陽坡小流域徑流場產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究

孫雁君 張 敏

（山西省水土保持科學研究所）

黃土高原是我國水土流失重災區(qū)，惡劣的自然條件和不合理的土地利用方式，進一步加劇了水土資源破壞和生態(tài)環(huán)境惡化，成為阻礙區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和推進生態(tài)文明建設的總根源。小流域是黃土高原水土流失的基本單元，掌握小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，研究針對性防治措施，對于加快黃土高原水土流失綜合治理、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和生態(tài)經(jīng)濟環(huán)境具有重大意義。為此，我所于2012年在陽坡小流域建立徑流場，開展降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙定位連續(xù)監(jiān)測。基于徑流場2015-2017年的監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，定量分析了小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征和不同水土保持措施對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，可為水土保持生態(tài)環(huán)境建設提供理論支撐。

1 監(jiān)測區(qū)概況

研究區(qū)地處黃河一級支流汾河上游，位于太原市陽曲縣北小店鄉(xiāng)陽坡小流域，地理坐標為東經(jīng)112°14′31″、北緯38°14′34″。流域內(nèi)的溝道呈葉脈狀分布，具有較為典型的黃土高原地貌特征，自然條件較差，土壤侵蝕類型以水蝕為主，屬石質(zhì)山地低覆被中度侵蝕類型區(qū)（Ⅲ）。年均降水量500 mm，其中4-10月份降雨量占年降水量80%以上，暴雨集中發(fā)生在7-8月份，強度大、歷時短，是引起水土流失的主要外動力。年均氣溫9.6℃，無霜期188 d。土壤以褐土為主，主要類型有淋溶褐土和山地褐土。自然植被以油松、楊樹、樺樹、沙棘、虎榛子、蒿草、菅草等為主，農(nóng)作物以谷子、馬鈴薯、胡麻為主，植被覆蓋率低。該小流域經(jīng)過多年的水土流失綜合治理，治理度達到了70.7%，在其內(nèi)建立徑流場進行水土流失監(jiān)測具有一定的代表性。該監(jiān)測點2012年經(jīng)水利部驗收通過，現(xiàn)已列入全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目范疇。

2 監(jiān)測內(nèi)容與方法

2.1 徑流小區(qū)布設

根據(jù)《水土保持監(jiān)測技術規(guī)程》（SL277-2002）和《水土保持監(jiān)測設施通用技術條件》（SL342-2006）規(guī)定，陽坡小流域徑流場共集中布設了10個標準徑流觀測小區(qū)，每個小區(qū)水平投影面積100 m2（長20 m×寬5 m），土壤條件均一，坡度分18°和15°兩種。小區(qū)邊界采用不滲水、不吸水的水泥預制板材料，基礎埋深30 cm，地表出露20 cm。小區(qū)之間設有保護帶，以消除邊界效應。排洪系統(tǒng)設置在易受洪水威脅的徑流小區(qū)上部和左右兩側(cè)，以防止外來水進入小區(qū)。集流槽位于徑流小區(qū)下部，采用金屬板材料，槽身表面光滑，不易攔掛泥污。分流桶和集流桶安置在小區(qū)下方階梯式平臺上，采用鍍鋅鐵皮制作，長方體結(jié)構(gòu)，規(guī)格：長60 cm×寬60 cm×高70 cm，桶頂部均進行加蓋處理。分流桶采用一級分流形式，內(nèi)部放置過濾網(wǎng)以防止雜草等雜物堵塞分流孔；前壁設有7個大小一致、排列均勻的分水孔，孔高40 cm；中間一孔連接導流管，溢流由中間一孔導入集流桶中。徑流小區(qū)基本情況詳見表1。

表1 徑流小區(qū)基本情況

2.2 監(jiān)測內(nèi)容和方法

根據(jù)監(jiān)測區(qū)的降雨分布特點，每年的監(jiān)測時段均為4-10月，在自然降水條件下主要監(jiān)測以下數(shù)據(jù)。

2.2.1 降雨量

在徑流場內(nèi)設置太陽能自動氣象站，利用翻斗式數(shù)字雨量計，全天候?qū)崟r觀測日降雨量、次降雨量及降雨過程等，數(shù)據(jù)采集時間間隔設定為5 min。主要監(jiān)測指標有降雨起止時間、降雨歷時、降雨量、降雨強度、最大30 min雨強I30、降雨侵蝕力等。

2.2.2 產(chǎn)流量

為防止徑流水分蒸發(fā)或測流設備漏水造成的徑流量減少，每次降雨產(chǎn)流后及時觀測分流桶和集流桶內(nèi)水位，每個桶各重復測量3次，取算術平均值求得次徑流量。將一年中的次徑流量累加得到年徑流量，經(jīng)單位換算得年徑流深。主要監(jiān)測指標有產(chǎn)流次數(shù)、小區(qū)徑流量、徑流深、徑流系數(shù)等。

2.2.3 產(chǎn)沙量

產(chǎn)流量測量結(jié)束后，按小區(qū)對分流桶和集流桶進行泥沙取樣，每桶各取3個重復樣，取樣結(jié)束后將樣品帶回室內(nèi)，采用烘干法測定次降雨徑流含沙量，并結(jié)合徑流量計算出次降雨侵蝕產(chǎn)沙量。若集流槽內(nèi)有泥沙沉積，則將泥沙全部取出晾干、稱重，參與泥沙總量計算。將年內(nèi)次降雨侵蝕產(chǎn)沙量累加，得年降雨侵蝕產(chǎn)沙量。主要監(jiān)測指標有含沙量、土壤流失量等。

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果

降雨是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要動力。2015-2017年間的4-10月，共監(jiān)測到降雨46次，其中：2015年14次，降雨量379.0 mm；2016年16次，降雨量444.2 mm；2017年16次，降雨量532.0 mm。10個徑流小區(qū)三年間的降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙監(jiān)測結(jié)果詳見表2。

表2數(shù)據(jù)，經(jīng)皮爾森相關性檢驗，降雨量與產(chǎn)流量呈顯著性相關（P<0.01），相關系數(shù)0.470，產(chǎn)流量隨降雨量的增加而增加。10個小區(qū)三年間的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量，分別與產(chǎn)流次數(shù)呈顯著性相關（P<0.01），相關系數(shù)分別為0.736和0.707，即產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均隨產(chǎn)流次數(shù)的增加而增加。

3.2 產(chǎn)流分析

從2015-2017年徑流場的累計產(chǎn)流結(jié)果（圖1）可以看出：首先，在降雨量相同的條件下，由于缺乏植被覆蓋，產(chǎn)流次數(shù)最多、產(chǎn)流量最大的是裸地小區(qū)，其中Sxyp008小區(qū)三年間的徑流深總計可達252.5 mm，產(chǎn)流總量位居第一；Sxyp003小區(qū)徑流深為235.8 mm，與前者無明顯差異。其次，產(chǎn)流量較大的為農(nóng)地小區(qū)，其產(chǎn)流次數(shù)僅次于裸地小區(qū)，主要原因是農(nóng)地小區(qū)不僅作物種植密度較稀、作物蓋度較低，而且耕作時所受人為擾動程度較大之故；Sxyp010小區(qū)（馬鈴薯）徑流深為176.9 mm，Sxyp009小區(qū)（胡麻）徑流深為138.3 mm，兩者產(chǎn)流量存在的差異，可能與馬鈴薯作物蓋度低于胡麻，并且主要收獲部分生長在地下，其生長必定會對土壤結(jié)構(gòu)造成一定程度的影響有關?；牡匦^(qū)的產(chǎn)流量明顯小于裸地和農(nóng)地，其原因主要是自然植被密度較大、覆蓋度較高，且土壤基本不受人為干擾，對坡地徑流具有一定的調(diào)節(jié)作用，故產(chǎn)流量較??；Sxyp004小區(qū)的植被覆蓋度低于Sxyp007小區(qū)5%，故Sxyp004小區(qū)徑流深36.0 mm，Sxyp007小區(qū)徑流深20.2 mm，由此可見，植被蓋度對產(chǎn)流量影響很大。

表2 徑流場產(chǎn)流產(chǎn)沙監(jiān)測成果表

圖1 2015-2017年徑流場累計產(chǎn)流結(jié)果分析

由圖1可知，水土保持措施小區(qū)的保水效益明顯，并且不同措施間還表現(xiàn)出一定的差異。Sxyp005小區(qū)（油松）、Sxyp006小區(qū)（黃刺玫）均為植物措施，植物地上部枝葉截流效果較好，地下根系對土壤結(jié)構(gòu)和入滲能力具有一定的改善作用，可以儲存和疏導水分，進而減少坡面徑流的產(chǎn)生，起到了較好的保水效果。Sxyp005小區(qū)較Sxyp006小區(qū)，其植被覆蓋度低15%，前者徑流深為20.1 mm，而后者徑流深僅為8.6 mm。

為了研究水土保持措施對坡面產(chǎn)流的控制作用，在10個徑流小區(qū)中選取坡度相同主要依靠自然恢復植被的荒地Sxyp004小區(qū)作為對照小區(qū)，Sxyp005、Sxyp006小區(qū)的徑流深分別比對照小區(qū)減少15.9 mm和27.4 mm，其保水效益分別達44.17%和76.11%。Sxyp001、Sxyp002小區(qū)除植物措施外，還修建了工程措施，魚鱗坑+黃刺玫小區(qū)的徑流深為5.3 mm，魚鱗坑+油松小區(qū)的徑流深為4.3 mm，兩者差異甚微，其中后者的產(chǎn)流總量在所有小區(qū)中最小。與同坡度的對照小區(qū)相比較，Sxyp001、Sxyp002小區(qū)的徑流深分別減少30.7mm和31.7 mm，保水效益分別達85.28%和88.06%。

3.3 產(chǎn)沙分析

根據(jù)表2，通過對徑流場各小區(qū)2015-2017年的土壤侵蝕產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量進行回歸分析，結(jié)果均呈顯著正相關（P<0.01），相關系數(shù)為0.940，即徑流深越大，土壤侵蝕產(chǎn)沙量越大，兩者的變化趨勢一致。產(chǎn)沙量最大的為裸地小區(qū)，其次為農(nóng)地小區(qū)（見圖2）。三年間的累計土壤流失量：裸地小區(qū)中的Sxyp008最大，達4 702.12 t/km2；Sxyp003小區(qū)次大，為3 647.07 t/km2；農(nóng)地小區(qū)Sxyp010（馬鈴薯）第三，為3 002.80 t/km2；Sxyp009小區(qū)（胡麻）第四，為1 485.31 t/km2。Sxyp010小區(qū)是Sxyp009小區(qū)的2.02倍，可見坡地耕作極易導致發(fā)生嚴重的水土流失，由于作物種類不同，種植方式與密度不同，雨季的植物蓋度也不同，故水土流失程度有所差異。

除上述小區(qū)外，其余6個徑流小區(qū)盡管也產(chǎn)生了一定的徑流，但其含沙量很低，因此土壤流失量均非常小。荒地小區(qū)Sxyp004和Sxyp007，自然植被生長較快，覆蓋度較高，具有較強的抗沖保土能力，故產(chǎn)沙量較小，土壤流失量分別為73.14 t/km2和44.31 t/km2，其產(chǎn)沙量遠小于裸地和農(nóng)地。由此可以得出結(jié)論，在具有一定降水量的水土流失地區(qū)，通過生態(tài)的自我修復能力恢復植被，可加快水土流失防治速度，使生態(tài)環(huán)境走向良性循環(huán)。

圖2 2015-2017年徑流場累計產(chǎn)沙結(jié)果分析

植物措施小區(qū)Sxyp005（油松）的土壤流失量為65.67 t/km2，Sxyp006小區(qū)（黃刺玫）土壤流失量為54.95 t/km2。將相同坡度的荒地小區(qū)Sxyp004作為對照，則土壤流失量分別減少7.47 t/km2和18.19 t/km2，二者的保土效益分別為10.21%和24.87%。具備工程措施和植物措施的Sxyp001、Sxyp002小區(qū)，土壤流失量甚微，魚鱗坑+黃刺玫小區(qū)為38.96 t/km2，魚鱗坑+油松小區(qū)僅為29.51 t/km2，其累計產(chǎn)沙總量在所有小區(qū)中最少。與對照比較，Sxyp001、Sxyp002小區(qū)的土壤流失量分別減少34.18 t/km2和43.63 t/km2，二者的保土效益達46.73%和59.65%。由此說明，在降雨、地形和土壤條件均相同的情況下，坡地采用工程整地后栽種植物，水土流失可以得到有效控制，效果顯著。

4 結(jié)論與討論

（1）降雨量對產(chǎn)流量有顯著影響，呈正相關關系，但降雨量與產(chǎn)沙量無顯著相關性。產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均隨產(chǎn)流次數(shù)的增加而增加，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量之間具有極顯著的相關性。

（2）影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的因素眾多，且作用過程復雜，除降雨因素外，不同的土地利用類型與植被覆蓋度對水土流失的影響不同，裸地小區(qū)的徑流量和土壤流失量最大，農(nóng)地小區(qū)次之，荒地小區(qū)居中，而水土保持措施小區(qū)的徑流量和土壤流失量最小。

（3）植物措施作為水土保持措施的重要組成部分，在防治水土流失、保水保土方面起著積極的重要作用。林草植被通過林冠截流、林下草灌和枯枝落葉層的攔蓄滯流，以及植物根系對土壤的固結(jié)作用，從而可實現(xiàn)保持水土、涵養(yǎng)水源、改善土壤肥力。產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與地表植被覆蓋度關系密切，植被覆蓋度越高，其產(chǎn)流產(chǎn)沙量越小，防治水土流失的效果越好。因此，在黃土高原地區(qū)治理水土流失中，必須把植被恢復與再造作為重要手段。分析研究結(jié)果還表明，水土保持工程措施對坡面徑流和泥沙具有較好的削減作用，對緩解小流域坡地水土流失具有重要意義。因此，在水土流失治理中，必須采取植物措施與工程措施相結(jié)合。