伊犁河谷次降雨特征對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

黃國平，張文太，陳景梅，程軍回，李政，柴仲平，瞿濤，玉素甫江·玉素音

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)級重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校，新疆 烏魯木齊 830049)

降雨是引起水力土壤侵蝕最主要的動力，當降雨使地表產(chǎn)生徑流并裹挾泥沙時稱之為侵蝕性降雨，侵蝕性降雨標準通常包含降雨量和降雨強度兩個指標.美國農(nóng)業(yè)部1978年發(fā)布了部分地區(qū)的侵蝕性降雨雨量標準[1]，侵蝕性降雨標準具有地域性，因氣候、地形、地貌、植被覆蓋和小流域水土流失治理等不同而異[2].干旱區(qū)侵蝕性降雨標準通常偏低[3]，如巴勒斯坦內(nèi)蓋夫地區(qū)侵蝕性降雨量為3～5 mm，而位于熱帶草原的羅德西亞地區(qū)侵蝕性降雨量在25 mm以上[4].我國學(xué)者認為侵蝕性降雨標準應(yīng)使得所有符合標準的降雨事件的降雨侵蝕力之和等于所有實際產(chǎn)生的降雨侵蝕力，黃土高原坡面侵蝕的侵蝕性降雨雨量標準為12 mm，最大30 min雨強標準為0.25 mm/min[5-6].水土流失是復(fù)雜的自然過程，受降雨、坡度、坡長等共同影響[7].與坡度相比，雨強對黃土丘陵區(qū)地表產(chǎn)流和土壤侵蝕的影響更大[8].不同降雨類型土壤侵蝕與降雨參數(shù)的關(guān)系差異明顯，短時強降雨是黃土高原乃至干旱區(qū)主要的侵蝕雨型[9].次降雨土壤侵蝕強度與雨量和最大30 min雨強存在顯著的冪函數(shù)關(guān)系[10]，坡面入滲及產(chǎn)流產(chǎn)沙和地表植被蓋度間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系[11].

我國水土保持研究主要集中在黃土高原及南方紅壤丘陵區(qū)，伊犁河谷作為干旱區(qū)濕島，近年來因草地退化引發(fā)的水土流失和山洪災(zāi)害問題日益嚴重，尤其是位于高山區(qū)雪線以下至山前洪積平原的山麓、河岸等陡坡、長坡地帶[12]，土壤侵蝕面積大、侵蝕方式多樣[13].受植被條件、土壤性質(zhì)等因素影響，坡面水土流失呈現(xiàn)上坡>中坡>下坡[14].改善下墊面環(huán)境，增加植被覆蓋是治理水土流失的有效方法，40%植被蓋度是伊犁河谷水土保持有效植被覆蓋的臨界值[15].現(xiàn)有的關(guān)于伊犁河谷土壤侵蝕研究多基于坡面模擬降雨實驗，對于侵蝕性降雨閾值以及自然條件下次降雨與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系的研究鮮有報導(dǎo).本文通過伊犁河谷退化草地自然降雨坡面徑流監(jiān)測實驗，分析自然降雨特征，制定侵蝕性降雨標準，研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙對自然降雨特征的響應(yīng)，比較3種坡面水沙阻控措施的水土保持效果，以期為生態(tài)保護、防洪減災(zāi)提供理論和技術(shù)支撐.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

伊犁河谷位于新疆西部，地處亞歐大陸腹地.東西長360 km，南北最寬處275 km，面積5.64×104km2.北、東、南三面環(huán)山，地勢自西向東逐漸抬高[16].河谷向西南面敞開，是新疆唯一能接收到大洋暖流的地域，屬溫帶大陸性氣候，年均降水量220～464 mm，年均氣溫-10.7～10.9 ℃[17].復(fù)雜的地形及特殊的水熱條件使得該地區(qū)水網(wǎng)交錯，草地資源豐富，是優(yōu)良的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地.

1.2 野外徑流小區(qū)試驗

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗小區(qū)選址伊寧市北山坡，在原始坡度12°～15°的退化草地坡面上修建4個8 m×2 m的徑流小區(qū)，經(jīng)人工修整后，小區(qū)坡度均控制在12°左右，土壤類型為灰鈣土，土壤容重為1.21 g/cm3.地表植被以伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)等為主，植被覆蓋度約30%.草地坡面共設(shè)4種處理，分別為對照、枯草覆蓋、水平溝和增滲孔，各小區(qū)初始條件均與對照相同.其中，枯草覆蓋為在地表均勻鋪覆200 g/m2的干燥蘆葦，蘆葦覆蓋度70%.水平溝為在小區(qū)內(nèi)橫設(shè)3條長200 cm、寬20 cm、深10 cm的截水溝，分別位于距頂邊2 m(上坡)、距頂邊5 m(中坡)和距底邊1 m(下坡)處；增滲孔與水平溝布設(shè)位置類似，在上坡、中坡和下坡分別錯落埋置兩排管徑5 cm、管長10 cm且管壁四周各帶2個直徑2 cm、孔距2 cm的PVC管，每排共設(shè)19根，同排管距均為15 cm，異排管距均為10 cm，PVC管埋深與地面齊平.

1.2.2 數(shù)據(jù)收集 試驗小區(qū)配置有錦州陽光氣象科技公司生產(chǎn)的PC-4型便攜式自動氣象站和濰坊金水華禹信息科技有限公司生產(chǎn)的SJ-1型虹吸式自記雨量計，監(jiān)測記錄降雨.降雨間隔在6 h之內(nèi)的降雨記為一次[18]，每次降雨后及時更換自記紙并調(diào)零，歷次降雨數(shù)據(jù)對照氣象站與雨量計科學(xué)取用.小區(qū)產(chǎn)流后，量取小區(qū)下端集流桶中的徑流體積，用250 mL白色塑料瓶在每個集流桶中取一瓶混勻水樣帶回實驗室.取樣完畢后，沖洗干凈匯流槽，傾倒盡集流桶中剩余徑流并用清水清洗倒扣晾干，小區(qū)周邊檢修維護后將一切實驗器材布設(shè)恢復(fù)至與下雨前一樣.取50 mL混勻水樣，烘干至恒重后用萬分之一天平稱量泥沙質(zhì)量，計算含沙量，每瓶水樣重復(fù)3次.

1.3 統(tǒng)計分析

1.3.1 降雨侵蝕力的計算 利用降雨過程資料計算次降雨侵蝕力[19]：

E=∑(ekPk)

ek=0.119+0.873logik

R=EI30

式中：E為降雨總動能，MJ/hm2；ek為k時段單位降雨動能，MJ/(hm2·mm)；Pk為k時段降雨量，mm；ik為k時段降雨強度，mm/h；R為降雨侵蝕力，MJ/(mm·hm2·h)；I30為最大30 min雨強，mm/h.

1.3.2 侵蝕性降雨標準的確立 利用次降雨資料計算降雨閾值[5,20]：

Rcv=|Rmis-Rext|/Rtot

Ce=(Nmis+Next)/Ntot

El=Amis/Atot

Sf=Ndel/Ntot

式中：Rcv為降雨侵蝕力偏差系數(shù)，Rcv最低時對應(yīng)的降雨量或雨強為侵蝕性降雨標準；Ce表示錯選度，El為土壤侵蝕損失率，Ce和El越低，侵蝕性降雨標準篩分能力越強，精度越高；Sf表示剔除率，Sf越高，可剔除降雨事件越多.Rmis是發(fā)生侵蝕而被漏選的降雨侵蝕力之和，Rext是不發(fā)生侵蝕而被誤選的降雨侵蝕力之和，Rtot是所有降雨侵蝕力之和；Nmis是發(fā)生侵蝕而被剔除的降雨次數(shù)，Next是未發(fā)生侵蝕而被誤選的降雨次數(shù)，Ntot是總降雨次數(shù)，Ndel是剔除的降雨次數(shù)；Amis是發(fā)生侵蝕而被漏選的土壤侵蝕量，Atot是總土壤侵蝕量.

1.3.3 產(chǎn)流系數(shù)與產(chǎn)沙系數(shù) 產(chǎn)流系數(shù)代表降雨量和徑流量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[21]，表征降雨的產(chǎn)流能力，計算公式為：

Rci=(Rdi/Pi)×100%

式中：Rci為第i場降雨的徑流系數(shù)，%；Rdi為第i場降雨的徑流深，mm；Pi為第i場降雨的降雨量，mm.

產(chǎn)沙系數(shù)反映降雨量與產(chǎn)沙量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，表征降雨的產(chǎn)沙能力，計算公式為：

Sci=Sedi/(A×Pi)

式中：Sci為第i場降雨的產(chǎn)沙系數(shù)，t/(km2·mm)；Sedi為第i場降雨實測泥沙含量，t；A為小區(qū)面積，km2；Pi為第i場降雨的降雨量，mm.

用EXCEL 2016、SPSS 25、ORIGIN 2017整理分析數(shù)據(jù)并繪制圖表.

2 結(jié)果與分析

2.1 次降雨特征與侵蝕性降雨閾值

伊寧市6、7月強降雨頻發(fā)，是暴雨洪災(zāi)防范的重點時期.監(jiān)測2019年4～9月次降雨事件發(fā)現(xiàn)(圖1)，降雨量分異巨大，水資源季節(jié)分配不均，月內(nèi)降雨頻次和強降雨決定水資源的月際分配.次降雨最小僅0.2 mm，最大達18.6 mm，相差92倍.6月降雨最頻繁，8月降雨量最多，強降雨特征最明顯，8月18日單次降雨18.6 mm，比4月總降雨量還高.4～9月總降雨量100.2 mm，6、8月分別為24.8 mm和26.2 mm，貢獻了總降雨量的51%.降雨具有集中爆發(fā)性，月降雨集中期3～5 d且為明顯的爆發(fā)強降雨.

圖1 2019年4～9月次降雨分布

31場降雨事件每場發(fā)生概率均為3.2%，有22.6%的降雨在0.8 mm以下，48.4%在0.8～3.9 mm之間，還有29%在4 mm之上，降雨量存在明顯的梯度變化(圖2-A).將所有降雨事件按降雨梯度劃分，研究降雨特征(表1、圖2-B).降雨梯度在0.2～0.7 mm這部分降雨各項降雨特征指標均最小，變異系數(shù)最低，總體最為平穩(wěn).場均降雨歷時為21 min，降雨量少，雨強低，難以形成徑流引發(fā)土壤侵蝕.0.8～3.9 mm這部分降雨是伊寧市降雨的主要形式，降雨來勢迅猛，降雨量有明顯的集中期.雖降雨侵蝕力有所提高，但總降雨量不大，地表產(chǎn)流可能性較低，土壤侵蝕風(fēng)險較低.而降雨梯度在4～18.6 mm這部分降雨各項特征指標以及變異系數(shù)均最大.次降雨量和降雨歷時跨度大是其一大特點，降雨過程長，降雨歷時跨度最大相差16倍以上.次降雨平均雨強較為接近而最大30 min雨強遠大于平均雨強，具有明顯的短時強降雨特征.單次降雨的絕大部分降雨量集中在較短的時間內(nèi)，降雨侵蝕力大大增加，較高的次降雨量使其擁有較大的產(chǎn)流潛力，增加了暴雨洪水爆發(fā)風(fēng)險.

表1 次降雨降雨特征梯度變化

I30：最大30 min降雨強度，I：平均降雨強度，R：次降雨侵蝕力.

31場降雨事件中有7場發(fā)生了土壤侵蝕，侵蝕性降雨標準由最小降雨侵蝕力偏差系數(shù)(Rcv)確定，同時以錯選度(Ce)、剔除率(Sf)和損失率(El)評價該標準的區(qū)分效果.表2結(jié)果顯示：將4 mm作為侵蝕性降雨標準時可剔除掉71%的降雨事件，該標準下侵蝕性降雨錯選度和土壤侵蝕損失率分別為6.45%和0，即錯選事件只有2場且均未發(fā)生土壤侵蝕.當最大30 min雨強為3.6 mm/h時，可剔除80.7%的降雨事件，錯選度和土壤侵蝕損失率分別為9.7%和8.5%，即錯選事件有3場，其中2場發(fā)生了土壤侵蝕，共計造成8.5%的土壤侵蝕損失.次降雨量4 mm和最大30 min雨強3.6 mm/h錯選度和土壤侵蝕損失率低，對侵蝕性降雨區(qū)分能力強，可作為伊寧市退化草地的侵蝕性降雨標準.

表2 侵蝕性降雨標準及評價指標

2.2 次降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系

以對照小區(qū)為例，分析自然狀態(tài)下降雨與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化(表3).從單次降雨事件來看，8月18日降雨量18.6 mm，對應(yīng)徑流深即產(chǎn)流量為0.98 mm，高于7次平均產(chǎn)流量0.4 mm，且遠高于其他6次，單次降雨產(chǎn)流量總體較為均衡.產(chǎn)流量與降雨量表現(xiàn)出較好的一致性，卻又不單單受限于降雨，如6月13日降雨4.8 mm，對應(yīng)產(chǎn)流0.43 mm，比之6月9日的5.8 mm和8月15日的6 mm產(chǎn)流量明顯要高.產(chǎn)流系數(shù)最大為8.89%和6.88%，對應(yīng)降雨量分別為4.8 mm和4 mm；產(chǎn)流系數(shù)最小為3.66%和4.13%，對應(yīng)降雨量分別為18.6 mm和6 mm.產(chǎn)流系數(shù)與徑流深有較好的一致性，而與降雨量趨同性較弱.與地表產(chǎn)流伴發(fā)的還有土壤侵蝕，6月13日和8月18日單次土壤侵蝕模數(shù)，即產(chǎn)沙量遠高于其他5次，分別達到了11.8 t/km2和12.7 t/km2.坡面產(chǎn)沙量與單次降雨量同步性較弱，在單次降雨量總體較為平穩(wěn)的情況下單次產(chǎn)沙量波動比產(chǎn)流量更為劇烈.產(chǎn)沙系數(shù)最高為2.45 t/(km2·mm)，最低為0.05 t/(km2·mm)，6月13日和8月18日產(chǎn)沙量相差不大，產(chǎn)沙系數(shù)相差4倍有余.降雨對土壤的侵蝕非是一成不變的，其對地表土壤的侵蝕隨降雨過程進行是動態(tài)變化的.如6月9日和8月15日降雨總量僅相差0.2 mm，產(chǎn)沙系數(shù)相差15倍，再如6月13日降雨的產(chǎn)沙系數(shù)約為7月25日的8倍.可見，產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化與次降雨特征密切相關(guān)，次降雨特征的差異是造成產(chǎn)流產(chǎn)沙變化的根本原因.

表3 侵蝕次降雨坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙

單次降雨量決定地表產(chǎn)流的上限，前期降雨量關(guān)系到前期土壤含水率，雨強反映降雨過程的強烈程度.通過降雨特征與伊犁河谷水土流失的主要推動因子相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表4)：徑流深與單次降雨量(P<0.01)、前3 d總降雨量(P<0.05)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，地表產(chǎn)流的主要影響因子是降雨量和前期土壤含水率；降雨侵蝕力與產(chǎn)沙量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，降雨量、前3 d降雨總量以及降雨強度與產(chǎn)沙量也有較強的正向相關(guān)關(guān)系.降雨侵蝕力對地表土壤流失的推動作用顯著，對于土壤侵蝕而言，降雨侵蝕力越大，雨滴動能越大，濺蝕作用就越強，土壤侵蝕程度越嚴重.其他降雨特征如降雨強度，對降雨侵蝕力的影響至關(guān)重要，也是坡面水土流失不可或缺的助力.

表4 降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)性分析

2.3 坡面管理措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

坡面管理措施通過直接改變下墊面形態(tài)影響小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙.枯草覆蓋和水平溝對坡面產(chǎn)流削減效果分別為71.8%和71.4%(表5)，坡面減流效果較好.兩種措施與對照相比顯著降低了坡面產(chǎn)流量，而與增滲孔比較均不顯著.枯草覆蓋泥沙削減比值為93.7%，大于水平溝、增滲孔的73.0%和24.7%，與水平溝相比差異不顯著，而與增滲孔和對照相比差異顯著.水平溝抑沙效果與對照相比有顯著提升，與增滲孔相比不顯著.增滲孔對坡面減流抑沙效果均在25%左右，雖然比不上前兩種措施的，其效果依舊不可小覷.綜合來看，三種管理措施對坡面減流抑沙都有作用，減流、抑沙效果從大到小均為枯草覆蓋>水平溝>增滲孔.

表5 不同坡面管理措施產(chǎn)流產(chǎn)沙差異

對次降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙系數(shù)分析表明(圖3)，自然狀態(tài)下退化草地坡面降雨產(chǎn)流系數(shù)為3.66%～8.89%，在此基礎(chǔ)上布設(shè)增滲孔可將產(chǎn)流系數(shù)降至2.96%～6.37%，而布設(shè)枯草覆蓋和水平溝后產(chǎn)流系數(shù)可降至2%以下，遠小于對照，3種處理措施均有效降低了降雨的產(chǎn)流能力.不同坡面管理措施次降雨產(chǎn)沙系數(shù)從大到小表現(xiàn)為對照>增滲孔>水平溝>枯草覆蓋，退化草地自然狀態(tài)下產(chǎn)沙系數(shù)為0.05～2.45 t/(km2·mm)，布設(shè)枯草覆蓋措施后產(chǎn)沙系數(shù)可維持在0.01～0.16 t/(km2·mm)，布設(shè)水平溝可降至0.52 t/(km2·mm)以下，二者顯著降低了降雨的土壤侵蝕能力.增滲孔處理雖然效果不如前兩者，但對降雨的產(chǎn)沙能力也有明顯的削弱效果.

圖3 不同坡面管理措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

3 討論

侵蝕性降雨標準亦稱降雨閾值是坡面降雨徑流調(diào)控利用、土壤侵蝕模擬等研究的基礎(chǔ)參數(shù).相比黃土高原灰鈣土區(qū)的8.5 mm[22]，伊犁河谷灰鈣土坡面降雨產(chǎn)流閾值為4.0 mm，更易產(chǎn)流，除草地退化導(dǎo)致的植被蓋度下降外，兩個研究區(qū)的植被類型及地形地貌特征也是造成差異的重要原因.伊犁河谷三面環(huán)山丘陵山谷縱橫[16]，坡地較多、坡度較大，高大植被較難生長，降水難以蓄積下滲.反觀黃土高原地形相對簡單，地勢較為平緩，植被也易于生長，對降雨沖擊的削減以及增強雨水蓄積入滲都大有裨益.伊犁河流域支流眾多，流域內(nèi)地形地貌、植被覆蓋、水土流失治理情況等不盡相同，在流域內(nèi)高山雪線以下連接平原山谷的山麓長緩坡地帶[12-13]，與伊寧市北山坡有著諸多相似，因此，4.0 mm的降雨閾值對這些區(qū)域的水土保持工作有一定的參考價值.

干旱區(qū)降雨稀少，降雨季節(jié)性強，故侵蝕雨型多為短時強降雨[11]，且以超滲產(chǎn)流形式為主[23].伊犁河谷夏秋季節(jié)受大洋暖流的影響，短時強降雨特征明顯[24]，而4 mm以上的降雨又普遍有降雨歷時跨度大、降雨過程長的特點，形成短時強降雨與持續(xù)弱降雨并發(fā)的局面，單次降雨同時包含這兩種復(fù)雜的降雨過程，直接影響到坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化.短時強降雨瞬時爆發(fā)性強，短時間大量雨水降落集聚地表，對下墊面沖擊巨大，易發(fā)生超滲產(chǎn)流；而長時間持續(xù)降雨強度低而平緩，雨水降落后有充足時間下滲，在土壤含水率達到飽和后開始產(chǎn)流[25].二者比較短時強降雨徑流系數(shù)相對更大，徑流轉(zhuǎn)換效率更高，降雨的侵蝕效率更高，降雨產(chǎn)沙能力更強，短時強降雨對坡面水土流失危害更大.此外，伊犁河谷地區(qū)平均降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙系數(shù)僅為5.49%和0.89 t/(km2·mm)，水土流失潛在威脅似乎較黃土高原和南方丘陵區(qū)低[8,10-11]，考慮到該地區(qū)降雨季節(jié)性強，草地退化嚴重和侵蝕性降雨閾值低等情況，當降雨量足夠大時，水土流失問題便會相應(yīng)加劇，嚴重的甚至還會引發(fā)山洪、泥石流等重大自然災(zāi)害.因此，無論是從保障人民生命財產(chǎn)安全，還是從生態(tài)防護和水源涵養(yǎng)等方面來看，在此地區(qū)開展水土保持工作的意義都不亞于其他任何地區(qū).

三種坡面管理措施水土保持效果差異明顯，在自然狀態(tài)下退化草地枯草覆蓋減流、減沙效果可分別達到71.8%和93.7%，顯著高于南方坡耕地[26].究其原因除與枯草本身的吸附水分以及降低雨滴對地表土壤的直接沖擊有關(guān)外，還與枯草鋪覆蓋度有關(guān).南方紅壤區(qū)天然植被蓋度普遍超過50%，其秸稈蓋度宜設(shè)置在15%～30%，華北天然植被蓋度稍低，秸稈蓋度需增至30%～60%[27-28]，而西北旱區(qū)植被稀疏，40%植被蓋度是伊犁河谷水土保持有效植被覆蓋的臨界值[15].本試驗設(shè)置的70%植被覆蓋明顯減少了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量，較高的秸稈蓋度可彌補小區(qū)植被蓋度的不足.同一坡面不同坡位水土流失情況不一[14]，在不同坡位分設(shè)水平溝攔截減流、減沙效果均在70%以上，明顯強于單溝或者單坡位[29].水平溝能直接攔蓄徑流，增滲孔可加強坡面徑流就地入滲，如果結(jié)合兩者的優(yōu)點，在之后的試驗設(shè)計中兼顧水平溝的同時鉆孔，則可更好地實現(xiàn)坡面減流、減沙和恢復(fù)生態(tài)的作用.

4 結(jié)論

1) 伊寧市降雨量主要分布在0.8～3.9 mm范圍，夏季降雨的短時強降雨特征是誘發(fā)降雨侵蝕的重要條件，當次降雨大于4 mm且最大30 min雨強大于3.6 mm/h時，可引發(fā)伊犁河流域退化草地坡面水土流失.

2) 坡面產(chǎn)流與產(chǎn)沙受降雨特征的綜合影響，降雨對坡面產(chǎn)流的影響主要體現(xiàn)在單次降雨量和前期降雨量上，坡面產(chǎn)沙與降雨侵蝕力顯著正相關(guān).

3) 坡面管理措施減沙、減流效果均為枯草覆蓋>水平溝>增滲孔.枯草覆蓋和水平溝顯著降低了短時強降雨對坡面的侵蝕，減流抑沙效果均在70%以上.