安家溝流域坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及影響因素分析

郭仲軒

（定西市水土保持科學(xué)研究所 甘肅，定西 743000）

近年來(lái)由于人們對(duì)土地濫加利用，加快了土壤水蝕的地質(zhì)過(guò)程，使得土壤侵蝕逐漸成為中國(guó)乃至全球的首要解決的環(huán)境問(wèn)題之一，嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生物安全，制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)、環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者指出降水、坡度因子和植被類型是影響土壤侵蝕的重要因素，王猛、Wang和Xin分別發(fā)現(xiàn)坡度、降水和植被類型對(duì)侵蝕的影響起著主導(dǎo)作用。杜家穎研究表明，灌木植被覆蓋下土壤產(chǎn)沙產(chǎn)流量明顯低于其他類型植被覆蓋。陳洪松研究指出坡耕地由于持續(xù)受人為頻繁的擾動(dòng)，侵蝕產(chǎn)沙量較高。Peng通過(guò)山坡地觀測(cè)場(chǎng)試驗(yàn)，證明降雨量越大土壤流失量越大。

據(jù)2020 年《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》統(tǒng)計(jì)（https://www.mee.gov.cn/hjzl/），我國(guó)的水土流失面積271.08×104 km，黃土丘陵溝壑區(qū)的水土流失問(wèn)題尤為嚴(yán)重，而且黃河重點(diǎn)生態(tài)區(qū)也被劃定為七大重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)之一。因此，為了滿足新時(shí)期水保監(jiān)測(cè)工作的需要，以隴中黃土丘陵溝壑區(qū)安家溝流域?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行典型土壤侵蝕區(qū)水土流失機(jī)理的研究，揭示不同因素對(duì)泥沙含量的影響，不僅為該流域定量計(jì)算和預(yù)測(cè)水土流失量提供理論依據(jù)，而且可以更好的服務(wù)于水土流失綜合治理方案制定和實(shí)施。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 研究區(qū)概況

安家溝流域系黃河流域關(guān)川河的一級(jí)支流，位于甘肅省定西市（35°33′02″-35°35′29″N，104°38′13″-104°40′25″E），流域面積約8.56km，地形起伏較大，形成兩溝、一梁、四面坡的地貌景觀，屬于典型的黃土丘陵溝壑區(qū)。年均溫約為6.13℃，年降水達(dá)到427mm，多以暴雨，降水主要集中在7-9月，年溫差大，屬中溫帶半干旱氣候。其主要土壤類型為黃綿土和鹽漬土，以豆科、菊科和禾本科、等草本植物為主，伴有少量灌木零星分布。

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況 基于水利部水土保持監(jiān)測(cè)中心在研究區(qū)中設(shè)立的綜合典型監(jiān)測(cè)站，選擇15 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)（小區(qū)面積為20m×5m），其坡度分別為5°、10°、15°，在每個(gè)坡度相同位置分別布設(shè)5種類型小區(qū)，即為：農(nóng)地(小麥)、人工草地、封禁、油松林、沙棘灌叢小區(qū)。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于甘肅省定西市安家溝流域綜合典型監(jiān)測(cè)站坡面徑流場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，選擇坡度5°、10°、15°的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)15 個(gè)，在每個(gè)坡度相同位置分別布設(shè)5種類型小區(qū)，即為：農(nóng)地(小麥)、人工草地、封禁、油松林、沙棘灌叢小區(qū)。分別于2005年和2007建立小區(qū)。

根據(jù)不同植被類型在不同坡度條件下各徑流小區(qū)的泥沙量，揭示不同植被類型、降水量、坡度因子對(duì)泥沙含量的影響及其數(shù)量關(guān)系，揭示各典型區(qū)域的水土流失機(jī)理，提出多因子作用下的土地利用方式。

1.2.3 試驗(yàn)方法 農(nóng)作物小區(qū)（即小麥植區(qū)）：根據(jù)小區(qū)土壤類型，農(nóng)作物徑流觀測(cè)小區(qū)種植了小麥，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物耕作時(shí)間、方式定期進(jìn)行輔育管理。

人工草地小區(qū)：人工種植了適宜當(dāng)?shù)刈匀粭l件的優(yōu)良草種紫花苜蓿。每年秋季刈割牧草。

封禁小區(qū)：小區(qū)內(nèi)主要以冰草和針茅為主。

油松林小區(qū)：小區(qū)選擇了耐寒耐旱性較強(qiáng)的油松作為植被類型，按照2×3m的規(guī)格進(jìn)行栽植。

沙棘灌叢小區(qū)：小區(qū)選擇栽植了適宜當(dāng)?shù)貤l件的沙棘苗木，按照0.5×0.5m的株行距栽植。

通過(guò)不同類型小區(qū)布設(shè)，監(jiān)測(cè)不同植被條件下土壤流失量，利用1000mL廣口瓶，通過(guò)采樣然后進(jìn)行過(guò)濾、烘干，測(cè)定重量，換算出徑流中的含沙量。其公式為：

式中：E 表示單位面積侵蝕量，即為土壤侵蝕模數(shù)t/(km·a)；C表示徑流含沙量kg/m；V 表示產(chǎn)流體積m；S表示徑流小區(qū)面積為100m。

安家溝小流域安裝全自動(dòng)電子氣象站1臺(tái)，主要用于觀測(cè)流域內(nèi)的降水量與降水強(qiáng)度。每月初采集上月降水?dāng)?shù)據(jù)。按《水文資料整編規(guī)范》（SL247-1999）以8 時(shí)為日分界，對(duì)降水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用EXCEL 2016 和Sigmaplot 12.5軟件對(duì)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算和圖表繪制，采用SAS 9.2軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和DUNCAN多重檢驗(yàn)（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被對(duì)坡面徑流泥沙的影響

圖1 不同植被類型小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)

圖2 降水量對(duì)各試驗(yàn)徑流小區(qū)的坡面年均徑流模數(shù)的影響

表2 坡度對(duì)各試驗(yàn)徑流小區(qū)的坡面土壤侵蝕模數(shù)的R×C列聯(lián)表

圖2表示2016-2020 年各試驗(yàn)徑流小區(qū)的坡面年均土壤侵蝕模數(shù)。5 種不同植被類型的徑流小區(qū)其年均土壤侵蝕模數(shù)差異顯著（P＜0.05），5°坡面時(shí)其大小順序?yàn)樾←溞^(qū)（129.40t/（km·a））＞油松小區(qū)（59.60t/（km·a））＞人工草地小區(qū)（50.80t/（km·a））＞封禁小區(qū)（32.80t/（km·a））＞沙棘小區(qū)（29.80t/（km·a））；10°坡面時(shí)其大小順序?yàn)樾←溞^(qū)（278.00t/（km·a））＞人工草地小區(qū)（148.40t/（km·a））＞油松小區(qū)（139.80t/（km·a））＞沙棘小區(qū)（40.20t/（km·a））＞封禁小區(qū)（32.00t/（km·a））；15°坡面時(shí)其大小順序?yàn)樾←溞^(qū)（413.60t/（km·a））＞人工草地小區(qū)（208.60t/（km·a））＞油松小區(qū)（195.60t/（km·a））＞沙棘小區(qū)（55.20t/（km·a））＞封禁小區(qū)（33.00t/（km·a）），由此看出小麥小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)最大，分別較封禁小區(qū)增加了294.51%、768.75%和1153.33%，且均達(dá)到了顯著性差異（P＜0.05），說(shuō)明在研究區(qū)內(nèi)，種植農(nóng)作物過(guò)程中大量擾動(dòng)土壤表層結(jié)構(gòu)，加劇土壤侵蝕速率，導(dǎo)致年均土壤侵蝕模數(shù)增加；油松小區(qū)和人工草地小區(qū)，分別較封禁小區(qū)增加了81.71%和54.88%、336.88%和363.75%及492.73%和532.12%；沙棘小區(qū)分別較封禁小區(qū)增加了-9.15%、25.63%和67.27%。在自然條件下可以有效保持水土，降低土壤流失速率，增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.2 降水量對(duì)坡面徑流泥沙的影響

土壤侵蝕模數(shù)并未隨著降水量增加而增加的線性關(guān)系，小麥小區(qū)和人工草地小區(qū)隨著降水量的增加均呈現(xiàn)為先降低后增加的趨勢(shì)，在降水量443.4mm出現(xiàn)拐點(diǎn)；沙棘小區(qū)和封禁小區(qū)表現(xiàn)為“增加-降低-增加”的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別在降水量224.1mm 和443.4mm 出現(xiàn)拐點(diǎn)；油松小區(qū)中5°坡面時(shí)，隨著降水量的增加表現(xiàn)為“增加-降低-增加”的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別在降水量224.1mm 和443.4mm 出現(xiàn)拐點(diǎn)，10°和15°坡面時(shí)呈現(xiàn)為持續(xù)降低趨勢(shì)，在降水量443.4mm 出點(diǎn)拐點(diǎn)，降低幅度增大，徑流模數(shù)減小。說(shuō)明降水量雖然是徑流泥沙產(chǎn)生的主要原因，但降水量的大小對(duì)徑流泥沙大小并沒(méi)有決定性的作用，可能存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，大約在443.4mm降水量處。

2.3 坡度對(duì)坡面徑流泥沙的影響

表2表示坡度對(duì)各試驗(yàn)徑流小區(qū)的徑流模數(shù)的影響，各類型的徑流小區(qū)（除了封禁小區(qū)）均隨著坡度的增加而增大，說(shuō)明坡度的大小顯著影響徑流小區(qū)的年土壤侵蝕模數(shù)（P＜0.05）。各徑流小區(qū)（除了封禁小區(qū)）中10°和15°坡面的土壤侵蝕模數(shù)分別較5°坡面增加了134.56%和228.19%、34.90%和85.23%、114.84%和219.63%及192.13%和310.63%，經(jīng)方差檢驗(yàn)，15°坡面的徑流模數(shù)較5°達(dá)到了顯著性差異（P＜0.05），10°坡面的徑流模數(shù)較15°和5°之間差異不顯著（P＞0.05）。

將各試驗(yàn)徑流小區(qū)的坡面年均土壤侵蝕模數(shù)按照不同坡度之間的差異進(jìn)行匯總，結(jié)果見(jiàn)表2。表2中理論值為理論坡面土壤侵蝕模數(shù)，計(jì)算過(guò)程為：

對(duì)表2內(nèi)的土壤侵蝕模數(shù)情況進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，計(jì)算χ2值如下：

查χ2 表，當(dāng)自由度df=（3-1) × (5-1) =8 時(shí)，χ0.052=15.51，χ0.012=20.09，計(jì)算得χ2=62770.43＞20.09，可知，試驗(yàn)處理的不同坡度對(duì)坡面年均土壤侵蝕模數(shù)的影響存在極顯著差異，說(shuō)明不同坡度極顯著的影響坡面土壤侵蝕模數(shù)。

3 結(jié)論

2016-2020 年5 種不同植被類型的徑流小區(qū)其年均土壤侵蝕模數(shù)差異顯著（P＜0.05），種植農(nóng)作物、油松小區(qū)和人工草地小區(qū)過(guò)程中大量擾動(dòng)土壤表層結(jié)構(gòu)，加劇土壤侵蝕速率，導(dǎo)致侵蝕增加。在自然條件和沙棘小區(qū)可以有效保持水土，降低土壤流失速率。土壤侵蝕模數(shù)并未隨著降水量增加而增大，可能在降水量443.4mm 存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。經(jīng)χ2 檢驗(yàn)分析坡度極顯著的影響土壤侵蝕模數(shù)，隨著坡度的增加而顯著增大（P＜0.05），綜合得到15°時(shí)應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的沙棘灌叢林。