昆明松花壩水源區(qū)坡耕地對集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

王坤香，王克勤

我國是世界上水土流失災害最為嚴重的國家之一，土壤侵蝕遍布全國，而且侵蝕嚴重，成因復雜，尤其以西北的黃土，南方的紅壤和東北的黑土流失最為嚴重［1］。水土流失是中國頭號環(huán)境問題，是各種生態(tài)問題的集中反映，嚴重威脅著糧食和生態(tài)安全［2］。我國坡耕地占總耕地面積的34.3%，而且土壤侵蝕嚴重、土地生產(chǎn)力水平極其低下，水土流失與干旱并存，生態(tài)環(huán)境嚴重惡化［3］。云南省是水土流失的大省，坡耕地是云南省的主要耕地類型，由于人們長期的不合理利用，導致嚴重的水土流失和養(yǎng)分流失，引起社會的強烈關注。降雨是地表徑流的本源［4］，地表徑流是水土流失的動力和載體，徑流與坡面土壤通過沖刷過程相互作用。近年來，我國學者從不同角度開展降雨與地表產(chǎn)流產(chǎn)沙關系的研究。汪邦穩(wěn)等［5］采用人工模擬降雨的方法研究南方紅壤區(qū)典型小流域8種不同利用類型在不同降雨條件下的徑流、泥沙流失特征，結(jié)果表明:不同土地利用類型的徑流和泥沙流失差異明顯，且各利用類型在雨量和降雨強度變化下徑流和泥沙流失量變化存在差異。陳奇伯等［6］通過對坡面徑流小區(qū)的長期定位觀測，研究金沙江元謀干熱河谷在封禁管護措施下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，結(jié)果顯示，封禁管護措施對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙有較好的調(diào)節(jié)作用。彭文英等［7］通過研究陜西省安塞縣的不同土地利用方式下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨降雨量、降雨強度和降雨侵蝕力變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式的產(chǎn)流產(chǎn)沙量差異不明顯，而受降雨特征的變化具有明顯階段性，而且不同土地利用方式的產(chǎn)流產(chǎn)沙和減流效應具有明顯的季節(jié)性。顧慰祖［8］利用環(huán)境同位素及水文實驗研究集水區(qū)產(chǎn)流方式，識別出分別屬于地面徑流和地下徑流的11種產(chǎn)流方式。徐秋寧等［9］用SCS降水-徑流模型對陜北、渭北多個典型小型集水區(qū)降雨徑流量進行了分析與計算。程琳琳等［10］以黃土丘陵溝壑區(qū)子長集水區(qū)為例，探究了降雨侵蝕力空間分布對土壤流失的影響效應。劉海等［11］采用三角形薄壁量水堰觀測方法，對元謀干熱河谷典型區(qū)段林地和農(nóng)地集水區(qū)的水土流失進行了研究。

目前國內(nèi)主要是徑流小區(qū)內(nèi)的徑流及土壤侵蝕研究，對于集水區(qū)的研究較少;然而該尺度的研究既保持了天然狀況下的徑流流動，又能避免徑流小區(qū)觀測放大了侵蝕量的不足，通過測定集水區(qū)出口處的徑流和泥沙，能有效評價流域土地利用類型、水土保持措施變化對水土流失的影響［12］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于昆明市盤龍區(qū)滇源鎮(zhèn)迆者小流域松花壩水源保護區(qū)，是我國第1個飲用水源保護區(qū)(飲用水水源保護區(qū))［13］，是昆明最重要的飲用水源地，也是滇池水體交換的重要水源。松花壩水源保護區(qū)位于云南省中部，昆明市主城區(qū)的東北端，地處E 102°45'1″～102°59'15″，N 25°08'48″～25°28'1″之間;區(qū)內(nèi)海拔在1 890～2 590 m之間，區(qū)域內(nèi)徑流面積為293 km2。受季風的影響，松花壩水源區(qū)內(nèi)形成干濕分明氣候類型，流域內(nèi)多年平均降雨量785.1 mm，多年平均降雨時間129 d。年內(nèi)降雨分布極為不均勻，5—10月為雨季，降雨量占全年的87.5%，具有夏秋多雨，冬春干旱的特點［14］。

2 研究方法

2.1 樣地布設

根據(jù)小流域的地形和水文，在小流域選取面積為0.42 km2的集水區(qū)(混合集水區(qū)，即L+P區(qū))，混合集水區(qū)上部為天然次生林地(圖中L區(qū)為林地集水區(qū))，中下部為坡耕地(圖中P區(qū)為坡耕地)。在林地集水區(qū)和混合集水區(qū)出口斷面分別建有測流控制站，分別命名為控制站A和B:A站為受坡耕地影響的集水區(qū)控制站，控制的集水區(qū)面積為0.42 km2;B控制站為林地集水區(qū)，控制的集水區(qū)面積為0.30 km2。

圖1 集水區(qū)布設位置圖Fig．1 Layout of catchment area

2.2 數(shù)據(jù)觀測

2014年12月—2015年11月，在控制站安裝RG2-M自記雨量計觀測降雨過程，同時采取標準雨量筒人工觀測次降雨總雨量;在A、B控制站測流斷面分別安裝RG2-M自記水位計，記錄水位狀況，計算徑流量。

2.3 樣品采集

每次產(chǎn)流降雨，在測流斷面洪峰流量出現(xiàn)前后的5個時間斷面分別曲徑流樣1次，每次用500 mL取樣瓶取3瓶。無降雨時在B控制站每周取樣1次。泥沙采樣在降雨后流域開始產(chǎn)流時起，每次降雨采樣3次，分別在洪水開始、達到洪峰和消退時采集，當產(chǎn)流時間較長時采樣5次，每次采樣重復3次。通過置換法對所取得水樣進行泥沙含量的測定。

利用置換法求泥沙含量。每種沙樣重復測驗3次，按下式計算各集水區(qū)的泥沙含量:

W= γs(Wws－Ww)/(γs－γw)。

式中:γs為泥沙的相對密度，%;Ws為烘干沙樣質(zhì)量，g;γw為水的相對密度;Ww為清水質(zhì)量，g;Wws為泥水質(zhì)量，g;W為泥沙質(zhì)量，g。

由此計算單位面積泥沙量S、輸沙模數(shù)Ms、洪枯含沙量Wd以及輸沙量變異系數(shù)β。

采用SPSS 21和EXCEL軟件對數(shù)據(jù)進行分析和處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流降雨

降雨特征是指每次降雨的雨型、雨量和降雨強度等特征。降雨特性對土壤侵蝕強度有很大的影響，是決定土壤侵蝕以及養(yǎng)分流失的關鍵因素。

根據(jù)自記雨量計的觀測結(jié)果可知，2014年12月—2015年11月迆者小流域共計有85場降雨，總降雨量為679.4 mm，這一時期的降水占多年平均降水量(785.1 mm)的86.5%。如表1所示，全年有產(chǎn)流的降雨場次為24場，總降雨量為491.2 mm。日最大降雨量61.6 mm(2015年8月9日)，占全年總降雨量的9.1%，2015年5—10月的降雨量為617 mm，占全年降雨量的90.82%。

表1 混合集水區(qū)產(chǎn)流降雨情況Tab．1 Rainfall and runoff of mixed catchment area(2014年12月—2015年11月)

3.2 集水區(qū)產(chǎn)流規(guī)律

降雨是引起水土流失的主要外營力，降雨產(chǎn)生的徑流除一部分滲入土壤外，大部分都以地表徑流的形式匯入流域河網(wǎng)，因此降雨與地表產(chǎn)流有著密切的關系。降雨要素包括降雨量、降雨強度等。降雨量、降雨強度直接影響著坡面的產(chǎn)流。

3.2.1 集水區(qū)產(chǎn)流過程年變化規(guī)律 集水區(qū)在2014年12月—2015年11年的徑流變化曲線如圖2所示?？傮w上，林地集水區(qū)相對于混合集水區(qū)的徑流變化幅度較小，在2014年12月8日至次年的1月23日林地集水區(qū)沒有徑流產(chǎn)生，而混合集水區(qū)在2014年12月1日至2015年6月18日、2015年11月8日至11月30日徑流均未產(chǎn)生徑流。林地集水區(qū)的產(chǎn)流峰值出現(xiàn)在10月 11日，徑流量為6 066.01 m3/km2，而混合集水區(qū)當日的產(chǎn)流量為25 964.76 m3/km2，是林地集水區(qū)產(chǎn)流量的4.28倍;混和集水區(qū)的產(chǎn)流峰值出現(xiàn)在8月10日，產(chǎn)流量為43 561.91 m3/km2，林地集水區(qū)的產(chǎn)流量為4 677.41 mm，混合集水區(qū)的產(chǎn)流量是林地集水區(qū)的9.31倍。

圖2 集水區(qū)徑流量年變化曲線(2014－12－01—2015－11－30)Fig．2 Annual runoff variation line of catchment areas from Dec 1st 2014 to Nov 30th 2015

3.2.2 集水區(qū)徑流特征值 地表徑流系數(shù)是反映一個地區(qū)的降雨量有多少形成徑流，它綜合反映一個地區(qū)地質(zhì)土壤和植被等地表狀況對徑流的影響［15］。由表2可知，林地集水區(qū)的徑流深、洪枯流量差、單位面積產(chǎn)流量均小于混合集水區(qū)，混合集水區(qū)的單位面積產(chǎn)流量是林地集水區(qū)產(chǎn)流量的1.16倍，徑流系數(shù)是林地集水區(qū)的1.14倍?；旌霞畢^(qū)的流量變異系數(shù)大于林地集水區(qū)，說明混合集水區(qū)的徑流量受降雨量的影響較大，意味著在自然降雨條件下，混合集水區(qū)的徑流量偏離程度大于林地集水區(qū)。

表2 集水區(qū)產(chǎn)流特征值Tab．2 Runoff characteristic value of catchment area

3.3 集水區(qū)產(chǎn)沙規(guī)律

3.3.1 集水區(qū)產(chǎn)沙過程年變化規(guī)律 林地集水區(qū)與混合集水區(qū)的產(chǎn)沙量如圖3所示，在未降雨或降雨較小時，林地集水區(qū)雖產(chǎn)流量較大，但是泥沙量很小，降雨強度較小時甚至沒有泥沙產(chǎn)生。林地集水區(qū)全年共出現(xiàn)4次峰值(8月2日、8月10日、9月10日和10月11日)，均有強降雨產(chǎn)生，對地面有較強的沖刷力，形成較大泥沙量。最大泥沙量出現(xiàn)在8月10日，為3.56 t/km2;混合集水區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量的多少關系比較密切，由圖3可見，混合集水區(qū)比較明顯的峰值只出現(xiàn)1次，即8月10日，泥沙量為265.39 t，在自然降雨條件下，混合集水區(qū)泥沙量是林地集水區(qū)的74.55倍。

3.3.2 集水區(qū)產(chǎn)沙特征值 林地集水區(qū)和混合集水區(qū)的產(chǎn)沙量分別為69.76和359.10 t/km2，混合集水區(qū)的產(chǎn)沙量明顯大于林地集水區(qū)，大約是林地集水區(qū)的5.15倍。由表3可知，混合集水區(qū)的輸沙量變異系數(shù)明顯大于林地集水區(qū)，這就說明林地集水區(qū)的泥沙流失量相對偏離程度小，區(qū)內(nèi)植被對泥沙的調(diào)控能力較強，即相同外部條件下，混和集水區(qū)的泥沙流失量明顯大于林地集水區(qū)。

圖3 集水區(qū)侵蝕量年變化曲線Fig．3 Annual variation of erosion amount in catchment area

表3 集水區(qū)產(chǎn)沙特征值Tab．3 Sediment characteristic value in catchment area

3.4 坡耕地對集水區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

由表4可知，林地集水區(qū)和混合集水區(qū)產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量在顯著水平為0.05的單因素差異性分別為0.01＊＊、0.001＊＊，均表現(xiàn)為極顯著差異，且產(chǎn)沙量的顯著性大于產(chǎn)流量。表明林地集水區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與混合集水區(qū)存在顯著差異，即混合集水區(qū)內(nèi)的坡耕地明顯加大集水區(qū)內(nèi)水土流失量。

實驗結(jié)果表明，坡耕地對集水區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙有明顯的影響。林地集水區(qū)位于混合集水區(qū)上部，植被覆蓋度高，涵養(yǎng)水源能力較強，因此在降雨較少的旱季，依然有徑流產(chǎn)生?？刂普続產(chǎn)生的徑流流經(jīng)坡耕地進入控制站B，旱季控制站A的徑流量較雨季少，流經(jīng)坡耕地時水分入滲，最終沒有徑流流進控制站B。根據(jù)前面的分析可知，由于植被的截留和增加入滲的作用，林地集水區(qū)產(chǎn)生的徑流量隨降雨的多少變化較小，徑流量比較穩(wěn)定，加上土體緊實，根系固持土壤的作用較強，降雨和徑流對泥沙的沖刷作用較弱，水土流失量較小。混合集水區(qū)不僅包括上部的林地集水區(qū)，還包括下部的坡耕地。坡耕地植被覆蓋度低，對降雨的截留作用差，地面達到飽和后，雨水到達地面匯集成徑流流失，因此徑流量隨降雨的多少變化比較明顯，徑流量不穩(wěn)定。由于坡耕地人為擾動明顯，土壤疏松，部分作物順坡耕作且土壤表面植被季節(jié)性較強，固持土壤能力較弱，降雨以及徑流對地表土壤的侵蝕力較強，水土流失量明顯增加。綜上可以看出，坡耕地是混合集水區(qū)水土流失量明顯增加的直接影響因素。

表4 林地集水區(qū)與混合集水區(qū)差異性分析Tab．4 Variance analysis in woodland and mixed catchment area

4 結(jié)論與討論

1)植被覆蓋度高時能有效攔截地表徑流。植被覆蓋度較高的林地集水區(qū)的產(chǎn)流量明顯的低于植被覆蓋度低的混合集水區(qū)，由此可知，植被具有減少徑流產(chǎn)生的作用，以及含蓄水源的能力。植被對于水土流失量具有很好的調(diào)控作用?；旌霞畢^(qū)的流量變異系數(shù)和輸沙量變異系數(shù)均大于林地集水區(qū)，分別是林地集水區(qū)的1.43倍和2.02倍，即混合集水區(qū)產(chǎn)生的徑流、泥沙流失量相對偏離程度較大，說明混合集水區(qū)對于水土流失的調(diào)控能力較弱。林地集水區(qū)的變異幅度較小，調(diào)控能力相對于混合集水區(qū)強，水土流失量較小。

2)林地集水區(qū)與混合集水區(qū)的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量單因素差異性分別為0.01和0.001，且產(chǎn)沙量的顯著性大于產(chǎn)流量。混合集水區(qū)的地表覆蓋度低，對降雨的截留作用弱，入滲率低，使大部分降雨直接匯集形成徑流流失。由于坡耕地土層較厚，土質(zhì)疏松，雨滴擊濺以及徑流的沖刷，帶走大量的地表泥沙，使得水土流失量明顯增加，從而使混合集水區(qū)的水土流失量顯著高于林地集水區(qū)。

3)坡耕地是增加集水區(qū)水土流失量的直接因素?；旌霞畢^(qū)內(nèi)坡耕地、裸地的植被覆蓋度低、土壤疏松，植被的垂直結(jié)構(gòu)層次單一，人為活動對地表土的干擾比較大，沒有覆蓋度較高的作物長期保護，再加上耕種的季節(jié)性，部分作物順坡耕作增大水土流失量;因此混合集水區(qū)更易遭受雨滴擊濺和徑流的沖刷搬運，從而導致泥沙量明顯增大。

坡耕地是集水區(qū)水土流失的主要來源。坡耕地植被覆蓋率低，截留和攔蓄作用差，集中持續(xù)的降雨使其形成大量的地表徑流;坡耕地的土壤疏松，人為影響較大，加上作物的生長具有季節(jié)性，生命周期短，根系固持水土的能力較差，地表徑流帶走大量泥沙，從而增加水土流失量。這與張旭昇等［16］的研究結(jié)果一致。覆蓋度低的坡耕地水土流失量均明顯大于植被覆蓋度高的林地，因此，林地的水土保持效益更顯著。

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