伊犁河谷草地坡面3種水平溝措施減流減沙效果的比較

布熱比亞·吐魯，張文太，侯進(jìn)平

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 新疆土壤與植物生態(tài)過(guò)程自治區(qū)級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052； 2.新疆維吾爾自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)總站，烏魯木齊 830000)

徑流是土壤剝蝕、地形演變的不竭動(dòng)力[1]。降雨和徑流引起的水土流失，是全球性的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題之一[2-4]。人類(lèi)活動(dòng)造成的土地利用變化是影響水土流失的主要原因[5-7]。國(guó)內(nèi)外研究表明，影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素有土壤質(zhì)地、入滲速率、降雨強(qiáng)度、降雨量、植被和坡度等[8-11]。地表土壤對(duì)降雨強(qiáng)度等外在因素的響應(yīng)機(jī)制最終反映在調(diào)控效果的差異方面，主要原因在于不同集水措施改變了原有地表侵蝕形態(tài)和微地貌形態(tài)，阻礙泥沙的產(chǎn)流、沉積和輸移等。例如，有學(xué)者研究了灌木林地、核桃地埂的水土保持效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，兩者均有較好的水土保持效益[12]。

土壤退化主要由土壤侵蝕造成，伊犁河谷土壤侵蝕主要集中在春季和夏季，是由強(qiáng)降雨引起的水力侵蝕[13]。水平溝措施是干旱半干旱地區(qū)經(jīng)長(zhǎng)期探索實(shí)踐在坡地設(shè)置的水保工程措施之一，具有充分?jǐn)r截徑流、增加入滲、保蓄雨水、防治水土流失、提高水分利用率的功能[14-15]；其目的在于攔蓄坡地雨水徑流、增加溝內(nèi)土壤水分[16-17]。如何攔蓄徑流和降低泥沙，以減少土壤侵蝕，是目前伊犁河谷生態(tài)建設(shè)中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)野外監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，比較伊犁河谷草地坡面3種水平溝措施減流減沙效果，以期為伊犁河谷及相似地區(qū)的植物生態(tài)恢復(fù)和水土保持措施布設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁河谷西北山區(qū)的伊寧縣喀拉亞尕奇鄉(xiāng)皮里青水文站(E81°27′，N44°03′)。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶园敫珊禋夂?，冬春溫暖濕?rùn)，夏秋干燥較熱，夏季溫度高、土壤蒸發(fā)量大。年均降水206～512 mm，主要集中在4-8月份，時(shí)間分布不均勻，且降雨形式主要以短時(shí)間強(qiáng)降雨為主。晝夜溫差明顯，年均氣溫8.4℃，最低溫度≤-36℃，年均日照時(shí)間為3 614 h，無(wú)霜期178 d。

1.2 徑流小區(qū)實(shí)驗(yàn)處理布設(shè)

2019年5-9月，在皮里青水文站坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)開(kāi)展了自然降雨定位試驗(yàn)。布設(shè)了3個(gè)自然降雨徑流觀測(cè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)20 m，寬5 m。依據(jù)研究目的，布設(shè)3種不同的水平溝微集水措施，即：①淺溝處理：小區(qū)下端部分橫坡修建1行長(zhǎng)5 m、寬20 cm、深20 cm的水平溝；②淺溝*2處理：小區(qū)中部和下端分別橫坡修建2行長(zhǎng)度為5 m、寬20 cm、深20 cm的水平溝；③深溝處理：小區(qū)下端部分橫坡修建1行長(zhǎng)5 m、寬40 cm、深40 cm的水平溝。每個(gè)徑流小區(qū)都在周?chē)O(shè)置了圍埂防止外部徑流干擾，在徑流小區(qū)下部修建了集水槽，并利用硬質(zhì)鐵管引入集水桶內(nèi)，以全部收集降雨時(shí)徑流小區(qū)內(nèi)流出的徑流及泥沙。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

試驗(yàn)區(qū)設(shè)有小型氣象站監(jiān)測(cè)試驗(yàn)期間的降雨量。每次降雨產(chǎn)流后，先量取總產(chǎn)流量，再將徑流桶中的水與沙攪拌均勻，用取樣瓶取徑流泥沙混合樣50 ml，帶回實(shí)驗(yàn)室，在105℃條件下烘干至恒重，測(cè)定代表樣品的泥沙含量，計(jì)算次降雨的產(chǎn)沙量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

2019年5-9月，對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了降雨數(shù)據(jù)的觀測(cè)。結(jié)合新疆氣候特點(diǎn)，新疆降雨等級(jí)按日雨量可分為4個(gè)等級(jí)：小雨(0.1～6.0 mm)，中雨(6.1～12.0 mm)，大雨(12.1～24.0 mm)和暴雨(≥24.1 mm)，有效雨日(量)為上面4個(gè)等級(jí)雨日(量)的總和[18]。

5-9月份共計(jì)有19場(chǎng)小雨、1場(chǎng)中雨、1場(chǎng)大雨。其中6月份降雨較多，小雨都集中在6-7月份，中雨和大雨集中在8-9月份(圖1)。試驗(yàn)區(qū)坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)最大日降雨量為15.4 mm，出現(xiàn)在8月份，可以劃分為大雨；最小降雨量為1.2 mm，觀測(cè)期間總降雨量為83.6 mm。

圖1 2019年5-9月皮里青徑流場(chǎng)日降雨量的變化

2.2 不同水平溝處理徑流量的差異

2019年5-9月自然降雨條件下，各水平溝處理徑流量有明顯的差異(圖2)，各水平溝措施攔蓄徑流的效果依次為：深溝>淺溝*2>淺溝。就次降雨而言，5-9月份產(chǎn)生徑流量最大量為淺溝的0.15 mm，淺溝*2處理徑流量的最大值為0.125 mm，而深溝處理小區(qū)最大徑流量為0.12 mm?？傮w來(lái)看，5-9月份不同水平溝措施攔蓄總徑流的效果由大到小依次為：深溝(0.324 mm)>淺溝*2(0.489 mm) >淺溝(1.49 mm)(圖3)。表明淺溝*2和深溝措施均能提高土壤的儲(chǔ)水能力和減少坡面產(chǎn)生徑流，效果最佳的是深溝措施。每場(chǎng)降雨后，深溝內(nèi)聚集大量降水并逐漸入滲，說(shuō)明水平溝坑緣能夠攔截徑流，表層土壤擾動(dòng)后入滲量增大，深溝措施也有助于提高土壤含水量。

2.3 不同處理小區(qū)徑流量與降雨量的相關(guān)性

總體來(lái)說(shuō)，隨著次降雨量的增高，各水平溝處理小區(qū)徑流量均有增高的趨勢(shì)(圖4)。淺溝措施徑流量較大，其次為淺溝*2措施，深溝措施的徑流量最少，表明在不同降雨量的次降雨事件中，深溝措施均能有效攔截地表徑流，減緩徑流流速，攔蓄水流(圖4)。另外，地表徑流除了受降雨量的影響，還與土壤前期含水量有關(guān)。有時(shí)次降雨量雖然高，但如果土壤較干燥，相當(dāng)部分的雨水入滲到土壤中，則不一定產(chǎn)生較高的徑流。5-7月份降雨頻次多且降雨量大(圖1)，溫度也高，土壤含水量在降雨后迅速上升，后期隨溫度的升高，蒸發(fā)加強(qiáng)，土壤含水量呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。8-9月份降雨次數(shù)減少，土壤含水量處于一個(gè)穩(wěn)定且較低的狀態(tài)，此時(shí)的強(qiáng)降雨并沒(méi)有產(chǎn)生較大的徑流(圖2)。

圖2 不同水平溝處理次降雨徑流量的比較

圖3 不同水平溝處理總徑流量的比較

圖4 各水平溝措施小區(qū)徑流量與降雨量的相關(guān)性

2.4 不同水平溝處理坡面產(chǎn)沙量的比較

徑流強(qiáng)度、產(chǎn)沙量均隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。各水平溝集水措施下每個(gè)處理的產(chǎn)沙量有顯著差異：淺溝的產(chǎn)沙量最多，其次為淺溝*2處理，總體看來(lái)深溝的產(chǎn)沙量明顯比其他兩個(gè)處理少(圖5)。表明深溝攔截泥沙比其他兩個(gè)處理更為有效。深溝措施能夠防止地表徑流沖刷造成的侵蝕，使徑流中攜帶的土壤顆粒在深溝內(nèi)沉降下來(lái)，阻止表層土壤顆粒的流失，進(jìn)而有效降低產(chǎn)沙量。8月16日淺溝的次降雨產(chǎn)沙量最高，為0.243 t/km2，其次淺溝*2(0.043 9 t/km2)，深溝為0.016 4 t/km2。就土壤侵蝕模數(shù)而言，與淺溝*2和深溝處理相比，淺溝措施的土壤侵蝕模數(shù)最大，表明淺溝攔截泥沙的效果較差(圖6)；而深溝措施與淺溝*2措施的減沙效果較好。目前，在降雨強(qiáng)度、坡度、植被覆蓋度綜合作用下，伊犁河谷坡面土壤侵蝕特征顯示降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕模數(shù)的影響較大，而坡面植被可以有效減輕土壤侵蝕。

圖6 不同水平溝處理侵蝕模數(shù)的比較

3 討 論

徑流的形成主要來(lái)自于自然降雨，當(dāng)土壤入滲率小于降雨強(qiáng)度時(shí)，雨水無(wú)法完全入滲，會(huì)在坡面形成徑流[11]。徑流產(chǎn)生時(shí)會(huì)攜帶大量的泥沙，造成水土流失[20]。微集水措施能夠改變地表微地形，引起徑流量和產(chǎn)沙量的變化，達(dá)到減流減沙的效果[21-24]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同水平溝措施能夠有效攔截徑流，其中淺溝的攔截徑流效果相對(duì)較差，深溝措施的攔蓄徑流效果最好。

普穎穎等[25]對(duì)伊犁河谷草地土壤水分動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明降雨大部分在坡面上產(chǎn)生產(chǎn)流，以地表徑流的形式損失掉，小部分則入滲到坡面土壤中。最小降雨量為0.2 mm，此降雨大部分入滲到坡面土壤中。本研究5-9月份觀測(cè)期間總降雨量為83.6 mm，總共計(jì)有19場(chǎng)小雨、1場(chǎng)中雨、1場(chǎng)大雨。其中6月份降雨較多，小雨都集中在6-7月份，中雨和大雨發(fā)生在8-9月份。試驗(yàn)區(qū)最大降雨量為15.4 mm，出現(xiàn)在8月份，此降雨僅小部分以徑流的形式從小區(qū)產(chǎn)出；最小降雨量為1.2 mm，幾乎不產(chǎn)生徑流。本研究沒(méi)出現(xiàn)過(guò)暴雨。

由于自然降雨時(shí)間分布不均勻，伊犁河谷低山區(qū)較為干旱，植物生長(zhǎng)狀況較差，不同的水平溝措施在一定的程度上可以影響該區(qū)域的生態(tài)修復(fù)。通過(guò)比較各處理的徑流量及產(chǎn)沙量發(fā)現(xiàn)，不同水平溝措施在自然降雨下攔水減沙的效果差異明顯。深溝處理在降雨后能夠有效攔截徑流，可以增大表層土壤含水量，改變土壤水分條件[26]，進(jìn)而為植物生長(zhǎng)提供充足的水分，植物恢復(fù)進(jìn)一步防止產(chǎn)流產(chǎn)沙?？傊顪咸幚淼臏p沙減流效果最好。相反，淺溝措施由于對(duì)表層土壤干擾小，水平溝較淺，在強(qiáng)降雨時(shí)攔蓄徑流能力差，不能夠有效地控制水土流失。長(zhǎng)期看來(lái)，使用深溝措施能夠有效攔蓄試驗(yàn)坡面小區(qū)的徑流，增高土壤水分，有利于植被恢復(fù)和水土保持。

4 結(jié) 論

2019年研究區(qū)侵蝕性降雨主要發(fā)生在5-9月份，總降雨量為83.6 mm。淺溝、淺溝*2以及深溝等3種水平溝措施的總徑流量分別為1.41、0.552和0.423 mm；3種水平溝措施的總侵蝕產(chǎn)沙量依次為0.557、0.184和0.168 t/km2。自然降雨條件下，深溝和淺溝*2的坡面減流減沙效果較好，能夠有效防治水土流失。

較高的徑流量導(dǎo)致淺溝自然草地坡面的土壤侵蝕量也較高。相反，淺溝*2和深溝處理自然草地坡面的泥沙產(chǎn)量較低，表明水平溝措施對(duì)減流減沙有顯著的效果，這將有助于自然草地生態(tài)恢復(fù)。