黃土丘陵區豐水年產流產沙特征分析

張勇 李彥軍 杜軼

摘要：設置標準徑流小區進行長期定位監測，探討天然降雨條件下，流域內不同土地利用方式對坡面產流產沙的影響，以期為該流域土地利用規劃、水土流失綜合治理、生態環境改善提供理論依據。基于汾河上游陽坡小流域內2種坡度、6種不同土地利用方式的8個徑流小區，開展自然降雨觀測、徑流泥沙觀測。結果表明：（1）試驗期降雨超過多年同期平均雨量，屬于豐水年；且年內雨量分布較多年平均差異較大；（2）不同土地利用方式條件下，坡面產流量差異明顯，坡面為15°時，各徑流小區的產流量大小順序為裸坡地>坡耕地>草地；而18°各徑流小區的產流量大小為裸坡地>草地>油松林地>灌木林地（黃刺玫）；（3）土地利用方式不同，坡面產沙量差異明顯。15°徑流小區坡面產沙量裸坡地>胡麻>土豆>草地；相比之下，18°徑流小區產沙量以灌木林地和油松林地最少，均為0.30 t/hm2；裸坡地產沙量最多，是林地的92.08倍；林草地減流減沙效果明顯。研究結果可為該流域的生態重建，土地利用以及汾河上游其他小流域的土地利用規劃，從而減少水土流失提供借鑒。

關鍵詞：黃土丘陵區；豐水年；土地利用；汾河；水土流失；特征

中圖分類號：S157文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0022

Characteristics of Runoff and Sediment Yield in the Loess Hilly Region in High Flow Year

Zhang Yong1，2， Li Yanjun3，Du Yi4

（1Institute of Soil and Water Conservation， Shanxi Agriculture University， Taiyuan 030045， Shanxi， China；

2Shanxi Soil and Water Conservation Institute of Science， Taiyuan 030045， Shanxi， China； 3Taiyuan Water Conservancy and Soil and Water Conservation Institute of Science ，Taiyuan 030021， Shanxi， China； 4College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， Shanxi， China）

Abstract： By setting up standard runoff plots to carry on long- term positioning monitoring， the authors explored the effect of different land use on slope runoff and sediment production under natural rainfall condition， aiming to provide a theoretical basis for watershed land use plan， comprehensive management of soil erosion， and improvement of ecological environment. Based on 8 runoff plots with 2 slopes and 6 different land use types， natural rainfall and runoff observation were conducted. The results showed that （1） the rainfall in the experiment period was higher than that of the average rainfall in the same period of many years， which was a high glow year， and the rainfall distribution of the year was larger than that of the average rainfall in many years； （2） the amount of runoff was significantly different under different land use patterns， the amount of runoff under different land use was the highest in bare slope land when the slope was 15°， followed by slope cropland and grassland； the amount of runoff under 18°was followed the order of bare slope land>grassland>forest plot （Pinus tabuliformis Carrière）>shrub plot （Rosa xanthina Lindl）； （3） the land use patterns influenced clearly the amount of sediment， the amount of sediment under 15°slope followed the order of bare slope land>flax>potato>grassland； while as to 18°slope， the amount of sediment from the shrub plot and forest plot was the least， which was 0.30 t/hm2， and the amount of sediment from the bare slope was the highest， which was 92.08 times of that of forest plot； the effect of reducing runoff and sediment in forest and grass was obvious. The study could provide reference for ecological reconstruction， and land use plan for small watersheds in the upper reaches of Fenhe River.

Keywords： Loess Hilly Region； High Flow Year； Land Use； Fenhe River； Water and Soil Erosion； Characteristics

0引言

水土流失導致區域生態環境脆弱，直接威脅區域經濟、社會與生態環境。當前，黃土高原生態環境建設推進力度不斷加大，水土流失強度和時空分布發生了較大變化，黃河徑流量減少約70億m3，泥沙侵蝕量減少了13億t[1]，但坡地水土流失仍是黃土高原水土流失與生態環境惡化的主要原因。坡地水土流失治理是黃土高原生態環境修復的重點和難點[2]。諸多學者在不同研究區如黃土高原區、南方紅壤水土流失區以及東北黑土流失區等開展了不同土地利用方式的水土流失影響研究[3-7]，結果表明土地利用方式對水土流失影響重大[8-9]，但由于不同區域土地利用方式差異很大，加之區域氣候、土壤和植被等因素多變，且研究尺度不一，研究結果是否具有普適性仍然存疑。土地利用變化對區域水土流失的影響研究具有非常重要的理論和實踐意義[10]。以往研究對象多選擇黃土高原其他地區[1，2，5-7]，而對于位于黃土高原東部，山西省的母親河汾河上游不同土地利用方式對坡地水土流失的影響研究未見報道。基于以上原因，本研究以汾河上游的陽坡小流域內的2種坡度、6種典型的土地利用方式為研究對象。通過設置標準徑流小區進行長期定位監測，旨在探討天然降雨條件下，流域內不同土地利用方式對坡面產流產沙的影響，以期為該流域土地利用規劃、水土流失綜合治理、生態環境改善提供理論依據。

1研究區概況與研究方法

1.1研究區概況

研究區位于太原市陽曲縣北小店鄉陽坡小流域境內，該流域屬黃河一級支流汾河流域上游。流域海拔介于1320～1950 m，面積18.09 km2，水土流失面積17.73 km2。屬北溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫9.6℃，多年平均降水量500 mm，土壤類型為褐土。研究區5—9月份降水量375.2 mm，占全年降水量的80.38%。暴雨主要發生在7—8月份，強度大、歷時短。流域內自然植被主要有油松、黃刺玫、蒿草等。

陽坡小流域徑流小區建于2010年，位于向陽坡中部。徑流小區寬均為5 m，水平投影面積均為100 m2，土壤條件相同；徑流小區周邊設有混凝土圍堰、植被保護帶、排水渠，小區下部設有分、集流桶及測驗等設施。各徑流小區基本要素見表1。

1.2研究方法

依據水利部發布的《全國水土流失動態監測與公告項目管理辦法》（辦水保[2014]257號），基于陽坡小流域的8個徑流小區，對監測點2017年自然降雨和徑流泥沙全年連續觀測。

1.2.1自然降雨量觀測及計算方法降雨量觀測采用CAWS600自動氣象站（翻斗式數字雨量計）監測記錄。降水觀測內容為降雨歷時、降雨量、降雨強度、最大30 min雨強I30、降雨侵蝕力等，其中降雨特征分析、降雨侵蝕力計算等采用《徑流小區和小流域水土保持監測手冊》推薦的Rain Record軟件進行。

1.2.2徑流泥沙觀測坡面產流和產沙主要監測指標為產流次數、徑流量（深）、含沙量、土壤流失量等。每次降雨及時監測集流桶內水位，用于計算次降雨條件下的徑流量、徑流系數等。降雨結束后，將徑流桶內泥沙徑流攪拌均勻，500 mL采樣瓶取樣，每次取3個重復樣，用于測定含沙量，由此計算土壤流失量。

1.2.3試驗設計選取2個坡度、6種代表性的土地利用方式進行定位試驗。土地利用方式分別為坡耕地（胡麻和土豆，試驗小區代號分別HM和TD，小區坡度均為15°，2017年5月11日播種，11月4日收獲）、草地（主要鄉土草本，蒿草，高0.5～0.6 m，15°小區代號為C15，18°小區代號為C18）、林地（灌木林地，黃刺玫，高1.30 m，代號為HCM；油松林地，高度2.00～2.20 m，代號為YS。均為18o）和裸坡地（噴施除草劑，坡面無植被，各設15°、18°坡度一個，作為對照，代號分別為CK1、CK2）。

2結果與分析

2.1研究期降雨及降雨侵蝕力特征分析

2017年總降水量772.6 mm，降水日數91天，降雨量超過多年平均雨量的50%，屬于豐水年。研究期（5—10月）降雨量共為717.8 mm，占年降水量的93%。5—10月各月降水量占到試驗期雨量的2.31%、21.09%、24.30%、27.03%、2.30%、23.04%，其中以8月份雨量最多。2017年內降水分布比以往年有較大差異，主要體現在9月份雨量僅16 mm，遠低于同期平均雨量；10月份雨量為165.4 mm，遠高于同期平均雨量。

降雨侵蝕力（R）是雨強（I30）和降雨總動能（E）的乘積[11]，降雨侵蝕力可以用來衡量降雨對土壤侵蝕的潛在能力[12]，試驗期內總降雨侵蝕力為3094.67 （MJ·mm）/（hm2·h）。6月降水侵蝕力占到試驗期總降雨侵蝕力的61.22%，為試驗期內最大；7月份其次，占比25.55%；8月和10月占比均在5%左右，其他月份降雨侵蝕力之和占比不足4%。年內次降雨最大降雨侵蝕力為6月17日的暴雨，該次降雨雨量為57.0 mm，歷時200 min，I30為86.6 mm/h，降雨侵蝕力高達1431.8 （MJ·mm）/（hm2·h）。

試驗期內降雨分布主要集中在夏秋兩季，降雨時空分布不均勻。降雨侵蝕力主要集中在夏秋季節，但與汛期內逐次降雨量的相關性不強。降雨侵蝕力主要集中在汛期內幾次強降雨。

2.2研究期內產流特征分析

2017年陽坡小流域試驗期內共觀測到徑流產生16次，產流主要集中在6、7、8月份，各產流5、6、4次，10月份產流1次。其中，CK2、TD、HM均產流16次，CK1產流15次，C18產流11次，YS、HCM、C15均產流10次。2種坡度條件下，土地利用方式不同，汛期徑流量均大于非汛期徑流量，且進入汛期后，隨雨量增加，產流量也呈增加趨勢。這一結論竟與半濕潤地區徑流量隨雨量的增加而增加相一致[13-15]。

試驗期內，CK1、C15、TD、HM（均為15°）各徑流小區總產流量以草地（C15）最少（圖1），裸坡地（CK1）最多，且裸坡地產流量比草地高出5.84倍。2類坡耕地產流量相比，胡麻（HM）小區產流量略高于土豆小區，但均低于裸坡地產流量。CK2、C18、YS、HCM（均為18°）各徑流小區總產流量以灌木林地（HCM）最少（圖2），裸坡地（CK2）最多。裸坡地、油松林地（YS）、草地（C18）產流量比黃刺玫林地產流量分別高出38.03、2.09、8.79倍。由此可見，林草措施較裸坡地減流作用明顯。相比15°和18°同一土地利用方式、不同坡度徑流小區的產流量比較，可以發現，18°裸坡地、草地的產流量分別高出15°對應小區產流量13.34%、71.65%。由此可見，坡度對于坡面產流具有明顯的促進作用。

逐月產流量比較可見（圖2），15°徑流小區產流量在7月份產流量最大，6月份次之，9月份沒有產流，10月份最少；不同土地利用方式下，各小區產流量大小基本遵循裸坡地>坡耕地>草地這一規律。相比之下，18°徑流小區在6月份產流量最多，10月份最少。不同土地利用方式導致產流量差異明顯，依次為裸坡地>草地>油松>黃刺玫。如上結果表明，土地退耕轉化為其他利用方式后，土壤結構改變是個緩慢的過程，特別是退耕初期表層土壤存在一定程度的硬化板結趨勢，會促進坡面產流。

2.3研究期內產沙特征分析

降雨是水土流失產生的原動力，其中雨量大小、雨強高低、歷時長短及雨型分布等降雨要素特征與水土流失關系較為密切。一些研究表明，雨強越大、歷時越長、雨量越大，水土流失可能越嚴重[14]。試驗期內，15°徑流小區CK1、C15、TD、HM總產沙量以草地最少，為0.40 t/hm2（圖3）；裸地最多，是草地產沙量的49.05倍；土豆和胡麻坡耕地產沙量居中，分別是草地產沙量的28.49、34.92倍。18°徑流小區CK2、C18、YS、HCM總產沙量以灌木林地和油松林地最少，均為0.30 t/hm2；裸坡地產沙量最多，是林地的92.08倍；草地產沙量次之，是林地的2倍。8個徑流小區中，林草措施小區產沙量明顯小于裸坡地和坡耕地，林草措施減沙效果明顯。

逐月產沙量比較可知（圖4），15°徑流小區單位體積徑流的含沙量大小總體趨勢為：7月>6月>8月>10月（9月份沒有產流，也沒有產沙）。相比之下，18°徑流小區含沙量總體趨勢為：6月>7月>8月>10月。坡面產沙量的多少和單位體積徑流內含沙量的高低取決于降雨強度、地表徑流、植被覆蓋以及土地利用方式等因素；大量野外試驗研究表明，坡度對土壤流失量有促進作用[16-19]。本研究表明，同一土地利用方式下草地和裸坡地18°小區土壤流失量均大于15°小區，這一結果與上述研究結果吻合。

坡面徑流是泥沙運移的主要動力之一。以15°徑流小區產流量和土壤流失量為基準，其他各個小區的產流量和土壤流失量與之相比，可以得到不同土地利用方式下各徑流小區的產流量和土壤流失量的相對值。通過比較可知（圖5），試驗期內，坡面產流越多，土壤流失量也越大，但二者并不完全同步；裸坡地CK2的徑流量是CK1的1.13倍，土壤流失量是CK1小區的1.43倍；坡耕地HM和TD徑流小區的產流量分別是CK1小區的0.89、0.81倍，土壤流失量分別是CK1的0.71、0.58倍；同樣的結果在其他小區均不同程度存在。結合圖5可以看出，試驗期內，裸坡地和坡耕地土壤流失量占總的土壤流失量比例最大，理論分析認為當坡面沒有植被覆蓋或人為擾動較大，在坡面徑流較大時，其沖蝕能力較強；同時，因上方來水流量的增大會導致坡面徑流挾帶泥沙能力增強，因此土壤流失量越趨嚴重。這一結果與其他黃土地區土地利用方式對坡地產流產沙影響研究[15，20-21]結果類似。本試驗結果表明，土壤流失量不僅受坡面徑流的多少影響，還受到土地利用等其他因素的影響。

3結論與討論

在天然降雨條件下，以汾河上游典型小流域內2種坡度、6種不同土地利用方式為研究對象，通過定位監測研究了豐水年不同下墊面、降雨量和典型次降雨對產流產沙的影響。主要結論如下：

（1）坡面徑流是下墊面和氣象因素共同作用的結果[22]。相同降雨條件下，裸坡地和坡耕地產流量較林草地明顯增加；主要原因在于林草地可通過增加覆蓋度，減少雨滴擊濺侵蝕，保護土壤結構免遭破壞，同時林草地地表有枯枝落葉保護，增加了地表糙度，減緩了坡面徑流流速，從而增加水分入滲時間和幾率。同一土地利用方式，坡度增加時坡面產流具有增加趨勢，表明坡度增加可促進降雨轉化為徑流；而18°坡面的林草地坡面產流小于15°裸坡地或坡耕地，也說明坡面產流受坡度和土地利用方式等其他因素作用。坡面徑流對坡度和土地利用方式的響應存在一定的復雜性和不確定性，具體何種因素作用更大，仍需進一步長期定位觀測研究方可得出科學合理的解釋。

（2）不同下墊面坡面產沙與產流具有同一趨勢，即隨著坡面產流量增大，土壤流失量也隨之增加，但二者并非呈線性相關，說明坡面產沙仍受坡面徑流之外的因素影響，需進一步研究找出諸多影響因素間的相關性。

（3）本研究將流域作為相對獨立的產流-產沙系統，其中產流量和產沙量是以小流域為單元的系統輸出變量，而降水和土地利用方式可視為該系統的輸入變量。定位監測研究表明，在天然降雨條件下，不同的土地利用方式對坡面產流產沙影響非常明顯。統計分析進一步體現了土地利用方式不同時坡面產流產沙的強度和數量關系。本研究結果可為該流域的生態重建，土地利用以及汾河上游其他小流域的土地利用規劃，從而減少水土流失提供借鑒。

參考文獻

[1]張光輝.退耕驅動的近地表特性變化對土壤侵蝕的潛在影響[J].中國水土保持科學，2017，15（4）：143-154.

[2]唐克麗.中國水土保持[M].北京：科學出版社，2004.

[3]黃進勇，嚴力蛟，王兆騫.紅壤小流域不同土地利用方式下的水土流失特征[J].浙江大學學報：農業與生命科學版，2002：28（1）：78-82.

[4]孔維健，周本智，傅懋毅，等.不同土地利用類型水土保持研究[J].南京林業大學學報：自然科學版，2009，33（4）：57-61.

[5]索安寧，李金朝，王天明，等.黃土高原流域土地利用變化的水土流失效應[J].水利學報，2008，39（7）：767-772.

[6]伍飛舟，楊卓，牛健植，等.黃土高原丘陵溝壑區土地利用與水土保持措施的變化特征[J].水土保持研究，2010，17（2）：10-14，19.

[7]李廣，黃高寶.雨強和土地利用方式對黃土丘陵區水土流失的影響[J].農業工程學報，2009，25（11）：85-90.

[8]陳美淇，魏欣，張科利，等.基于CSLE模型的貴州省水土流失規律分析[J].水土保持學報，2017，31（3）：16-21.

[9]杜捷，高照良，王凱.布設植物籬條件下工程堆積體坡面產流產沙過程研究[J].水土保持學報，2016，30（2）：102-106.

[10]傅博杰，邱揚，王軍，等.黃土丘陵小流域土地利用變化對水土流失的影響[J].地理學報，2002，57（6）：717-722.

[11]Westheimer W H， Smith D. Rainfall energy and relationship to soil loss[J].Trans.AGU，1958，39：285-291.

[12]賴成光，陳曉宏，王兆禮，等.珠江流域1960-2012年降雨侵蝕力時空變化特征[J].農業工程學報，2015，31（8）：159-165.

[13]Wang Z Y， Wang G J， Li C Z， et al. Primary discovery and application of vegetation and erosion dynamics[J].Science in China（Series D）， 2003，33（10）：1013-1023.

[14]Ma Z L， Gong Y B， Hu T X， et al. Summary of the studies on relation between forest coverage and water and soil conservation[J]. Journal of SichuanAgricultural University，2003，21（1）：54-58.

[15]余新曉，張學霞，李建牢，等.黃土地區小流域植被覆蓋和降水對侵蝕產沙過程的影響[J].生態學報.2006，26（1）：1-8

[16]Liu Y， Fu B J， LüY H， et al. Hydrological responses and soil erosion potential of abandoned cropland in the Loess Plateau， China[J].Geomorphology，2012，138（1）：404.

[17]和繼軍，蔡強國，劉松波.次降雨條件下坡度對坡面產流產沙的影響[J].應用生態學報，2012，23（5）：1263-1268.

[18]Horton RE.Erosional development of streams and their drainage basins： Hydro- physical approach to quantitative morphology[J]. Bulletin of the Geological Society ofAmerica，1945，56：275-370.

[19]Bryan R B. The influence of slope angle on soil entrainment by sheet and rain splash[J].Earth Surface Process，1979，4：43-48.

[20]王全九，趙光旭，劉艷麗.等.植被類型對黃土坡地產流產沙及氮磷流失的影響[J].農業工程學報，2016，32（7）：195-201.

[21]孟慶華，傅伯杰，邱揚.黃土丘陵溝壑區不同土地利用方式的徑流及磷流失研究[J].自然科學進展，2002，12（4）：393-397.

[22]仇亞琴.水資源綜合評價及水資源演變規律研究[D].北京：中國水利水電科學研究院，2006.