黃土丘陵溝壑區人工草地減沙水代價分析

嚴 麗, 蔣 碧, 莊需印, 王 飛

(1.衢州市水利水電勘測設計有限公司, 浙江 衢州 324000;2.西北農林科技大學 中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

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黃土丘陵溝壑區人工草地減沙水代價分析

嚴 麗1, 蔣 碧1, 莊需印1, 王 飛2

(1.衢州市水利水電勘測設計有限公司, 浙江 衢州 324000;2.西北農林科技大學 中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

以裸坡農地為對照，根據黃土丘陵溝壑區三大副區人工草地徑流小區多年的觀測資料，系統分析了黃土丘陵溝壑區人工草地減沙水代價(Rrs)特征及其與各影響因素之間的關系。結果表明：人工草地在不同地區其平均Rrs存在差異，且變化幅度較大，整體上丘陵溝壑第二副區大于第一副區和第三副區；不同牧草輪作下條播草木樨的Rrs最大，較自然草坡高25%，其Rrs表現為：條播草木樨>撒播苜蓿>草木樨>苜蓿>自然草坡；草田帶狀間輪作的Rrs表現為：草木樨/農作物>苜蓿/農作物，且草田帶狀間輪作的Rrs明顯高于牧草輪作；人工草地Rrs與汛期降水量、侵蝕模數呈較好的指數反比關系，與最大30 min降雨強度(I30)呈線性反比關系。

黃土丘陵溝壑區; 人工草地; 減沙水代價; 徑流; 泥沙

水土保持在減少侵蝕的同時對流域徑流的影響及其方向是水土流失治理中一個亟待回答的問題。在很長一段時期內，水土保持的效益更多考慮的是保護土地資源，對水資源的影響往往被忽略。20世紀80年代以前只考慮到水土保持有利于雨水資源的充分利用，而很少考慮水土保持措施對水資源的影響[1]。然而隨著水土保持措施的蓄水攔沙效果開始顯現，黃河上中游和下游用水矛盾也越來越突出。同時，為了減輕下游河道淤積，每年的耗用水量較多，這都使得可開采利用的徑流資源量相對減少，從而進一步加劇了水資源供需矛盾[2-3]。因此，有關黃土高原區域水土保持對黃河流域地表水資源、水環境的影響倍受重視[3-4]，王飛[5]、曹文洪[6]提出了在黃土高原應采取具有節水性能的水土保持措施。

人工種草措施在減少土壤侵蝕的同時必然消耗水資源，減少進入河流的徑流量[6-9]，但減少的程度是多少尚無定論。有研究表明林草地具有良好的吸水、蓄水與透水能力，一般吸水量為自身重量的2～2.5倍[10-11]，劉元保[12]、馮浩[13]等運用人工降雨的方式研究了人工草地、荒草地在黃土性土壤陡坡地上的水土保持效益，這些研究均表明草地的減水減沙效應很明顯，且削減徑流作用明顯弱于減沙作用。然而，長期以來人們都是分開考慮人工草地對徑流和泥沙的影響程度，故王飛[14-15]提出了水土保持措施減沙水代價方法可以更直觀地表明人工種草措施對徑流和泥沙同步影響的差異。研究人工草地的減沙水代價特征及其區域分異規律，可以增加對黃土丘陵溝壑區人工草地調控徑流泥沙能力的認識，為黃土高原水土保持措施類型和區域配置提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 分析資料

用于分析的部分資料為地球系統科學數據共享平臺黃土高原區域數據共享運行服務中心的共享資料，根據黃河水利委員會等機構的野外實測資料整理。選取黃土高原綏德辛店溝(1954—1960年)、西峰南小河溝楊家溝(1954—1963年)、天水大柳樹溝(1945—1957年)、延安大砭溝(1958—1967年)、綏德韭園溝(1955—1964年)、綏德王茂溝(1961—1964年)、綏德想她溝和小石溝(1960—1961年)、山西離石王家溝(1957—1968年)、黃龍寺溝(1960—1967年)、彬縣鳴玉池溝(1960—1964年)以及商縣草廟溝(1960—1964年)部分場次人工草地徑流小區的基本情況資料，包括徑流場汛期徑流泥沙資料、逐次徑流泥沙測驗資料以及降雨量摘錄等多年觀測資料作為樣本資料，系統分析不同牧草輪作、草田輪作的減沙水代價，汛期降雨量、降雨強度和汛期泥沙量與人工草地減沙水代價之間的關系以及人工草地減沙水代價的區域分異規律。徑流小區坡度為20°～35°，坡長為10～30 m，小區面積為100～800 m2，小區種植的牧草主要是草木樨(Melilotussuaveolwna)和苜蓿(Medicagosativa)，草田帶狀間作主要是草木樨/玉米(Zeamays)、草木樨/糜子(Panicummiliaceum)、草木樨/馬鈴薯(Solanumtuberosum)、苜蓿/玉米(Sativamays)、苜蓿/谷子(Setariamillet)、苜蓿/扁豆(Dolichoslablab)，草地的蓋度變化范圍為0～100%。主要的播種方式有條播、撒播、草田間作和草田輪作。

1.2 分析方法

(1) 減沙水代價的概念。水土保持措施在減少坡面泥沙的同時，也會減少坡面徑流量并影響徑流過程，由于不同措施減少徑流和泥沙的機理不同，減少單位泥沙時減少的徑流量會有所不同。為此，研究者提出水土保持措施減沙水代價概念[14]，用于研究不同措施對徑流和泥沙同步影響的差異性。水保措施減沙水代價，是指某項水保措施在減少單位坡面或河道泥沙時減少的徑流量。評價指標是減流減沙比(Ratio of detained Runoff and Sediment，Rrs)，定義為水利、水保措施減少的徑流量與減少的泥沙量之比，用下式計算：

Rrs=Rd/Sd

(1)

式中：Rrs——減流減沙比(m3/t)；Rd，Sd——某種水利、水保措施減少的徑流量(m3)、泥沙量(t)。從定義可以看出，Rrs為揭示水土保持措施對坡面徑流和泥沙影響同步性差異的指標，Rrs越大，措施減少單位泥沙時減少的徑流量越多，不同措施減少相同徑流量時，減少的泥沙量越小。如果考慮河流的水沙組合和黃河流域水資源現狀，Rrs小的水土保持措施在減少相同泥沙時對徑流量的影響越小，也就是說，在黃河泥沙減少的同時，對徑流量與河道水資源的影響就小些，將更有利于水資源在流域內部的再分配。

(2) 分析方法。對于單項措施，減水減沙效益是水土保持措施相對于坡耕地或裸露地減少的徑流量和產沙量，而降雨對黃土高原坡面的土壤侵蝕有重要影響。故本文選擇0°～30°裸露的農地徑流小區(8年248次平均產流量產沙量)作為對照，計算不同降雨條件和年侵蝕模數下人工種草措施相對于裸露地的減水減沙量，按照公式(1)計算，從而得到人工種草措施在各影響因素的交互影響下的減沙水代價并進行相關分析，尋求與其影響因素的關系及種草措施減沙水代價的區域規律。

2 結果與分析

2.1 不同地區坡面人工草地減沙水代價特征

黃河流域人工種草措施在不同地區其減沙水代價(Rrs)存在一定的差異，其變化幅度較大，其Rrs最小值和最大值分別為3.57，10.13 m3/t，差異為2.84倍(表1)。不同區域坡面人工草地減沙水代價同樣存在著區域分異特征。處在黃土丘陵溝壑第一副區的綏德辛店溝、綏德韭園溝、綏德想她溝、綏德王茂溝、山西離石王家溝坡面人工草地減沙水代價的平均值為5.85 m3/t，處在黃土丘陵溝壑第二副區的延安大砭溝、黃龍寺溝人工草地減沙水代價平均值為9.2 m3/t，在黃土丘陵溝壑第三副區的西峰南小河溝和天水大柳樹溝，人工草地減沙水代價平均值為7.02 m3/t，即在黃土丘陵溝壑第一、二、三副區，坡面水土保持措施在減少1 t泥沙量的同時平均減少的徑流量分別為5.85，9.2，7.02 m3。這說明在黃土丘陵溝壑區人工草地減少相同量泥沙時，黃土丘陵溝壑第二副區人工草地對徑流的影響較大，黃土丘陵溝壑第一副區對徑流的影響較小。分析認為，這與各項措施對坡面徑流量和泥沙量影響的同步程度差異有關，也與采取不同的種植方式、選擇不同草類、草地的覆蓋度等有密切的關系[16-17]。

表1 黃土高原不同區域坡面人工草地減沙水代價

2.2 典型人工草地的減沙水代價

牧草較其他農作物而言，其主要特點是種植密度大，因此地表覆蓋度大，而且土壤表層內根系發達，不僅能網絡固持土壤，建立起穩固的團粒結構，且腐爛根系提高有機質含量，固定土壤表層，改善土壤理化性能，又提高了土壤的滲透能力、持水能力，增強土壤抵御侵蝕力的能力[18]。從表2可以看出，普通種植草木樨的減沙水代價值為0.78～13.44 m3/t，平均值為7.9 m3/t；條播草木樨為2.01～19.29 m3/t，平均值為8.61 m3/t；普通種植苜蓿為0.46～18.63 m3/t，平均值為7.19 m3/t；撒播苜蓿為2.58～9.69 m3/t，平均值為8.59 m3/t；自然草坡為4.64～8.56 m3/t，平均值為6.46 m3/t。因此，從減沙水代價大小來看，不同牧草輪作下條播草木樨的Rrs最大，較自然草坡高25%，其Rrs表現為：條播草木樨>撒播苜蓿>草木樨>苜蓿>自然草坡。草田帶狀間輪作下，草木樨/農作物的Rrs介于2.12～25.15 m3/t，平均值為14.53 m3/t；苜蓿/農作物為1.87～23.17 m3/t，平均值為13.95 m3/t。因此，對于草田帶狀間輪作而言，草木樨/農作物的Rrs較苜蓿/農作物高4%，其Rrs表現為：草木樨/農作物>苜蓿/農作物，且草田帶狀間輪作的減沙水代價(Rrs)明顯高于牧草輪作。這是因為牧草與農作物(玉米)輪作，既可以增加地表覆蓋度，又發揮了牧草根系和高稈農作物大根系網絡固持土壤的作用，增強土壤滲水、蓄水和抵抗徑流沖蝕的能力[11]。因此其減沙水代價較大，在減少單位泥沙時減少的徑流量大。

表2 人工草地減沙水代價

2.3 人工草地減沙水代價與汛期降水量、I30、年侵蝕模數的關系

2.3.1 人工牧草減沙水代價與汛期降水量的關系 由圖1可知，黃土高原坡面人工種草措施減沙水代價與汛期降水量之間呈反比關系，隨著降雨量的增加減沙水代價逐漸降低，其擬合公式為：

Rrs=23.591e-0.0034Px

(2)

式中：Rrs——減沙水代價(m3/t)；Px——汛期降雨量(mm)；公式(2)的決定系數為0.312 8，Sig=0.01。由此表明，在黃土高原坡面人工種草措施下的減沙水代價與汛期降雨量之間的關系較好，二者呈明顯的指數反比關系，而且相關性水平為顯著，汛期降雨量越大，種草措施下的減沙水代價就越小。

由上面的分析可以看出，黃土高原坡面人工種草措施下的減沙水代價與汛期降雨量的關系較好，二者呈反比例關系，即隨著降雨量的增大，種草措施的減沙水代價減小。這種關系的出現跟牧草的生長特點有關，牧草的種植密度大，覆蓋面積廣，且牧草地下根系發達，固土能力較強，能夠改善土壤的物理性質，更好地提高坡面土壤的抗侵蝕能力，在暴雨和大暴雨中活地被物對減少土壤侵蝕的作用非常顯著，而對徑流影響不大[19]，因此隨著降雨量的增加，人工草地措施減水量增加較快，而減沙量減少幅度較緩，故人工草地的減沙水代價逐漸減小。

圖1 人工草地減沙水代價與汛期降水量之間的關系

2.3.2 人工牧草減沙水代價與最大30 min降雨強度的關系 由圖2可知，黃土高原坡面人工種草措施減沙水代價與I30之間呈線性關系，擬合曲線為

Rrs=-4.4035I30+7.8166

(3)

式中：Rrs——減沙水代價(m3/t)；I30——最大30 min降雨強度(mm/min)；公式(3)的決定系數達到0.598 7，Sig=0.01，說明二者擬合相關性較好，相關性較強。黃土高原坡面人工種草措施減沙水代價與I30之間能夠呈現較好的線性關系，且二者表現為反比的關系，隨著最大30 min降雨強度的增加，種草措施下的減沙水代價減小。這主要是因為地表種草措施在一定程度上能夠增加地表的覆蓋度，減少地面的直接打擊，降低徑流沖刷。在雨強較大的時候對地面的打擊增加，產生水土流失，產沙量大而產水量小，措施的減沙水代價隨著雨強的增加而降低。

圖2 人工草地減沙水代價與I30的關系

2.3.3 人工牧草減沙水代價與年侵蝕模數的關系 由圖3可知，種草措施減沙水代價與年侵蝕模數呈指數關系，且呈反比關系，其擬合方程為：

Rrs=12.265e-1E-05Ws

(4)

式中：Rrs——人工種草措施減流減沙比(m3/t)；Ws——年侵蝕模數[t/(km2·a)]；公式(4)的決定系數達到0.366 5，Sig=0.02，說明二者擬合相關性較好。說明隨年侵蝕模數的增加人工種草措施的減沙水代價逐漸減小，當年侵蝕模數無限增大時，人工種草措施減沙水代價趨于穩定。

圖3 人工草地減沙水代價與年侵蝕模數的關系

3 結 論

坡面人工種草措施對坡面徑流和泥沙的調控機制不同，在減少1 t泥沙時對水資源的影響程度也不同；因此，在不同降雨強度和汛期降雨量條件下水土保持措施減沙水代價不同，同一措施在年侵蝕模數不同時減沙水代價也存在差異。減沙水代價概念可以有效衡量不同措施減少等量泥沙時對徑流影響的程度。故本文通過對黃土丘陵溝壑區人工草地減沙水代價特征的分析，探討了黃土丘陵溝壑區人工草地減沙水代價特征及其與各影響因素之間的關系，揭示其區域分異規律并得出以下結論：

(1) 在黃土丘陵溝壑區人工草地在不同地區的減沙水代價(Rrs)存在一定的差異，其變化幅度較大，Rrs最小值和最大值分別為3.57，10.13 m3/t，差異為2.84倍；黃土丘陵溝壑第一、二、三副區人工草地的平均Rrs分別為5.85，9.2，7.02 m3/t，總體來看，人工草地在黃土丘陵溝壑第二副區減少相同泥沙量時對徑流的影響較大，在黃土丘陵第一副區減少泥沙時對徑流的影響較小。這與選取不同草類、不同種植和播種方式、草地的覆蓋有密切的關系。

(2) 坡面人工草地減沙水代價與汛期降水量關系密切，呈較好的指數反比關系，水土保持措施減沙水代價隨著汛期降雨的增大而呈減小趨勢；人工草地減沙水代價受最大30 min降雨強度(I30)影響較大，這與王萬忠[20]、蔡強國[21]發現的黃土高原坡面次降雨流失量與次降雨量相關性差，與I30存在很好的相關關系的結論基本一致。隨著降雨強度增加，人工草地減沙水代價與I30之間能夠呈現較好的線性反比關系，隨著I30的增加，人工草地減沙水代價減小；人工草地減沙水代價與年侵蝕模數相關性較好，隨年侵蝕模數的增加人工造林措施的減沙水代價減小，當年侵蝕模數無限增大時，林草措施減沙水代價趨于穩定。

(3)對比分析了黃土丘陵溝壑區坡面典型的人工草地減沙水代價，結果表明各單項措施的Rrs表現較為復雜：不同牧草輪作下條播草木樨的Rrs最大，較自然草坡高25%，其Rrs表現為：條播草木樨>撒播苜蓿>草木樨>苜蓿>自然草坡；對于草田帶狀間輪作而言，草木樨/農作物的Rrs較苜蓿/農作物高4%，其Rrs表現為：草木樨/農作物>苜蓿/農作物，且草田帶狀間輪作的Rrs明顯高于牧草輪作。

[1] 李子君,周培祥,毛麗華.我國水土保持措施對水資源影響研究綜述[J].地理科學進展,2006,25(4):49-57.

[2] 楊平.水土保持在促進黃河水資源高效利用的作用[J].西北林學院學報,2005,20(3):108-111.

[3] 李玉山.黃土高原治理開發與黃河斷流的關系[J].水土保持通報,1997,17(6):41-45.

[4] 景可,申元村.黃土高原水土保持對未來地表水資源影響研究[J].中國水土保持,2002,238(1):12-14.

[5] 王飛.人類活動對區域水土流失影響的定量評價[D].陜西楊凌:西北農林科技大學,2004.

[6] 曹文洪.黃土高原地區提倡節水型水土保持[J].中國水土保持科學,2003,1(1):41-44.

[7] 穆興民,李銳.論水土保持在解決中國問題中的戰略地位[J].水土保持通報,1999,19(3):1-5.

[8] 穆興民,王飛,李銳.水土保持是解決黃河問題的根本[N].中國水利報:現代水利評論版,2005-11-5(3).

[9] 徐學選,陳霽巍,穆興民,等.黃河中游水土保持措施對徑流的影響[J].人民黃河,2000,22(7):36-37.

[10] 侯喜祿,杜呈祥.不同植被類型小區的徑流泥沙觀測分析[J].水土保持通報,1990,10(2):33-38.

[11] 劉國彬.黃土高原草地土壤抗沖性及其機理研究[D].陜西楊凌:中國科學院水利部水土保持研所,1996.

[12] 劉元保,唐克麗,查軒,等.坡耕地不同地面覆蓋的水土流試驗研究[J].水土保持學報,1990,4(1):25-29.

[13] 馮浩,吳淑芳,吳普特,等.草地坡面徑流調控放水試驗研究[J].水土保持學報,2005,6(19):23-25.

[14] 王飛,李銳,穆興民,等.渭河流域水保措施減沙水代價分異特征與水沙調節模擬[J].中國水土保持科學,2004,2(2):12-17.

[15] 王飛,穆興民,李銳,等.河口鎮到龍門區間水土保持措施減沙水代價分析[J].水土保持通報,2005,25(6):28-32.

[16] 焦菊英,王萬忠.人工草地在黃土高原水土保持中的減水減沙效益與有效蓋度[J].草地學報,2001,9(3):176-184.

[17] 王光謙,張長春,劉家宏,等.黃河流域多沙粗沙區植被覆蓋變化與減水減沙效益分析[J].泥沙研究,2006,4(2):10-16.

[18] 王協康,方鐸.植被措施控制水土流失機理及其效益研究[J].四川大學學報:工程科學版,2003,32(2):13-16.

[19] 羅偉祥,白立強,宋西德,等.不同覆蓋度林地和草地的徑流量與沖刷量[J].水土保持學報,1990,2(l):30-34.

[20] 王萬忠.黃土地區降雨特性與土壤流失關系的研究[J].水土保持通報,1983,3(4):7-13.

[21] 蔡強國.岔巴溝流域次暴雨產沙統計模型[J].地理研究,2004,23(4):432-439.

Cost for Runoff and Sediment Control of Artificial Grassland at the Plot Scale in the Loess Hill and Gully Region

YAN Li1, JIANG Bi1, ZHUANG Xuyin1, WANG Fei2

(1.QuzhouDesignCo.,Ltd.ofWaterConservancy&Hrdropower,Quzhou,Zhejiang324000,China; 2.InstituteofSoil，WaterConservation,NorthwestA&FUniversity,ChineseAcademyofSciences,MinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

The study was conducted to compare cost for water and sediment control (Rrs) of different artificial grasses based on perennially monitoring data of loess hill and gully region and the bare slope set as control. And then the characteristics ofRrsof artificial grass and the relations among various influence factors were systematically analyzed. The results showed that the averageRrsof the artificial grass were different in different regions and had large differences, the averageRrsof the artificial grass of the second sub-region of hill and gully area of the Loess Plateau is greater than the first and the third sub-regions; for different forage managements,Rrsof sweet clover rotation is 25% greater than that of the natural grass slope. TheRrsof forages decreased in the order: drillingMelilotussuaveolwna>broadcastingMedicagosativa>Melilotussuaveolwna>Medicagosativa>slope with natural grass. TheRrsof grass rotation decreased in the order:Melilotussuaveolwna>Medicagosativaand it was bigger than that of forage rotation; theRrsof artificial grass and precipitation, soil erosion modulus presented the inverse exponential correlations,Rrsof grass measures andI30showed the good inversely linear relationship.

loess hill and gully region; artificial grass; cost of water and sediment control; runoff; sediment

2014-03-20

2014-11-14

國家自然科學基金資助項目(41171420);中國科學院重點部署項目(KZZD-EW-04-07-04)

嚴麗(1985—),女,甘肅武威人,助理工程師,碩士研究生,主要從事水土保持方案編制、水土保持規劃研究。E-mail:yl821629@126.com

王飛(1971—),男,陜西戶縣人,副研究員,碩士生導師，主要從事水土保持環境效應評價與流域管理研究。E-mail:wafe@ms.iswc.ac.cn

P333.4; S157.2

1005-3409(2015)05-0062-05