黃土丘陵區(qū)緩坡地不同土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)

靳婷，趙文武?，趙明月，徐海燕

(1.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京師范大學(xué))，100875，北京;2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，100875，北京;3.山東財(cái)經(jīng)大學(xué)工商管理學(xué)院，250014，濟(jì)南)

黃土丘陵區(qū)緩坡地不同土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)

靳婷1，2，趙文武1，2?，趙明月1，2，徐海燕2，3

(1.地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京師范大學(xué))，100875，北京;2.北京師范大學(xué)資源學(xué)院，100875，北京;3.山東財(cái)經(jīng)大學(xué)工商管理學(xué)院，250014，濟(jì)南)

探討緩坡土地利用方式與水土流失之間的作用機(jī)制，對(duì)于黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失治理具有積極意義。利用中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站2009—2011年間小區(qū)定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討緩坡谷子地(F)、柳枝稷地(S)、撂荒地(A)、2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子－1/3撂荒地(FA)5種土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)，結(jié)果表明:1)緩坡谷子地(F)的徑流量最大，受短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨影響顯著;2)7月是產(chǎn)生徑流的敏感時(shí)期;3)土地利用方式S、A、FS、FA與F相比，具有不同程度的減流效應(yīng)，減流效應(yīng)大小順序?yàn)锳＞S＞FA＞FS;4)植被覆蓋度的增加對(duì)減少緩坡產(chǎn)流量起到積極作用，但當(dāng)降雨量、降雨強(qiáng)度較大時(shí)，植被覆蓋削減徑流的作用會(huì)被減弱。

徑流量;土地利用方式;降雨;緩坡地;黃土丘陵區(qū)

水土流失是黃土丘陵區(qū)的重要環(huán)境問題［1－2］，該區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)為0.30萬 ～2.47萬 t/km2［3］。為控制水土流失的進(jìn)一步加劇，推進(jìn)西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)，我國從1999年開始實(shí)施了退耕還林(草)政策［4－6］:凡是水土流失嚴(yán)重、糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)的坡耕地和沙化耕地，應(yīng)按照國家批準(zhǔn)的規(guī)劃實(shí)施退耕還林(草)。經(jīng)過10多年的建設(shè)，黃土丘陵區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)已發(fā)生重大變化，陡坡耕地的數(shù)量大幅度減少，緩坡耕地的比例顯著增加。近些年，較多學(xué)者開展了對(duì)緩坡地不同土地利用方式或不同土地利用處理措施方面的研究，并取得相關(guān)研究成果［7－10］。例如有學(xué)者基于紅壤緩坡地、紅壤丘崗緩坡地開展不同土地經(jīng)營模式、不同土地利用處理措施的水土流失效應(yīng)研究，也有學(xué)者選擇皖西大別山緩坡地、洋河流域緩坡地研究不同人工草地建植效益、不同土地利用方式的徑流輸出特征。而對(duì)黃土丘陵區(qū)緩坡地不同土地利用方式的水土流失現(xiàn)狀關(guān)注較少。因此，為更好地服務(wù)西部生態(tài)環(huán)境建設(shè)，筆者以黃土區(qū)緩坡地為研究對(duì)象，通過野外實(shí)驗(yàn)小區(qū)的長期定位監(jiān)測(cè)，探討緩坡地不同降雨條件下不同土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)，對(duì)比不同土地利用方式減流效應(yīng)的差異，以期為現(xiàn)階段黃土丘陵區(qū)緩坡地水土保持提供理論基礎(chǔ)。

研究小區(qū)位于中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(CERN)安塞水土保持綜合試驗(yàn)站(E 109°19＇23″，N 36°51＇30″)。安塞站地處黃土高原腹地，屬典型黃土丘陵溝壑區(qū)。該地區(qū)年平均氣溫8.8℃，年平均降水量505.3 mm，其中60%集中在7—9月份。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫹虬敫珊颠^渡區(qū)，土壤類型處于黃綿土與沙黃土的交錯(cuò)區(qū)，植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原區(qū)［11］。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)小區(qū)位于5°緩坡，小區(qū)水平投影面積為4 m×10 m。實(shí)驗(yàn)中配置了5種土地利用方式(圖1)，分別為:谷子地(F)、柳枝稷地(S)、撂荒地(A)、2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子－1/3撂荒地(FA)，其中復(fù)合土地利用方式(FS、FA)布設(shè)了3次重復(fù)。在每個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)的下方連接有2個(gè)規(guī)格相同的徑流桶，分別為第1徑流桶和分流桶，2桶之間為7孔分流(圖2)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 降雨量 降雨量數(shù)據(jù)是自動(dòng)記錄雨量計(jì)RG3－M(翻斗式雨量記錄儀，分辨率0.2 mm)所記錄的降雨數(shù)據(jù)(包括降雨量、降雨歷時(shí)等)。

1.2.2 徑流量 在2009—2011年間進(jìn)行小區(qū)定位監(jiān)測(cè)，在每次侵蝕性降雨事件發(fā)生后，依次量取第1徑流桶和分流桶(圖2)中的水深。再根據(jù)徑流桶中水深換算成徑流總量。

式中:R為徑流量，cm3;r為徑流桶半徑，cm;h1、h2分別為第1徑流桶和分流桶中的水深，cm。

1.2.3 減流效應(yīng) 為比較其他土地利用方式相比谷子地的減流差異，按以下公式計(jì)算減流效應(yīng):

式中:EL為相比谷子地(F)的減流效應(yīng)，%;Ei為某一種土地利用方式i的徑流量，cm3;Ef為谷子地(F)的徑流量，cm3。EL越大，表示減流效應(yīng)越明顯。

1.2.4 植被覆蓋度 通過目視估測(cè)小區(qū)植被覆蓋度。針對(duì)復(fù)合土地利用方式，采取以下公式測(cè)算小區(qū)植被覆蓋度:

式中:CFS為2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)的小區(qū)植被覆蓋度，%;CFA為2/3谷子－1/3撂荒地(FA)的小區(qū)植被覆蓋度，%;CF為小區(qū)內(nèi)谷子地(F)的植被覆蓋度，%;CS為小區(qū)內(nèi)柳枝稷地(S)的植被覆蓋度，%;CA為小區(qū)內(nèi)撂荒地(A)的植被覆蓋度，%。

2 結(jié)果與分析

在2009—2011年間共觀測(cè)到13次坡面產(chǎn)流過程，共312組數(shù)據(jù)?；谟^測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同降雨條件、不同植被覆蓋變化下5種土地利用方式(F、S、A、FS、FA)的產(chǎn)流效應(yīng)。

2.1 次降雨條件下不同土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)

綜合分析2009—2011年間次降雨條件下不同土地利用方式的產(chǎn)流量(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，次降雨徑流量受次降雨量、次降雨強(qiáng)度的顯著影響，其中與短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨密切相關(guān)，1、2次的暴雨往往是年徑流量變化的主要原因。例如，在2009年7月7日與7月16日的2次降雨總量約占全年總降雨量的50%，而5種土地利用方式的徑流量則占到了全年徑流總量的76%～80%。在2010年8月11日的降雨量和降雨強(qiáng)度最大，5種土地利用方式的徑流量均最大，占據(jù)了全年徑流量的71% ～94%。在2011年，5種土地利用方式的徑流量主要產(chǎn)生于7月30日與8月14日的2次降雨，所產(chǎn)生的徑流量占全年徑流總量的93% ～94%。其中，8月14日的短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨，盡管其降雨量不大;但由于其降雨強(qiáng)度最大(0.22 mm/min)，所產(chǎn)生的徑流量也較大，其中谷子地(F)的產(chǎn)流量超過270 L，產(chǎn)流量最小的撂荒地(A)也在60 L以上。

對(duì)于不同土地利用方式而言，次降雨徑流量大小順序均是F＞FS＞FA＞S＞A，其中撂荒地(A)產(chǎn)流最少，這與試驗(yàn)中撂荒地(從2006年由裸地形成)地表植被物種多樣、基本不受人類活動(dòng)影響有關(guān)。此外，不同土地利用方式的植被蓋度對(duì)減少徑流量影響顯著。植被覆蓋能夠有效削減雨滴對(duì)地面的打擊力，從而有效減少徑流量。如在2009年，隨著5種土地利用方式植被覆蓋度平均值由32%增加到77%，5種土地利用方式的次降雨產(chǎn)流量明顯減少，減少幅度最大在92% ～94%之間。2010年也表現(xiàn)出相似規(guī)律。然而5種土地利用方式在2011年8月14日的產(chǎn)流量受植被覆蓋度影響較小，原因是8月14日降雨量(43.4 mm)大、降雨強(qiáng)度(0.22 mm/min)高，導(dǎo)致產(chǎn)流量顯著增加。表明當(dāng)降雨量、降雨強(qiáng)度較大時(shí)，植被覆蓋削減徑流的作用會(huì)被減弱。

2.2 月降雨條件下不同土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)

按不同月份分析緩坡地上不同土地利用方式產(chǎn)流量可知，2009—2011年不同土地利用方式的月徑流量大小均是F＞FS＞FA＞S＞A(圖4)。相比其他4 種土地利用方式(S、A、FS、FA)，谷子地(F)的月產(chǎn)流量最大，為撂荒地(A)的2～5倍。

從月產(chǎn)流量分布(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，在2009年，盡管8月降雨量比7月略多1.4 mm，但是5種土地利用方式7月徑流量是8月的3.2～4.0倍;在2011年，7月降雨量遠(yuǎn)小于8月，僅為8月降雨量的39%，但是單一土地利用方式(F、S、A)的7月徑流量為8月的43% ～67%:由此可以發(fā)現(xiàn)，7月相比8月易發(fā)生坡面產(chǎn)流，是產(chǎn)生徑流的敏感期。

從圖4也可以發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度的增加能夠有效減少月徑流量。如在2009年8月，5種土地利用方式植被覆蓋度的平均值約為7月的2倍，而8月相比7月的月徑流量卻大大減少，其減少幅度為69%～75%;但是，2011年植被覆蓋度的增加對(duì)5種土地利用方式的減流作用不顯著，這主要與8月降雨量偏高(為136.4 mm，顯著大于其他月份的降雨量)有關(guān)。

圖3 次降雨條件下不同土地利用和植被覆蓋的徑流量Fig．3 Runoff of different land use types and vegetation cover under individual rainfall events

此外，從圖5可以看出，土地利用方式S、A、FS、FA與F相比，均表現(xiàn)出顯著減少徑流的作用，其減流效應(yīng)大小順序?yàn)锳 ＞S＞FA＞FS;其中撂荒地(A)的月減流效應(yīng)最為顯著，為2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)月減流效應(yīng)的1.7～8.7倍。

2.3 年降雨條件下不同土地利用方式的產(chǎn)流效應(yīng)

綜合分析2009、2010與2011年的年徑流量(圖6)可知，2009與2010年5種土地利用方式的年徑流量比較接近，都較小，而2011年5種土地利用方式的年徑流量較大。例如2011年谷子地(F)的徑流量為2009、2010年的2～3倍，撂荒地(A)的徑流量為2009、2010年的1～2倍。這主要與2011年8月14日的降雨有密切關(guān)系，期間降雨強(qiáng)度異常高，為0.22 mm/min，明顯大于其他次降雨事件的降雨強(qiáng)度。因此，1、2次的高強(qiáng)度降雨事件往往對(duì)年徑流量產(chǎn)生重要影響。

由圖6也可以看出，全年植被覆蓋狀況對(duì)年徑流量的減少起到積極作用。2011年5種土地利用方式年徑流量大，是受降雨量(190.2 mm)、降雨強(qiáng)度(0.09 mm/min)的主要影響，而受植被覆蓋度的影響較小。這種現(xiàn)象表明，當(dāng)降雨量、降雨強(qiáng)度較大時(shí)，植被覆蓋對(duì)緩坡地產(chǎn)流的抑制作用會(huì)被減弱。

從圖6可知，5種土地利用方式的年徑流量大小順序均為F＞FS＞FA＞S＞A。與谷子地(F)相比，其他4種土地利用方式(S、A、FS、FA)存在不同程度的年減流效果(圖7)，其年減流效應(yīng)大小順序?yàn)锳＞S＞FA＞FS。例如撂荒地(A)的年減流效應(yīng)為2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)的2～4倍。就不同年份而言，隨著植被覆蓋度增加，減流效果總體上越顯著。如當(dāng)4種土地利用方式(S、A、FS、FA)的植被覆蓋度平均值由63%增加到81%時(shí)，它們相比谷子地(F)的年平均減流效應(yīng)則由39%增加到了48%(圖7)。

圖4 月降雨條件下不同土地利用和植被覆蓋的徑流量Fig．4 Runoff volume of different land use types and vegetation cover under monthly rainfall events

圖5 不同土地利用方式的月減流效應(yīng)Fig．5 Reduction effect of different land use types on monthly runoff

圖6 年降雨條件下不同土地利用和植被覆蓋的徑流量Fig．6 Runoff of different land use types and vegetation cover under annual rainfall events

3 結(jié)論與討論

1)從實(shí)驗(yàn)小區(qū)次降雨、月降雨、年降雨條件下徑流量分布可知，徑流量與降雨量、降雨強(qiáng)度關(guān)系密切，其受短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨影響顯著。5種土地利用方式徑流量大小順序?yàn)镕＞FS＞FA＞S＞A，其中谷子地(F)是緩坡地上產(chǎn)流量最多的土地利用方式。2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子－1/3撂荒地(FA)與谷子地(F)相比具有明顯的減流效果，與前人［12］結(jié)論相似。其中，2/3谷子－1/3撂荒地(FA)的減流效果更明顯。

2)觀察不同時(shí)期植被覆蓋度的狀況，可知植被覆蓋度的增加對(duì)次徑流量、月徑流量、年徑流量的減少起到積極作用。通過提高植被覆蓋度能夠有效減少產(chǎn)流量;但是當(dāng)高強(qiáng)度降雨事件發(fā)生時(shí)，植被覆蓋削減地表產(chǎn)流的效果會(huì)被減弱。通過觀察不同月份產(chǎn)流量，可知7月比8月更易發(fā)生產(chǎn)流效應(yīng)，原因可能是7月地表植被相對(duì)稀疏，易發(fā)生水土流失［13－14］。

圖7 不同土地利用方式的年減流效應(yīng)Fig．7 Reduction effect of different land use types on annual runoff

盡管本研究從緩坡地實(shí)驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)流量的角度進(jìn)行分析，對(duì)不同土地利用方式與徑流量大小之間的關(guān)系有了初步了解，但是對(duì)深層次的作用機(jī)制仍不是很清楚，需要結(jié)合其他方面(例如土壤物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)方面［15－17］)來進(jìn)一步開展實(shí)驗(yàn)研究。

本實(shí)驗(yàn)得到了中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站有關(guān)老師、同學(xué)的大力幫助與支持，在此特致最誠摯的敬意和謝意!

4 參考文獻(xiàn)

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Effect of different land use types on runoff on gentle slopes:A case study in the loess hilly area，China

Jin Ting1，2，Zhao Wenwu1，2，Zhao Mingyue1，2，Xu Haiyan2，3

(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Beijing Normal University，100875，Beijing;2.College of Resources Science and Technology，Beijing Normal University，100875，Beijing;3.College of Economic and Urban Management，Shandong University of Finance and Economics，250014，Jinan:China)

Study on the action mechanism between land use types and soil erosion on gentle slopes is of significance on controlling water and soil erosion in the loess hilly area.Based on the study in research plots(from 2009 to 2011)at Ansai Integrated Experimental Station of the Chinese Academy of Sciences，effects of different land use types on runoff on gentle slope were discussed.Five land use types were selected，including millet field(F)，switchgrass field(S)，abandoned land(A)，two－thirds millet and one－third switchgrass field(FS)，two－thirds millet and one－third abandoned land(FA).The results showed that:1)Compared with the other four land use types(S，A，F(xiàn)S，F(xiàn)A)，runoff produced in millet field(F)was the most，and runoff was affected with high rainfall intensity significantly.2)In the whole observation period，July was the sensitive time of producing runoff.3)Compared with millet field(F)，other four land use types(S，A，F(xiàn)S，F(xiàn)A)had positive effects on runoff reduction to different extent，and rank of the effect was A＞S＞FA＞FS.4)For the five land use types(F，S，A，F(xiàn)S，F(xiàn)A)，increase of vegetation coverage was beneficial to runoff ruduction but the effect could be weakened when rainfall and rainfall intensity were large.

runoff;land use types;rainfall;gentle slope;loess hilly area

2012－01－18

2012－05－14

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金“黃土丘陵溝壑區(qū)土地利用與土壤流失關(guān)系的尺度效應(yīng)分析”(105560GK);中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新青年人才項(xiàng)目“黃土丘陵區(qū)淤地壩固碳功能的形成機(jī)制與時(shí)空變異”(KZCX2－YW－QN408);長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃“土壤水文與土壤侵蝕”(IRT1108);地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目“黃土丘陵溝壑區(qū)坡面尺度土地利用格局變化的水土流失效應(yīng)”(2008－ZY－08)

靳婷(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:土地利用與生態(tài)過程。E－mail:jinting@mail.bnu.edu.cn

?責(zé)任作者簡介:趙文武(1976—)，男，博士，副教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向:土地利用與生態(tài)過程。E－mail:zhaoww@bnu.edu.cn

(責(zé)任編輯:程 云)