黃土丘陵溝壑區不同植被坡面產流產沙效應研究

王詩星，呂錫芝，魏義長，李巖朋

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046； 2.黃河水利委員會 黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；3.忻州市水利工程建筑公司，山西 忻州 034000)

黃土高原是我國水土流失最嚴重的地區之一，常年的水土流失使土地生產力逐漸下降，河道淤積，危及區域糧食安全和經濟發展。很多學者對黃土高原地區的水土流失規律[1-3]進行了大量研究，但研究成果多集中于人工模擬降雨[4-5]或天然降雨條件下[6-8]栽植多年的植被坡面的產流產沙特征[9-13]，而對新栽種植被坡面在不同降雨類型下的水土保持效應研究較少。因此，本研究以黃土高原新栽植植被坡面——林地、牧草地和農地為研究對象，采用實測降雨，分析3種植被坡面在坡度和降雨影響下的產流產沙特征，探索其水土保持效益，希望能為黃土高原水土保持工作提供科學依據。

1 研究區概況

選擇在黃河水利委員會天水水土保持科學試驗站內的羅玉溝流域試驗站開展試驗。羅玉溝流域屬黃河中游黃土丘陵溝壑區第三副區，是渭河一級支流藉河的一條支溝，地理位置介于105°30′30″～105°44′20″E、34°35′20″～34°39′20″N之間；屬大陸性季風氣候區，冬春干旱少雨，夏秋降水集中，年均降水量531.1 mm，年均氣溫10. 7 ℃，年無霜期184 d；以黃土梁狀地貌為主，地面坡度較緩，15°以下的緩坡地占48.4%，15°～25°的坡地占28.0%，25°以上的陡坡地占23.6%；土壤類型主要為山地褐色土、山地灰褐土和沖積土，還有黑色土、黑砂土和粗骨土；土地利用類型主要為林地、草地、農田和果園，自然植被覆蓋較好，植被覆蓋度約45%，植被種類中喬木以國槐、白楊和經濟林木為主，草本植物以小冠花、車前、龍須草等為主。

2 研究方法

2.1 徑流小區設置

在羅玉溝流域試驗站東北部的坡耕地上選擇9個標準徑流小區進行試驗，小區基本情況見表1。其中：C1、D1、E1小區為林地(新栽植杏樹)小區；C2、D2、E2小區為牧草地(小冠花)小區，每年收割兩次；C3、D3、E3小區為農地(冬小麥)小區，每年9月份種植，來年6月份收割。小區的長邊與坡地流水線平行，上、下邊與等高線平行，水平投影面積為100 m2；在長邊和上邊設置護埂，護埂采用預制混凝土塊制作，深40 cm，護埂外設置寬2 m的保護帶；小區下方配備有集流池，用來收集小區徑流泥沙，采用鋼筋混凝土現澆，無蓋，底部設有排水孔。

表1 各徑流小區基本情況

2.2 試驗設計和數據處理

本研究以新栽植杏樹、冬小麥和小冠花3種植被小區作為林地、農地、牧草地3種土地利用類型的典型代表進行自然降雨條件下的坡面侵蝕試驗，分析不同坡度、不同雨型小區的產流產沙效應。觀測期為2008年5月至2010年10月，從觀測期的降雨事件中選取13場具有完整產流產沙實測資料的侵蝕性降雨進行分析。利用Excel 2007處理產流產沙數據，采用SPSS 22.0進行雙向變量相關性分析和聚類分析。

3 結果與分析

3.1 不同坡度下小區的產流產沙效應分析

3.1.1 產流分析

不同坡度下不同植被小區的產流情況見表2。坡度10°時，各小區中平均產流量最小的是林地(0.29 m3)，農地(0.41 m3)次之，牧草地(0.46 m3)最大；坡度15°時，林地(0.14 m3)最小，牧草地(0.40 m3)次之，農地(0.47 m3)最大；坡度20°時，牧草地(0.22 m3)最小，林地(0.23 m3)次之，農地(0.56 m3)最大。相比牧草地和農地，林地總產流量分別減少了39.23%和54.35%，說明杏樹相較于其他兩種植被具有明顯的減流作用。坡度10°和15°時，牧草地和農地耕作方式相同(等高耕作)且株高相近，地表徑流量差異較小。但在坡度20o時，牧草地產流量與林地相近，明顯小于農地，說明坡度較大時牧草地的水源涵養能力要優于農地。總體來說，平均產流量林地小區<牧草地小區<耕地小區。

表2 各小區的產流量

3.1.2 產沙分析

不同坡度下不同植被小區的產沙情況見表3。坡度10°時，林地平均產沙量(4.55 t/km2)最小，牧草地(11.54 t/km2)次之，農地(35.44 t/km2)最大；坡度15°時，牧草地(7.76 t/km2)最小，林地(14.47 t/km2)次之，農地(67.98 t/km2)最大；坡度20°時，林地(2.01 t/km2)最小，牧草地(6.71 t/km2)次之，農地(20.19 t/km2)最大。農地在各坡度小區中平均產沙量均為最大，總產沙量分別是林地和牧草地的5.88倍和4.75倍。林地具有截流、攔蓄的作用，對濺蝕沖刷有較強的抵抗能力。牧草地因其根系能夠固結土壤、增加地面糙度，在一定程度上阻止了土壤侵蝕。總體來說，平均產沙量林地小區<牧草地小區<耕地小區。

表3 各小區的產沙量

3.2 不同雨型下小區的產流產沙效應分析

3.2.1 侵蝕性降雨分類

選取降雨量、平均雨強和降雨歷時等降雨參數，通過聚類分析將13場侵蝕性降雨分為雨型Ⅰ和雨型Ⅱ兩種，其中：雨型Ⅰ發生頻數為9，降雨歷時中心值為425.56 min，降雨量中心值為18.52 mm，平均雨強中心值為3.10 mm/h，特征為降雨歷時短、降雨量小、平均雨強大；雨型Ⅱ發生頻數為4，降雨歷時中心值為1 122.5 min，降雨量中心值為27.35 mm，平均雨強中心值為1.45 mm/h，特征為降雨歷時長、降雨量大、平均雨強小。

3.2.2 不同雨型下小區的產流產沙

不同雨型下各小區的平均產流產沙量見表4。雨型Ⅰ、Ⅱ條件下，平均產流量均為林地小區<牧草地小區<農地小區。雨型Ⅰ條件下的平均產沙量牧草地小區<林地小區<農地小區，雨型Ⅱ條件下的平均產沙量林地小區<牧草地小區<農地小區。

表4 不同雨型下各小區的產流產沙量

3.3 小區產流產沙與降雨參數的關系分析

降雨是坡面發生水土流失的原動力。分析各場次侵蝕性降雨的特征參數(降雨量、平均雨強)及對應小區的產流、產沙數據發現(表5)：牧草地小區的產流量與降雨量之間存在極顯著正相關關系；農地小區的產流、產沙量與降雨量之間呈顯著正相關關系，產流量與平均雨強之間存在顯著正相關關系。3種植被小區的產沙量與平均雨強之間均沒有呈現出明顯的相關性，這可能是因為13場侵蝕性降雨大部分降雨歷時較長，平均雨強較小，地表徑流只是帶走坡面表層土，因此平均雨強與產沙量之間相關性較弱。

表5 各小區產流、產沙量與降雨參數相關性分析

4 結 論

對研究區2008—2010年林地、農地、牧草地小區進行自然降雨條件下的坡面侵蝕試驗，分析不同植被小區在不同坡度、不同雨型下的產流產沙效應，結果表明：

(1)不同坡度各小區的產流量、產沙量均為林地小區<牧草地小區<耕地小區。

(2)雨型Ⅰ、Ⅱ條件下，各小區平均產流量均為林地小區<牧草地小區<農地小區。雨型Ⅰ條件下各小區平均產沙量牧草地小區<林地小區<農地小區，雨型Ⅱ條件下平均產沙量林地小區<牧草地小區<農地小區。

(3)牧草地小區產流量與降雨量之間存在極顯著正相關關系；農地小區產流、產沙量與降雨量之間，產流量與平均雨強之間存在顯著正相關關系；受平均雨強較小影響，3種植被小區產沙量與平均雨強之間均沒有呈現出明顯的相關性。