砒砂巖區坡面產流產沙對土地利用方式的響應

馬郡粒, 楊振奇, 郭建英, 張鐵鋼, 王 普, 馬培淵

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010010;2.中國水利水電科學研究院 內蒙古陰山北麓草原生態水文國家野外科學觀測研究站,呼和浩特 010010; 3.鄂爾多斯達拉特旗水利事業發展中心, 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

砒砂巖區生態環境脆弱,丘陵溝壑縱橫,水土流失嚴重,年均土壤侵蝕模數約4萬t/(km2·a),是黃河泥沙的主要策源地,大量的入黃泥沙威脅著黃河中下游的生態環境安全。自20世紀90年代起,該區先后實施了退耕還林(草)、小流域綜合治理等生態政策和水土流失治理工程,水土流失趨勢得到有效控制[1-2],但該區不同土地利用方式的侵蝕產沙機理尚不明確。已有研究表明干旱、半干旱地區坡面的侵蝕產沙過程主要受到降雨、植被、地形和土地利用方式的影響[3-4]。降雨對水蝕過程的影響具有較大的時空異質性,與降雨量、降雨強度、降雨歷時等特征因素有關。植被和地形具有較強的地域特征,植被是干旱半干旱地區對水蝕過程影響最活躍的因子,具有增加地表覆蓋、削減洪峰、固持土壤等作用,影響著土壤侵蝕的發生與發展[5]。坡度則是導致水土流失的關鍵因素,與坡面產流產沙過程具有復雜的關系,它可以增加雨水向下的自重分力,從而增大徑流流速,減少累積入滲量,增大徑流泥沙量[6],而土地利用方式對水土流失具有明顯的分異效應,受人為活動的影響較大,對于侵蝕有著不同程度的影響。

縱觀國內外關于坡面產流產沙與土地利用方式響應的分析,地點多集中于黃土區、黑土區以及紅壤土區等地帶,數據資料多采用單次或短期模擬試驗數據,研究內容主要涉及降雨或地形等影響因子單方面的作用;而具有獨特巖石結構和性質的砒砂巖區罕見報道,尤其是針對多年連續性野外監測數據復合因素的水沙分析[7-10]。雨型是次降雨過程中不同降雨特征的組合形式,坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子[11],這些因素復合作用于坡面產流產沙,增加影響機制的復雜性,促使土壤水蝕規律的不確定性增加,而以往關于不同土地利用方式對雨型響應的坡度效應報道卻寥寥無幾[12]。因此,本文以砒砂巖區典型小流域不同土地利用方式的標準徑流場為觀測對象,根據該區2016—2021年降雨及徑流泥沙數據,探究不同土地利用方式的侵蝕產沙變化特征,以期為砒砂巖區水土流失的治理和生態恢復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黃河中上游一級支流罕臺川的合同溝小流域,流域面積約1.27 hm2,地理坐標為39°59′58″—40°13′18″N,109°53′36″—110°06′03″E,隸屬于內蒙古自治區鄂爾多斯市達拉特旗,是典型的砒砂巖丘陵區,土壤類型以栗鈣土為主,質地為砂質土,小流域平均坡度5～15°,地形地貌支離破碎,溝壑縱橫,屬半干旱溫帶大陸性氣候,年均氣溫為6～8℃,年均降雨量為310.3 mm,集中于7—9月份,占71.2%,多為短歷時大雨,水土流失嚴重。區域內主要建群種有本氏針茅(Stipabungeana)、羊草(Leymuschinensis)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等,主要造林樹種有檸條(CaraganaKorshinskii)、油松(Pinustabuliformis)、小葉楊(Populussimonii)等。

1.2 試驗設計

本研究區位于全國水土保持監測網絡站點—達拉特旗合同溝水土保持監測站點附近(編號:DA1520737110),該站點始建于2005年,建有標準徑流小區18座(20 m×5 m)。小區安裝自動水沙監測設備(北京天航佳德),并同步配備了自動氣象監測站和智墑云智能土壤溫度水分觀測儀(北京東方潤澤)獲取相關數據。徑流場土地利用基本概況見表1。

表1 徑流場土地利用基本概況Table 1 Basic overview of runoff site land use

1.3 測定內容與方法

(1) 土壤含水率測定。采用智墑云智能土壤溫度水分觀測儀(北京東方潤澤),每30 min觀測一次,觀測深度0—100 cm平均分為5層。每次降雨后,通過TDR法加測0—10 cm深度的土壤體積含水率,并烘干法校核。

(2) 降雨特征觀測。通過自動氣象監測站記錄次降雨過程,每5 min觀測一次,降雨量精確至0.1 mm,降雨強度單位mm/min。同時參考黃土高原區降雨強度劃分標準的基礎上[13-15],結合本區天然降雨條件下坡面產流產沙特點。

針對各場次降雨,選取年降雨量(P)、年降雨歷時(T)、最大I30min雨強(I30max)、平均雨強(IAVG)等指標,運用系統聚類方法對研究區內的降雨類型進行劃分。研究區2016—2021年降雨基本概況見表2。

表2 研究區2016-2021年降雨基本概況Table 2 Basic profile of rainfall in the study area 2016-2021

(3) 徑流泥沙量觀測。利用自動水沙監測設備(北京天航佳德),每分鐘記錄一次,產流體積精確至0.001 L;產沙量精確至0.001 kg/m3,同時輔以全剖面采樣器人工實地取樣。

徑流深(mm)=徑流體積(L)/小區面積(m2)

徑流系數(%)=徑流深(mm)/降雨量(mm)

土壤流失量(t/hm2)=泥沙總量(t)/小區面積(hm2)

(4) 植被觀測。采用照相法、目估法4—10月,每15 d/次。小區產流后加測喬木郁閉度、灌草作物覆蓋度與地面蓋度。

試驗數據通過Excel進行整理統計和Origin 2018進行繪圖,運用SPASS 26.0進行雙因素方差分析、聚類分析和相關性分析,研究不同土地利用方式下的水沙關系。

2 結果與分析

2.1 降雨特征分析

砒砂巖地區,地形地貌支離破碎,溝壑縱橫,降雨量稀少,年內降雨多集中在夏末秋初,降雨引發的水力侵蝕是該區最為主要的侵蝕形式。研究區2016—2021年共觀測降雨47場,其中侵蝕性降雨36場,根據氣象學中降雨類型的劃分(24 h以內),研究區5 a間共有小雨3場、中雨29場、大雨14場、大暴雨1場。通過聚類分析降雨特征對降雨類型進一步劃分(見表3),結果表明:觀測降雨可劃分為3類,A類降雨研究區發生頻率最高(40.4%),其特點是歷時短,雨量集中,高強度的暴雨;B類降雨為雨量較多,歷時較短,中強度的降雨;C類降雨研究區發生頻率最低(27.6%),其特點是歷時長,小雨強,雨量分散的連續性降雨。其中2017年P最小,為281.8 mm,T最大I30max最小;2018年T明顯小于2017年,同時P和I30max高于2017年,表明降雨量主要受到降雨強度的影響。2018年、2020年徑流泥沙量較大(見圖1),同年A,B類降雨次數所占比例明顯高于其他年份,表明A,B類多為侵蝕性降雨,是該區域坡面水土流失的主要貢獻者。此外,分析同類型降雨發現徑流量逐年遞減,究其原因為植被的生長,使得冠層截流再分配的同時改良了土壤理化性質,促滲減流。

圖1 不同土地利用方式年際間產流產沙變化

表3 不同降雨類型特征Table 3 Characteristics of different rainfall type

2.2 不同土地利用方式產流產沙對雨型的響應

通過相關性分析次降雨過程,降雨歷時T(min)、降雨量P(mm)、平均降雨強度Iavg(mm/h),30 min最大雨強I30max(mm/h)與不同土地利用方式徑流深H(mm)、徑流系數R(%)、產沙量C(g/L)、土壤流失量Ms(t/hm2)以及坡度Gd(°)的相關關系(見表4);不同土地利用方式徑流深H(mm)、徑流系數R(%)和產沙量C(g/L)、土壤流失量Ms(t/hm2)的相關關系(見表5)。其中,P與徑流泥沙情況在除人工草地和農作物地外,均呈正相關關系,且與C和Ms呈極顯著(p<0.01)正相關關系;T與I30對徑流泥沙的影響在不同土地利用方式下均呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)的正相關關系;IAVG對徑流泥沙的影響在裸地較突出,表現為呈極顯著(p<0.01)正相關關系。坡度對徑流泥沙的影響在人工草地、喬木林地、農作物地和裸地較突出,主要表現為Gd與C呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關關系。上述表明,降雨特征與水土流失的發生息息相關,且受土地利用方式的影響,具有明顯的分異效應,坡度是導致水土流失的關鍵因素,與坡面產流產沙過程具有復雜的關系。

表4 不同土地利用方式產流產沙的影響因子相關性分析Table 4 Correlation analysis of factors affecting runoff and sediment yield by different land use type

表5 不同土地利用方式的徑流泥沙相關性分析Table 5 Runoff sediment yield analyses for different land use type

不同土地利用方式下,次降雨的徑流與泥沙情況均具有p<0.01的正相關關系,降雨產生的坡面流具有沖刷、剝離及搬運土壤的作用,加劇坡面土壤侵蝕。進一步分析可知,不同土地利用方式各雨型情況下的徑流泥沙響應不盡相同(見圖2)。A,B類降雨徑流深和土壤流失量的排序,均呈喬木林地<灌草地<人工草地<天然草地<農作物地<裸地,受雨強影響,冠層雨水截留再分配的效果明顯;C類降雨情況與之不同,天然草地減流減沙效果優于灌草地(15.80%,12.01%),由于天然草地表層腐殖質積累豐富,土壤結構良好,對降雨的滲漏和通透性優于灌草地,水土保持效果提高,而人工草地地被層較厚,且密度大,對土壤形成了保護效果使得減沙效果高于天然草地。此外,不同雨型情況下各土地利用方式的徑流泥沙響應則基本一致,徑流深和土壤流失量的排序,均呈C

圖2 不同土地利用方式產流產沙對雨型的響應

2.3 不同土地利用方式產流產沙對雨型響應的坡度效應

坡度不僅影響徑流的滲透量、徑流量和沖刷能力還影響坡地的侵蝕方式和強度,與坡面產流產沙過程存在復雜性和隨機性。采用雙因素方差分析坡度對不同土地利用方式產流產沙在各雨型條件下的影響(表6),結果顯示:A類降雨土地利用方式和坡度對土壤流失量(p<0.05,p<0.01),土地利用方式對徑流深(p<0.01),分別具有顯著或極顯著的影響,兩者交互作用的影響僅對土壤流失量顯著(p<0.01);B,C類降雨土地利用方式對徑流深(p<0.05,p<0.01)和土壤流失量(p<0.01)具有顯著或極顯著的影響。

表6 不同土地利用方式與坡度下的徑流深和土壤流失量方差分析Table 6 ANOVA table for runoff depth and soil loss amount under different land use type and slopes

不同雨型條件下,各土地利用方式徑流深或土壤流失量對坡度的響應表現略有差異,并不單純隨著降雨特征的增加和坡度的增大而增大,差異主要存在于裸地、農作物地與其他土地利用方式(圖3)。其中5°裸地的徑流深顯著大于除農作物地外其他土地利用方式(A,B),土壤流失量顯著大于不包括或包括農作物地外其他土地利用方式(B,C);10°裸地的徑流深僅顯著大于天然草地(A,B),土壤流失量則與其他所有土地利用方式無顯著差異(A,B和C);15°裸地的徑流深顯著大于不包括或包括農作物地外其他土地利用方式(A,B)和天然草地或灌草地(C),土壤流失量顯著大于其他所有土地利用方式(A,C)。A類降雨情況下,不同坡度間也存在一定程度的差異,天然草地和喬木林地的土壤流失量10°顯著大于其他坡度;裸地的土壤流失量15°顯著大于其他坡度。上述可知,C型降雨土壤侵蝕力弱,導致各坡度土地利用方式的產流產沙表現基本一致,15°坡度較大直接影響徑流的沖刷能力,加劇各土地利用方式的水土保持效果差異。

圖3 不同土地利用方式產流產沙對雨型響應的坡度效應

3 討 論

砒砂巖區地處干旱、半干旱地區,全年降水分布不均且雨量集中,侵蝕性降雨嚴重影響著該區坡面侵蝕產沙過程,是導致其劇烈侵蝕的主要動力[16]。砒砂巖地形切割支離破碎,加之基巖具有發育不充分,膠結力弱等性質,極易受風力和水力作用風化潰散。研究表明該區A,B類(歷時偏短、雨強偏大、雨量偏多)降雨發生頻率較高,且多為侵蝕性降雨,是造成該區域坡面水土流失的主要貢獻者,C類(歷時長、小雨強、雨量分散)降雨土壤侵蝕能力最弱,對研究區地下水的補給作用最佳,與王萬忠等[17]研究結果相同。分析2016—2021年降雨情況,2018年降雨強度最高,同年產流產沙量也最大,其中I30max與P對徑流泥沙的影響,具有p<0.05或p<0.01正相關關系,故降雨強度與侵蝕強度關系最為密切其次是降雨量,該結果與江淼華等[18]的研究結果基本一致。降雨類型(雨量、雨強或歷時等)與水土流失的發生息息相關,且受土地利用方式的影響,具有明顯的分異效應,A,B類降雨強度大,冠層對雨水的層層截留再分配作用,促使喬灌木的水土保持效果優于草地;C類降雨侵蝕力弱,天然草地由于長期的封禁,地表腐殖質積累豐富,土壤結構良好,對降雨的滲漏和通透性提高,減流減沙效果由于灌草地,該結果與黃凱等[19]的研究一致。農作物地的水土流失情況僅次于裸地,原因是季節性翻耕,土壤表層松散,在降雨擊濺和徑流沖刷下,坡面迅速形成細溝,伴隨著細溝的溯源發育和不斷擴展,土壤水蝕急劇增加,因此陡坡耕地退耕還林還草是恢復良性生態環境的必由之路,該結果與琚彤軍等[20]的研究一致。坡度是導致水土流失的關鍵因素,與坡面侵蝕關系的復雜性和不確定性,一定程度上限制了坡面水土保持措施的實施效果。研究表明,坡度對產沙量的影響大于產流量,主要表現為Gd與C呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關關系(人工草地、喬木林地、農作物地和裸地)。坡度直接作用于徑流的沖刷能力,水土流失情況隨著坡度的增加而加劇,直至雨滴對水面的打擊作用弱于坡面流的保護作用,該結果與曹美晨等[21]的研究結果一致。坡度對不同降雨類型,土地利用方式的水土保持效果差異性有影響,低度坡面裸地與其他土地利用方式的蓄水能力在小雨強無顯著性差異,當坡度升至15°時,裸地徑流深顯著大于天然草地和灌草地,天然草地的滲透力好,灌草地則經培養管理已形成灌叢堆效應,固土促滲,從而減少坡面流的產生。研究區平均坡度10°,天然草地在大雨強情況下的水土保持效果顯著高于其他土地利用方式,因此天然草地對徑流泥沙的攔截作用適用于低度坡面,灌草地則對較高的坡面具有良好蓄水保土效益,該研究結果于幸艷等[22]基本一致。

4 結 論

(1) 研究區降雨類型主要可分為3類,A類歷時短、雨量集中、高強度;B類雨量較多、歷時較短、中強度;C類歷時長、小雨強、雨量分散,C類雨型導致水土流失能力最弱。

(2)P與H,R,C和Ms(除人工草地和農作物地外)均呈正相關關系,且與C和Ms呈極顯著(p<0.01)正相關關系;T和I30max與H,R,C和Ms均呈正相關關系,IAVG與H,R,C和Ms在裸地呈極顯著正相關關系,Gd與C在人工草地、喬木林地、農作物地和裸地呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關關系。

(3) 次降雨的H和R與C和Ms均具有極顯著(p<0.01)的正相關關系,A,B類降雨產流產沙,排列順序為喬木林地<灌草地<人工草地<天然草地<農作物地<裸地;C類降雨產流,排列順序為喬木林地<天然草地<灌草地<人工草地<農作物地<裸地,產沙,排列順序為人工草地<喬木林地<天然草地<灌草地<農作物地<裸地。相同土地利用方式徑流深和土壤流失量排序為C

(4) 不同雨型各土地利用方式的徑流深或土壤流失量對坡度的響應表現略有差異主要存在于裸地、農作物地與其他土地利用方式。C型降雨土壤侵蝕力弱,導致各坡度土地利用方式的產流產沙表現基本一致,同時15°坡度較大直接影響徑流的沖刷能力,加劇各土地利用方式的水土保持效果差異。