劉雪峰，張 富，張佰林，李旭春

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學 林學院，甘肅 蘭州730070；2.定西市水土保持科學研究所，甘肅 定西743000）

坡耕地是產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要場所，易引起嚴重的水土流失，從而導致土層變薄，養(yǎng)分流失，造成地力低下，嚴重阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展［1－5］。植被措施是水土保持領域中被廣泛使用的一項可有效防止水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的措施。植被作為生物措施，具有減少和削弱降雨侵蝕動能，增加入滲和減少徑流量與流速，提高土壤抗蝕性與抗沖性，以及固土護坡的特殊作用［6］。因此本研究通過對甘肅省定西市安家溝小流域徑流小區(qū)自然降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的定位觀測，對坡耕地不同措施的徑流、泥沙特征及其變化規(guī)律進行分析，以期為黃土高原坡耕地綜合治理提供基礎數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝小流域。屬中溫帶半干旱區(qū)，該區(qū)年均氣溫6.3℃，年均≥50℃活動積溫2 933.5℃，年均≥10℃活動積溫2 239.1℃，極端最高、最低氣溫分別為34.3和－27.1℃，年均降水427mm，其中60%以上降雨集中在7—9月份，且多暴雨，空氣相對濕度65.8%，太陽輻射592kJ／（cm2·a），有效生理輻射49%，年日照時數(shù)2 409h，無霜期141d，蒸發(fā)量1 510mm，干燥度1.15，屬于中溫帶半干旱氣候。

1.2 研究方法

1.2.1 降雨觀測 徑流觀測場配有自動雨量觀測站，通過采用虹吸式自計雨量計SJ1進行降雨量、降雨歷時、降雨強度、最大30min雨強等項目的觀測。根據(jù)當?shù)亟涤陾l件，試驗監(jiān)測選擇在2007—2010年的5—9月進行，雨后監(jiān)測均在降雨后24h內(nèi)完成。1.2.2 徑流、泥沙觀測 徑流小區(qū)共設5°，10°，15°和20°這4種坡度級，措施種類分為農(nóng)作物、人工種草、喬木林、灌木林、封禁5種植物措施的徑流小區(qū)20個，小區(qū)面積50～100m2，各小區(qū)四周邊緣筑起高出地面15cm的地面分水界，在每個小區(qū)下面配套有3級徑流桶（其中兩個小區(qū)各設有一個集流池），以對每次降雨后的徑流、泥沙進行觀測，各徑流小區(qū)特征詳見表1。徑流量和泥沙量的觀測均在降雨結束后進行測定，徑流量在集水池中用體積法求得；泥沙量的測定為待一次徑流結束后，將集水池中的水和泥沙充分攪勻，取一定體積的水樣，將所取得的樣品帶回實驗室，然后進行靜置、過濾、烘干和稱重。

2 結果與分析

2.1 侵蝕性降雨觀測結果

降雨是產(chǎn)生坡面徑流的直接原因，當降雨速率大于土壤下滲速率時或降雨量超過表層土壤最大需水量時即會形成產(chǎn)流。在所有降雨中，只有部分降雨發(fā)生地表徑流，從而引起引起土壤侵蝕，發(fā)生真正意義上的土壤流失，這部分降雨稱為侵蝕性降雨［7］。侵蝕性降雨觀測結果詳見表2—3。

表2 降雨觀測結果

表1 各徑流小區(qū)特征

1.2.3 植物品種選擇 農(nóng)作物選小麥 （Triticum aestivumL.），播種量為200kg／hm2；喬木林為油松（Pinus tabuliformis Carr.），株行距為2m×3m；灌木林為沙棘（Hippophae rhamnoides L.）株行距1m×1m；紅豆草（Onobrychis viciaefolia Scop.），播種量為100kg／hm2。

表3 時段內(nèi)侵蝕性降雨特征

從表2中可知，自2007—2010年5—9月試驗期間共降雨211場，侵蝕性降雨次數(shù)為27次，占試驗期內(nèi)總降雨次數(shù)的12.79%。其中2007年降雨52次，總降雨量299.5mm，占全年降雨量的68.41%，侵蝕性降雨8次，總降雨量149.1mm，占全年降雨量的34.06%；2008年降雨57次，總降雨量320.3mm，占全年降雨量的77.16%，侵蝕性降雨8次，總降雨量164.6 mm，占全年降雨量的39.65%；2009年降雨53次，總降雨量219.4mm，占全年降雨量的67.67%，侵蝕性降雨4次，侵蝕性降雨總量88.1mm，占全年降雨量的27.17%；2010年降雨49次，總降雨量279.1mm，占全年降雨量的72.93%，侵蝕性降雨7次，侵蝕性降雨總量159.2mm，占全年降雨量的41.60%。

從表3可以看出，侵蝕性降雨量多發(fā)生在7—9月，共23次，是所有侵蝕性降雨的85.19%。所有侵蝕性降雨量范圍為10.5～36.6mm，屬于中到大雨［8］。由此可知，試驗區(qū)產(chǎn)生坡面徑流、土壤侵蝕主要來自少數(shù)幾次的中到大雨；同時侵蝕性降雨標準為大于10mm，與前人的研究結果一致［9］。

2.2 徑流小區(qū)觀測結果

由于試驗期內(nèi)產(chǎn)流產(chǎn)沙降雨次數(shù)較多，不便對每場降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙分別進行分析，為此，對次降雨平均徑流深、泥沙量進行統(tǒng)計，并分析其產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。次降雨平均徑流深和泥沙量統(tǒng)計結果詳見表4。

表4 次降雨平均徑流深、泥沙量觀測統(tǒng)計

不同措施徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙能力各不相同。從表4中可以看出，5種措施的次降雨平均徑流深和產(chǎn)沙量差異極大，圖1—2分別為5種措施的次降雨平均徑流深和泥沙量隨坡度變化圖。從圖1可以看出，相同坡度條件下，除5°坡度外，5種植被措施在10°，15°，20°坡度徑流小區(qū)的次降雨平均徑流深大小順序依次為：油松＞小麥＞紅豆草＞封禁＞沙棘，說明5種措施的減流能力依次增大，沙棘的減流能力最強；但在5°坡度條件下，5種措施的次降雨平均徑流深差異不很明顯，而隨著坡度增大，其產(chǎn)流量差異顯著，說明坡度越大，越能反映措施的減流能力。

從圖2可以看出，相同坡度條件下，除5°坡度外，5種措施在10°，15°，20°坡度上的次降雨平均產(chǎn)沙量大小依次為：小麥＞紅豆草＞油松＞封禁＞沙棘，說明5種措施的減沙能力依次增大，沙棘的減沙能力最強；但在5°坡度條件下，5種措施的次降雨平均產(chǎn)沙量差異不很明顯，而隨著坡度增大，其產(chǎn)沙量差異顯著，尤其是在20°坡度條件下，說明坡度越大，越能反映措施的減沙能力。

徑流及泥沙流失量的大小也反映了各種植模式下土壤的抗蝕能力［10］。分析可知，沙棘措施的抗蝕能力最強。其中油松的次降雨平均產(chǎn)流深大于小麥和紅豆草，而產(chǎn)沙量卻小于小麥和紅豆草，原因是種植小麥、紅豆草時對土壤進行了翻耕，使土壤變的疏松，導致其土壤下滲速度快，另一方面，由于土壤疏松，一旦產(chǎn)生徑流，其攜帶的泥沙必然較大，而油松地種植多年后沒有進行過整地，相對于小麥、紅豆草的土壤較硬實，因此其下滲速率低，產(chǎn)流量相對較大，產(chǎn)沙量反而比小麥、紅豆草小區(qū)的產(chǎn)沙量小。

圖1 各措施不同坡度次降雨平均徑流深

圖2 各措施不同坡度次降雨平均產(chǎn)沙量

2.3 坡度與產(chǎn)流、產(chǎn)沙量相關分析

坡度是影響降雨徑流、產(chǎn)沙的一個重要因素。由表4和圖1—2可知，相同措施下，10°坡徑流小區(qū)的次降雨平均徑流深和產(chǎn)沙量均小于20°坡徑流小區(qū)，與前人的研究結果是一致的，即相同措施下，隨坡度增加，徑流量和產(chǎn)沙量是明顯增加的［11－15］。通過對各措施的徑流深、泥沙量與坡度進行回歸分析可知，無論哪一種措施，其次降雨平均徑流深、泥沙量與坡度的相關關系非常密切。各措施小區(qū)徑流深與坡度的相關系數(shù)分別為：沙棘0.746，封禁0.993，油松0.947，紅豆草0.985，小麥0.952；產(chǎn)沙量與坡度的相關系數(shù)分別為：沙棘0.781，封禁0.841，油松0.976，紅豆草0.947，小麥0.951；均達到顯著相關水平。

封禁、紅豆草、油松的徑流深與坡度均為對數(shù)關系，其徑流深隨著坡度的增加而增加速率由快到慢，說明這3種措施在大坡度上的減流能力較強；小麥的徑深與坡度之間的關系為冪函數(shù)關系，其徑流深隨著坡度的增大而增加的速率由慢到快，即小麥在小坡度上的減流能力越明顯；封禁、小麥措施的產(chǎn)沙量與坡度的關系為對數(shù)函數(shù)，產(chǎn)沙量隨坡度的增大而增大的速率有大到小，因此二者在大坡度上的減沙能力明顯；紅豆草、油松的減沙量隨坡度的增大而增大的速率有小到大，說明二者在小坡度上的減沙能力越大；沙棘的徑流深、泥沙量與坡度的關系均為線性關系，增大速率穩(wěn)定。

沙棘的徑流深、泥沙量與坡度的相關關系較其他措施小，說明坡度因子對沙棘措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙影響較小，這是沙棘的生物學特性所決定的，沙棘是一種落葉性灌木，其特性是耐旱、及耐貧瘠，耐冷熱，根系發(fā)達，須根較多，生長力旺盛，一般從第二年起，沙棘的生長就達到高峰期。因此其植被覆蓋度遠大于其它措施，林冠截留、枯枝落葉層攔蓄了大量的降水，從而消弱了坡度對徑流、泥沙的作用。

2.4 徑流深與產(chǎn)沙量相關分析

根據(jù)統(tǒng)計結果可以發(fā)現(xiàn)，徑流深與產(chǎn)沙量之間具有一定的相關關系，相同措施條件下，產(chǎn)沙量隨著徑流量的增加而增大。通過20°徑流小區(qū)的徑流深與產(chǎn)沙量的回歸分析結果可知，各措施的徑流深與產(chǎn)沙量之間存在相應的數(shù)學關系，各小區(qū)相關系數(shù)分別為：封禁0.871，紅豆草0.997，沙棘0.970，小麥0.982，油松0.992，均達到極顯著相關。其中：封禁、沙棘、油松3種措施的徑流與泥沙的關系為對數(shù)函數(shù)，產(chǎn)沙量隨徑流增大而增大的速率為由大到小，當徑流達到一定程度后，產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定；紅豆草、小麥的徑流泥沙關系為冪函數(shù)關系，2種措施的產(chǎn)沙量隨徑流的增加而增大的速率由小到大，說明徑流量越大，對土壤的沖刷作用越強，挾沙能力越大。由此可見，徑流對土壤的沖刷作用是泥沙的重要來源，控制徑流是控制產(chǎn)沙，減少土壤侵蝕的一種有效措施。

3 結論

（1）安家溝小流域侵蝕性降雨由少數(shù)幾次的強降雨所引起的，多發(fā)生在7—9月，侵蝕性降雨標準為大于10mm。

（2）5種措施中種植沙棘對減流、減沙效果最好。因此，種植沙棘是安家溝小流域控制水土流失的有效措施。

（3）相同措施條件下，產(chǎn)沙量隨徑流的增大而增大，而且相關性非常顯著。因為產(chǎn)流降雨是坡面徑流流失的前提，泥沙流失是伴隨徑流產(chǎn)生的。

［1］ 傅濤，倪九派，魏朝富，等.坡耕地土壤侵蝕研究進展［J］.水土保持學報，2001，15（3）：123-128.

［2］ 李曉紅，韓勇，鄭陽華.三峽庫區(qū)坡耕地土壤侵蝕治理效益分析［J］.重慶大學學報：自然科學版，2007，30（1）：134-138.

［3］ 南秋菊，華珞.國內(nèi)外土壤侵蝕研究進展［J］.首都師范大學學報：自然科學版，2003，24（2）：86-95.

［4］ 李登航，王立，黃高寶，等.保護性耕作對黃土高原坡耕地水土流失的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2009，37（13）：6087-6088，6111.

［5］ 楊建英，趙延寧.坡面侵蝕研究現(xiàn)狀及展望［J］.北京林業(yè)大學學報，1994，16（1）：95-101.

［6］ 于國強，李占斌，裴亮，等.不同植被類型下坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙差異性［J］.水土保持學報，2012，26（1）：1-6.

［7］ 王萬忠.黃土地區(qū)降雨特性與土壤流失關系的研究（Ⅲ）：關于侵蝕性降雨標準的問題［J］.水土保持通報，1984，4（2）：58-63.

［8］ 江青龍，謝永生，趙婷，等.冀北山區(qū)不同土地利用類型的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨的關系研究［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（6）：202-207.

［9］ 謝云，劉寶元，章文波.侵蝕性降雨標準的研究［J］.水土保持學報，2000，14（4）：6-11.

［10］ 蔣光毅，史冬梅，盧喜平，等.紫色土坡地不同種植模式下徑流及養(yǎng)分流失研究［J］.水土保持學報，2004，18（5）：54-58，63.

［11］ 楊建霞，雷孝章，邱景，等.5°～25°坡耕地徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律［J］.中國水土保持科學，2008，6（S）：30-34.

［12］ 劉松波，莊春蘭，孟琳琳.坡度對坡面侵蝕產(chǎn)沙響應的研究［J］.中國水土保持，2009（5）：44-47.

［13］ 高建恩.地表徑流調(diào)控與模擬試驗研究［D］.北京：中國科學院大學，2005.

［14］ 唐小娟.坡地分段雨水集蓄利用技術試驗研究［D］.北京：中國科學院大學，2004.

［15］ 唐小娟，吳普特，高建恩.不同坡面徑流調(diào)控措施的篩選試驗研究［J］.四川水利，2004，1（S）：57-60.