黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地減沙水代價(jià)分析

嚴(yán) 麗, 蔣 碧, 莊需印, 王 飛

(1.衢州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 衢州 324000;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地減沙水代價(jià)分析

嚴(yán) 麗1, 蔣 碧1, 莊需印1, 王 飛2

(1.衢州市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司, 浙江 衢州 324000;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

以裸坡農(nóng)地為對(duì)照，根據(jù)黃土丘陵溝壑區(qū)三大副區(qū)人工草地徑流小區(qū)多年的觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地減沙水代價(jià)(Rrs)特征及其與各影響因素之間的關(guān)系。結(jié)果表明：人工草地在不同地區(qū)其平均Rrs存在差異，且變化幅度較大，整體上丘陵溝壑第二副區(qū)大于第一副區(qū)和第三副區(qū)；不同牧草輪作下條播草木樨的Rrs最大，較自然草坡高25%，其Rrs表現(xiàn)為：條播草木樨>撒播苜蓿>草木樨>苜蓿>自然草坡；草田帶狀間輪作的Rrs表現(xiàn)為：草木樨/農(nóng)作物>苜蓿/農(nóng)作物，且草田帶狀間輪作的Rrs明顯高于牧草輪作；人工草地Rrs與汛期降水量、侵蝕模數(shù)呈較好的指數(shù)反比關(guān)系，與最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)呈線性反比關(guān)系。

黃土丘陵溝壑區(qū); 人工草地; 減沙水代價(jià); 徑流; 泥沙

水土保持在減少侵蝕的同時(shí)對(duì)流域徑流的影響及其方向是水土流失治理中一個(gè)亟待回答的問題。在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，水土保持的效益更多考慮的是保護(hù)土地資源，對(duì)水資源的影響往往被忽略。20世紀(jì)80年代以前只考慮到水土保持有利于雨水資源的充分利用，而很少考慮水土保持措施對(duì)水資源的影響[1]。然而隨著水土保持措施的蓄水?dāng)r沙效果開始顯現(xiàn)，黃河上中游和下游用水矛盾也越來越突出。同時(shí)，為了減輕下游河道淤積，每年的耗用水量較多，這都使得可開采利用的徑流資源量相對(duì)減少，從而進(jìn)一步加劇了水資源供需矛盾[2-3]。因此，有關(guān)黃土高原區(qū)域水土保持對(duì)黃河流域地表水資源、水環(huán)境的影響倍受重視[3-4]，王飛[5]、曹文洪[6]提出了在黃土高原應(yīng)采取具有節(jié)水性能的水土保持措施。

人工種草措施在減少土壤侵蝕的同時(shí)必然消耗水資源，減少進(jìn)入河流的徑流量[6-9]，但減少的程度是多少尚無定論。有研究表明林草地具有良好的吸水、蓄水與透水能力，一般吸水量為自身重量的2～2.5倍[10-11]，劉元保[12]、馮浩[13]等運(yùn)用人工降雨的方式研究了人工草地、荒草地在黃土性土壤陡坡地上的水土保持效益，這些研究均表明草地的減水減沙效應(yīng)很明顯，且削減徑流作用明顯弱于減沙作用。然而，長(zhǎng)期以來人們都是分開考慮人工草地對(duì)徑流和泥沙的影響程度，故王飛[14-15]提出了水土保持措施減沙水代價(jià)方法可以更直觀地表明人工種草措施對(duì)徑流和泥沙同步影響的差異。研究人工草地的減沙水代價(jià)特征及其區(qū)域分異規(guī)律，可以增加對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地調(diào)控徑流泥沙能力的認(rèn)識(shí)，為黃土高原水土保持措施類型和區(qū)域配置提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 分析資料

用于分析的部分資料為地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)黃土高原區(qū)域數(shù)據(jù)共享運(yùn)行服務(wù)中心的共享資料，根據(jù)黃河水利委員會(huì)等機(jī)構(gòu)的野外實(shí)測(cè)資料整理。選取黃土高原綏德辛店溝(1954—1960年)、西峰南小河溝楊家溝(1954—1963年)、天水大柳樹溝(1945—1957年)、延安大砭溝(1958—1967年)、綏德韭園溝(1955—1964年)、綏德王茂溝(1961—1964年)、綏德想她溝和小石溝(1960—1961年)、山西離石王家溝(1957—1968年)、黃龍寺溝(1960—1967年)、彬縣鳴玉池溝(1960—1964年)以及商縣草廟溝(1960—1964年)部分場(chǎng)次人工草地徑流小區(qū)的基本情況資料，包括徑流場(chǎng)汛期徑流泥沙資料、逐次徑流泥沙測(cè)驗(yàn)資料以及降雨量摘錄等多年觀測(cè)資料作為樣本資料，系統(tǒng)分析不同牧草輪作、草田輪作的減沙水代價(jià)，汛期降雨量、降雨強(qiáng)度和汛期泥沙量與人工草地減沙水代價(jià)之間的關(guān)系以及人工草地減沙水代價(jià)的區(qū)域分異規(guī)律。徑流小區(qū)坡度為20°～35°，坡長(zhǎng)為10～30 m，小區(qū)面積為100～800 m2，小區(qū)種植的牧草主要是草木樨(Melilotussuaveolwna)和苜蓿(Medicagosativa)，草田帶狀間作主要是草木樨/玉米(Zeamays)、草木樨/糜子(Panicummiliaceum)、草木樨/馬鈴薯(Solanumtuberosum)、苜蓿/玉米(Sativamays)、苜蓿/谷子(Setariamillet)、苜蓿/扁豆(Dolichoslablab)，草地的蓋度變化范圍為0～100%。主要的播種方式有條播、撒播、草田間作和草田輪作。

1.2 分析方法

(1) 減沙水代價(jià)的概念。水土保持措施在減少坡面泥沙的同時(shí)，也會(huì)減少坡面徑流量并影響徑流過程，由于不同措施減少徑流和泥沙的機(jī)理不同，減少單位泥沙時(shí)減少的徑流量會(huì)有所不同。為此，研究者提出水土保持措施減沙水代價(jià)概念[14]，用于研究不同措施對(duì)徑流和泥沙同步影響的差異性。水保措施減沙水代價(jià)，是指某項(xiàng)水保措施在減少單位坡面或河道泥沙時(shí)減少的徑流量。評(píng)價(jià)指標(biāo)是減流減沙比(Ratio of detained Runoff and Sediment，Rrs)，定義為水利、水保措施減少的徑流量與減少的泥沙量之比，用下式計(jì)算：

Rrs=Rd/Sd

(1)

式中：Rrs——減流減沙比(m3/t)；Rd，Sd——某種水利、水保措施減少的徑流量(m3)、泥沙量(t)。從定義可以看出，Rrs為揭示水土保持措施對(duì)坡面徑流和泥沙影響同步性差異的指標(biāo)，Rrs越大，措施減少單位泥沙時(shí)減少的徑流量越多，不同措施減少相同徑流量時(shí)，減少的泥沙量越小。如果考慮河流的水沙組合和黃河流域水資源現(xiàn)狀，Rrs小的水土保持措施在減少相同泥沙時(shí)對(duì)徑流量的影響越小，也就是說，在黃河泥沙減少的同時(shí)，對(duì)徑流量與河道水資源的影響就小些，將更有利于水資源在流域內(nèi)部的再分配。

(2) 分析方法。對(duì)于單項(xiàng)措施，減水減沙效益是水土保持措施相對(duì)于坡耕地或裸露地減少的徑流量和產(chǎn)沙量，而降雨對(duì)黃土高原坡面的土壤侵蝕有重要影響。故本文選擇0°～30°裸露的農(nóng)地徑流小區(qū)(8年248次平均產(chǎn)流量產(chǎn)沙量)作為對(duì)照，計(jì)算不同降雨條件和年侵蝕模數(shù)下人工種草措施相對(duì)于裸露地的減水減沙量，按照公式(1)計(jì)算，從而得到人工種草措施在各影響因素的交互影響下的減沙水代價(jià)并進(jìn)行相關(guān)分析，尋求與其影響因素的關(guān)系及種草措施減沙水代價(jià)的區(qū)域規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地區(qū)坡面人工草地減沙水代價(jià)特征

黃河流域人工種草措施在不同地區(qū)其減沙水代價(jià)(Rrs)存在一定的差異，其變化幅度較大，其Rrs最小值和最大值分別為3.57，10.13 m3/t，差異為2.84倍(表1)。不同區(qū)域坡面人工草地減沙水代價(jià)同樣存在著區(qū)域分異特征。處在黃土丘陵溝壑第一副區(qū)的綏德辛店溝、綏德韭園溝、綏德想她溝、綏德王茂溝、山西離石王家溝坡面人工草地減沙水代價(jià)的平均值為5.85 m3/t，處在黃土丘陵溝壑第二副區(qū)的延安大砭溝、黃龍寺溝人工草地減沙水代價(jià)平均值為9.2 m3/t，在黃土丘陵溝壑第三副區(qū)的西峰南小河溝和天水大柳樹溝，人工草地減沙水代價(jià)平均值為7.02 m3/t，即在黃土丘陵溝壑第一、二、三副區(qū)，坡面水土保持措施在減少1 t泥沙量的同時(shí)平均減少的徑流量分別為5.85，9.2，7.02 m3。這說明在黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地減少相同量泥沙時(shí)，黃土丘陵溝壑第二副區(qū)人工草地對(duì)徑流的影響較大，黃土丘陵溝壑第一副區(qū)對(duì)徑流的影響較小。分析認(rèn)為，這與各項(xiàng)措施對(duì)坡面徑流量和泥沙量影響的同步程度差異有關(guān)，也與采取不同的種植方式、選擇不同草類、草地的覆蓋度等有密切的關(guān)系[16-17]。

表1 黃土高原不同區(qū)域坡面人工草地減沙水代價(jià)

2.2 典型人工草地的減沙水代價(jià)

牧草較其他農(nóng)作物而言，其主要特點(diǎn)是種植密度大，因此地表覆蓋度大，而且土壤表層內(nèi)根系發(fā)達(dá)，不僅能網(wǎng)絡(luò)固持土壤，建立起穩(wěn)固的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，且腐爛根系提高有機(jī)質(zhì)含量，固定土壤表層，改善土壤理化性能，又提高了土壤的滲透能力、持水能力，增強(qiáng)土壤抵御侵蝕力的能力[18]。從表2可以看出，普通種植草木樨的減沙水代價(jià)值為0.78～13.44 m3/t，平均值為7.9 m3/t；條播草木樨為2.01～19.29 m3/t，平均值為8.61 m3/t；普通種植苜蓿為0.46～18.63 m3/t，平均值為7.19 m3/t；撒播苜蓿為2.58～9.69 m3/t，平均值為8.59 m3/t；自然草坡為4.64～8.56 m3/t，平均值為6.46 m3/t。因此，從減沙水代價(jià)大小來看，不同牧草輪作下條播草木樨的Rrs最大，較自然草坡高25%，其Rrs表現(xiàn)為：條播草木樨>撒播苜蓿>草木樨>苜蓿>自然草坡。草田帶狀間輪作下，草木樨/農(nóng)作物的Rrs介于2.12～25.15 m3/t，平均值為14.53 m3/t；苜蓿/農(nóng)作物為1.87～23.17 m3/t，平均值為13.95 m3/t。因此，對(duì)于草田帶狀間輪作而言，草木樨/農(nóng)作物的Rrs較苜蓿/農(nóng)作物高4%，其Rrs表現(xiàn)為：草木樨/農(nóng)作物>苜蓿/農(nóng)作物，且草田帶狀間輪作的減沙水代價(jià)(Rrs)明顯高于牧草輪作。這是因?yàn)槟敛菖c農(nóng)作物(玉米)輪作，既可以增加地表覆蓋度，又發(fā)揮了牧草根系和高稈農(nóng)作物大根系網(wǎng)絡(luò)固持土壤的作用，增強(qiáng)土壤滲水、蓄水和抵抗徑流沖蝕的能力[11]。因此其減沙水代價(jià)較大，在減少單位泥沙時(shí)減少的徑流量大。

表2 人工草地減沙水代價(jià)

2.3 人工草地減沙水代價(jià)與汛期降水量、I30、年侵蝕模數(shù)的關(guān)系

2.3.1 人工牧草減沙水代價(jià)與汛期降水量的關(guān)系 由圖1可知，黃土高原坡面人工種草措施減沙水代價(jià)與汛期降水量之間呈反比關(guān)系，隨著降雨量的增加減沙水代價(jià)逐漸降低，其擬合公式為：

Rrs=23.591e-0.0034Px

(2)

式中：Rrs——減沙水代價(jià)(m3/t)；Px——汛期降雨量(mm)；公式(2)的決定系數(shù)為0.312 8，Sig=0.01。由此表明，在黃土高原坡面人工種草措施下的減沙水代價(jià)與汛期降雨量之間的關(guān)系較好，二者呈明顯的指數(shù)反比關(guān)系，而且相關(guān)性水平為顯著，汛期降雨量越大，種草措施下的減沙水代價(jià)就越小。

由上面的分析可以看出，黃土高原坡面人工種草措施下的減沙水代價(jià)與汛期降雨量的關(guān)系較好，二者呈反比例關(guān)系，即隨著降雨量的增大，種草措施的減沙水代價(jià)減小。這種關(guān)系的出現(xiàn)跟牧草的生長(zhǎng)特點(diǎn)有關(guān)，牧草的種植密度大，覆蓋面積廣，且牧草地下根系發(fā)達(dá)，固土能力較強(qiáng)，能夠改善土壤的物理性質(zhì)，更好地提高坡面土壤的抗侵蝕能力，在暴雨和大暴雨中活地被物對(duì)減少土壤侵蝕的作用非常顯著，而對(duì)徑流影響不大[19]，因此隨著降雨量的增加，人工草地措施減水量增加較快，而減沙量減少幅度較緩，故人工草地的減沙水代價(jià)逐漸減小。

圖1 人工草地減沙水代價(jià)與汛期降水量之間的關(guān)系

2.3.2 人工牧草減沙水代價(jià)與最大30 min降雨強(qiáng)度的關(guān)系 由圖2可知，黃土高原坡面人工種草措施減沙水代價(jià)與I30之間呈線性關(guān)系，擬合曲線為

Rrs=-4.4035I30+7.8166

(3)

式中：Rrs——減沙水代價(jià)(m3/t)；I30——最大30 min降雨強(qiáng)度(mm/min)；公式(3)的決定系數(shù)達(dá)到0.598 7，Sig=0.01，說明二者擬合相關(guān)性較好，相關(guān)性較強(qiáng)。黃土高原坡面人工種草措施減沙水代價(jià)與I30之間能夠呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，且二者表現(xiàn)為反比的關(guān)系，隨著最大30 min降雨強(qiáng)度的增加，種草措施下的減沙水代價(jià)減小。這主要是因?yàn)榈乇矸N草措施在一定程度上能夠增加地表的覆蓋度，減少地面的直接打擊，降低徑流沖刷。在雨強(qiáng)較大的時(shí)候?qū)Φ孛娴拇驌粼黾?，產(chǎn)生水土流失，產(chǎn)沙量大而產(chǎn)水量小，措施的減沙水代價(jià)隨著雨強(qiáng)的增加而降低。

圖2 人工草地減沙水代價(jià)與I30的關(guān)系

2.3.3 人工牧草減沙水代價(jià)與年侵蝕模數(shù)的關(guān)系 由圖3可知，種草措施減沙水代價(jià)與年侵蝕模數(shù)呈指數(shù)關(guān)系，且呈反比關(guān)系，其擬合方程為：

Rrs=12.265e-1E-05Ws

(4)

式中：Rrs——人工種草措施減流減沙比(m3/t)；Ws——年侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]；公式(4)的決定系數(shù)達(dá)到0.366 5，Sig=0.02，說明二者擬合相關(guān)性較好。說明隨年侵蝕模數(shù)的增加人工種草措施的減沙水代價(jià)逐漸減小，當(dāng)年侵蝕模數(shù)無限增大時(shí)，人工種草措施減沙水代價(jià)趨于穩(wěn)定。

圖3 人工草地減沙水代價(jià)與年侵蝕模數(shù)的關(guān)系

3 結(jié) 論

坡面人工種草措施對(duì)坡面徑流和泥沙的調(diào)控機(jī)制不同，在減少1 t泥沙時(shí)對(duì)水資源的影響程度也不同；因此，在不同降雨強(qiáng)度和汛期降雨量條件下水土保持措施減沙水代價(jià)不同，同一措施在年侵蝕模數(shù)不同時(shí)減沙水代價(jià)也存在差異。減沙水代價(jià)概念可以有效衡量不同措施減少等量泥沙時(shí)對(duì)徑流影響的程度。故本文通過對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地減沙水代價(jià)特征的分析，探討了黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地減沙水代價(jià)特征及其與各影響因素之間的關(guān)系，揭示其區(qū)域分異規(guī)律并得出以下結(jié)論：

(1) 在黃土丘陵溝壑區(qū)人工草地在不同地區(qū)的減沙水代價(jià)(Rrs)存在一定的差異，其變化幅度較大，Rrs最小值和最大值分別為3.57，10.13 m3/t，差異為2.84倍；黃土丘陵溝壑第一、二、三副區(qū)人工草地的平均Rrs分別為5.85，9.2，7.02 m3/t，總體來看，人工草地在黃土丘陵溝壑第二副區(qū)減少相同泥沙量時(shí)對(duì)徑流的影響較大，在黃土丘陵第一副區(qū)減少泥沙時(shí)對(duì)徑流的影響較小。這與選取不同草類、不同種植和播種方式、草地的覆蓋有密切的關(guān)系。

(2) 坡面人工草地減沙水代價(jià)與汛期降水量關(guān)系密切，呈較好的指數(shù)反比關(guān)系，水土保持措施減沙水代價(jià)隨著汛期降雨的增大而呈減小趨勢(shì)；人工草地減沙水代價(jià)受最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)影響較大，這與王萬忠[20]、蔡強(qiáng)國(guó)[21]發(fā)現(xiàn)的黃土高原坡面次降雨流失量與次降雨量相關(guān)性差，與I30存在很好的相關(guān)關(guān)系的結(jié)論基本一致。隨著降雨強(qiáng)度增加，人工草地減沙水代價(jià)與I30之間能夠呈現(xiàn)較好的線性反比關(guān)系，隨著I30的增加，人工草地減沙水代價(jià)減小；人工草地減沙水代價(jià)與年侵蝕模數(shù)相關(guān)性較好，隨年侵蝕模數(shù)的增加人工造林措施的減沙水代價(jià)減小，當(dāng)年侵蝕模數(shù)無限增大時(shí)，林草措施減沙水代價(jià)趨于穩(wěn)定。

(3)對(duì)比分析了黃土丘陵溝壑區(qū)坡面典型的人工草地減沙水代價(jià)，結(jié)果表明各單項(xiàng)措施的Rrs表現(xiàn)較為復(fù)雜：不同牧草輪作下條播草木樨的Rrs最大，較自然草坡高25%，其Rrs表現(xiàn)為：條播草木樨>撒播苜蓿>草木樨>苜蓿>自然草坡；對(duì)于草田帶狀間輪作而言，草木樨/農(nóng)作物的Rrs較苜蓿/農(nóng)作物高4%，其Rrs表現(xiàn)為：草木樨/農(nóng)作物>苜蓿/農(nóng)作物，且草田帶狀間輪作的Rrs明顯高于牧草輪作。

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Cost for Runoff and Sediment Control of Artificial Grassland at the Plot Scale in the Loess Hill and Gully Region

YAN Li1, JIANG Bi1, ZHUANG Xuyin1, WANG Fei2

(1.QuzhouDesignCo.,Ltd.ofWaterConservancy&Hrdropower,Quzhou,Zhejiang324000,China; 2.InstituteofSoil，WaterConservation,NorthwestA&FUniversity,ChineseAcademyofSciences,MinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The study was conducted to compare cost for water and sediment control (Rrs) of different artificial grasses based on perennially monitoring data of loess hill and gully region and the bare slope set as control. And then the characteristics ofRrsof artificial grass and the relations among various influence factors were systematically analyzed. The results showed that the averageRrsof the artificial grass were different in different regions and had large differences, the averageRrsof the artificial grass of the second sub-region of hill and gully area of the Loess Plateau is greater than the first and the third sub-regions; for different forage managements,Rrsof sweet clover rotation is 25% greater than that of the natural grass slope. TheRrsof forages decreased in the order: drillingMelilotussuaveolwna>broadcastingMedicagosativa>Melilotussuaveolwna>Medicagosativa>slope with natural grass. TheRrsof grass rotation decreased in the order:Melilotussuaveolwna>Medicagosativaand it was bigger than that of forage rotation; theRrsof artificial grass and precipitation, soil erosion modulus presented the inverse exponential correlations,Rrsof grass measures andI30showed the good inversely linear relationship.

loess hill and gully region; artificial grass; cost of water and sediment control; runoff; sediment

2014-03-20

2014-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41171420);中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-04-07-04)

嚴(yán)麗(1985—),女,甘肅武威人,助理工程師,碩士研究生,主要從事水土保持方案編制、水土保持規(guī)劃研究。E-mail:yl821629@126.com

王飛(1971—),男,陜西戶縣人,副研究員,碩士生導(dǎo)師，主要從事水土保持環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)與流域管理研究。E-mail:wafe@ms.iswc.ac.cn

P333.4; S157.2

1005-3409(2015)05-0062-05