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霍山县大官山不同土地利用方式对坡面产沙的影响

时间:2014-12-24 来源:未知 作者:学术堂 本文字数:5092字
论文摘要


  气候因素是影响土壤侵蚀的主要外营力,一般来说,年降水总量大,侵蚀总能量也大,土壤侵蚀因而增强,但是年降雨量的区域分布和降雨量年内分配及降雨强度,对侵蚀往往起主导作用[1]。近年来,我国学者针对降雨强度与土壤流失量的关系进行了相关研究[2 -5],李健[4]、王万忠[5]等提出,在黄土高原 E* I 是表征降雨侵蚀力较好的指标。土地利用方式通过改变地面组成物质、植被及耕作方式从而影响了坡面的产流产沙过程,其中地面组成物质是影响土壤侵蚀的内部原因,植被覆盖则是控制和加速土壤最敏感的因素[6]。赵护兵[7]等研究提出,不同土地利用方式对水土流失的影响存在显着差异。

  安徽省地处江淮流域,地貌以平原、丘陵和低山为主,平原与丘陵、低山相间排列,地形地貌呈现多样性,水土流失较其他省份严重,因此多年来安徽省非常重视水土保持工作的开展。近年来经济的飞速发展,毁林开荒种植经济林或果园以及各种生产建设项目的数量越来越多,这些人为干扰造成安徽丘陵山区水土流失严重。为深入研究各种降雨强度、不同土地利用方式与土壤流失量之间的关系,文中选定了安徽省水土流失重点治理区霍山县大官山为主要研究区域,利用天然降雨和径流泥沙观测资料,探讨影响该县水土流失的主要影响因素,揭示霍山县水土流失规律,为确定该地区适宜的水土保持措施,有效控制霍山县水土流失提供理论依据和技术支撑。

  1 研究区概况

  霍山县位于皖西大别山区,多为山区和低山丘陵区,地势由西南向东北逐渐倾斜,东、南、西三方山峦重叠,北部为丘陵,较为平坦,属安徽省水土流失重点治理区,水土流失较为严重,对当地和下游造成严重危害的区域。本区以林为主,林业用地面积大,森林覆盖率高。其主要问题是由于该区地少人多,毁林开荒,乱砍滥伐,造成严重的水土流失和森林资源的过度利用,林地生产力不高,局部地区山地已出现荒漠化。

  大官山位于霍山县中部,属低山丘陵区。试验小区位于霍山县佛子岭水库上游汪家冲水土保持试验站大官山东侧的荒坡坡面上,地理坐标为北纬 31°20'47. 83″、东经 116°19'58. 12″,地面坡度为 8°。土壤类型为花岗片麻岩发育的砂壤土,土层厚度约 35cm,砾石含量高、颗粒粗、粘性极差,有机质含量低,属于安徽省西部丘陵山区原生地貌的典型代表。该区多年平均降雨量为 1391mm,夏季雨水集中( 夏季梅雨天明显) ,降雨强度大,极易产生水土流失。文中主要研究分析1988 ~1997 年及2001 ~2010 年连续20 年6 ~9月份径流实验小区的侵蚀产沙数据。

  2 材料与方法

  2. 1 实验设计与处理

  试验区根据本地的地质、地貌、气候、植被、土壤及地形条件,在坡度为 8°的大官山东侧荒坡上设置径流区,该径流区坡向为东北方向,六个小区平行排列在同一坡面上,依次为乔木用材林、经济林、牧草、顺坡耕作、标准休闲小区及石埂梯田耕作区。为防止外来水进入,小区四周设有楔形保护墙,保护墙地上部分高 25cm,地下部分埋深 30cm。小区下部布设集流槽,沉沙池,集水池,并且互相连通。在集流槽出口,集水池入口分别装有二分之一和五分之一的分流梯形堰,以分去部分径流量,减少集水池的设计容积。

  集水池一端设有排水管,便于雨后排水。对六种不同土地利用方式径流小区的降雨、径流泥沙、植被覆盖度等指标进行长达 20 年的测定。

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  2. 2 指标的观测

  ( 1) 降雨观测。设置自记雨量计和普通雨量筒各一台,观测降雨量、降雨强度、降雨过程。自记雨量计必须每日早晨 8 点准时对钟,雨后及时更换自记记录纸。

  ( 2) 泥沙量观测。每次降雨径流结束后,采用体积法测定每个小区的径流量和泥沙量。每次径流取 2- 3 个 1000cm³的水样,经混合均匀后,再保留一个水样,经沉淀、过滤、烘干、称重得到悬移质泥沙量; 推移质泥沙量采取一次径流一次清理,烘干称其重量,得到推移质泥沙量。悬移质泥沙量与推移质泥沙量之和就是每次降雨径流的泥沙流失量。

  ( 3) 土壤性状。对径流实验小区的表层土壤进行采样,采样位置位于以小区中心为原点半径为 3m 并在小区之外的区域,多点采样后混匀,以供实验室分析。土壤理化性质( 土壤质地、容重、机械组成、有机质含量、团粒结构和渗透性等) 按照标准法[8]进行测定。

  2. 3 数据处理与分析

  所有数据均在 EXCEL2007 和 SPSS20. 0 统计软件中处理与分析。最小显着性差异法( LSD)[9 -11]用于不同土地利用方式试验观测数据差异的多重比较,显着水平设置为 0. 05。

  3 结果与分析

  3. 1 霍山县大官山降雨量特征分析

  由图 1 可知,1988 -1997 年及 2001 -2010 年二十年间的六月份到九月份共记录了 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 9258. 7mm。根据实验观测,其中仅有5 次小雨未产生降雨地表径流,占抽样次数的 2. 3% 。
论文摘要
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  实验观测过程显示不同土地利用方式下,同样的次降雨量,最快形成径流的是顺坡耕作小区,然后依次是标准小区、经济林区、乔木小区、牧草区,石埂梯田表面径流量最小,甚至没有地表径流形成。

  3. 2 不同土地利用方式对坡面产沙的影响

  3. 2. 1 不同土地利用方式年度产沙量变化

  由图 2 可以看出,六个小区年度侵蚀产沙量变化趋势与年降雨量基本保持一致,均随年度降雨量的增大而增大,随年度降雨量的减小而减小。1989 年和 1991 年出现了异常值。

  3. 2. 2 不同土地利用方式年度产沙量差异性分析

  1988 年 - 2010 年不同土地利用方式下不同小区的年度泥沙流失量( 表 2) ,根据表中的数据,采用SPSS20. 0 统计软件,对不同土地利用方式的年度侵蚀产沙量的观测值进行单因素方差分析。从分析结果可以看出,方差同质性 F 检验值为21. 150,同时显着性水平 sig. 为0. 000( 接近0) ,说明不同土地利用方式具有极显着性差异。

  图 3 为不同土地利用方式下的六个小区的年均土壤侵蚀产沙量分布图,不同土地利用方式下的年度侵蚀产沙量均值大小顺序为顺坡耕作区 > 标准小区 > 经济林区 > 牧草区 > 乔木用材林区 > 梯田区。结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,顺坡耕作不仅没有阻止土壤流失,反而造成土壤流失量加大。

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  通过 LSD 检验法比较,结果显示 LSD 的 F 检验值为 75. 624,组间方差为 602333681. 9,组内方差为181597369. 4,说明组间方差明显大于组内方差,此外显着性水平 Sig. 值为 0. 000( 接近 0) ,说明不同土地利用方式之间具有极显着性差异。但是通过 LSD 多重比较中,并没有显示乔木用材林、经济林、牧草及梯田小区具有明显差异性,说明该四个小区对土壤保持的作用基本一致,在该实验观察中土壤保持效果差异不明显。

  3. 3 坡面土壤侵蚀产沙量的影响因素分析

  为了能够找出本实验小区土壤产沙量与降雨强度、降雨动能之间的相关关系,以 20 年来 6 - 9 月份214 次( 已去除非可蚀性降雨) 降雨量、降雨强度、降雨动能、土壤产沙量数据为依据,通过参考文献,筛选出降雨特征因子中可能造成土壤侵蚀的影响因子。过程如下:

  对标准小区次土壤流失量与 I10,I30,I60,E10,E30,E606 个单因子进行 Pearson 相关性分析,确定相关系数,并拟合直线与幂函数曲线两种形式,进行回归分析,确定判定系数( 表 3) 。

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  对标准小区次土壤流失量与 I10∑E,I30∑E,I60∑E,I10E10,I30E10,I60E10,I10E30,I30E30,I60E30,I10E60,I30E60,I60E6012 个复合因子进行 Pearson 相关性分析,确定相关系数,并拟合直线与幂函数曲线两种形式,进行回归分析,确定判定系数( 表 4) 。

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  通过表 3 和表 4 可以看出,各种组合中幂函数相关系数及其判定系数均大于直线相关系数及其判定系数,且 I30∑E 组合曲线相关系数最大,相关系数为0. 871,达到高相关,且判定系数为0. 944,说明其拟合度较高,而且单因子 I30与土壤流失量的相关关系为 0. 567,达到了显着相关,幂函数方程拟合度为 0. 607,是 I10、I30、I60中最高的。所以确定本实验小区在土壤结构、坡面坡度和坡长、植被覆盖度以及水土保持措施不变的情况下,土壤侵蚀产沙量与 I30*∑E 之间呈现密切相关关系,即确定 I30*∑E 为降雨侵蚀力因子。

  3. 4 降雨侵蚀力对土壤侵蚀量的定量作用

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  同一土地利用方式下,土壤侵蚀产沙量与降雨侵蚀力( I30*∑E) 之间存在一定的相关性,为了得出不同土地利用方式的小区土壤侵蚀产沙量与降雨侵蚀力之间的规律,运用数理统计回归方法进行分析( 表5) 。从表 5 可以看出,不同小区 R2值均接近 1,说明回归方程的拟合优度非常高。并且不同小区均通过回归方程显着性检验。结果表明,不同土地利用方式下的次土壤侵蚀产沙量与次降雨侵蚀力均表现为幂函数相关关系。

  4 讨论

  不同土地利用方式的侵蚀产沙量变化趋势与年降雨量基本保持一致,均随年降雨量的增大而增大。梯田小区变化趋势不明显,说明石埂梯田的水土保持能力已经超越了降雨的影响力。1989 和 1991 年出现了异常值。出现异常值的原因可能是刚刚建立小区,实验经验不足,造成实验出现人为误差。

  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,而顺坡耕作土壤流失强度最大; 6种不同土地利用方式的年均泥沙流失量的差异性与土壤的植被措施和耕作方式以及植被覆盖度密切相关。梯田小区不仅有石埂梯田对土壤进行层层拦蓄,还有花生作物根系对土壤颗粒进行固定,所以年均泥沙流失量明显降低; 乔木小区、经济林小区和牧草小区的植物根系对土壤结构进行固定,提高了土壤的抗冲能力,明显降低了土壤流失量,但是因为小区的黑松、茶叶和牧草的植被覆盖度有差异,特别是黑松的覆盖度比较低,而且黑松是幼株,所以造成三个小区之间的土壤流失量差异并不显着; 顺坡耕作区沿坡向种植红薯,不仅破坏了土壤的结构稳定性,还使水流顺着小沟带走了大量的泥沙,所以较标准小区而言,反而加大了土壤流失。各土地利用方式下,产流和产沙没有呈现完全对应关系,这与李广[12]等研究的结果相似。因此,在进行水土流失治理时,要根据各土地利用方式的水土流失特征,有针对性的防治泥沙流失。

  拟合筛选降雨强度和降雨动能与次土壤侵蚀产沙量之间的相关关系,发现次土壤侵蚀量与次降雨中30 分钟最大降雨强度和次降雨总动能的乘积有密切相关关系,将其定义为降雨侵蚀力。在不同土地利用方式下,拟合次土壤侵蚀产沙量降雨侵蚀力的相关关系,不同小区的土壤侵蚀量观测值均与降雨侵蚀力表现为幂函数关系,相关系数较强,且达到极显着性水平。从回归方程的参数可以看出土壤流失侵蚀产沙量随着降雨侵蚀力的增大而增大。

  5 结论

  ( 1) 不同土地利用方式的侵蚀产沙量变化趋势与年降雨量基本保持一致,均随年降雨量的增大而增大。

  ( 2) 不同土地利用方式对坡面侵蚀产沙量的影响依次是顺坡耕作区 > 标准小区 > 经济林区 > 牧草区> 乔木用材林区 > 梯田小区。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,而顺坡耕作土壤流失强度最大。6 种不同土地利用方式的年均泥沙流失量的差异性与土壤的植被措施和耕作方式以及植被覆盖度密切相关。

  ( 3) 不同小区的土壤侵蚀量观测值均与降雨侵蚀力表现为幂函数关系,相关系数较强,且达到极显着性水平。

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