黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙效應研究

王詩星，呂錫芝，魏義長，李巖朋

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；3.忻州市水利工程建筑公司，山西 忻州 034000)

黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區(qū)之一，常年的水土流失使土地生產(chǎn)力逐漸下降，河道淤積，危及區(qū)域糧食安全和經(jīng)濟發(fā)展。很多學者對黃土高原地區(qū)的水土流失規(guī)律[1-3]進行了大量研究，但研究成果多集中于人工模擬降雨[4-5]或天然降雨條件下[6-8]栽植多年的植被坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征[9-13]，而對新栽種植被坡面在不同降雨類型下的水土保持效應研究較少。因此，本研究以黃土高原新栽植植被坡面——林地、牧草地和農(nóng)地為研究對象，采用實測降雨，分析3種植被坡面在坡度和降雨影響下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，探索其水土保持效益，希望能為黃土高原水土保持工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇在黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站內(nèi)的羅玉溝流域試驗站開展試驗。羅玉溝流域?qū)冱S河中游黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，是渭河一級支流藉河的一條支溝，地理位置介于105°30′30″～105°44′20″E、34°35′20″～34°39′20″N之間；屬大陸性季風氣候區(qū)，冬春干旱少雨，夏秋降水集中，年均降水量531.1 mm，年均氣溫10. 7 ℃，年無霜期184 d；以黃土梁狀地貌為主，地面坡度較緩，15°以下的緩坡地占48.4%，15°～25°的坡地占28.0%，25°以上的陡坡地占23.6%；土壤類型主要為山地褐色土、山地灰褐土和沖積土，還有黑色土、黑砂土和粗骨土；土地利用類型主要為林地、草地、農(nóng)田和果園，自然植被覆蓋較好，植被覆蓋度約45%，植被種類中喬木以國槐、白楊和經(jīng)濟林木為主，草本植物以小冠花、車前、龍須草等為主。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)設置

在羅玉溝流域試驗站東北部的坡耕地上選擇9個標準徑流小區(qū)進行試驗，小區(qū)基本情況見表1。其中：C1、D1、E1小區(qū)為林地(新栽植杏樹)小區(qū)；C2、D2、E2小區(qū)為牧草地(小冠花)小區(qū)，每年收割兩次；C3、D3、E3小區(qū)為農(nóng)地(冬小麥)小區(qū)，每年9月份種植，來年6月份收割。小區(qū)的長邊與坡地流水線平行，上、下邊與等高線平行，水平投影面積為100 m2；在長邊和上邊設置護埂，護埂采用預制混凝土塊制作，深40 cm，護埂外設置寬2 m的保護帶；小區(qū)下方配備有集流池，用來收集小區(qū)徑流泥沙，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，無蓋，底部設有排水孔。

表1 各徑流小區(qū)基本情況

2.2 試驗設計和數(shù)據(jù)處理

本研究以新栽植杏樹、冬小麥和小冠花3種植被小區(qū)作為林地、農(nóng)地、牧草地3種土地利用類型的典型代表進行自然降雨條件下的坡面侵蝕試驗，分析不同坡度、不同雨型小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應。觀測期為2008年5月至2010年10月，從觀測期的降雨事件中選取13場具有完整產(chǎn)流產(chǎn)沙實測資料的侵蝕性降雨進行分析。利用Excel 2007處理產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，采用SPSS 22.0進行雙向變量相關性分析和聚類分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡度下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應分析

3.1.1 產(chǎn)流分析

不同坡度下不同植被小區(qū)的產(chǎn)流情況見表2。坡度10°時，各小區(qū)中平均產(chǎn)流量最小的是林地(0.29 m3)，農(nóng)地(0.41 m3)次之，牧草地(0.46 m3)最大；坡度15°時，林地(0.14 m3)最小，牧草地(0.40 m3)次之，農(nóng)地(0.47 m3)最大；坡度20°時，牧草地(0.22 m3)最小，林地(0.23 m3)次之，農(nóng)地(0.56 m3)最大。相比牧草地和農(nóng)地，林地總產(chǎn)流量分別減少了39.23%和54.35%，說明杏樹相較于其他兩種植被具有明顯的減流作用。坡度10°和15°時，牧草地和農(nóng)地耕作方式相同(等高耕作)且株高相近，地表徑流量差異較小。但在坡度20o時，牧草地產(chǎn)流量與林地相近，明顯小于農(nóng)地，說明坡度較大時牧草地的水源涵養(yǎng)能力要優(yōu)于農(nóng)地?？傮w來說，平均產(chǎn)流量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<耕地小區(qū)。

表2 各小區(qū)的產(chǎn)流量

3.1.2 產(chǎn)沙分析

不同坡度下不同植被小區(qū)的產(chǎn)沙情況見表3。坡度10°時，林地平均產(chǎn)沙量(4.55 t/km2)最小，牧草地(11.54 t/km2)次之，農(nóng)地(35.44 t/km2)最大；坡度15°時，牧草地(7.76 t/km2)最小，林地(14.47 t/km2)次之，農(nóng)地(67.98 t/km2)最大；坡度20°時，林地(2.01 t/km2)最小，牧草地(6.71 t/km2)次之，農(nóng)地(20.19 t/km2)最大。農(nóng)地在各坡度小區(qū)中平均產(chǎn)沙量均為最大，總產(chǎn)沙量分別是林地和牧草地的5.88倍和4.75倍。林地具有截流、攔蓄的作用，對濺蝕沖刷有較強的抵抗能力。牧草地因其根系能夠固結(jié)土壤、增加地面糙度，在一定程度上阻止了土壤侵蝕。總體來說，平均產(chǎn)沙量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<耕地小區(qū)。

表3 各小區(qū)的產(chǎn)沙量

3.2 不同雨型下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應分析

3.2.1 侵蝕性降雨分類

選取降雨量、平均雨強和降雨歷時等降雨參數(shù)，通過聚類分析將13場侵蝕性降雨分為雨型Ⅰ和雨型Ⅱ兩種，其中：雨型Ⅰ發(fā)生頻數(shù)為9，降雨歷時中心值為425.56 min，降雨量中心值為18.52 mm，平均雨強中心值為3.10 mm/h，特征為降雨歷時短、降雨量小、平均雨強大；雨型Ⅱ發(fā)生頻數(shù)為4，降雨歷時中心值為1 122.5 min，降雨量中心值為27.35 mm，平均雨強中心值為1.45 mm/h，特征為降雨歷時長、降雨量大、平均雨強小。

3.2.2 不同雨型下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙

不同雨型下各小區(qū)的平均產(chǎn)流產(chǎn)沙量見表4。雨型Ⅰ、Ⅱ條件下，平均產(chǎn)流量均為林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。雨型Ⅰ條件下的平均產(chǎn)沙量牧草地小區(qū)<林地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)，雨型Ⅱ條件下的平均產(chǎn)沙量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。

表4 不同雨型下各小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量

3.3 小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨參數(shù)的關系分析

降雨是坡面發(fā)生水土流失的原動力。分析各場次侵蝕性降雨的特征參數(shù)(降雨量、平均雨強)及對應小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(表5)：牧草地小區(qū)的產(chǎn)流量與降雨量之間存在極顯著正相關關系；農(nóng)地小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降雨量之間呈顯著正相關關系，產(chǎn)流量與平均雨強之間存在顯著正相關關系。3種植被小區(qū)的產(chǎn)沙量與平均雨強之間均沒有呈現(xiàn)出明顯的相關性，這可能是因為13場侵蝕性降雨大部分降雨歷時較長，平均雨強較小，地表徑流只是帶走坡面表層土，因此平均雨強與產(chǎn)沙量之間相關性較弱。

表5 各小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降雨參數(shù)相關性分析

4 結(jié) 論

對研究區(qū)2008—2010年林地、農(nóng)地、牧草地小區(qū)進行自然降雨條件下的坡面侵蝕試驗，分析不同植被小區(qū)在不同坡度、不同雨型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應，結(jié)果表明：

(1)不同坡度各小區(qū)的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均為林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<耕地小區(qū)。

(2)雨型Ⅰ、Ⅱ條件下，各小區(qū)平均產(chǎn)流量均為林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。雨型Ⅰ條件下各小區(qū)平均產(chǎn)沙量牧草地小區(qū)<林地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)，雨型Ⅱ條件下平均產(chǎn)沙量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。

(3)牧草地小區(qū)產(chǎn)流量與降雨量之間存在極顯著正相關關系；農(nóng)地小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降雨量之間，產(chǎn)流量與平均雨強之間存在顯著正相關關系；受平均雨強較小影響，3種植被小區(qū)產(chǎn)沙量與平均雨強之間均沒有呈現(xiàn)出明顯的相關性。