东北低山丘陵区坡耕地水土流失特征分析

张 展1，隋媛媛2，3，常远远1

（1.黄河水文水资源科学研究院，河南郑州450004；2.吉林省水利科学研究院，吉林长春130022；3.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，吉林长春130102）

摘 要：以东北低山丘陵区典型小流域坡面为研究对象，采用标准径流小区定位监测方法，对不同坡耕地水土流失特征及其主要影响因素进行分析。结果表明：①2013年和2014年分别发生14次和7次侵蚀性降水，在单场次降水中，坡度越大，产生的径流量和泥沙量越大；②研究区坡耕地水土流失具有时空变异性，2013年水土流失总量高于枯水年2014年的，6月和7月水土流失量最大，8月和9月相对较小，年内逐月分布情况保持一致；③地形和降水是不可忽视的影响因素，水土流失量总体上随着坡度、降水量和降水强度的增大而增大，且降水强度与水土流失量的相关性更为显著。

关键词：坡耕地；水土流失；降水强度；低山丘陵区；东北地区

Abstract： The study was conducted in a typical small watershed slope in the hilly area of Northeast China.Using plot experiment and field monitoring， characteristics of soil and water erosion and the main influencing factors on slope land with different gradients were studied.The results show that a）there are 14 and 7 events of erosive rainfalls in 2013 and 2014， as the slope increases， runoff and sediment yield increase during single⁃event rainfall； b）there is an obvious spatial⁃temporal variability in soil and water erosion on slope land in the study area.The a⁃mount of soil and water loss in 2013 was higher than that of 2014.Especially， soil and water loss is the largest in June and July comparing with other months， and the monthly distribution of consistent years and； 3）the factors of topographic and rainfall have great effects on soil loss.Water and soil loss generally increase with the increase of slope gradient， precipitation and rainfall intensity increase.However， the a⁃mount of soil and water loss is more correlated to the rainfall intensity.

Key words： slop land； soil and water erosion； precipitation intensity； hilly area； Northeast China region

影响水土流失的自然因素主要有气候、地形、土壤、植被4个方面，有关坡耕地水土流失及治理问题，国内外学者做了大量研究［1－9］。 杨建霞等［10］用灰色关联系数法确定了各因子对坡耕地水土流失的影响，王卫东等［11］提出了丘陵区土地适宜性评价指标体系，袁雪红等［12］运用主成分分析法综合分析护坡特性。针对东北低山丘陵区坡耕地水土流失量与降水特征的相关分析研究较少的现状，本文对东北低山丘陵区坡耕地水土流失特征及其影响因素进行探讨，以期为因地制宜推广应用水土流失防治新技术提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东北低山丘陵区地处东北腹地，跨吉林、黑龙江两省，水土流失严重［13］。区内陆形复杂，坡耕地是水土流失发生的主要策源地，耕地土壤中大量营养物质随径流流失，加剧了区域土地退化、农业面源污染、河流湖库水质污染和富营养化［14－17］。研究区位于吉林省东辽县安石镇杏木小流域，地处长白山余脉，属于典型的东北低山丘陵地貌区，地理坐标为东经125°22′40″—125°26′10″、北纬 42°58′05″—43°01′40″，流域内陆面坡度为5°～15°，山体多为浑圆状的“馒头山”，坡面土壤侵蚀严重。研究区属于寒温带半湿润大陆性季风气候区，多年平均气温5.2℃，有效积温2 700～2 800℃，最高气温38℃，最低气温－40℃；无霜期平均为137 d，年平均日照时数为2 497.9 h；多年平均降水量658.1 mm，降水量时空分布不均，主要集中在7—9月。土壤以暗棕壤和草甸土为主，主要种植作物为玉米和大豆，植被类型包括天然次生林、人工林和草本植物等。

1.2 试验设计

分别在坡度为5°和8°的坡耕地上修建标准径流小区，各设置3个重复，规格均为20 m×5 m。小区四周采用彩色钢板围护，埋入土层深度为20 cm，小区内径流收集槽前布设有铁丝网，防止秸秆等大体积杂物堵塞集水槽口。在小区内种植玉米（品种为吉东54号），采用传统顺垄种植方式，行间距为65 cm，株间距为30 cm。

1.3 观测与分析

在各标准径流小区的底部，安装HL－1型径流泥沙自动监测系统（吉林省水土保持科学研究院研制），该系统通过重力传感器和液位传感器能够实时、快速、准确地测量径流量和泥沙量。2013—2014年汛期（6—9月），通过径流泥沙自动监测系统记录各场次降水径流量、泥沙量。研究区内安装的自动气象观测站（DL－16型），能够获取年内降水量、降水强度等气象数据。

2 结果与分析

2.1 单次降水水土流失量

2013年降水量为400.1 mm，降水产流量和产沙量见表1。在14次侵蚀性降水中，5°坡耕地产流量为1.58～17.98 mm，产沙量 1～1 299 kg／hm2。 其中：单次降水产流量小于5 mm的共计6次，径流量大于5 mm的共计8次；产沙量小于 500 kg／hm2的共计11次，大于500 kg／hm2的共计3次。8°坡耕地的产流量和产沙量分别为 1.60～19.27 mm 和 2～1 547 kg／hm2，均大于5°坡耕地的。其中单次降水产流量小于5 mm的共计6次，大于5 mm的共计8次；产沙量小于 500 kg／hm2的共计11次，大于500 kg／hm2的共计3次。

2014年降水量为178.5 mm，降水产流量和产沙量见表2。2014年仅发生7次侵蚀性降水，5°和8°坡耕地水土流失量均较小，产流量分别为1.29～10.62 mm和 2.29～14.14 mm，产沙量分别为 2～ 250 kg／hm2和32～333 kg／hm2。通过以上分析可知，在单场次侵蚀性降水中，坡度越大，越容易发生水土流失，产生的径流量和泥沙量越大；在年内不同场次侵蚀性降水中，坡耕地水土流失量具有较大差异，降水是坡耕地水土流失的重要影响因素。

表1 2013年降水产流量及产沙量

5°8°序号 日期 产流量／ 产沙量／ 产流量／ 产沙量／mm（kg·hm－2）mm（kg·hm－2）1 2013－05－19 7.69 202 8.37 253 2 2013－06－17 2.42 103 3.92 194 3 2013－06－19 17.98 1 299 19.27 1 547 4 2013－06－20 2.10 52 3.88 163 5 2013－06－26 1.58 1 1.60 2 6 2013－06－27 4.02 633 4.32 733 7 2013－07－02 12.55 857 13.62 1 039 8 2013－07－13 2.44 82 2.62 101 9 2013－07－15 6.15 201 6.58 261 10 2013－07－19 5.82 123 9.03 332 11 2013－07－28 7.04 202 9.53 288 12 2013－08－16 5.53 30 8.86 237 13 2013－08－28 7.37 203 9.83 258 14 2013－09－23 1.74 17 1.80 19合计 84.43 4 005 103.23 5 427

表2 2014年降水产流量及产沙量

5°8°序号 日期 产流量／ 产沙量／ 产流量／ 产沙量／mm（kg·hm－2）mm（kg·hm－2）1 2014－06－08 7.51 206 8.92 246 2 2014－06－26 8.57 250 9.07 270 3 2014－07－08 1.29 2 2.29 32 4 2014－07－17 9.14 154 10.74 204 5 2014－07－21 9.69 181 11.69 311 6 2014－08－25 7.81 216 6.21 236 7 2014－09－08 10.62 163 14.14 333合计 54.63 1 172 63.06 1 632

2.2 不同月份水土流失量

2013年和2014年5—9月水土流失量分别见图1和图2，可以看出，不同月份的产流量和产沙量存在明显差异。由图1可知，2013年坡度为5°的坡耕地5—9月产流量分别为 7.69、28.10、34.00、12.90、1.74 mm，产沙量分别为 202、2 089、1 465、233、17 kg／hm2。 不同月份产流量大小顺序为 Q7月＞Q6月＞Q8月＞Q5月＞Q9月，产沙量大小顺序为 S6月＞S7月＞S8月＞S5月＞S9月。 坡度为 8°的坡耕地5—9月产流量、产沙量大小顺序与坡度为5°的坡耕地一致，且6月和7月水土流失量较为接近。

由图2可知，2014年坡度为5°的坡耕地不同月份产流量大小顺序为 Q7月＞Q6月＞Q9月＞Q8月，产沙量大小顺序为 S6月＞S7月＞S8月＞S9月。 而坡度为 8°的坡耕地不同月份径流量、泥沙量大小顺序均表现为7月＞6月＞9月＞8月。

通过以上分析可知，2013年水土流失量在6月和7月相对较大，2014年8月的产流量和产沙量最小，这可能与研究区降水时空分布不均匀有关。对比不同坡度坡耕地水土流失量可以发现：坡度越大，产流量和产沙量越大，但是不同坡度的水土流失量逐月分布情况保持一致。

图1 2013年5—9月产流产沙量

图2 2014年5—9月产流产沙量

2.3 年水土流失量

不同坡度坡耕地产流产沙量见图3。可以看出，2013年坡耕地水土流失量大于2014年的，坡度越大坡耕地水土流失量越大。2013年坡度为5°和8°的坡耕地产流量分别为 84.43、103.23 mm，产沙量分别为4 005、5 427 kg／hm2；2014 年坡度为 5°和 8°的坡耕地产流量分别为 54.63、63.06 mm，产沙量分别为 1 172、1 632 kg／hm2。 与2013 年相比，2014 年坡度为5°的坡耕地产流量、产沙量分别减小了35.28%和70.74%，坡度为8°的坡耕地产流量、产沙量分别减小了38.92%和69.93%。主要原因一方面是2013年降水量和降水强度均大于2014年的，另一方面是2013年侵蚀性降水次数多于2014年的，加剧了土壤理化性质及结构的破坏，降低了土壤自身持水保水能力及抗蚀性，因此2013年更容易发生水土流失。

图3 不同坡度坡耕地产流产沙量

2.4 水土流失量与降水特征相关性分析

2.4.1 水土流失量与降水量相关性分析

2013年和2014年侵蚀性降水产生的水土流失量与降水量相关性见图4。可以看出，不同坡度坡耕地产流量与产沙量总体上均随降水量的增大而增大。2013年坡度为5°和8°的坡耕地产流量与降水量均符合线性相关关系（见表3），达到显著水平（相关系数r＝0.62， 显著性水平 α ＝ 0.019） 和极显著水平（r＝0.68，α＝0.007）。 而不同坡度坡耕地产沙量与降水量相关性不显著（α＞0.05）。 2013年，降水量小于 20 mm时的坡耕地产流量和产沙量均较小，分别为1.58～3.92 mm 和 1～332 kg／hm2；降水量大于 20 mm 时的产流量和产沙量均较大，分别为1.74～19.27 mm和17～1547 kg／hm2。

图4 水土流失量与降水量的关系

表3 水土流失量与降水量拟合方程

注：R2为拟合优度或判定系数

年份 坡度 产流量拟合公式 R2产沙量拟合公式 R22013 5° y＝ 0.148x＋1.798 0.33 y＝0.016x1.371 0.43 8° y＝ 0.177x＋2.324 0.42 y＝ 0.02x1.468 0.56 2014 5° y＝ 0.235x＋1.821 0.42 y＝0.001x2.199 0.67 8° y＝ 0.274x＋2.025 0.42 y＝ 0.065x＋2.678 0.42

2014年坡度为5°和8°的坡耕地产流量与降水量同样表现出线性相关关系，达到极显著（r＝0.88，α＝0.008）和显著水平（r＝0.82，α＝ 0.024）。 5°坡耕地产沙量与降水量相关关系不显著（α＞0.05），而 8°坡耕地产沙量与降水量表现为显著的线性相关关系（r＝0.76，α＝0.049）。

2.4.2 水土流失量与降水强度相关性分析

降水强度与水土流失量关系见图5，不同坡度坡耕地的产流量和产沙量总体上均表现为随降水强度的增大而增大。2013年坡度为5°和8°的坡耕地产流量、产沙量与降水强度均表现为显著的正相关关系（见表4），其中5°坡耕地的分别达到极显著水平（r＝0.72，α＝0.004）和显著水平（r＝ 0.63，α＝ 0.016），8°坡耕地的达到极显著水平（r＝0.68， α ＝0.008）和显著水平（r＝0.618， α＝0.02）。 平均雨强为 3～6 mm／h 的 6 个场次降水量均较小（为 7.03～23.00 mm），明显小于降水强度为1.23～2.40 mm／h 的 4 个场次降水量（为30.05～62.14 mm），说明当降水强度较小且次降水强度差异不大时，降水量是影响坡耕地水土流失不可忽视的因素。

表4 水土流失量与降水强度拟合方程

年份 坡度产流量拟合公式 R2产沙量拟合公式 R22013 5° y＝ 0.184x＋1.605 0.47 y＝ 0.862x－0.36 0.35 8° y＝ 1.21x＋2.85 0.42 y＝0.954x＋0.312 0.32 2014 5° y＝ 0.901x＋1.905 0.52 y＝ 0.056x0.195 0.59 8° y＝ 1.342x＋2.074 0.77 y＝ 0.447x0.992 0.69

图5 降水强度与水土流失量的关系

2014年坡度为5°和8°的坡耕地产流量与降水强度表现为显著的正相关关系，分别达到显著（r＝0.78，α＝0.04）和极显著（r＝0.90，α＝0.006）水平；产沙量与降水强度的相关关系不显著 （α＞0.05）。由表1和表2分析可知，2013年坡度为5°和8°的坡耕地单次降水产流量和产沙量最大值分别为17.98 mm和1 299 kg／hm2、19.27 mm 和 1 547 kg／hm2，均发生于平均降水强度最大日（6月19日）；2014年单场次降水最大产流量和产沙量也发生于平均降水强度最大日。说明降水强度是影响坡耕地产流量和产沙量的重要因素，其与降水量共同影响坡耕地水土流失，但降水强度对水土流失量的影响更为显著。

3 结 论

（1）2013年共发生14次侵蚀性降水，坡度为5°和8°的坡耕地单次降水产流量分别为1.58～17.98 mm和1.60～19.27 mm，产沙量分别为1～1 299 kg／hm2和2～1 547 kg／hm2；2014年仅发生7次侵蚀性降水，不同坡度坡耕地单次降水产流产沙量均小于2013年的。在单场次降水中，坡度越大，产流量和产沙量也越大。

（2）2013年坡度为5°和8°的坡耕地月产流量大小顺序为 Q7月＞ Q6月＞ Q8月＞ Q5月＞ Q9月，产沙量大小顺序为 S6月＞ S7月＞ S8月＞ S5月＞ S9月；2014 年 5°坡耕地月产流量和产沙量大小顺序分别为Q7月＞Q6月＞Q9月＞Q8月和 S6月＞ S7月＞ S8月＞ S9月，8°坡耕地月产流量和产沙量大小顺序均为 S7月＞ S6月 ＞ S9月 ＞ S8月。 2013和2014年逐月产流量和产沙量分布情况保持一致。

（3）2013年坡度为5°和8°的坡耕地产流量分别为 84.43、103.23 mm，产沙量分别为 4 005、5 427 kg／hm2，2014 年坡度为 5°和 8°的坡耕地产流量和产沙量分别比 2013年的减小了 35.28%、70.74%和38.92%、69.93%。

（4）坡度越大，坡耕地水土流失越严重。水土流失量总体上随着坡度、降水量和降水强度的增大而增大，降水强度对水土流失量的影响更为显著。

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【责任编辑 张华兴】

Characteristics of Soil and Water Loss on Sloping Land in Hilly Area of Northeast China

ZHANG Zhan1， SUI Yuanyuan2，3， CHANG Yuanyuan1
（1.Yellow River Institute of Hydrology and Water Resources， Zhengzhou 450004，China；2.Hydraulic Research Institute of Jilin Province， Changchun 130022，China；3.Northeast Institute of Geography and Agroecology， CAS，Changchun 130102，China）

中图分类号：S157.1

文献标志码：A

doi：10.3969／j.issn.1000－1379.2017.10.019

收稿日期：2016－12－12

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAD31B01）；水利部公益性行业科研专项（201401025）。

作者简介：张展（1984—），男，河南濮阳人，工程师，硕士，从事水土保持和水文水资源研究工作。

E⁃mail：155090896＠ qq.com