司英凡,俞琳琳,朱家潤(rùn)

(1.江蘇省水利科教中心,江蘇 南京 210000; 2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 徐州分局,江蘇 徐州 221000)

黃泛平原區(qū)地處海河平原與淮北平原之間,區(qū)域內(nèi)存在嚴(yán)重的土壤沙化現(xiàn)象。近年來通過生態(tài)系統(tǒng)改造治理,黃泛平原區(qū)土壤質(zhì)量得到明顯提升,結(jié)構(gòu)得到明顯改善,土地利用率進(jìn)一步提高,但下墊面環(huán)境中多為粉砂和沉積細(xì)砂,土地生產(chǎn)力較低,因此水利部在《全國水土保持規(guī)劃國家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)復(fù)核劃分成果》中將黃泛平原風(fēng)沙區(qū)列為國家級(jí)水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū),著重加強(qiáng)防護(hù)治理。該區(qū)屬于北方土石山區(qū)(一級(jí)區(qū))的華北平原區(qū)(二級(jí)區(qū)),地勢(shì)平坦,但受黃河多次遷徙、決口、改道等影響,形成了河灘高地、河間洼地、崗、坡、緩平坡地相間分布的格局[1]。該區(qū)水土流失多集中在受人為利用影響較大的土地類型上,主要類型為城鎮(zhèn)、農(nóng)村建設(shè)用地及采礦用地,因此對(duì)黃泛平原區(qū)開展水土流失治理及研究顯得尤為重要。目前該區(qū)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)徑流試驗(yàn)小區(qū)目的在于為水土保持動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供基礎(chǔ)依據(jù),推演區(qū)域水土流失概況,評(píng)估水土流失治理效益,對(duì)不同水土保持措施下的土壤侵蝕因子進(jìn)行分析,并探求其在不同土壤環(huán)境、水文氣象等條件下的侵蝕規(guī)律。本研究所選取研究小區(qū)為豐縣水土保持監(jiān)測(cè)站,通過對(duì)該站點(diǎn)進(jìn)行不同水保措施下的降雨徑流試驗(yàn),研究其在不同降水條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙的規(guī)律,并分析不同水保措施下的防治效果,為水土流失治理提供科學(xué)的理論依據(jù)和精準(zhǔn)的決策支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省徐州市豐縣大沙河鎮(zhèn)(東經(jīng)116°38′40.6″、北緯34°33′12.6″),屬于淮河流域沂沭泗水系。屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,地勢(shì)平緩。多年平均氣溫13.8 ℃,平均相對(duì)濕度72%。降水量年際變化大,時(shí)空分布極不均勻,多年平均降水量734 mm,年最大降水量1 206.7 mm,年最小降水量377.3 mm,汛期降水量占全年降水量的66%。地勢(shì)南高北低,自然坡降1/3 000～1/10 000。表層土壤主要以黏土、亞黏土、亞砂土、砂土組成,分布規(guī)律是沿河道兩岸為砂質(zhì)土壤,遠(yuǎn)離河道低洼地區(qū)為黏質(zhì)土壤。植被類型為針葉林、落葉闊葉林、針闊混交林,植物種類較簡(jiǎn)單,主要分布為側(cè)柏和刺槐,其次為麻櫟、栓皮櫟、黑松及赤松人工林;另分布有小面積次生林,主要喬木樹種有黃檀、刺槐、豆梨、黃連木及臭椿等,主要灌木有牡荊、酸棗、茅莓和野山楂[2]。

2 研究方法

2.1 小區(qū)情況

試驗(yàn)小區(qū)是江蘇省水文水資源勘測(cè)局依托江蘇省水土保持監(jiān)測(cè)與管理信息系統(tǒng)工程于2022年所建,小區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有降雨、徑流、泥沙、植被覆蓋度/郁閉度、土壤水分和作物產(chǎn)量等。共有5個(gè)長(zhǎng)20 m、寬5 m的標(biāo)準(zhǔn)坡面徑流小區(qū),主要測(cè)報(bào)設(shè)施有輪式自動(dòng)泥沙采樣器、翻斗式徑流自記儀各5組,土壤墑情傳感器15套,自動(dòng)氣象站1處,1 m×1 m林下覆蓋度監(jiān)測(cè)場(chǎng)4處。選取一組自然荒草坡面作為荒草代表小區(qū),其余小區(qū)分別種植梨樹(樹齡3 a)、欏木石楠、黑麥草、大豆,分別代表種植經(jīng)果林、喬木林、草地、農(nóng)作物等不同措施。試驗(yàn)所選措施均為黃泛平原區(qū)具有代表性的措施類別,與當(dāng)?shù)胤N植措施保持一致。小區(qū)內(nèi)土壤類型為潮土,土層厚約50 cm,5個(gè)坡面均為北向坡,小區(qū)內(nèi)地面橫向平整,每年汛后復(fù)核坡度,保持排水通暢。本研究所選觀測(cè)年份為2020—2021年,各小區(qū)概況見表1。

表1 2020—2021年徑流小區(qū)概況

2.2 數(shù)據(jù)觀測(cè)方法

降雨量數(shù)據(jù)通過氣象站翻斗式遙測(cè)雨量計(jì)獲得,定期校核、巡查并清除承雨器內(nèi)雜物,保持儀器清潔;暴雨時(shí)適當(dāng)增加巡查次數(shù),保證儀器正常運(yùn)行。風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度數(shù)據(jù)由全自動(dòng)氣象站一體化觀測(cè),每周進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控,有異常情況及時(shí)處理。徑流量測(cè)量前清除集流桶蓋板積水,防止積水進(jìn)入桶內(nèi),影響試驗(yàn)精度;清除積水后打開桶蓋,將不銹鋼尺垂直放入桶中至桶底,讀取水面所在刻度值,在每個(gè)集流桶內(nèi)壁三等分點(diǎn)處做好標(biāo)記,每個(gè)位置各測(cè)水深1次;采集桶內(nèi)水樣,在不同位置取樣2次,以攪拌舀水取樣為主,產(chǎn)流后集流槽內(nèi)若沉積泥沙,則將泥沙全部取出稱量,測(cè)定產(chǎn)流量、干土質(zhì)量,并采用烘干法對(duì)含沙量進(jìn)行測(cè)定,計(jì)算泥沙總量。每15 d觀測(cè)植被覆蓋度及郁閉度,產(chǎn)流后加測(cè)一次,如遇連續(xù)降水,雨停后觀測(cè),并用TDR法對(duì)土壤含水量及土壤深度進(jìn)行測(cè)定。對(duì)經(jīng)果林和農(nóng)作物產(chǎn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè),在作物成熟后計(jì)算小區(qū)作物的產(chǎn)量。根據(jù)小區(qū)監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況,本研究選取2020—2021年的降雨、徑流、泥沙等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 結(jié)果分析

3.1 2020—2021年降雨量特征

收集整理氣象站雨量計(jì)所得到的降雨數(shù)據(jù),2020年降水總量為992 mm,高于該區(qū)多年平均降水量,年降水日數(shù)為85 d,最大日降水量為89.5 mm。2021年降水總量1 197 mm,遠(yuǎn)高于多年平均降水量,年降水日數(shù)為80 d,最大日降水量為102 mm。根據(jù)氣象水文部門關(guān)于降雨量等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn),劃分場(chǎng)次降雨等級(jí)。通過分析不同年度內(nèi)場(chǎng)次降雨中最大I10、最大I20、最大I30和平均雨強(qiáng)與坡面徑流場(chǎng)產(chǎn)生徑流量之間的關(guān)系,利用回歸分析發(fā)現(xiàn),徑流量與最大I30擬合程度最好,關(guān)系最緊密[3]。降雨等級(jí)及I30情況見表2。

表2 2020—2021年研究區(qū)降雨及降雨強(qiáng)度劃分情況

由表2可知,該區(qū)域場(chǎng)次降雨多為小到中雨,2020、2021年小雨及中雨場(chǎng)次分別占全年的85.5%和68.5%,降雨量分別占全年的32.9%和21.1%?？梢娦〉街杏陥?chǎng)次雖多但降雨量占比不大,大雨及以上級(jí)別降雨場(chǎng)次在2020、2021年的占比分別為14.5%和31.5%,降雨量卻占到了67.1%和78.9%。降雨量分配主要來自于大雨、暴雨及大暴雨。受2021年臺(tái)風(fēng)“煙花”影響,該區(qū)域強(qiáng)對(duì)流天氣較多,帶來了多場(chǎng)次強(qiáng)降水,降雨量相比2020年度增加了20.67%,是一個(gè)典型的豐水年,且年內(nèi)最大I30>30 mm/h的分級(jí)降雨場(chǎng)次比2020年度有明顯增加。

根據(jù)小區(qū)內(nèi)觀測(cè)數(shù)據(jù),2021年度產(chǎn)生徑流次數(shù)更多,且多發(fā)生在最大I30>30 mm/h的場(chǎng)次。摘選2020、2021年5個(gè)小區(qū)均產(chǎn)生徑流泥沙的降雨場(chǎng)次信息,見表3。由表3可知,小區(qū)產(chǎn)生徑流的降雨場(chǎng)次均為大雨及以上級(jí)別,產(chǎn)流所需降雨量大且I30很高,在短時(shí)強(qiáng)降雨過程中,土壤經(jīng)降水滲透飽和后遭受侵蝕形成坡面徑流,降雨侵蝕力也隨著降雨動(dòng)能的增大而增大。當(dāng)I30>30 mm/h時(shí),短時(shí)雨強(qiáng)大于土壤下滲能力,此時(shí)產(chǎn)生超滲產(chǎn)流和壤中流。當(dāng)10 mm/h≤I30≤30 mm/h時(shí),如果歷時(shí)較短,則可能只產(chǎn)生壤中流,如果歷時(shí)較長(zhǎng)則會(huì)出現(xiàn)飽和地面徑流即蓄滿產(chǎn)流和壤中流。前期雨量大小也直接影響小區(qū)的徑流量,在汛期連續(xù)降雨情況下,前期雨量較大,此時(shí)該區(qū)域前期土壤含水量偏大,極易形成蓄滿產(chǎn)流,并最終攜帶泥沙進(jìn)入集流桶中。采集桶內(nèi)水樣后靜置至泥沙完全沉淀,取出上層清水后將泥沙盒放入烘箱中烘干,得出水樣中含沙量,通過各小區(qū)產(chǎn)生的徑流總量計(jì)算徑流中所含泥沙量,加上集流槽及導(dǎo)流管中泥沙烘干后的質(zhì)量,通過換算折合即為此次降雨的土壤流失量。

表3 產(chǎn)生徑流的降雨場(chǎng)次信息

3.2 不同小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

選取2020—2021年5個(gè)小區(qū)均產(chǎn)生徑流泥沙的場(chǎng)次降雨,進(jìn)行徑流量、含沙量和土壤流失量的定量分析與比較(見表4)。這14次降雨總量為947 mm,荒草地、梨樹、大豆、欏木石楠、黑麥草小區(qū)所形成的徑流深總量分別為175.63、124.79、97.68、79.77、64.66 mm,小區(qū)徑流中平均含沙量分別為1.61、0.92、0.82、0.42、0.41 g/L?？梢娫?020—2021年間不同小區(qū)中產(chǎn)流及含沙量的大小關(guān)系均為荒草地小區(qū)>梨樹小區(qū)>大豆小區(qū)>欏木石楠小區(qū)>黑麥草小區(qū)。并且可以看到?jīng)]有植被覆蓋的荒草地小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙量明顯大于采取水保措施的小區(qū)。不同水保措施與區(qū)域水文降雨徑流過程形成一個(gè)相互影響的調(diào)節(jié)反饋系統(tǒng),植物措施對(duì)土壤進(jìn)行改造,增加土壤的營養(yǎng)物質(zhì)含量,改良土壤的結(jié)構(gòu)與質(zhì)地,并通過植被攔蓄減弱降雨侵蝕動(dòng)能,提高土壤的下滲能力,在有效減少坡面徑流的同時(shí)減少泥沙量。

分析可知,各小區(qū)的徑流深與降雨量及雨強(qiáng)均呈正相關(guān)關(guān)系,徑流量隨降雨量的變大而變大,并且當(dāng)兩場(chǎng)降雨量接近時(shí),雨強(qiáng)大的降雨歷時(shí)就短,在土壤下滲速率相同的情況下,下滲量減少,所產(chǎn)生的徑流深增加。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)降雨時(shí),降雨歷時(shí)長(zhǎng)導(dǎo)致前期影響雨量增大,土壤含水量增大,徑流量也明顯增大。但徑流中的含沙量并不與降雨量及雨強(qiáng)有明顯關(guān)聯(lián),這可能是與植被攔蓄能力、降雨歷時(shí)、人為擾動(dòng)影響有關(guān),可以看出2020年剛布設(shè)水保措施時(shí)各小區(qū)所產(chǎn)徑流中含沙量及土壤流失量普遍偏高,經(jīng)過一年的時(shí)間,在2021年相類似的降雨徑流過程后,含沙量及土壤流失量均有了明顯的下降趨勢(shì)。隨著時(shí)間的推移,植被對(duì)侵蝕性降雨起到了越來越明顯的保護(hù)作用,減少土壤泥沙的流失作用顯著。

根據(jù)2020—2021年多場(chǎng)次徑流過程中土壤流失量的對(duì)比來看,在不同水保措施下,梨樹小區(qū)的土壤流失量最大,大豆小區(qū)次之,欏木石楠小區(qū)與黑麥草小區(qū)流失量接近,黑麥草抵抗土壤流失能力最強(qiáng)。這可能與水保措施種類、植被覆蓋度、種植方式有關(guān)。黑麥草屬于耕種草地措施,植被覆蓋率高達(dá)99%,且黑麥草的根系發(fā)達(dá),生長(zhǎng)快,固持土壤能力強(qiáng),使土壤團(tuán)粒體水穩(wěn)性、分散特性和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到明顯改善,提高了土壤抗蝕性,減少了徑流及泥沙的產(chǎn)生[4]。欏木石楠作為喬木林措施,植被覆蓋度達(dá)80%,對(duì)地表的覆被和土壤的改良有極為突出的能力,在石楠及其枯落物的影響下,土壤中微生物得到有效繁育,且其根系也能夠固持土地,減少地表徑流,減弱侵蝕作用。大豆作為農(nóng)業(yè)措施,比梨樹經(jīng)果林措施防治土壤流失效果好,可能是因?yàn)?大豆采用平播密植、無壟栽培,減少了匯水量,增加了地面滲透時(shí)間,不中耕使播種后土質(zhì)不松動(dòng)、不易流失,收獲后不需整地減少了機(jī)械人為擾動(dòng)次數(shù),有利于土壤內(nèi)微生物的繁殖,從而使土壤滲透量增加,徑流減少[5]。梨樹樹齡較短且種植時(shí)間不長(zhǎng),植被覆蓋率不高,在汛期降雨集中、雨強(qiáng)大的情況下,水土流失防治效果不夠理想,其水土保持效果主要是依靠果樹根系在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)育中形成強(qiáng)大的團(tuán)聚結(jié)構(gòu),對(duì)徑流進(jìn)行攔蓄,在保持土壤通氣透水的同時(shí)起到蓄水固土的作用。綜上所述,根據(jù)各種植小區(qū)的徑流量、含沙量、土壤流失量數(shù)據(jù)分析,在黃泛平原區(qū)抵抗降雨侵蝕、攔蓄水土能力的大小依次為黑麥草>欏木石楠>大豆>梨樹。

4 結(jié)論

黃泛平原區(qū)場(chǎng)次降雨多為小到中雨,但主要降雨量來自大雨及以上級(jí)別,且受臺(tái)風(fēng)影響,強(qiáng)對(duì)流天氣增多,雨強(qiáng)大的強(qiáng)降雨增多。2020—2021年發(fā)生降雨侵蝕的徑流多為I30大于30mm/h的降雨,在汛期連續(xù)降雨情況下,前期降雨量大,土壤含水量增大,極易形成蓄滿產(chǎn)流。各小區(qū)徑流深與降雨量及雨強(qiáng)均呈正相關(guān)關(guān)系,徑流量隨著降雨量的增大而增大,雨量相等時(shí)雨強(qiáng)越大降雨歷時(shí)越短,在土壤下滲速率不變的情況下,下滲量減少,徑流深也就越大。但含沙量與降雨量、雨強(qiáng)關(guān)系不明顯,可能與土層各向異性的作用有關(guān)。

2020—2021年各徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙及土壤流失量的大小關(guān)系是:荒草地小區(qū)>梨樹小區(qū)>大豆小區(qū)>欏木石楠小區(qū)>黑麥草小區(qū)?；牟莸匦^(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙及土壤流失量明顯大于其余布設(shè)水保措施的小區(qū),說明不同的水保措施均能對(duì)土壤進(jìn)行改造,通過植被攔蓄降低雨水侵蝕動(dòng)能,提高土壤下滲能力,減少坡面徑流的同時(shí)減少泥沙量。根據(jù)植被措施種類及方法得出植被覆蓋度最大的黑麥草是水土流失最少的小區(qū),因其生長(zhǎng)快且效果理想,可以看出耕種草地水保措施是黃泛平原區(qū)短時(shí)間內(nèi)防治水土流失最有效的手段。