植被和降雨類型對(duì)地表徑流和土壤侵蝕的影響研究

劉宏志

（廣東河海工程咨詢有限公司,廣東 廣州 510610）

1 引言

中國(guó)黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一,其總面積為624000 km2,其中約68%的面積遭受土壤侵蝕。年平均侵蝕速率為2330 t/km2,在一些集水區(qū),侵蝕速率超過59700 t/km2[1]。嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅導(dǎo)致土地嚴(yán)重退化,而且黃河下游的河床退化也威脅著河南省和山東省近2 億人口的居住生活。作為土壤保護(hù)措施的一項(xiàng)基本實(shí)踐,自20 世紀(jì)50 年代以來,植被恢復(fù)在黃土高原廣泛實(shí)施,但直到1999年實(shí)施了“退耕還林”項(xiàng)目,旨在將坡地改為森林和草地,植被復(fù)蓋率才得到大幅改善,隨后導(dǎo)致了水文和侵蝕過程的顯著變化[2]。黃河的年泥沙負(fù)荷從1951 年～1979 年的約1.34 Gt下降到1980 年～1999 年的約0.73 Gt,并在2000 年～2010 年進(jìn)一步下降到約0.32 Gt[3]。

在黃土高原地區(qū),降雨主要發(fā)生在7 月～9 月,占年降水總量的60%～70%。在降雨特征中,降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間是影響水文和侵蝕過程的兩個(gè)主要因素。本文研究了黃土高原陡坡上相同地形條件下不同植被類型對(duì)地表徑流和土壤流失的影響。本文為評(píng)估黃土高原陡坡植被類型和降雨類型對(duì)地表徑流和土壤流失的影響,對(duì)比白羊草、沙棘、刺槐、沙棘+刺槐四種植被類型,以更好地了解植被和降雨對(duì)土壤侵蝕的影響,為水土保持治理提供參考。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

在某省的典型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行,該地區(qū)年平均降水量為500 mm～570 mm,夏季多雨,年平均氣溫10.2℃。地區(qū)的土壤類型主要為黃土,土質(zhì)為粉質(zhì)黏土。地下水位在地表

以下約60 m～70 m,降水是補(bǔ)充土壤水分的唯一天然水源。當(dāng)?shù)刂饕N植的農(nóng)業(yè)作物為小麥、玉米和高粱等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)中建立了坡度相同的的試驗(yàn)地塊,具有相似的土壤性質(zhì)和指標(biāo)。每個(gè)地塊出口處安裝了水槽和容積桶,以收集地表徑流和土壤損失。為研究土壤侵蝕在不同類型的植被種植情況下的差異,設(shè)置四種不同類型植被的試驗(yàn)地塊：白羊草、沙棘、刺槐、沙棘+刺槐。前期實(shí)驗(yàn)中,采用四邊形法對(duì)試驗(yàn)地塊的植被性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)查,估算每個(gè)地塊的地面覆蓋率,其中包括草地和凋落物覆蓋率。具體試驗(yàn)地塊的植被特征和土層性質(zhì)見表1,土壤孔隙度包括毛管孔隙度和非毛管孔隙率和飽和導(dǎo)水率。

表1 不同植被類型的指標(biāo)

收集周期為四年的每一次降雨事件來調(diào)查植被類型對(duì)地表徑流和土壤流失的影響,測(cè)量每個(gè)地塊的地表徑流和土壤流失。將每個(gè)地塊收集的沉積物樣品在105℃的烘箱中干燥,然后稱重以確定沉積物濃度。測(cè)量和取樣后,及時(shí)將桶完全清空,以保證下次降雨數(shù)據(jù)的收集準(zhǔn)確性。在距離試驗(yàn)區(qū)一定距離安裝虹吸管雨量計(jì),自動(dòng)記錄雨季的每小時(shí)降雨量數(shù)據(jù)。

在本研究中,使用間隔60 分鐘的降雨濃度指數(shù)對(duì)侵蝕性降雨事件進(jìn)行分類。降雨事件的濃度指數(shù)為給定降雨事件的最大60 分鐘降雨深度占降雨事件的總降雨深度的百分比。地表徑流系數(shù)為地表徑流量深度占降雨深度的百分比。土壤損失為土壤流失量與徑流區(qū)面積和年數(shù)的比值。

3 降雨類型統(tǒng)計(jì)

在3 年的研究期間,記錄并分析了30 個(gè)侵蝕性降雨事件,根據(jù)降雨濃度指數(shù)分為三種降雨類型：雨量集中指數(shù)≥70%的一類降雨；雨量集中指數(shù)為30%～70%的二類降雨；雨量集中指數(shù)≤30%的三類降雨。其中,一類降雨的平均降雨集中指數(shù)和最大60 分鐘強(qiáng)度值最高,其次是二類降雨和三類降雨。相反的是,平均降雨深度和持續(xù)時(shí)間呈現(xiàn)不同的規(guī)律：三類降雨＞二類降雨＞一類降雨。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,一類降雨事件具有高降雨濃度和強(qiáng)度,分別為91.2%和13.6 mm/ h,較小的降雨深度14.7 mm 和較短的降雨持續(xù)時(shí)間,約2.5 h。三類降雨濃度和強(qiáng)度均較低,分別為18.8%和6.2 mm/h；大降雨深度41.7 mm 和較長(zhǎng)的降雨持續(xù)時(shí)間,約為146 h。二類降雨事件具有中等降雨的特征,集中指數(shù)和強(qiáng)度為42.9%和11.8 mm/h,深度為28 mm,持續(xù)時(shí)間為8.5 h。在試驗(yàn)期間,一類降雨共發(fā)生3 次,總深度為59.3 mm。三類降雨4 次,總深度152.7 mm。二類降雨發(fā)生的次數(shù)最多,為7 次,總深度為188.7 mm。

4 結(jié)果分析

4.1 植被類型的年地表徑流和土壤流失

圖1 和圖2 顯示了2019 年～2022 年4 種植被類型的年均地表徑流和土壤流失狀況結(jié)果。可以看出,徑流和土壤流失因植被類型的不同而有較顯著的差異。如圖1 所示,白羊草地塊的年地表徑流最低,4 年平均值為3.10 mm,其次是沙棘地塊,年平均值為3.85 mm。沙棘+刺槐地塊的年平均地表徑流最高,4 年平均值為4.33 mm。如圖2 所示,白羊草和沙棘地塊的年平均土壤流失相對(duì)較低,分別為7.88 t/km2和7.18 t/km2,刺槐和沙棘+刺槐地塊的年平均土壤流失顯著高于白羊草和沙棘地塊,2019 年～2022 年平均土壤流失分別為15.18 t/km2和15.28 t/km2,較沙棘地塊的年平均土壤流失高出92.6%和93.9%。年平均地表徑流呈現(xiàn)沙棘+刺槐＞刺槐＞沙棘＞白羊草的順序遞減,年平均土壤流失量呈現(xiàn)沙棘+刺槐＞刺槐＞白羊草＞沙棘的順序遞減。

圖1 2019 年～2022 年平均地表徑流

圖2 2019 年～2022 年平均土壤流失

圖3 為2019 年～2022 年不同植被類型下的年度地表徑流和土壤流失,柱形圖為年度地表流失,折線圖為年度土壤流失。與林地相比,草地和灌木林地的徑流和土壤損失較低,總體而言,年徑流和土壤流失不僅在每種植被類型下,而且在地塊之間具有同步波動(dòng)。由圖3（a）可以看出,白羊草地塊的年度地表徑流呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì),在2021 年的地表徑流和土壤流失均有較顯著的增加。由圖3（b）可以看出,沙棘地塊在2020 年有最小的地表徑流,為2.74 mm,在2022 年的地表徑流和土壤流失均最大,分別為5.03 mm 和12.72 t/km2。由圖3（c）可以看出,刺槐地塊在2019 年～2022 年內(nèi)的年度地表徑流和土壤流失波動(dòng)比較大,在2020 年和2022 年有較小的年度地表徑流,但是對(duì)應(yīng)較大的土壤流失量。由圖3（d）可以看出,沙棘+刺槐地塊的年度土壤流失呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì),2022 年的土壤流失最大,為29.75 t/km2,但地表徑流波動(dòng)較大,2021 年的地表徑流最大,為6.17 mm。

圖3 2019 年～2022 年不同植被類型下的年度地表徑流和土壤流失

在本次試驗(yàn)地塊中,刺槐樹的平均高度僅為3.3 m,平均胸徑為2.7 cm,明顯低于同齡刺槐樹的數(shù)據(jù)。地表覆蓋不良和缺少下層植被可能是導(dǎo)致土壤侵蝕控制效率低下的主要原因。降水量和溫度等氣候條件、地形特征和土壤濕度等場(chǎng)地條件和人類活動(dòng)都會(huì)對(duì)樹木生長(zhǎng)產(chǎn)生影響?？傊?具有高地面覆蓋的草地和灌木在控制地表徑流產(chǎn)生和土壤侵蝕方面更有效。相比之下,無論是單一種植還是混合種植,地表覆蓋不良的林地都會(huì)產(chǎn)生更多的地表徑流和相關(guān)的土壤侵蝕。因此,促進(jìn)地表覆蓋的發(fā)展或密切關(guān)注其變化是該地區(qū)植被保持水土的關(guān)鍵。

4.2 降雨類型的地表徑流和土壤流失

降雨特征是影響徑流產(chǎn)生和土壤侵蝕的主要因素,不同的降雨類型對(duì)徑流和土壤侵蝕有不同的影響。圖4 顯示了不同植被類型降雨類型事件的平均地表徑流系數(shù)和平均土壤流失的特征。降雨類型對(duì)徑流的影響在不同植被類型中大體一致,其順序基本相同：一類降雨＞二類降雨＞三類降雨。一類降雨的徑流系數(shù)最高,一類降雨下刺槐的平均徑流系數(shù)為3.82%,較二類降雨和三類降雨分別高137.5%和245.5%。降雨類型對(duì)平均土壤流失的影響在不同植被類型中有所不同,白羊草和沙棘的平均土壤流失結(jié)果較為相似：一類降雨＞二類降雨＞三類降雨。刺槐的平均土壤流失在二類降雨情況下最高,為2.42 t/km2,在一類降雨情況下最低,為1.83 t/km2。沙棘+刺槐的平均土壤流失在以類降雨情況下最高,為2.54 t/km2,在二類降雨情況下最低,為2.08 t/km2。在所有三種降雨類型下,草地和灌木林地的徑流系數(shù)和土壤損失值均低于林地。

圖4 不同降雨類型下的平均徑流系數(shù)和平均土壤流失

分析其原因,降雨類型對(duì)地表徑流和土壤流失的影響與降雨強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和深度有關(guān),降雨深度和持續(xù)時(shí)間是影響水文過程的兩個(gè)重要因素,其中降雨強(qiáng)度是影響徑流產(chǎn)生和土壤侵蝕的主要因素。在降雨和土壤表面之間的相互作用中,高強(qiáng)度和短時(shí)降雨下的雨滴特征與低強(qiáng)度和長(zhǎng)時(shí)間降雨下的不同,高強(qiáng)度降雨使表面結(jié)皮和密封更容易形成,這會(huì)降低入滲率并增加地表流量。

5 結(jié)論

本文研究了植被類型和不同降雨類型對(duì)地表徑流和土壤流失的影響,得出以下結(jié)論：

（1）沙棘+刺槐地塊的年平均地表徑流最高,4 年平均值為4.33 mm。年平均地表徑流呈現(xiàn)沙棘+刺槐＞刺槐＞沙棘＞白羊草的順序遞減。

（2）刺槐和沙棘+刺槐地塊的年平均土壤流失顯著高于白羊草和沙棘地塊,較沙棘地塊的年平均土壤流失高出92.6%和93.9%。年平均土壤流失量呈現(xiàn)沙棘+刺槐＞刺槐＞白羊草＞沙棘的順序遞減。

（3）地面覆蓋率高的地塊產(chǎn)生的徑流和土壤流失較低,而地面覆蓋率低的地塊產(chǎn)生的徑流量和土壤流失較高。

（4）一類降雨的徑流系數(shù)最高,一類降雨下刺槐的平均徑流系數(shù)為3.82%,較二類降雨和三類降雨分別高137.5%和245.5%。在所有植被類型下,強(qiáng)度高、持續(xù)時(shí)間短的降雨事件都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的徑流和土壤流失。