小良地區(qū)氣候水文因素分析

小良地區(qū)氣候水文因素分析

50年前，美國(guó)嘉興市的小良水寶站仍然是一個(gè)沙漠。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索、實(shí)驗(yàn)和研究，小良水寶站終于創(chuàng)造了一個(gè)人工恢復(fù)熱帶森林的初步方法，使小良水寶站成為一個(gè)郁郁蔥蔥、環(huán)境優(yōu)美的生態(tài)景觀公園。今日小良的變化,她清楚地記載著人類不合理的開(kāi)發(fā)資源,亂砍濫伐森林,植被遭受破壞而產(chǎn)生觸目驚心的水土流失現(xiàn)象以及人們艱辛的改造歷程;它向人們傾訴了小良痛苦的過(guò)去,告誡人們保護(hù)環(huán)境的重要。也正因?yàn)樾×际侨绱说湫偷沫h(huán)保方面的活教材,又是研究人工生態(tài)修復(fù)的好場(chǎng)所,因而,它引起了世界科技界的關(guān)注。聯(lián)合國(guó)教科文組織選它為定點(diǎn)考察點(diǎn);中國(guó)科學(xué)院選它為森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站;又是全國(guó)水土保持科技示范區(qū)和茂名十大旅游景點(diǎn)之一。雖然小良的水土流失現(xiàn)在已基本上得到了有效的治理,但是為了小良能保持可持續(xù)發(fā)展,我們必須要認(rèn)真研究導(dǎo)致水土流失的主要因素———?dú)夂蛩囊蛩?避免歷史的悲劇重演。我們知道,水土流失的成因及發(fā)展是極其復(fù)雜的,影響因素也是多方面的,概括起來(lái)主要為自然因素和人為因素。自然因素主要包括地形地勢(shì)、巖土性質(zhì)、森林植被、氣候水文等,各種自然因素的綜合作用成為水土流失客觀的物質(zhì)基礎(chǔ)。人為因素是指受日益頻繁的人類活動(dòng)影響?，F(xiàn)以小良地區(qū)為例,重點(diǎn)分析自然因素中的氣候水文因素對(duì)水土流失的影響。1生態(tài)的修復(fù)—小良水土流失發(fā)展概況小良位于茂名市電白縣水東鎮(zhèn)西南15公里處,北緯21°27′49″,東經(jīng)110°54′18″,屬熱帶北緣海洋性季風(fēng)氣候區(qū),年平均溫度23℃,年平均降雨量1400-1700毫米,降雨季節(jié)分布不均,大部集中于6-8月,有明顯的旱濕季之分,旱季長(zhǎng)達(dá)半年以上;小良的地形為沿海臺(tái)地,地帶性土壤為花崗巖風(fēng)化形成的磚紅壤;天然植被應(yīng)是熱帶季雨林;據(jù)考證,在一百多年以前,該地為森林覆蓋,后來(lái),由于人為原因,樹(shù)木砍光了,裸露的地面被南方特有的暴雨沖刷了一個(gè)世紀(jì),沖走的土壤有1米多厚,每平方公里流失的表土達(dá)一萬(wàn)立方米以上年建站時(shí)在全站個(gè)山丘的畝土地上共有崩崗處侵蝕溝條表土層腐蝕質(zhì)的含量在1.5%以下,土壤中氨、磷、鉀元素缺乏;夏天的白天,地表溫度高達(dá)62.9度,群眾稱之為“火焰山”,晚上則降之至20度;地表毫無(wú)滯留雨水的能力,幾天不下雨就旱,雨水一來(lái),泥沙隨地表徑流沖刷到附近農(nóng)田,成了名副其實(shí)的“田間老虎”。1957年小良建站后,對(duì)該地區(qū)進(jìn)行全面規(guī)劃,因地制宜地進(jìn)行了綜合治理,采取工程與生物相結(jié)合的措施,經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的艱苦努力,終于使小良由過(guò)去的不毛之地變成了一片綠洲,使水土流失基本上得到了整治,取得良好的生態(tài)效益和社會(huì)效益。但我們不能忘記歷史上的艱辛,應(yīng)在實(shí)際工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),吸取教訓(xùn),分析水土流失的原因,針對(duì)其成因繼續(xù)探索科學(xué)的行之有效的治理和保護(hù)的方法。2因素起主導(dǎo)作用小良水土流失是各種因素綜合影響的結(jié)果,但在一定條件下,則某一因素起主導(dǎo)作用。巖土性質(zhì)、地形地勢(shì)、森林植被、氣候水文都是自然因素,是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在。2.1小良屬于顯色巖體上的最佳構(gòu)造條件巖性對(duì)風(fēng)化殼和土壤性質(zhì)有著深刻的影響,而風(fēng)化殼和土壤性質(zhì)又影響著水土流失的強(qiáng)度和特征,在地形條件、降雨條件和植被條件一定的情況下,水土流失的程度往往取決于風(fēng)化殼和土壤性質(zhì)。母巖是風(fēng)化殼發(fā)育的基礎(chǔ)。小良位于巨大的燕山期花崗巖體上,以粗粒黑云母二長(zhǎng)花崗巖和偉晶二長(zhǎng)花崗巖為主,非常有利于風(fēng)化殼發(fā)育。加之吳川—四會(huì)大斷裂旁側(cè)的次一級(jí)北西向、南北向斷裂以及三組陡傾角的密集節(jié)理很發(fā)育,為風(fēng)化作用提供了良好的構(gòu)造條件。熱帶地區(qū)高溫多雨,極利于風(fēng)化作用的進(jìn)行。植被和微生物分解的有機(jī)酸多,地下水活動(dòng)變化頻繁,這些條件都大大地加速巖石的氧化和水解作用,促進(jìn)風(fēng)化殼發(fā)育。以花崗巖為成土母巖發(fā)育的紅壤,其土質(zhì)石英過(guò)多而失去凝集力,透水性強(qiáng),抗侵蝕能力差,加上組成巖石的一些物質(zhì)膨脹系數(shù)不同,冷熱變化,巖石容易分崩離析而造成了嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象,使小良形成最易流失的花崗巖紅壤。2.2立地條件對(duì)植被的影響地形地勢(shì)因素對(duì)水土流失的發(fā)生發(fā)展來(lái)說(shuō),是一個(gè)重要的激發(fā)因素。不同的地形類型、地面坡度、坡長(zhǎng)等,對(duì)水土流失的形成極其程度起到了不同的作用。從地形類型與水土流失的關(guān)系來(lái)說(shuō),嚴(yán)重的水土流失區(qū)多出現(xiàn)在低丘陵和臺(tái)地地帶。小良地勢(shì)緩坡起伏,最高點(diǎn)虎地嶺海拔50米,最低的臺(tái)間谷地海拔23米,相對(duì)高差15-20米。坡度平緩,屬濱海第二級(jí)花崗巖臺(tái)地。輕切割臺(tái)坡地,占總面積的32.8%,坡度為3°-7°。植被破壞,表土沖刷嚴(yán)重,土壤有機(jī)質(zhì)少,土質(zhì)板結(jié)粘重。強(qiáng)切割臺(tái)坡地,占總面積的28.6%。地表坡度稍大,約5°-10°,切割強(qiáng)烈。植被破壞后,表土沖刷最為嚴(yán)重,土壤有機(jī)質(zhì)含量≤1%,坡面以中溝、大溝侵蝕為主,伴有崩塌,是水土流失嚴(yán)重的地段。暴流洪水挾帶大量的泥沙,造成淹沒(méi)農(nóng)田的危害。地面坡度是地形條件中對(duì)水土流失影響最大的因素。當(dāng)坡度增大時(shí),斜坡上的物質(zhì)顆粒的下滑力就會(huì)增大,易于被地面流水侵蝕和搬運(yùn)。在各種雨強(qiáng)條件下,侵蝕量總是隨著坡度的增加而增大,只是在不同的雨強(qiáng)條件下,坡度的作用程度是不同的。在低雨強(qiáng)降雨時(shí)坡度的影響小,高雨強(qiáng)時(shí)影響則的大?，F(xiàn)在先看小良水保站的坡度表(見(jiàn)表1)。從表中可以看出,地面坡度基本上<9°,而其中<6°者,占80.2%,可見(jiàn)其坡度是比較平緩。這種地形極有利于農(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)的,如能做到保護(hù)與利用相結(jié)合,把臺(tái)地面、強(qiáng)切割臺(tái)坡地種林,在中、下坡開(kāi)發(fā)種果樹(shù)緩坡與臺(tái)麓還可以種其他的經(jīng)濟(jì)作物即可以防止水土流失也可以使土地成為肥沃的豐產(chǎn)田2.3林地水土流失與植被類型的關(guān)系生產(chǎn)實(shí)踐和研究資料已表明:造林種草,恢復(fù)植被是控制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的根本措施。據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè),植被覆蓋度高的林草地與農(nóng)地比較,可以減少土壤沖刷量90%以上,減少地表徑流量60%以上。這是由于植被通過(guò)其立體結(jié)構(gòu)不斷地減少對(duì)土壤的打擊力和沖刷力。即植被枝葉冠層截留雨水,地被物吸水和形成地面保護(hù)層,增加土壤入滲量,植被根系固結(jié)土壤,增強(qiáng)抗沖性能,從而削減了水土流失。植被類型與水土流失具有很大的關(guān)系,闊葉林郁閉度大,有較強(qiáng)的截留雨水、涵養(yǎng)水源,保持水土的能力強(qiáng)。根據(jù)小良水土保持站觀測(cè)不同林型保持效果的資料表明:闊葉林的混交林保持水土的效果最好,雨水的絕大部分阻留、停滯、下滲在森林生態(tài)系統(tǒng)中,最大的徑流系數(shù)0.006,即有99.4%的降水量截留在林地中,只有0.6%的水量成為徑流。可見(jiàn),林地對(duì)防治水土流失有著特殊作用,并且因其植被類型不同而有差異。在小良1985年分別測(cè)量的三種不同林地(混合林、桉樹(shù)林、光板地)的降雨量與水土流失關(guān)系作對(duì)比見(jiàn)表2(表2、表3、表5的數(shù)據(jù)采自小良水土保持實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)庫(kù)),可見(jiàn),以閉郁度高的混合林覆蓋率達(dá)85%的保持水土效益最好,次之桉樹(shù)林?！肮獍宓亍本褪锹懵兜?沒(méi)有植被覆蓋,水土流失量極其嚴(yán)重。林地的水土流失與植被覆蓋度的關(guān)系極其明顯,呈密切的負(fù)相關(guān)關(guān)系。即土壤侵蝕量隨林地覆蓋度的增大而減少,當(dāng)林地覆蓋度為60%以上時(shí),均可減少侵蝕量90%以上,并且效果穩(wěn)定。覆蓋度75%以上的林地,土壤流失很輕微或不發(fā)生侵蝕。據(jù)多年小良的觀測(cè)資料研究結(jié)果表明:當(dāng)?shù)孛婕s有75%以上的植被覆蓋時(shí),地形和降雨變化對(duì)水土流失量的影響,基本不起主導(dǎo)作用或作用極小;當(dāng)林地植被覆蓋度小于40%時(shí),林地土壤侵蝕量迅速增大,防止水土流失作用越差。2.4影響水土流失的灰色系統(tǒng)氣候水文因素的影響表現(xiàn)在引起侵蝕的降雨量及其形成的徑流侵蝕力方面。降雨是造成水土流失的必要?jiǎng)恿l件。對(duì)水土流失的發(fā)生發(fā)展來(lái)說(shuō),降雨量越大,降雨強(qiáng)度越大,當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)土壤入滲強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生徑流,徑流沖帶泥沙,形成水土流失。它不僅與降雨量、降雨強(qiáng)度有關(guān),和徑流量、徑流系數(shù)、沖刷量等因素也有密切的關(guān)系,而且相互間關(guān)系很復(fù)雜,而且有的還是不確定,很難得到足夠的、全面的信息。因此,對(duì)于影響水土流失的系統(tǒng)而言,它是一個(gè)灰色系統(tǒng)。灰色關(guān)聯(lián)度分析作為一種系統(tǒng)分析技術(shù),是分析系統(tǒng)中各因素關(guān)聯(lián)程度的方法或者說(shuō)是對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程發(fā)展態(tài)勢(shì)的量化比較分析的方法。對(duì)小良人工混交林地和光板地的水土流失氣候水文因素進(jìn)行分析,以這兩種情況下小良水保站測(cè)定的1989年4月至8月的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。1aot算法人工林地水土流失氣候水文因素情況見(jiàn)表3。選定侵蝕模數(shù)為參考序列,記為A(t)則AO(t)=[AO(1),AO(2),AO(3),AO(4),AO(5)],其中:O代表侵蝕模數(shù)(t/km2);AO(t)代表侵蝕模數(shù)的時(shí)間序列。以降雨量、徑流量、降雨強(qiáng)度為比較序列,記為Ai(t),則Ai(t)={Ai(1)……Ai(5)},i=1,2,3,4。其中:1表示降雨量;2表示徑流量;3表示降雨強(qiáng)度;Ai(t)表示i的時(shí)間序列,i∈(1,2,3);t為AO對(duì)Ai的采樣點(diǎn)。先對(duì)數(shù)據(jù)作處理,由于系統(tǒng)中各因素的計(jì)量單位不同,所以數(shù)據(jù)的量綱也不一致,因此要先進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化處理,此處采用均值化處理(每個(gè)指標(biāo)的各個(gè)數(shù)據(jù)除以該指標(biāo)所有數(shù)據(jù)的平均值),經(jīng)處理后得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。記同一時(shí)刻t時(shí),AO(t)與Ai(t)的絕對(duì)差值為△Oi(t),△Oi(t)=AO(t)-Ai(t)。記各時(shí)刻t的最小絕對(duì)差為△min=minminAO(t)-Ai(t),各時(shí)刻t的最大絕對(duì)差為△max=maxmaxAO(t)-Ai(t),Ai(t)對(duì)AO(t)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為ηOi(t)=(△min+P·△max)/(△Oi(t)+P·△max),P為分辨率,這里取0.5,經(jīng)計(jì)算△min=0.1641,△max=1.7741。由ηOi(t)=1.05115/△Oi(t)+0.88705,得定義關(guān)聯(lián)度(t),經(jīng)計(jì)算得:ro1=0.7281,ro2=0.7454,ro3=0.7343。按關(guān)聯(lián)度大小排列則:ro2>ro3>ro1,即徑流量>降雨強(qiáng)度>降雨量。2侵蝕模數(shù)bot的基本概念光板地水土流失要素情況見(jiàn)表5。選定侵蝕模數(shù)為參考序列,記為BO(t),則BO(t)={BO(1),…BO(5)}。其中O代表侵蝕模數(shù)(t/km2),BO(t)代表侵蝕模數(shù)的時(shí)間序列。以降雨量、徑流量、降雨強(qiáng)度為比較序列為Bi(t),則Bi(t)={Bi(1),…Bi(4)},i=1,2,3分別表示降雨量、徑流量和降雨強(qiáng)度,t為BO對(duì)Bi的采樣點(diǎn)。采用均值化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理見(jiàn)表6。由△Oi(t)=|BO(t)-Bi(t)|計(jì)算得定義關(guān)聯(lián)度(t),計(jì)算得ro1=0.6819,ro2=0.6726,ro3=0.6821。按關(guān)聯(lián)度大小排列則ro3>ro1>ro2,即降雨強(qiáng)度>降雨量>徑流量。3降雨強(qiáng)度對(duì)人工林水土流失量的影響通過(guò)對(duì)人工林地侵蝕模數(shù)極其相關(guān)因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析表明,徑流量對(duì)侵蝕模數(shù)的關(guān)系最為密切,其次為降雨強(qiáng)度、降雨量。通過(guò)對(duì)光板地表侵蝕模數(shù)極其相關(guān)因子的灰色關(guān)聯(lián)度分析表明,降雨強(qiáng)度對(duì)侵蝕模數(shù)的關(guān)系最為密切,其次為降雨量、徑流量。以上分析,表明小良的光板地的水土流失量大于人工林的水土流失量。在人工林覆蓋的情況下,只有形成徑流才能把泥沙帶走,從而形成水土流失,所以徑流量這個(gè)因素對(duì)人工林的水土流失影響最為密切。在無(wú)植被覆蓋的光板地,也就是植被覆蓋率為零的情況下,造成水土流失量大小主要因降雨強(qiáng)度的強(qiáng)弱而變化。可以看出在同一氣候水文因素影響下,因植被覆蓋的不同,水土流失量有很大的差異。3互相聯(lián)系、互相制約通過(guò)對(duì)影響水土流失各自然因素的分析可以看出,導(dǎo)致水土流失不是單一因素的影響,而是許多因素互相聯(lián)系、互相制約而產(chǎn)生的結(jié)果。我們必須針對(duì)主要因素的動(dòng)態(tài)發(fā)