西部黃土丘陵區(qū)降雨特征及其對(duì)坡地土壤侵蝕的影響

周子淵，王 立，王小平，馬海龍，李夢(mèng)茹

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所，甘肅 定西743000）

水土資源是人類生存最基本的條件，水土流失直接影響到水、土資源的開發(fā)、利用和保護(hù)問題。黃土高原西部黃土丘陵溝壑區(qū)屬旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，降雨分布不均且水土流失嚴(yán)重。保蓄土壤水分，減少地表徑流，提高降水利用率，是發(fā)展該區(qū)旱作農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵［1］。由定西安家溝流域黃土丘陵溝壑區(qū)的土壤理化性質(zhì)及其氣候條件決定，水力侵蝕是造成該區(qū)域水土流失的主要侵蝕方式，而降雨侵蝕是該區(qū)域水力侵蝕的主要發(fā)生形式。降雨對(duì)土壤侵蝕的影響已有較多研究，包括降雨侵蝕力、侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)以及降雨對(duì)不同地區(qū)土壤侵蝕的影響等［2－7］。魏天興［8］對(duì)黃土殘塬溝壑區(qū)降雨侵蝕的研究表明，場(chǎng)降雨量、降雨強(qiáng)度與小流域產(chǎn)沙模數(shù)呈線性相關(guān)，防止暴雨侵蝕是防治黃土殘塬溝壑區(qū)水土流失的關(guān)鍵。本文通過對(duì)天然降雨在不同土地利用條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其規(guī)律的研究，以期探索出能夠提高坡耕地土壤保水能力、減少水土流失的土地利用方式，為推動(dòng)甘肅黃土高原西部旱作農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和進(jìn)一步研究區(qū)域水土保持綜合治理提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)域處于黃土高原西部黃土丘陵溝壑區(qū)的定西市水土保持科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)基地，海拔約2 000m，年平均氣溫6.3℃，≥0℃積溫2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃，極端最高溫度34.3℃，最低溫度－27.1℃，空氣相對(duì)濕度 65.8%，年日照時(shí)數(shù)2 408.6h，無霜期141d。多年平均降水量427mm，年蒸發(fā)量1 510mm，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤類型為典型的黃綿土，土質(zhì)綿軟，土層深厚，質(zhì)地均勻，儲(chǔ)水性能良好；0—20cm土壤容重平均為1.17g／cm3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率21.9%。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共設(shè)兩組試驗(yàn)，分別在10°，15°的坡地上進(jìn)行，每組試驗(yàn)選擇4個(gè)不同處理，試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)小區(qū)均為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，各小區(qū)配備自記雨量計(jì)，記錄每次降雨的降雨量及其過程。小區(qū)下部布設(shè)V型集流槽連接徑流收集池，池內(nèi)放置容量為13.5L的集流桶，用以收集徑流和泥沙。如表1所示，兩組試驗(yàn)按照生長(zhǎng)的植物種類各設(shè)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，分別為：對(duì)照小區(qū)荒地（W）、春小麥（SW）、灌木林沙棘（H）、喬木林油松（P）。8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)布設(shè)在同一小氣候區(qū)域內(nèi)，其中荒地、春小麥的面積為5m×10m，灌木林沙棘、喬木林油松的面積為10m×10m。

表1 各試驗(yàn)小區(qū)基本立地條件

2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

降雨量及其過程采用自記雨量計(jì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。不同處理的降雨產(chǎn)沙量及其產(chǎn)沙過程與徑流過程同步，人工測(cè)定，在開始產(chǎn)流后，每5min測(cè)量1次徑流，在集流桶中用體積法求得渾水總量（ml），同時(shí)采集混合水樣500ml，將徑流樣靜置24h，除去上層清水，余下的用濾紙濾得泥沙，烘干8h稱重，測(cè)定徑流樣泥沙含量。試驗(yàn)準(zhǔn)備階段盡量減少對(duì)地表破壞，保持地表原狀。

2.2.1 徑流量及侵蝕量測(cè)定 徑流產(chǎn)生后，每5min在集流桶中用體積法求得渾水總量（ml），同時(shí)采集混合水樣500ml，過濾后烘干稱重，計(jì)算水樣的泥沙含量，進(jìn)一步計(jì)算侵蝕量。侵蝕量＝

2.2.2 統(tǒng)計(jì)分析 采用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同處理對(duì)產(chǎn)流時(shí)間和徑流量的影響

在多次降雨中選取1次典型天然降雨進(jìn)行分析（2011年8月20日），選取標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)家氣象部門規(guī)定的大雨為降雨強(qiáng)度12h內(nèi)降雨量達(dá)到15～29.9mm，或24h內(nèi)降雨量達(dá)到25～49.9mm的降雨，及試驗(yàn)地降雨土壤侵蝕發(fā)生程度來確定。該次降雨其降雨量為28mm，降雨歷時(shí)52，30min平均降雨強(qiáng)度為32.3mm／h，屬于典型的大雨并在試驗(yàn)地造成明顯的降雨土壤侵蝕，研究本次降雨土壤侵蝕過程具有較好的代表性。不同處理的地表徑流過程如圖1所示，無壤中流產(chǎn)生。

如圖1所示，在降雨初期5min，降雨強(qiáng)度不足10mm／h，各處理都沒有產(chǎn)流。持續(xù)5min的低強(qiáng)度降雨，已逐步濕潤(rùn)土層，土壤表層的入滲率減小。而在降雨強(qiáng)度突然增至16.4mm／h時(shí)，來不及入滲的雨水形成地表徑流。坡度較大時(shí)不同處理的產(chǎn)流時(shí)間均較早，不同處理產(chǎn)流時(shí)間經(jīng)LSD法檢驗(yàn)差異顯著（p＜0.05），15°荒地產(chǎn)流時(shí)間最早，為6.2min，10°灌木林沙棘產(chǎn)流時(shí)間最晚，為8.93min。相同植被覆蓋下坡度為10°處理的產(chǎn)流時(shí)間較15°處理晚，10°荒地的產(chǎn)流時(shí)間比15°荒地晚1.43min，10°春小麥的產(chǎn)流時(shí)間比15°春小麥晚2.31min，10°灌木林沙棘的產(chǎn)流時(shí)間比15°灌木林沙棘晚2.08min，10°喬木林油松的產(chǎn)流時(shí)間比15°喬木林油松晚1.25min。不同坡度下10°處理的產(chǎn)流時(shí)間早晚順序?yàn)椋?0°灌木林沙棘（10°H）＞10°春小麥（10°SW）＞10°喬木林油松（10°P）＞10°荒地（10°W），15°處理產(chǎn)流時(shí)間早晚順序?yàn)椋?5°灌木林沙棘（15°H）＞15°喬木林油松（15°P）＞15°春小麥（15°SW）＞15°荒地（15°W）。

圖1 2011年8月20日不同處理的地表徑流過程

不同處理徑流量差異顯著，15°春小麥徑流量最大，為23.22m3／hm2；10°灌木林沙棘徑流量最小，為4.07m3／hm2。不同處理的徑流過程都經(jīng)歷了產(chǎn)流、峰值、穩(wěn)定、消減4個(gè)表征時(shí)刻。相同植物覆蓋下10°處理的徑流量較15°處理的小。10°處理在產(chǎn)流25min后徑流量達(dá)到峰值，15°處理在20min后徑流量達(dá)到峰值。這是由于地表面高低不平等微地形的影響，坡地會(huì)滯蓄部分水量，但隨著坡度的增大，坡面變陡，地面的這種滯蓄能力下降，部分被積蓄在洼地的水量隨著坡度的增加匯流速度加快，匯集形成徑流。流域坡度越大，地面的積水、滯水作用越弱，徑流量越多［9］。不同坡度下10°處理的徑流量排序?yàn)椋?0°春小麥＞10°喬木林油松＞10°荒地＞10°灌木林沙棘，15°處理的徑流量排序?yàn)椋?5°春小麥＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞15°喬木林油松。

3.2 次降雨條件下不同處理土壤侵蝕量的影響

由圖2可以看出，不同處理的侵蝕量差異顯著，15°春小麥侵蝕量最大，為1 132.29kg／hm2，10°灌木林沙棘侵蝕量最小，為19.51kg／hm2。在次降雨條件下不同處理的土壤侵蝕過程都經(jīng)歷了發(fā)生、峰值、消減3個(gè)表征時(shí)刻。相同植被覆蓋下10°處理的侵蝕量較15°處理的小。10°處理在產(chǎn)流20min后侵蝕量達(dá)到峰值，15°處理在產(chǎn)流15min后侵蝕量達(dá)到峰值。侵蝕量峰值出現(xiàn)的時(shí)間和徑流量峰值出現(xiàn)的時(shí)間并不一致，這是因?yàn)樵诮涤瓿跗?，地表含水量極低，雨滴降落到地面發(fā)生擊濺侵蝕，濺起表層干燥土壤，雨滴的濺蝕作用明顯，所以在徑流峰值出現(xiàn)之前侵蝕量達(dá)到了峰值。隨著降雨時(shí)間的推移，地表形成結(jié)皮，侵蝕量出現(xiàn)消減［10］。盡管降雨量、降雨侵蝕力對(duì)泥沙流失量產(chǎn)生影響，但泥沙最終通過徑流流失，所以徑流對(duì)泥沙流失量影響最大［11］。當(dāng)10°，15°處理徑流量達(dá)到峰值時(shí)，10°，15°處理的侵蝕量達(dá)到侵蝕量消減階段的最大值。不同坡度下10°處理的侵蝕量排序?yàn)椋?0°春小麥＞10°喬木林油松＞10°荒地＞10°灌木林沙棘，15°處理的侵蝕量排序?yàn)椋?5°春小麥＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞15°喬木林油松。

圖2 2011年8月20日不同處理的產(chǎn)沙過程

3.3 次降雨條件下不同處理水土保持效應(yīng)分析

由圖1和圖2可以看出，該次降雨不同處理其徑流總量、侵蝕總量排序均為：15°春小麥＞10°春小麥＞10°喬木林油松＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞10°荒地＞15°喬木林油松＞10°灌木林沙棘。15°處理的徑流總量、侵蝕總量分別是10°處理的1.11，1.36倍。10°荒地與15°荒地相比，徑流總量、侵蝕總量分別減少了36.1%，17.54%；10°春小麥與15°春小麥相比，徑流總量、侵蝕總量分別減少了16.35%，12.25%；10°灌木林沙棘與15°灌木林沙棘相比，徑流總量、侵蝕總量分別減少了39.31%，77.04%；10°喬木林油松與15°喬木林油松相比，徑流總量、侵蝕總量分別增加了67.63%，85.96%。

層次聚類分析法是目前國(guó)內(nèi)外使用最多的一種方法。這種方法的基本思想是：先將n個(gè)樣品各自看成一類，然后規(guī)定樣品之間的距離和類與類之間的距離［12］。對(duì)2011年8月20日該次降雨各處理的徑流量、侵蝕量進(jìn)行層次聚類分析，取類間距離d＝5時(shí)，不同處理的水土流失狀況分為4個(gè)層次，10°荒地、10°喬木林油松、15°荒地為1個(gè)層次，10°灌木林沙棘、15°喬木林油松為1個(gè)層次，10°春小麥、15°春小麥為1個(gè)層次，15°灌木林沙棘為1個(gè)層次。當(dāng)d＝10時(shí)，不同處理的水土流失狀況分為3個(gè)層次，10°荒地、10°喬木林油松、15°荒地、10°灌木林沙棘、15°喬木林油松為1個(gè)層次，10°春小麥、15°春小麥為1個(gè)層次，15°灌木林沙棘為1個(gè)層次。由此可得，在10°的坡度下，灌木林沙棘的水土保持效應(yīng)優(yōu)于其他3種植物措施，在15°的坡度下，喬木林油松的水土保持效應(yīng)最佳。

3.4 年降雨徑流及土壤侵蝕特征

2011年試驗(yàn)區(qū)年降雨量為372.1mm，侵蝕性降雨量為121.6mm，占年降雨量的32.68%（表2）。侵蝕性降雨集中在6—9月出現(xiàn)，近乎造成了全年土壤侵蝕的發(fā)生。10°荒地處理的年徑流模數(shù)、年侵蝕總量分別比15°荒地處理減少了36.13%，17.53%，10°春小麥處理的年徑流模數(shù)、年侵蝕總量分別比15°春小麥處理減少了15.64%，21.54%，10°灌木林沙棘處理的年徑流模數(shù)、年侵蝕總量分別比15°灌木林沙棘處理減少了60.73%，85.95%，10°喬木林油松處理的年徑流模數(shù)、年侵蝕總量分別比15°喬木林油松處理增加了67.65%，76.49%。不同處理年侵蝕模數(shù)排序?yàn)椋?5°春小麥＞10°春小麥＞10°喬木林油松＞15°灌木林沙棘＞15°荒地＞10°荒地＞15°喬木林油松＞10°灌木林沙棘。這與次降雨條件下各處理徑流總量、侵蝕總量排序基本一致。

表2 不同處理年降雨徑流及土壤侵蝕特征

4 結(jié)論

（1）在次降雨條件下不同處理徑流過程分為產(chǎn)流、峰值、穩(wěn)定、消減4個(gè)過程，土壤侵蝕分為發(fā)生、峰值、消減3個(gè)過程。

（2）在10°，15°的坡度下，灌木林沙棘、喬木林油松分別具有明顯的水土保持效應(yīng)。次降雨條件下，不同處理的徑流總量、侵蝕總量排序均為：15°春小麥＞10°春小麥＞10°喬木林油松＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞10°荒地＞15°喬木林油松＞10°灌木林沙棘。

（3）對(duì)該次降雨各處理的徑流量、侵蝕量進(jìn)行層次聚類分析，取類間距離d＝5時(shí)，不同處理的水土流失狀況分為4個(gè)層次；當(dāng)d＝10時(shí)，不同處理的水土流失狀況分為3個(gè)層次，其中在10°的坡度下，灌木林沙棘的水土保持效應(yīng)優(yōu)于其他3種植物措施，在15°的坡度下，喬木林油松的水土保持效應(yīng)最佳。

（4）通過對(duì)2011年年降雨徑流及土壤侵蝕特征的分析，得出不同處理年侵蝕模數(shù)排序?yàn)椋?5°春小麥＞10°春小麥＞10°喬木林油松＞15°灌木林沙棘＞15°荒地＞10°荒地＞15°喬木林油松＞10°灌木林沙棘。這與次降雨條件下各處理徑流總量、侵蝕總量排序基本一致。再次驗(yàn)證了在10°，15°的坡度下，H，P分別具有明顯的水土保持效應(yīng)。所以結(jié)合試驗(yàn)地的氣候、環(huán)境特點(diǎn)，10°坡面適宜種植灌木林沙棘，15°坡面適宜退耕還林。

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