小良地区气候水文因素分析

小良地区气候水文因素分析

50年前，美国嘉兴市的小良水宝站仍然是一个沙漠。经过长期的探索、实验和研究，小良水宝站终于创造了一个人工恢复热带森林的初步方法，使小良水宝站成为一个郁郁葱葱、环境优美的生态景观公园。今日小良的变化,她清楚地记载着人类不合理的开发资源,乱砍滥伐森林,植被遭受破坏而产生触目惊心的水土流失现象以及人们艰辛的改造历程;它向人们倾诉了小良痛苦的过去,告诫人们保护环境的重要。也正因为小良是如此典型的环保方面的活教材,又是研究人工生态修复的好场所,因而,它引起了世界科技界的关注。联合国教科文组织选它为定点考察点;中国科学院选它为森林生态系统定位研究站;又是全国水土保持科技示范区和茂名十大旅游景点之一。虽然小良的水土流失现在已基本上得到了有效的治理,但是为了小良能保持可持续发展,我们必须要认真研究导致水土流失的主要因素———气候水文因素,避免历史的悲剧重演。我们知道,水土流失的成因及发展是极其复杂的,影响因素也是多方面的,概括起来主要为自然因素和人为因素。自然因素主要包括地形地势、岩土性质、森林植被、气候水文等,各种自然因素的综合作用成为水土流失客观的物质基础。人为因素是指受日益频繁的人类活动影响。现以小良地区为例,重点分析自然因素中的气候水文因素对水土流失的影响。1生态的修复—小良水土流失发展概况小良位于茂名市电白县水东镇西南15公里处,北纬21°27′49″,东经110°54′18″,属热带北缘海洋性季风气候区,年平均温度23℃,年平均降雨量1400-1700毫米,降雨季节分布不均,大部集中于6-8月,有明显的旱湿季之分,旱季长达半年以上;小良的地形为沿海台地,地带性土壤为花岗岩风化形成的砖红壤;天然植被应是热带季雨林;据考证,在一百多年以前,该地为森林覆盖,后来,由于人为原因,树木砍光了,裸露的地面被南方特有的暴雨冲刷了一个世纪,冲走的土壤有1米多厚,每平方公里流失的表土达一万立方米以上年建站时在全站个山丘的亩土地上共有崩岗处侵蚀沟条表土层腐蚀质的含量在1.5%以下,土壤中氨、磷、钾元素缺乏;夏天的白天,地表温度高达62.9度,群众称之为“火焰山”,晚上则降之至20度;地表毫无滞留雨水的能力,几天不下雨就旱,雨水一来,泥沙随地表径流冲刷到附近农田,成了名副其实的“田间老虎”。1957年小良建站后,对该地区进行全面规划,因地制宜地进行了综合治理,采取工程与生物相结合的措施,经过半个世纪的艰苦努力,终于使小良由过去的不毛之地变成了一片绿洲,使水土流失基本上得到了整治,取得良好的生态效益和社会效益。但我们不能忘记历史上的艰辛,应在实际工作中不断总结经验,吸取教训,分析水土流失的原因,针对其成因继续探索科学的行之有效的治理和保护的方法。2因素起主导作用小良水土流失是各种因素综合影响的结果,但在一定条件下,则某一因素起主导作用。岩土性质、地形地势、森林植被、气候水文都是自然因素,是不以人的意志为转移的客观存在。2.1小良属于显色岩体上的最佳构造条件岩性对风化壳和土壤性质有着深刻的影响,而风化壳和土壤性质又影响着水土流失的强度和特征,在地形条件、降雨条件和植被条件一定的情况下,水土流失的程度往往取决于风化壳和土壤性质。母岩是风化壳发育的基础。小良位于巨大的燕山期花岗岩体上,以粗粒黑云母二长花岗岩和伟晶二长花岗岩为主,非常有利于风化壳发育。加之吴川—四会大断裂旁侧的次一级北西向、南北向断裂以及三组陡倾角的密集节理很发育,为风化作用提供了良好的构造条件。热带地区高温多雨,极利于风化作用的进行。植被和微生物分解的有机酸多,地下水活动变化频繁,这些条件都大大地加速岩石的氧化和水解作用,促进风化壳发育。以花岗岩为成土母岩发育的红壤,其土质石英过多而失去凝集力,透水性强,抗侵蚀能力差,加上组成岩石的一些物质膨胀系数不同,冷热变化,岩石容易分崩离析而造成了严重的水土流失现象,使小良形成最易流失的花岗岩红壤。2.2立地条件对植被的影响地形地势因素对水土流失的发生发展来说,是一个重要的激发因素。不同的地形类型、地面坡度、坡长等,对水土流失的形成极其程度起到了不同的作用。从地形类型与水土流失的关系来说,严重的水土流失区多出现在低丘陵和台地地带。小良地势缓坡起伏,最高点虎地岭海拔50米,最低的台间谷地海拔23米,相对高差15-20米。坡度平缓,属滨海第二级花岗岩台地。轻切割台坡地,占总面积的32.8%,坡度为3°-7°。植被破坏,表土冲刷严重,土壤有机质少,土质板结粘重。强切割台坡地,占总面积的28.6%。地表坡度稍大,约5°-10°,切割强烈。植被破坏后,表土冲刷最为严重,土壤有机质含量≤1%,坡面以中沟、大沟侵蚀为主,伴有崩塌,是水土流失严重的地段。暴流洪水挟带大量的泥沙,造成淹没农田的危害。地面坡度是地形条件中对水土流失影响最大的因素。当坡度增大时,斜坡上的物质颗粒的下滑力就会增大,易于被地面流水侵蚀和搬运。在各种雨强条件下,侵蚀量总是随着坡度的增加而增大,只是在不同的雨强条件下,坡度的作用程度是不同的。在低雨强降雨时坡度的影响小,高雨强时影响则的大。现在先看小良水保站的坡度表(见表1)。从表中可以看出,地面坡度基本上<9°,而其中<6°者,占80.2%,可见其坡度是比较平缓。这种地形极有利于农、林业生产的,如能做到保护与利用相结合,把台地面、强切割台坡地种林,在中、下坡开发种果树缓坡与台麓还可以种其他的经济作物即可以防止水土流失也可以使土地成为肥沃的丰产田2.3林地水土流失与植被类型的关系生产实践和研究资料已表明:造林种草,恢复植被是控制水土流失、改善生态环境的根本措施。据实验观测,植被覆盖度高的林草地与农地比较,可以减少土壤冲刷量90%以上,减少地表径流量60%以上。这是由于植被通过其立体结构不断地减少对土壤的打击力和冲刷力。即植被枝叶冠层截留雨水,地被物吸水和形成地面保护层,增加土壤入渗量,植被根系固结土壤,增强抗冲性能,从而削减了水土流失。植被类型与水土流失具有很大的关系,阔叶林郁闭度大,有较强的截留雨水、涵养水源,保持水土的能力强。根据小良水土保持站观测不同林型保持效果的资料表明:阔叶林的混交林保持水土的效果最好,雨水的绝大部分阻留、停滞、下渗在森林生态系统中,最大的径流系数0.006,即有99.4%的降水量截留在林地中,只有0.6%的水量成为径流。可见,林地对防治水土流失有着特殊作用,并且因其植被类型不同而有差异。在小良1985年分别测量的三种不同林地(混合林、桉树林、光板地)的降雨量与水土流失关系作对比见表2(表2、表3、表5的数据采自小良水土保持实验站数据库),可见,以闭郁度高的混合林覆盖率达85%的保持水土效益最好,次之桉树林。“光板地”就是裸露地,没有植被覆盖,水土流失量极其严重。林地的水土流失与植被覆盖度的关系极其明显,呈密切的负相关关系。即土壤侵蚀量随林地覆盖度的增大而减少,当林地覆盖度为60%以上时,均可减少侵蚀量90%以上,并且效果稳定。覆盖度75%以上的林地,土壤流失很轻微或不发生侵蚀。据多年小良的观测资料研究结果表明:当地面约有75%以上的植被覆盖时,地形和降雨变化对水土流失量的影响,基本不起主导作用或作用极小;当林地植被覆盖度小于40%时,林地土壤侵蚀量迅速增大,防止水土流失作用越差。2.4影响水土流失的灰色系统气候水文因素的影响表现在引起侵蚀的降雨量及其形成的径流侵蚀力方面。降雨是造成水土流失的必要动力条件。对水土流失的发生发展来说,降雨量越大,降雨强度越大,当降雨强度超过土壤入渗强度时即产生径流,径流冲带泥沙,形成水土流失。它不仅与降雨量、降雨强度有关,和径流量、径流系数、冲刷量等因素也有密切的关系,而且相互间关系很复杂,而且有的还是不确定,很难得到足够的、全面的信息。因此,对于影响水土流失的系统而言,它是一个灰色系统。灰色关联度分析作为一种系统分析技术,是分析系统中各因素关联程度的方法或者说是对系统动态过程发展态势的量化比较分析的方法。对小良人工混交林地和光板地的水土流失气候水文因素进行分析,以这两种情况下小良水保站测定的1989年4月至8月的数据进行分析。1aot算法人工林地水土流失气候水文因素情况见表3。选定侵蚀模数为参考序列,记为A(t)则AO(t)=[AO(1),AO(2),AO(3),AO(4),AO(5)],其中:O代表侵蚀模数(t/km2);AO(t)代表侵蚀模数的时间序列。以降雨量、径流量、降雨强度为比较序列,记为Ai(t),则Ai(t)={Ai(1)……Ai(5)},i=1,2,3,4。其中:1表示降雨量;2表示径流量;3表示降雨强度;Ai(t)表示i的时间序列,i∈(1,2,3);t为AO对Ai的采样点。先对数据作处理,由于系统中各因素的计量单位不同,所以数据的量纲也不一致,因此要先进行数据的无量纲化处理,此处采用均值化处理(每个指标的各个数据除以该指标所有数据的平均值),经处理后得数据见表4。记同一时刻t时,AO(t)与Ai(t)的绝对差值为△Oi(t),△Oi(t)=AO(t)-Ai(t)。记各时刻t的最小绝对差为△min=minminAO(t)-Ai(t),各时刻t的最大绝对差为△max=maxmaxAO(t)-Ai(t),Ai(t)对AO(t)的关联系数为ηOi(t)=(△min+P·△max)/(△Oi(t)+P·△max),P为分辨率,这里取0.5,经计算△min=0.1641,△max=1.7741。由ηOi(t)=1.05115/△Oi(t)+0.88705,得定义关联度(t),经计算得:ro1=0.7281,ro2=0.7454,ro3=0.7343。按关联度大小排列则:ro2>ro3>ro1,即径流量>降雨强度>降雨量。2侵蚀模数bot的基本概念光板地水土流失要素情况见表5。选定侵蚀模数为参考序列,记为BO(t),则BO(t)={BO(1),…BO(5)}。其中O代表侵蚀模数(t/km2),BO(t)代表侵蚀模数的时间序列。以降雨量、径流量、降雨强度为比较序列为Bi(t),则Bi(t)={Bi(1),…Bi(4)},i=1,2,3分别表示降雨量、径流量和降雨强度,t为BO对Bi的采样点。采用均值化对数据进行无量纲化处理见表6。由△Oi(t)=|BO(t)-Bi(t)|计算得定义关联度(t),计算得ro1=0.6819,ro2=0.6726,ro3=0.6821。按关联度大小排列则ro3>ro1>ro2,即降雨强度>降雨量>径流量。3降雨强度对人工林水土流失量的影响通过对人工林地侵蚀模数极其相关因子的灰色关联度分析表明,径流量对侵蚀模数的关系最为密切,其次为降雨强度、降雨量。通过对光板地表侵蚀模数极其相关因子的灰色关联度分析表明,降雨强度对侵蚀模数的关系最为密切,其次为降雨量、径流量。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。在人工林覆盖的情况下,只有形成径流才能把泥沙带走,从而形成水土流失,所以径流量这个因素对人工林的水土流失影响最为密切。在无植被覆盖的光板地,也就是植被覆盖率为零的情况下,造成水土流失量大小主要因降雨强度的强弱而变化。可以看出在同一气候水文因素影响下,因植被覆盖的不同,水土流失量有很大的差异。3互相联系、互相制约通过对影响水土流失各自然因素的分析可以看出,导致水土流失不是单一因素的影响,而是许多因素互相联系、互相制约而产生的结果。我们必须针对主要因素的动态发