黑土穩定邊坡下徑流和泥沙量對次降雨的響應

李志飛，楊慶楠，徐金忠，郝燕芳

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水土保持重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150070)

近年來，政府逐步開展了侵蝕溝的專項治理工程，現有治理體系主要包括溝頭跌水、溝谷底坊以及邊坡的削坡造林。侵蝕溝治理效益的科學評價，侵蝕溝治理技術水平的持續提高是防治水土流失、保護黑土地的研究重點[1-4]。

邊坡的不穩定是造成溝岸坍塌、擴張的主要影響因素，工程設計中，表現為把不穩定的、較陡的侵蝕溝邊坡削坡至35°或1∶1.5(33.69°)，使其接近土壤安息角，從而達到穩定狀態。邊坡的穩定可以有效遏制溝岸的坍塌擴張，但是實踐中發現穩定的邊坡仍然會存在水土流失問題；探索地表徑流、輸沙過程對降雨的響應規律，才能準確預測水土流失，評價土壤侵蝕[5-8]。為準確掌握黑土穩定邊坡下的水土流失情況，本文運用徑流小區實地觀測的方法，研究次降雨過程中穩定邊坡下的徑流量和泥沙量，為黑土區侵蝕溝治理工程中邊坡防護問題提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于黑龍江省賓縣水土保持科技示范園內，地理坐標127°24′47″E，45°44′57″N，地貌類型屬丘陵漫崗，主要土壤類型有黑土、草甸土。氣候類型屬中溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均降雨量550 mm，主要集中在6—9月份，多年平均徑流量170 mm，年均溫度3.2 ℃，年均日照時數為2732 h，≥10℃積溫2400 ℃，年均風速3.1 m/s，無霜期128 d。

1.2 試驗設置

整修1∶1.5 (33.69°)邊坡，在邊坡上設置長、寬為2 m×1 m的2個微型徑流小區，小區邊界由鐵板構成(地上部分20 cm，地下埋深20 cm)，下設集流桶(上口直徑28.5 cm，下口直徑25.5 cm，高34.0 cm)。處理方式為裸坡和植草護坡(無芒雀麥+紫花苜蓿+早熟禾)。草種按照50 g/m2混播方式，均勻撒播，覆土0.5～1.0 cm后灑水，出苗后無須管理。

1.3 數據采集與處理

2018年6—9月，人工采集次降雨后的徑流量和泥沙量，共采集到24組次降雨的徑流量和泥沙量數據。降雨數據采用SL-2型虹吸式雨量計測量；泥沙樣品采用烘干法測定。定期對植草小區拍照，計算植被蓋度如表1所示。數據采用SPSS、EXCEL等軟件處理分析。

表1 徑流小區6—9月平均植被蓋度 %

2 結果與分析

2.1 穩定邊坡下徑流量對次降雨的響應

6—9月，研究區內共發生24次自然降雨事件，總降雨量199.6 mm，按月份依次為14.4 mm、95.8 mm、50.5 mm、38.9 mm。裸坡小區總徑流量64.85 mm，徑流系數0.32；植草護坡小區總徑流量40.88 mm，徑流系數0.20。植草護坡小區徑流量比裸坡小區徑流量小，減流比例36.96%，植被覆蓋的減流作用明顯；且隨著植被蓋度的增加，減流作用呈增加趨勢。見圖1。

圖1 徑流小區次降雨產流情況

由表2可以看出，兩個小區的徑流量均與降雨量和降雨侵蝕力(EI30)呈極顯著正相關，且植草護坡小區的相關性系數略高于裸坡小區，說明徑流量直接受降雨影響，且植被覆蓋情況下對降雨的響應更明顯。徑流量與平均雨強呈正相關，與降雨歷時呈負相關，且相關性差。

表2 徑流量與降雨因子相關性分析(Pearson)

2.2 穩定邊坡下泥沙量對次降雨的響應

6—9月，裸坡小區總泥沙量1520.06 g，植草護坡小區總泥沙量624.99 g，植草護坡小區泥沙量比裸坡小區泥沙量小895.07 g，減沙比例58.88%，植被覆蓋的減沙作用明顯；且隨著植被蓋度的增加，減沙作用愈加顯著。經轉換，裸坡小區土壤侵蝕模數為760.03 t/(km2·a)，植草護坡小區土壤侵蝕模數為312.49 t/(km2·a)，按照黑土區土壤侵蝕強度分級標準，仍然超過了200 t/(km2·a)的土壤侵蝕容許流失量。

由圖2可知，主要產沙過程在7月16日和6月20日。其中，7月16日，當日降雨量39.1 mm，為年度最大日降雨量，達到大雨—暴雨級別，當日裸坡小區泥沙量457.6 g，植草護坡小區泥沙量134.4 g，分別占其全年產沙量的30%和22%，大到暴雨是邊坡土壤流失的主要驅動因素。6月20日，降雨量僅為9.0 mm，但因徑流小區建設的土壤擾動、植被覆蓋度低等因素，泥沙量較大；隨著土壤緊實度、植被覆蓋度的增加，后期8—9月份，在降雨量基本相同的情況下，泥沙量銳減。

圖2 徑流小區次降雨產沙情況

由表3可以看出，裸坡小區的泥沙量與降雨量和降雨侵蝕力(EI30)呈極顯著正相關；泥沙量與降雨歷時呈負相關，與平均雨強呈正相關，且相關性均不大。植草護坡小區的泥沙量與降雨量相關性不顯著，與降雨侵蝕力(EI30)相關性顯著；泥沙量與降雨歷時、平均雨強呈負相關，且相關性不大。說明，裸坡小區的泥沙量對次降雨的響應明顯，植草護坡小區因有植被覆蓋、根系影響等對次降雨的響應相對遲緩，從而反映出植被的減沙作用[9]。

表3 泥沙量與降雨因子相關性分析

3 結 論

(1)黑土穩定邊坡下，徑流量對次降雨響應極顯著；植草護坡小區相對于裸坡小區，減流作用明顯。裸坡小區的泥沙量大，對次降雨響應極顯著；植草護坡小區的泥沙量小，對次降雨的響應相對遲緩，減沙作用顯著。大到暴雨是邊坡土壤流失主要驅動因素。

(2)在穩定邊坡1∶1.5下，裸坡小區土壤侵蝕模數達到了760.03 t/(km2·a)，植被覆蓋雖然減流減沙作用明顯，但是土壤侵蝕模數仍然達到了312.49 t/(km2·a)，遠遠超過了黑土區土壤侵蝕容許流失量200 t/(km2·a)，邊坡水土流失未得到根治。

(3)在1∶1.5坡度下，受立地條件影響，單一的林草措施無法根治邊坡水土流失，建議優化改進現有措施，輔以適當的工程措施，有效控制侵蝕溝穩定邊坡下的水土流失。