任正龑，張 棟，楊 志，馬文濤

(1.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)總站，寧夏 銀川 750002；2.黃河水利委員會(huì) 黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

黃土高原地區(qū)水土流失不僅是黃河泥沙的主要來源，而且是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。為了防治水土流失，我國(guó)先后在黃土高原地區(qū)實(shí)施了一系列退耕還林工程、天然林保護(hù)工程等，取得了顯著成效。但是隨著氣候不斷變化，暴雨和洪水的頻率和強(qiáng)度增加，黃土高原水土保持工作正面臨新的挑戰(zhàn)。研究黃土高原地區(qū)不同降水強(qiáng)度等級(jí)下水土保持措施減流減沙效益對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)水土保持措施對(duì)水沙的調(diào)控作用具有重要意義。本研究選取2014—2019年寧夏海原縣樹臺(tái)水土保持試驗(yàn)站所有侵蝕性降雨事件，系統(tǒng)研究不同降水強(qiáng)度等級(jí)和坡度下各項(xiàng)水土保持措施的減流減沙效益。

1 研究區(qū)概況

海原縣樹臺(tái)水土保持試驗(yàn)站位于海原縣西南部，清水河一級(jí)支流西河上游的園河流域，屬黃土丘陵溝壑區(qū)第五副區(qū)。區(qū)域總體地形由東南向西北方向傾斜，地貌以梁、峁、坡、溝、臺(tái)地為主，地形破碎，千溝萬壑，沖溝發(fā)育，海拔在1 865～2 045 m之間；屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量360 mm，其中6—9月降水量占全年的近67%，且多以暴雨形式出現(xiàn)，易形成雨洪徑流，多年平均蒸發(fā)量1 902.4 mm；地表由第四紀(jì)黃土覆蓋，土層厚度30～80 m，梁峁頂土層較厚，以黑壚土為土壤的構(gòu)成主體，質(zhì)地均勻，土壤肥沃，以中壤土質(zhì)為主；植被類型為干草原類低叢生禾草組，主要草種有長(zhǎng)芒草、阿爾泰狗娃花、短柄草、二裂委陵菜、黃花蒿、駱駝蓬、風(fēng)毛菊等。

試驗(yàn)站設(shè)有5°、10°、15°、20°、25°五個(gè)坡度級(jí)的徑流觀測(cè)場(chǎng)，每個(gè)坡度級(jí)徑流場(chǎng)設(shè)4個(gè)徑流小區(qū)，共有不同類型徑流小區(qū)20個(gè)，詳見表1。

2 研究方法

根據(jù)國(guó)家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，按照12、24 h降水總量劃分小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6個(gè)等級(jí)。

表2 降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

為了定量評(píng)價(jià)不同水土保持措施的減流減沙效益，選取減流效益(RRB)和減沙效益(SRB)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式分別為

RRB=(RBL-RSM)/RBL

(1)

SRB=(SYBL-SYSM)/SYBL

(2)

式中：RBL、RSM分別為裸地和水土保持措施下徑流小區(qū)的產(chǎn)流量，mm；SYBL、SYSM分別為裸地和水土保持措施下徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量，t/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 侵蝕性降雨特征

降雨是水土流失發(fā)生的直接驅(qū)動(dòng)力。黃土丘陵溝壑區(qū)小雨和中雨產(chǎn)流產(chǎn)沙量相對(duì)較少，暴雨是水土流失發(fā)生的主要原因。本次共統(tǒng)計(jì)2014—2019年樹臺(tái)水土保持試驗(yàn)站30場(chǎng)侵蝕性降雨，次降雨量10.0～57.2 mm，平均雨強(qiáng)0.6～27.0 mm/h，最大30 min雨強(qiáng)在1.9～62.1 mm/h范圍內(nèi)波動(dòng)，見圖1。

圖1 樹臺(tái)試驗(yàn)站30場(chǎng)侵蝕性降雨特性值

侵蝕性降雨主要集中在4—9月份，7月和8月份累計(jì)降雨量最高，分別為320.6、325.4 mm。觀測(cè)的侵蝕性降雨主要是中雨、大雨和暴雨，其發(fā)生頻次分別為9、14、7次。暴雨發(fā)生頻次在7月份最高，為4次；大雨發(fā)生頻次在8月份最高，為6次；中雨發(fā)生頻次在8月份最高，為4次。詳見圖2。

3.2 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

不同降水強(qiáng)度等級(jí)下各徑流小區(qū)產(chǎn)流特征見圖3。在5種坡度下(5°、10°、15°、20°和25°)，裸地(BL)均表現(xiàn)為最高的產(chǎn)流量，且各土地利用類型的產(chǎn)流量均表現(xiàn)出暴雨>大雨>中雨。坡度5°坡面徑流小區(qū)中雨、大雨和暴雨條件下裸地(BL)的徑流深分別為2.76、3.30、9.65 mm，大雨和暴雨條件下分別是中雨條件下的1.20、3.50倍；中雨、大雨和暴雨條件下天然牧草地(NPL1和NPL2)的平均徑流深為0.33、0.34、2.91 mm，大雨和暴雨條件下分別是中雨條件下的1.03、8.82倍；天然牧草地與裸地相比其徑流深明顯降低。此外，坡度10°、15°坡面徑流小區(qū)中人工喬木林(AFL)減流效果最好，而在坡度較陡的20°和25°坡面徑流小區(qū)中人工灌木林地(ASL)的減流效果最好。

圖3 不同降水強(qiáng)度等級(jí)下各徑流小區(qū)產(chǎn)流特征

不同降水強(qiáng)度等級(jí)下各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量見表3。在5種坡度下(5°、10°、15°、20°和25°)，裸地(BL)均表現(xiàn)出最高的土壤流失量，中雨、大雨、暴雨條件下分別為0.206～1.285、0.416～5.291、6.310～27.052 t/hm2，并且土壤流失量隨坡度的增加而增加。與裸地(BL)相比，各水土保持措施下坡面土壤流失量均較小，在中雨、大雨、暴雨條件下天然牧草地(NPL)土壤流失量分別為0～0.053、0.004～0.047、0.044～0.483 t/hm2，人工灌木林地(ASL)土壤流失量分別為0～0.039、0.008～0.145、0.056～0.228 t/hm2，人工喬木林地(AFL)在中雨條件下基本不產(chǎn)生土壤流失，在大雨、暴雨條件下土壤流失量分別為0.001～0.022、0.029～0.099 t/hm2。上述結(jié)果表明，人工灌木林地和喬木林地可以更有效地減少原地表土壤流失量。此外，坡度25°以下裸地(BL)土壤流失量隨坡度的增加而增加，而水土保持措施作用下土壤流失量并不總是呈現(xiàn)隨著坡度增加而增加的趨勢(shì)。這表明，水土保持措施長(zhǎng)期布設(shè)后，灌木林、喬木林等能夠有效降低坡面的土壤流失量。

表3 不同降水強(qiáng)度等級(jí)下各徑流小區(qū)產(chǎn)沙量

3.3 減流減沙效益分析

不同降水強(qiáng)度等級(jí)和坡度下各項(xiàng)水土保持措施減流效益見圖4。由圖4可知，各項(xiàng)水土保持措施中農(nóng)地(CL)的減流效益最低，在0.1～0.4之間；各項(xiàng)水土保持措施的減流效益受坡度和降水強(qiáng)度等級(jí)共同影響；人工喬木林地(AFL)和人工灌木林地(ASL)的減流效益較高，效益值在0.8附近波動(dòng)，大雨和暴雨條件下坡度15°時(shí)人工喬木林地(AFL)的減流效益最高，坡度20°和25°時(shí)人工灌木林地(ASL)的減流效益最高。

圖4 不同降水強(qiáng)度等級(jí)和坡度下各項(xiàng)水土保持措施減流效益

不同降水強(qiáng)度等級(jí)和坡度下各項(xiàng)水土保持措施減沙效益見圖5。由圖5可知，中雨、大雨、暴雨條件下天然牧草地(NPL)、人工灌木林地(ASL)和人工喬木林地(AFL)減沙效益均接近1，表明這3種水土保持措施均可以有效減少土壤流失量；減沙效益整體表現(xiàn)為人工喬木林地(AFL)>人工灌木林地(ASL)>天然牧草地(NPL)>農(nóng)地(CL)。在坡度為15°時(shí)人工灌木林地(ASL)的減沙效益略低于人工喬木林地(AFL)，在坡度為20°和25°時(shí)，兩者的減沙效益相當(dāng)。

圖5 不同降水強(qiáng)度等級(jí)和坡度下各項(xiàng)水土保持措施減沙效益

4 結(jié) 語

本研究依據(jù)樹臺(tái)水土保持試驗(yàn)站2014—2019連續(xù)6年的徑流泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)，量化了不同降水強(qiáng)度等級(jí)(中雨、大雨和暴雨)和坡度(5°、10°、15°、20°和25°)下4種水土保持措施的減流減沙效益，得出以下結(jié)論：中雨、大雨和暴雨是該地區(qū)發(fā)生頻次較高的侵蝕性降雨類型，且集中發(fā)生于 7—8 月；所有土地利用類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)出暴雨>大雨>中雨；裸地呈現(xiàn)最高的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，且均隨坡度的增加而增加；與裸地相比，各水土保持措施下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量有明顯減少，其中人工喬木林地和人工灌木林地的減流減沙效益最高，減流效益在0.8附近波動(dòng)，減沙效益接近1，在坡度15°時(shí)人工喬木林地的減流減沙效益最高，坡度為20°和25°時(shí)人工灌木林地減流效益最高，減沙效益與人工喬木林地相當(dāng)；與中雨和大雨相比，暴雨條件下4種措施的減流效益均有降低，但減沙效益變化不明顯。