沙棘灌叢下降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系試驗研究

譚志國

(烏蘇市興禹水利工程建筑有限公司，新疆 烏蘇 834700)

我國的國土面積廣大，各地的自然環(huán)境存在明顯的差異，水土流失分布的范圍廣大，流失的強度大[1]。新疆維吾爾自治區(qū)地處我國西北干旱、半干旱區(qū)域，屬于溫帶大陸性半干旱氣候[2]。特殊的自然條件決定了新疆地區(qū)是一個生態(tài)環(huán)境比較脆弱、惡劣的區(qū)域。目前，新疆水土流失總面積已經(jīng)達(dá)到8.7×104km2，其中強烈侵蝕面積為0.25×104km2[3]。沙棘屬于胡頹子科沙棘屬植物，具有極強的生態(tài)適應(yīng)性。沙棘的根系較淺，且水平根系比較發(fā)達(dá)，長度可超過10 m，具有較強的抗干旱，耐嚴(yán)寒和耐貧瘠能力，在栽植之后可以快速郁閉成林，覆蓋地表，具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益，已經(jīng)成為我國西北地區(qū)水土保持的先鋒樹種[4]?；诖耍舜窝芯客ㄟ^現(xiàn)場試驗的方式，探討沙棘灌叢下降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，為沙棘防護(hù)固沙工程建設(shè)提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)伊寧市巴彥岱鎮(zhèn)干溝村境內(nèi)，屬于伊犁河谷地帶。該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，同時也是新疆降雨最多的地區(qū)，雨水比較充沛，氣候條件比較濕潤，年均降雨量為465 mm左右，年最高氣溫9.2℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-40℃，年均日照時數(shù)為3 614 h。研究區(qū)的土壤類型主要是灰鈣土和草甸土，從屬種上看分別是洪積黃土中夾雜灰黃土以及下黏灰黃土。由于伊犁河谷地區(qū)每年4月份有潮濕的西風(fēng)氣流進(jìn)入，受抬升作用的影響，會在河谷的山前地帶產(chǎn)生比較豐富的降雨，并且這種降雨以短時強降雨為主，極易造成水土流失[5]。

1.2 試驗方法

為了研究沙棘從下降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系，選擇研究區(qū)內(nèi)沙棘灌叢地作為研究對象，并在坡面地上設(shè)置兩個微型徑流小區(qū)，分別為沙棘的老年林和幼年林，其編號分別為樣地1和樣地2。樣地的大小為4 m×1 m。其場地的基本特征見表1。其中，1號樣地內(nèi)并不是純沙棘叢，其中夾雜有部分毛山楂和榆樹，沙棘叢下的草本覆蓋度為70%左右，主要的草本植物為野草莓以及青蒿等。2號樣地為人工栽植的幼年沙棘叢，栽植前為天然草地，叢下的草本植物主要是青蒿、敗醬草和龍牙草等。

表1 試驗徑流場地的特征

在每個徑流場地坡面上，使用寬度30 cm鋼板插入地下20 cm，其主要目的是防止雨滴的擊濺影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。在每個徑流小區(qū)的底部接上底部長度為1.0 m的三角槽，使地表徑流通過三角槽流入廣口瓶[7]。

在場地外布置一臺便攜式自動氣象站，對氣象條件進(jìn)行觀測和記錄，其配備的雨量計精度為1 mm。試驗中將2020年的4-10月份作為觀測期，在此階段內(nèi)共記錄有28場次比較明顯的降雨，其降雨總量為483 mm，比年均降雨量略高，但屬于正常波動范圍，因此試驗結(jié)果可以代表當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況。按照國家氣象局的雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，其中有小雨19場，中雨5場，大雨和暴雨均為1場。試驗中在當(dāng)年的4-6月份進(jìn)行徑流場觀測，觀測期內(nèi)總共有8次產(chǎn)生降雨徑流的侵蝕性降雨，其中最小降雨量為4 mm，最大降雨量為44 mm。8次降雨的主要特征見表2。

表2 降雨特征統(tǒng)計表

在模擬降雨結(jié)束之后，將全部徑流和泥沙用容積為2 000 ml的廣口瓶收集，攪拌均勻之后取其中的500 ml測定其中的泥沙含量，將收集的徑流樣品過濾、烘干稱重，獲取侵蝕泥沙的重量，并據(jù)此計算獲取徑流的含沙量和清水徑流深[8]。

對試驗中獲取的數(shù)據(jù)利用Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

在試驗過程中，對樣地1和樣地2在不同降雨場次下的降雨因子以及試驗場地的產(chǎn)流和產(chǎn)沙的特征進(jìn)行記錄和計算，統(tǒng)計結(jié)果見表3。由表3中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出，無論是樣地1的老年沙棘叢林還是樣地2的幼年沙棘叢林，在降雨量達(dá)到4 mm的情況下均可以產(chǎn)生比較明顯的地表徑流和泥沙，而兩個樣地試驗區(qū)中均沒有產(chǎn)生壤中流。

表3 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征試驗結(jié)果

在相同的降雨量下，兩塊試驗樣地的坡面產(chǎn)流量的數(shù)值比較接近，樣地2的徑流量與樣地1相比略大一點。原因可能是樣地2屬于老年沙棘灌叢，其土壤中的非土壤毛管相對較小，土壤的入滲能力相對較差，因此更容易出現(xiàn)產(chǎn)流。從產(chǎn)沙量來看，樣地1的產(chǎn)沙量要略大于樣地2的產(chǎn)沙量。原因可能是老沙棘灌叢地表的草本層與枯落物層的生物量相對較大，對泥沙的攔蓄能力相對較強一點。

2.2 降雨和產(chǎn)流關(guān)系擬合

為了進(jìn)一步探求沙棘叢下樣地的降雨和產(chǎn)流之間的關(guān)系，利用試驗中觀測到的8個場次的降雨和徑流場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在分析過程中，將各場次降雨的雨強與和降雨量的乘積作為分析降雨因子，對產(chǎn)流量之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，根據(jù)回歸分析結(jié)果，獲得兩塊樣地的擬合方程。

樣地1的擬合方程為：

Q=0.061 5×(P×R)1.380 4，n=8，R2=0.887

(1)

樣地2的擬合方程為：

Q=0.064 4×(P×R)1.421 3，n=8，R2=0.914

(2)

其中：Q為產(chǎn)流量，10-3mm；P為降雨量，mm；R為降雨強度，mm/h。

從擬合結(jié)果來看，兩個樣地的產(chǎn)流與降雨因子之間都呈現(xiàn)出比較典型的冪函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)流量隨降雨因子的變化首先緩慢增加，然后急速增大。同時，當(dāng)降雨因子相同的情況下，樣地2的產(chǎn)流量略大，樣地1的產(chǎn)流量略小。原因可能是樣地2的坡度比樣地1略大，同時灌木和草本的覆蓋率相對較低一點。由此可見，沙棘叢林的年齡對產(chǎn)流的影響并不明顯。

2.3 降雨和產(chǎn)沙關(guān)系擬合

為了進(jìn)一步探求沙棘叢下樣地的降雨和產(chǎn)沙之間的關(guān)系，利用試驗中觀測到的8個場次的降雨和徑流場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在分析過程中，將各場次降雨的雨強與和降雨量的乘積作為分析降雨因子，對產(chǎn)沙量之間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，根據(jù)回歸分析結(jié)果，獲得兩塊樣地的擬合方程。

樣地1的擬合方程為：

S=0.030 4×(P×R)1.217 7，n=8，R2=0.893

(3)

樣地2的擬合方程為：

S=0.071 2×(P×R)1.354 7，n=8，R2=0.879

(4)

其中：S為產(chǎn)沙量，10-6t(hm2)-1；P為降雨量，mm；R為降雨強度，mm/h。

從擬合結(jié)果來看，兩個樣地的產(chǎn)沙量與降雨因子之間也呈現(xiàn)為比較典型的冪函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)沙量隨降雨因子的變化呈現(xiàn)出先緩慢增大，后迅速增大的變化特點。同時，當(dāng)降雨因子相同的情況下，樣地2的產(chǎn)流量略大，樣地1的產(chǎn)流量略小。原因可能是樣地2的灌木和草本的覆蓋率相對較低一點，對泥沙的攔蓄作用相對較弱。鑒于兩個樣地的產(chǎn)沙量及變化規(guī)律總體比較接近，認(rèn)為沙棘叢林的年齡對產(chǎn)沙量的影響并不明顯。

3 結(jié) 論

此次研究通過室外試驗的方法，對沙棘叢下降雨和產(chǎn)流、產(chǎn)沙的關(guān)系進(jìn)行研究，并獲得如下主要結(jié)論：

1) 從實驗結(jié)果來看，降雨量大于4 mm時就會產(chǎn)生比較明顯的產(chǎn)流、產(chǎn)沙，說明研究區(qū)的水土流失情況比較嚴(yán)重。

2) 兩塊試驗樣地的產(chǎn)流和產(chǎn)沙特征存在一定的差異性，原因可能和土壤性質(zhì)、坡度以及植被覆蓋度有關(guān)。

3) 產(chǎn)流、產(chǎn)沙和降雨因子之間屬于典型的冪函數(shù)關(guān)系，且沙棘叢林的年齡對產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征不存在顯著影響。