元謀干熱河谷林地和農(nóng)地集水區(qū)尺度水土流失對(duì)比研究

劉 海，陳奇伯，王克勤，周 玲，劉培靜，李苗苗

(1.西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224;2.云南巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650011;3.昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明 650051)

元謀縣位于云南省楚雄州北部，地處金沙江一級(jí)支流龍川江的中下游，是金沙江干熱河谷區(qū)的典型區(qū)段，屬我國(guó)西南生態(tài)脆弱區(qū)［1－2］。區(qū)內(nèi)生產(chǎn)條件落后，人口與資源矛盾突出，坡耕地面積不斷增大，成為水土流失加劇的主要根源。目前，對(duì)干熱河谷區(qū)水土流失的研究主要以坡面徑流小區(qū)尺度為主［3－5］，而以集水區(qū)尺度研究的較少。研究土地利用類型變化與水土流失關(guān)系時(shí)，坡面徑流小區(qū)無法與之匹配，較可行且有效的方法是以集水區(qū)或小流域?yàn)閱卧?，因?yàn)樵摮叨鹊难芯考缺３至颂烊粻顩r下的徑流流動(dòng)，又能避免徑流小區(qū)觀測(cè)放大了侵蝕量的不足，通過測(cè)定集水區(qū)出口處的徑流和泥沙，能有效評(píng)價(jià)流域土地利用類型、水土保持措施變化對(duì)水土流失的影響［6］。本研究選取元謀縣老城鄉(xiāng)轄區(qū)內(nèi)林地和農(nóng)地2個(gè)集水區(qū)，比較了2個(gè)集水區(qū)尺度的水土流失特征，并分析了徑流深與產(chǎn)沙量的關(guān)系，旨在為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)恢復(fù)及水土流失防治提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在元謀縣城東南部老城鄉(xiāng)“長(zhǎng)江中上游水土保持重點(diǎn)治理項(xiàng)目區(qū)”的那能小流域內(nèi)。該流域?qū)偕钋泻庸鹊蜕角鹆甑孛玻瑸榈途暥饶蟻啛釒Ъ撅L(fēng)河谷干熱氣候［2］，年均氣溫21.9℃，年均降雨量626 mm，年最大降雨量960 mm，年最小降雨量287 mm，干濕季分明，雨季(6—10月)受西南季風(fēng)和東南季風(fēng)的共同影響，降雨量多達(dá)542.4 mm，占全年總降雨量的86.65%，年蒸發(fā)量3 911.1 mm，旱季長(zhǎng)達(dá)7～8個(gè)月。四季不分明，全年基本無霜，被譽(yù)為“天然溫室”［7］。土壤類型主要為燥紅土、紅壤、變性土、紫色土，而燥紅土和紫色土是該區(qū)地帶性土壤的典型代表［3］，燥紅土土層薄、石礫含量較高、保水性差、有效養(yǎng)分缺乏，紫色土是一種強(qiáng)侵蝕性土壤。植被類型為稀樹灌木草叢，喬木主要有云南松(Pinus yunnanensis)、桉樹(Eucalyptus spp.);灌木矮小稀疏，代表樹種有銀合歡(Leucaena glauca)、余甘子(Phylanthus emblica)、車桑子(Dodonaea viscosa);草本代表植物有扭黃茅(Heteropogon contortus)、旱茅(Eremopogon delavayi)。試驗(yàn)地植被以銀合歡、車桑子及扭黃茅群落為主，散生劍麻和少量野生華西小石積(Osteomeles schwerinae)。

2 研究方法

選擇2種不同土地利用類型林地集水區(qū)和農(nóng)地集水區(qū)為研究對(duì)象，設(shè)立卡口站，集水區(qū)量水建筑物選用三角形薄壁堰，采用Odyssey電容式水位記錄儀與人工量測(cè)相結(jié)合方法量測(cè)水位，用RG2－M自記雨量計(jì)測(cè)定試驗(yàn)區(qū)每場(chǎng)降雨的降雨量及降雨歷時(shí)。集水區(qū)土地利用現(xiàn)狀見表1。

徑流總量為堰池內(nèi)徑流體積和過堰徑流體積之和。堰池內(nèi)徑流體積計(jì)算式為V1=h×A，其中h為堰池水深，A為堰池底面積;過堰徑流體積計(jì)算式為V2=Q1×t，其中Q1為過堰流量，采用三角形薄壁堰測(cè)流量計(jì)算公式Q1=1.4×H5/2(H為過堰水頭)［6］計(jì)算，t為徑流過堰持續(xù)時(shí)間。集水區(qū)推移質(zhì)泥沙采用體積法、懸移質(zhì)泥沙采用置換法測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征及其變化

元謀干熱河谷特殊的氣候條件及焚風(fēng)效應(yīng)，使得區(qū)內(nèi)干熱程度加劇且降雨量減少。據(jù)元謀氣象站觀測(cè)資料，試驗(yàn)區(qū)2010年雨季降雨41次，總降雨量386.4 mm，占雨季多年平均降雨量的71.24%，較往年偏少且降雨量分配不均。研究區(qū)2010年降雨特征見表2。

從表2可以看出，6、7、8月降雨次數(shù)較多，7月降雨類型最為豐富且降雨量達(dá)189.2 mm，高于多年平均值，占雨季總降雨量的48.96%，其他月份降雨量均遠(yuǎn)小于相應(yīng)的多年平均降雨量。元謀縣2009年下半年至2010年5月8日滴雨未降，屬百年不遇的重大旱情，5月9日出現(xiàn)降雨，但5、6月降雨量?jī)H分別為9.2、55.0 mm，降雨量過小，旱情并未得到緩解。7月降雨次數(shù)增多，降雨量猛增且高于多年平均值，僅7月28日的單次降雨量就達(dá)101.8 mm，表明暴雨是元謀干熱河谷降雨量增加的主要形式。雨季若降雨時(shí)間較為集中，即便降雨量較小也可產(chǎn)生徑流。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年集水區(qū)產(chǎn)流降雨為12次，占總降雨次數(shù)的29.26%，表明干熱河谷地區(qū)年降雨總量中，大部分降雨屬小強(qiáng)度降雨和全部入滲的小量降雨，并不能產(chǎn)生徑流。

表1 2010年集水區(qū)土地利用現(xiàn)狀

表2 研究區(qū)2010年6—10月降雨特征

3.2 不同集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)比分析

影響水土流失的因素較多且比較復(fù)雜，其中降雨是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的動(dòng)力條件［7］，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量隨降雨量的變化而變化。研究降雨量少且集中的干熱河谷集水區(qū)降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系，對(duì)認(rèn)識(shí)該區(qū)水土流失特征具有重要意義。2010年2個(gè)集水區(qū)12次產(chǎn)流降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征值對(duì)比見表3。

表3 2010年2個(gè)集水區(qū)12次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征值對(duì)比

表3顯示：徑流深總值為農(nóng)地＞林地。不論是產(chǎn)流量還是產(chǎn)沙量均為降雨量大其值則大，7月28日產(chǎn)流降雨量為101.8 mm，2個(gè)集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙值均達(dá)到最大;12次產(chǎn)流降雨中降雨量在4.8～27.6 mm之間時(shí)，徑流深基本趨勢(shì)為農(nóng)地＜林地，原因在于農(nóng)地中旱地、裸地及稀疏草地的植被覆蓋度較低、土壤疏松、土層比較深厚，其水分入滲速率、總孔隙率和持水性都較高，溝道及跌坎地類覆蓋部分雜草幾近裸露，導(dǎo)致大量降雨直接打擊地表的機(jī)會(huì)增加，當(dāng)降雨量較小時(shí)，這些地類吸持水的能力比林地強(qiáng)，所以徑流量會(huì)較林地小。同時(shí)，隨著降雨量的繼續(xù)增加，農(nóng)地集水區(qū)中旱地、裸地、溝道及跌坎等地類達(dá)到飽和狀態(tài)后土壤保水能力降低，土壤水分飽和之后的降雨則全部形成徑流;水泥路面徑流系數(shù)較大，除較少降雨入滲外，其余均形成地表徑流，使得農(nóng)地的產(chǎn)流速率增大，這些均是造成農(nóng)地在降雨量較大時(shí)徑流深較大的原因。

表3表明，農(nóng)地產(chǎn)沙量一直遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于林地，原因在于降雨量較小時(shí)，林地雖產(chǎn)流較多，但植被覆蓋率較高的林地、稀疏草地，其植被冠層截留降雨使降雨量削減，保存較好的枯枝落葉層能降低徑流流速［8］，使徑流在地面上滯留的時(shí)間延長(zhǎng)，增加了土壤下滲時(shí)間，使得土體比較緊實(shí)，沙粒不易被起動(dòng)和搬運(yùn)，從而減少了徑流所攜帶的泥沙;植物根系盤結(jié)、保持水土，從根本上保護(hù)和改良了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤免遭侵蝕的能力，因此能減少水土流失。農(nóng)地集水區(qū)中旱地、裸地、稀疏草地、溝道及跌坎等地類土質(zhì)比較疏松，人為對(duì)表土的干擾比較大，又非長(zhǎng)期有覆蓋度較高的作物保護(hù)，因此較林地更易遭受雨滴的打擊和徑流對(duì)表土的沖刷、搬運(yùn)，從而使土壤流失量增加。特別是7月28日產(chǎn)流降雨量為101.8 mm時(shí)，農(nóng)地徑流深、產(chǎn)沙量遠(yuǎn)高于林地，說明持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的大雨、暴雨易造成嚴(yán)重的水土流失。

2010 年雨季林地、農(nóng)地總徑流深分別為9.56、25.01 mm，產(chǎn)沙量分別為218.04、354.08 t/km2。與農(nóng)地相比，林地徑流深減少了61.77%，輸沙模數(shù)減少38.42%。結(jié)合表1，林地植被覆蓋度65%，遠(yuǎn)高于農(nóng)地(30%)，說明覆蓋度高的植被有較好的調(diào)節(jié)徑流、保水與抗侵蝕作用，故林地的總產(chǎn)流量較小，所攜帶的泥沙量也較少。農(nóng)地集水區(qū)地類豐富且缺少植被覆蓋，其徑流深與產(chǎn)沙量均很大?？梢娏值?cái)r蓄徑流、削減泥沙的效果要優(yōu)于農(nóng)地。

3.3 不同集水區(qū)產(chǎn)流與產(chǎn)沙之間的關(guān)系

通過對(duì)林地與農(nóng)地2個(gè)集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙值進(jìn)行分析，剔除7月28日的奇異值，建立不同集水區(qū)產(chǎn)沙量(S)與產(chǎn)流量(W)之間的線性方程，結(jié)果見表4。從表4可以看出，兩個(gè)集水區(qū)的相關(guān)系數(shù)(R2)都在0.61以上，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)沙量隨徑流深的變化而變化。從直線斜率來看，林地為78.078，農(nóng)地為270.45，前者明顯小于后者，表明產(chǎn)流量接近時(shí)農(nóng)地產(chǎn)沙量增大的速率高于林地，林地的水土保持效果明顯好于農(nóng)地。

表4 2個(gè)集水區(qū)產(chǎn)流與產(chǎn)沙相關(guān)方程

4 結(jié)語

(1)元謀干熱河谷區(qū)年降雨總量中，大部分降雨屬低強(qiáng)度降雨，雨量小、入滲量大，并不能產(chǎn)生徑流，暴雨才是該區(qū)徑流產(chǎn)生的主要降雨方式。2010年雨季產(chǎn)流降雨為12次，占總降雨次數(shù)的29.26%。

(2)與農(nóng)地集水區(qū)相比，林地集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量總值低，徑流深減少61.77%，輸沙模數(shù)減少38.42%。有效降雨在4.8～27.6 mm之間時(shí)，徑流深為農(nóng)地＜林地，產(chǎn)沙量為農(nóng)地＞林地;有效降雨量＞27.6 mm時(shí)，徑流深、產(chǎn)沙量均為農(nóng)地＞林地，林地、農(nóng)地總徑流深分別為 9.56、25.01 mm，產(chǎn)沙量分別為218.04、354.08 t/km2。

(3)2個(gè)集水區(qū)的相關(guān)系數(shù)都達(dá)0.61以上，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)沙量隨產(chǎn)流量的增加而增加，且產(chǎn)流量相近時(shí)農(nóng)地產(chǎn)沙量增長(zhǎng)速率要高于林地，林地的水土保持效果要明顯好于農(nóng)地。

［1］張榮祖.橫斷山區(qū)干熱河谷［M］.北京：科學(xué)出版社，1992：324－364.

［2］王克勤，陳奇伯.金沙江干熱河谷人工生態(tài)林的林分環(huán)境分析［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2003，1(1)：74 －79.

［3］劉芝芹，王克勤，李艷梅.金沙江干熱河谷坡面降雨產(chǎn)流特征的分析［J］.石河子大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，28(2)：227－231.

［4］楊建霞，雷孝章，邱景，等.5°～25°坡耕地徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律［J］.中國(guó)水土保持科學(xué)，2008，6(z1)：30 －34.

［5］陳奇伯，王克勤，劉芝芹，等.金沙江干熱河谷封禁管護(hù)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征［J］.水土保持研究，2006，13(4)：217 －219.

［6］李智廣，張光輝，劉秉正，等.水土流失測(cè)驗(yàn)與調(diào)查［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005：12 －13.

［7］陳奇伯，王克勤，李金洪，等.元謀干熱河谷坡耕地土壤侵蝕造成的土壤退化［J］.山地學(xué)報(bào)，2004，22(5)：528 －532.

［8］張明忠，朱紅業(yè)，沙毓滄，等.金沙江干熱河谷草被凋落物的分解率與持水性能［J］.水土保持研究，2010，17(2)：156－159.