嚴麗，王飛，2?，穆興民，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

坡面水土保持措施的減沙水代價分析

嚴麗1，王飛1，2?，穆興民1，2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，712100，陜西楊凌;2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，712100，陜西楊凌)

水土保持措施在減少土壤侵蝕的同時也會減少地表徑流，減沙水代價可以直觀說明不同措施同步影響徑流和泥沙的差異。根據(jù)黃土高原溝壑區(qū)西峰、天水的農(nóng)地徑流場多年觀測資料，統(tǒng)計分析不同耕作措施及生物措施的減沙水代價。結(jié)果表明:不同耕作措施和生物措施減沙水代價受最大30 min降雨強度(I30)和坡度影響較大，呈顯著負相關(guān);對于耕作措施和生物措施，當(dāng)I30分別大于0.29和0.48 mm/min時，坡度與措施減沙水代價表現(xiàn)出較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系;耕作措施減沙水代價表現(xiàn)為防沖溝＞淺耕＞深耕，防沖溝較深耕高33.8%;各生物措施減沙水代價表現(xiàn)為低稈作物和高稈作物玉米/黃豆間作＞單作低稈作物扁豆＞中高稈作物冬小麥/蕎麥輪作。

減沙水代價;耕作措施;生物措施;徑流;泥沙

水土流失是一個全球性的問題，它是危及人類生存與發(fā)展的主要環(huán)境問題之一［1］。在黃土高原溝壑區(qū)，坡耕地是重要的耕地資源，是廣大山區(qū)人民賴以生存的基礎(chǔ);但其嚴重的水土流失不僅是黃河泥沙的主要來源之一，也是造成土壤肥力退化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下、生態(tài)環(huán)境嚴重惡化的主要原因:因此，人們長期以來就把坡地水土流失的治理列為水土保持工作的重點。作為解決坡面土壤侵蝕問題的根本途徑［2］，水土保持通過控制地表徑流來抑制土壤侵蝕，在減少泥沙的同時也會減少徑流量，水土保持對地區(qū)水資源、水環(huán)境產(chǎn)生的影響，也引起了人們的廣泛關(guān)注［3］。據(jù)延安市水土保持科研所徑流小區(qū)觀測資料，耕作措施(水平溝)平均可減少徑流29.0%［4］。李玉山［5］認為在黃土高原實施水土流失治理后可使徑流量減少50%左右;劉斌等［6］、冉大川等［7］和王宏等［8］均對涇河、北洛河和渭河流域進行研究，結(jié)果表明坡面水土保持措施可大幅度減小徑流量;景可等［9］的研究也表明，到2050年黃土高原各項水土保持每年至少要減少入黃徑流量60億m3，超過年平均徑流量的10%;曹文洪［10］認為水土保持措施減水作用不容忽視;穆興民等［11－13］研究認為，坡面上的水土保持措施在減沙的同時也減少了地表徑流，但減水量占天然徑流量的比例甚小，并且攔蓄的徑流是維持水土流失區(qū)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展所需的基本生態(tài)用水。上面幾種觀點都說明了水土保持措施對減少坡面徑流量有一定的影響，但影響的程度大小是爭論的焦點。

對于坡耕地，降雨和地形因子對水土流失量有重要影響［14－18］。降雨既是徑流的來源，也是坡面侵蝕產(chǎn)生的原動力之一。眾多研究證實，降雨強度是影響土壤侵蝕最主要的因子且水土流失量隨降水分異發(fā)生變化［14］，地形是構(gòu)成自然環(huán)境的基本要素，它既是影響水土流失的重要因素［17－18］，其本身又是侵蝕在不斷發(fā)展過程中塑造出的產(chǎn)物，與侵蝕之間存在著相互促進和相互制約的關(guān)系;因此，坡面水土保持措施空間布局不同，發(fā)揮的減水減沙作用也不一樣。長期以來，對于不同降雨條件、地形條件下，措施對坡面徑流泥沙的影響程度已有大量研究;但是這些方面的研究一般只分別考慮對徑流量和泥沙量的減少幅度［16－24］，對徑流和泥沙的同步影響程度尚無統(tǒng)一方法，難以直觀說明水土保持措施的減流減沙比和不同措施之間的差異。

王飛等［25－26］提出水土保持措施減沙水代價概念，用于研究不同措施對徑流和泥沙同步影響的差異性。筆者用減沙水代價概念，以地處黃土高原溝壑區(qū)的西峰南小河溝和天水大柳樹溝的坡耕地為研究對象，按照當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)耕習(xí)慣，分析不同坡度和降雨條件下的耕作方式和生物措施(作物種類)的減沙水代價特征，期望對科學(xué)認識不同措施對徑流泥沙同步影響的程度和綜合評價坡面水土保持措施環(huán)境效應(yīng)提供參考，提出服務(wù)于生產(chǎn)實踐的建議，并為水土保持措施的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 分析資料

選取黃土高原西峰南小河溝楊家溝徑流小區(qū)和天水大柳樹溝徑流小區(qū)的徑流場逐次徑流泥沙測驗資料及降雨量摘錄資料作為樣本資料，分析降雨強度、坡度和不同耕作措施、生物措施減沙水代價的關(guān)系。南小河溝楊家溝徑流小區(qū)坡度在3°～20°之間，寬為5 m，水平投影坡長在10～50 m之間，小區(qū)面積為80～500 m2，小區(qū)種植作物為冬麥(Triticum aestivum)、谷子(Setaria millet)和糜子(Panicum miliaceum);天水大柳樹溝徑流小區(qū)坡度在5°～25°，寬為5 m，水平投影坡長為100 m，種植作物為單作扁豆(Dolichos lablab)、間作玉米/黃豆(Zea mays/Giycine max)、輪作冬小麥/蕎麥(Triticum aestivum/Fagopyrum cymosum)。

1.2 分析方法

水土保持措施減沙水代價是指某項水土保持措施在減少坡面或河道單位泥沙時減少的徑流量。評價指標是減流減沙比 (ratio of detained Runoff and Sediment，簡稱為Rrs)，定義為水利、水土保持措施減少的徑流量與減少的泥沙量之比，用下式計算:

式中:Rd、Sd分別為某種水利、水土保持措施減少的徑流量(m3)和泥沙量(t);Rrs為減流減沙比，m3/t。

從定義可以看出，減流減沙比越大，措施減少單位泥沙時減少的徑流量越大，減沙水代價越大。

每個徑流小區(qū)的次降雨最大30 min降雨強度(I30)和坡度分別與不同耕作措施和生物措施的減沙水代價用Excell軟件進行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要耕作措施及生物措施的減沙水代價

由表1可以看出:防沖溝的減沙水代價值介于70.68～39.09 m3/t之間，平均值為54.62 m3/t;深耕為91.19～12.46 m3/t，平均值36.14 m3/t;淺耕為66.94 ～8.31 m3/t，平均值為45.17 m3/t;因此，對于耕作措施而言，就減沙水代價大小來看，防沖溝Rrs最大，較深耕高33.8%。種植低稈作物扁豆減沙水代價值介于68.82～－7.05 m3/t之間，平均值8.56 m3/t;中高稈作物冬小麥和蕎麥輪作減沙水代價為42.17～4.19 m3/t，平均值為7.68 m3/t;低稈作物和高稈作物玉米黃豆間作減沙水代價為39.16～5.69 m3/t，平均值8.74 m3/t;因此，就生物措施減沙水代價大小來看，低稈作物和高稈作物間作Rrs最大，在減少同等量的泥沙時對坡面徑流的影響最大。

表1 主要耕作措施及生物措施減沙水代價Tab．1 Rrsof main different tillage measures and biological measures m3/t

2.2 I30對耕作措施及生物措施減沙水代價的影響

以南小河溝楊家溝12°坡為例，分析3種耕作措施條件下I30對不同耕作措施減沙水代價的影響(圖1)?？梢姡?種耕作措施減沙水代價隨I30增加呈指數(shù)函數(shù)明顯降低。方程y1、y2、y3的決定系數(shù)依次呈減小趨勢，這表明措施減沙水代價表現(xiàn)為防沖溝＞淺耕＞深耕，且前者的平均減沙水代價高于后者最大達33.8%。這主要是由于溝壟耕作改變了坡地微小地形，在坡面上自然形成很多等高蓄水的小梨溝與作物行，這些小溝便可起到攔截徑流，防止水土流失，同時增加了地面糙度，提高降水入滲率，促使其下滲量增大，降低了坡面水流的挾沙力，層層水平溝可減緩徑流速度，減弱徑流沖刷力［27］，在減少泥沙時減少的徑流較大，Rrs較大。淺耕通過改善土壤的結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，特別是增加土壤的大孔隙度，促使土層疏松多孔，提高土壤的滲透率，從而減少徑流量。在降雨強度較小時降雨就地入滲，降雨強度較大時，土壤孔隙就會被堵塞，降雨來不及入滲而產(chǎn)生坡面徑流，泥沙沖刷量增大。而深松耕可以改變土壤物理化學(xué)性質(zhì)、增加水分入滲、提高土壤抗蝕性能;但是，在降雨強度較大時土壤表層比較疏松，更易產(chǎn)生土壤侵蝕，土壤侵蝕量較大，在減少等量泥沙時減少的徑流量較少，Rrs較小。

圖1 最大30 min降雨強度與耕作措施減沙水代價的關(guān)系Fig．1 Relationship between maximum 30－minute rainfall intensity and Rrsof tillage measures

以大柳樹溝14°坡耕地為例，分析降雨強度對不同生物措施減沙水代價的影響(圖2)?？梢钥闯?，隨著I30增加，不同生物措施減沙水代價整體呈降低趨勢。在降雨強度較小時，作物減沙水代價沒有很大區(qū)別;降雨強度較大時，低稈作物和高稈作物玉米/黃豆間作減沙水代價＞單作低稈作物扁豆＞中高稈作物冬小麥/蕎麥輪作。究其原因，在降雨強度較小時，坡面侵蝕較弱，不同作物對徑流泥沙同步影響沒有太大區(qū)別;降雨強度較大時，高稈作物玉米/黃豆間作，增加了地表覆蓋度，從玉米葉面落下的水滴動能消耗在低稈作物黃豆葉面上，從而有效防止濺蝕及對地面的直接打擊［28］，且高稈作物根系較大，對土壤的網(wǎng)絡(luò)固持作用就更加明顯，能攔截更多的徑流，不易產(chǎn)生土壤侵蝕，在減少單位泥沙時對坡面徑流的影響更大。低稈作物扁豆在侵蝕發(fā)生季節(jié)的郁閉度大于冬小麥、蕎麥等中高稈作物的郁閉度，截留降雨的能力增強，作物枝葉緊挨地面，不易產(chǎn)生濺蝕，能夠攔截更多的徑流;因此在降雨強度較小時，降雨可以慢慢入滲，不同作物之間差異不大。但是隨著降雨強度的增大，不同作物攔截徑流泥沙的作用都逐漸減弱且措施減沙水代價差異增大。

圖2 最大30 min降雨強度與生物措施減沙水代價的關(guān)系Fig．2 Relationship between maximum 30－minute rainfall intensity and Rrsof biological measures

2.3 坡度對耕作措施及生物措施減沙水代價的影響

坡度是影響坡耕地坡面徑流和泥沙的關(guān)鍵因素之一，且研究表明坡面土壤侵蝕的臨界坡度是存在的。盡管研究結(jié)果差異很大，但至少證明了土壤侵蝕在坡度小于25°時是隨著坡度增加而增大的，即措施減沙水代價是隨著坡度增加而減小的。圖3是以淺耕為例來分析不同降雨強度下坡度對耕作措施減沙水代價的影響，圖4以單作扁豆為例來分析不同降雨強度下坡度對生物措施減沙水代價的影響。從圖3和圖4中可以看出，坡度較小時，隨著坡度持續(xù)增加直線的斜率也在增大，說明最大30 min降雨強度與耕作措施和生物措施減沙水代價關(guān)系很大程度上受坡度的影響;同時，圖3中從3°到12°、圖4中從5°到14°直線斜率增加較大，而從圖3中12°到19°、圖4中14°到18°直線斜率相對增加較小;耕作措施減沙水代價明顯高于生物措施減沙水代價，且二者所得回歸方程的決定系數(shù)隨坡度增大在減小。

圖3 不同降雨強度下坡度與耕作措施(淺耕)減沙水代價的關(guān)系Fig．3 Relationship between slope and Rrsof tillage measures(shallow plowing)under different rainfall intensity

分析其原因，主要是由于隨著坡度的增加，坡面上土體的最大靜摩擦力減小，穩(wěn)定性降低，在降雨強度相同時，坡度較大的坡面泥沙量較大，同時，坡度增加，坡面徑流移動相同的坡長下降的高度增加，也增加了徑流的動能，泥沙流失量增加，措施在減少單位泥沙時減少的徑流較少，即減沙水代價越小。

另一方面，坡度對坡面入滲、坡面徑流泥沙的影響最終是通過徑流流速體現(xiàn)出來的，坡面侵蝕與坡面徑流量的流速成正比，而坡度大小不僅影響流速，而且影響著滲透量與徑流量。坡度愈小，徑流在坡面上停留的時間愈長，入滲量愈大，隨著坡度的增加，入滲量減小，徑流量增大，徑流潛在侵蝕能量和搬運能量增加。在低坡度時，隨著坡度的增大，因坡度變化而增加的徑流流速較小即增加的入滲較大，而坡面上土體下滑力、水流能量增加較緩，隨著坡度繼續(xù)增加，徑流流速逐漸增大導(dǎo)致入滲量逐漸減小，措施減沙水代價隨坡度增大較大［29］;因此，出現(xiàn)低坡度時，措施減沙水代價隨坡度降低較小，在較大坡度時，措施減沙水代價隨坡度降低較大。

圖4 不同降雨強度下坡度與生物措施(扁豆)減沙水代價的關(guān)系Fig．4 Relationship between slope and Rrsof biological measures(Dolichos lablab)under different rainfall intensity

由于坡面土壤侵蝕機制復(fù)雜，耕作措施(淺耕)在不同坡度上，土層疏松多孔，降雨量入滲較快，土壤侵蝕模數(shù)小，減少單位泥沙時減少的徑流量較大，即Rrs較大;生物措施通過增加地表覆蓋度、降低徑流流速來防止土壤侵蝕，但其減沙水代價遠遠小于耕作措施減沙水代價。在坡度較小時，這2種措施受地表微地形因素影響較小;坡度較大時，坡面產(chǎn)流量大，土壤侵蝕模數(shù)也增大，措施受地表微地形等因素影響的比例相對較大:因此，隨著坡度增大，耕作措施和生物措施線性回歸方程的決定系數(shù)呈減小趨勢。

圖5是不同坡度分別與淺耕措施在最大30 min降雨強度為0.16、0.20、0.29和0.52 mm/min條件下的減沙水代價回歸方程。從圖5可知，從小降雨強度到大降雨強度，坡度與耕作措施減沙水代價很大程度上受降雨強度大小影響，呈降低趨勢。在坡度較小時，不同降雨強度對耕作措施Rrs影響很小，隨著坡度增加，耕作措施減沙水代價呈明顯降低趨勢。當(dāng)降雨強度較小時，不同坡度措施減沙水代價都較大，且不同降雨強度下的措施Rrs差異不大;當(dāng)降雨強度較大時，耕作措施減沙水代價明顯降低，當(dāng)I30＞0.29 mm/min時坡度與措施減沙水代價表現(xiàn)出較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。這是由于耕作措施改變了地表微地形，增加地面粗糙度，田面上栽培的植物增加了水流阻力，延長了入滲時間，當(dāng)降雨強度較小時，降雨入滲量較大，不同坡度由徑流攜帶的泥沙量較小，降雨強度較大時，降雨來不及入滲形成坡面徑流攜帶的泥沙量較大，在減少單位泥沙時減少的徑流量較小，耕作措施Rrs降低。

圖5 不同坡度下最大30 min降雨強度對耕作措施(淺耕)減沙水代價的影響Fig．5 Effect of different slopes on Rrsof tillage measures(shallow plowing)under different maximum 30－minute rainfall intensities

圖6是不同坡度分別與生物措施在最大30 min降雨強度為0.17、0.21、0.48和0.65 mm/min條件下的減沙水代價回歸方程。由圖可知，坡度與生物措施減沙水代價隨降雨強度增大而逐漸減小。在坡度較小時，不同降雨強度下生物措施減沙水代價基本不變，隨著坡度增大呈逐漸降低。在降雨強度較小時，不同坡度生物措施減沙水代價整體較大，且在不同降雨強度下差異不大;當(dāng)降雨強度較大時，生物措施減沙水代價與I30呈顯著負相關(guān)，當(dāng)I30＞0.48 mm/min時坡度與措施減沙水代價表現(xiàn)出較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。耕作措施減沙水代價遠大于生物措施減沙水代價，這是由于生物措施通過增加地表覆蓋度來減少的坡面徑流量較小，產(chǎn)生的泥沙量較多，減流減沙比小于耕作措施。

圖6 不同坡度下降雨強度對生物措施(扁豆)減沙水代價的影響Fig．6 Effect of different slope on Rrsof biological measures(Dolichos lablab)under different maximum 30－minute rainfall intensities

3 結(jié)論與討論

水土保持措施對坡面徑流和泥沙調(diào)控機制不同，在減少每噸泥沙時對水資源的影響程度也不同;因此，在不同降雨強度下水土保持措施減流減沙比也不同，同一措施在不同坡度下減流減沙比也存在差異。減沙水代價概念可以有效衡量不同措施減少等量泥沙時對徑流影響的程度。通過分析黃土高原溝壑區(qū)坡耕地不同措施的減沙水代價，得出以下結(jié)論。

坡面措施減沙水代價受最大30 min降雨強度影響較大，這與王萬忠［30］、陳永宗［31］、蔡強國［32］得出的黃土高原坡面次降雨流失量與次降雨量相關(guān)性差，與最大30 min降雨強度存在很好的相關(guān)關(guān)系基本一致。隨著降雨強度增加，各耕作措施和生物措施減沙水代價呈指數(shù)函數(shù)明顯降低;無論降雨強度大小，耕作措施減沙水代價表現(xiàn)為防沖溝＞淺耕＞深耕;各生物措施在降雨強度較小情況下，減沙水代價沒有明顯的差異，在降雨強度較大時，減沙水代價表現(xiàn)為低稈作物和高稈作物玉米/黃豆間作＞單作低稈作物扁豆＞中高稈作物冬小麥/蕎麥輪作，該結(jié)論與吳發(fā)啟等［33］在長武、耀縣、醇化等地區(qū)進行的耕作活動對徑流泥沙的影響研究所得出的結(jié)論較為接近。

坡度對坡面措施減沙水代價影響很大，坡度越大，產(chǎn)生的徑流泥沙越多，措施減沙水代價越小，該結(jié)論與王飛等［34］的隨著侵蝕量的增加，坡面措施的減沙水代價有明顯減小趨勢的結(jié)論相符合。坡面措施減沙水代價很大程度上受坡度的影響，從小降雨強度到大降雨強度，各耕作措施及生物措施的減沙水代價隨坡度增大呈降低趨勢，減沙水代價耕作措施遠大于生物措施;隨著降雨強度的增大，坡度與耕作措施和生物措施減沙水代價的指數(shù)函數(shù)擬合效果較好，對于耕作措施和生物措施，當(dāng)最大30 min降雨強度分別大于0.29和0.48 mm/min時，坡度與措施減沙水代價表現(xiàn)出較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

黃土高原地區(qū)，恰當(dāng)?shù)乃帘３执胧ζ赂氐乇韽搅骱湍嗌秤休^好的控制作用，應(yīng)采取有效的措施減少裸露坡耕地數(shù)量，以保持土地生產(chǎn)力水平。不同的耕作措施和生物措施減水減沙效益不同，對20°以下的緩坡地采用水平防沖溝耕作，低稈作物和高稈作物間作，其蓄水保土作用最好。

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Analysis of the runoff cost for sediment control by slope soil and water conservation measures

Yan Li1，Wang Fei1，2，Mu Xingmin1，2

(1.College of Resources and Environment，Northwest A＆F University，712100，Yangling，Shaanxi;2.Institute of Soil and Water Conservation，Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources，712100，Yangling，Shaanxi:China)

Runoff cost for sediment control，shown as ratio of detained runoff and sediment(Rrs)of different soil and water conservation measures is an important integrated indicator to intuitive evaluate the impact of different soil and water conservation measures on runoff and sediment synchronously.Based on the experimental data measured in runoff plots in Xifeng and Tianshui stations for many years，the runoff cost for sediment control under different tillage measures and biological measures were analyzed.The results showed that theRrsof different tillage and biological measures were greatly impacted byI30and slope，and the RRS was negatively correlated to the two factors.As to the tillage measures and biological measures，the relationship betweenRrsand slope appeared as a exponential function asI30was more than 0.29 mm/min and 0.48 mm/min respectively.The orders of runoff cost for sediment control for different tillage measures were:level ditch tillage＞shallow plowing＞deep plowing，andRrsof level ditch tillage is higher than that of deep plowing by 33.8%.As to biological measures the orders of runoff cost for sediment control were:intercropping between low－stem and high－stem crops(corn/soybean) ＞monoculture of low－stem crops(lentils) ＞ rotation between middle－stem crops(winter wheat/buckwheat).

water cost of sediment control;cultivation method;biological measure;runoff;sediment

2012－04－24

2012－10－17

國家自然科學(xué)基金“基于相同氣候條件的人類活動對河流水沙影響定量評價——以黃土高原延河流域為例”(41171420);中國科學(xué)院重點部署項目“黃土高原及周邊沙地近代生態(tài)環(huán)境的演變與可持性”課題的子課題“黃土高原可持續(xù)性評價與適應(yīng)對策”(KZZD－EW－04－07－04);中荷聯(lián)合主題研究項目“渭河流域水環(huán)境問題綜合治理對策研究”(中國科學(xué)院對外合作重點項目GJHZ1018;Netherlands Organization for Scientific Research OND1339291)

嚴麗(1986—)，女，碩士研究生。主要研究方向:區(qū)域水土保持。E－mail:yl821629@126.com

?責(zé)任作者簡介:王飛(1971—)，男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向:水土保持環(huán)境效應(yīng)評價與流域管理。E－mail:wafe@ms.iswc.ac.cn

(責(zé)任編輯:程 云)