植被和降雨類型對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

中國黃土高原是世界上土壤侵蝕最嚴重的地區之一,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,侵蝕速率超過59700 t/km2[1]。嚴重的土壤侵蝕不僅導致土地嚴重退化,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。作為土壤保護措施的一項基本實踐,自20 世紀50 年代以來,植被恢復在黃土高原廣泛實施,但直到1999年實施了“退耕還林”項目,旨在將坡地改為森林和草地,植被復蓋率才得到大幅改善,隨后導致了水文和侵蝕過程的顯著變化[2]。黃河的年泥沙負荷從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 年進一步下降到約0.32 Gt[3]。

在黃土高原地區,降雨主要發生在7 月～9 月,占年降水總量的60%～70%。在降雨特征中,降雨強度和持續時間是影響水文和侵蝕過程的兩個主要因素。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地表徑流和土壤流失的影響。本文為評估黃土高原陡坡植被類型和降雨類型對地表徑流和土壤流失的影響,對比白羊草、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 研究區概況

在某省的典型農業生態系統內進行,該地區年平均降水量為500 mm～570 mm,夏季多雨,年平均氣溫10.2℃。地區的土壤類型主要為黃土,土質為粉質黏土。地下水位在地表

以下約60 m～70 m,降水是補充土壤水分的唯一天然水源。當地主要種植的農業作物為小麥、玉米和高粱等。

2.2 試驗設計

本文試驗中建立了坡度相同的的試驗地塊,具有相似的土壤性質和指標。每個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,設置四種不同類型植被的試驗地塊：白羊草、沙棘、刺槐、沙棘+刺槐。前期實驗中,采用四邊形法對試驗地塊的植被性質進行了調查,估算每個地塊的地面覆蓋率,其中包括草地和凋落物覆蓋率。具體試驗地塊的植被特征和土層性質見表1,土壤孔隙度包括毛管孔隙度和非毛管孔隙率和飽和導水率。

表1 不同植被類型的指標

收集周期為四年的每一次降雨事件來調查植被類型對地表徑流和土壤流失的影響,測量每個地塊的地表徑流和土壤流失。將每個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。測量和取樣后,及時將桶完全清空,以保證下次降雨數據的收集準確性。在距離試驗區一定距離安裝虹吸管雨量計,自動記錄雨季的每小時降雨量數據。

在本研究中,使用間隔60 分鐘的降雨濃度指數對侵蝕性降雨事件進行分類。降雨事件的濃度指數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面積和年數的比值。

3 降雨類型統計

在3 年的研究期間,記錄并分析了30 個侵蝕性降雨事件,根據降雨濃度指數分為三種降雨類型：雨量集中指數≥70%的一類降雨；雨量集中指數為30%～70%的二類降雨；雨量集中指數≤30%的三類降雨。其中,一類降雨的平均降雨集中指數和最大60 分鐘強度值最高,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時間呈現不同的規律：三類降雨＞二類降雨＞一類降雨。根據相關統計數據表明,一類降雨事件具有高降雨濃度和強度,分別為91.2%和13.6 mm/ h,較小的降雨深度14.7 mm 和較短的降雨持續時間,約2.5 h。三類降雨濃度和強度均較低,分別為18.8%和6.2 mm/h；大降雨深度41.7 mm 和較長的降雨持續時間,約為146 h。二類降雨事件具有中等降雨的特征,集中指數和強度為42.9%和11.8 mm/h,深度為28 mm,持續時間為8.5 h。在試驗期間,一類降雨共發生3 次,總深度為59.3 mm。三類降雨4 次,總深度152.7 mm。二類降雨發生的次數最多,為7 次,總深度為188.7 mm。

4 結果分析

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。由圖3（a）可以看出,白羊草地塊的年度地表徑流呈現逐年遞增的趨勢,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 年內的年度地表徑流和土壤流失波動比較大,在2020 年和2022 年有較小的年度地表徑流,但是對應較大的土壤流失量。由圖3（d）可以看出,沙棘+刺槐地塊的年度土壤流失呈現逐年遞增的趨勢,2022 年的土壤流失最大,為29.75 t/km2,但地表徑流波動較大,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據。地表覆蓋不良和缺少下層植被可能是導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地條件和人類活動都會對樹木生長產生影響。總之,具有高地面覆蓋的草地和灌木在控制地表徑流產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產生更多的地表徑流和相關的土壤侵蝕。因此,促進地表覆蓋的發展或密切關注其變化是該地區植被保持水土的關鍵。

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生和土壤侵蝕的主要因素,不同的降雨類型對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和平均土壤流失的特征。降雨類型對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最高,一類降雨下刺槐的平均徑流系數為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和平均土壤流失

分析其原因,降雨類型對地表徑流和土壤流失的影響與降雨強度、持續時間和深度有關,降雨深度和持續時間是影響水文過程的兩個重要因素,其中降雨強度是影響徑流產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,高強度和短時降雨下的雨滴特征與低強度和長時間降雨下的不同,高強度降雨使表面結皮和密封更容易形成,這會降低入滲率并增加地表流量。

5 結論

本文研究了植被類型和不同降雨類型對地表徑流和土壤流失的影響,得出以下結論：

（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生的徑流和土壤流失較低,而地面覆蓋率低的地塊產生的徑流量和土壤流失較高。

（4）一類降雨的徑流系數最高,一類降雨下刺槐的平均徑流系數為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,強度高、持續時間短的降雨事件都會導致嚴重的徑流和土壤流失。