天然降雨條件下裸露砒砂巖區人工植被的減流減沙效應

楊振奇, 郭建英, 秦富倉, 田秀民, 劉艷萍

(1.水利部 牧區水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.內蒙古農業大學 沙漠治理學院, 呼和浩特 010019)

晉陜蒙三省交界地帶的砒砂巖區，該區基巖成巖程度低，裸露基巖極易風化潰散，引發嚴重水土流失作用[1]，是黃河流域上中游地帶的粗泥沙集中來源區，該區劇烈的水土流失作用嚴重影響著黃河健康與安瀾。研究砒砂巖區降雨條件下的土壤侵蝕和植被抗蝕作用，對于減少泥沙入黃，推動黃河流域生態保護和高質量發展有重要現實意義。降雨引發的土壤侵蝕過程及其調控機制，一直是國內外土壤侵蝕領域專家研究的重點，研究成果豐富，包括降雨侵蝕力的概念，侵蝕性降雨的劃定標準，不同氣候區的水力侵蝕規律等[2-5]，但研究成果多集中在黃土區、黑土區以及紅壤土區等地帶[6-9]，而砒砂巖由于其獨特的巖石結構和性質，在世界范圍內中已公開出版的文獻資料中尚無相同性質基巖的報道，相關調查和研究數據可參考性質較為接近的砂巖基巖[10-12]，國內針對砒砂巖區降雨特征及其與土壤侵蝕關系的研究相對較為單薄。

砒砂巖區按照基巖出露程度和覆土類型被分為蓋土區、蓋沙區和裸露區，以裸露砒砂巖區的基巖出露面積最大，土壤侵蝕作用也最為劇烈[13]。而裸露砒砂巖區天然降雨呈何種特征？天然降雨對坡面產流產沙有何種影響？現有的人工植被措施的減流減沙效應如何等問題尚不明確。為此，本研究選擇內蒙古準格爾旗的裸露砒砂巖區為研究區，選取裸露砒砂巖區的自然坡面，通過天然降雨觀測、徑流小區監測的方法，研究裸露砒砂巖區坡面的產流產沙特征，分析現有的人工植被措施的抗蝕作用，以期為深入研究砒砂巖區水土流失治理工作以及區域生態修復的研究提供理論基礎。

1 研究區概況

研究區鮑家溝流域位于鄂爾多斯市準格爾旗，地理坐標為110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N，海拔在1 110～1 300 m；流域地形北高南低；氣候屬典型大陸性季風氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫熱，年均氣溫7.2℃；土壤類型以黃綿土、風沙土為主；植被以人工植被為主，常見青楊(Populuscathayana)、旱柳(Salixmatsudana)、油松(Pinustabuliformis)、側柏(Platycladusorientalis)、檸條(CaraganaKorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、山杏(Prunusarmeniaca)等；草本植物主要有羊草(Leymuschinensis)、豬毛菜(Salsolanitraria)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 研究方法

2.1 試驗設計

砒砂巖巖性特殊，重塑土的物理及力學性質與原狀基巖相差較大，原狀基巖樣本不利于長距離運輸，因此本研究中關于裸露砒砂巖坡面降雨侵蝕觀測都采取野外原位試驗的方法。根據研究區內主要人工植被類型在研究區內選取天然坡面布設裸露基巖小區、草地小區、油松小區、山杏小區、沙棘小區、檸條小區各1個，小區修建初期進行地面整平，后期自然恢復，不清理地表草本受基巖坡面地形和施工難度限制，小區圍墻材料均采用厚鐵皮，徑流小區主要監測單次降雨的徑流及產沙量，降雨指標采用HOBO(U30)自記雨量計及風速、風向等配套氣象設備。徑流小區基本情況見表1。

表1 徑流小區基本情況

2.2 數據分析

本文基于研究區已有84次降雨數據及21次徑流泥沙數據(2014—2019年)，在參考黃土高原區降雨強度的劃分標準(24 h)的基礎上[14-16]，結合本研究區的降雨特點，運用系統聚類方法對研究區內的降雨類型進行劃分，運用線性回歸方法分析降雨特征與產流產沙的關系。

3 結果與分析

3.1 降雨特征

研究區2014—2019年共觀測降雨84場，根據氣象學中關于降雨類型的劃分(24 h以內)，研究區6 a間共有小雨8場、中雨55場、大雨17場、暴雨5場、大暴雨1場。均降雨量為375.97 mm，年際間降雨差異較大，降雨量和降雨次數大，其中2016年與2015年，降雨次數相差12次，降雨量相差達463.8 mm。此外，研究區年內降雨分配不均勻，次降雨間的最大30 min雨強也具有較大差異，變異系數均在40%以上，特別是2018年降雨的I30高達99.58%。經計算研究區2014—2019年降雨侵蝕力R值分別為1 156.38，249.77，1 464.05，795.56，1 504.14，1 085.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，平均值為1 042.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，詳見表2。

表2 2014-2019年降雨特征

應用聚類分析法可以將研究區內觀測的降雨劃分為4類，分類后的降雨類型統計特征見表3。第一類降雨樣本數量較小，僅有2次，其單次降雨歷時超1 100 min，降雨量在97.4 mm左右，I30平均值為57.4 mm/h，可以將其歸類為長歷時暴雨；第2類降雨共29次，其平均降雨歷時為1 005.59 min，平均降雨量為22.14 mm，I30比第一類小，均值為11.03 mm/h，將其歸類為長歷時的中到大雨；第3類降雨有28次，其平均降雨歷時為491.75 min，平均降雨量為39.09 mm，此類降雨的I30較大，平均值為20.65 mm/h，可以將其歸類為短歷時暴雨；第4類降雨有25次，其平均降雨歷時為141.4 min，平均降雨量為18.23 mm，I30平均值為15.13 mm/h，可以將其歸類為短歷時的小到大雨。

表3 不同降雨類型的統計特征

3.2 降雨特征與坡面產流產沙的關系

為了進一步分析降雨條件下各植被類型坡面的產流產沙特征，由于第一類降雨的樣本數量較小，也存在部分第3類降雨無產流產沙過程、第4類降雨有產流產沙過程等特殊數據，不宜分類做統計學分析，因此選取所有降雨及產流產沙數據的降雨量(P)、最大30 min雨強(I30)和最大10 min雨強(I10)與各植被類型坡面的產流量、產沙量關系進行回歸分析，得到形式為y=ax1+bx2+cx3+d的多元線性方程，式中y為產流量或產沙量，x1，x2和x3分別為P，I30和I10，a，b，c和d分別為系數和常數，各回歸模型的R2在0.7以上?？梢钥闯?，各坡面的產流量與產沙量均與降雨量、最大30 min雨強和最大10 min雨強關系密切，降雨總量的增加和瞬時降雨強度的增加，都會導致坡面的產流和侵蝕量均隨之增加，通過次降雨的部分特征參數可以初步估算各植被類型坡面的產流量和產沙量，各方程的相應參數和擬合的決定系數見表4。

表4 降雨特征與各植被類型坡面產流產沙關系

3.3 人工植被坡面產流產沙對雨型的響應

為了進一步分析不同人工植被的抗蝕能力，排除不同時間尺度下土壤含水量和植被長勢方面的差異，選擇1 a內植被茂盛且降雨集中的7月8月的降雨和產流產沙數據進行分析，其中引發產流產沙過程的降雨共有7場(包括2類降雨3次，3類降雨4次)，而部分降雨(第4類)在有植被覆蓋的坡面沒有產流產沙過程。圖1為不同植被類型坡面的產流產沙量與次降雨量的關系，單次降雨的產流產沙量以8月份的0 804號降雨最大，該次降雨為第3類降雨，降雨總量為56.4 mm，裸地產流量高達8.78 mm，產沙量為10.45 t/hm2。從降雨類型來看，第2類降雨的平均降雨量為16.87 mm，平均產流量按裸地(3.03 mm)>草地(2.03 mm)>檸條林(1.95 mm)>山杏林(1.39 mm)>油松林(1.16 mm)>沙棘林(0.83 mm)的規律排列，各植被類型平均產沙量與產流量的差異規律一致。第3類降雨的平均降雨量為27.95 mm，平均產流量依次為裸地(4.85 mm)、草地(3.08 mm)、檸條林(2.74 mm)、油松林(2.37 mm)、沙棘林(2.33 mm)及山杏林(2.24 mm)的規律排列，各植被類型平均產沙量與產流量的差異規律一致。綜合7次降雨的產流產沙量來看，以裸地最高其平均產流量為4.07 mm，平均產沙量為4.55 t/hm2，其余各植被類型的平均產流量為2.09 mm，平均產沙量為0.51 t/hm2，分別是裸地產流產沙量的51.35%和11.21%。

圖1 2019年不同植被類型的產流產沙量

以裸地為基準，相較裸地徑流泥沙量減少的部分與裸地徑流泥沙量比值即為減流減沙率，由圖2可知，從降雨類型來看，第2類降雨條件下裸地的平均產流量為3.03 mm，各植被的平均減流率按草地(44.58%)<檸條林(46.60%)<山杏林(47.07%)<油松林(61.60%)<沙棘林(67.34%)的規律排列，各植被類型平均減沙率與平均減流率的差異規律一致。第3類降雨的裸地的平均產流量為4.85 mm，平均減流量從小到大依次為草地(37.76%)、檸條林(45.01%)、油松林(45.38%)、山杏林(51.45%)及沙棘林(56.93%)的規律排列，各植被類型平均減沙率與產流率的規律一致。綜合來看，以沙棘林的減流率和減沙率最高分別為61.39%和94.34%，其余各植被類型的減流減沙能力由強到弱依次為山杏林、油松林、檸條林及草地。

圖2 2019年不同植被類型的減流減沙能力

4 討 論

大部分專家學者認為，黃土高原地區年內的幾場侵蝕性降雨是導致該區劇烈侵蝕的主要動力。裸露砒砂巖區地處黃土高原第一副區地貌單元，區域氣候基本一致，年內降雨基本集中在夏秋兩季，對降雨特征及其產流產沙量的分析也證實了，裸露砒砂巖區的土壤侵蝕作用同樣也受年內的少數降雨過程決定。在降雨類型的劃分上，本研究參考了張漢雄、謝云、王萬忠等專家關于黃土高原區侵蝕性降雨分類指標[14-16]，劃分結果與前人的研究結果基本相近。但有所不同的是，裸露砒砂巖區相比黃土高原的其他地區下墊面條件更為復雜，實地調查中發現研究區土層厚度空間異質性較強，基巖裸露地帶的土壤性質和入滲過程都與黃土有明顯差異，因而其產流產沙過程也有所區別[17-18]，本研究的監測數據中，也存在部分第4類降雨條件下產流產沙，第3類降雨條件下沒有產流產沙的數據，這可能與裸露砒砂巖的風化程度、土壤含水狀態以及前期降雨過程等因素有關。基于本研究已有的數據初步可以看出，降雨類型對于裸露砒砂巖區不同植被類型坡面土壤侵蝕過程有一定程度的影響，但是裸露砒砂巖區坡面的水力侵蝕過程除降雨外仍受其他不確定因素影響，該區侵蝕性降雨的劃分標準及其對坡面產流產沙過程的影響可以作為今后研究的重點方向之一。

自然界中降雨—產流—產沙過程中，除水流和泥沙的基本運動，還包含著微地形、植被、土壤等多種因素的參與。相關研究表明，植被莖稈、枯枝落葉及根系對于地表徑流有明顯阻滯作用，從而有效攔截泥沙削減土壤侵蝕強度[19-20]。本研究證實了這一結論，裸露基巖坡面產流量是有植被覆蓋坡面的1.55倍以上，而侵蝕產沙量則是有植被覆蓋坡面的3.11倍以上，說明了營造人工植被可以防治裸露砒砂巖區水土流失問題。此外，本研究結果還顯示，降雨類型的差異也會顯著影響人工植被的減流減沙能力，人工植被對第2類降雨的減流作用最強，對第3類降雨的減流作用較差。余新曉等[21]認為，植被從林冠到根系構成一個完整的侵蝕削減網絡，陳麗華等的研究表明林冠層的截留能力與最大30 min雨強密切相關[22]。瞬時強降雨的雨滴帶有極大的動能，會大量穿透林冠層，造成枯落物層和土壤層短時間內無法容納大量徑流從而產流。相同降雨類型下，不同人工植被類型的抗蝕能力也存在差異，整體呈沙棘高于其他樹種和草地的趨勢，這是由于沙棘的生存和萌蘗能力都要遠高于其他植被，野外生長的沙棘在沒有人為管護的情況下能更快的實現林地的郁閉，本研究的前期研究顯示，沙棘林下土壤的養分和物理性狀相對其他植被類型更為良好，因此沙棘林的抗蝕能力最強，這一點與王改玲等人的研究結果一致[23]。

5 結 論

(1)裸露砒砂巖的自然降雨可以分為4種類型，第一類降雨為長歷時暴雨，第2類降雨為長歷時的中到大雨，第3類降雨為短歷時暴雨，第4類降雨為短歷時的小到中雨。

(2)降雨類型的不同會顯著影響裸露砒砂巖區坡面土壤侵蝕過程，第3類降雨是引起該區土壤劇烈侵蝕的主要降雨類型，其次為第4類降雨中帶有一定暴雨性質的降雨過程，第2類降雨引起的土壤侵蝕作用相對較弱。

(3)人工植被抗蝕能力對不同降雨類型的響應不同，人工植被能夠有效減弱第2類降雨造成的侵蝕作用，但是對第3類降雨的抗蝕作用較弱。營造人工植被可以有效防治裸露砒砂巖區坡面的水土流失問題，現有的人工植被類型中以沙棘林的抗蝕能力最強。