南水北調中線水源區植被恢復的產流產沙效應初步研究

李亞龍，趙 健，丁文峰

（長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

南水北調中線水源區植被恢復的產流產沙效應初步研究

李亞龍，趙 健，丁文峰

（長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

選擇南水北調水源區典型小流域，在坡耕地、經果林、退化矮林、荒草地和馬尾松林5種土地利用類型上建立徑流小區，觀測不同土地利用類型產流產沙規律及其受不同坡度的影響。研究結果初步表明：高強度、短歷時降雨過程是南水北調中線水源區水土流失的主要動力；在5種土地利用類型中，經果林和坡耕地產流產沙量最大，因此，除了加強坡耕地治理外，控制經果林水土流失也是南水北調中線水源區植被恢復的重點。

南水北調中線水源區；土地利用；植被恢復；產流產沙

南水北調中線方案70%的水量來自陜南秦巴山腹地的漢江、丹江流域。由于植被破壞和嚴重的水土流失，人口激增對土地資源的需求加大，以及不合理的管理和利用體系等諸多因素導致該區生態環境失衡，生態系統脆弱，生態屏障［1］功能遭到削弱、水源涵養能力低，加之本地區礦產資源的開發而引起的環境災害諸如土壤污染、水污染等生態環境問題日益加劇［2－8］。針對該區土壤土層較薄，土壤涵蓄水分能力低，從小流域角度研究不同土地利用和植被類型對徑流和產沙的作用機制及影響因素，對水源區退化土地生態系統植被恢復，保障水源區的水質與水量，實現一江清水送北京有重要意義。

1 試驗方法與設計

1.1 研究區概況

研究區位于南水北調中線水源區陜西省商南縣西北部索峪河小流域水磨溝，距離縣城3 km，介于東經110°39′至110°51′，北緯33°28′至33°35′之間。研究區土壤理化性質見表1。

1.2 試驗設計

選擇南水北調中線水源區典型小流域作為研究范圍，在坡耕地、經果林、荒草地、櫟類矮林和馬尾松林5種土地利用下，分別設計5個不同坡度的徑流小區，如表2所示。

表2 不同植被類型下不同坡度徑流小區Table 2 Runoff plotsw ith different slopes under different vegetations

表1 黃棕壤的基本理化性狀Table 1 The basic physical and chem ical characteristics of yellow brown soil

1.3 小區建設

不同植被恢復條件下的產流和產沙用簡易7 m2徑流小區觀測。小區上面和兩個側面用180 cm× 35 cm石棉瓦合圍，20 cm埋入地表以下，15 cm露出地表，形成閉合集水區；小區下方集水擋板用鍍鋅鐵皮制成，寬40 cm，一半埋入地下，一半出露地表。為保證降雨后坡面徑流順利進入集流桶，鍍鋅鐵皮呈V字型，中間留直徑10 cm導流孔，鉚連并焊接10 cm長導流管頭，導流管頭垂直向下傾斜15°。使用200 L塑料桶作為集流通，埋設于小區正下方適合部位。使用直徑11 cm PVC管作為導流管，連接小區導流管頭和集流桶。為防止降雨直接進入集流桶，桶蓋用塑料布覆蓋。

1.4 觀測內容

氣象觀測：通過布設在小流域附近的DSJ2型虹吸式雨量計，記錄降雨資料。

徑流觀測：觀測次降雨各小區產流量。

侵蝕量觀測：收集各小區集流桶中的泥沙，烘干稱重。

2 結果分析

2.1 小流域降雨特征時序分析

通過布設在小流域附近的DSJ2型虹吸式雨量計，記錄了2008年5月下旬至10月下旬期間降雨資料，包括降雨時間、降雨歷時、降雨量（圖1）。觀測期內，＜200 min降雨次數13次，總降雨歷時1 204 min，總降雨量136.2 mm；200～500 min降雨次數15次，總降雨歷時4 535 min，總降雨量147.8 mm；＞500 min降雨次數8次，總降雨歷時6 115 min，總降雨量111.4 mm。

圖1 研究區降雨歷時和降雨量分布特征Fig.1 Distribution features of precipitation and rain fall duration

觀測期總降雨量395.4 mm，＜10 mm降雨23次，降雨量117.1 mm；10～25 mm降雨8次，降雨量123.1 mm；25～50 mm降雨5次，降雨量155.2 mm。數據統計顯示，研究區大雨強降雨次數較少，小雨強降雨次數最多，但3種降雨類型的總降雨量趨勢相反，反映出研究區產流主要依靠大雨強降雨。

2.2 產流特征分析

2.2.1 坡耕地產流特征分析

圖2分析了5個不同坡度的坡耕地小區在觀測期內的產流情況。到8月16日，共觀測產流8次，在7月17日、7月28日和8月13日有3個峰值。通過上文對觀測期內降雨特征分析可見，7月17日降雨量為45.5 mm，降雨歷時28 min，產流量最大。11°坡耕地小區產流量最大，其次為21°小區、6°小區、28°小區和17°小區。7月14日降雨量為28.8 mm，但降雨歷時320 min，降雨就地入滲較多，因此產流量較小。7月28日降雨量18.5 mm，降雨歷時95 min，雖然降雨量小于7月14日降雨，但降雨歷時較短，因此小區產流大于7月14日產流，其中21°小區最大，其次為17°小區、6°小區、28°小區和11°小區。可見，坡耕地產流受降雨量和降雨歷時共同影響，降雨量大、降雨歷時短，是產流的直接驅動力。

圖2 坡耕地小區產流特征分析Fig.2 Analysis on runoff characteristics of slope field plots

2.2.2 經果林產流特征分析

經果林小區最大產流量為7月17日，分別為32°小區35 650 ml、16°小區27 625 ml、12°小區18 075 m l、21°小區16 485 ml、27°小區5 310 ml（圖3）。同坡耕地小區一樣，不同坡度的經果林小區產流未表現出產流量隨坡度增大而增大這一普遍規律。作者分析原因，這可能是野外小區室內模擬試驗的區別所致。在室內進行試驗，通常是模擬原狀土密度，對裸露小區進行降雨模擬，因此對試驗條件的控制比較容易。而在野外試驗中，每個小區地面平整度、土壤結構、植被覆蓋度等都有較大差異，很難將試驗條件控制得均一。

圖3 經果林小區產流特征分析Fig.3 Analysis on runoff characteristics of horticulture plots

2.2.3 矮林產流特征分析

圖4分析了矮林植被覆蓋下的產流特征。對于矮林小區，27°小區產流量總體高于其他小區，其次為38°小區和44°小區。矮林最大產流量為27°小區6 135 ml，38°小區4 485 ml，44°小區3 630 ml。而20°小區和33°小區產流量卻未在7月17日暴雨時達到最大值，其中33°小區在7月28日降雨是產流最大，為2 220 ml，20°小區在8月7日降雨中產流達到最大值，為785 ml。矮林小區中，20°小區產流量相比其他坡度最小。

圖4 矮林小區產流特征分析Fig.4 Analysis on runoff characteristics of coppice plots

2.2.4 荒草地產流特征分析

圖5可見，荒草地小區中最大坡度即33°小區產流量均最大，尤其是在比較突出的幾次降雨如7月17日、7月28日、8月16日，均顯著高于其他坡度小區，產流量分別為26 150，11 875，8 750 ml。7月14日、7月17日和7月22日降雨中，11°荒草地小區產流也較高。

圖5 荒草地小區產流特征分析Fig.5 Analysis on runoff characteristics of w ild grassland p lots

2.3 產沙特征分析

2.3.1 坡耕地產沙特征分析

坡耕地小區產沙總體呈現隨坡度增加產沙量增加的趨勢，觀測期內產沙量隨降雨量的變化規律與產流基本一致，受降雨量和降雨歷時雙重影響，降雨量越大、降雨歷時越短，產沙量越大（圖6）。7月17日降雨產沙量最大，不同坡度小區之間差異也最顯著。其中28°小區產沙量為1 068.9 g，21°小區722.1 g，11°小區299.1 g，6°小區209.6 g，17°小區170 g，其中28°小區產沙量分別為21°，17°，11°，6°小區的1.48，3.57，5.10，6.29倍，21°小區產沙量亦顯著高于17°，11°和6°小區。可以看出，在大雨強、短歷時降雨中，陡坡耕地侵蝕產沙量顯著高于緩坡耕地。分析其原因，主要是由于6－7月為當地收割小麥、種植玉米的時期，玉米處于幼苗期，地表覆蓋差，且施肥、除草等整地活動頻繁，導致表層土壤疏松，遇暴雨極易侵蝕。

2.3.2 經果林產沙特征分析

圖7分析了不同坡度的經果林侵蝕產沙特征。經果林小區觀測期內7月17日降雨和7月22日降雨產沙均較高，其中7月17日降雨32°小區產沙量最大，為1 053 g，其次12°和16°小區，產沙量分別為817.3 g和516.5 g，27°小區在整個觀測期內產沙量均較小。7月22日降雨12°小區產沙量最大，為1 087.4 g，27°小區722 g，16°小區230.3 g，21°和32°小區產沙量在100 g以下。經果林小區在7月17日的大強度、短歷時降雨過程中產沙量較大，而在7月28日降雨歷時較長的條件下，產沙量也較高，可能有3方面原因：一是試驗中的經果林小區為茶園，間作花生，農事活動頻繁，土壤表層疏松；二是經果林小區坡度較高，平均坡度21.6°；三是茶園尚處幼年，雖是等高種植，但郁蔽度較低。

圖7 經果林小區產沙特征分析Fig.7 Analysis on sediment characteristics of hoticulture p lots

2.3.3 矮林產沙特征分析

6月30日是小區建設完成后第一次有效觀測產流產沙，由于矮林小區坡度陡，土層薄，小區建設過程中對表層擾動較大，因此38°小區和44°小區第一次產沙量較大（圖8）。總體來看，38°小區產沙量最大，其次為44°小區，在此為27°和33°小區，20°小區產沙量最小。矮林品種為櫟樹林，雖然土層較薄，但枯枝落葉層較厚，土壤蓄水能力相對較好；另外櫟樹林較茂密，冠層截留使得產沙侵蝕的有效降雨大大減少，這是櫟樹林產沙較少的主要原因。

2.3.4 荒草地產沙特征分析

研究區荒草地為最近幾年坡耕地棄耕撂荒后自然生長的植被，植被覆蓋度較好，但土壤結構較差，土層較薄，因此依然存在侵蝕。圖9對不同坡度下荒草地產沙特征進行了分析，結果表明，5個不同坡度中，33°小區產沙量最大，在7月17日暴雨過程中，產沙量為593.5 g，是另外4個坡度的4.9～114倍；7月28日降雨過程中，33°小區產沙量是其他小區的8.8～23.5倍。

圖8 矮林小區產沙特征分析Fig.8 Analysis on sediment characteristics of coppice p lots

圖9 荒草地小區產沙特征分析Fig.9 Analysis on sediment characteristics of w ild grassland p lots

2.4 不同土地利用類型產流產沙對比分析

2.4.1 不同土地利用類型產流對比分析

對各土地利用類型下的5個坡度徑流小區產流量進行平均，得到觀測期內不同土地利用類型平均產流量（圖10（a））。可以看出，在主要的降雨過程中，經果林小區產流量最大，其次為坡耕地小區、荒草地小區、馬尾松林小區和矮林小區。以7月17日降雨為例，經果林小區平均產流量為20 629 ml，坡耕地小區產流量為12 518 m l，荒草地小區產流量8 896 ml，馬尾松林小區平均產流量為4 583 ml，矮林小區平均產流量為3 224 ml。

2.4.2 不同土地利用類型產沙對比分析

用同樣的方法對不同土地利用類型的產沙量進行分析，結果如圖10（b）所示，總體趨勢與平均產流量一致，經果林最大，其他依次為坡耕地、荒草地、馬尾松林和矮林。7月17日降雨過程中，5種土地利用類型平均產沙量可以分為3個水平，經果林和坡耕地小區為第一水平，平均產沙量504.3 g；荒草地小區為第二水平，平均產沙量153.34 g；馬尾松林和矮林為第三水平，平均產沙量13.34 g。7月28日降雨亦可分為3個水平，經果林小區為第一水平，平均產沙量424.4 g；坡耕地和荒草地小區為第二水平，平均產沙量79.2 g；馬尾松林和矮林為第三水平，平均產沙量3.8 g。

圖10 不同土地利用類型平均產流和產沙量Fig.10 Average runoff and sediment amount w ith different soil utilization types

3 結 論

產流產沙過程是降雨強度和降雨歷時雙重作用的結果，降雨強度越大、降雨歷時越短，產流產沙越大。同時，產流產沙與土地利用結構和坡度關系密切，對于南水北調中線水源區而言，經果林產流產沙量最大，是研究區發生土壤侵蝕的主要地類。由于研究區耕地少，陡坡種植依然存在，加上粗放經營，使得坡耕地成為該區第二大水土流失策源地。荒草地近年的棄耕地和撂荒地，應加強管理。馬尾松林和矮林是研究區主要的林地，產流產沙均最小，因此應重點保護現有林地，加強撫育，不斷增加植被覆蓋，減少水土流失。

由于小區面積僅為7 m2，各徑流小區之間立地條件差異較大，弱化了坡度在產流產沙中的影響作用，但總體上仍能體現坡度越大、產流產沙越強這一規律。

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（編輯：王 慰）

Study on Runoff and Sediment Generated by Vegetation Recovery in Water Source Area of M iddle Route of South-To-North Water Transfer Project

LIYa-long，ZHAO Jian，DINGWen-feng
（Department of Soil and Wter Cnservation，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The typical smallwatershed in thewater source area of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Projectwas chosen to build runoff plots on five different land use typeswith slope farmland，horticulture，degradation coppice，wildgrassground，andmasson pinus.The rules of runoff and sedimentgeneration under different land use types aswell as the effect of slopes were observed.The research results showed preliminary that the rainfall processwith high intensity and short duration was themain force inducing soil and water loss in thewater source area.Among the five different land use types，the runoff and sedimentof horticulture and slope farmland were significantly higher than those of the other types.Therfore，besides enforcing the slope farmland management，controlling the soil and water loss of horticulture is also important for the vegetation recovery in thewater source area of Middle Route of South-to-North Water Transfer Project.

water source area of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project；land use；vegetation recovery；runoff and sediment generation

S157.1

A

1001－5485（2010）11－0053－05

2010-09-10

農業科技成果轉化資金項目（2007GB23320437）；長江科學院中央級公益性科研院所基本科研業務費資助（YWF0904）

李亞龍（1976-），男，河北保定人，博士，高級工程師，從事水土保持與土壤侵蝕研究工作，（電話）15902729311（電子信箱）lyalong888＠163.com。