降雨對不同作物徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

唐毅 覃發(fā)超 況治宇

摘 要：作物種植與降水均對泥沙量和徑流量有重要影響。基于四川省南部縣升鐘水土保持試驗站的長期野外觀測數(shù)據(jù)，研究徑流小區(qū)尺度上2008—2016年作物種植狀況、降水與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在裸地小區(qū)降雨產(chǎn)生的徑流量與泥沙量均大于有作物種植的小區(qū)，降雨量與4個小區(qū)徑流量與產(chǎn)沙量均呈極顯著相關(guān)（P<0.01），產(chǎn)沙量與徑流量的相關(guān)性優(yōu)于產(chǎn)沙量與降雨量。平均降雨強度與裸地小區(qū)徑流量的相關(guān)性顯著（P<0.05），在其他徑流小區(qū)相關(guān)性不顯著；平均降雨強度與谷物種植小區(qū)和裸地小區(qū)產(chǎn)沙量極呈顯著相關(guān)（P<0.01），與蔬菜小區(qū)顯著相關(guān)（P<0.05）；30 min最大降雨強度與徑流小區(qū)的徑流量和泥沙量均呈極顯著相關(guān)（P<0.01）。研究結(jié)果可為該區(qū)域水土流失防治、生態(tài)建設(shè)等提供參考。

關(guān)鍵詞：徑流小區(qū)；降雨量；徑流量；泥沙量；雨強；李子口

中圖分類號：S157.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-5072（2023）03-0300-05

水土流失是全球性的主要環(huán)境問題之一。20世紀以來，水土流失所造成的土壤退化、土地生產(chǎn)力水平下降、生態(tài)平衡失調(diào)以及人地矛盾突出等問題，已經(jīng)威脅到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和食品安全，給生態(tài)、環(huán)境、人類生存和社會經(jīng)濟發(fā)展帶來十分嚴重的影響［1-2］。我國是世界上水土流失影響最嚴重的國家之一，每年土壤流失量達到80～120億噸，對國民經(jīng)濟增長、社會發(fā)展造成的危害不可估量［3］。水土流失的產(chǎn)生是多種自然與社會因素相互作用的結(jié)果，而降雨是土壤侵蝕的主要動力［4-5］，地表作物的種植是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素。因此，探究降雨侵蝕機理，開展降雨對不同坡面侵蝕過程及其規(guī)律的研究，分析降雨與不同作物種植之間的關(guān)系，有助于水土流失的預防和治理，從而減少自然災害，具有較好的理論意義和實踐價值［6］。

四川北部低山深丘區(qū)是我國典型農(nóng)業(yè)區(qū)，坡耕地分布廣泛，人地矛盾突出，耕作方式多樣化明顯，農(nóng)用地的不同作物種植方式對該區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙和徑流也起著重要作用［7］。目前我國降雨對水土流失影響的相關(guān)研究多集中于黃河流域和長江流域中下游［8-10］，而針對長江上游嘉陵江流域，特別是川北低山深丘區(qū)的研究相對較少，且主要集中在保土減沙等水保措施方面。如，張明波等［11］研究發(fā)現(xiàn)，實施水土保持工程對控制流域內(nèi)水土流失現(xiàn)象起到了積極作用，且減沙效益大于減水效益；王玲莉等［12］研究發(fā)現(xiàn)，不同植物類型對產(chǎn)流產(chǎn)沙的調(diào)節(jié)作用差異大，地表覆蓋度高的林地和草地產(chǎn)沙模數(shù)較小，而農(nóng)地和人工草地因耕作對地表擾動大導致產(chǎn)沙模數(shù)較大。因此，探討該區(qū)水土流失特征及其影響機制，研究不同作物種植下造成的徑流小區(qū)產(chǎn)沙、產(chǎn)流差異以及水沙關(guān)系，對于防治水土流失，促進川北低山深丘區(qū)社會經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于四川省南部縣境內(nèi)李子口小流域，地處川北低山深丘區(qū)，地理位置為31°30′—31°33′N，105°39′—105°43′E，海拔344～730 m。李子口小流域?qū)偌瘟杲骱恿饔?，位于升鐘水庫大壩下游右?cè)，總控制站距四川省升鐘水土保持站4 km，距南部縣升鐘鎮(zhèn)5 km。李子口小流域多年平均降雨量957 mm，多年平均降雨天數(shù)為142 d，汛期降雨量占全年降雨量的73.5%［13］。土壤主要為黃壤，土壤母質(zhì)主要為紫色頁巖和砂巖，林地土層較淺，農(nóng)耕地土層較厚，一般厚度60 cm以上。流域內(nèi)喬木以柏木、榿木為主，灌木以黃荊、馬桑為主，森林覆蓋率達48%，農(nóng)作物種植以水稻、小麥、油菜、玉米等為主。

1.2 試驗設(shè)計

本研究基于南部縣升鐘水保站李子口小流域內(nèi)徑流小區(qū)2008—2016年的觀測數(shù)據(jù)，包含降雨量、徑流量、泥沙量等指標。選擇4個徑流小區(qū)進行對比觀測研究（表1），面積均為100 m2（長20 m，寬5 m），坡度均為5°，土壤均為黃壤。其中1個為裸地小區(qū)，其他3個分別為蔬菜小區(qū)、谷物種植小區(qū)和飼草小區(qū)；除裸地小區(qū)進行翻地、除草等措施外，其他小區(qū)按當?shù)剞r(nóng)事活動安排，和當?shù)卮筇锿竭M行整地、播種、中耕、除草、收獲、耙地等田間管理措施。

在徑流小區(qū)旁布設(shè)人工雨量器和翻斗式遙測雨量儀各1個，用于記錄徑流小區(qū)的雨量和雨強。其中人工雨量器每次降雨按時段測量；翻斗式自動雨量計設(shè)置采樣間隔時間分別為5 min和10 min，每15 d下載1次觀測數(shù)據(jù)。徑流小區(qū)采用徑流池收集泥沙，觀測人員測量前池及后池的水深，并做記錄，然后采用人工攪拌法對池內(nèi)水樣進行充分攪拌，使泥沙和水混合均勻，然后取泥沙和水的混合樣，過濾、編號、烘干、稱重，測得泥沙質(zhì)量，再換算成徑流小區(qū)產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 23.0進行降雨量、徑流量、泥沙量和雨強的數(shù)據(jù)處理，進行Pearson相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量對不同作物徑流小區(qū)產(chǎn)流的影響

根據(jù)南部縣李子口小流域徑流小區(qū)的觀測記錄資料，徑流小區(qū)2008—2016年雨季（4—10月）降雨次數(shù)為1 267次，降雨量為9 142.2 mm，其中產(chǎn)流降雨為119次，降雨量為5 864.6 mm。

各徑流小區(qū)降雨量和徑流量關(guān)系如圖1所示：在降雨條件一致的前提下，各小區(qū)的徑流量隨著降雨量的增大呈顯著增加趨勢，其中裸地小區(qū)的徑流量明顯大于其他3個小區(qū)，這表明其他徑流小區(qū)相比裸地小區(qū)有更好的攔蓄降雨能力。作物種植方式的不同會造成小區(qū)產(chǎn)流量的差異，植被在降雨過程中通過截流、透流和干流三種形式對降雨進行再分配［8］，裸地小區(qū)沒有植物葉片的阻隔作用以及根系所帶來的涵養(yǎng)水分作用，一定程度上促進了地表徑流的形成。

各徑流小區(qū)觀測期間的總徑流量如圖2所示：蔬菜小區(qū)（71.79 mm）和飼草小區(qū)（81.41 mm）的徑流量大于谷物種植小區(qū)（65.33 mm）。谷物種植小區(qū)相較于蔬菜和飼草小區(qū)攔蓄降雨能力更好。

2.2 降雨量對不同作物徑流小區(qū)產(chǎn)沙的影響

各徑流小區(qū)降雨量和相應產(chǎn)沙量的關(guān)系如圖3：各徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量隨著降雨量的增大呈增加趨勢，裸地小區(qū)的產(chǎn)沙量明顯大于其他徑流小區(qū)，其中蔬菜小區(qū)的產(chǎn)沙量小于裸地小區(qū)，但顯著高于谷物種植小區(qū)和飼草小區(qū)，表明蔬菜小區(qū)對徑流產(chǎn)沙量的攔截作用不及谷物種植小區(qū)和飼草小區(qū)，這可能是因為蔬菜的根系分布較淺、密度小，不及谷物種植小區(qū)的作物和飼草的植物根系分布深、密度大，對泥土的固定作用較弱［9］。

各徑流小區(qū)觀測期間的總產(chǎn)沙量如圖4所示：在降雨量相同的情況下，裸地小區(qū)的產(chǎn)沙量大于其他徑流小區(qū)，其中裸地小區(qū)在觀測期間的產(chǎn)沙量（540.76 kg）是蔬菜小區(qū)的3.81倍，是谷物種植小區(qū)的9.99倍，是飼草小區(qū)的7.59倍；飼草小區(qū)的產(chǎn)沙量略大于谷物種植小區(qū)。主要原因可能是作物種植小區(qū)有作物葉片的遮擋，能夠很好地減弱雨滴對土壤的擊濺，而裸地小區(qū)因進行翻地、除草措施，沒有植被覆蓋的保護，雨滴則是直接打擊在裸露的土地上，使得降雨和徑流能夠順利地剝離土壤顆粒，產(chǎn)沙量大于其他小區(qū)。

2.3 降雨與不同作物徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系

2.3.1 降雨量與不同作物徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系

相關(guān)分析結(jié)果顯示（表2）：各徑流小區(qū)的徑流量和降雨量呈極顯著相關(guān)（P<0.01），不同徑流小區(qū)作物種植的不同，造成產(chǎn)流狀況也各不相同，其中裸地小區(qū)的相關(guān)性最高。降雨量和產(chǎn)沙量的相關(guān)性小于徑流量和產(chǎn)沙量的相關(guān)性，且不同作物種植方式下徑流小區(qū)的降雨量和產(chǎn)沙量的相關(guān)關(guān)系有差別，其中蔬菜小區(qū)和飼草小區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨量相關(guān)性弱于裸地小區(qū)和谷物種植小區(qū)，4個徑流小區(qū)產(chǎn)沙量與徑流量的相關(guān)性均極顯著（P<0.01），且徑流量對產(chǎn)沙量的影響程度大于降雨量對產(chǎn)沙量的影響程度，這也與其他學者的研究結(jié)論相似［10］。綜上說明，徑流小區(qū)產(chǎn)沙量的多少不僅僅與降雨量、徑流量密切相關(guān)，還與作物種植方式、植被蓋度、土壤理化性質(zhì)等因子相關(guān)，以致于不同徑流小區(qū)產(chǎn)沙因素各有不同［10］。

2.3.2 降雨強度對不同作物種植方式徑流小區(qū)產(chǎn)流的影響

徑流量、產(chǎn)沙量和平均降雨強度、30 min最大降雨強度的相關(guān)分析結(jié)果如表3所示：蔬菜小區(qū)、谷物種植小區(qū)和飼草小區(qū)的徑流量與平均降雨強度呈正相關(guān)但相關(guān)性不顯著，表明這3個小區(qū)的產(chǎn)流受到其他因素的綜合影響，但裸地小區(qū)的徑流量與平均降雨強度相關(guān)性較好（P<0.05）。有相關(guān)學者研究發(fā)現(xiàn)，影響徑流小區(qū)產(chǎn)流的主要降雨指標為最大30 min降雨強度［14］，4個徑流小區(qū)的徑流量與30 min最大降雨強度相關(guān)性均較好（P<0.01），說明30 min最大降雨強度是影響徑流小區(qū)產(chǎn)流的重要因素。

據(jù)表4可知，蔬菜小區(qū)的產(chǎn)沙量與平均降雨強度呈顯著相關(guān)（P＜0.05），裸地小區(qū)和谷物種植小區(qū)的產(chǎn)沙量與平均降雨強度呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），4個小區(qū)的產(chǎn)沙量與30 min最大降雨強度均呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），且相關(guān)性均大于各小區(qū)與平均降雨強度的相關(guān)性，因此說明30 min最大降雨強度是影響這4個徑流小區(qū)產(chǎn)沙的主要原因。有學者研究了降雨強度對土壤侵蝕的影響，認為產(chǎn)沙量與平均降雨強度相關(guān)性不及30 min最大降雨強度顯著［15］，這也與本研究結(jié)果相似。

3 結(jié) 論

降雨量、徑流量、30 min最大降雨強度、產(chǎn)沙量等因子在李子口小流域徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程中都起到了不同程度的作用，但是不同作物種植方式、土壤理化性質(zhì)、人類活動等也是影響徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因子，這說明不同影響因子造成坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的情況極為復雜。因此，進一步研究不同影響因子對徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響機制，提升水土保持措施水平，從而預防和減少區(qū)域性水土流失的發(fā)生，對于深化川北低山丘陵區(qū)域經(jīng)濟和嘉陵江流域生態(tài)環(huán)境的良性發(fā)展大有裨益。

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Abstract：Crop planting and precipitation both have an important impact on the production of sediment and runoff.Based on the long-term field observation data from Shengzhong Soil and Water Conservation Experimental Station inNanbu county of Sichuan province，the relationship between crop planting，precipitation，runoff and sediment production from 2008 to 2016 at the scale of runoff plots is studied.The results show that the runoff volume and sediment yield generated by rainfall in bare land plots are greater than those in plots with vegetation；the correlation between the precipitation and the runoff volume and sediment yield in the four plots is extremely significant （P<0.01）；the correlation between sediment yield and runoff volume is better than that of sediment yield and precipitation；the average rainfall intensity has an exeremely significant correlation with the runoff volume of bare land plots，but insignificant correlation with that of other runoff plots；the average rainfall intensity has an exetremely significant correlation with the sediment yield of grain-growing plots and bare plots （P< 0.01），and a significant correlation with the vegetable plots（P<0.05），the maximum rainfall intensity of 30 min has an extremely significant correlation with the runoff and sediment production of runoff plots （P<0.01）.The research results will provide references for the prevention and control of soil erosion and ecological construction in the region.

Keywords：runoff plots；precipitation；runoff volume；sediment yield；rainfall intensity；Lizikou

基金項目：國家自然科學基金面上項目（41971015）

作者簡介：唐毅（1991—），男，碩士研究生，主要從事水土保持研究。

通信作者：覃發(fā)超（1979—），男，博士，教授，碩士生導師，主要從事3S技術(shù)與水土保持研究。E-mail：larcqfc@163.com

引文格式：唐毅，覃發(fā)超，況治宇.降雨對不同作物徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響：以四川北部低山深丘區(qū)為例［J］.西華師范大學學報（自然科學版），2023，44（3）：300-304.