黃土丘陵溝壑區(qū)坡向?qū)Ξa(chǎn)流產(chǎn)沙影響的研究

方海燕,蔡強國,李秋艷

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室/地貌與流域過程研究室,北京 100101;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083)

黃土丘陵溝壑區(qū)坡向?qū)Ξa(chǎn)流產(chǎn)沙影響的研究

方海燕1,蔡強國1,李秋艷2

(1.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點實驗室/地貌與流域過程研究室,北京 100101;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京 100083)

坡向;土地利用;降雨特征;產(chǎn)流產(chǎn)沙;黃土丘陵溝壑區(qū)

坡向是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要影響因素。以黃土高原岔巴溝流域新莊徑流試驗場陰坡和陽坡 2個徑流小區(qū)為研究對象,根據(jù)發(fā)生在陽坡農(nóng)地和陰坡荒坡地上的 11場降雨事件,對陽坡和陰坡上的產(chǎn)流產(chǎn)沙狀況進行了對比分析。結(jié)果表明:2個徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙差異顯著。陽坡農(nóng)地由于太陽輻射量和溫度高于陰坡,土壤含水量較低,同時表層土壤擾動較陰坡荒坡地大,土壤孔隙度高,使其產(chǎn)流能力小于陰坡;陽坡土質(zhì)疏松,沙量來源充沛,徑流含沙量和侵蝕模數(shù)大于陰坡的概率分別在88%和85%以上。降雨強度對陰坡、陽坡產(chǎn)流產(chǎn)沙差異的影響顯著,陰坡和陽坡的產(chǎn)流產(chǎn)沙均在 0.05的概率水平上受平均降雨強度的顯著影響,表現(xiàn)出平均降雨強度越大陰坡、陽坡產(chǎn)流產(chǎn)沙差異越明顯的特征,而降雨量對陰坡、陽坡產(chǎn)流產(chǎn)沙差異的影響并不明顯,這是黃土高原超滲產(chǎn)流的特征之一。

我國的黃土高原是世界上土壤侵蝕最為嚴重的地區(qū)之一,尤其是黃土丘陵溝壑區(qū)生態(tài)環(huán)境極其脆弱,嚴重侵蝕區(qū)土壤侵蝕模數(shù)達 1.5萬t/(km2?a)以上[1]。該區(qū)地貌以梁峁為主,植被稀少,水土流失嚴重,是黃河泥沙的主要產(chǎn)地。研究表明,不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動是造成嚴重土壤侵蝕的一個重要因素[2],而農(nóng)業(yè)活動多集中在陽光充沛的陽坡。

從某種意義上說,坡向是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)活動出現(xiàn)差異進而引起土壤侵蝕強度產(chǎn)生坡向差異的一個重要原因。目前,國內(nèi)外關(guān)于坡向?qū)ν寥狼治g影響的研究多集中在 20世紀(jì) 90年代以前,如:Churchill和 Yair等研究發(fā)現(xiàn),陰坡土壤侵蝕強度數(shù)倍于陽坡,并認為陰坡土壤濕度大、風(fēng)化層厚是導(dǎo)致侵蝕強度大于陽坡的重要原因[3];Berjak等也得到了類似的結(jié)論[4];Marqués等對地中海地區(qū)著火后森林土壤侵蝕狀況進行研究,發(fā)現(xiàn)陽坡的土壤侵蝕強度是陰坡的 6倍以上,認為陰坡土壤濕度大,植被覆蓋率要遠遠高于陽坡,從而大大提高了地面的抗蝕能力[5]。而 Alex van Breda對南非Ciskei地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),在非林區(qū)坡向?qū)ν寥狼治g強度的影響并不顯著[6]。

在黃土高原區(qū)域尺度上,陳浩等得出了與文獻[5]類似的結(jié)論[7]。李勉等利用137Cs技術(shù),在黃土高原風(fēng)水兩相侵蝕的一個峁坡面上,對不同坡向和坡位的土壤侵蝕進行了研究,得出了陰坡侵蝕量大于陽坡的結(jié)論[8]。

尺度是目前地學(xué)研究的一個熱點問題。如上所述,陳浩[7]已經(jīng)在區(qū)域尺度上對黃土高原土壤侵蝕的坡向差異進行了研究并得出了有意義的結(jié)論;在坡面尺度上李勉等[8]對片沙覆蓋的黃土高原風(fēng)水兩相侵蝕區(qū)進行了研究,認為陰坡由于受風(fēng)力的影響,土壤侵蝕強度大于陽坡,但對以水蝕為主的黃土丘陵溝壑區(qū)來說,坡向?qū)Ξa(chǎn)流產(chǎn)沙的影響如何,目前還未見相關(guān)研究報道。因此,本研究利用黃土丘陵溝壑區(qū)岔巴溝流域新莊徑流試驗場自然降雨事件,開展坡面尺度上坡向?qū)Ξa(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響研究,旨在對深化坡向?qū)ν寥狼治g差異影響的認識起到一定的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況

新莊徑流場位于陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的岔巴溝流域。岔巴溝流域地處黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū),流域面積 205 km2,主溝道長 24.1 km,流域形狀基本對稱,干溝與支溝相匯夾角約為60°;屬干旱少雨的大陸性季風(fēng)氣候,年降水量 450mm,降水年內(nèi)分布極不均勻,70%的降水集中在 7、8月份,且多強度大、歷時短的暴雨,實測最大降雨強度為 3.5mm/m in。由于降雨強度大、土質(zhì)疏松,因此土壤侵蝕極其嚴重,1954—1958年間的平均侵蝕模數(shù)為 15 780 t/(km2?a),最大年侵蝕模數(shù)高達 23 670 t/(km2? a)。

2 數(shù)據(jù)來源及收集

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選用的數(shù)據(jù)來自岔巴溝支流麻地溝新莊徑流試驗場,場內(nèi)共布設(shè)了 7個徑流小區(qū),用以研究不同坡長(4號和 5號徑流小區(qū)對比)和不同植被措施(1號和 2號、6號和 7號徑流小區(qū)對比)的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。陽坡光照條件較好,耕作多在陽坡進行,選擇種植農(nóng)作物的陽坡 1號徑流小區(qū)和陰坡荒坡地5號徑流小區(qū)開展由坡向引起的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究。研究所用數(shù)據(jù)來自陜北子洲徑流試驗站的實測資料,資料共記載了新莊徑流試驗場 1959—1962年 4年的觀測數(shù)據(jù)。1號和 5號徑流小區(qū)的尺寸完全相同(表 1),數(shù)據(jù)記載也較為齊全,因此研究中選取同時發(fā)生在這 2個徑流小區(qū)的 11場降雨事件,分析坡向不同導(dǎo)致土地利用類型不同而引起的產(chǎn)流產(chǎn)沙差異。

表 1 新莊徑流場 1號和 5號徑流小區(qū)概況

2.2 數(shù)據(jù)收集

在各徑流小區(qū)的平面及斜面各布設(shè) 1個自記雨量計,詳細記錄降雨過程。考慮到地形因素對降雨的影響,坡度、坡向相同的徑流小區(qū)共用 1個徑流小區(qū)的降雨資料,在小區(qū)的下部布設(shè)有三角形測流槽和集水池。產(chǎn)流過程中,通常情況下每隔1min取一次水樣,在實驗室采用烘干法測量水樣的含沙量;產(chǎn)流過程中進行水位觀測,并利用水位—流量關(guān)系曲線計算產(chǎn)流速率;每次降雨結(jié)束后,集水池里收集的水量即為該次降雨的總產(chǎn)流量,其徑流深度(H)可由總產(chǎn)流量(Q)與徑流小區(qū)面積(A)計算得到(H=Q/A);根據(jù)產(chǎn)流速率、時間間隔和測得的含沙量得到總產(chǎn)沙量,根據(jù)總徑流量和產(chǎn)沙量求得徑流的平均含沙量;侵蝕模數(shù)是每次降雨中徑流小區(qū)單位面積的產(chǎn)沙量。

為了分析坡向?qū)ν寥篮实挠绊?在新莊溝和麋山溝分水嶺兩側(cè)的陰坡和陽坡分別取土樣進行了測定。陰坡坡度為30°,地表植被為雜草,平均密度為 80株/m2;陽坡坡度為 25°,地表植被也為雜草,平均密度為 70株/m2。因此,可以認為陰坡與陽坡土壤含水率的差異主要是由坡向差異導(dǎo)致受日光照射不同而引起的。土壤含水率測定采用平時每 5天觀測一次、雨后加測的辦法,從每年的 1月 11日起至 11月 10日止,對地表及其以下土層間隔 20 cm取樣。本研究選取的最深取樣深度為 100 cm,每年每個徑流小區(qū)取樣 31次,用烘干法計算各土層深度土樣及總垂線深度上土壤的平均含水率。由于當(dāng)時新莊徑流試驗場測量不同坡向土壤含水率差異的徑流小區(qū)有限且數(shù)據(jù)收集不夠全面,故本研究選取 1961年的觀測數(shù)據(jù),觀測時間為 1月 11日至 6月 30日,共 21對測量數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

為比較 11次降雨事件中降雨量、徑流量、含沙量和侵蝕模數(shù)在陰坡和陽坡平均值的大小,利用SPSS11.0軟件包,在 0.05的概率水平上進行雙尾 t檢驗;為了解降雨特征對不同坡向徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)的影響,利用SPSS11.0軟件包在 0.05的顯著性水平上進行Spearman相關(guān)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 坡向?qū)涤晏卣鞯挠绊?/h3>

黃土高原地區(qū)從坡頂?shù)綔系椎那治g可分為濺蝕、片蝕、細溝侵蝕和溝蝕等類型[9]。本研究所選取的徑流小區(qū)均位于峁坡上,因此降雨中的擊濺侵蝕是影響土壤侵蝕坡向差異的主要原因。圖 1表明,在不同坡向上,降雨量和平均降雨強度幾乎相等。在 0.05的顯著性水平上對降雨量和平均降雨強度進行配對樣本檢驗的結(jié)果顯示,p值分別為 0.926和 0.639,表明陰坡和陽坡的降雨特征沒有顯著性差異(表 2)。因此,如果產(chǎn)流產(chǎn)沙在坡向上存在顯著性差異,那么引起這種變化的主要原因應(yīng)該是其他因素。

圖1 坡向?qū)涤晏卣鞯挠绊?/p>

表 2 1號和5號徑流小區(qū)降雨特征配對樣本t檢驗結(jié)果

3.2 坡向與產(chǎn)流

坡向不同引起土地利用方式不同,從而會對產(chǎn)流造成一定的影響。圖 2(a)顯示,陰坡小區(qū)的徑流深有 90%以上的概率大于陽坡小區(qū)的徑流深。另一個反映產(chǎn)流的參數(shù)為徑流系數(shù),它能綜合反映降雨強度、前期土壤含水率和徑流小區(qū)地表狀況等對產(chǎn)流的影響。圖 2(b)表明,陽坡徑流小區(qū)的徑流系數(shù)在0.05的顯著性水平上小于陰坡徑流小區(qū)的徑流系數(shù),呈現(xiàn)出與徑流深相似的變化趨勢。Spearman相關(guān)分析表明,降雨量的大小對產(chǎn)流的影響不如降雨強度明顯,且平均降雨強度越大,陰坡和陽坡徑流小區(qū)的徑流深和徑流系數(shù)差異越大,它們在 0.05的概率水平上越顯著相關(guān)(表 3),這揭示出黃土高原地區(qū)降雨強度大、歷時短造成超滲產(chǎn)流的特性。

圖2 坡向?qū)Ξa(chǎn)流的影響

降雨和入滲是影響產(chǎn)流的重要因素,以上分析表明,陽坡和陰坡上的降雨特征沒有顯著性差異,因而入滲是造成以上產(chǎn)流出現(xiàn)坡向差異的直接原因。黃土高原地區(qū)日照強烈,陽坡獲得的太陽輻射量要比陰坡多。此外,坡向不同地表受熱不同,使得土壤溫度和近地面氣溫也有一定的差異,陽坡通常比陰坡溫暖得多,氣溫的日變化也比陰坡大。陽坡年輻射量大、氣溫高,有利于土壤水分蒸發(fā),加上氣溫日變化大、空氣對流較陰坡強烈,因此水分易隨空氣流動而擴散出去,從而使得陰坡的土壤含水量高于陽坡(圖 3)。再者,荒坡地表層土壤較為密實,而農(nóng)地經(jīng)常翻耕破壞了土壤表層,使得陽坡土壤結(jié)構(gòu)疏松,土壤孔隙度大于陰坡。因此,陽坡農(nóng)地松散的土體較荒坡緊實的土體更有利于徑流的入滲,導(dǎo)致陽坡徑流系數(shù)較陰坡小。圖 2中陰坡荒坡的產(chǎn)流能力大于陽坡農(nóng)地是前期土壤含水量和地表土壤疏松程度二者綜合作用的結(jié)果。

圖3 陰坡荒坡和陽坡農(nóng)地不同土層深度平均含水量比較

表 3 降雨量和平均降雨強度與產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3.3 坡向與產(chǎn)沙

含沙量是直接影響產(chǎn)沙強度的一個變量,在侵蝕物質(zhì)充沛的情況下,含沙量的大小反映了徑流的輸沙能力。降雨及產(chǎn)流是引起土壤侵蝕的主要外動力因素,從某種意義上說,徑流深即表示了徑流的侵蝕能力。研究表明,土壤侵蝕強度與徑流深呈密切的正相關(guān)關(guān)系[10]。圖 2(a)顯示,在降雨特征相同的條件下,陰坡的產(chǎn)流能力大于陽坡,而在圖 4中陰坡的產(chǎn)沙能力即含沙量卻小于陽坡,這說明陰坡和陽坡地表可侵蝕松散物質(zhì)的供應(yīng)能力是不同的。陰坡荒地受人類活動的影響小,土壤表層很少擾動,緊實度高,土壤抗蝕能力強。相比之下,人類活動經(jīng)常要擾動陽坡農(nóng)地表層土壤,松散的黃土很容易被地表徑流帶走,達到徑流的最大挾沙能力,使得相同降雨條件下陽坡的含沙量有近 90%的可能性要大于陰坡﹝圖 4(a)﹞。侵蝕模數(shù)(Ys)是表征土壤侵蝕強度的一個重要指標(biāo),其值大小受徑流深(H)和含沙量(C)的直接影響,產(chǎn)流能力強并不能代表土壤侵蝕強度大。雖然陰坡的產(chǎn)流能力明顯強于陽坡,但由于陽坡土質(zhì)松散,能滿足徑流的最大挾沙能力,使得陽坡的侵蝕模數(shù)有80%以上的概率大于陰坡﹝圖 4(b)﹞。此外,降雨性質(zhì)也對產(chǎn)沙的坡向差異產(chǎn)生很大的影響:表 3中陰坡和陽坡的產(chǎn)沙差異受平均降雨強度的顯著影響,且呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,即平均降雨強度越大,陰坡與陽坡上徑流含沙量和侵蝕模數(shù)差異就會越大;但降雨量對產(chǎn)沙的影響不明顯,這是因為 1號和 5號徑流小區(qū)均布設(shè)在峁坡上,濺蝕是一種重要的侵蝕產(chǎn)沙方式。

4 結(jié) 語

(1)陰坡土壤含水率高,土壤表層緊實度大;陽坡受太陽輻射強,土壤溫度高、蒸發(fā)量大、含水率低,同時人類活動對土壤表層的擾動大,土質(zhì)松散。以上兩種因素的綜合作用,使得陰坡的入滲能力小于陽坡,徑流深和徑流系數(shù)均大于陽坡,產(chǎn)流能力強。

(2)陰坡受人類活動擾動小,土壤緊實度高;陽坡則相反,受人類活動擾動大,土質(zhì)松散。因此,陰坡的徑流不能達到最大挾沙能力,含沙量低;相反,陽坡松散的黃土物質(zhì)使得水流都能達到最大挾沙能力,含沙量高。雖然陰坡的產(chǎn)流能力強于陽坡,但因為陽坡徑流的含沙量遠遠高于陰坡,陽坡的侵蝕模數(shù)和徑流含沙量變化趨勢相似,陽坡上的徑流含沙量和侵蝕模數(shù)有 80%以上的可能性要大于陰坡。

(3)陰坡和陽坡的產(chǎn)流產(chǎn)沙在 0.05的概率水平上受平均降雨強度的影響顯著,表現(xiàn)出降雨強度越大陰坡、陽坡產(chǎn)流產(chǎn)沙差異越明顯的特征,而降雨量對陰坡、陽坡產(chǎn)流產(chǎn)沙差異的影響不明顯,這是黃土高原超滲產(chǎn)流的特征之一。

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In fluence o f Slope Exposure to Runoff Yield and Sedim ent Production in Loess H illy and Gu lly Region

FANG Hai-yan1,CAIQiang-guo1,LIQiu-yan2

(1.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;2.Civil Engineering and Water Resources College,China Agriculture University,Beijing 100083,China)(39)

Slope exposure is of an importantaffecting factorof runoff yield and sediment production of slope surface.The paper conducts a comparative analysis on the conditions of runoff yield and sediment production of sunny slope and shady slope based on 11 events of rainfall happened on sunny sloped farmland and shady sloped wasteland,by taking two runoff plots of sunny slope and shady slope in the Xinzhuang Test Site of the Chaba Watershed on the Loess Plateau as an object of study.The outcomes show that the difference of runoff yield and sediment production of the two runoff plots is obvious.Due to thehigher solar radiation and temperature of sunny slope,the soilmoisture is lower,and surface disturbance is greater,and soil porosity is higher than thatof shady sloped,which allmake the capacity of runoff yield of sunny slope smaller than thatof shady slope.The soil of sunny slope is porous,abundant source of sediment.The probability of sediment concentration and erosionmodulus of sunny slope greater than thatof shady slopearemore than 88%and 85%respectively.The influence of rain fall intensity to the difference of runoff yield and sedimentproduction ofsunny slope and shady slope are remarkable.The influenceofaverage rainfall intensity to the runoff yield and sediment production of sunny slope and shady slope at the probability of 0.05 is obviously,which shows that the greater average rainfall intensity,the clearer the difference of runoff yield and sediment production of sunny slope and shady slope will be.While the influence of rainfall to the difference of runoff yield and sedimentproduction of sunny slope and shady slope is not clear.This is one of the characteristics of runoff yield excess of the Loess Plateau.

slope exposure;land use;rainfall characteristics;runoff yield and sediment p roduction;Loess Hilly and Gully Region

S157.1

A

1000-0941(2011)05-0039-04

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃研究項目(2010CB 428404);中科院院長特別獎科研啟動專項“中國典型水土流失區(qū)水沙尺度效應(yīng)及地帶性研究”項目;水利部黃河泥沙重點實驗室基金項目(2010007);中國博士后科學(xué)基金資助項目(20090460421)

方海燕(1977— ),男,山東金鄉(xiāng)縣人,副研究員,博士,碩士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕、水土保持與生態(tài)水文研究;通信作者蔡強國(1946—),男,湖北武漢市人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕與水土保持研究。

2010-11-15

(責(zé)任編輯 趙文禮)