不同蓋度草地水土流失分析

劉小平 任樹梅 楊培嶺

摘要：以內蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗坡度草地為研究對象，采用野外人工模擬降水試驗，研究典型區域內不同蓋度草地在不同降水強度下的產流、產沙特征。研究表明：不同蓋度草地在不同降水強度下初始產流時間、產流產沙量有顯著差異；50%蓋度草地60 mm/h下徑流含沙率最小，蓋度越大截流、截沙能力明顯增強。因此，降低放牧強度提高草地蓋度可以有效減少草原水土流失現象。

關鍵詞：呼倫湖流域；草地；人工模擬降水；水土流失

中圖分類號：S 157 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5500（2013）05-0027-06

收稿日期：2013-07-19； 修回日期：2013-07-23

基金項目：中國農業大學、內蒙古農業大學兩校合作項目“氣候變化與放牧強度對呼倫湖生態環境的影響”項目（NO.15057004）資助

作者簡介：劉小平（1987-），男，江西泰和人，助理工程師，從事水土流失、農業水土工程方面的研究。

E-mail：liuxiaoping2005106@126.com

任樹梅為通訊作者。

我國草原面積占國土面積的41%，而全國草原沙化面積占草原總面積的35.6%，潛在沙漠化面積占48.7%[1-4]。據資料統計，我國北方草原100%超載放牧，超載率50%以上，邊遠牧區草地使用權得不到固定，草地較好的地方常常出現搶牧、亂牧現象。超載放牧導致了草地的不斷退化，也助推了沙塵暴的頻頻發生[5]。研究報道我國牧草產量建國初達3.0 t/hm²以上，而目前低產地已降至375 kg/hm²，嚴重地區已變成不毛之地[6]。呼倫貝爾草原沙漠化面積2004年比1999年增加32.3%，比1994年增加56.1%，呼倫貝爾草原以每年1.35%的速度退化[7]，草原的“三化”加劇了水土流失的發生。

呼倫貝爾湖流域的草地大多是退化草地，植被較稀疏，部分草地進行封育主要用于打貯草[8]。呼倫湖流域的新巴爾虎右旗（以下簡稱新右旗）總面積2.47萬km²，占呼倫湖流域面積54%，天然草地面積2.26萬km²，可利用草地面積2.01萬km²[9]，占天然草地89%。據新右旗草原監測管理局提供的2009年草地數據，可利用草地中有水草地、供水不足草地、缺水草地、沙化草地、鹽堿化草地。供水不足等退化沙化草地占可利用草地的28%，近年新右旗草原“三化”形勢持續加劇。

研究呼倫貝爾湖流域內不同蓋度草地的水土流失特性，旨在揭示放牧強度對草原水土流失的影響。2010年7月25～8月2日在呼倫貝爾湖流域，選擇典型草地進行人工模擬降水試驗，研究在降水強度、坡度、土壤質地等因素影響下的泥沙流失的特性，為呼倫湖流域防治水土流失提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于內蒙古呼倫貝爾盟新右旗，地處高平原克魯倫石質低山丘陵小區緩坡地[9]，北高南低，中部為河灘沖擊草原。日照時數年均2 840 h；年均氣溫0.4 ℃，牧草生長期為176～189 d，有效積溫2 336～2 675 ℃；年均降水量246.3 mm，86%集中于6～9月[10]；年均蒸發量1 628 mm以上，為降水量的6.6倍。無霜期163 d；年均風速4.47 m/s，大于17.0 m/s的大風天數全年在40 d以上；土壤屬栗鈣土亞地帶，pH 8.0～9.3，地下水pH 9.0以上。

試驗選擇20%、50%兩種蓋度草地。20%蓋度草地小區位于新右旗阿拉坦額莫勒鎮外環線西北方向，坡度3.23°，海拔562 m。50%蓋度草地小區距克魯倫河約1.0 km，坡度為3.38°，海拔557 m。

1.2 試驗設計

20%蓋度草地選6個小區（圖1中1-1至1-6），設置兩種降水強度30、60 mm/h（由最大日降水頻率分析得出，它們相當于頻率為44%和7.19%最大日降水量），圖1中1-1至1-3小區降水強度為60 mm/h，1-4至1-6小區降水強度為30 mm/h，每個小區長寬為7.4、3.7 m。50%蓋度草地選6個小區（圖1中2-1至2-6）作相同處理。

圖1 試驗小區現場布置

Fig.1 Experimental plots

人工模擬降水開始之前，測量小區坡度，植物高度、種群密度、土壤物理性質等。采用HUNTER噴頭，規格為10A，噴灑半徑為3.4 m。試驗區周邊采用帆布設置擋風墻。

人工模擬降水60 mm/h開始后，記錄時間及初始產流時間。產流1 min以后第1次采集水樣，用20 L的PVC桶取徑流樣，持續30 s（雨強30 mm/h的時間持續1 min，其他步驟相同），測量徑流體積和泥沙含量，之后每隔5 min取樣1次，測定相應參數，整個降水過程持續1 h。

1.3 測定的內容與方法

2010年7月25日選定20%蓋度草地及試驗小區，當日及時取樣測定坡度、植被、土壤的物理特性等參數，并于25～26日進行降水試驗，測定徑流量、水土流失量和降水量均勻度等參數。

2010年8月1日選定50%蓋度草地及試驗小區，當日及時取樣測定坡度、植被、土壤的物理特性等參數，并于1～2日進行降水試驗，測定徑流量、水土流失量和降水量均勻度等參數。

1.3.1 植被 草地及試驗小區選定后，坡度用水準儀現場測定，分別對各種蓋度草地的植被情況進行觀測。觀測樣方面積0.5 m×0.5 m，隨機在試驗區域拋5次；蓋度采用目測法測定；種群密度采用數株的方法[11]；高度采用直尺測量。觀測不同蓋度草地的植被分布和植被群落變化，分析其優勢物種、植被蓋度及其放牧強度（表1）。

表1 試驗區域草地坡度及植被特征

Table 1 Grassland slope and vegetation characteristics at experimental site

1.3.2 土壤的物理特性 在選定的各類型草地分別開挖1.0 m×1.0 m，深1.0 m的標準剖面。觀察土壤質地及分層，并測量各層土壤含水量、容重及粒徑。

在試驗前對各草地標準剖面按土壤質地情況分層。取0～20 cm表層土壤測量其含水量。容重采用環刀法，含水量采用烘干法，各3次重復。

土壤的粒徑分析采用比重計法，土壤樣品由中國農業大學水利與土木工程學院土力學實驗室測驗分析（2010年8月15日），土壤分類按照美國農業部土壤質地三角圖進行分類[12]。分類結果表明，20%蓋度草地與50%蓋度草地土壤均為砂壤土。經土壤粒徑分析后得兩蓋度草地土壤類型均為砂壤土（表2、3）。

1.3.3 徑流量和水土流失量 2010年7月25～8月2日實施人工模擬降水試驗，人工模擬降水開始后，記錄產流時間。產流1 min后第1次取樣，取徑流樣測產流產沙情況，然后每隔5 min再取樣1次，產流后再

表2 草地各層土壤容重

Table 2 Soil bulk density of grassland at

experimental site g/cm³

表3 試驗草地土壤粒徑分析及其土壤類別

Table 3 Soil particle size and type of grassland at experimental site mm

持續降水至1 h。20 L量桶收集徑流，降水過程中收集雨水作空白對照，試驗結束后立即測量徑流體積及徑流泥沙產量。

采用量筒測量徑流體積，采用烘干法測量徑流泥沙產量[13]，24 h內分析完畢。

1.3.4 徑流和徑流系數計算 試驗結束后徑流量估算采用公式（1）計算，泥沙產量根據同步流量和濃度監測值按公式（2）進行計算[14]。

1.3.5 降水量均勻度測定 采用半徑10 cm，高30 cm的自制圓柱形鐵皮量筒測量降水均勻度，在草地試驗區域布置9個量筒進行測定，量筒間距為0.925 m×1.85 m，現場布置見圖1。均勻度采用目前模擬降水均勻度常用的公式：

2 結果與分析

2.1 初始產流時間

試驗結果表明，20%蓋度草地，30與60 mm/h初始產流時間分別為55、15 min；50%蓋度草地，30與60 mm/h初始產流時間分別為30、15 min。因此，在小降水強度情況下，產生徑流較困難。

在30 mm/h降水情況下，50%蓋度初始產流較20%蓋度草地早了25 min，原因之一為初期含水量的負相關作用要強于蓋度的正相關作用，另外一個主要原因為20%蓋度草地容重較小，土壤孔隙較大，有機腐殖質含量較多，入滲強度大；但是在60 mm/h降水情況下，兩種草地初始產流時間相同，可以得出隨著降水強度的增大，草地蓋度對徑流影響效果逐漸顯現，這與張洪江等[16]在重慶縉云山的研究結果是一致的；因此，在增大蓋度的同時若能疏松土壤，減小土壤容重，

表4 不同蓋度草地各小區降水

Table 4 Rainfall to experimental plots at different coverage

增大土壤入滲強度及功能，則能提高土壤植被蓄水保熵能力，大大降低土壤侵蝕減少水土流失。

2.2 不同蓋度草地的徑流量

2.2.1 草地產流過程 在30 mm/h降水強度時，平均流量分別為39.6、25.84 mL/s，在60 mm/h降水強度時，平均流量分別為182.4、101.49 mL/s。20%蓋度草地徑流流量都要大于50%蓋度草地（圖2、3），前者趨勢為第2次取樣徑流流量有較大幅度的提高，之后趨于平緩穩定。后者整個產流過程較趨于穩定波動較小。原因為兩蓋度草地入滲強度小于30 mm/h降水強度，產生徑流后入滲強度逐漸變化并趨于穩定，此時徑流流量也趨于穩定并達到最大值，而且對于50%蓋度草地由于初始產流時間較長，產生徑流時入滲強度基本減小到最小值，因此，徑流流量也較早達到穩定。

對于20%蓋度與50%蓋度草地，蓋度越大產流越少，截留效果越明顯。

圖2 30 mm/h不同蓋度草地產流過程

Fig.2 Runoff process of grasslands at different

coverage under 30 mm/h rainfall

圖3 60 mm/h不同蓋度草地產流過程

Fig.3 Runoff process of grasslands at different

coverage under 60 mm/h rainfall

2.2.2 草地徑流量 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水徑流量分別為0.044、0.666 m³，50%蓋度草地，30、60 mm/h降水徑流量分別為0.038 m³、0.255 m³，說明：（1）20%蓋度下60 mm/h較30 mm/h降水，徑流量增大15倍，50%蓋度下徑流量增大6.7倍，兩種蓋度草地坡度一樣時，蓋度越大，抵抗大降水的能力就越強，徑流截留優勢就越明顯，水土流失量就越少；（2）30 mm/h 降水下，20%蓋度徑流量是50%蓋度的1.2倍，60 mm/h降水下，20%蓋度徑流量是50%蓋度的2.6倍（圖4，5）。

圖4 兩種降水強度不同蓋度草地的徑流量

Fig.4 Runoff of grasslands at different coverage

under two rain intensities

圖5 兩種降水強度不同蓋度草地的產沙量

Fig.5 Sediment of grasslands at different coverage

under two rain intensities

20%蓋度草地，30、60 mm/h降水下徑流系數為0.037、0.156，50%蓋度草地，30、60 mm/h降水下徑流系數為0.032、0.121，說明：（1）徑流系數小的草地其坡面產流相應較少，流速較小；徑流系數較大的草地其流速也較大，這與楊春霞等[17]研究坡面產流產沙試驗的結果一致；（2）兩種降水強度下，草地蓋度越大，徑流系數越小。而且草地蓋度越大，降水強度增大時，徑流系數增加更為緩慢，截流效果更為顯著。

2.3 不同蓋度草地的產沙量

2.3.1 草地產沙過程 對于30 mm/h降水強度條件下的20%蓋度草地與50%蓋度草地無穩定產沙規律（圖6），兩者呈反向變化趨勢，但是，初始值較接近且都較大，20%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.28、0.22 g/L，50%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.26、0.27 g/L，可以看出，蓋度越大徑流量中的含沙量會越大，這與趙偉等[18]在呼倫湖流域的研究結果略有不同。可能為50%蓋度草地土壤表面有一層較厚的沙層，并且經過長時間的入滲之后才產生徑流，徑流強度要強于20%蓋度草地，此時產沙量會略大于20%蓋度草地。

圖6 30 mm/h不同蓋度草地的含沙率

Fig.6 Sediment process of grasslands at

different coverage under 30mm/h rainfall

60 mm/h降水條件下不同蓋度草地徑流量中的含沙率變化趨勢較為一致，并且大小層次清晰明顯（圖7），50%蓋度草地的含沙率小于20%蓋度草地，與上述結論不一致。20%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.36，0.31g/L，50%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.1，0.15 g/L。50%蓋度草地60 mm/h降水條件下含沙率最小，主要原因是60 mm/h降水條件下，50%蓋度草地有植被的保護，減弱了雨滴

圖7 60 mm/h不同蓋度草地的含沙率

Fig.7 Sediment process of grasslands at

different coverage under 60mm/h rainfall

打擊動能，因此，徑流所挾帶的泥沙含量就較少，試驗得出大降水強度的沖擊力使小蓋度草地沙粒流失嚴重，蓋度越大，抑制產沙效果明顯。這與馬海霞等[19-21]的研究一致。總體上含沙率與蓋度和降水強度均沒有明顯關系，但是含沙率呈總體下降趨勢。

2.3.2 草地產沙量 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水強度下產沙模數為0.291、6.543 g/m²；50%蓋度草地，30、60 mm/h降水強度下為0.323、1.2 g/m²。

（1）30 mm/h降水強度情況下，兩種草地產沙模數大致相當，降水強度增大，小蓋度草地產沙模數急劇上升，增大22.5倍；大蓋度草地略有上升，增大3.72倍。由此可知，蓋度越大，在抵抗截留徑流的過程中，同時對產沙也控制的較好。

（2）60 mm/h降水強度情況下，50%蓋度草地產沙模數為1.2 g/m²，20%蓋度草地產沙模數最大為6.543 g/m²，前者是后者的0.18倍，可知蓋度越大，其截沙的能力大大增強，坡度大致相當時蓋度對產沙能力的影響是至關重要。

3 結論

通過人工模擬降水研究草原水土流失，試驗初步得出新右旗不同坡度草原水土流失特性如下：

（1）在60 mm/h降水情況下，兩種草地初始產流時間均為15 min；但是在30 mm/h降水情況下，20%蓋度、50%蓋度草地初始產流時間為55、30 min，20%蓋度草地滯后了25 min。

（2）在60 mm/h降水情況下，50%蓋度越時，徑流量由20%蓋度的0.666 m³減少到0.255 m³，截流效果最明顯。

（3）徑流系數小的草地其坡面產流相應較少；草地蓋度越大，降水強度增強時，徑流系數增加更為緩慢，截流效果更為顯著。

（4）降水徑流含沙率大小順序為20%蓋度草地60 mm/h>50%蓋度草地30 mm/h>20%蓋度草地30 mm/h>50%蓋度草地60 mm/h。

（5）60 mm/h降水情況下20%蓋度草地產沙量最大，為6.543 g/m²，50%蓋度草地產沙量為1.2 g/m²，因此，草地蓋度大截沙能力明顯增強。

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Study on water and soil erosion of grassland

under different coverages

LIU Xiao-ping REN Shu-mei，YANG Pei-ling

（1.Jiangxi Provincial Institute of Water Sciences，Nanchang 330029，China； 2.College of Water

Conservancy and Civil Engineering，Chian Agricultural University，Beijing 100083，China）

Abstract：In order to reveal the impacts of grazing intensity on water and soil erosion of grassland，the grassland under coverage in New Barag Right Banner was selected to measure the runoff and sediment at different rainfalls through field simulated rainfall method.The results show that the initial time and features of runoff and sediment were significantly different under different coverage and rainfalls.The grassland with higher coverage could reduce the runoff.

Key words： Hulun Lake watershed；simulated rainfall；water and soil erosion；runoff and sediment characteristics