黃土丘陵溝壑區不同植被類型次降雨產流產沙特征

朱燕琴， 趙志斌， 齊廣平*， 康燕霞

(1. 甘肅農業大學水利水電工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省水利廳水土保持局， 甘肅 蘭州 730030)

黃土高原丘陵溝壑區自然地理條件復雜，是我國水土流失最嚴重，生態環境最脆弱的地區之一，土壤侵蝕模數為2 500～15 000 t·km-2·a-1，最嚴重的地區在2萬t·km-2·a-1[1]。植被可以涵養水源改良土壤，增加地面覆蓋防止水土流失，通過改善植被是水土流失治理的根本措施[2]。為此，國家推出了一系列退耕還林還草的治理方略。不同植被類型水土保持效果方面：李淼等[2]、姜娜等[3]在黃土高原不同坡地利用方式的水土流失研究表明，草灌林等植被類型在保持水土的作用方面明顯高于坡耕地；寇馨月等[4]在南方紅壤區也得出相同的結論，較農地和裸地，林地入滲能力增強，降低了徑流量和產沙量；徐佳等[5]對黃土坡面不同植被恢復階段的減流減沙效益進行了對比，得出了減流減沙效益林地>灌木林>草地>耕地的結論。大量文獻集中在植被類型及其結構層次(包括冠層、枯落物層和土壤層)的減流減沙效應[5-6]，不同植被類型水土保持功能的對比研究[7-9]，對指導不同區域水土保持做出了重要貢獻。

土壤侵蝕的程度、分布規律、發生頻率等特征都與降雨特性存在著極為密切的關系[10]。次降雨產流是坡地土壤侵蝕源動力，是影響坡面土壤侵蝕的關鍵因素[11]。顧璟冉等[12]對黔西高原地區侵蝕性降雨的特征進行了分析，認為侵蝕性降雨的特征與土壤侵蝕的研究密切相關，中雨以上降雨事件的產沙量約占總產沙量的99%。何楊洋等[13]運用統計方法，分析了密云水庫上游流域的次降雨、產流產沙特征，認為不同土地利用方式減流效益受到雨型的影響，而耕地、草地和林地的減沙效益受雨型影響差別不大。黃俊等[11]、寇馨月等[14]對南方紅壤區坡面次降雨產流產沙特征和影響因素進行了研究，確定徑流含沙量和土壤流失量隨降雨侵蝕力分別呈對數遞增和線性遞增的函數關系，并構建了次降雨徑流泥沙計算模型。對于降雨和侵蝕的關系，不同研究結論并不一致[14-16]。針對每個特定區域應根據具體情況具體分析研究，才能準確識別區域水土流失規律，提出有效防治措施，制定科學的管理對策。

統計資料表明[17-18]：黃土丘陵溝壑區每年能產生徑流的降雨次數為5次左右，占年降雨總次數的6%，中雨和大雨是侵蝕性降雨的主要類型。以坡面作為土壤侵蝕的組成單元，針對不同植被類型次降雨產流產沙特征的研究，可為區域水土流失模型的建立提供參考，是黃土高原水土流失研究不可缺少的重要環節[19-21]。但是，目前針對不同植被類型的產流產沙與降雨特征關系研究還很少。安家溝小流域水土保持區劃屬黃土丘陵溝壑區第Ⅴ副區，具有溝壑區半干旱生態環境的典型特征，是半干旱黃土丘陵溝壑區的典型代表，治理歷史長，本研究針對該流域不同植被類型次降雨入滲、產流產沙特征進行研究，為今后黃土丘陵溝壑區水土保持優化配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

安家溝流域是黃河流域祖歷河水系的一級支溝，流域緊鄰定西市區，地理位置104°38′13″～104°40′25″ E，35°33′02″～35°35′29″ N，面積為8.56 km2，海拔1 900～2 250 m。水土保持區劃屬黃土丘陵溝壑區第Ⅴ副區，屬于典型的半干旱黃土丘陵溝壑區。該流域內年均氣溫6.3℃，年均降水427 mm，其中60%以上集中在7―9月，且多暴雨，流域蒸發量1 510 mm，干燥度1.15，屬于中溫帶半干旱氣候。

本流域內所見土壤類型，主要是發育在溝間地黃土上的黃綿土和溝道鹽漬土，坡面黃土深厚，質地屬粉壤土，0～200 cm土壤容重1.09～1.36 g·cm-3，平均1.2 g·cm-3左右，土壤孔隙率平均約55%，有機質含量介于0.37%～1.34%之間。流域土地總面積為8.56 km2，其中梯田387.63 hm2，占45.28%；坡耕地32.64 hm2，占3.81%；荒地74.72 hm2，占8.73%；草地46.08 hm2，占5.38%；喬木林93.57 hm2，占10.93%；灌木林165.00 hm2，占19.28%。全流域共有野生植物23科、79種，栽培植物23科、64種。喬木種主要有油松(Pinustabuliformis)、側柏(Platycladusorientalis)、山杏(Armeniacasibirica)等，灌木有沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)，草本植物為紫花苜蓿(Medicagosativa)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、本氏針茅(Stipacapillata)，主要的農作物有馬鈴薯(Solanumtuberosum)、春小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、胡麻(Linumusitatissimum)以及豌豆(Pisumsativum)等。流域土壤侵蝕嚴重，多年侵蝕模數3 280 t·km-2·a-1。本研究徑流小區分別于2005年和2007年建成，植被類型分別為耕地(小麥)、草地(苜蓿)、荒地(冰草)、喬林(油松)、灌林(沙棘)5種類型，能夠代表該流域的植被類型，坡度有5°，10°和15° 3個梯度，共15個徑流小區，小區水平投影面積均為5 m×20 m，具體參數如表1所示。為了保證各小區下墊面條件基本一致，各徑流小區采用相同的管理方式，小區內定期進行人工除草和清理積流池雜物。

表1 徑流小區參數Table 1 Parameters of runoff treatments

1.2 試驗材料與方法

本研究對安家溝流域15個徑流小區2015年測定的侵蝕性降雨產流產沙資料進行了分析研究。徑流小區觀測內容主要有總降雨量、時段降雨量、降雨強度(I10、I30、平均雨強)等觀測數據，采用自動氣象站和虹吸式自計雨量計觀測確定。徑流量(m3)的測定在徑流產生后，利用水尺讀取各試驗小區集流池水深，再根據集流池底面積計算徑流總量(m3)。含沙量(g·L-1)的測定采用比重瓶法，先將池內的水和泥沙充分攪拌均勻，用取樣瓶在不同區域取水樣3個，體積均為500 mL，將水樣過濾后烘干稱重，計算水樣的泥沙含量，取平均值。

徑流深(mm)為徑流量(m3)與徑流小區面積(m2)之比；

徑流系數(%)=徑流深(mm)/同時段內降雨量(mm)×100%；

土壤侵蝕率(t·ha-1·h-1)=[徑流量(m3)×含沙量(g·L-1)/1000]/[小區面積(m2)/10 000]/降雨歷時(h)。

實驗數據均來自自然降雨事件，由于自然降雨事件降雨強度相對于模擬降雨試驗偏小，且次降雨歷時均相對較短，次降雨過程中植被截留、土壤蒸發及填凹水量相對較小，可以忽略不計[11]。因此，入滲率可采用下式計算，R入滲=(RAIN-Run)/t，R入滲為入滲率(mm·min-1)，RAIN為降雨量(mm)，Run為徑流深(mm)，t為降雨歷時(min)。

中雨和大雨是黃土區侵蝕性降雨(本研究中稱為有效降雨)的主要類型[17]。本研究降雨觀測時段為2015年1月到2015年12月，各月的降雨量分布如圖1所示。全年降雨總量452.4 mm，8-9月的降雨量達到191.7 mm，占全年降雨量的42.4%，全年有效降雨量166.1 mm。發生產流的最小雨量12.6 mm，最大次降雨量37.9 mm，按照氣象學上的雨量分級標準2015年的8次有效降雨均為中雨和大雨，具有一定的代表性。

降雨侵蝕力(Re)的計算公式：Re=E×I30，式中：E為降雨動能，I30為最大30 min雨強。

實驗共計120組(8組×15個徑流小區)有效觀測數據。使用SPSS20.0軟件包進行數據處理，使用Excel2016軟件包繪圖。

圖1 觀測期月降雨量和產流降雨量Fig.1 Observed monthly rainfall and runoff rainfall

2 結果與分析

2.1 次降雨入滲速率

2015年徑流小區產生徑流的降雨次數為8次，降雨強度0.69～8.13 mm·h-1，雨強均較小，各處理次降雨入滲率的變化范圍為0.6～7.8 mm·h-1。繪出不同處理的土壤入滲率與雨強之間的散點圖(圖2)，可以看出不同坡度下，不同處理的土壤入滲率均隨著雨強的增大線性增大，它們之間的關系符合線性函數關系(P<0.01)，R入滲=aRp-b，式中：a、b為常數，Rp為雨強(mm·h-1)，決定系數(R2)達到0.95以上。這是因為對入滲率起關鍵作用的是水體自重力和雨滴打擊土壤表層的沖力，雨強越大沖力越大，加速了水流的入滲速率，雨強是影響土壤入滲的關鍵因素。降雨初始階段，入滲速率均表現為冰草地>苜蓿地>小麥地>沙棘林>油松林，但隨著降雨歷時的延長各處理入滲率逐漸減小，并趨向于穩定，降水的繼續，使得土壤中大小孔隙均被填滿，無法繼續使土壤中的水保持快速的流動，到接近40 h時，各處理的入滲速率接近一致，入滲速率與降雨歷時之間的關系可以用冪函數關系(P<0.01)表達，R入滲=at-b，a、b為常數，決定系數(R2)在0.7以上。由表2可知，在植被類型相同的情況下，3種坡度的土壤入滲率平均值非常接近，各處理間差異不顯著(P>0.05)，因此可以認為坡度對土壤入滲率基本無影響。

圖2 各處理入滲率與雨強和降雨歷時的散點圖Fig.2 Scatter diagram between infiltration rate and rainfall intensity and duration under different treatments

2.2 次降雨產流系數

由表2徑流系數平均值統計結果可知，油松林在3種坡度下的徑流系數均最大(15.97%～19.88%)，小麥地(10.91%～17.32%)和沙棘林(9.51%～17.47%)次之，冰草地(4.62%～8.30%)和苜蓿地(6.82%～10.66%)的徑流系數最小，15個處理在坡長和土壤類型基本一致的條件下，徑流系數產生差異主要跟植被種類、蓋度和坡度有關。灌草類植物冰草、苜蓿的蓋度分別在90%和80%以上，沙棘的蓋度只在20%以上，徑流系數冰草地<苜蓿地<沙棘林，冰草地、苜蓿地的徑流系數均顯著低于沙棘林(P<0.05)，高覆蓋度對減少產流匯流發揮了重要作用。農地于7月15日收割后近似為裸地，但對小麥地進行的耕作等農業措施，使得地表結構疏松，土壤的入滲能力增強，徑流系數并不是所有處理中最大的。單一的油松林地徑流系數均顯著高于苜蓿地和冰草地(P<0.05)，是苜蓿地和冰草地的2～3倍，除了林齡小，郁閉度低，這可能還與油松林地表層土壤較寬的斥水性等級[22]和缺少地被植物有關。相對植被類型，坡度對徑流的影響相對較小，總體來看徑流系數隨著坡度的增大呈緩慢增大的趨勢，沙棘林10°和15°顯著高于5°(P<0.05)，小麥地15°顯著高于10°和5°(P<0.05)，其它植被類型的徑流系數在坡度間并未產生顯著性差異。

表2 各處理平均入滲率、徑流系數和含沙量Table 2 Average infiltration rate,runoff coefficient and sediment concentration under different treatments

注：表中同一列數據有不同小寫字母表示不同處理各指標間的差異顯著(P<0.05)

Note:Values with different lowercase letter within the same column indicate significant difference among the indexes of different treatments at the 0.05 level

圖3 各處理徑流系數與雨量的散點圖Fig.3 Scatter diagram between runoff coefficient and rainfall

2.3 次降雨徑流產沙系數

坡面徑流的含沙特征是研究坡面侵蝕產沙的重要內容，含沙量能夠說明水流的攜沙能力。各處理含沙量均值比較結果表明(表2)：小麥地的徑流含沙量均高于其它處理，排序依次為小麥地(16.49～22.71 g·L-1)>苜蓿地(12.66～16.91 g·L-1)>沙棘林(7.04～11.8 g·L-1)>油松林(6.95～7.78 g·L-1)>冰草地(5.53～7.71 g·L-1)，且差異隨著坡度的增大而增大，在10°和15°時，小麥地的含沙量為19.7，22.7 g·L-1，顯著高于沙棘林、油松林、冰草地(P<0.05)，分別是油松林和冰草地的3～4倍。坡度對含沙量也產生了影響，隨著坡度的增大不同植被類型的徑流含沙量逐漸增大，但增加的幅度很小，相同植被類型在不同坡度間并未產生顯著性差異(P>0.05)。

降雨侵蝕力是降雨引起土壤潛在侵蝕的能力，能夠反映降雨特性對土壤侵蝕的能力，是建立通用土壤流失方程USLE的最基本因子之一。圖4為含沙量和土壤侵蝕率與降雨侵蝕力的散點圖。含沙量(S)和土壤侵蝕率(ER)均與降雨侵蝕力(Re)呈正相關變化關系，這與Cerdà等[23]的研究結果一致。各處理的含沙量和土壤侵蝕率均隨降雨侵蝕力的增大而增大，這是因為降雨侵蝕力越大，雨滴打擊，導致土壤顆粒分散成泥沙，提升了徑流中的泥沙質量濃度。含沙量與降雨侵蝕力之間呈線性正相關關系(P<0.01)，S=aRe(a-常數)，決定系數(R2)在0.67以上。各處理徑流含沙量在降雨侵蝕力較小時大致相同，但隨著降雨侵蝕力的增大，不同植被類型徑流含沙量產生差異，尤其小麥地和苜蓿地變幅很大，含沙量隨降雨侵蝕力的增大增速很塊，含沙量增速依次為小麥地>苜蓿地>冰草地>沙棘林>油松林，由此可見，林地受到降雨侵蝕力的影響較小，隨著降雨侵蝕力的增大，產沙量的增速最小，草地的增速略高于林地，農地的增速最大。

圖4 含沙量和土壤侵蝕率與降雨侵蝕力的散點圖Fig.4 Scatter diagram between sediment concentration and soil erosion rate and rainfall erosivity under different treatments

土壤侵蝕率是衡量土壤侵蝕程度的一個量化指標，隨著降雨侵蝕力的增大徑流攜沙輸沙能力增大，土壤侵蝕加劇，土壤侵蝕率與降雨侵蝕力表現為遞增的變化規律，二者間可采用二次函數進行描述：SL=aRe2+bRe+c，a、b、c為方程擬合參數(P<0.01)，決定系數(R2)在0.76以上。也有研究表明[11]，在紅壤土條件下土壤侵蝕率與降雨侵蝕力呈線性正相關關系，這可能與土壤特性和降雨特征都有密切的關系。

3 討論與結論

入滲率是影響坡面產流匯流的重要因素，是土壤入滲能力的定量表示。油松林、灌木林、農地、草地的土壤入滲率均與雨強呈線性遞增關系，且隨著降雨歷時的推進，在入滲初期入滲率降低的幅度很快，隨后逐漸減小并趨于穩定，入滲率與降雨歷時之間呈冪函數關系，較好的符合了考斯恰可夫入滲模型，這與楊永輝等[24]、陳三雄等[25]在寧南黃土丘陵區針對不同植被下土壤入滲性能的研究結果相一致。

不同植被類型條件下，油松林的徑流系數最大，小麥地和沙棘林次之，冰草地和苜蓿地的徑流系數最小，油松林的徑流系數是苜蓿地和冰草地的2～3倍。因此，灌草林對水土保持的效果要明顯高于農地，單一的喬木林對徑流沒有明顯的截流效果。徑流系數(1%～28%)與降雨量之間符合冪函數關系(P<0.05)。

徑流含沙量小麥地>苜蓿地>沙棘林>油松林>冰草地，在10°和15°時，小麥地的含沙量顯著高于沙棘林、油松林、冰草地(P<0.05)，分別是油松林和冰草地的3～4倍。這是因為對小麥地進行的翻耕致使土壤表層疏松易蝕，土壤的抗沖刷能力減弱。沙棘、油松、冰草等植物根系固結土壤，增強了土壤結構的穩定性，增強了土壤的抗蝕、抗沖刷性。由此可見，草灌木、林地對減沙的作用高于耕地，冰草地進行了封禁措施，覆蓋度高達90%以上，有利于土壤水源涵養和保持土壤能力，水土保持效果最好[26-27]。

徑流含沙量和土壤侵蝕率均與降雨侵蝕力呈正相關關系(P<0.01)，可分別采用線性函數和二次函數進行定量描述。徑流含沙量隨著降雨侵蝕力的增速依次為小麥地>苜蓿地>冰草地>沙棘林>油松林，單一的油松林結構缺少地被植物徑流量較大，但其減沙效果卻非常顯著。總體來看，林地受到降雨侵蝕力的影響較小，隨著降雨侵蝕力的增大，產沙量的增速最小，草地在高覆蓋度的情況下，消減了降雨侵蝕動能，保持了良好的水土保持功效。但是在黃土丘陵區苜蓿覆蓋度達到80%仍不具有減沙的功效。因此，不同的植被類型在不同階段的水土保持功能不相同，在水土保持措施中要充分利用林草的合理配合，發揮其整體功能。