伊犁河谷不同草地類型坡面水土保持效應(yīng)的模擬降雨試驗(yàn)

仲亞婷, 張文太, 黃俊華, 張佩佩, 張少博, 王 飛

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林業(yè)研究所, 新疆 烏魯木齊 830052； 4.新疆伊犁哈薩克自治州水利局, 新疆 伊寧 835000)

伊犁河谷不同草地類型坡面水土保持效應(yīng)的模擬降雨試驗(yàn)

仲亞婷1, 張文太2, 黃俊華1, 張佩佩2, 張少博3, 王 飛4

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與園藝學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052;2.新疆土壤與植物生態(tài)過程實(shí)驗(yàn)室 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 林業(yè)研究所, 新疆 烏魯木齊 830052； 4.新疆伊犁哈薩克自治州水利局, 新疆 伊寧 835000)

[目的] 研究一定降雨條件下，伊犁河谷地區(qū)3個不同草地類型徑流小區(qū)的減流減沙效果，以期為該區(qū)的水土保持工作提供借鑒。 [方法] 采用野外人工模擬降雨的方法。[結(jié)果] (1) 幾種草地類型初始產(chǎn)流時間的長短依次為：角果藜>伊犁蒿>狗牙根>裸地； (2) 徑流速率由大到小依次為：裸地>伊犁蒿>狗牙根>角果藜； (3) 泥沙含量由大到小依次為：裸地>伊犁蒿>狗牙根>角果藜; (4) 狗牙根減流因子的數(shù)值處于0.21～0.58之間，伊犁蒿的減流因子處于0.14～0.87之間，角果藜的減流因子則在0.02～0.11之間，狗牙根減沙因子的數(shù)值在0.16～0.76之間，角果藜的減沙因子處于0～0.42之間，伊犁蒿的減沙因子則在0.42～0.88之間。 [結(jié)論] 水土保持效益最好的是角果藜，其次為狗牙根與伊犁蒿，裸地效果最差。

伊犁河谷; 模擬降雨; 草地類型; 水土流失

新疆地區(qū)是全國水土流失較嚴(yán)重的地區(qū)之一。根據(jù)全國各省份水力侵蝕強(qiáng)度分級面積統(tǒng)計(jì)顯示，新疆水土流失的總面積已達(dá)8.7×104km2，其中輕度侵蝕面積為6.4×104km2，強(qiáng)烈侵蝕面積為2.5×103km2[1]。而伊犁河谷又是新疆水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。伊犁河谷的水土流失面積已達(dá)3.7 km2，占新疆水土流失總面積的43%[2]。因此，在新疆這個水土保持工作相對薄弱的地區(qū)，進(jìn)行水土流失的試驗(yàn)與研究就顯得尤為重要。長期以來，國內(nèi)外許多學(xué)者在植被減蝕作用方面開展了大量研究。德國土壤學(xué)家沃倫是利用野外試驗(yàn)小區(qū)研究植被影響的第一人，他發(fā)現(xiàn)植被能防止土壤侵蝕，由此揭開了人類利用林草植被措施控制水土流失的序幕[3]。侯喜祿等[4]通過徑流小區(qū)試驗(yàn)，對比了不同沙打旺草地的水保效益。熊運(yùn)阜等[5]通過野外徑流小區(qū)的實(shí)測資料分析，得出了不同質(zhì)量的梯田、林地、草地的蓄水保土效益及草地的覆蓋度與土壤侵蝕量的關(guān)系。羅偉祥等[6]在陜西永壽縣設(shè)置徑流試驗(yàn)小區(qū)，對比研究了人工刺槐林與人工草地的水土保持特性，結(jié)論為：人工林地>人工草地。史銀志[7]則對伊寧市北山坡的土壤侵蝕特性進(jìn)行過預(yù)報(bào)模型研究，通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度越大，土壤侵蝕程度越小。王大慶[8]則對新疆天池自然保護(hù)區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況進(jìn)行過試驗(yàn)研究，得出徑流速率與產(chǎn)沙量的大小為：裸地>落葉林>雪嶺云杉。桑盛國[9]也對新疆山區(qū)流域的植被保水效果進(jìn)行過探討，發(fā)現(xiàn)油松林、沙棘林、云杉林和草類等植物對土壤的抗沖擊性排序?yàn)椋河退闪?草類>沙棘。雖然前人的研究有一定的參考價值，但在新疆境內(nèi)，尤其是伊犁地區(qū)該方面的研究成果還非常少。通過廣大學(xué)者的研究還發(fā)現(xiàn)，采用野外模擬降雨法研究植被水保效應(yīng)的較少，對不同草地類型條件下的土壤侵蝕研究較少。所以本研究通過野外模擬降雨試驗(yàn)，在以往研究的基礎(chǔ)上，分析這3種不同的草地類型對產(chǎn)流、入滲、產(chǎn)沙過程的影響，以期在理論上為全面理解植被與土壤侵蝕的關(guān)系提供參考，為合理地評價3種草地類型的生態(tài)效應(yīng)提供依據(jù)，同時在實(shí)踐上為伊犁河谷地區(qū)草地資源的合理利用提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于中國天山山脈西部，北、東、南3面環(huán)山，構(gòu)成“三山夾兩谷”的地貌輪廓，地處80°09′—84°56′E，42°14′—44°50′N。伊犁河谷氣候溫和濕潤，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫10.4 ℃，年平均日照時數(shù)2 870 h，年蒸發(fā)量1 410～1 887 mm，無霜期150～179 d，年均降水量205.8～512.1 mm，山區(qū)達(dá)600 mm，是整個新疆最濕潤的地區(qū)。河谷內(nèi)土壤侵蝕和土地退化較為嚴(yán)重,主要有水力侵蝕、重力侵蝕和風(fēng)力侵蝕，因此，做好此地區(qū)的水土保持工作非常關(guān)鍵[10]。

1.2 徑流小區(qū)

野外人工模擬降雨試驗(yàn)于2015年8月在伊寧市巴彥岱鎮(zhèn)水利局附近的徑流小區(qū)進(jìn)行，數(shù)據(jù)測量和分析工作于9月完成。試驗(yàn)選在鐵場溝流域的巴彥岱鎮(zhèn)內(nèi)，該區(qū)域有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)16座，年均降水量為257.5 mm，年平均氣溫為8.4 ℃。流域位于鐵廠溝流域，流域平均坡度為12o，地貌類型為低山丘陵區(qū)，土壤主要為灰鈣土，土壤侵蝕多為風(fēng)力與水力侵蝕[11]。該區(qū)的草地類型是多年旱生的叢生禾草與半灌木，草層平均高度為38 cm，保水性較差，易侵蝕，植被恢復(fù)難度也較大。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

本試驗(yàn)采用的便攜式全自動人工模擬降雨裝置QYJY-501(西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司生產(chǎn))由3種規(guī)格的噴頭組合降雨，從而形成從小到大的雨強(qiáng)。為了能與伊犁地區(qū)的平均降雨量相符，使用最小的那個噴頭來模擬降雨，通過連續(xù)調(diào)整，把雨強(qiáng)控制在37 mm/h。人工模擬降雨裝置的降雨均勻系數(shù)>0.8，降雨高度為2 m。在野外試驗(yàn)過程中，根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的特點(diǎn)，同時依據(jù)草地類型、坡度等立地條件，在山坡上設(shè)置徑流小區(qū)。本研究選擇4個自然小區(qū)進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，每個徑流小區(qū)都在斜坡上，試驗(yàn)坡度為12o，降雨面積設(shè)定在1 m2之內(nèi)。選擇狗牙根(Cynodondactylon)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、伊犁蒿(Artemisiatransitiensi)作為供試植物，并和裸地進(jìn)行對比。根據(jù)實(shí)地調(diào)研和資料反映的來看，所選小區(qū)里的這幾種植物可以基本代表伊犁河谷區(qū)域典型的草地類型。其中狗牙根的株高為10～30 cm，對徑流坡面的覆蓋度為70%；角果藜株高為5～30 cm，對坡面的覆蓋度為80%；伊犁蒿株高為40～80 cm，對坡面的覆蓋度為60%(表1)。試驗(yàn)前期土壤含水量：降雨后為17%，降雨前為4%。

降雨時間定為1 h，每場降雨時間間隔為10 min。整個試驗(yàn)均在無風(fēng)條件下進(jìn)行，為防止雨滴飄浮，降雨區(qū)還須架設(shè)風(fēng)障。在所有徑流小區(qū)坡下都安裝了管道，管道下置大型鐵罐，鐵罐內(nèi)放有水桶。在人工降雨過程中，應(yīng)注意觀察其產(chǎn)流時間，當(dāng)產(chǎn)流開始后，每隔4 min用事先編好號的200 ml瓶子從水桶內(nèi)收集1次徑流產(chǎn)物，一般情況采集15個樣本。記錄每個小區(qū)的初始產(chǎn)流時間，以及每4 min的產(chǎn)流量，直至降雨結(jié)束，用來測定徑流速率與減流因子。(減流因子=某種植被的徑流速率/裸地的徑流速率)。最后將采集的所有樣本帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行含沙量的測定。

采用烘干法測定產(chǎn)沙量[12]。選用一定數(shù)量的燒杯，標(biāo)好號后依次稱重。將采樣瓶中的樣品充分搖勻，用量筒量取一定體積后全部倒入燒杯中，把采樣瓶和量筒用水沖洗干凈，沖洗物也要一并倒入燒杯中。將所有燒杯放入烘箱，在105 ℃恒溫下烘干至恒重，隨后將燒杯移入干燥皿中冷卻至常溫，進(jìn)而稱重。運(yùn)用公式計(jì)算含沙量與減沙因子。減沙因子=某種植被的含沙量/裸地的含沙量。含沙量=(烘干后重量—燒杯重量)/樣本的體積,單位為g/ml。

表1 徑流小區(qū)基本概況

2 結(jié)果與分析

2.1 不同的草地類型與產(chǎn)流時間的關(guān)系

不考慮其他外界因素的影響，產(chǎn)流時間越長，說明這種植物涵蓄水源、攔截降雨、固沙與保持水土的能力越強(qiáng)，更要對這種類型的植物進(jìn)行重視[13]。角果藜的初始產(chǎn)流時間最長。因?yàn)槭堑谝粓鼋涤?，風(fēng)吹、架桶均有影響，加上土壤結(jié)構(gòu)良好、團(tuán)粒含量較高、土壤入滲速率較大，再者角果藜對徑流小區(qū)的覆蓋度相對較大且其發(fā)達(dá)的根系對土壤顆粒具有纏繞固結(jié)作用，所以，延緩了產(chǎn)流時間[14]。狗牙根的初始產(chǎn)流時間略大于伊犁蒿，裸地的產(chǎn)流時間最短(表2)。狗牙根的枝葉稠密且光滑堅(jiān)韌，匍匐莖平鋪地面且擴(kuò)展能力強(qiáng)，相對減少了降雨對徑流小區(qū)的直接沖擊，所以對產(chǎn)流的減緩作用稍大于伊犁蒿。裸地上面沒有植被的覆蓋，無法有效地?cái)r截降雨，減少雨滴的擊濺。足以證明一定植被的種植對保持水土、減少土壤流失有重要的作用。所以，初始產(chǎn)流時間的長短依次為：角果藜>伊犁蒿>狗牙根>裸地。

表2 3種草地類型和裸地的初始產(chǎn)流時間

2.2 不同草地類型與徑流速率的關(guān)系

角果藜的徑流速率最小，隨著時間的增加，變化趨于穩(wěn)定；狗牙根的徑流速率稍高于角果藜，且波動較小(圖1)。因?yàn)橄啾容^而言，角果藜和狗牙根的植被覆蓋度較大。對于植被覆蓋度較高的地表，植被對降雨進(jìn)行截流的同時，其根系也可以使得土壤孔隙度增加，使得降雨下滲增強(qiáng)；另一方面，地表覆蓋物可以有效地緩解雨滴對土壤表面的沖擊，防止了對土壤表層結(jié)構(gòu)的破壞，因此，其徑流速率明顯變小。伊犁蒿和裸地的徑流速率相對較高，且變化幅度較大。因?yàn)橐晾巛飳搅餍^(qū)的覆蓋度較小，覆蓋度低的地表，對降雨的截留作用差，同時雨滴的打擊作用也改變著地表的結(jié)構(gòu)特征,使得土體結(jié)構(gòu)較為密實(shí),減少了下滲能力，使得徑流速率較大[15]；而裸地小區(qū)無植物含蓄水源，土壤孔隙小且不易下滲，所以徑流速率明顯提升。在第16～36 min內(nèi)，伊犁蒿的徑流速率高于裸地(圖1)。由于受地形及外部護(hù)欄的影響，產(chǎn)流時阻擋因素變小，且水渠較為平整，積水容易流出，加上風(fēng)向的影響，雨降到旁邊植被覆蓋率低的位置上，所以地表徑流量明顯增大。通過圖表，可以看出這幾種草地類型徑流速率的大小依次為：裸地>伊犁蒿>狗牙根>角果藜。最后，運(yùn)用公式求其減流因子。得出角果藜減流因子的數(shù)值處于0.02～0.11之間，用同樣方法算得狗牙根的減流因子處于0.21～0.58之間，伊犁蒿的減流因子則在0.14～0.87之間。所以，角果藜能在最大程度上減少徑流，狗牙根次之，伊犁蒿最差。

圖1 3種不同的草地類型和裸地的徑流速率

2.3 不同草地類型與含沙量的關(guān)系

角果藜產(chǎn)沙量最低，最高值僅為0.001 1 g/ml，說明這種植被的減沙作用是非常有效的。因?yàn)槠渲脖桓采w度是最大的，能夠有效地?cái)r截降雨，從而降低降雨能量，減少降雨侵蝕力。其次是狗牙根，初始含沙量相對較高，考慮到擊濺情況的發(fā)生，泥沙容易被濺起，而隨著時間增加，數(shù)值在逐漸變小，并回歸平穩(wěn)。伊犁蒿的泥沙含量在0.001與0.002 g/ml之間(圖2)。相比前面介紹的2種草地類型來說，含沙量較多，其一，因?yàn)槠渲脖桓采w度較低，水滴從冠層滴落到土壤表面時，動能較大，對土壤顆粒起到打擊分散的作用；其二，考慮到一定自然因素的影響，昨天剛降過雨，土壤有一定含水量，容易被侵蝕，加之水流對地表的沖刷作用較高，泥沙容易產(chǎn)生。含沙量最大的是裸地小區(qū)(圖2)。因?yàn)橹脖灰蜃邮怯绊懲寥狼治g的敏感性因子，沒有植被的種植，無法有效攔截降雨并對降水進(jìn)行再分配；沒有植被根系的盤繞固結(jié)作用及植被本身對水流的抵抗作用，徑流中的泥沙量勢必會提高；且植被的根系可以增加土壤的孔隙度，提高土壤的抗侵蝕能力，有利于降雨的入滲[16]。而所有的這些優(yōu)勢在裸地上實(shí)施人工降雨是不會發(fā)生的。足以說明不管是什么類型的植被，它都有一定的水土保持作用。

圖2 3種不同的草地類型和裸地的含沙量

總之，這幾種草地類型的含沙量大小依次為：裸地>伊犁蒿>狗牙根>角果藜。不難發(fā)現(xiàn)，3種草地類型的累積產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出隨著徑流量的增加而增加的趨勢，相關(guān)性非常顯著，且呈明顯的正相關(guān)。最后，運(yùn)用公式求其減沙因子:算出狗牙根減沙因子的數(shù)值在0.16～0.76之間，角果藜減沙因子的數(shù)值處于

0～0.42之間，伊犁蒿的減沙因子則在0.42～0.88之間。所以，角果藜的減沙效果最好，狗牙根次之，伊犁蒿較差。

2.4 疆內(nèi)有關(guān)水土流失文獻(xiàn)的比較

眾多學(xué)者的研究說明(表3)，不同草地類型的水土保持效應(yīng)是不一樣的。植被作為涵養(yǎng)水源，保持水土的影響因子，始終發(fā)揮著獨(dú)特的作用。一般來說，枝葉繁茂，植被覆蓋度大，根系分布較密的植被涵養(yǎng)水源的功能要好。所以，植被不同，水源涵養(yǎng)能力也不同[17]。

大量研究表明，不同的草地類型對土壤抗沖性的影響不一樣。許多因素如：土壤緊實(shí)度、容重、團(tuán)粒含量、滲透性、水分狀況均對土壤的徑流沖刷能力有重要影響。而這些因素的變化，皆受制于不同的草地類型，特別是植被根系的分布特征。因?yàn)椋煌脖桓档谋P繞固結(jié)作用及植物本身對水流的抵抗作用，會不同程度的增加水流運(yùn)動的阻力，減弱水流對地表的沖刷能力[18]。不同的植被會不同程度的增加土壤的入滲率及孔隙度。植被不一樣，對土壤理化性質(zhì)的改變不同，使得土壤容重減小、滲透性能、孔隙度增加的程度也不一樣?？傊莸仡愋筒煌?，其固土保水作用也會不同[19]。

表3 疆內(nèi)有關(guān)水土流失文獻(xiàn)的研究結(jié)果和本研究的比較

3 討論與結(jié)論

(1) 4個徑流小區(qū)的初始產(chǎn)流時間由大到小為：角果藜>伊犁蒿>狗牙根>裸地；坡面產(chǎn)沙量由大到小依次為：裸地>伊犁蒿>狗牙根>角果藜；徑流速率由大到小依次為：裸地>伊犁蒿>狗牙根>角果藜。所以，水土保持效益最好的是角果藜，其次為狗牙根與伊犁蒿，裸地效果最差。

(2) 狗牙根減流因子的數(shù)值處于0.21～0.58之間，伊犁蒿的減流因子處于0.14～0.87之間，角果藜的減流因子則在0.02～0.11之間；狗牙根減沙因子的數(shù)值在0.16～0.76之間，角果藜的減沙因子處于0～0.42之間，伊犁蒿的減沙因子則在0.42～0.88之間。因此，角果藜、狗牙根、伊犁蒿減流與減沙效益的大小排序?yàn)椋航枪?狗牙根>伊犁蒿。

本試驗(yàn)采用人工模擬降雨技術(shù)，運(yùn)用多種草地類型來研究伊犁河谷草地的水保效應(yīng)，非常接近野外狀態(tài)，數(shù)據(jù)獲取較豐富，勢必可為該地區(qū)的水土保持工作提供一定的借鑒。由于試驗(yàn)條件以及時間的限制，尚有以下問題有待進(jìn)一步探討。

(1) 本試驗(yàn)只研究了1種雨強(qiáng)、1種土壤、1種坡度下的試驗(yàn)小區(qū)徑流與產(chǎn)沙規(guī)律，為了使試驗(yàn)更加完善,試用性更強(qiáng)，還應(yīng)增加多個雨強(qiáng)、坡度，采用多種土壤類型進(jìn)行研究。

(2) 本試驗(yàn)是在野外模擬降雨條件下進(jìn)行，普遍存在降雨時間、降雨強(qiáng)度難以控制等因素，與天然降雨相比還是存在一定的差異。所以，在今后的研究中，勢必要使野外模擬降雨與自然降雨相結(jié)合。

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Experimental Study on Soil and Water Conservation Effects of Different Grasslands with Simulated Rainfall in Yili River Valley

ZHONG Yating1, ZHANG Wentai2, HUANG Junhua1, ZHANG Peipei2, ZHANG Shaobo3, WANG Fei4

(1.CollegeofForestryandHorticulture,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052，China; 2.XinjiangSoilPlantandEcologicalProcessesLaboratory,GrasslandandEnvironmentalSciencesofXinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi，Xinjiang830052，China; 3.ForestryResearchInstituteofXinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi，Xinjiang830052，China; 4.XinjiangYiliKazakAutonomousPrefecture’sWater,Yining，Xinjiang835000，China)

[Objective] The reduction effects of runoff and sediment in 3 different grasslands runoff plots were observed under certain rainfall condition in Yili river valley, to provide references for soil and water conservation in the area. [Methods] Method of field artificial rainfall was used. [Results] (1) The occurrences of initial runoff the several grasslands ranked as:Podquinoa>YiliArtemisia>Bermuda grass>bare land; (2) The runoff of rate ranked as: bare land >YiliArtemisia>Bermuda grass>Podquinoa; (3) The sediment concentration ranked as: bare land>YiliArtemisia>Bermuda grass>Podquinoa; (4) The values of flow reduction factor ofPodquinoa, Bermuda grass and YiliArtemisiawere 0.02～0.11, 0.21～0.58 and 0.14～0.87. The values of sediment reduction factor of Bermuda grass,Podquinoaand YiliArtemisiawere 0.16～0.76, 0～0.42 and 0.42～0.88. [Conclusion]Podquinoagot the best benefit for soil and water conservation, followed by YiliArtemisiaand Bermuda grass, bare land performed the worst.

Yili river valley; simulated rainfall; grassland types; soil and water loss

2015-12-23

2016-03-21

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“伊犁河谷水土流失綜合治理技術(shù)研發(fā)與示范”(2014BAC15B03); 新疆引進(jìn)高層次人才項(xiàng)目

仲亞婷(1992—),女(漢族),山東省濟(jì)寧市人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗亮魇?、生態(tài)科學(xué)。E-mail:1396808759@qq.com。

張文太(1984—),男(漢族),山東省冠縣人,博士,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail:zwt@xjau.edu.cn。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.004

A

1000-288X(2016)06-0021-05

S157.2

文獻(xiàn)參數(shù)： 仲亞婷, 張文太, 黃俊華, 等.伊犁河谷不同草地類型坡面水土保持效應(yīng)的模擬降雨試驗(yàn)[J].水土保持通報(bào)，2016,36(6)：021-025.