降雨對不同水土保持措施坡面產流產沙及土壤養分流失的影響

關鍵詞：降雨；土壤養分；產流產沙；水土保持措施；徑流小區；石匣小流域

中圖分類號：S157.1文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.07.013

引用格式：，，，等.降雨對不同水土保持措施坡面產流產沙及土壤養分流失的影響[J].中國水土保持，2025（7） ：40-44，59.

水土流失和面源污染是人類面臨的重大環境問題之一，嚴重的水土流失和面源污染威脅著社會經濟的可持續發展和人民群眾的生產生活安全。北方土石山區是我國水土流失和面源污染高發區域之一[1]根據2020年的相關數據，北方土石山區水土流失總面積為16.3萬 km² ，約占全區土地總面積的 20% 以上[2]。密云水庫作為北京市不可或缺的地表飲用水水源地，其水質狀況直接關系到首都居民的生活品質與健康福祉[3] .

針對水土流失與面源污染的嚴峻問題，急需采取有效的水土保持措施[4]。學者們深人研究了不同類型水土保持措施在控制水土流失和調節產流產沙方面的效果。歐會迪等[5]通過對太行山南麓坡面產流特征的研究發現，與自然荒坡相比，魚鱗坑坡面草本群落、灌木群落、喬木群落的平均徑流深分別減少了56.61%.72.80%.39.58% 。路炳軍等[通過對坡面監測小區觀測發現，在密云水庫的幾次大規模降雨條件下，相比裸地小區，有水土保持措施小區的總磷（TP）、總氮（TN）流失量平均值分別減少了 39.6% ！27.5% 。杜映妮等[7]對丹江口庫區典型生態修復小流域進行了研究，結果發現隨著降雨量增大，植物措施的減流減沙效益逐漸降低，說明降雨是影響水土流失的重要因素之一，會直接影響水土保持措施的效益發揮。

因此，本研究以密云水庫上游的石匣小流域為研究區，選取裸地、坡耕地、人工植草、魚鱗坑4種徑流小區，通過分析2013—2022年觀測數據，探究降雨對不同水土保持措施徑流小區產流產沙量和土壤養分流失量的影響，分析不同水土保持措施的防治效果，以期為北方土石山區水土流失治理工作提供理論依據和決策支持。

1 研究區概況

石匣小流域地處北京市密云水庫東北部（北緯40^°32^′42^′′～40^°37^′30^′′ ，東經 117^°00^′34^′′～117^°06^′49^′′） ，地勢整體北高南低，海拔為 130～390m ;屬于暖溫帶大陸性季風氣候區，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雨，小流域內不同地點年均降水量為 300～700mm ;土壤類型為由沖積、洪積母質發育而成的褐土，基巖種類基本為花崗巖，總體質地為輕壤土，土層結構整體比較穩固緊實，土壤顆粒間的縫隙較小，土層相對較薄

2 研究方法

2.1 徑流小區布設

為探究不同水土保持措施抑制產流產沙和防治土壤氮磷養分流失的實際效果，在石匣小流域內布設4個徑流小區。4個徑流小區統一設置為水平坡長10m 、寬度 5m 、水平面積 50m² 。在每個小區下方布設9個高度為 0.8m 的分流孔，其下放置橫斷面面積1.13m² 的分流桶；集流槽設置在小區坡面下緣，垂直于徑流流向；此外，小區內還設有徑流桶。對2013—2022年4個小區的降雨量、徑流量、產沙量，以及徑流中總氮（TN）、總磷（TP）等土壤養分流失量進行連續觀測和記錄。4個小區基本信息見表1，其中1號小區作為對照組，是未采取任何水土保持措施的裸地；2號小區是種植玉米的坡耕地；3號小區種植苜蓿；4號小區內部設有多個長 1.0m 、寬 1.5m 的魚鱗坑，種植樹種為刺槐、側柏。

2.2 數據收集及處理

收集徑流桶和分流桶的水量測得總徑流量，徑流量與徑流小區面積的比值即為徑流深。集流槽、徑流桶和分流桶內泥沙的總質量即為徑流小區產沙量。將徑流樣經沉淀、過濾后，分別采用流動注射-鉬酸銨分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定清水樣的TP、TN含量。降雨數據來自，包含2013—2022年汛期（5—10月）的全部降雨數據（累計降雨451場），其中徑流小區發生產流的降雨有100場，探究這100場降雨條件下不同水土保持措施徑流小區的坡面產流產沙特征和土壤養分流失情況，進而研究坡面產流產沙量、土壤養分流失量與降雨量的相關性。減流率、減沙率的計算公式分別為

式中 為減流率; Q_a 為裸地對照徑流小區的產流量，單位 mm;Q_i 為不同水土保持措施徑流小區的產流量，單位 mm i=1，2，3 ，分別對應坡耕地、人工植草、魚鱗坑徑流小區 ;f_s 為減沙率； S_a 為裸地對照徑流小區的產沙量，單位 kg;S_i 為不同水土保持措施徑流小區的產沙量，單位 kg 。

3 結果與分析

3.1不同水土保持措施徑流小區汛期徑流深

表2為2013—2022年汛期不同水土保持措施徑流小區次降雨徑流深。由表2可知，2013—2022年汛期4個徑流小區次降雨產流的徑流深平均值由大到小依次為裸地、坡耕地、魚鱗坑、人工植草徑流小區，可見不同水土保持措施均能夠明顯減少產流。其中，坡耕地徑流小區徑流深數據波動較明顯，原因是汛期為農作物生長季，特別是在一年兩季的耕作模式下，人為清理雜草、整地、翻耕播種等農事活動頻繁，對地表擾動增多，對土壤表層擾動強度大，因此會出現個別差異數值。裸地徑流小區地表無植被覆蓋，降雨直接侵蝕地表并形成徑流，而人工植草和魚鱗坑徑流小區較裸地徑流小區具有明顯的減小徑流深的作用，主要原因是植被覆蓋度較大，減少了雨水對地表的直接濺蝕，對徑流的攔蓄作用也較為顯著。

2013—2022年汛期不同水土保持措施徑流小區平均次降雨徑流深與降雨量見圖1。由圖1可知，與裸地徑流小區相比，布設有水土保持措施的徑流小區徑流深明顯較小，尤其是人工植草和魚鱗坑在抑制產流方面效果顯著，而坡耕地徑流小區抑制產流的效果較差。

3.2不同水土保持措施徑流小區汛期產沙量

2013—2022年4個徑流小區次降雨產沙量變化見表3。由表3可知，平均產沙量最大的為裸地徑流小區，最小的為魚鱗坑徑流小區，平均產沙量分別為裸地徑流小區 519.62kg 、坡耕地徑流小區 311.98kg 人工植草徑流小區 4.71kg 、魚鱗坑徑流小區 3.37kg ;相比裸地徑流小區，布設有水土保持措施的徑流小區減沙率均較大，減沙率分別為坡耕地徑流小區 39.96% ！人工植草徑流小區 99.09% 、魚鱗坑徑流小區99.35% 。坡耕地徑流小區的產沙量數值波動較大，且減沙效果沒有人工植草和魚鱗坑徑流小區明顯，減沙效果較人工植草和魚鱗坑徑流小區分別小59.13、59.39個百分點，但總體來說布設有水土保持措施的徑流小區產沙量均明顯小于裸地徑流小區，說明布設水土保持措施能夠有效抑制泥沙的流失。

2013—2022年汛期不同水土保持措施徑流小區平均次降雨產沙量與降雨量見圖3。由圖3可知，對照裸地徑流小區，坡耕地徑流小區的產沙量顯著減小，人工植草和魚鱗坑徑流小區則產沙很少甚至不產沙。選取30場典型侵蝕性降雨，分別將裸地、坡耕地、人工植草和魚鱗坑徑流小區次降雨產沙量與降雨量進行線性擬合，結果見圖4。線性回歸方程的斜率越小，說明產沙量隨降雨量增大而增長的幅度越小，抑制產沙效果越好，因此減沙效果從高到低依次為魚鱗坑、人工植草、坡耕地、裸地徑流小區。

3.3不同水土保持措施對土壤養分流失量的影響

選擇 TN，TP 指標，反映不同水土保持措施配置模式對土壤養分隨徑流流失的控制作用。按照降雨量和雨強大小的分類標準，在2013—2022年汛期的100 場降雨中選取4場不同類型的典型降雨，依次為：降雨I，大雨量、大雨強類型降雨；降雨Ⅱ，小雨量、大雨強類型降雨;降雨ⅢI，大雨量、小雨強類型降雨；降雨V，小雨量、小雨強類型降雨。4場典型降雨的基本信息見表4。

4場降雨條件下不同水土保持措施徑流小區地表徑流中TN、TP流失量變化情況見圖5。由圖5可知，不同類型降雨條件下，不同水土保持措施徑流小區地表徑流中TN、TP流失量有明顯差異。由圖5（a）、圖5（b）可以看出，在大雨強條件下，除降雨I時TP流失量人工植草大于坡耕地外，不同水土保持措施徑流小區地表徑流中TN、TP流失量削減效果均表現為魚鱗坑gt;人工植草 gt; 坡耕地 gt; 裸地徑流小區。由圖5（c）、圖5（d）可以看出，在小雨強條件下，魚鱗坑和人工植草徑流小區地表徑流中TN、TP流失量較裸地徑流小區明顯減小，但坡耕地徑流小區的TN、TP流失量比裸地徑流小區還要多，其原因可能是小雨強條件下發生的主要為蓄滿產流，降雨到達土層深處，而農作物生長季的施肥、翻地導致地表土壤松散，使得TN、TP更易流失。

4討論

選取坡耕地、人工植草和魚鱗坑3種水土保持措施，以及裸地作為無水土保持措施的對照組，基于2013一2022年監測數據，深人分析不同水土保持措施對產流產沙及養分流失量的影響，結果表明：魚鱗坑具有截斷徑流、匯集徑流、改變徑流軌跡等作用，坡面徑流被魚鱗坑匯集，減輕了對坡面的沖刷，從而達到蓄水減流、保土保肥的作用；人工植草可以截留降雨、降低雨滴動能、減緩徑流產生、增大入滲，同時植物根系能增強土壤抗沖性，從而有效減少產流產沙；坡耕地雖然受人為活動影響劇烈，減流減沙效益相比其他水保措施差，但是相比裸地仍具有一定的減流減沙效益。具體來說，在減流方面，相比裸地，3種水土保持措施小區的徑流深都有不同程度的降低，結合減流率可以發現，3種水土保持措施的減流效果為人工植草gt;魚鱗坑gt;坡耕地。在減沙方面，相比裸地，3種水土保持措施的產沙量均明顯降低，減沙率較大，能夠有效抑制泥沙輸出，其中人工植草與魚鱗坑減沙效果較好，人工植草產沙量略高于魚鱗坑，而坡耕地減沙效益較低，這與前人研究結果類似[8-11]。降雨是引起水土流失的直接原因，相比雨強、降雨歷時，降雨量對徑流、泥沙量的影響更大[12]。在減少土壤養分流失方面，不同雨強條件下，人工植草和魚鱗坑均能明顯減少TP、TN流失量，但坡耕地的削減作用較小，說明水土保持措施能夠有效減少土壤養分流失，使水源得到有效保護，只是坡耕地的削減效果并不顯著

在自然條件下，除了降雨和水土保持措施，影響坡面產流產沙的因素還有很多，因此在實際治理工作中需要綜合考慮多種因素。考慮到本研究分析的水土保持措施較為單一，沒有對不同措施組合的水土保持效果進行研究，今后應在這些方面改進試驗設計，以期能為研究區的水土保持工作提供更加科學、完善的理論支撐。

5結論

1）不同水土保持措施的減流效果從高到低依次為人工植草、魚鱗坑、坡耕地和裸地，人工植草和魚鱗坑抑制徑流過程的作用強于坡耕地。次降雨徑流深與降雨量成正相關關系。

2）不同水土保持措施減沙效果從高到低依次為魚鱗坑、人工植草、坡耕地、裸地，相比裸地，坡耕地的產沙量顯著減小，人工植草和魚鱗坑則產沙很少甚至不產沙。次降雨產沙量與降雨量成正相關關系。

3）在大雨強條件下，除降雨Ⅱ時TP流失量人工植草大于坡耕地外，不同水土保持措施徑流小區對TN、TP流失量削減作用由強到弱依次為魚鱗坑、人工植草、坡耕地、裸地。在小雨強條件下，魚鱗坑和人工植草的TN、TP流失量較裸地顯著減小，而坡耕地的TN、TP流失量比裸地還大。

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（責任編輯 李楊楊）