李敏 周珊珊 王普 杜海

［關(guān)鍵詞］ 砒砂巖；水土流失；沙棘；減蝕機(jī)理

［摘 要］ 為揭示在次降雨（暴雨）條件下砒砂巖區(qū)沙棘的減蝕機(jī)理及其影響因子，采用逐步回歸分析法對(duì)砒砂巖區(qū)兩個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的沙棘小區(qū)和裸地小區(qū)2022年觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：沙棘小區(qū)的水土流失量大幅少于裸地小區(qū)，僅為裸地小區(qū)的4%左右；裸地小區(qū)水土流失模型的第一影響因子為最大30 min降雨強(qiáng)度，而沙棘小區(qū)的第一影響因子是降雨侵蝕力，說(shuō)明沙棘覆蓋影響了水土流失成因，改變了產(chǎn)生水土流失的機(jī)理。

［中圖分類號(hào)］ S157[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.013

［引用格式］ 李敏，周珊珊，王普，等.砒砂巖區(qū)沙棘減蝕機(jī)理及其影響因子研究[J].中國(guó)水土保持，2024（3）：51-54，72.

砒砂巖區(qū)是黃土高原侵蝕最劇烈的區(qū)域，被中外專家稱為“世界水土流失之最”，區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)3萬(wàn)～4萬(wàn)t/（km²·a）^[1]。砒砂巖中的蒙脫石、方解石和長(zhǎng)石含量高，巖體孔隙微結(jié)構(gòu)發(fā)育，是砒砂巖抗侵蝕性能差的主要原因^[2]，且砒砂巖成巖程度低，沙粒間膠結(jié)程度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，原巖顆粒粗，孔隙率大，遇水極易崩解，抗水流沖刷能力弱，因此在黃土高原其他地區(qū)治理水土流失效果較好的淤地壩、梯田、水平溝、魚鱗坑等水土保持措施在砒砂巖區(qū)難以推廣應(yīng)用^[3]。

從1986年開(kāi)始，黃河水利委員會(huì)沙棘辦公室協(xié)同內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟（現(xiàn)鄂爾多斯市）先后實(shí)施了一系列砒砂巖區(qū)水土保持工程，形成了砒砂巖區(qū)水土流失治理的“沙棘模式”。1998年水利部沙棘中心啟動(dòng)實(shí)施了“晉陜蒙砒砂巖沙棘生態(tài)工程”，截至2020年底已種植沙棘55萬(wàn)hm²以上，對(duì)砒砂巖區(qū)減洪減沙起到了一定作用。吳永紅等^[4]研究表明，2002—2008年隨著皇甫川、孤山川、窟野河等黃河支流流域內(nèi)沙棘林面積比例逐年增大，沙棘林的減洪減沙量也逐年增加，平均每年總減洪量480.84萬(wàn)m³、總減沙量302.65萬(wàn)t。大面積種植的沙棘對(duì)砒砂巖區(qū)水土保持減蝕如何作用，多年來(lái)一直是管理部門和科技工作者持續(xù)關(guān)注的問(wèn)題。本研究應(yīng)用砒砂巖地區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2022年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)沙棘小區(qū)的次降雨（暴雨）水土保持減蝕機(jī)理及其影響因子進(jìn)行了初步分析和探討。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗圪坨店小流域水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)和達(dá)拉特旗合同溝小流域水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)均位于砒砂巖區(qū)。圪坨店小流域位于黃河一級(jí)支流塔哈拉川上游，流域面積7 km²。合同溝小流域位于黃河流域十大孔兌之一罕臺(tái)川右岸的一級(jí)支流，流域面積127.31 km²。兩條小流域均屬黃河多沙粗沙國(guó)家水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 降雨量

準(zhǔn)格爾旗和達(dá)拉特旗多年平均降水量分別為386.4 mm和310.3 mm。2022年2條小流域各雨量站降水量及降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2.2 徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)

兩條小流域均按照5°、10°和15°共3個(gè)坡度分別設(shè)置了裸地和沙棘徑流小區(qū)。2022年圪坨店小流域水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各徑流小區(qū)均產(chǎn)流11次；合同溝小流域水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)徑流小區(qū)觀測(cè)到的產(chǎn)流次數(shù)不同，其中16^#徑流小區(qū)（15°沙棘）產(chǎn)流5次，10^#徑流小區(qū)（10°沙棘）產(chǎn)流1次，4^#徑流小區(qū)（5°沙棘）小區(qū)產(chǎn)流3次。徑流小區(qū)基本情況和2022年觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、見(jiàn)3。

1.3 研究方法

根據(jù)水文學(xué)和水土保持學(xué)基本原理，徑流小區(qū)的次降雨（暴雨）侵蝕量變化遵循統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，水土保持措施（沙棘林）的減沙效益亦遵循統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。因此，將徑流小區(qū)的次降雨（暴雨）侵蝕量的產(chǎn)生過(guò)程視為一個(gè)灰箱或者黑箱，采用逐步回歸分析方法，篩選具有物理成因概念和含義的解釋因子（自變量）進(jìn)行計(jì)算處理，獲得符合水文學(xué)和水土保持學(xué)基本原理、仿真模擬效果好的計(jì)算結(jié)果，分析砒砂巖地區(qū)沙棘種植對(duì)土壤侵蝕量的影響。理論和研究成果表明^[5-6]，土壤侵蝕量與降雨和沙棘覆蓋等因子之間表現(xiàn)為非線性相關(guān)關(guān)系，因此本研究以非線性回歸計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析模擬。其中：圪坨店小流域徑流小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)較多，滿足統(tǒng)計(jì)分析要求，采用回歸分析方法分析；合同溝小流域徑流小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)較少，采用算術(shù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 裸地小區(qū)水土流失狀況及其影響因子分析

2.1.1 裸地小區(qū)水土流失影響因子分析

全國(guó)水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括降雨量、次降雨強(qiáng)度、最大30 min降雨強(qiáng)度（I₃₀）和降雨侵蝕力（降雨量和降雨強(qiáng)度的復(fù)合因子）等?；诖?，本研究采用2022年圪坨店小流域裸地小區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，用逐步回歸分析法分別計(jì)算降雨量、次降雨強(qiáng)度、I₃₀、降雨侵蝕力及坡度等因子對(duì)裸地小區(qū)水土流失量的影響。在逐步回歸計(jì)算過(guò)程中，I₃₀因子首先進(jìn)入回歸模型，模型相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.670 6，該因子“解釋”了裸地小區(qū)水土流失量超過(guò)43.20%的變化；第二次篩選計(jì)算，坡度因子進(jìn)入回歸模型，模型的相關(guān)系數(shù)提高到0.813 0，兩個(gè)因子共同“解釋”了小區(qū)水土流失量接近63.83%的變化；第三次計(jì)算，又增加了降雨侵蝕力因子，使回歸模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.858 1，3個(gè)因子共同“解釋”了超過(guò)70.91%的水土流失量變化（見(jiàn)表4）。

從土壤侵蝕機(jī)理分析，砒砂巖地區(qū)地表裸露，土壤侵蝕首先產(chǎn)生于雨滴的擊濺，降雨強(qiáng)度越大，產(chǎn)生的擊濺效果越明顯，因此I₃₀因子第一個(gè)進(jìn)入回歸模型，在總“解釋力”中發(fā)揮了超過(guò)50%的作用。其次，坡度也是砒砂巖地區(qū)影響水土流失的重要因素，雨滴擊濺和降雨徑流沖刷造成的水土流失隨坡度的變化而進(jìn)一步變化，坡度因子的加入使回歸模型的“解釋力”增加了20%以上。最后，降雨侵蝕力因子作為補(bǔ)充因子添加到回歸模型中，使回歸模型增加了0.045 1的相關(guān)系數(shù)和7.08%的“解釋力”。

為了分析各自變量因子在回歸模型中對(duì)水土流失量的影響力，引入“標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)”指標(biāo)（見(jiàn)表5）。從表5可以看出，在裸地小區(qū)水土流失回歸模型中，I₃₀的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)（0.456 6）和坡度的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)（0.459 6）比較接近，二者明顯大于降雨侵蝕力因子（0.348 2）。說(shuō)明在砒砂巖地區(qū)，降雨強(qiáng)度和地面坡度為相對(duì)主要的因子，其次降雨侵蝕力也發(fā)揮了一定的影響。

2.1.2 裸地小區(qū)水土流失機(jī)理分析

通過(guò)對(duì)2022年圪坨店小流域3個(gè)裸地小區(qū)的11場(chǎng)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)建立非線性水土流失模型，進(jìn)一步分析砒砂巖區(qū)裸地小區(qū)水土流失特性。將影響力相對(duì)較小的降雨侵蝕力變量相對(duì)固定，即取降雨侵蝕力觀測(cè)值的最大值（A曲面）、中值（B曲面）和最小值（C曲面）3個(gè)固定值，對(duì)坡度進(jìn)行插值，做出三維圖形（見(jiàn)圖1）。

如圖1所示，2個(gè)自變量為最小值時(shí)，3個(gè)曲面比較接近，圖形開(kāi)口很小；當(dāng)2個(gè)自變量為最大值時(shí)，3個(gè)曲面的距離增大，圖形開(kāi)口變大?？梢?jiàn)，小雨強(qiáng)和小坡度產(chǎn)生的水土流失量小，隨著雨強(qiáng)的增加和坡度的增大，水土流失量迅速增加，這一現(xiàn)象符合以往的研究結(jié)果。由于裸地小區(qū)水土流失量對(duì)I₃₀和坡度因子的響應(yīng)程度基本相同，因此該曲面從低到高，相對(duì)于I₃₀和坡度坐標(biāo)大體對(duì)稱。

此外，分析影響力相對(duì)較小的降雨侵蝕力對(duì)水土流失量的影響。當(dāng)降雨侵蝕力為29 MJ·mm/（hm²·h）時(shí)，單位面積水土流失量為11.5 t/hm²；當(dāng)降雨侵蝕力為1 025 MJ·mm/（hm²·h）時(shí)，單位面積水土流失量增加到22.5 t/hm²，此時(shí)降雨侵蝕力增加了超過(guò)30倍，但水土流失量?jī)H增加了1倍多；當(dāng)降雨侵蝕力再增加到2 022 MJ·mm/（hm²·h）時(shí)，單位面積水土流失量將超過(guò)44 t/hm²，此時(shí)降雨侵蝕力僅增加了近1倍，但單位面積水土流失量增加了約1倍。這說(shuō)明在降雨侵蝕力相對(duì)較小時(shí)，降雨侵蝕力的變化對(duì)水土流失量的影響力相對(duì)較小，當(dāng)降雨侵蝕力數(shù)值較大時(shí)，其變化對(duì)水土流失量產(chǎn)生的影響會(huì)明顯增加。

2.2 沙棘小區(qū)減蝕機(jī)理及其影響因子分析

2.2.1 沙棘小區(qū)水土流失影響因子研究

基于2022年圪坨店小流域沙棘小區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，采用逐步回歸分析法分別計(jì)算降雨量、次降雨強(qiáng)度、I₃₀和降雨侵蝕力（降雨量和降雨強(qiáng)度的復(fù)合因子）等因子對(duì)沙棘小區(qū)水土流失量的影響。在逐步回歸計(jì)算過(guò)程中，降雨侵蝕力因子首先進(jìn)入回歸模型，模型相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.765 0，該因子“解釋”了小區(qū)水土流失量超過(guò)57%的變化；第二次篩選計(jì)算，坡度因子進(jìn)入回歸模型，模型的相關(guān)系數(shù)提高到0.858 3，兩個(gè)因子共同“解釋”了小區(qū)水土流失量71.71%的變化；第三次計(jì)算，又增加了I₃₀因子，使回歸模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.907 8，三個(gè)因子共同“解釋”了超過(guò)80%的水土流失量變化（見(jiàn)表6）。

通過(guò)對(duì)指數(shù)回歸系數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（見(jiàn)表7），可以看出，降雨侵蝕力的作用（0.554 3）明顯大于其余兩個(gè)因子，坡度和I₃₀因子的作用比較接近。說(shuō)明在砒砂巖地區(qū)由于沙棘的覆蓋，首先在降雨量和降雨強(qiáng)度的雙重（強(qiáng)化）作用下產(chǎn)生一定的水土流失，其次坡度和I₃₀也分別產(chǎn)生一定的影響。對(duì)照裸地小區(qū)水土流失模型，沙棘小區(qū)水土流失的主導(dǎo)因子發(fā)生了變化，I₃₀對(duì)地表的擊濺侵蝕相對(duì)受到制約，需要降雨量的加持，形成地表徑流沖刷坡面，再通過(guò)坡度因子的影響，產(chǎn)生水土流失。也就是說(shuō)，受沙棘覆蓋影響，與裸地相比，沙棘小區(qū)的水土流失響應(yīng)機(jī)理發(fā)生了變化。

2.2.2 沙棘小區(qū)減蝕機(jī)理分析

降雨是產(chǎn)生土壤侵蝕的原動(dòng)力，是造成水土流失的重要原因。沙棘覆蓋地面，攔截降雨，增加土壤入滲，加上林下植被和枯落物，降低了雨滴對(duì)土壤的擊濺，減少了地表降雨產(chǎn)生的徑流，從而減少了因降雨產(chǎn)生的土壤侵蝕，減輕了水土流失。

對(duì)3個(gè)沙棘小區(qū)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)建立非線性水土流失模型（見(jiàn)圖2），把影響力相對(duì)較小的I₃₀變量相對(duì)固定。從圖2可以看出，由于水土流失量對(duì)降雨侵蝕力因子響應(yīng)敏感，因此該曲面呈從低到高（扭曲）偏向于降雨侵蝕力坐標(biāo)，即坡度坐標(biāo)處的水土流失量變化相對(duì)較緩，而降雨侵蝕力坐標(biāo)處的水土流失量變化弧度更大。對(duì)比裸地小區(qū)模型，沙棘小區(qū)除了因植被覆蓋使第一自變量變?yōu)榻涤昵治g力因子外，還使坡度因子在影響水土流失量的過(guò)程中發(fā)生了“鈍化”，其影響力相對(duì)小于降雨侵蝕力因子。與裸地小區(qū)不同的是，沙棘小區(qū)曲面在兩個(gè)自變量相對(duì)較小時(shí)，“匍匐地面”較顯著，在降雨侵蝕力和坡度都增加后，水土流失量變化仍然不大。說(shuō)明相對(duì)裸地小區(qū)，沙棘小區(qū)不僅水土流失量的絕對(duì)值減小，而且水土流失量隨自變量變化而變化的“敏感度”降低了。

2.3 沙棘小區(qū)與裸地小區(qū)水土流失量對(duì)比分析

將圪坨店小流域和合同溝小流域沙棘小區(qū)和裸地小區(qū)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表8。從表8可以看出，2022年各坡度沙棘小區(qū)水土流失量均明顯小于相同坡度裸地小區(qū)，沙棘小區(qū)的水土流失量?jī)H是裸地小區(qū)的4%左右。

基于以上結(jié)果，I₃₀取實(shí)測(cè)值最大值，對(duì)圪坨店沙棘小區(qū)和裸地小區(qū)指數(shù)模型進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖3。由圖3可以看出：首先，裸地小區(qū)水土流失量對(duì)降雨侵蝕力的響應(yīng)曲面明顯高于沙棘小區(qū)；其次，隨著外界條件的變化，裸地小區(qū)曲面十分陡峭，而沙棘小區(qū)曲面相對(duì)平緩，說(shuō)明沙棘的覆蓋“鈍化”了水土流失量對(duì)降雨和坡度響應(yīng)的敏感性，即減少了水土流失。

3 結(jié)論

1）砒砂巖區(qū)沙棘覆蓋小區(qū)的次降雨（暴雨）條件下水土流失機(jī)理與裸地小區(qū)略有不同：裸地小區(qū)水土流失直接來(lái)源于降雨強(qiáng)度和坡度的共同作用，而沙棘小區(qū)水土流失需要在降雨強(qiáng)度的基礎(chǔ)上協(xié)同降雨量，形成降雨量和降雨強(qiáng)度復(fù)合因子（降雨侵蝕力），借此“沖擊”沙棘植被“防線”，產(chǎn)生水土流失。受沙棘覆蓋影響，相對(duì)于裸地，沙棘小區(qū)坡度因子的影響被“鈍化”。

2）2022年圪坨店和合同溝沙棘小區(qū)單位面積水土流失量分別為3.34、8.33 t/hm²，沙棘小區(qū)單位面積水土流失量?jī)H為裸地小區(qū)的4%左右，減蝕量分別為74.29 t/hm²和203.26 t/hm²。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王愿昌，吳永紅，李敏，等.砒砂巖地區(qū)水土流失及其治理途徑研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2007：68-70．

[2] 姚文藝，李長(zhǎng)明，張攀，等.砒砂巖侵蝕機(jī)理研究與展望[J].人民黃河，2018，40（6）：1-7，65.

[3] 肖培青，姚文藝，劉慧.砒砂巖地區(qū)水土流失研究進(jìn)展與治理途徑[J].人民黃河，2014，36（10）：92-94，109.

[4] 吳永紅，胡建忠，閆曉玲，等.砒砂巖區(qū)沙棘林生態(tài)工程減洪減沙作用分析[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2011，9（1）：68-73.

[5] 楊振奇，郭建英，秦富倉(cāng)，等.天然降雨條件下裸露砒砂巖區(qū)人工植被的減流減沙效應(yīng)[J].水土保持研究，2022，29（1）：100-104，112.

[6] 秦富倉(cāng)，董曉宇，楊振奇.裸露砒砂巖區(qū)人工林地侵蝕特征及其侵蝕量模擬研究[J].水土保持通報(bào)，2022，42（4）：9-17，41.

收稿日期： 2023-07-25

基金項(xiàng)目： 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2022YFF1300805）；黃河水利委員會(huì)優(yōu)秀青年人才科技項(xiàng)目（HQK-202303）

第一作者： 李敏（1952—），男，江蘇徐州人，教授級(jí)高級(jí)工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樗帘３謹(jǐn)?shù)學(xué)模型。

E-mail： limin173@sina.com

（責(zé)任編輯 李楊楊）