黃土高原典型區(qū)植被對水土流失影響研究

汪明霞 ，王衛(wèi)東 ，高保林

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水文與水資源系,河南 開封 475004；2.水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.區(qū)域水土資源高效利用研究中心,河南 開封 475004；4.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司測繪信息工程院，河南 鄭州 450003）

0 引言

植被是抵抗土壤侵蝕的重要因子，對預(yù)防水土流失有著重要的作用。這是因為，植被葉面可以降低雨滴擊打動能，提高地表糙率；發(fā)達(dá)的根系可有效減少土壤侵蝕量，增加降雨入滲率；腐爛的植被覆蓋物可以提高土壤的物理化學(xué)性能。早在1959年，Wischmeier等就把植被覆蓋作為土壤侵蝕的一個影響因子，引入土壤流失估算方程，提出了通用流失方程（USLE）［1］。國內(nèi)許多研究者也根據(jù)通用流失方程，對植被因子進(jìn)行了研究，并建立了植被覆蓋度與侵蝕的關(guān)系。但是，通用流失方程中的植被因子主要是針對年植被因子作用，不適用于次暴雨模型［2～6］。本研究選擇位于黃土高原的西峰站南小河溝、天水梁家坪、綏德辛店溝徑流場為分析對象，研究次降雨條件下植被覆蓋度對土壤侵蝕的影響。

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源和研究方法

1．1 研究區(qū)概況

西峰水土保持科學(xué)試驗站徑流場位于慶陽市西峰區(qū)的南小河溝流域。南小河溝系涇河支流蒲河左岸的溝道，地理位置為 107°37′E、35°42′N，海拔1 050～1 432 m，屬隴東黃土高原溝壑區(qū)。流域年平均降水量534．4 mm，年均氣溫9℃，無霜期160 d左右。其地貌主要有塬面、坡、溝谷3種類型。塬面坡度平緩，多在5°以下。坡是連接塬與溝谷的紐帶，坡度一般為10°～20°。溝谷坡度一般在25°以上。流域內(nèi)，除下游溝床內(nèi)有白堊紀(jì)砂巖裸露以外，其他地面全部為黃土覆蓋。

綏德辛店溝位于無定河中游左岸，海拔990～1 010 m，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第一副區(qū)。該區(qū)黃土層深厚，土質(zhì)疏松，土壤主要為黑壚土型的侵蝕土，屬粉沙壤土和極細(xì)沙壤土，有機質(zhì)含量0．3%左右。綏德辛店溝年平均降水量475．9 mm，年平均氣溫 10．2℃，無霜期160 d左右。

天水梁家坪位于東經(jīng) 105°33′， 北緯 34°35′，海拔高度1 190～1 240 m，屬渭河上游黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)。地面坡度大多在10°左右，為不整齊的臺階形坡地。土壤主要為黑褐土型的侵蝕土，成土母質(zhì)為次生黃土，質(zhì)地疏松腐殖質(zhì)含量低。該區(qū)多年平均氣溫11．1℃，年均無霜期為183 d，多年平均年降水量為 538．2 mm。

1．2 數(shù)據(jù)來源

西峰南小河溝徑流區(qū)采用1973～1986年李1、魏9徑流場（坡度均為8°～10°）和人工牧草徑流場（坡度為20°）的觀測資料。各徑流場水平投影坡長為20m，寬為5m，土質(zhì)為黃土，種植草為苜蓿。

綏德辛店溝徑流區(qū)整編資料選取1955～1960年農(nóng) 8、農(nóng) 11、農(nóng) 5、農(nóng) 2、農(nóng) 15 徑流場（黃土、坡度28°）的觀測資料。各徑流場水平坡長為20 m，種植作物為高粱、豇豆、谷子等。

天水梁家坪徑流區(qū)選用1956～1957年農(nóng)8、農(nóng)9、農(nóng)10、農(nóng)11徑流場的觀測資料。各徑流場坡度為14°，土質(zhì)為中壤土，水平投影坡長為20 m，寬5 m，主要種植作物有冬小麥、蕎麥、苜蓿等。

1．3 研究方法

運用 SPSS11．5軟件和 EXCEL2003軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，了解土壤侵蝕與植被覆蓋度的影響，探求黃土高原不同典型區(qū)徑流小區(qū)土壤侵蝕量與植被覆蓋度的函數(shù)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2．1 時間與植被覆蓋度的關(guān)系

根據(jù)典型區(qū)徑流場資料統(tǒng)計描述的植被覆蓋資料，從觀測年的5月份開始，建立時間與植被覆蓋度的關(guān)系圖（如圖1所示）。

圖1表明，從6月初到9月底，各徑流場植被覆蓋度均為先增大，后穩(wěn)定并有所減小。不同地區(qū)不同農(nóng)作物植被覆蓋度基本都在7月底至8月底達(dá)到最大值。

圖1 植被覆蓋度隨時間變化Fig.1 Vegetation coverage changes by time

2．2 相同坡度下植被蓋度對土壤侵蝕影響

對坡面徑流場來說，在地形因素影響不大的情況下，影響土壤侵蝕發(fā)生變化的只有降雨因素和植被覆蓋度。按植被覆蓋度的大小，將各典型區(qū)徑流場所發(fā)生的產(chǎn)流降雨進(jìn)行分組統(tǒng)計，結(jié)果如表1和圖2所示。

由表1和圖2可以看出，隨著植被覆蓋度的增加，西峰、天水、綏德地區(qū)的土壤平均侵蝕量均呈減少的趨勢。這主要是因為，在植被覆蓋度較小的情況下，植被對降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕影響不明顯，而隨著覆蓋度的增加，植被減緩雨滴動能的能力增強，從而減緩降雨對土壤的侵蝕。即，隨著植被覆蓋度的增加，植被因子的影響越來越重要。西峰地區(qū)植被覆蓋度為0%～20%時，土壤侵蝕量、徑流量均最大，分別為 407．61 t／km2和 3 780．47 m3／km2； 植被覆蓋度為40%～60%時的土壤侵蝕量、徑流量降低幅度最大（與20%～40%植被覆蓋度的土壤侵蝕量相比），土壤侵蝕量減少了56．96%，徑流量減少了84．27%。這進(jìn)一步說明，人工草地覆蓋度＜40%時，減水、減沙效果不明顯；當(dāng)覆蓋度＞60%時，雖然仍有一定的徑流產(chǎn)生，但含沙量低，消減土壤侵蝕的作用比較穩(wěn)定。因此，40%～60%的植被覆蓋度區(qū)間是南小河溝流域人工草地建設(shè)的“有效植被覆蓋度區(qū)間”。綏德地區(qū)徑流量最大值出現(xiàn)在植被覆蓋度為40%～60%時，為8 054．47 t／km2；土壤侵蝕量最大值出現(xiàn)在植被覆蓋度 0～20%時，為 2 686．32 t／km2（該區(qū)間徑流量為 7 771．8 m3／km2，相對也較高）。植被覆蓋度 20%～40%時，同0－20%植被覆蓋度相比，土壤侵蝕量降低了46．6%、徑流量降低了29．4%，降低幅度最大。這說明，農(nóng)地徑流場覆蓋度＞20%時，減沙效果很顯著。雖然徑流量在汛期仍會有所增長，但由于植被的影響，土壤侵蝕量有所下降。因此，20%～40%的植被覆蓋度區(qū)間是綏德地區(qū)的“有效植被覆蓋度區(qū)間”。

表1 黃土高原典型區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙與覆蓋度關(guān)系分級統(tǒng)計Table 1 Relations between runoff and sediment production and vegetation coverage of Loess Plateau typical area

圖2 黃土高原典型區(qū)植被覆蓋度對土壤侵蝕影響關(guān)系圖Fig.2 Affection of Loess Plateau typical area vegetation coverage to soil erosion

水土流失與植被蓋度之間的關(guān)系非常復(fù)雜，相同坡度下，坡面徑流量、侵蝕量的大小是降雨、土壤滲透能力、植被、草叢及根系等共同影響的結(jié)果。所以，直接以植被覆蓋度與徑流量或侵蝕量相關(guān)來判斷植被對徑流及侵蝕的關(guān)系，同樣得不到理想的結(jié)果。綏德、西峰、天水典型區(qū)的產(chǎn)流方式一般屬于超滲產(chǎn)流，即當(dāng)降雨強度超過土壤的入滲率時，就產(chǎn)生地表徑流。因此，當(dāng)考慮降雨特征值的組合因素后，相同坡度植被覆蓋度與徑流量、侵蝕量之間便存在一定的聯(lián)系。利用上述觀測資料，進(jìn)行降雨量P（mm）、平均雨強 I平均（mm／min）、植被覆蓋度 C（%）與水土流失量之間的回歸分析，得到如下關(guān)系式。

綏德地區(qū)：

式（1）～式（6）中：P 為次降雨量，mm；I平均為次降雨的平均雨強，mm／h；C為植被覆蓋度，%；M為侵蝕模數(shù) t／km2；H 為徑流水深，mm。

以上方程經(jīng)F檢驗，均達(dá)到0．05顯著水平，植被覆蓋度C項的偏回歸系數(shù)t檢驗，達(dá)0．01顯著水平。這表明，植被覆蓋度顯著的影響坡面土壤侵蝕，且隨著植被覆蓋的增加，土壤侵蝕減小。

3 結(jié)語

（1）西峰、綏德地區(qū)隨著植被覆蓋度的增加，土壤平均侵蝕量均呈減少的趨勢。

（2）南小河溝流域及綏德辛店溝的“有效植被覆蓋度區(qū)間”分別是40%～60%和20%～40%。

（3）利用綏德、西峰、天水典型區(qū)觀測資料，進(jìn)行降雨量、平均雨強、植被覆蓋度與水土流失量之間的回歸分析。各回歸方程經(jīng)F檢驗，均達(dá)到0.05顯著水平，植被覆蓋度的偏回歸系數(shù)t檢驗，達(dá)到0.01顯著水平。

（4）植被對土壤的抗蝕作用除植被覆蓋度這一影響因子外，植被根系的貢獻(xiàn)也是十分重要的。因此，在今后的工作中，應(yīng)根據(jù)實際情況，進(jìn)行新的徑流小區(qū)的布設(shè)，開展植物根部消能減蝕作用的探索，對該模型及植被對水土流失的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究，并加強對相關(guān)土壤物理性綜合因子的調(diào)查研究。

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