砒砂巖區沙棘減蝕機理及其影響因子研究

李敏 周珊珊 王普 杜海

［關鍵詞］ 砒砂巖；水土流失；沙棘；減蝕機理

［摘 要］ 為揭示在次降雨（暴雨）條件下砒砂巖區沙棘的減蝕機理及其影響因子，采用逐步回歸分析法對砒砂巖區兩個水土保持監測站點的沙棘小區和裸地小區2022年觀測數據進行了分析，結果表明：沙棘小區的水土流失量大幅少于裸地小區，僅為裸地小區的4%左右；裸地小區水土流失模型的第一影響因子為最大30 min降雨強度，而沙棘小區的第一影響因子是降雨侵蝕力，說明沙棘覆蓋影響了水土流失成因，改變了產生水土流失的機理。

［中圖分類號］ S157[文獻標識碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.013

［引用格式］ 李敏，周珊珊，王普，等.砒砂巖區沙棘減蝕機理及其影響因子研究[J].中國水土保持，2024（3）：51-54，72.

砒砂巖區是黃土高原侵蝕最劇烈的區域，被中外專家稱為“世界水土流失之最”，區域內土壤侵蝕模數高達3萬～4萬t/（km²·a）^[1]。砒砂巖中的蒙脫石、方解石和長石含量高，巖體孔隙微結構發育，是砒砂巖抗侵蝕性能差的主要原因^[2]，且砒砂巖成巖程度低，沙粒間膠結程度低，結構強度低，原巖顆粒粗，孔隙率大，遇水極易崩解，抗水流沖刷能力弱，因此在黃土高原其他地區治理水土流失效果較好的淤地壩、梯田、水平溝、魚鱗坑等水土保持措施在砒砂巖區難以推廣應用^[3]。

從1986年開始，黃河水利委員會沙棘辦公室協同內蒙古自治區伊克昭盟（現鄂爾多斯市）先后實施了一系列砒砂巖區水土保持工程，形成了砒砂巖區水土流失治理的“沙棘模式”。1998年水利部沙棘中心啟動實施了“晉陜蒙砒砂巖沙棘生態工程”，截至2020年底已種植沙棘55萬hm²以上，對砒砂巖區減洪減沙起到了一定作用。吳永紅等^[4]研究表明，2002—2008年隨著皇甫川、孤山川、窟野河等黃河支流流域內沙棘林面積比例逐年增大，沙棘林的減洪減沙量也逐年增加，平均每年總減洪量480.84萬m³、總減沙量302.65萬t。大面積種植的沙棘對砒砂巖區水土保持減蝕如何作用，多年來一直是管理部門和科技工作者持續關注的問題。本研究應用砒砂巖地區水土保持監測站點2022年監測數據，對沙棘小區的次降雨（暴雨）水土保持減蝕機理及其影響因子進行了初步分析和探討。

1 研究方法

1.1 研究區概況

內蒙古自治區準格爾旗圪坨店小流域水土保持監測站點和達拉特旗合同溝小流域水土保持監測站點均位于砒砂巖區。圪坨店小流域位于黃河一級支流塔哈拉川上游，流域面積7 km²。合同溝小流域位于黃河流域十大孔兌之一罕臺川右岸的一級支流，流域面積127.31 km²。兩條小流域均屬黃河多沙粗沙國家水土流失重點治理區。

1.2 數據來源

1.2.1 降雨量

準格爾旗和達拉特旗多年平均降水量分別為386.4 mm和310.3 mm。2022年2條小流域各雨量站降水量及降雨侵蝕力統計結果見表1。

1.2.2 徑流小區觀測數據

兩條小流域均按照5°、10°和15°共3個坡度分別設置了裸地和沙棘徑流小區。2022年圪坨店小流域水土保持監測站點各徑流小區均產流11次；合同溝小流域水土保持監測站點徑流小區觀測到的產流次數不同，其中16^#徑流小區（15°沙棘）產流5次，10^#徑流小區（10°沙棘）產流1次，4^#徑流小區（5°沙棘）小區產流3次。徑流小區基本情況和2022年觀測數據見表2、見3。

1.3 研究方法

根據水文學和水土保持學基本原理，徑流小區的次降雨（暴雨）侵蝕量變化遵循統計學規律，水土保持措施（沙棘林）的減沙效益亦遵循統計學規律。因此，將徑流小區的次降雨（暴雨）侵蝕量的產生過程視為一個灰箱或者黑箱，采用逐步回歸分析方法，篩選具有物理成因概念和含義的解釋因子（自變量）進行計算處理，獲得符合水文學和水土保持學基本原理、仿真模擬效果好的計算結果，分析砒砂巖地區沙棘種植對土壤侵蝕量的影響。理論和研究成果表明^[5-6]，土壤侵蝕量與降雨和沙棘覆蓋等因子之間表現為非線性相關關系，因此本研究以非線性回歸計算結果進行分析模擬。其中：圪坨店小流域徑流小區產流次數較多，滿足統計分析要求，采用回歸分析方法分析；合同溝小流域徑流小區產流次數較少，采用算術統計分析。

2 結果與分析

2.1 裸地小區水土流失狀況及其影響因子分析

2.1.1 裸地小區水土流失影響因子分析

全國水土流失動態監測項目的徑流小區監測數據主要包括降雨量、次降雨強度、最大30 min降雨強度（I₃₀）和降雨侵蝕力（降雨量和降雨強度的復合因子）等。基于此，本研究采用2022年圪坨店小流域裸地小區相關數據，用逐步回歸分析法分別計算降雨量、次降雨強度、I₃₀、降雨侵蝕力及坡度等因子對裸地小區水土流失量的影響。在逐步回歸計算過程中，I₃₀因子首先進入回歸模型，模型相關系數達到了0.670 6，該因子“解釋”了裸地小區水土流失量超過43.20%的變化；第二次篩選計算，坡度因子進入回歸模型，模型的相關系數提高到0.813 0，兩個因子共同“解釋”了小區水土流失量接近63.83%的變化；第三次計算，又增加了降雨侵蝕力因子，使回歸模型的相關系數達到0.858 1，3個因子共同“解釋”了超過70.91%的水土流失量變化（見表4）。

從土壤侵蝕機理分析，砒砂巖地區地表裸露，土壤侵蝕首先產生于雨滴的擊濺，降雨強度越大，產生的擊濺效果越明顯，因此I₃₀因子第一個進入回歸模型，在總“解釋力”中發揮了超過50%的作用。其次，坡度也是砒砂巖地區影響水土流失的重要因素，雨滴擊濺和降雨徑流沖刷造成的水土流失隨坡度的變化而進一步變化，坡度因子的加入使回歸模型的“解釋力”增加了20%以上。最后，降雨侵蝕力因子作為補充因子添加到回歸模型中，使回歸模型增加了0.045 1的相關系數和7.08%的“解釋力”。

為了分析各自變量因子在回歸模型中對水土流失量的影響力，引入“標準化回歸系數”指標（見表5）。從表5可以看出，在裸地小區水土流失回歸模型中，I₃₀的標準化回歸系數（0.456 6）和坡度的標準化回歸系數（0.459 6）比較接近，二者明顯大于降雨侵蝕力因子（0.348 2）。說明在砒砂巖地區，降雨強度和地面坡度為相對主要的因子，其次降雨侵蝕力也發揮了一定的影響。

2.1.2 裸地小區水土流失機理分析

通過對2022年圪坨店小流域3個裸地小區的11場降雨觀測數據建立非線性水土流失模型，進一步分析砒砂巖區裸地小區水土流失特性。將影響力相對較小的降雨侵蝕力變量相對固定，即取降雨侵蝕力觀測值的最大值（A曲面）、中值（B曲面）和最小值（C曲面）3個固定值，對坡度進行插值，做出三維圖形（見圖1）。

如圖1所示，2個自變量為最小值時，3個曲面比較接近，圖形開口很小；當2個自變量為最大值時，3個曲面的距離增大，圖形開口變大。可見，小雨強和小坡度產生的水土流失量小，隨著雨強的增加和坡度的增大，水土流失量迅速增加，這一現象符合以往的研究結果。由于裸地小區水土流失量對I₃₀和坡度因子的響應程度基本相同，因此該曲面從低到高，相對于I₃₀和坡度坐標大體對稱。

此外，分析影響力相對較小的降雨侵蝕力對水土流失量的影響。當降雨侵蝕力為29 MJ·mm/（hm²·h）時，單位面積水土流失量為11.5 t/hm²；當降雨侵蝕力為1 025 MJ·mm/（hm²·h）時，單位面積水土流失量增加到22.5 t/hm²，此時降雨侵蝕力增加了超過30倍，但水土流失量僅增加了1倍多；當降雨侵蝕力再增加到2 022 MJ·mm/（hm²·h）時，單位面積水土流失量將超過44 t/hm²，此時降雨侵蝕力僅增加了近1倍，但單位面積水土流失量增加了約1倍。這說明在降雨侵蝕力相對較小時，降雨侵蝕力的變化對水土流失量的影響力相對較小，當降雨侵蝕力數值較大時，其變化對水土流失量產生的影響會明顯增加。

2.2 沙棘小區減蝕機理及其影響因子分析

2.2.1 沙棘小區水土流失影響因子研究

基于2022年圪坨店小流域沙棘小區相關數據，采用逐步回歸分析法分別計算降雨量、次降雨強度、I₃₀和降雨侵蝕力（降雨量和降雨強度的復合因子）等因子對沙棘小區水土流失量的影響。在逐步回歸計算過程中，降雨侵蝕力因子首先進入回歸模型，模型相關系數達到了0.765 0，該因子“解釋”了小區水土流失量超過57%的變化；第二次篩選計算，坡度因子進入回歸模型，模型的相關系數提高到0.858 3，兩個因子共同“解釋”了小區水土流失量71.71%的變化；第三次計算，又增加了I₃₀因子，使回歸模型的相關系數達到0.907 8，三個因子共同“解釋”了超過80%的水土流失量變化（見表6）。

通過對指數回歸系數進行標準化（見表7），可以看出，降雨侵蝕力的作用（0.554 3）明顯大于其余兩個因子，坡度和I₃₀因子的作用比較接近。說明在砒砂巖地區由于沙棘的覆蓋，首先在降雨量和降雨強度的雙重（強化）作用下產生一定的水土流失，其次坡度和I₃₀也分別產生一定的影響。對照裸地小區水土流失模型，沙棘小區水土流失的主導因子發生了變化，I₃₀對地表的擊濺侵蝕相對受到制約，需要降雨量的加持，形成地表徑流沖刷坡面，再通過坡度因子的影響，產生水土流失。也就是說，受沙棘覆蓋影響，與裸地相比，沙棘小區的水土流失響應機理發生了變化。

2.2.2 沙棘小區減蝕機理分析

降雨是產生土壤侵蝕的原動力，是造成水土流失的重要原因。沙棘覆蓋地面，攔截降雨，增加土壤入滲，加上林下植被和枯落物，降低了雨滴對土壤的擊濺，減少了地表降雨產生的徑流，從而減少了因降雨產生的土壤侵蝕，減輕了水土流失。

對3個沙棘小區降雨觀測數據建立非線性水土流失模型（見圖2），把影響力相對較小的I₃₀變量相對固定。從圖2可以看出，由于水土流失量對降雨侵蝕力因子響應敏感，因此該曲面呈從低到高（扭曲）偏向于降雨侵蝕力坐標，即坡度坐標處的水土流失量變化相對較緩，而降雨侵蝕力坐標處的水土流失量變化弧度更大。對比裸地小區模型，沙棘小區除了因植被覆蓋使第一自變量變為降雨侵蝕力因子外，還使坡度因子在影響水土流失量的過程中發生了“鈍化”，其影響力相對小于降雨侵蝕力因子。與裸地小區不同的是，沙棘小區曲面在兩個自變量相對較小時，“匍匐地面”較顯著，在降雨侵蝕力和坡度都增加后，水土流失量變化仍然不大。說明相對裸地小區，沙棘小區不僅水土流失量的絕對值減小，而且水土流失量隨自變量變化而變化的“敏感度”降低了。

2.3 沙棘小區與裸地小區水土流失量對比分析

將圪坨店小流域和合同溝小流域沙棘小區和裸地小區的觀測數據進行對比分析，見表8。從表8可以看出，2022年各坡度沙棘小區水土流失量均明顯小于相同坡度裸地小區，沙棘小區的水土流失量僅是裸地小區的4%左右。

基于以上結果，I₃₀取實測值最大值，對圪坨店沙棘小區和裸地小區指數模型進行對比分析，見圖3。由圖3可以看出：首先，裸地小區水土流失量對降雨侵蝕力的響應曲面明顯高于沙棘小區；其次，隨著外界條件的變化，裸地小區曲面十分陡峭，而沙棘小區曲面相對平緩，說明沙棘的覆蓋“鈍化”了水土流失量對降雨和坡度響應的敏感性，即減少了水土流失。

3 結論

1）砒砂巖區沙棘覆蓋小區的次降雨（暴雨）條件下水土流失機理與裸地小區略有不同：裸地小區水土流失直接來源于降雨強度和坡度的共同作用，而沙棘小區水土流失需要在降雨強度的基礎上協同降雨量，形成降雨量和降雨強度復合因子（降雨侵蝕力），借此“沖擊”沙棘植被“防線”，產生水土流失。受沙棘覆蓋影響，相對于裸地，沙棘小區坡度因子的影響被“鈍化”。

2）2022年圪坨店和合同溝沙棘小區單位面積水土流失量分別為3.34、8.33 t/hm²，沙棘小區單位面積水土流失量僅為裸地小區的4%左右，減蝕量分別為74.29 t/hm²和203.26 t/hm²。

[參考文獻]

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[3] 肖培青，姚文藝，劉慧.砒砂巖地區水土流失研究進展與治理途徑[J].人民黃河，2014，36（10）：92-94，109.

[4] 吳永紅，胡建忠，閆曉玲，等.砒砂巖區沙棘林生態工程減洪減沙作用分析[J].中國水土保持科學，2011，9（1）：68-73.

[5] 楊振奇，郭建英，秦富倉，等.天然降雨條件下裸露砒砂巖區人工植被的減流減沙效應[J].水土保持研究，2022，29（1）：100-104，112.

[6] 秦富倉，董曉宇，楊振奇.裸露砒砂巖區人工林地侵蝕特征及其侵蝕量模擬研究[J].水土保持通報，2022，42（4）：9-17，41.

收稿日期： 2023-07-25

基金項目： 國家重點研發計劃課題（2022YFF1300805）；黃河水利委員會優秀青年人才科技項目（HQK-202303）

第一作者： 李敏（1952—），男，江蘇徐州人，教授級高級工程師，學士，主要研究方向為水土保持數學模型。

E-mail： limin173@sina.com

（責任編輯 李楊楊）