黃土丘陵區緩坡地不同土地利用方式的產流效應

靳婷，趙文武?，趙明月，徐海燕

(1.地表過程與資源生態國家重點實驗室(北京師范大學)，100875，北京;2.北京師范大學資源學院，100875，北京;3.山東財經大學工商管理學院，250014，濟南)

黃土丘陵區緩坡地不同土地利用方式的產流效應

靳婷1，2，趙文武1，2?，趙明月1，2，徐海燕2，3

(1.地表過程與資源生態國家重點實驗室(北京師范大學)，100875，北京;2.北京師范大學資源學院，100875，北京;3.山東財經大學工商管理學院，250014，濟南)

探討緩坡土地利用方式與水土流失之間的作用機制，對于黃土丘陵溝壑區水土流失治理具有積極意義。利用中國科學院安塞水土保持綜合試驗站2009—2011年間小區定位監測數據，探討緩坡谷子地(F)、柳枝稷地(S)、撂荒地(A)、2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子－1/3撂荒地(FA)5種土地利用方式的產流效應，結果表明:1)緩坡谷子地(F)的徑流量最大，受短歷時高強度降雨影響顯著;2)7月是產生徑流的敏感時期;3)土地利用方式S、A、FS、FA與F相比，具有不同程度的減流效應，減流效應大小順序為A＞S＞FA＞FS;4)植被覆蓋度的增加對減少緩坡產流量起到積極作用，但當降雨量、降雨強度較大時，植被覆蓋削減徑流的作用會被減弱。

徑流量;土地利用方式;降雨;緩坡地;黃土丘陵區

水土流失是黃土丘陵區的重要環境問題［1－2］，該區年土壤侵蝕模數為0.30萬 ～2.47萬 t/km2［3］。為控制水土流失的進一步加劇，推進西部生態環境建設，我國從1999年開始實施了退耕還林(草)政策［4－6］:凡是水土流失嚴重、糧食產量低而不穩的坡耕地和沙化耕地，應按照國家批準的規劃實施退耕還林(草)。經過10多年的建設，黃土丘陵區土地利用結構已發生重大變化，陡坡耕地的數量大幅度減少，緩坡耕地的比例顯著增加。近些年，較多學者開展了對緩坡地不同土地利用方式或不同土地利用處理措施方面的研究，并取得相關研究成果［7－10］。例如有學者基于紅壤緩坡地、紅壤丘崗緩坡地開展不同土地經營模式、不同土地利用處理措施的水土流失效應研究，也有學者選擇皖西大別山緩坡地、洋河流域緩坡地研究不同人工草地建植效益、不同土地利用方式的徑流輸出特征。而對黃土丘陵區緩坡地不同土地利用方式的水土流失現狀關注較少。因此，為更好地服務西部生態環境建設，筆者以黃土區緩坡地為研究對象，通過野外實驗小區的長期定位監測，探討緩坡地不同降雨條件下不同土地利用方式的產流效應，對比不同土地利用方式減流效應的差異，以期為現階段黃土丘陵區緩坡地水土保持提供理論基礎。

研究小區位于中國生態系統研究網絡(CERN)安塞水土保持綜合試驗站(E 109°19＇23″，N 36°51＇30″)。安塞站地處黃土高原腹地，屬典型黃土丘陵溝壑區。該地區年平均氣溫8.8℃，年平均降水量505.3 mm，其中60%集中在7—9月份。氣候屬暖溫帶半濕潤向半干旱過渡區，土壤類型處于黃綿土與沙黃土的交錯區，植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原區［11］。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗小區位于5°緩坡，小區水平投影面積為4 m×10 m。實驗中配置了5種土地利用方式(圖1)，分別為:谷子地(F)、柳枝稷地(S)、撂荒地(A)、2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子－1/3撂荒地(FA)，其中復合土地利用方式(FS、FA)布設了3次重復。在每個實驗小區的下方連接有2個規格相同的徑流桶，分別為第1徑流桶和分流桶，2桶之間為7孔分流(圖2)。

1.2 實驗方法

1.2.1 降雨量 降雨量數據是自動記錄雨量計RG3－M(翻斗式雨量記錄儀，分辨率0.2 mm)所記錄的降雨數據(包括降雨量、降雨歷時等)。

1.2.2 徑流量 在2009—2011年間進行小區定位監測，在每次侵蝕性降雨事件發生后，依次量取第1徑流桶和分流桶(圖2)中的水深。再根據徑流桶中水深換算成徑流總量。

式中:R為徑流量，cm3;r為徑流桶半徑，cm;h1、h2分別為第1徑流桶和分流桶中的水深，cm。

1.2.3 減流效應 為比較其他土地利用方式相比谷子地的減流差異，按以下公式計算減流效應:

式中:EL為相比谷子地(F)的減流效應，%;Ei為某一種土地利用方式i的徑流量，cm3;Ef為谷子地(F)的徑流量，cm3。EL越大，表示減流效應越明顯。

1.2.4 植被覆蓋度 通過目視估測小區植被覆蓋度。針對復合土地利用方式，采取以下公式測算小區植被覆蓋度:

式中:CFS為2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)的小區植被覆蓋度，%;CFA為2/3谷子－1/3撂荒地(FA)的小區植被覆蓋度，%;CF為小區內谷子地(F)的植被覆蓋度，%;CS為小區內柳枝稷地(S)的植被覆蓋度，%;CA為小區內撂荒地(A)的植被覆蓋度，%。

2 結果與分析

在2009—2011年間共觀測到13次坡面產流過程，共312組數據。基于觀測數據，對比分析不同降雨條件、不同植被覆蓋變化下5種土地利用方式(F、S、A、FS、FA)的產流效應。

2.1 次降雨條件下不同土地利用方式的產流效應

綜合分析2009—2011年間次降雨條件下不同土地利用方式的產流量(圖3)可以發現，次降雨徑流量受次降雨量、次降雨強度的顯著影響，其中與短歷時高強度降雨密切相關，1、2次的暴雨往往是年徑流量變化的主要原因。例如，在2009年7月7日與7月16日的2次降雨總量約占全年總降雨量的50%，而5種土地利用方式的徑流量則占到了全年徑流總量的76%～80%。在2010年8月11日的降雨量和降雨強度最大，5種土地利用方式的徑流量均最大，占據了全年徑流量的71% ～94%。在2011年，5種土地利用方式的徑流量主要產生于7月30日與8月14日的2次降雨，所產生的徑流量占全年徑流總量的93% ～94%。其中，8月14日的短歷時高強度降雨，盡管其降雨量不大;但由于其降雨強度最大(0.22 mm/min)，所產生的徑流量也較大，其中谷子地(F)的產流量超過270 L，產流量最小的撂荒地(A)也在60 L以上。

對于不同土地利用方式而言，次降雨徑流量大小順序均是F＞FS＞FA＞S＞A，其中撂荒地(A)產流最少，這與試驗中撂荒地(從2006年由裸地形成)地表植被物種多樣、基本不受人類活動影響有關。此外，不同土地利用方式的植被蓋度對減少徑流量影響顯著。植被覆蓋能夠有效削減雨滴對地面的打擊力，從而有效減少徑流量。如在2009年，隨著5種土地利用方式植被覆蓋度平均值由32%增加到77%，5種土地利用方式的次降雨產流量明顯減少，減少幅度最大在92% ～94%之間。2010年也表現出相似規律。然而5種土地利用方式在2011年8月14日的產流量受植被覆蓋度影響較小，原因是8月14日降雨量(43.4 mm)大、降雨強度(0.22 mm/min)高，導致產流量顯著增加。表明當降雨量、降雨強度較大時，植被覆蓋削減徑流的作用會被減弱。

2.2 月降雨條件下不同土地利用方式的產流效應

按不同月份分析緩坡地上不同土地利用方式產流量可知，2009—2011年不同土地利用方式的月徑流量大小均是F＞FS＞FA＞S＞A(圖4)。相比其他4 種土地利用方式(S、A、FS、FA)，谷子地(F)的月產流量最大，為撂荒地(A)的2～5倍。

從月產流量分布(圖4)可以發現，在2009年，盡管8月降雨量比7月略多1.4 mm，但是5種土地利用方式7月徑流量是8月的3.2～4.0倍;在2011年，7月降雨量遠小于8月，僅為8月降雨量的39%，但是單一土地利用方式(F、S、A)的7月徑流量為8月的43% ～67%:由此可以發現，7月相比8月易發生坡面產流，是產生徑流的敏感期。

從圖4也可以發現，植被覆蓋度的增加能夠有效減少月徑流量。如在2009年8月，5種土地利用方式植被覆蓋度的平均值約為7月的2倍，而8月相比7月的月徑流量卻大大減少，其減少幅度為69%～75%;但是，2011年植被覆蓋度的增加對5種土地利用方式的減流作用不顯著，這主要與8月降雨量偏高(為136.4 mm，顯著大于其他月份的降雨量)有關。

圖3 次降雨條件下不同土地利用和植被覆蓋的徑流量Fig．3 Runoff of different land use types and vegetation cover under individual rainfall events

此外，從圖5可以看出，土地利用方式S、A、FS、FA與F相比，均表現出顯著減少徑流的作用，其減流效應大小順序為A ＞S＞FA＞FS;其中撂荒地(A)的月減流效應最為顯著，為2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)月減流效應的1.7～8.7倍。

2.3 年降雨條件下不同土地利用方式的產流效應

綜合分析2009、2010與2011年的年徑流量(圖6)可知，2009與2010年5種土地利用方式的年徑流量比較接近，都較小，而2011年5種土地利用方式的年徑流量較大。例如2011年谷子地(F)的徑流量為2009、2010年的2～3倍，撂荒地(A)的徑流量為2009、2010年的1～2倍。這主要與2011年8月14日的降雨有密切關系，期間降雨強度異常高，為0.22 mm/min，明顯大于其他次降雨事件的降雨強度。因此，1、2次的高強度降雨事件往往對年徑流量產生重要影響。

由圖6也可以看出，全年植被覆蓋狀況對年徑流量的減少起到積極作用。2011年5種土地利用方式年徑流量大，是受降雨量(190.2 mm)、降雨強度(0.09 mm/min)的主要影響，而受植被覆蓋度的影響較小。這種現象表明，當降雨量、降雨強度較大時，植被覆蓋對緩坡地產流的抑制作用會被減弱。

從圖6可知，5種土地利用方式的年徑流量大小順序均為F＞FS＞FA＞S＞A。與谷子地(F)相比，其他4種土地利用方式(S、A、FS、FA)存在不同程度的年減流效果(圖7)，其年減流效應大小順序為A＞S＞FA＞FS。例如撂荒地(A)的年減流效應為2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)的2～4倍。就不同年份而言，隨著植被覆蓋度增加，減流效果總體上越顯著。如當4種土地利用方式(S、A、FS、FA)的植被覆蓋度平均值由63%增加到81%時，它們相比谷子地(F)的年平均減流效應則由39%增加到了48%(圖7)。

圖4 月降雨條件下不同土地利用和植被覆蓋的徑流量Fig．4 Runoff volume of different land use types and vegetation cover under monthly rainfall events

圖5 不同土地利用方式的月減流效應Fig．5 Reduction effect of different land use types on monthly runoff

圖6 年降雨條件下不同土地利用和植被覆蓋的徑流量Fig．6 Runoff of different land use types and vegetation cover under annual rainfall events

3 結論與討論

1)從實驗小區次降雨、月降雨、年降雨條件下徑流量分布可知，徑流量與降雨量、降雨強度關系密切，其受短歷時高強度降雨影響顯著。5種土地利用方式徑流量大小順序為F＞FS＞FA＞S＞A，其中谷子地(F)是緩坡地上產流量最多的土地利用方式。2/3谷子－1/3柳枝稷地(FS)、2/3谷子－1/3撂荒地(FA)與谷子地(F)相比具有明顯的減流效果，與前人［12］結論相似。其中，2/3谷子－1/3撂荒地(FA)的減流效果更明顯。

2)觀察不同時期植被覆蓋度的狀況，可知植被覆蓋度的增加對次徑流量、月徑流量、年徑流量的減少起到積極作用。通過提高植被覆蓋度能夠有效減少產流量;但是當高強度降雨事件發生時，植被覆蓋削減地表產流的效果會被減弱。通過觀察不同月份產流量，可知7月比8月更易發生產流效應，原因可能是7月地表植被相對稀疏，易發生水土流失［13－14］。

圖7 不同土地利用方式的年減流效應Fig．7 Reduction effect of different land use types on annual runoff

盡管本研究從緩坡地實驗小區產流量的角度進行分析，對不同土地利用方式與徑流量大小之間的關系有了初步了解，但是對深層次的作用機制仍不是很清楚，需要結合其他方面(例如土壤物理結構、化學性質方面［15－17］)來進一步開展實驗研究。

本實驗得到了中國科學院安塞水土保持綜合試驗站有關老師、同學的大力幫助與支持，在此特致最誠摯的敬意和謝意!

4 參考文獻

［1］Wei Wei，Chen Liding，Fu Bojie，et al.Water erosion response to rainfall and land use in different drought－level years in a loess hilly area of China［J］.Catena，2010，81:24－31

［2］Feng Xiaoming，Wang Yafeng，Chen Liding，et al.Modeling soil erosion and its response to land－use change in hilly catchments of the Chinese Loess Plateau［J］.Geomorphology，2010，118:239－248

［3］傅伯杰，陳利頂，邱揚，等.黃土丘陵溝壑區土地利用結構與生態過程［M］.北京:商務出版社，2002:28

［4］吳楊，唐亞，許宇慧，等.植物籬模式下小流域退耕還草生態農業可持續發展模式研究［J］.草業科學，2009，26(4):59－63

［5］徐志友，余峰，高紅軍，等.半干旱黃土丘陵區不同坡位退耕還林還草地土壤養分的變異規律［J］.中國水土保持，2010(8):39－41

［6］文亦芾，畢玉芬，董亞芳.金沙江流域退耕還草地水土保持效益分析研究［J］.土壤，2006，38(4):489－493

［7］武琳，黃欠如，葉川，等.紅壤緩坡地不同經營模式水土保持效益研究［J］.水土保持研究，2011，18(6):132－135

［8］謝小立，王凱榮，周衛軍.紅壤丘崗緩坡地水資源狀況與管理［J］.山地學報，2000，18(4):336－340

［9］謝俊龍，吳蕓，董召榮，等.皖西大別山緩坡地建植人工草地引種比較試驗［J］.草業科學，2007，24(6):23－26

［10］崔力拓，李志偉.洋河流域緩坡地土壤磷素徑流輸出特征［J］.水土保持學報，2006，20(3):10－16

［11］徐海燕，趙文武，朱恒峰，等.黃土丘陵溝壑區坡耕地與草地不同配置方式的侵蝕產沙特征［J］.中國水土保持科學，2009，7(3):35－41

［12］徐海燕，趙文武，劉國彬，等.黃土丘陵溝壑區坡面尺度土地利用格局變化對徑流的影響［J］.水土保持通報，2008，28(6):49－52

［13］Fu Bojie，Meng Qinghua，Qiu Yang，et al.Effects of land use on soil erosion and nitrogen loss in the hilly area of the Loess Plateau，China［J］.Land degradation ＆ development，2004，15:87－96

［14］張旭昇，薛天柱，馬燦，等.雨強和植被覆蓋度對典型坡面產流產沙的影響［J］.干旱區資源與環境，2002，26(6):66－70

［15］高雪松，鄧良基，張世熔.不同利用方式與坡位土壤物理性質及養分特征分析［J］.水土保持學報，2005，19(2):53－60

［16］王洪杰，李憲文，史學正，等.不同土地利用方式下土壤養分的分布及其與土壤顆粒組成關系［J］.水土保持學報，2003，17(2):44－50

［17］李新愛，肖和艾，吳金水，等.喀斯特地區不同土地利用方式對土壤有機碳、全氮以及微生物生物量碳和氮的影響［J］.應用生態學報，2006，17(10):1827－1831

Effect of different land use types on runoff on gentle slopes:A case study in the loess hilly area，China

Jin Ting1，2，Zhao Wenwu1，2，Zhao Mingyue1，2，Xu Haiyan2，3

(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology，Beijing Normal University，100875，Beijing;2.College of Resources Science and Technology，Beijing Normal University，100875，Beijing;3.College of Economic and Urban Management，Shandong University of Finance and Economics，250014，Jinan:China)

Study on the action mechanism between land use types and soil erosion on gentle slopes is of significance on controlling water and soil erosion in the loess hilly area.Based on the study in research plots(from 2009 to 2011)at Ansai Integrated Experimental Station of the Chinese Academy of Sciences，effects of different land use types on runoff on gentle slope were discussed.Five land use types were selected，including millet field(F)，switchgrass field(S)，abandoned land(A)，two－thirds millet and one－third switchgrass field(FS)，two－thirds millet and one－third abandoned land(FA).The results showed that:1)Compared with the other four land use types(S，A，FS，FA)，runoff produced in millet field(F)was the most，and runoff was affected with high rainfall intensity significantly.2)In the whole observation period，July was the sensitive time of producing runoff.3)Compared with millet field(F)，other four land use types(S，A，FS，FA)had positive effects on runoff reduction to different extent，and rank of the effect was A＞S＞FA＞FS.4)For the five land use types(F，S，A，FS，FA)，increase of vegetation coverage was beneficial to runoff ruduction but the effect could be weakened when rainfall and rainfall intensity were large.

runoff;land use types;rainfall;gentle slope;loess hilly area

2012－01－18

2012－05－14

中央高校基本科研業務費專項資金“黃土丘陵溝壑區土地利用與土壤流失關系的尺度效應分析”(105560GK);中國科學院知識創新青年人才項目“黃土丘陵區淤地壩固碳功能的形成機制與時空變異”(KZCX2－YW－QN408);長江學者和創新團隊發展計劃“土壤水文與土壤侵蝕”(IRT1108);地表過程與資源生態國家重點實驗室資助項目“黃土丘陵溝壑區坡面尺度土地利用格局變化的水土流失效應”(2008－ZY－08)

靳婷(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:土地利用與生態過程。E－mail:jinting@mail.bnu.edu.cn

?責任作者簡介:趙文武(1976—)，男，博士，副教授，博士生導師。主要研究方向:土地利用與生態過程。E－mail:zhaoww@bnu.edu.cn

(責任編輯:程 云)