黃土丘陵溝壑區不同土地利用類型水土流失效應

朱銳鵬, 劉殿君, 張世豪, 高志強,左啟林, 趙炯昌, 王百群, 于 洋

(1.北京林業大學 水土保持學院, 北京 100083; 2.山西吉縣森林生態系統國家野外科學觀測研究站,北京 100083; 3.內蒙古自治區水利科學研究院, 呼和浩特 010051; 4.準格爾旗水務局, 內蒙古 準格爾旗 017100;5.中國科學院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100)

土壤侵蝕是土地退化的主要形式，人為造成的水土流失已成為制約區域可持續發展的重要生態環境問題，黃土高原是世界上土壤水蝕最為嚴重的地區之一。伴隨退耕還林工程的實施，大規模的生態建設有效防治了黃土高原的水土流失[1]。在新時期黃河流域高質量發展的國家戰略下，黃河流域仍然存在空間治理不均、局部地區水土流失嚴重等問題[2]。在當前形勢下，如何優化流域景觀格局配置，從而充分發揮不同植被類型的水土保持效益，是實現區域水土保持可持續發展的關鍵問題之一。

長期以來，植被恢復被認為是針對脆弱生態系統防治水土流失、改善惡劣生態環境的有效策略。研究表明，退耕還林工程的實施使黃土高原地區植被蓋度顯著增加，這有效改善了該地區土壤水分條件，并顯著增加了土壤入滲[3-4]，大幅減少了土壤侵蝕[5]。王升等[6]在黃土高原地區研究不同植被覆蓋度下坡面產流產沙規律時發現，隨植被覆蓋度的增加，產流量和產沙量均顯著減少。吳蕾等[7]研究發現，當植被蓋度維持在70%～80%時，植被的蓄水保土作用最明顯。Vasquez-Mendez等[8]研究發現不同的植被類型有不同的形態和結構，灌木在減少徑流和泥沙量方面效果最顯著，其次是草本植物和喬木。Mongil-Manso等[9]研究結果表明喬木能通過提高植被覆蓋率、增加土壤有機質等方式，增大土壤孔隙度和入滲率、降低土壤容重[10]，減少坡面產流產沙，其中油松林增加入滲的效果最好，是灌木林的3倍。肖培青等[11]研究結果表明灌木枝葉能顯著增加對雨滴的截留作用并增加坡面粗糙度，相同土壤和降雨條件下，裸地平均土壤流失率為44.19～114.61 g/(min·m2)，灌木地為5.61～84.58 g/(min·m2)。

砒砂巖區主要分布在黃河中游的鄂爾多斯高原，總面積約1.67萬km2，按覆土程度可大致分為裸露區、覆土區、覆沙區。作為黃河粗泥沙的主要源區[12]，該區基巖裸露、植被稀疏、溝壑縱橫、生態環境異常脆弱，常年水蝕、風蝕、凍融侵蝕交錯發生，其中多動力交互作用的疊加放大效應使產沙量顯著增加[13]。陡峭坡面是該地區的主要泥沙來源，約占產沙量的87.4%[14]。研究表明，砒砂巖能顯著降低土壤入滲速率和飽和導水率[15]，進而加劇水土流失[16]。姚文藝等[17]提出可以通過砒砂巖改性材料與植物措施相結合等方式防治水土流失和修復砒砂巖地區生態。人們雖然對砒砂巖的危害及其開發治理等[18]方面開展了研究，但是圍繞該地區坡面尺度不同土地類型的減流減沙效益相關報道較少。本文以地處黃河中游內蒙古段的圪坨店小流域為研究對象，基于流域內不同類型(裸地、農田、天然草地、人工草地、沙棘、油松)坡面徑流小區2014—2017年徑流泥沙監測結果，分析不同土地利用類型產流產沙特征，并與裸地小區進行對比，分析不同植被類型水土保持效益。研究結果為進一步了解不同植被類型產流產沙規律，以及該地區流域綜合治理提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圪坨店溝小流域位于黃河流域一級支流塔哈拉川上游，地理坐標(111°12′00″—111°14′40″E，40°18′40″—40°23′00″N)。流域總面積7 km2，圪坨店小流域屬鄂爾多斯黃土高原丘陵溝壑區，梁峁頂覆蓋栗質土較薄，部分梁峁坡及溝道兩岸基巖裸露，巖性軟弱遇水極易崩解。流域主溝道溝床呈“U”型、支毛溝呈“V”字型。流域呈西北—東南走向，最高點海拔1 325.2 m，最低點海拔1 167.5 m，相對高差157.7 m，主溝道長4 253 m，寬2 120 m、溝壑密度4.5 km/km2。流域屬典型的大陸性季風氣候。主要特點是冬季寒冷漫長，夏季炎熱短暫，春季多風沙，以西北風為主，降雨少而變頻大，常有春旱出現，雨水多集中在7—9月三個月，占全年總降水量的60%～80%。據沙圪堵氣象站統計資料：準格爾旗多年平均降水量386.4 mm，實測年最大降水量達636.5 mm(1967年)，年最小降水量100.8 mm(1962年)，多年平均蒸發量2 234.4 mm，干燥指數d≥5，年平均日照時數在3 000 h，全年平均風速2.2 m/s。大風主要集中在4—5月和10—11月。年平均揚沙日數32.8 d，年均沙塵暴日數15.2 d，年平均氣溫7.3℃，極端最高氣溫38.3℃(1999年7月28日)，最低氣溫-30.9℃(1971年1月2日)，無霜期153 d，封凍期為11月至次年3月底，最大凍土深度1.5 m。主要植被喬木林有楊樹、柳樹、油松；灌木主要包括針茅、沙棘、蒿類、檸條；經濟林有山杏、海紅果；人工草地分布有苜蓿、草木樨、沙打旺；野生植物有沙蒿、沙竹、棉沙蓬、胡枝子等。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區布設 根據當地地形、氣候和植被條件，選擇農田、天然草地、人工草地、沙棘和油松5種不同的植被類型，采用隨機區組設計修建投影面積為5 m×20 m的標準徑流小區，觀測地表徑流和土壤侵蝕量，并設裸地小區作為對照。徑流小區由邊埂、保護帶、分流桶、集流桶、排水系統組成，并設置分流級別為1，分流孔數目為9，分流孔高度0.6 m，分流桶橫截面積0.502 4 m2的監測設備，以便收集徑流深、含沙量、降雨量、降雨歷時、時段降雨、最大30 min雨強等小區產流產沙數據。各小區特征信息見表1。

表1 徑流小區概況

1.2.2 徑流泥沙定位監測 次降雨事件后直接測量分流桶內水深，通過桶底面積估算徑流量，公式為：

Q=hs×10-3

(1)

式中:Q為徑流量(L)；h為水深(m)；s為分流桶底面積(m2)。

次降雨產流結束后，充分攪拌分流桶內收集的徑流，采用1 000 ml的取樣瓶收集渾水樣，每個小區分別采集3個樣品，經沉淀、過濾、烘干和稱重，可得分流桶泥沙量，加上集沙槽的泥沙量即為次降水產沙量。

采用徑流系數和侵蝕模數可以更合理地表征坡面產流產沙特征。徑流系數是指一個時段里的徑流深度和相應降水深度的比值，因此徑流系數是一個無量綱數。用公式表示為

(2)

式中:α表示徑流系數；R表示徑流深度(mm)；P表示降雨深度(mm)。

侵蝕模數表示在單位時間內，單位面積發生的土壤侵蝕量，用公式表示為

(3)

式中:k表示侵蝕模數[kg/(m2·a)]；G表示小區年產沙總量(kg)；S表示小區投影面積(m2)。

將減流減沙效益定義為同一次降雨過程中，不同植被類型的徑流系數以及侵蝕模數與裸地的比值，以便更直觀地比較不同土地利用類型的減流減沙效益，用公式表示為：

(4)

(5)

式中:CRy，CSv分別表示不同土地利用類型的減流減沙效應；α表示小區徑流系數；k表示小區單位面積侵蝕量；ck表示裸地小區。

1.2.3 數據處理與分析 采用R4.1.1軟件進行數據處理與分析，相關數據采用平均值±標準誤(Mean±SD)來表示，采用方差分析比較不同土地利用類型之間徑流量、泥沙量、徑流系數和侵蝕模數的差異，應用最小顯著差數法進行多重比較(顯著性水平p=0.05)。采用Origin Pro 2021軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 降水特征

2014—2017年，逐年降水總量分別為442 mm，373 mm，604.7 mm，379 mm。監測時段內，侵蝕性降水合計22次，共占降雨總次數的8.46%(圖1)。其中在生長季5—10月內的降水量分別為294.5 mm，227 mm，472 mm，201.5 mm，占降雨總量的66.6%，60.1%，78.1%，53.2%。5—8月降水量逐月增加，8月降水量最大，分別為107 mm，51 mm，183 mm，84.2 mm，約占全年降水量的24%，13.6%，30%，22%，僅2015年最多降水量發生于6月，共降水96.5 mm，約占全年降水量25.8%。降雨侵蝕與最大30 min雨強關系密切，在觀測期間，生長季內共降水59次，其中I30大于15 mm/h的降水有21次，約占生長季降水的35.6%，其中18次為侵蝕性降水。4 a的降雨侵蝕力分別為744.2，979.5，1 892.5，318.5 MJ·mm/(hm2·h)。最大降雨侵蝕力的降水分別發生在8月1日，6月15日，8月17日，8月18日。該地區降水主要特點是年降雨總量少，降雨強度大，年內分布集中，年際變化大。

圖1 2014-2017年降雨特征

2.2 不同土地利用類型的徑流量和泥沙量

對不同土地利用類型小區徑流量觀測結果進行單因素方差分析，結果見圖2A，不同土地利用類型坡面徑流量有顯著差異(p<0.05)。裸地和農田之間徑流量差異不顯著，但顯著高于其他類型。油松、沙棘、人工草地、天然草地之間徑流量差異不顯著。6種土地利用類型觀測小區年均徑流量分別是裸地(412.73±97.09) L，農田(323.18±66.87) L，天然草地(101.52±24.10) L，人工草地(54.55±18.87) L，沙棘(25.76±12.11) L，油松林(4.55±3.25) L。

與徑流量分析結果類似，不同土地利用類型徑流小區的徑流中泥沙含量觀測結果見圖2B，由圖可知，各個土地利用類型徑流含沙量差異顯著(p<0.05)。裸地和農田之間坡面徑流含沙量無顯著差異(p>0.05)，但兩者顯著高于其他類型。油松、沙棘、人工草地、天然草地徑流含沙量差異不顯著(p>0.05)。6種土地利用類型中，徑流泥沙含量最高的是裸地，為(87.36±15.37) g/L，最低的是油松林，為(0.8±0.38) g/L，其他各土地利用類型含沙量為農田(59.11±15.72) g/L，天然草地(4.12±1.18) g/L，人工草地(1.38±0.63) g/L，沙棘(1.3±0.64) g/L。

圖2 不同土地利用類型徑流量和泥沙量

2.3 不同年份間各土地利用類型產流產沙特征

對不同年份間各土地利用類型徑流系數進行雙因素方差分析(圖3)，不同土地利用類型在不同觀測年份徑流系數差異顯著(p<0.05)。降雨強度最大的2015年徑流系數顯著高于其他年份，侵蝕性降雨次數最少的2017年徑流系數最低。在不同土地利用類型中，裸地小區徑流系數顯著高于農田小區，并且農田顯著高于其他植被類型。天然草地、人工草地、沙棘小區之間徑流系數差異不顯著，油松小區顯著高于天然草地。在侵蝕性降雨較少的時期內，天然草地、人工草地、沙棘和油松不產生坡面徑流。監測期間，除2014年農田小區徑流系數大于裸地外，各植被類型小區的徑流系數大小均為：裸地>農田>天然草地>人工草地>沙棘>油松。具體為裸地小區16.36%±1.28%、農田小區12.26%±1.27%、天然草地4.5%±0.79%、人工草地2.33%±0.63%、沙棘1.24%±0.43%和油松林地0.09%±0.06%。

不同年份間各土地利用類型侵蝕模數進行雙因素方差分析，結果見圖3，不同土地利用類型在不同觀測年份的侵蝕模數差異顯著(p<0.05)。降雨量最大的2016年侵蝕模數顯著高于其他年份。在相同降水條件下，只有2016年農田侵蝕模數顯著低于裸地，其他觀測年份中，裸地和農田小區侵模數差異不顯著，但是顯著高于其他土地利用類型的觀測小區。監測期內，6種土地利用類型觀測小區的年均土壤侵蝕模數分別是裸地(3.38±1.77) kg/(m2·a)，農田(1.49±0.71) kg/(m2·a)，天然草地(0.056±0.032) kg/(m2·a)，人工草地(0.01±0.006) kg/(m2·a)，沙棘(0.009±0.004) kg/(m2·a)，油松林(0.002±0.001) kg/(m2·a)。

2.4 不同土地利用類型的減流減沙效益

以裸地為對照，將各個小區的產流產沙數據與裸地小區進行對比，分析不同植被類型的減流減沙效益差異。各植被類型減流效益見圖4A，減流效益最好的是油松林，為0.43%±0.29%；最差的是農田，為73.37%±8.64%。其他類型減流效益依次為，沙棘5.64%±3.15%，人工草地13.52%±5.27%，天然草地21.47%±4.97%。

各植被類型減沙效益見圖4B，與減流效益類似，油松林減沙效益最好，是農田的3倍。5種植被類型的減沙效益分別是油松林0.03%±0.02%，沙棘0.36%±0.22%，人工草地0.81%±0.4%，天然草地9.01%±4.16%，農田56.47%±12.58%。

3 討 論

研究表明，降雨狀況和土地利用類型對坡面產流產沙均有顯著影響[19]。圪坨店小流域侵蝕性降水的年內分布不勻，連續四年的監測結果顯示，研究區內降水季節性分布明顯，多集中在6—9月，分別占全年降水總量的76.1%，75.2%，76.4%，65.5%。侵蝕性降水與降雨侵蝕力有很強的相關性[20]。侵蝕性降水與降水量年內分布大致相同，四年內22次侵蝕性降水均分布在6—9月，占生長季降水的37.3%和全年降雨次數的8.46%。黃土高原地區侵蝕性降雨發生頻次和次降雨量不大，但是變異性很大，嚴重的土壤侵蝕主要是由少數幾場強降雨造成的。年際變化幅度大，對坡面產流產沙有顯著影響。觀測結果表明，4年中，2016年降水量最多，達604 mm，導致2016年侵蝕模數和徑流系數都顯著高于其他年份。有學者提出近50年來，黃土高原年降水量明顯減少，降雨強度卻沒有顯著下降[21]。2015年和2017年降雨總量差別不大，分別有373 mm和379 mm，但是侵蝕性降雨次數、降雨侵蝕力差異顯著，分別有侵蝕性降水8次和2次。主要原因是2015年內的降水歷時短，降雨強度大，導致降雨侵蝕性強，侵蝕性降雨次數增多，而2017年降水強度小，不容易形成坡面積水，因此2017年徑流系數顯著低于其他年份。從次降水事件來看，降雨侵蝕性大小與最大30 min雨強呈極顯著相關關系[22]，在I30大于15 mm/h的降水中，有85.7%為侵蝕性降水。I30大于30 mm/h的降水全部為侵蝕性降水。在單次降水過程中，隨著降水持續，降雨強度有迅速增大而后緩慢減小的趨勢，最大30 min雨強通常出現在降雨過程的前半段。

研究表明，在植被生長早期，降雨是影響水土流失量的主要因素；經過幾年的生長，降雨對土壤侵蝕的影響逐漸降低，主要由植被類型和土地利用方式等因素影響坡面徑流和土壤流失量[23]。觀測結果表明，對于不同的年降雨狀況，降雨侵蝕力較低時，防護效益更顯著，隨著年降雨量和降雨侵蝕力增大，各植被類型的減流減沙效益減弱。降雨侵蝕力最低的2017年，天然草地、人工草地、沙棘以及油松林小區年徑流系數和侵蝕模數均為0。

各類土地利用類型之間減流減沙效益差異顯著，各類型減流減沙效益順序為油松林地>沙棘地>人工草地>天然草地>農田。油松和沙棘林冠幅大，能更好地重新分配降水，削弱雨滴動能，植物根系能固持土壤，增強土壤抗沖性，改良土壤理化性質，大幅度減少了坡面產流。油松林有較高的郁閉度，林冠層能改變降雨特性，當降雨強度大于0.1 mm/min時，林冠使雨滴動能顯著下降[24]。油松林下主要由枯枝落葉覆蓋、林下植被覆蓋和少量裸露地塊組成，枯枝落葉層和林下植被發育良好，具有良好的減流減沙效益。林下灌草植被和枯落物能再次削弱雨滴動能，增大坡面粗糙度，改良土壤理化性質，提高土壤蓄水能力，其中當枯落物覆蓋度達到100%時，減流減沙效益最大為80%和98%[25]。3種地塊的結合能顯著減少坡面產流產沙。研究結果表明喬木林能顯著減少黃土高原地區年平均徑流量[26]。灌木林有顯著延長徑流產生的時間和減慢徑流流速的作用[27]。沙棘由于樹冠貼近地表，能攔截降水，保護土壤，同時林下枯落物阻礙了坡面徑流，延長了匯流時間[17]，使水分有充足時間入滲，因此沙棘減流減沙效益顯著。沙棘還通常被用于構建柔性壩并與工程措施相結合等方式改造砒砂巖，防治砒砂巖地區水土流失[28-29]。

注：大寫字母表示不同土地利用類型顯著差異，小寫字母表示不同觀測年份顯著差異。

草地也表現出較好的減流減沙效益，主要通過地上部分和地下部分共同作用減少坡面產流產沙，其中地上植被通過改變坡面水力系數、增加地表粗糙度等方式，減緩徑流流速，促進水分入滲，消耗徑流動能。地下根系部分的作用主要體現在改善土壤結構、增大土壤孔隙度，提高土壤抗沖性能和入滲能力等方面。張琪琳等[30]研究發現地下部分的減流減沙效應甚至比地上部分更顯著。天然草地的草種主要有棉沙蓬、針茅、牛筋草、蒼頭等，這些草種雖抗旱能力強，但是對水分條件非常敏感，地上植被生長狀況主要取決于生長季內降雨量，并且根系發達，有很強的吸收土壤水分和養分的能力。人工草地的主要草種是人為選擇的苜蓿和草苜蓿。苜蓿地下根系密，能更好地固持土壤，增大土壤孔隙度，改善土壤結構，增加徑流入滲，并且耐干旱、產量高，常被用于生態修復和水土保持[31]。因此，受不同草種生長過程和改良土壤程度不同的影響，人工草地的減流減沙效益更優于天然草地。相關報道表明，不同類型灌草格局對坡面侵蝕產沙有顯著影響，張恒星等[32]認為地塊破碎程度較高的塊狀鑲嵌格局儲水減沙效益最好。張霞等[33]研究發現坡面植被分布在坡面中下部為植被最佳的植被空間配置方式。本研究僅以植被類型為研究對象，未來還需討論植被格局對產流產沙過程的影響，并且重點關注不同的植被特征、土壤屬性等因素造成不同土地利用類型產流產沙的機理差異。

圖4 不同土地利用方式的減流減沙效益

4 結 論

(1) 研究區降雨量年際變化大，年內分配不勻，主要集中在生長季6—9月內，其中6—8月降雨量逐漸增加，8—9月逐漸減少。侵蝕性降水的年內分布與降水總量大概一致，四年侵蝕性降水共22次，占總次數的8.46%。侵蝕性降水與I30關系密切，I30大于15 mm/h的降水有21次，其中18次為侵蝕性降水；

(2) 不同土地利用類型的坡面徑流量差異顯著。裸地和農田之間沒有顯著差別，但是顯著高于其他類型。各類利用類型的徑流量依次為裸地>農田>天然草地>人工草地>沙棘>油松林地。不同土地利用類型的徑流泥沙含量與徑流量類似。裸地和農田顯著大于其他類型。天然草地、人工草地、沙棘和油松林地之間含沙量差異不顯著；

(3) 不同年份的降雨狀況和不同土地利用類型對徑流系數和侵蝕模數均有顯著影響。各年份徑流系數排序為2015年>2016年>2014年>2017年。裸地和農田坡面的徑流系數顯著高于其他類型。天然草地徑流系數顯著高于油松林地。各類利用類型的徑流系數依次為裸地>農田>天然草地>人工草地>沙棘>油松林地；不同年份侵蝕模數排序為2016年>2015年>2014年>2017年。不同土地利用類型的侵蝕模數表現類似。裸地顯著大于農田，農田顯著大于其他類型。天然草地、人工草地、沙棘和油松林地之間侵蝕模數有差異但不顯著；

(4) 各種植被類型之間減流減沙效益差異顯著，油松的減流減沙效益最好，分別是0.43%，0.04%。農田的效益最差，僅為73.37%，53.32%。具體順序為：油松>沙棘>人工草地>天然草地>農田。