王詩(shī)星，呂錫芝，魏義長(zhǎng)，李巖朋

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.忻州市水利工程建筑公司，山西 忻州 034000)

黃土高原是我國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，常年的水土流失使土地生產(chǎn)力逐漸下降，河道淤積，危及區(qū)域糧食安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。很多學(xué)者對(duì)黃土高原地區(qū)的水土流失規(guī)律[1-3]進(jìn)行了大量研究，但研究成果多集中于人工模擬降雨[4-5]或天然降雨條件下[6-8]栽植多年的植被坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征[9-13]，而對(duì)新栽種植被坡面在不同降雨類(lèi)型下的水土保持效應(yīng)研究較少。因此，本研究以黃土高原新栽植植被坡面——林地、牧草地和農(nóng)地為研究對(duì)象，采用實(shí)測(cè)降雨，分析3種植被坡面在坡度和降雨影響下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，探索其水土保持效益，希望能為黃土高原水土保持工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇在黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站內(nèi)的羅玉溝流域試驗(yàn)站開(kāi)展試驗(yàn)。羅玉溝流域?qū)冱S河中游黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)，是渭河一級(jí)支流藉河的一條支溝，地理位置介于105°30′30″～105°44′20″E、34°35′20″～34°39′20″N之間；屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春干旱少雨，夏秋降水集中，年均降水量531.1 mm，年均氣溫10. 7 ℃，年無(wú)霜期184 d；以黃土梁狀地貌為主，地面坡度較緩，15°以下的緩坡地占48.4%，15°～25°的坡地占28.0%，25°以上的陡坡地占23.6%；土壤類(lèi)型主要為山地褐色土、山地灰褐土和沖積土，還有黑色土、黑砂土和粗骨土；土地利用類(lèi)型主要為林地、草地、農(nóng)田和果園，自然植被覆蓋較好，植被覆蓋度約45%，植被種類(lèi)中喬木以國(guó)槐、白楊和經(jīng)濟(jì)林木為主，草本植物以小冠花、車(chē)前、龍須草等為主。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)設(shè)置

在羅玉溝流域試驗(yàn)站東北部的坡耕地上選擇9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，小區(qū)基本情況見(jiàn)表1。其中：C1、D1、E1小區(qū)為林地(新栽植杏樹(shù))小區(qū)；C2、D2、E2小區(qū)為牧草地(小冠花)小區(qū)，每年收割兩次；C3、D3、E3小區(qū)為農(nóng)地(冬小麥)小區(qū)，每年9月份種植，來(lái)年6月份收割。小區(qū)的長(zhǎng)邊與坡地流水線平行，上、下邊與等高線平行，水平投影面積為100 m2；在長(zhǎng)邊和上邊設(shè)置護(hù)埂，護(hù)埂采用預(yù)制混凝土塊制作，深40 cm，護(hù)埂外設(shè)置寬2 m的保護(hù)帶；小區(qū)下方配備有集流池，用來(lái)收集小區(qū)徑流泥沙，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，無(wú)蓋，底部設(shè)有排水孔。

表1 各徑流小區(qū)基本情況

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理

本研究以新栽植杏樹(shù)、冬小麥和小冠花3種植被小區(qū)作為林地、農(nóng)地、牧草地3種土地利用類(lèi)型的典型代表進(jìn)行自然降雨條件下的坡面侵蝕試驗(yàn)，分析不同坡度、不同雨型小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)。觀測(cè)期為2008年5月至2010年10月，從觀測(cè)期的降雨事件中選取13場(chǎng)具有完整產(chǎn)流產(chǎn)沙實(shí)測(cè)資料的侵蝕性降雨進(jìn)行分析。利用Excel 2007處理產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，采用SPSS 22.0進(jìn)行雙向變量相關(guān)性分析和聚類(lèi)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡度下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)分析

3.1.1 產(chǎn)流分析

不同坡度下不同植被小區(qū)的產(chǎn)流情況見(jiàn)表2。坡度10°時(shí)，各小區(qū)中平均產(chǎn)流量最小的是林地(0.29 m3)，農(nóng)地(0.41 m3)次之，牧草地(0.46 m3)最大；坡度15°時(shí)，林地(0.14 m3)最小，牧草地(0.40 m3)次之，農(nóng)地(0.47 m3)最大；坡度20°時(shí)，牧草地(0.22 m3)最小，林地(0.23 m3)次之，農(nóng)地(0.56 m3)最大。相比牧草地和農(nóng)地，林地總產(chǎn)流量分別減少了39.23%和54.35%，說(shuō)明杏樹(shù)相較于其他兩種植被具有明顯的減流作用。坡度10°和15°時(shí)，牧草地和農(nóng)地耕作方式相同(等高耕作)且株高相近，地表徑流量差異較小。但在坡度20o時(shí)，牧草地產(chǎn)流量與林地相近，明顯小于農(nóng)地，說(shuō)明坡度較大時(shí)牧草地的水源涵養(yǎng)能力要優(yōu)于農(nóng)地。總體來(lái)說(shuō)，平均產(chǎn)流量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<耕地小區(qū)。

表2 各小區(qū)的產(chǎn)流量

3.1.2 產(chǎn)沙分析

不同坡度下不同植被小區(qū)的產(chǎn)沙情況見(jiàn)表3。坡度10°時(shí)，林地平均產(chǎn)沙量(4.55 t/km2)最小，牧草地(11.54 t/km2)次之，農(nóng)地(35.44 t/km2)最大；坡度15°時(shí)，牧草地(7.76 t/km2)最小，林地(14.47 t/km2)次之，農(nóng)地(67.98 t/km2)最大；坡度20°時(shí)，林地(2.01 t/km2)最小，牧草地(6.71 t/km2)次之，農(nóng)地(20.19 t/km2)最大。農(nóng)地在各坡度小區(qū)中平均產(chǎn)沙量均為最大，總產(chǎn)沙量分別是林地和牧草地的5.88倍和4.75倍。林地具有截流、攔蓄的作用，對(duì)濺蝕沖刷有較強(qiáng)的抵抗能力。牧草地因其根系能夠固結(jié)土壤、增加地面糙度，在一定程度上阻止了土壤侵蝕?？傮w來(lái)說(shuō)，平均產(chǎn)沙量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<耕地小區(qū)。

表3 各小區(qū)的產(chǎn)沙量

3.2 不同雨型下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)分析

3.2.1 侵蝕性降雨分類(lèi)

選取降雨量、平均雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)等降雨參數(shù)，通過(guò)聚類(lèi)分析將13場(chǎng)侵蝕性降雨分為雨型Ⅰ和雨型Ⅱ兩種，其中：雨型Ⅰ發(fā)生頻數(shù)為9，降雨歷時(shí)中心值為425.56 min，降雨量中心值為18.52 mm，平均雨強(qiáng)中心值為3.10 mm/h，特征為降雨歷時(shí)短、降雨量小、平均雨強(qiáng)大；雨型Ⅱ發(fā)生頻數(shù)為4，降雨歷時(shí)中心值為1 122.5 min，降雨量中心值為27.35 mm，平均雨強(qiáng)中心值為1.45 mm/h，特征為降雨歷時(shí)長(zhǎng)、降雨量大、平均雨強(qiáng)小。

3.2.2 不同雨型下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙

不同雨型下各小區(qū)的平均產(chǎn)流產(chǎn)沙量見(jiàn)表4。雨型Ⅰ、Ⅱ條件下，平均產(chǎn)流量均為林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。雨型Ⅰ條件下的平均產(chǎn)沙量牧草地小區(qū)<林地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)，雨型Ⅱ條件下的平均產(chǎn)沙量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。

表4 不同雨型下各小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量

3.3 小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨參數(shù)的關(guān)系分析

降雨是坡面發(fā)生水土流失的原動(dòng)力。分析各場(chǎng)次侵蝕性降雨的特征參數(shù)(降雨量、平均雨強(qiáng))及對(duì)應(yīng)小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)(表5)：牧草地小區(qū)的產(chǎn)流量與降雨量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；農(nóng)地小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降雨量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)流量與平均雨強(qiáng)之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。3種植被小區(qū)的產(chǎn)沙量與平均雨強(qiáng)之間均沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，這可能是因?yàn)?3場(chǎng)侵蝕性降雨大部分降雨歷時(shí)較長(zhǎng)，平均雨強(qiáng)較小，地表徑流只是帶走坡面表層土，因此平均雨強(qiáng)與產(chǎn)沙量之間相關(guān)性較弱。

表5 各小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降雨參數(shù)相關(guān)性分析

4 結(jié) 論

對(duì)研究區(qū)2008—2010年林地、農(nóng)地、牧草地小區(qū)進(jìn)行自然降雨條件下的坡面侵蝕試驗(yàn)，分析不同植被小區(qū)在不同坡度、不同雨型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙效應(yīng)，結(jié)果表明：

(1)不同坡度各小區(qū)的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量均為林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<耕地小區(qū)。

(2)雨型Ⅰ、Ⅱ條件下，各小區(qū)平均產(chǎn)流量均為林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。雨型Ⅰ條件下各小區(qū)平均產(chǎn)沙量牧草地小區(qū)<林地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)，雨型Ⅱ條件下平均產(chǎn)沙量林地小區(qū)<牧草地小區(qū)<農(nóng)地小區(qū)。

(3)牧草地小區(qū)產(chǎn)流量與降雨量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系；農(nóng)地小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降雨量之間，產(chǎn)流量與平均雨強(qiáng)之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系；受平均雨強(qiáng)較小影響，3種植被小區(qū)產(chǎn)沙量與平均雨強(qiáng)之間均沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。