南水北調(diào)中線水源區(qū)植被恢復(fù)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)初步研究

李亞龍，趙 健，丁文峰

（長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

南水北調(diào)中線水源區(qū)植被恢復(fù)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)初步研究

李亞龍，趙 健，丁文峰

（長江科學(xué)院水土保持研究所，武漢 430010）

選擇南水北調(diào)水源區(qū)典型小流域，在坡耕地、經(jīng)果林、退化矮林、荒草地和馬尾松林5種土地利用類型上建立徑流小區(qū)，觀測不同土地利用類型產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及其受不同坡度的影響。研究結(jié)果初步表明：高強(qiáng)度、短歷時降雨過程是南水北調(diào)中線水源區(qū)水土流失的主要動力；在5種土地利用類型中，經(jīng)果林和坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大，因此，除了加強(qiáng)坡耕地治理外，控制經(jīng)果林水土流失也是南水北調(diào)中線水源區(qū)植被恢復(fù)的重點(diǎn)。

南水北調(diào)中線水源區(qū)；土地利用；植被恢復(fù)；產(chǎn)流產(chǎn)沙

南水北調(diào)中線方案70%的水量來自陜南秦巴山腹地的漢江、丹江流域。由于植被破壞和嚴(yán)重的水土流失，人口激增對土地資源的需求加大，以及不合理的管理和利用體系等諸多因素導(dǎo)致該區(qū)生態(tài)環(huán)境失衡，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，生態(tài)屏障［1］功能遭到削弱、水源涵養(yǎng)能力低，加之本地區(qū)礦產(chǎn)資源的開發(fā)而引起的環(huán)境災(zāi)害諸如土壤污染、水污染等生態(tài)環(huán)境問題日益加?。?－8］。針對該區(qū)土壤土層較薄，土壤涵蓄水分能力低，從小流域角度研究不同土地利用和植被類型對徑流和產(chǎn)沙的作用機(jī)制及影響因素，對水源區(qū)退化土地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)，保障水源區(qū)的水質(zhì)與水量，實(shí)現(xiàn)一江清水送北京有重要意義。

1 試驗方法與設(shè)計

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于南水北調(diào)中線水源區(qū)陜西省商南縣西北部索峪河小流域水磨溝，距離縣城3 km，介于東經(jīng)110°39′至110°51′，北緯33°28′至33°35′之間。研究區(qū)土壤理化性質(zhì)見表1。

1.2 試驗設(shè)計

選擇南水北調(diào)中線水源區(qū)典型小流域作為研究范圍，在坡耕地、經(jīng)果林、荒草地、櫟類矮林和馬尾松林5種土地利用下，分別設(shè)計5個不同坡度的徑流小區(qū)，如表2所示。

表2 不同植被類型下不同坡度徑流小區(qū)Table 2 Runoff plotsw ith different slopes under different vegetations

表1 黃棕壤的基本理化性狀Table 1 The basic physical and chem ical characteristics of yellow brown soil

1.3 小區(qū)建設(shè)

不同植被恢復(fù)條件下的產(chǎn)流和產(chǎn)沙用簡易7 m2徑流小區(qū)觀測。小區(qū)上面和兩個側(cè)面用180 cm× 35 cm石棉瓦合圍，20 cm埋入地表以下，15 cm露出地表，形成閉合集水區(qū)；小區(qū)下方集水擋板用鍍鋅鐵皮制成，寬40 cm，一半埋入地下，一半出露地表。為保證降雨后坡面徑流順利進(jìn)入集流桶，鍍鋅鐵皮呈V字型，中間留直徑10 cm導(dǎo)流孔，鉚連并焊接10 cm長導(dǎo)流管頭，導(dǎo)流管頭垂直向下傾斜15°。使用200 L塑料桶作為集流通，埋設(shè)于小區(qū)正下方適合部位。使用直徑11 cm PVC管作為導(dǎo)流管，連接小區(qū)導(dǎo)流管頭和集流桶。為防止降雨直接進(jìn)入集流桶，桶蓋用塑料布覆蓋。

1.4 觀測內(nèi)容

氣象觀測：通過布設(shè)在小流域附近的DSJ2型虹吸式雨量計，記錄降雨資料。

徑流觀測：觀測次降雨各小區(qū)產(chǎn)流量。

侵蝕量觀測：收集各小區(qū)集流桶中的泥沙，烘干稱重。

2 結(jié)果分析

2.1 小流域降雨特征時序分析

通過布設(shè)在小流域附近的DSJ2型虹吸式雨量計，記錄了2008年5月下旬至10月下旬期間降雨資料，包括降雨時間、降雨歷時、降雨量（圖1）。觀測期內(nèi)，＜200 min降雨次數(shù)13次，總降雨歷時1 204 min，總降雨量136.2 mm；200～500 min降雨次數(shù)15次，總降雨歷時4 535 min，總降雨量147.8 mm；＞500 min降雨次數(shù)8次，總降雨歷時6 115 min，總降雨量111.4 mm。

圖1 研究區(qū)降雨歷時和降雨量分布特征Fig.1 Distribution features of precipitation and rain fall duration

觀測期總降雨量395.4 mm，＜10 mm降雨23次，降雨量117.1 mm；10～25 mm降雨8次，降雨量123.1 mm；25～50 mm降雨5次，降雨量155.2 mm。數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，研究區(qū)大雨強(qiáng)降雨次數(shù)較少，小雨強(qiáng)降雨次數(shù)最多，但3種降雨類型的總降雨量趨勢相反，反映出研究區(qū)產(chǎn)流主要依靠大雨強(qiáng)降雨。

2.2 產(chǎn)流特征分析

2.2.1 坡耕地產(chǎn)流特征分析

圖2分析了5個不同坡度的坡耕地小區(qū)在觀測期內(nèi)的產(chǎn)流情況。到8月16日，共觀測產(chǎn)流8次，在7月17日、7月28日和8月13日有3個峰值。通過上文對觀測期內(nèi)降雨特征分析可見，7月17日降雨量為45.5 mm，降雨歷時28 min，產(chǎn)流量最大。11°坡耕地小區(qū)產(chǎn)流量最大，其次為21°小區(qū)、6°小區(qū)、28°小區(qū)和17°小區(qū)。7月14日降雨量為28.8 mm，但降雨歷時320 min，降雨就地入滲較多，因此產(chǎn)流量較小。7月28日降雨量18.5 mm，降雨歷時95 min，雖然降雨量小于7月14日降雨，但降雨歷時較短，因此小區(qū)產(chǎn)流大于7月14日產(chǎn)流，其中21°小區(qū)最大，其次為17°小區(qū)、6°小區(qū)、28°小區(qū)和11°小區(qū)?？梢?，坡耕地產(chǎn)流受降雨量和降雨歷時共同影響，降雨量大、降雨歷時短，是產(chǎn)流的直接驅(qū)動力。

圖2 坡耕地小區(qū)產(chǎn)流特征分析Fig.2 Analysis on runoff characteristics of slope field plots

2.2.2 經(jīng)果林產(chǎn)流特征分析

經(jīng)果林小區(qū)最大產(chǎn)流量為7月17日，分別為32°小區(qū)35 650 ml、16°小區(qū)27 625 ml、12°小區(qū)18 075 m l、21°小區(qū)16 485 ml、27°小區(qū)5 310 ml（圖3）。同坡耕地小區(qū)一樣，不同坡度的經(jīng)果林小區(qū)產(chǎn)流未表現(xiàn)出產(chǎn)流量隨坡度增大而增大這一普遍規(guī)律。作者分析原因，這可能是野外小區(qū)室內(nèi)模擬試驗的區(qū)別所致。在室內(nèi)進(jìn)行試驗，通常是模擬原狀土密度，對裸露小區(qū)進(jìn)行降雨模擬，因此對試驗條件的控制比較容易。而在野外試驗中，每個小區(qū)地面平整度、土壤結(jié)構(gòu)、植被覆蓋度等都有較大差異，很難將試驗條件控制得均一。

圖3 經(jīng)果林小區(qū)產(chǎn)流特征分析Fig.3 Analysis on runoff characteristics of horticulture plots

2.2.3 矮林產(chǎn)流特征分析

圖4分析了矮林植被覆蓋下的產(chǎn)流特征。對于矮林小區(qū)，27°小區(qū)產(chǎn)流量總體高于其他小區(qū)，其次為38°小區(qū)和44°小區(qū)。矮林最大產(chǎn)流量為27°小區(qū)6 135 ml，38°小區(qū)4 485 ml，44°小區(qū)3 630 ml。而20°小區(qū)和33°小區(qū)產(chǎn)流量卻未在7月17日暴雨時達(dá)到最大值，其中33°小區(qū)在7月28日降雨是產(chǎn)流最大，為2 220 ml，20°小區(qū)在8月7日降雨中產(chǎn)流達(dá)到最大值，為785 ml。矮林小區(qū)中，20°小區(qū)產(chǎn)流量相比其他坡度最小。

圖4 矮林小區(qū)產(chǎn)流特征分析Fig.4 Analysis on runoff characteristics of coppice plots

2.2.4 荒草地產(chǎn)流特征分析

圖5可見，荒草地小區(qū)中最大坡度即33°小區(qū)產(chǎn)流量均最大，尤其是在比較突出的幾次降雨如7月17日、7月28日、8月16日，均顯著高于其他坡度小區(qū)，產(chǎn)流量分別為26 150，11 875，8 750 ml。7月14日、7月17日和7月22日降雨中，11°荒草地小區(qū)產(chǎn)流也較高。

圖5 荒草地小區(qū)產(chǎn)流特征分析Fig.5 Analysis on runoff characteristics of w ild grassland p lots

2.3 產(chǎn)沙特征分析

2.3.1 坡耕地產(chǎn)沙特征分析

坡耕地小區(qū)產(chǎn)沙總體呈現(xiàn)隨坡度增加產(chǎn)沙量增加的趨勢，觀測期內(nèi)產(chǎn)沙量隨降雨量的變化規(guī)律與產(chǎn)流基本一致，受降雨量和降雨歷時雙重影響，降雨量越大、降雨歷時越短，產(chǎn)沙量越大（圖6）。7月17日降雨產(chǎn)沙量最大，不同坡度小區(qū)之間差異也最顯著。其中28°小區(qū)產(chǎn)沙量為1 068.9 g，21°小區(qū)722.1 g，11°小區(qū)299.1 g，6°小區(qū)209.6 g，17°小區(qū)170 g，其中28°小區(qū)產(chǎn)沙量分別為21°，17°，11°，6°小區(qū)的1.48，3.57，5.10，6.29倍，21°小區(qū)產(chǎn)沙量亦顯著高于17°，11°和6°小區(qū)?？梢钥闯?，在大雨強(qiáng)、短歷時降雨中，陡坡耕地侵蝕產(chǎn)沙量顯著高于緩坡耕地。分析其原因，主要是由于6－7月為當(dāng)?shù)厥崭钚←?、種植玉米的時期，玉米處于幼苗期，地表覆蓋差，且施肥、除草等整地活動頻繁，導(dǎo)致表層土壤疏松，遇暴雨極易侵蝕。

2.3.2 經(jīng)果林產(chǎn)沙特征分析

圖7分析了不同坡度的經(jīng)果林侵蝕產(chǎn)沙特征。經(jīng)果林小區(qū)觀測期內(nèi)7月17日降雨和7月22日降雨產(chǎn)沙均較高，其中7月17日降雨32°小區(qū)產(chǎn)沙量最大，為1 053 g，其次12°和16°小區(qū)，產(chǎn)沙量分別為817.3 g和516.5 g，27°小區(qū)在整個觀測期內(nèi)產(chǎn)沙量均較小。7月22日降雨12°小區(qū)產(chǎn)沙量最大，為1 087.4 g，27°小區(qū)722 g，16°小區(qū)230.3 g，21°和32°小區(qū)產(chǎn)沙量在100 g以下。經(jīng)果林小區(qū)在7月17日的大強(qiáng)度、短歷時降雨過程中產(chǎn)沙量較大，而在7月28日降雨歷時較長的條件下，產(chǎn)沙量也較高，可能有3方面原因：一是試驗中的經(jīng)果林小區(qū)為茶園，間作花生，農(nóng)事活動頻繁，土壤表層疏松；二是經(jīng)果林小區(qū)坡度較高，平均坡度21.6°；三是茶園尚處幼年，雖是等高種植，但郁蔽度較低。

圖7 經(jīng)果林小區(qū)產(chǎn)沙特征分析Fig.7 Analysis on sediment characteristics of hoticulture p lots

2.3.3 矮林產(chǎn)沙特征分析

6月30日是小區(qū)建設(shè)完成后第一次有效觀測產(chǎn)流產(chǎn)沙，由于矮林小區(qū)坡度陡，土層薄，小區(qū)建設(shè)過程中對表層擾動較大，因此38°小區(qū)和44°小區(qū)第一次產(chǎn)沙量較大（圖8）?？傮w來看，38°小區(qū)產(chǎn)沙量最大，其次為44°小區(qū)，在此為27°和33°小區(qū)，20°小區(qū)產(chǎn)沙量最小。矮林品種為櫟樹林，雖然土層較薄，但枯枝落葉層較厚，土壤蓄水能力相對較好；另外櫟樹林較茂密，冠層截留使得產(chǎn)沙侵蝕的有效降雨大大減少，這是櫟樹林產(chǎn)沙較少的主要原因。

2.3.4 荒草地產(chǎn)沙特征分析

研究區(qū)荒草地為最近幾年坡耕地棄耕撂荒后自然生長的植被，植被覆蓋度較好，但土壤結(jié)構(gòu)較差，土層較薄，因此依然存在侵蝕。圖9對不同坡度下荒草地產(chǎn)沙特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，5個不同坡度中，33°小區(qū)產(chǎn)沙量最大，在7月17日暴雨過程中，產(chǎn)沙量為593.5 g，是另外4個坡度的4.9～114倍；7月28日降雨過程中，33°小區(qū)產(chǎn)沙量是其他小區(qū)的8.8～23.5倍。

圖8 矮林小區(qū)產(chǎn)沙特征分析Fig.8 Analysis on sediment characteristics of coppice p lots

圖9 荒草地小區(qū)產(chǎn)沙特征分析Fig.9 Analysis on sediment characteristics of w ild grassland p lots

2.4 不同土地利用類型產(chǎn)流產(chǎn)沙對比分析

2.4.1 不同土地利用類型產(chǎn)流對比分析

對各土地利用類型下的5個坡度徑流小區(qū)產(chǎn)流量進(jìn)行平均，得到觀測期內(nèi)不同土地利用類型平均產(chǎn)流量（圖10（a））。可以看出，在主要的降雨過程中，經(jīng)果林小區(qū)產(chǎn)流量最大，其次為坡耕地小區(qū)、荒草地小區(qū)、馬尾松林小區(qū)和矮林小區(qū)。以7月17日降雨為例，經(jīng)果林小區(qū)平均產(chǎn)流量為20 629 ml，坡耕地小區(qū)產(chǎn)流量為12 518 m l，荒草地小區(qū)產(chǎn)流量8 896 ml，馬尾松林小區(qū)平均產(chǎn)流量為4 583 ml，矮林小區(qū)平均產(chǎn)流量為3 224 ml。

2.4.2 不同土地利用類型產(chǎn)沙對比分析

用同樣的方法對不同土地利用類型的產(chǎn)沙量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10（b）所示，總體趨勢與平均產(chǎn)流量一致，經(jīng)果林最大，其他依次為坡耕地、荒草地、馬尾松林和矮林。7月17日降雨過程中，5種土地利用類型平均產(chǎn)沙量可以分為3個水平，經(jīng)果林和坡耕地小區(qū)為第一水平，平均產(chǎn)沙量504.3 g；荒草地小區(qū)為第二水平，平均產(chǎn)沙量153.34 g；馬尾松林和矮林為第三水平，平均產(chǎn)沙量13.34 g。7月28日降雨亦可分為3個水平，經(jīng)果林小區(qū)為第一水平，平均產(chǎn)沙量424.4 g；坡耕地和荒草地小區(qū)為第二水平，平均產(chǎn)沙量79.2 g；馬尾松林和矮林為第三水平，平均產(chǎn)沙量3.8 g。

圖10 不同土地利用類型平均產(chǎn)流和產(chǎn)沙量Fig.10 Average runoff and sediment amount w ith different soil utilization types

3 結(jié) 論

產(chǎn)流產(chǎn)沙過程是降雨強(qiáng)度和降雨歷時雙重作用的結(jié)果，降雨強(qiáng)度越大、降雨歷時越短，產(chǎn)流產(chǎn)沙越大。同時，產(chǎn)流產(chǎn)沙與土地利用結(jié)構(gòu)和坡度關(guān)系密切，對于南水北調(diào)中線水源區(qū)而言，經(jīng)果林產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大，是研究區(qū)發(fā)生土壤侵蝕的主要地類。由于研究區(qū)耕地少，陡坡種植依然存在，加上粗放經(jīng)營，使得坡耕地成為該區(qū)第二大水土流失策源地。荒草地近年的棄耕地和撂荒地，應(yīng)加強(qiáng)管理。馬尾松林和矮林是研究區(qū)主要的林地，產(chǎn)流產(chǎn)沙均最小，因此應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)現(xiàn)有林地，加強(qiáng)撫育，不斷增加植被覆蓋，減少水土流失。

由于小區(qū)面積僅為7 m2，各徑流小區(qū)之間立地條件差異較大，弱化了坡度在產(chǎn)流產(chǎn)沙中的影響作用，但總體上仍能體現(xiàn)坡度越大、產(chǎn)流產(chǎn)沙越強(qiáng)這一規(guī)律。

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（編輯：王 慰）

Study on Runoff and Sediment Generated by Vegetation Recovery in Water Source Area of M iddle Route of South-To-North Water Transfer Project

LIYa-long，ZHAO Jian，DINGWen-feng
（Department of Soil and Wter Cnservation，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The typical smallwatershed in thewater source area of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Projectwas chosen to build runoff plots on five different land use typeswith slope farmland，horticulture，degradation coppice，wildgrassground，andmasson pinus.The rules of runoff and sedimentgeneration under different land use types aswell as the effect of slopes were observed.The research results showed preliminary that the rainfall processwith high intensity and short duration was themain force inducing soil and water loss in thewater source area.Among the five different land use types，the runoff and sedimentof horticulture and slope farmland were significantly higher than those of the other types.Therfore，besides enforcing the slope farmland management，controlling the soil and water loss of horticulture is also important for the vegetation recovery in thewater source area of Middle Route of South-to-North Water Transfer Project.

water source area of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project；land use；vegetation recovery；runoff and sediment generation

S157.1

A

1001－5485（2010）11－0053－05

2010-09-10

農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（2007GB23320437）；長江科學(xué)院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助（YWF0904）

李亞龍（1976-），男，河北保定人，博士，高級工程師，從事水土保持與土壤侵蝕研究工作，（電話）15902729311（電子信箱）lyalong888＠163.com。