馬郡粒, 楊振奇, 郭建英, 張鐵鋼, 王 普, 馬培淵

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010010;2.中國水利水電科學(xué)研究院 內(nèi)蒙古陰山北麓草原生態(tài)水文國家野外科學(xué)觀測研究站,呼和浩特 010010; 3.鄂爾多斯達(dá)拉特旗水利事業(yè)發(fā)展中心, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

砒砂巖區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱,丘陵溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重,年均土壤侵蝕模數(shù)約4萬t/(km2·a),是黃河泥沙的主要策源地,大量的入黃泥沙威脅著黃河中下游的生態(tài)環(huán)境安全。自20世紀(jì)90年代起,該區(qū)先后實(shí)施了退耕還林(草)、小流域綜合治理等生態(tài)政策和水土流失治理工程,水土流失趨勢得到有效控制[1-2],但該區(qū)不同土地利用方式的侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理尚不明確。已有研究表明干旱、半干旱地區(qū)坡面的侵蝕產(chǎn)沙過程主要受到降雨、植被、地形和土地利用方式的影響[3-4]。降雨對水蝕過程的影響具有較大的時(shí)空異質(zhì)性,與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等特征因素有關(guān)。植被和地形具有較強(qiáng)的地域特征,植被是干旱半干旱地區(qū)對水蝕過程影響最活躍的因子,具有增加地表覆蓋、削減洪峰、固持土壤等作用,影響著土壤侵蝕的發(fā)生與發(fā)展[5]。坡度則是導(dǎo)致水土流失的關(guān)鍵因素,與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有復(fù)雜的關(guān)系,它可以增加雨水向下的自重分力,從而增大徑流流速,減少累積入滲量,增大徑流泥沙量[6],而土地利用方式對水土流失具有明顯的分異效應(yīng),受人為活動(dòng)的影響較大,對于侵蝕有著不同程度的影響。

縱觀國內(nèi)外關(guān)于坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與土地利用方式響應(yīng)的分析,地點(diǎn)多集中于黃土區(qū)、黑土區(qū)以及紅壤土區(qū)等地帶,數(shù)據(jù)資料多采用單次或短期模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù),研究內(nèi)容主要涉及降雨或地形等影響因子單方面的作用;而具有獨(dú)特巖石結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的砒砂巖區(qū)罕見報(bào)道,尤其是針對多年連續(xù)性野外監(jiān)測數(shù)據(jù)復(fù)合因素的水沙分析[7-10]。雨型是次降雨過程中不同降雨特征的組合形式,坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子[11],這些因素復(fù)合作用于坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙,增加影響機(jī)制的復(fù)雜性,促使土壤水蝕規(guī)律的不確定性增加,而以往關(guān)于不同土地利用方式對雨型響應(yīng)的坡度效應(yīng)報(bào)道卻寥寥無幾[12]。因此,本文以砒砂巖區(qū)典型小流域不同土地利用方式的標(biāo)準(zhǔn)徑流場為觀測對象,根據(jù)該區(qū)2016—2021年降雨及徑流泥沙數(shù)據(jù),探究不同土地利用方式的侵蝕產(chǎn)沙變化特征,以期為砒砂巖區(qū)水土流失的治理和生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河中上游一級(jí)支流罕臺(tái)川的合同溝小流域,流域面積約1.27 hm2,地理坐標(biāo)為39°59′58″—40°13′18″N,109°53′36″—110°06′03″E,隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗,是典型的砒砂巖丘陵區(qū),土壤類型以栗鈣土為主,質(zhì)地為砂質(zhì)土,小流域平均坡度5～15°,地形地貌支離破碎,溝壑縱橫,屬半干旱溫帶大陸性氣候,年均氣溫為6～8℃,年均降雨量為310.3 mm,集中于7—9月份,占71.2%,多為短歷時(shí)大雨,水土流失嚴(yán)重。區(qū)域內(nèi)主要建群種有本氏針茅(Stipabungeana)、羊草(Leymuschinensis)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等,主要造林樹種有檸條(CaraganaKorshinskii)、油松(Pinustabuliformis)、小葉楊(Populussimonii)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究區(qū)位于全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)—達(dá)拉特旗合同溝水土保持監(jiān)測站點(diǎn)附近(編號(hào):DA1520737110),該站點(diǎn)始建于2005年,建有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)18座(20 m×5 m)。小區(qū)安裝自動(dòng)水沙監(jiān)測設(shè)備(北京天航佳德),并同步配備了自動(dòng)氣象監(jiān)測站和智墑云智能土壤溫度水分觀測儀(北京東方潤澤)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。徑流場土地利用基本概況見表1。

表1 徑流場土地利用基本概況Table 1 Basic overview of runoff site land use

1.3 測定內(nèi)容與方法

(1) 土壤含水率測定。采用智墑云智能土壤溫度水分觀測儀(北京東方潤澤),每30 min觀測一次,觀測深度0—100 cm平均分為5層。每次降雨后,通過TDR法加測0—10 cm深度的土壤體積含水率,并烘干法校核。

(2) 降雨特征觀測。通過自動(dòng)氣象監(jiān)測站記錄次降雨過程,每5 min觀測一次,降雨量精確至0.1 mm,降雨強(qiáng)度單位mm/min。同時(shí)參考黃土高原區(qū)降雨強(qiáng)度劃分標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上[13-15],結(jié)合本區(qū)天然降雨條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特點(diǎn)。

針對各場次降雨,選取年降雨量(P)、年降雨歷時(shí)(T)、最大I30min雨強(qiáng)(I30max)、平均雨強(qiáng)(IAVG)等指標(biāo),運(yùn)用系統(tǒng)聚類方法對研究區(qū)內(nèi)的降雨類型進(jìn)行劃分。研究區(qū)2016—2021年降雨基本概況見表2。

表2 研究區(qū)2016-2021年降雨基本概況Table 2 Basic profile of rainfall in the study area 2016-2021

(3) 徑流泥沙量觀測。利用自動(dòng)水沙監(jiān)測設(shè)備(北京天航佳德),每分鐘記錄一次,產(chǎn)流體積精確至0.001 L;產(chǎn)沙量精確至0.001 kg/m3,同時(shí)輔以全剖面采樣器人工實(shí)地取樣。

徑流深(mm)=徑流體積(L)/小區(qū)面積(m2)

徑流系數(shù)(%)=徑流深(mm)/降雨量(mm)

土壤流失量(t/hm2)=泥沙總量(t)/小區(qū)面積(hm2)

(4) 植被觀測。采用照相法、目估法4—10月,每15 d/次。小區(qū)產(chǎn)流后加測喬木郁閉度、灌草作物覆蓋度與地面蓋度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Excel進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)和Origin 2018進(jìn)行繪圖,運(yùn)用SPASS 26.0進(jìn)行雙因素方差分析、聚類分析和相關(guān)性分析,研究不同土地利用方式下的水沙關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

砒砂巖地區(qū),地形地貌支離破碎,溝壑縱橫,降雨量稀少,年內(nèi)降雨多集中在夏末秋初,降雨引發(fā)的水力侵蝕是該區(qū)最為主要的侵蝕形式。研究區(qū)2016—2021年共觀測降雨47場,其中侵蝕性降雨36場,根據(jù)氣象學(xué)中降雨類型的劃分(24 h以內(nèi)),研究區(qū)5 a間共有小雨3場、中雨29場、大雨14場、大暴雨1場。通過聚類分析降雨特征對降雨類型進(jìn)一步劃分(見表3),結(jié)果表明:觀測降雨可劃分為3類,A類降雨研究區(qū)發(fā)生頻率最高(40.4%),其特點(diǎn)是歷時(shí)短,雨量集中,高強(qiáng)度的暴雨;B類降雨為雨量較多,歷時(shí)較短,中強(qiáng)度的降雨;C類降雨研究區(qū)發(fā)生頻率最低(27.6%),其特點(diǎn)是歷時(shí)長,小雨強(qiáng),雨量分散的連續(xù)性降雨。其中2017年P(guān)最小,為281.8 mm,T最大I30max最小;2018年T明顯小于2017年,同時(shí)P和I30max高于2017年,表明降雨量主要受到降雨強(qiáng)度的影響。2018年、2020年徑流泥沙量較大(見圖1),同年A,B類降雨次數(shù)所占比例明顯高于其他年份,表明A,B類多為侵蝕性降雨,是該區(qū)域坡面水土流失的主要貢獻(xiàn)者。此外,分析同類型降雨發(fā)現(xiàn)徑流量逐年遞減,究其原因?yàn)橹脖坏纳L,使得冠層截流再分配的同時(shí)改良了土壤理化性質(zhì),促滲減流。

圖1 不同土地利用方式年際間產(chǎn)流產(chǎn)沙變化

表3 不同降雨類型特征Table 3 Characteristics of different rainfall type

2.2 不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙對雨型的響應(yīng)

通過相關(guān)性分析次降雨過程,降雨歷時(shí)T(min)、降雨量P(mm)、平均降雨強(qiáng)度Iavg(mm/h),30 min最大雨強(qiáng)I30max(mm/h)與不同土地利用方式徑流深H(mm)、徑流系數(shù)R(%)、產(chǎn)沙量C(g/L)、土壤流失量Ms(t/hm2)以及坡度Gd(°)的相關(guān)關(guān)系(見表4);不同土地利用方式徑流深H(mm)、徑流系數(shù)R(%)和產(chǎn)沙量C(g/L)、土壤流失量Ms(t/hm2)的相關(guān)關(guān)系(見表5)。其中,P與徑流泥沙情況在除人工草地和農(nóng)作物地外,均呈正相關(guān)關(guān)系,且與C和Ms呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系;T與I30對徑流泥沙的影響在不同土地利用方式下均呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系;IAVG對徑流泥沙的影響在裸地較突出,表現(xiàn)為呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系。坡度對徑流泥沙的影響在人工草地、喬木林地、農(nóng)作物地和裸地較突出,主要表現(xiàn)為Gd與C呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系。上述表明,降雨特征與水土流失的發(fā)生息息相關(guān),且受土地利用方式的影響,具有明顯的分異效應(yīng),坡度是導(dǎo)致水土流失的關(guān)鍵因素,與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程具有復(fù)雜的關(guān)系。

表4 不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響因子相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of factors affecting runoff and sediment yield by different land use type

表5 不同土地利用方式的徑流泥沙相關(guān)性分析Table 5 Runoff sediment yield analyses for different land use type

不同土地利用方式下,次降雨的徑流與泥沙情況均具有p<0.01的正相關(guān)關(guān)系,降雨產(chǎn)生的坡面流具有沖刷、剝離及搬運(yùn)土壤的作用,加劇坡面土壤侵蝕。進(jìn)一步分析可知,不同土地利用方式各雨型情況下的徑流泥沙響應(yīng)不盡相同(見圖2)。A,B類降雨徑流深和土壤流失量的排序,均呈喬木林地<灌草地<人工草地<天然草地<農(nóng)作物地<裸地,受雨強(qiáng)影響,冠層雨水截留再分配的效果明顯;C類降雨情況與之不同,天然草地減流減沙效果優(yōu)于灌草地(15.80%,12.01%),由于天然草地表層腐殖質(zhì)積累豐富,土壤結(jié)構(gòu)良好,對降雨的滲漏和通透性優(yōu)于灌草地,水土保持效果提高,而人工草地地被層較厚,且密度大,對土壤形成了保護(hù)效果使得減沙效果高于天然草地。此外,不同雨型情況下各土地利用方式的徑流泥沙響應(yīng)則基本一致,徑流深和土壤流失量的排序,均呈C

圖2 不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙對雨型的響應(yīng)

2.3 不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙對雨型響應(yīng)的坡度效應(yīng)

坡度不僅影響徑流的滲透量、徑流量和沖刷能力還影響坡地的侵蝕方式和強(qiáng)度,與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程存在復(fù)雜性和隨機(jī)性。采用雙因素方差分析坡度對不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙在各雨型條件下的影響(表6),結(jié)果顯示:A類降雨土地利用方式和坡度對土壤流失量(p<0.05,p<0.01),土地利用方式對徑流深(p<0.01),分別具有顯著或極顯著的影響,兩者交互作用的影響僅對土壤流失量顯著(p<0.01);B,C類降雨土地利用方式對徑流深(p<0.05,p<0.01)和土壤流失量(p<0.01)具有顯著或極顯著的影響。

表6 不同土地利用方式與坡度下的徑流深和土壤流失量方差分析Table 6 ANOVA table for runoff depth and soil loss amount under different land use type and slopes

不同雨型條件下,各土地利用方式徑流深或土壤流失量對坡度的響應(yīng)表現(xiàn)略有差異,并不單純隨著降雨特征的增加和坡度的增大而增大,差異主要存在于裸地、農(nóng)作物地與其他土地利用方式(圖3)。其中5°裸地的徑流深顯著大于除農(nóng)作物地外其他土地利用方式(A,B),土壤流失量顯著大于不包括或包括農(nóng)作物地外其他土地利用方式(B,C);10°裸地的徑流深僅顯著大于天然草地(A,B),土壤流失量則與其他所有土地利用方式無顯著差異(A,B和C);15°裸地的徑流深顯著大于不包括或包括農(nóng)作物地外其他土地利用方式(A,B)和天然草地或灌草地(C),土壤流失量顯著大于其他所有土地利用方式(A,C)。A類降雨情況下,不同坡度間也存在一定程度的差異,天然草地和喬木林地的土壤流失量10°顯著大于其他坡度;裸地的土壤流失量15°顯著大于其他坡度。上述可知,C型降雨土壤侵蝕力弱,導(dǎo)致各坡度土地利用方式的產(chǎn)流產(chǎn)沙表現(xiàn)基本一致,15°坡度較大直接影響徑流的沖刷能力,加劇各土地利用方式的水土保持效果差異。

圖3 不同土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙對雨型響應(yīng)的坡度效應(yīng)

3 討 論

砒砂巖區(qū)地處干旱、半干旱地區(qū),全年降水分布不均且雨量集中,侵蝕性降雨嚴(yán)重影響著該區(qū)坡面侵蝕產(chǎn)沙過程,是導(dǎo)致其劇烈侵蝕的主要?jiǎng)恿16]。砒砂巖地形切割支離破碎,加之基巖具有發(fā)育不充分,膠結(jié)力弱等性質(zhì),極易受風(fēng)力和水力作用風(fēng)化潰散。研究表明該區(qū)A,B類(歷時(shí)偏短、雨強(qiáng)偏大、雨量偏多)降雨發(fā)生頻率較高,且多為侵蝕性降雨,是造成該區(qū)域坡面水土流失的主要貢獻(xiàn)者,C類(歷時(shí)長、小雨強(qiáng)、雨量分散)降雨土壤侵蝕能力最弱,對研究區(qū)地下水的補(bǔ)給作用最佳,與王萬忠等[17]研究結(jié)果相同。分析2016—2021年降雨情況,2018年降雨強(qiáng)度最高,同年產(chǎn)流產(chǎn)沙量也最大,其中I30max與P對徑流泥沙的影響,具有p<0.05或p<0.01正相關(guān)關(guān)系,故降雨強(qiáng)度與侵蝕強(qiáng)度關(guān)系最為密切其次是降雨量,該結(jié)果與江淼華等[18]的研究結(jié)果基本一致。降雨類型(雨量、雨強(qiáng)或歷時(shí)等)與水土流失的發(fā)生息息相關(guān),且受土地利用方式的影響,具有明顯的分異效應(yīng),A,B類降雨強(qiáng)度大,冠層對雨水的層層截留再分配作用,促使喬灌木的水土保持效果優(yōu)于草地;C類降雨侵蝕力弱,天然草地由于長期的封禁,地表腐殖質(zhì)積累豐富,土壤結(jié)構(gòu)良好,對降雨的滲漏和通透性提高,減流減沙效果由于灌草地,該結(jié)果與黃凱等[19]的研究一致。農(nóng)作物地的水土流失情況僅次于裸地,原因是季節(jié)性翻耕,土壤表層松散,在降雨擊濺和徑流沖刷下,坡面迅速形成細(xì)溝,伴隨著細(xì)溝的溯源發(fā)育和不斷擴(kuò)展,土壤水蝕急劇增加,因此陡坡耕地退耕還林還草是恢復(fù)良性生態(tài)環(huán)境的必由之路,該結(jié)果與琚彤軍等[20]的研究一致。坡度是導(dǎo)致水土流失的關(guān)鍵因素,與坡面侵蝕關(guān)系的復(fù)雜性和不確定性,一定程度上限制了坡面水土保持措施的實(shí)施效果。研究表明,坡度對產(chǎn)沙量的影響大于產(chǎn)流量,主要表現(xiàn)為Gd與C呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系(人工草地、喬木林地、農(nóng)作物地和裸地)。坡度直接作用于徑流的沖刷能力,水土流失情況隨著坡度的增加而加劇,直至雨滴對水面的打擊作用弱于坡面流的保護(hù)作用,該結(jié)果與曹美晨等[21]的研究結(jié)果一致。坡度對不同降雨類型,土地利用方式的水土保持效果差異性有影響,低度坡面裸地與其他土地利用方式的蓄水能力在小雨強(qiáng)無顯著性差異,當(dāng)坡度升至15°時(shí),裸地徑流深顯著大于天然草地和灌草地,天然草地的滲透力好,灌草地則經(jīng)培養(yǎng)管理已形成灌叢堆效應(yīng),固土促滲,從而減少坡面流的產(chǎn)生。研究區(qū)平均坡度10°,天然草地在大雨強(qiáng)情況下的水土保持效果顯著高于其他土地利用方式,因此天然草地對徑流泥沙的攔截作用適用于低度坡面,灌草地則對較高的坡面具有良好蓄水保土效益,該研究結(jié)果于幸艷等[22]基本一致。

4 結(jié) 論

(1) 研究區(qū)降雨類型主要可分為3類,A類歷時(shí)短、雨量集中、高強(qiáng)度;B類雨量較多、歷時(shí)較短、中強(qiáng)度;C類歷時(shí)長、小雨強(qiáng)、雨量分散,C類雨型導(dǎo)致水土流失能力最弱。

(2)P與H,R,C和Ms(除人工草地和農(nóng)作物地外)均呈正相關(guān)關(guān)系,且與C和Ms呈極顯著(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系;T和I30max與H,R,C和Ms均呈正相關(guān)關(guān)系,IAVG與H,R,C和Ms在裸地呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,Gd與C在人工草地、喬木林地、農(nóng)作物地和裸地呈顯著(p<0.05)或極顯著(p<0.01)正相關(guān)關(guān)系。

(3) 次降雨的H和R與C和Ms均具有極顯著(p<0.01)的正相關(guān)關(guān)系,A,B類降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙,排列順序?yàn)閱棠玖值?灌草地<人工草地<天然草地<農(nóng)作物地<裸地;C類降雨產(chǎn)流,排列順序?yàn)閱棠玖值?天然草地<灌草地<人工草地<農(nóng)作物地<裸地,產(chǎn)沙,排列順序?yàn)槿斯げ莸?喬木林地<天然草地<灌草地<農(nóng)作物地<裸地。相同土地利用方式徑流深和土壤流失量排序?yàn)镃

(4) 不同雨型各土地利用方式的徑流深或土壤流失量對坡度的響應(yīng)表現(xiàn)略有差異主要存在于裸地、農(nóng)作物地與其他土地利用方式。C型降雨土壤侵蝕力弱,導(dǎo)致各坡度土地利用方式的產(chǎn)流產(chǎn)沙表現(xiàn)基本一致,同時(shí)15°坡度較大直接影響徑流的沖刷能力,加劇各土地利用方式的水土保持效果差異。