耕地产流峰值倍数相差越大,产沙倍数相差减小,且坡改梯产沙峰值始终低于坡耕地。当1≤I≤3mm/h,坡耕地累积产流产沙量是坡改梯的0.80,6.74倍;I>3mm/h时,坡耕地累积产流产沙量是坡改梯的1.62,4.25倍,表明随着I的增大,坡耕地与坡改梯累积产流倍数增大,累积产沙倍数减小,但坡耕地产沙仍显著高于坡改梯(图5a、图5b)。由图5c、图5d可知,随着最大30min降雨强度I30的增大,坡面产流产沙呈先增后减,逐渐稳定的趋势。当I30<30mm/h,当I30达到14.3mm/h时,坡耕地产沙达到峰值;当I30为29mm/h时,坡改梯产流产沙和坡耕地产流达到最大值;坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的2.52,15.74倍。当I30≥30mm/h,当I30为30.4mm/h时,坡改梯和坡耕地产沙均达到最大值;坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的0.78,3.72倍,表明随着I30的增大,坡耕地与坡改梯产流产沙峰值差值逐渐减小。当I30<30mm/h,坡耕地累积产流产沙量是坡改梯的0.98,9.75倍;当I30≥30mm/h时,坡耕地累积产流产沙量是坡改梯的0.90,256倍。表明随着I30的增大,坡耕地与坡改梯累积产流产沙倍数减小,但坡耕地产沙仍显著高于坡改梯。

由图5e、图5f可知,随着60min最大降雨强度的增大,坡面产流产沙呈先增后减再增的趋势。当I60<30mm/h,I60为11mm/h坡耕地产沙达到峰值;I60为26.6mm/h坡改梯产流产沙达到峰值;I60为26.6mm/h,坡耕地产流达到峰值;坡耕地产流产沙峰值分别是坡改梯的2.43,14.60倍。当I60≥30mm/h,I60为129.3mm/h,坡耕地产沙峰值出现;I60为695mm/h,坡改梯产流产沙和坡耕地产流达到峰值;坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的0.78,6.61倍,表明I60时,坡改梯与坡耕地产流产沙峰值倍数逐渐减小,但坡改梯产沙峰值始终低于坡耕地。当I60<30mm/h,坡耕地累积产流产沙量是坡改梯的0.93,4.57倍;I60≥30mm/h时,坡耕地累积产流产沙量是坡改梯的1.09,10.24倍,表明最大雨强I60中,随着I60的增大,坡改梯与坡耕地累积产流产沙量相差倍数越来越大。

根据图4将不同雨强分级(a:1≤I≤3mm/h;b:I>3mm/h;c:I30<30mm/h;d:I30≥30mm/h;e:I60<30mm/h;f:I60≥30mm/h),分析不同雨强等级下坡耕地和坡改梯的产流产沙变化(图6)。变异系数(CV)可用于反映样本间的总变异程度。CV值的大小反映了坡地产流产沙的稳定性。其值越大,说明该处产流产沙变化越频繁;反之则越稳定。由图6可知,不同雨强下坡改梯、坡耕地产流产沙变化均为强变异,CV值均在1.20以上;且只有在I60≥30mm/h时,坡耕地产流产沙CV值低于坡改梯,其余时段雨强均高于坡改梯,表明不同雨强下坡耕地产流产沙变化较大,不稳定;且最大雨强I60越大时,坡改梯产沙变化越大。由图6(b)知,坡地产沙CV值大小比较为:(1≤I≤3mm/h)>(I>3mm/h),(I30<30mm/h)>(I30≥30mm/h),坡耕地(I60<30mm/h)>坡耕地(I60≥30mm/h),表明随着雨强的增大,坡地产沙逐渐稳定。原因可能在于:降雨初期,地表土层比较松散,耐蚀性较差,易受雨滴击溅和径流冲刷,表现为降雨初期径流含沙量迅速增加;随着降雨过程的进行,原地表松散土壤颗粒的减少在一定程度上使土壤颗粒随径流流失的速度逐渐减缓。此外,雨滴溅蚀破坏了表层土壤颗粒的结构,形成了不易流失的结皮层,表土结皮能够在一定程度上减少坡面产沙,使坡面土壤侵蚀强度明显减小,同时降雨后期,坡面产流及产沙逐步趋于稳定。综上所述,随着雨强的增大,形成结皮的时间越短,且坡改梯工程在一定程度上阻碍了水域流失,从而使上壤结皮时间延长。

图5不同降雨强度下产流产沙变化

图6不同雨强下坡地产流产沙动态变化

注:一般认为,CV<0.1为弱变异,CV在0.1～1.0为中等变异,CV>1.0为强变异。

为了进一步分析各降水因子对坡改梯和坡耕地产流产沙影响,选取2016—2017年典型降雨的降雨历时、降雨量等6个降雨因子,构建对应每场降雨产流量、产沙量相关性分析,从表2可知,产流产沙量与最大雨强I30、最大雨强I60、降雨侵蚀力均在95%置信度水平呈现显著正相关,且产流量与降雨因子的相关系数整体高于产沙量。而降雨历时、降雨量及平均雨强与产流产沙未通过置信度检验。通过对不同作物类型下降雨因子与水土流失相关因子的相关分析可以看出,影响地表产流量与产沙量的主要因子是最大雨强I60和降雨侵蚀力,相关系数均达到0.6以上的显著相关。其中就最大雨强I60而言,对坡耕地产流产沙影响最明显,相关系数达0.691和0.636,呈极显著相关。

表2降雨因子与产流产沙的相关性分析

3、结论

(1)7月坡改梯和坡耕地产流较大,分别为0.31,0.38m3;7—8月坡改梯和坡耕地产沙最大,分别为0.18,0.25,2.02,2.47kg/m3;7月I和I30最大,分别为5,25mm/h,8月I60最大,为214mm/h,表明坡地产流产沙高峰期与雨强高峰期基本吻合。

(2)春夏两季产流、产沙量与I、I30和I60相关性显著(超过95%置信度检验)。其中坡耕地产流产沙量与I、I30、I60的相关系数整体高于坡改梯。春夏两季占全年降水的64%,是该区域降水的集中时期,且春夏季坡耕地产沙量分别是坡改梯的3.91,7.85倍;相比较坡耕地,坡改梯对该区春夏季有效减少产沙具有重要作用。

(3)降雨主要集中在I为1～3mm/h,I30为3～29mm/h,I60为2～27mm/h,且坡地产流产沙量与最大雨强I30、最大雨强I60在95%置信度水平呈现显著正相关。当I30达到29mm/h、I60达到26.6mm/h时,坡地产流产沙达到最大,坡耕地产流产沙峰值是坡改梯的2.43,7.52倍以上,并且坡耕地全年产流产沙变异系数总体高于坡改梯,故坡改梯工程在一定程度上防治了水土流失,从而使产流产沙变化减小。

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基金:国家重点研发计划项目“不同温升情景下区域气象灾害风险评估”(2019YFA0606900)国家自然科学基金项目(41601023,41771536);安徽省自然科学基金项目(1808085QD117).