安家溝流域不同植物措施坡耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

劉雪峰，張 富，張佰林，李旭春

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

坡耕地是產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要場(chǎng)所，易引起嚴(yán)重的水土流失，從而導(dǎo)致土層變薄，養(yǎng)分流失，造成地力低下，嚴(yán)重阻礙農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展［1－5］。植被措施是水土保持領(lǐng)域中被廣泛使用的一項(xiàng)可有效防止水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的措施。植被作為生物措施，具有減少和削弱降雨侵蝕動(dòng)能，增加入滲和減少?gòu)搅髁颗c流速，提高土壤抗蝕性與抗沖性，以及固土護(hù)坡的特殊作用［6］。因此本研究通過(guò)對(duì)甘肅省定西市安家溝小流域徑流小區(qū)自然降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的定位觀測(cè)，對(duì)坡耕地不同措施的徑流、泥沙特征及其變化規(guī)律進(jìn)行分析，以期為黃土高原坡耕地綜合治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)設(shè)在甘肅省定西市安定區(qū)鳳翔鎮(zhèn)安家溝小流域。屬中溫帶半干旱區(qū)，該區(qū)年均氣溫6.3℃，年均≥50℃活動(dòng)積溫2 933.5℃，年均≥10℃活動(dòng)積溫2 239.1℃，極端最高、最低氣溫分別為34.3和－27.1℃，年均降水427mm，其中60%以上降雨集中在7—9月份，且多暴雨，空氣相對(duì)濕度65.8%，太陽(yáng)輻射592kJ／（cm2·a），有效生理輻射49%，年日照時(shí)數(shù)2 409h，無(wú)霜期141d，蒸發(fā)量1 510mm，干燥度1.15，屬于中溫帶半干旱氣候。

1.2 研究方法

1.2.1 降雨觀測(cè) 徑流觀測(cè)場(chǎng)配有自動(dòng)雨量觀測(cè)站，通過(guò)采用虹吸式自計(jì)雨量計(jì)SJ1進(jìn)行降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度、最大30min雨強(qiáng)等項(xiàng)目的觀測(cè)。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤陾l件，試驗(yàn)監(jiān)測(cè)選擇在2007—2010年的5—9月進(jìn)行，雨后監(jiān)測(cè)均在降雨后24h內(nèi)完成。1.2.2 徑流、泥沙觀測(cè) 徑流小區(qū)共設(shè)5°，10°，15°和20°這4種坡度級(jí)，措施種類分為農(nóng)作物、人工種草、喬木林、灌木林、封禁5種植物措施的徑流小區(qū)20個(gè)，小區(qū)面積50～100m2，各小區(qū)四周邊緣筑起高出地面15cm的地面分水界，在每個(gè)小區(qū)下面配套有3級(jí)徑流桶（其中兩個(gè)小區(qū)各設(shè)有一個(gè)集流池），以對(duì)每次降雨后的徑流、泥沙進(jìn)行觀測(cè)，各徑流小區(qū)特征詳見(jiàn)表1。徑流量和泥沙量的觀測(cè)均在降雨結(jié)束后進(jìn)行測(cè)定，徑流量在集水池中用體積法求得；泥沙量的測(cè)定為待一次徑流結(jié)束后，將集水池中的水和泥沙充分?jǐn)噭?，取一定體積的水樣，將所取得的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，然后進(jìn)行靜置、過(guò)濾、烘干和稱重。

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕性降雨觀測(cè)結(jié)果

降雨是產(chǎn)生坡面徑流的直接原因，當(dāng)降雨速率大于土壤下滲速率時(shí)或降雨量超過(guò)表層土壤最大需水量時(shí)即會(huì)形成產(chǎn)流。在所有降雨中，只有部分降雨發(fā)生地表徑流，從而引起引起土壤侵蝕，發(fā)生真正意義上的土壤流失，這部分降雨稱為侵蝕性降雨［7］。侵蝕性降雨觀測(cè)結(jié)果詳見(jiàn)表2—3。

表2 降雨觀測(cè)結(jié)果

表1 各徑流小區(qū)特征

1.2.3 植物品種選擇 農(nóng)作物選小麥 （Triticum aestivumL.），播種量為200kg／hm2；喬木林為油松（Pinus tabuliformis Carr.），株行距為2m×3m；灌木林為沙棘（Hippophae rhamnoides L.）株行距1m×1m；紅豆草（Onobrychis viciaefolia Scop.），播種量為100kg／hm2。

表3 時(shí)段內(nèi)侵蝕性降雨特征

從表2中可知，自2007—2010年5—9月試驗(yàn)期間共降雨211場(chǎng)，侵蝕性降雨次數(shù)為27次，占試驗(yàn)期內(nèi)總降雨次數(shù)的12.79%。其中2007年降雨52次，總降雨量299.5mm，占全年降雨量的68.41%，侵蝕性降雨8次，總降雨量149.1mm，占全年降雨量的34.06%；2008年降雨57次，總降雨量320.3mm，占全年降雨量的77.16%，侵蝕性降雨8次，總降雨量164.6 mm，占全年降雨量的39.65%；2009年降雨53次，總降雨量219.4mm，占全年降雨量的67.67%，侵蝕性降雨4次，侵蝕性降雨總量88.1mm，占全年降雨量的27.17%；2010年降雨49次，總降雨量279.1mm，占全年降雨量的72.93%，侵蝕性降雨7次，侵蝕性降雨總量159.2mm，占全年降雨量的41.60%。

從表3可以看出，侵蝕性降雨量多發(fā)生在7—9月，共23次，是所有侵蝕性降雨的85.19%。所有侵蝕性降雨量范圍為10.5～36.6mm，屬于中到大雨［8］。由此可知，試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)生坡面徑流、土壤侵蝕主要來(lái)自少數(shù)幾次的中到大雨；同時(shí)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為大于10mm，與前人的研究結(jié)果一致［9］。

2.2 徑流小區(qū)觀測(cè)結(jié)果

由于試驗(yàn)期內(nèi)產(chǎn)流產(chǎn)沙降雨次數(shù)較多，不便對(duì)每場(chǎng)降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙分別進(jìn)行分析，為此，對(duì)次降雨平均徑流深、泥沙量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析其產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。次降雨平均徑流深和泥沙量統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表4 次降雨平均徑流深、泥沙量觀測(cè)統(tǒng)計(jì)

不同措施徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙能力各不相同。從表4中可以看出，5種措施的次降雨平均徑流深和產(chǎn)沙量差異極大，圖1—2分別為5種措施的次降雨平均徑流深和泥沙量隨坡度變化圖。從圖1可以看出，相同坡度條件下，除5°坡度外，5種植被措施在10°，15°，20°坡度徑流小區(qū)的次降雨平均徑流深大小順序依次為：油松＞小麥＞紅豆草＞封禁＞沙棘，說(shuō)明5種措施的減流能力依次增大，沙棘的減流能力最強(qiáng)；但在5°坡度條件下，5種措施的次降雨平均徑流深差異不很明顯，而隨著坡度增大，其產(chǎn)流量差異顯著，說(shuō)明坡度越大，越能反映措施的減流能力。

從圖2可以看出，相同坡度條件下，除5°坡度外，5種措施在10°，15°，20°坡度上的次降雨平均產(chǎn)沙量大小依次為：小麥＞紅豆草＞油松＞封禁＞沙棘，說(shuō)明5種措施的減沙能力依次增大，沙棘的減沙能力最強(qiáng)；但在5°坡度條件下，5種措施的次降雨平均產(chǎn)沙量差異不很明顯，而隨著坡度增大，其產(chǎn)沙量差異顯著，尤其是在20°坡度條件下，說(shuō)明坡度越大，越能反映措施的減沙能力。

徑流及泥沙流失量的大小也反映了各種植模式下土壤的抗蝕能力［10］。分析可知，沙棘措施的抗蝕能力最強(qiáng)。其中油松的次降雨平均產(chǎn)流深大于小麥和紅豆草，而產(chǎn)沙量卻小于小麥和紅豆草，原因是種植小麥、紅豆草時(shí)對(duì)土壤進(jìn)行了翻耕，使土壤變的疏松，導(dǎo)致其土壤下滲速度快，另一方面，由于土壤疏松，一旦產(chǎn)生徑流，其攜帶的泥沙必然較大，而油松地種植多年后沒(méi)有進(jìn)行過(guò)整地，相對(duì)于小麥、紅豆草的土壤較硬實(shí)，因此其下滲速率低，產(chǎn)流量相對(duì)較大，產(chǎn)沙量反而比小麥、紅豆草小區(qū)的產(chǎn)沙量小。

圖1 各措施不同坡度次降雨平均徑流深

圖2 各措施不同坡度次降雨平均產(chǎn)沙量

2.3 坡度與產(chǎn)流、產(chǎn)沙量相關(guān)分析

坡度是影響降雨徑流、產(chǎn)沙的一個(gè)重要因素。由表4和圖1—2可知，相同措施下，10°坡徑流小區(qū)的次降雨平均徑流深和產(chǎn)沙量均小于20°坡徑流小區(qū)，與前人的研究結(jié)果是一致的，即相同措施下，隨坡度增加，徑流量和產(chǎn)沙量是明顯增加的［11－15］。通過(guò)對(duì)各措施的徑流深、泥沙量與坡度進(jìn)行回歸分析可知，無(wú)論哪一種措施，其次降雨平均徑流深、泥沙量與坡度的相關(guān)關(guān)系非常密切。各措施小區(qū)徑流深與坡度的相關(guān)系數(shù)分別為：沙棘0.746，封禁0.993，油松0.947，紅豆草0.985，小麥0.952；產(chǎn)沙量與坡度的相關(guān)系數(shù)分別為：沙棘0.781，封禁0.841，油松0.976，紅豆草0.947，小麥0.951；均達(dá)到顯著相關(guān)水平。

封禁、紅豆草、油松的徑流深與坡度均為對(duì)數(shù)關(guān)系，其徑流深隨著坡度的增加而增加速率由快到慢，說(shuō)明這3種措施在大坡度上的減流能力較強(qiáng)；小麥的徑深與坡度之間的關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，其徑流深隨著坡度的增大而增加的速率由慢到快，即小麥在小坡度上的減流能力越明顯；封禁、小麥措施的產(chǎn)沙量與坡度的關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)，產(chǎn)沙量隨坡度的增大而增大的速率有大到小，因此二者在大坡度上的減沙能力明顯；紅豆草、油松的減沙量隨坡度的增大而增大的速率有小到大，說(shuō)明二者在小坡度上的減沙能力越大；沙棘的徑流深、泥沙量與坡度的關(guān)系均為線性關(guān)系，增大速率穩(wěn)定。

沙棘的徑流深、泥沙量與坡度的相關(guān)關(guān)系較其他措施小，說(shuō)明坡度因子對(duì)沙棘措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙影響較小，這是沙棘的生物學(xué)特性所決定的，沙棘是一種落葉性灌木，其特性是耐旱、及耐貧瘠，耐冷熱，根系發(fā)達(dá)，須根較多，生長(zhǎng)力旺盛，一般從第二年起，沙棘的生長(zhǎng)就達(dá)到高峰期。因此其植被覆蓋度遠(yuǎn)大于其它措施，林冠截留、枯枝落葉層攔蓄了大量的降水，從而消弱了坡度對(duì)徑流、泥沙的作用。

2.4 徑流深與產(chǎn)沙量相關(guān)分析

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，徑流深與產(chǎn)沙量之間具有一定的相關(guān)關(guān)系，相同措施條件下，產(chǎn)沙量隨著徑流量的增加而增大。通過(guò)20°徑流小區(qū)的徑流深與產(chǎn)沙量的回歸分析結(jié)果可知，各措施的徑流深與產(chǎn)沙量之間存在相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，各小區(qū)相關(guān)系數(shù)分別為：封禁0.871，紅豆草0.997，沙棘0.970，小麥0.982，油松0.992，均達(dá)到極顯著相關(guān)。其中：封禁、沙棘、油松3種措施的徑流與泥沙的關(guān)系為對(duì)數(shù)函數(shù)，產(chǎn)沙量隨徑流增大而增大的速率為由大到小，當(dāng)徑流達(dá)到一定程度后，產(chǎn)沙量趨于穩(wěn)定；紅豆草、小麥的徑流泥沙關(guān)系為冪函數(shù)關(guān)系，2種措施的產(chǎn)沙量隨徑流的增加而增大的速率由小到大，說(shuō)明徑流量越大，對(duì)土壤的沖刷作用越強(qiáng)，挾沙能力越大。由此可見(jiàn)，徑流對(duì)土壤的沖刷作用是泥沙的重要來(lái)源，控制徑流是控制產(chǎn)沙，減少土壤侵蝕的一種有效措施。

3 結(jié)論

（1）安家溝小流域侵蝕性降雨由少數(shù)幾次的強(qiáng)降雨所引起的，多發(fā)生在7—9月，侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)為大于10mm。

（2）5種措施中種植沙棘對(duì)減流、減沙效果最好。因此，種植沙棘是安家溝小流域控制水土流失的有效措施。

（3）相同措施條件下，產(chǎn)沙量隨徑流的增大而增大，而且相關(guān)性非常顯著。因?yàn)楫a(chǎn)流降雨是坡面徑流流失的前提，泥沙流失是伴隨徑流產(chǎn)生的。

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