安家溝流域坡面產流產沙特征及影響因素分析

郭仲軒

（定西市水土保持科學研究所 甘肅，定西 743000）

近年來由于人們對土地濫加利用，加快了土壤水蝕的地質過程，使得土壤侵蝕逐漸成為中國乃至全球的首要解決的環境問題之一，嚴重影響著生態環境質量和生物安全，制約著經濟社會、環境的協調發展。近年來國內外研究者指出降水、坡度因子和植被類型是影響土壤侵蝕的重要因素，王猛、Wang和Xin分別發現坡度、降水和植被類型對侵蝕的影響起著主導作用。杜家穎研究表明，灌木植被覆蓋下土壤產沙產流量明顯低于其他類型植被覆蓋。陳洪松研究指出坡耕地由于持續受人為頻繁的擾動，侵蝕產沙量較高。Peng通過山坡地觀測場試驗，證明降雨量越大土壤流失量越大。

據2020 年《中國生態環境狀況公報》統計（https://www.mee.gov.cn/hjzl/），我國的水土流失面積271.08×104 km，黃土丘陵溝壑區的水土流失問題尤為嚴重，而且黃河重點生態區也被劃定為七大重點生態功能區之一。因此，為了滿足新時期水保監測工作的需要，以隴中黃土丘陵溝壑區安家溝流域為研究對象，進行典型土壤侵蝕區水土流失機理的研究，揭示不同因素對泥沙含量的影響，不僅為該流域定量計算和預測水土流失量提供理論依據，而且可以更好的服務于水土流失綜合治理方案制定和實施。

1 試驗與方法

1.1 研究區概況

安家溝流域系黃河流域關川河的一級支流，位于甘肅省定西市（35°33′02″-35°35′29″N，104°38′13″-104°40′25″E），流域面積約8.56km，地形起伏較大，形成兩溝、一梁、四面坡的地貌景觀，屬于典型的黃土丘陵溝壑區。年均溫約為6.13℃，年降水達到427mm，多以暴雨，降水主要集中在7-9月，年溫差大，屬中溫帶半干旱氣候。其主要土壤類型為黃綿土和鹽漬土，以豆科、菊科和禾本科、等草本植物為主，伴有少量灌木零星分布。

1.2 研究方法

1.2.1 監測基礎設施建設情況 基于水利部水土保持監測中心在研究區中設立的綜合典型監測站，選擇15 個標準小區（小區面積為20m×5m），其坡度分別為5°、10°、15°，在每個坡度相同位置分別布設5種類型小區，即為：農地(小麥)、人工草地、封禁、油松林、沙棘灌叢小區。

1.2.2 試驗設計 試驗于甘肅省定西市安家溝流域綜合典型監測站坡面徑流場內進行，選擇坡度5°、10°、15°的標準徑流小區15 個，在每個坡度相同位置分別布設5種類型小區，即為：農地(小麥)、人工草地、封禁、油松林、沙棘灌叢小區。分別于2005年和2007建立小區。

根據不同植被類型在不同坡度條件下各徑流小區的泥沙量，揭示不同植被類型、降水量、坡度因子對泥沙含量的影響及其數量關系，揭示各典型區域的水土流失機理，提出多因子作用下的土地利用方式。

1.2.3 試驗方法 農作物小區（即小麥植區）：根據小區土壤類型，農作物徑流觀測小區種植了小麥，按照當地農作物耕作時間、方式定期進行輔育管理。

人工草地小區：人工種植了適宜當地自然條件的優良草種紫花苜蓿。每年秋季刈割牧草。

封禁小區：小區內主要以冰草和針茅為主。

油松林小區：小區選擇了耐寒耐旱性較強的油松作為植被類型，按照2×3m的規格進行栽植。

沙棘灌叢小區：小區選擇栽植了適宜當地條件的沙棘苗木，按照0.5×0.5m的株行距栽植。

通過不同類型小區布設，監測不同植被條件下土壤流失量，利用1000mL廣口瓶，通過采樣然后進行過濾、烘干，測定重量，換算出徑流中的含沙量。其公式為：

式中：E 表示單位面積侵蝕量，即為土壤侵蝕模數t/(km·a)；C表示徑流含沙量kg/m；V 表示產流體積m；S表示徑流小區面積為100m。

安家溝小流域安裝全自動電子氣象站1臺，主要用于觀測流域內的降水量與降水強度。每月初采集上月降水數據。按《水文資料整編規范》（SL247-1999）以8 時為日分界，對降水的相關數據進行整理。

1.2.4 數據處理 運用EXCEL 2016 和Sigmaplot 12.5軟件對所得的數據進行整理、計算和圖表繪制，采用SAS 9.2軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和DUNCAN多重檢驗（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同植被對坡面徑流泥沙的影響

圖1 不同植被類型小區的土壤侵蝕模數

圖2 降水量對各試驗徑流小區的坡面年均徑流模數的影響

表2 坡度對各試驗徑流小區的坡面土壤侵蝕模數的R×C列聯表

圖2表示2016-2020 年各試驗徑流小區的坡面年均土壤侵蝕模數。5 種不同植被類型的徑流小區其年均土壤侵蝕模數差異顯著（P＜0.05），5°坡面時其大小順序為小麥小區（129.40t/（km·a））＞油松小區（59.60t/（km·a））＞人工草地小區（50.80t/（km·a））＞封禁小區（32.80t/（km·a））＞沙棘小區（29.80t/（km·a））；10°坡面時其大小順序為小麥小區（278.00t/（km·a））＞人工草地小區（148.40t/（km·a））＞油松小區（139.80t/（km·a））＞沙棘小區（40.20t/（km·a））＞封禁小區（32.00t/（km·a））；15°坡面時其大小順序為小麥小區（413.60t/（km·a））＞人工草地小區（208.60t/（km·a））＞油松小區（195.60t/（km·a））＞沙棘小區（55.20t/（km·a））＞封禁小區（33.00t/（km·a）），由此看出小麥小區的土壤侵蝕模數最大，分別較封禁小區增加了294.51%、768.75%和1153.33%，且均達到了顯著性差異（P＜0.05），說明在研究區內，種植農作物過程中大量擾動土壤表層結構，加劇土壤侵蝕速率，導致年均土壤侵蝕模數增加；油松小區和人工草地小區，分別較封禁小區增加了81.71%和54.88%、336.88%和363.75%及492.73%和532.12%；沙棘小區分別較封禁小區增加了-9.15%、25.63%和67.27%。在自然條件下可以有效保持水土，降低土壤流失速率，增加土壤結構穩定性。

2.2 降水量對坡面徑流泥沙的影響

土壤侵蝕模數并未隨著降水量增加而增加的線性關系，小麥小區和人工草地小區隨著降水量的增加均呈現為先降低后增加的趨勢，在降水量443.4mm出現拐點；沙棘小區和封禁小區表現為“增加-降低-增加”的趨勢，轉折點分別在降水量224.1mm 和443.4mm 出現拐點；油松小區中5°坡面時，隨著降水量的增加表現為“增加-降低-增加”的趨勢，轉折點分別在降水量224.1mm 和443.4mm 出現拐點，10°和15°坡面時呈現為持續降低趨勢，在降水量443.4mm 出點拐點，降低幅度增大，徑流模數減小。說明降水量雖然是徑流泥沙產生的主要原因，但降水量的大小對徑流泥沙大小并沒有決定性的作用，可能存在一個轉折點，大約在443.4mm降水量處。

2.3 坡度對坡面徑流泥沙的影響

表2表示坡度對各試驗徑流小區的徑流模數的影響，各類型的徑流小區（除了封禁小區）均隨著坡度的增加而增大，說明坡度的大小顯著影響徑流小區的年土壤侵蝕模數（P＜0.05）。各徑流小區（除了封禁小區）中10°和15°坡面的土壤侵蝕模數分別較5°坡面增加了134.56%和228.19%、34.90%和85.23%、114.84%和219.63%及192.13%和310.63%，經方差檢驗，15°坡面的徑流模數較5°達到了顯著性差異（P＜0.05），10°坡面的徑流模數較15°和5°之間差異不顯著（P＞0.05）。

將各試驗徑流小區的坡面年均土壤侵蝕模數按照不同坡度之間的差異進行匯總，結果見表2。表2中理論值為理論坡面土壤侵蝕模數，計算過程為：

對表2內的土壤侵蝕模數情況進行卡方檢驗，計算χ2值如下：

查χ2 表，當自由度df=（3-1) × (5-1) =8 時，χ0.052=15.51，χ0.012=20.09，計算得χ2=62770.43＞20.09，可知，試驗處理的不同坡度對坡面年均土壤侵蝕模數的影響存在極顯著差異，說明不同坡度極顯著的影響坡面土壤侵蝕模數。

3 結論

2016-2020 年5 種不同植被類型的徑流小區其年均土壤侵蝕模數差異顯著（P＜0.05），種植農作物、油松小區和人工草地小區過程中大量擾動土壤表層結構，加劇土壤侵蝕速率，導致侵蝕增加。在自然條件和沙棘小區可以有效保持水土，降低土壤流失速率。土壤侵蝕模數并未隨著降水量增加而增大，可能在降水量443.4mm 存在轉折點。經χ2 檢驗分析坡度極顯著的影響土壤侵蝕模數，隨著坡度的增加而顯著增大（P＜0.05），綜合得到15°時應選擇經濟價值較高的沙棘灌叢林。