江蘇省黃河故道沙土區植被措施因子試驗分析

黃明逸，朱成立，韓以振，吳玉柏，金 秋，李 葉

（1.河海大學 水利水電學院，南京210098；2.江蘇省水利科學研究院，南京210017；3.豐縣水利局，江蘇 豐縣221700）

江蘇省黃河故道沙土區植被措施因子試驗分析

黃明逸1，2，朱成立1，韓以振3，吳玉柏1，2，金 秋2，李 葉1，2

（1.河海大學 水利水電學院，南京210098；2.江蘇省水利科學研究院，南京210017；3.豐縣水利局，江蘇 豐縣221700）

植被是江蘇省黃河故道沙土區主要的水土保持措施，為定量評價不同植被措施所發揮的作用，通過自然降雨徑流小區產流產沙觀測試驗，利用國內水力侵蝕抽樣調查中植被措施因子計算方法，對沙土區幾種常見的植被措施因子的取值和影響因素進行了研究。結果表明：（1）試驗小區的年產流產沙量表現為：裸地＞撂荒地＞林草地＞灌草地＞混種草地＞人工草皮，植被對產沙的影響更大，純草本措施更具直接攔沙作用；（2）降雨侵蝕力和地表覆蓋程度是影響植被措施因子的主要因素，降雨侵蝕力集中的月份其植被措施因子值占到了年值的64.52%～70.83%，隨植被覆蓋增加，降雨的影響明顯減弱，植被的保土作用逐漸增強；（3）撂荒地、混種草、人工草皮、林草地和灌草地的植被措施因子年值（B）為0.499，0.184，0.048，0.266，0.224，說明后4種植被措施擁有良好的土壤保護能力，其抑制土壤侵蝕的效益指標均在70%以上，其中人工草皮達90%以上。

黃河故道沙土區；產流產沙；降雨侵蝕力；植被措施因子值；水土保持效益

土壤侵蝕是制約我國農業生產、生態環境等建設發展的關鍵瓶頸之一，近幾年水土保持已經成為我國基本國策中的重點內容。對土壤流失的研究中發現[1-3]：植被的林冠層、灌木層和草本層可以攔截降雨，減小降雨動能，有效削弱徑流沖刷作用；植物根系和枯枝落葉層能夠增加降雨入滲，延緩地表徑流，提高土壤的抗沖抗蝕性。同時植被措施以投資少、見效快、適應性廣等優點[4]在水土保持防治中得到了廣泛長久的應用。

對植被在土壤流失中作用的定量分析主要以植被覆蓋與管理因子C或生物措施因子B為依據，C，B分別是通用土壤流失方程USLE[5-6]和中國土壤流失方程CSLE[7]中的因子，兩者含義相同，意為有相應植物措施的小區的土壤流失量與同等條件下清耕休閑地的土壤流失量之比。植被措施因子是評價植被因素抵抗土壤侵蝕能力的重要指標，同時也是利用模型預測土壤流失量的關鍵參數[8]。國內學者已經計算了多處地區幾類林草和作物的植被因子值[9-12]，但由于研究方法不統一，不同地區植被因子取值差異很大，缺乏可比性，研究成果難以推廣[13]。

平原沙土區是江蘇省水土流失重點治理地區，總面積達2萬km2，其中黃河故道沙土區面積占1 508 km2。故道兩側的土壤砂性大，水土流失嚴重，導致邊坡坍塌、河溝淤積，影響引、排水與航運[14]。本文選擇黃河故道沙土區幾種常見的邊坡植被措施，通過觀測自然降雨下徑流試驗小區的產流產沙特征，計算該區域植被措施因子值并分析其影響因素，定量評價不同植被措施對土壤侵蝕的作用，以期為黃河故道沙土區水土保持工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗布設

試驗區位于江蘇省徐州市豐縣太行堤河右側（116°45′E，34°73′N）。該區域屬于黃泛平原，地貌形態為具有薄層沉積物掩覆的侵蝕平原，是江蘇省黃河故道沙土區的典型代表區域。豐縣屬溫暖帶半濕潤季風氣候區，具有長江、黃河流域間過渡性氣候的特征。降雨時空分布極不均勻，多年平均降水量737.4 mm，汛期為6—9月份，平均降水量510.7 mm，占全年的69.3%。土壤類型以黃潮土為主。沙土區土壤特征表現為砂性大，結構松散，粘聚力弱，抗沖能力差。試驗區原有14個小區，曾于2012年進行了自然降雨和人工模擬降雨試驗。本次試驗共選取12個小區，按照相關水土保持監測技術規程重新改建，結合幾種常見的邊坡植被措施，設置了6個處理，每個處理2次重復，分別為裸地、撂荒地、混種草地、人工草皮、林草地、灌草地，徑流小區基本情況見表1。

表1 小區基本情況

1.2 計算方法

（1）植被措施因子計算方法：植被措施因子值估算參考我國水力侵蝕抽樣調查[15]中生物措施因子B計算方法，以半月為步長，計算年降雨侵蝕力的半月分配比例，通過半月內各措施小區與裸地小區土壤流失量之比確定相應的土壤流失比率，兩者加權求和后得到植被措施因子年值，計算公式如下：

式中：B為植被措施因子年值；Bk為第k個半月的土壤流失比率，由相應徑流小區與裸地小區的土壤侵蝕量比較得到；Rk為第k個半月的降雨侵蝕力值[（MJ·mm）/（hm2·h）]；R為全年的降雨侵蝕力值[（MJ·mm）/（hm2·h）]。

（2）降雨侵蝕力計算方法：本研究采用章文波等[16]提出的日雨量計算模型來確定2015年試驗所在區域降雨侵蝕力分布情況，計算公式為：

式中：Pi為第i天的侵蝕性日雨量（mm）；m為半月內發生侵蝕性降雨的天數；α和β為經驗參數，根據文獻[16]的研究成果確定α=2.530，β=1.350。

1.3 數據來源

徑流小區底部設置有集流槽和3個集水桶，每次降雨結束后，用鋼尺測量每個集水桶內水深，乘以相應桶底面積得到每個桶的集水體積，以此統計各小區的徑流量；對集流桶底部的泥沙沉積物進行攪拌，攪勻后取水樣500 ml，澄清并去除上層清液，烘干稱量水樣中的含沙量，由此推算整個徑流小區的土壤侵蝕量；日降雨量通過雨量筒讀取；小區植被蓋度由試驗人員目估記錄。2015年共記錄12個小區18次降雨的產流產沙觀測數據。

2 結果與分析

2.1 降雨侵蝕特征

基于小區產流產沙觀測數據，將相同處理小區的徑流量和土壤侵蝕量平均后，對小區的降雨侵蝕特征進行統計，見表2。相同降雨條件下，不同植被措施小區的年徑流量和土壤侵蝕量差異較大，均表現為裸地＞撂荒地＞林草地＞灌草地＞混種草地＞人工草皮。分析可知，裸地由于無植被覆蓋，降雨時土壤直接暴露在雨滴的擊濺下，所以產生徑流最大，土壤流失最嚴重。撂荒地的產流產沙量次之，這是由于撂荒地小區野生的草本植被數量較少且缺乏管理，月均植被蓋度僅為23%，覆蓋程度低，蓄水攔沙能力弱。混種草、人工草皮、林草地和灌草地的產流產沙量要遠小于裸地與撂荒地，可見鋪植草皮、撒播草籽、栽植喬灌木等植被措施有良好的水沙調控作用。人工草皮小區的土壤侵蝕量明顯小于其他植被措施，其原因可能是人工草皮地表覆蓋面積大，其月均植被蓋度達81%，草皮的根系與表層土壤形成穩定結構，提高了土壤的抗蝕性能，有效攔截泥沙流失。純草本植被措施的土壤侵蝕量要小于木草結合的植被措施，這說明草本層覆蓋比林冠層和灌木層更具有直接攔沙的水土保持功效[2]。

表2 不同植被措施小區降雨侵蝕特征

各類植被措施小區的產流產沙量雖然差別較大，但與日降雨量有密切關聯，對每場降雨所產生的徑流量、土壤侵蝕量與日降雨量進行相關分析（表3），結果顯示產流產沙量均與日降雨量呈極顯著正相關，徑流量與土壤侵蝕量隨日降雨量的增加而增加。進行線性回歸分析后得到表3所示的回歸方程，可見各措施小區產流產沙的變化對日降雨量變化的響應存在較大差異，這是由于各類措施的蓄水攔沙效果不同，產流產沙與降雨回歸方程的斜率大小比較與年產流產沙量一致。產沙方程的斜率取值差異性比產流方程顯著，說明植被措施的不同對土壤流失的影響更大。

表3 產流量、產沙量與日降雨量的回歸分析及相關分析

2.2 植被因子的影響因素分析

上文分析可知小區產流產沙與降雨量、植被覆蓋有密切聯系，研究利用小區降雨量和土壤侵蝕量的實測資料，計算出2015年每個半月內的降雨侵蝕力R（表4）和措施小區的土壤流失比率Bk（表5），以分析侵蝕性降雨和植被生長情況對植被因子的影響。

從表4中可以看出，降雨主要集中在6—9月份，其降雨侵蝕力占到了整年的80.73%，7月、8月為降雨侵蝕力最集中的月份，占到年降雨侵蝕力的72.76%，其中7月份的降雨侵蝕力最大，占到年降雨侵蝕力的55.77%，可見7月、8月是2015年主要侵蝕性降雨季。

表4 降雨侵蝕力計算結果

由表5可知，不同植被措施在同一個半月內的土壤流失比率不同，基本表現為：人工草皮＜混種草＜灌草地＜林草地＜撂荒地，這表明不同植物措施對坡面土壤的保護作用不同。同一植物措施在不同月份的Bk具有明顯差異，這是因為不同時期的植被生長情況、地表覆蓋度和降雨侵蝕力等條件各不同，研究認為由于田間活動和天氣變化的影響，導致土壤、植被、植物殘體發生變化，在每半個月結束時原有的各種條件已發生實質性變化[13]。

表5 不同植被措施小區土壤流失比率計算結果

表6為各小區3—9月份植被覆蓋程度，圖1表示不同植被措施下，Bk和降雨侵蝕力的年內分布特征。結合兩者可見，5種植被措施土壤流失比率在年內呈現整體下降趨勢，說明隨小區植被生長，地表覆蓋度提高，各類植被的保土作用逐漸加強。3—6月份中Bk值相對偏高，這是由于小區中植被處于生長階段，覆蓋程度低，截雨攔沙的能力較弱，這個階段中降雨侵蝕力成為了植被保土作用的主要影響因素，Bk值變化特征與R值基本一致。進入7月、8月份后，各類植被生長茂盛，各小區覆蓋度逐漸達到峰值，此時降雨侵蝕力對植被保土作用的影響已經減弱，即使在降雨侵蝕力最為集中的月份，各小區呈現出較小的Bk值，這說明植物在生長到一定程度后可以有效地遏制侵蝕性降雨對坡面土壤的破壞，增加植被覆蓋可以加強植被的水土保持作用。

表6 小區植被覆蓋程度 %

圖1 不同植被措施下的Bk和R值年內變化特征

2.3 植被因子年值及減沙效益分析

根據公式（1），利用每個半月的降雨侵蝕力和土壤流失比率計算結果得到5種植被措施因子年值（表7）。各植被措施因子值在年內的分布并不均勻，降雨侵蝕力集中的7月、8月，其B值占到了年值的64.52%～70.83%，這說明7月、8月份為試驗區土壤流失的高峰期。5種植被措施因子年值分別為：撂荒地0.499，混種草0.184，人工草皮0.048，林草地0.266，灌草地0.224。可見人工草皮措施對土壤流失保護的能力最佳，是自然狀態（撂荒地）的10.396倍，混種草、林草地、灌草地的作用次之，為自然狀態的2.712，1.876，2.228倍。人工草皮、混種草、林草、灌草4類植被措施所產生的水土保持效果將是無植被保護情況下的20.833，5.435，3.759，4.464倍。

表7 植被措施因子年值計算結果

研究將年值B轉化為（1-B），并利用試驗小區的年侵蝕量計算相應的減沙效益，以這兩個指標進一步定量描述不同植被措施對土壤侵蝕的抑制作用[17]（圖2）。兩組數據十分接近，減沙效益整體略高，這是由于植被措施因子值在計算時考慮到侵蝕性降雨的年內分布影響。可見幾種措施抑制土壤流失的效益大小依次為人工草皮、混種草、灌草地、林草地和撂荒地，其中前4種措施的效益均在70%以上，這說明人工草皮、混種草、灌草和林草4類植被措施在江蘇省黃河故道沙土區的水土保持工作中的確可以發揮有效作用。同樣人工草皮措施最顯著，達到了90%以上，在河道邊坡防護工程上可優先選擇鋪植狗牙根草皮措施。

圖2 小區的1-B值與減沙效益

3 結論

（1）試驗小區的年徑流量和土壤侵蝕量均為：裸地＞撂荒地＞林草地＞灌草地＞混種草地＞人工草皮，純草本措施更具有直接攔沙的水土保持功效；徑流量、土壤侵蝕量與日降雨量之間均呈極顯著線性正相關，植被對小區產沙的影響更大。

（2）降雨侵蝕力和地表覆蓋程度是影響植被措施因子的主要因素。降雨侵蝕力集中的7月、8月份，其植被措施因子值占到了年B值的64.52%～70.83%；在植被覆蓋度較低時，影響各措施土壤流失比率Bk的主導因素為降雨侵蝕力，隨植被措施覆蓋度的增加，降雨的影響明顯減弱，植被保土作用逐漸增強。

（3）撂荒地、混種草、人工草皮、林草地和灌草地的植被措施因子年B值分別為0.499，0.184，0.048，0.266，0.224，說明人工草皮、混種草、林草地和灌草地措施均具有良好的土壤流失保護作用，其抑制土壤侵蝕的效益指標均在70%以上，人工草皮措施最佳，達到90%以上。

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Analysis of the Test of Vegetation Measure Factor in Sandy Area of Old Yellow River in Jiangsu Province

HUANG Mingyi1，2，ZHU Chengli1，HAN Yizhen3，WU Yubai1，2，JIN Qiu2，LI Ye1，2
（1.College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing210098，China；2.Jiangsu Research Institute of Water Conservation，Nanjing210017，China；3.Fengxian Water Conservancy Bureau，Fengxian，Jiangsu221700，China）

Vegetation is the main measure to control soil and water losses in sandy area of old Yellow River in Jiangsu Province.In order to evaluate the role of different vegetation measures quantitatively，we used the calculation method by sampling program of water erosion inventory in China to research the several common vegetation measure factors in sandy area through observation of runoff and sediment yield which caused by nature rainfall in runoff plots.The results showed that：（1）the runoff and sediment yield decreased in the order：bare land＞abandoned land＞arbor and herb land＞shrub and herb land＞hybrid grass＞artificial grass，the influence of vegetation on soil erosion was greater，pure herbal measures had more direct effect on sediment reduction；（2）rainfall erosion power and surface coverage were the main influencing factors of vegetation measure factor，the factor value in months of the concentrated rainfall erosion power accounted for 64.52%～70.83%of the annual value，with the increase of vegetation coverage，the influence of rainfall decreased significantly，the function of plants on protecting soil increased gradually；（3）the annualBvalues of abandoned land，arbor and herb land，shrub and herb land，hybrid grass and artificial grass were 0.499，0.184，0.048，0.266 and 0.224，respectively，which means that arbor and herb land，shrub and herb land，hybrid grass and artificial grass had powerful ability of soil conservation，and their performance indicators of soil erosion reduction were all above 70%，the indicator of artificial grass was above 90%.

sandy area of old Yellow River；runoff and sediment yield；rainfall erosion power；vegetation measure factor；water and soil conversation function

S157.1

A

1005-3409（2017）01-0140-05

2016-02-17

2016-03-27

水利部公益性行業科研專項經費項目（201101054）；江蘇省水利科技重點項目（201402）

黃明逸（1992—），男，浙江嵊州人，碩士研究生，研究方向為農業水土工程、土壤侵蝕與水土保持。E-mail：hhuhuangmingyi＠163.com

朱成立（1967—），男，江蘇揚州人，博士，副教授，主要從事農業水土資源利用與管理研究。E-mail：442588123＠qq.com