劉小平 任樹梅 楊培嶺

摘要：以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗坡度草地為研究對(duì)象，采用野外人工模擬降水試驗(yàn)，研究典型區(qū)域內(nèi)不同蓋度草地在不同降水強(qiáng)度下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征。研究表明：不同蓋度草地在不同降水強(qiáng)度下初始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流產(chǎn)沙量有顯著差異；50%蓋度草地60 mm/h下徑流含沙率最小，蓋度越大截流、截沙能力明顯增強(qiáng)。因此，降低放牧強(qiáng)度提高草地蓋度可以有效減少草原水土流失現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：呼倫湖流域；草地；人工模擬降水；水土流失

中圖分類號(hào)：S 157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5500（2013）05-0027-06

收稿日期：2013-07-19； 修回日期：2013-07-23

基金項(xiàng)目：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)兩校合作項(xiàng)目“氣候變化與放牧強(qiáng)度對(duì)呼倫湖生態(tài)環(huán)境的影響”項(xiàng)目（NO.15057004）資助

作者簡(jiǎn)介：劉小平（1987-），男，江西泰和人，助理工程師，從事水土流失、農(nóng)業(yè)水土工程方面的研究。

E-mail：liuxiaoping2005106@126.com

任樹梅為通訊作者。

我國(guó)草原面積占國(guó)土面積的41%，而全國(guó)草原沙化面積占草原總面積的35.6%，潛在沙漠化面積占48.7%[1-4]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)北方草原100%超載放牧，超載率50%以上，邊遠(yuǎn)牧區(qū)草地使用權(quán)得不到固定，草地較好的地方常常出現(xiàn)搶牧、亂牧現(xiàn)象。超載放牧導(dǎo)致了草地的不斷退化，也助推了沙塵暴的頻頻發(fā)生[5]。研究報(bào)道我國(guó)牧草產(chǎn)量建國(guó)初達(dá)3.0 t/hm²以上，而目前低產(chǎn)地已降至375 kg/hm²，嚴(yán)重地區(qū)已變成不毛之地[6]。呼倫貝爾草原沙漠化面積2004年比1999年增加32.3%，比1994年增加56.1%，呼倫貝爾草原以每年1.35%的速度退化[7]，草原的“三化”加劇了水土流失的發(fā)生。

呼倫貝爾湖流域的草地大多是退化草地，植被較稀疏，部分草地進(jìn)行封育主要用于打貯草[8]。呼倫湖流域的新巴爾虎右旗（以下簡(jiǎn)稱新右旗）總面積2.47萬km²，占呼倫湖流域面積54%，天然草地面積2.26萬km²，可利用草地面積2.01萬km²[9]，占天然草地89%。據(jù)新右旗草原監(jiān)測(cè)管理局提供的2009年草地?cái)?shù)據(jù)，可利用草地中有水草地、供水不足草地、缺水草地、沙化草地、鹽堿化草地。供水不足等退化沙化草地占可利用草地的28%，近年新右旗草原“三化”形勢(shì)持續(xù)加劇。

研究呼倫貝爾湖流域內(nèi)不同蓋度草地的水土流失特性，旨在揭示放牧強(qiáng)度對(duì)草原水土流失的影響。2010年7月25～8月2日在呼倫貝爾湖流域，選擇典型草地進(jìn)行人工模擬降水試驗(yàn)，研究在降水強(qiáng)度、坡度、土壤質(zhì)地等因素影響下的泥沙流失的特性，為呼倫湖流域防治水土流失提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾盟新右旗，地處高平原克魯倫石質(zhì)低山丘陵小區(qū)緩坡地[9]，北高南低，中部為河灘沖擊草原。日照時(shí)數(shù)年均2 840 h；年均氣溫0.4 ℃，牧草生長(zhǎng)期為176～189 d，有效積溫2 336～2 675 ℃；年均降水量246.3 mm，86%集中于6～9月[10]；年均蒸發(fā)量1 628 mm以上，為降水量的6.6倍。無霜期163 d；年均風(fēng)速4.47 m/s，大于17.0 m/s的大風(fēng)天數(shù)全年在40 d以上；土壤屬栗鈣土亞地帶，pH 8.0～9.3，地下水pH 9.0以上。

試驗(yàn)選擇20%、50%兩種蓋度草地。20%蓋度草地小區(qū)位于新右旗阿拉坦額莫勒鎮(zhèn)外環(huán)線西北方向，坡度3.23°，海拔562 m。50%蓋度草地小區(qū)距克魯倫河約1.0 km，坡度為3.38°，海拔557 m。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

20%蓋度草地選6個(gè)小區(qū)（圖1中1-1至1-6），設(shè)置兩種降水強(qiáng)度30、60 mm/h（由最大日降水頻率分析得出，它們相當(dāng)于頻率為44%和7.19%最大日降水量），圖1中1-1至1-3小區(qū)降水強(qiáng)度為60 mm/h，1-4至1-6小區(qū)降水強(qiáng)度為30 mm/h，每個(gè)小區(qū)長(zhǎng)寬為7.4、3.7 m。50%蓋度草地選6個(gè)小區(qū)（圖1中2-1至2-6）作相同處理。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布置

Fig.1 Experimental plots

人工模擬降水開始之前，測(cè)量小區(qū)坡度，植物高度、種群密度、土壤物理性質(zhì)等。采用HUNTER噴頭，規(guī)格為10A，噴灑半徑為3.4 m。試驗(yàn)區(qū)周邊采用帆布設(shè)置擋風(fēng)墻。

人工模擬降水60 mm/h開始后，記錄時(shí)間及初始產(chǎn)流時(shí)間。產(chǎn)流1 min以后第1次采集水樣，用20 L的PVC桶取徑流樣，持續(xù)30 s（雨強(qiáng)30 mm/h的時(shí)間持續(xù)1 min，其他步驟相同），測(cè)量徑流體積和泥沙含量，之后每隔5 min取樣1次，測(cè)定相應(yīng)參數(shù)，整個(gè)降水過程持續(xù)1 h。

1.3 測(cè)定的內(nèi)容與方法

2010年7月25日選定20%蓋度草地及試驗(yàn)小區(qū)，當(dāng)日及時(shí)取樣測(cè)定坡度、植被、土壤的物理特性等參數(shù)，并于25～26日進(jìn)行降水試驗(yàn)，測(cè)定徑流量、水土流失量和降水量均勻度等參數(shù)。

2010年8月1日選定50%蓋度草地及試驗(yàn)小區(qū)，當(dāng)日及時(shí)取樣測(cè)定坡度、植被、土壤的物理特性等參數(shù)，并于1～2日進(jìn)行降水試驗(yàn)，測(cè)定徑流量、水土流失量和降水量均勻度等參數(shù)。

1.3.1 植被 草地及試驗(yàn)小區(qū)選定后，坡度用水準(zhǔn)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，分別對(duì)各種蓋度草地的植被情況進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)樣方面積0.5 m×0.5 m，隨機(jī)在試驗(yàn)區(qū)域拋5次；蓋度采用目測(cè)法測(cè)定；種群密度采用數(shù)株的方法[11]；高度采用直尺測(cè)量。觀測(cè)不同蓋度草地的植被分布和植被群落變化，分析其優(yōu)勢(shì)物種、植被蓋度及其放牧強(qiáng)度（表1）。

表1 試驗(yàn)區(qū)域草地坡度及植被特征

Table 1 Grassland slope and vegetation characteristics at experimental site

1.3.2 土壤的物理特性 在選定的各類型草地分別開挖1.0 m×1.0 m，深1.0 m的標(biāo)準(zhǔn)剖面。觀察土壤質(zhì)地及分層，并測(cè)量各層土壤含水量、容重及粒徑。

在試驗(yàn)前對(duì)各草地標(biāo)準(zhǔn)剖面按土壤質(zhì)地情況分層。取0～20 cm表層土壤測(cè)量其含水量。容重采用環(huán)刀法，含水量采用烘干法，各3次重復(fù)。

土壤的粒徑分析采用比重計(jì)法，土壤樣品由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)驗(yàn)分析（2010年8月15日），土壤分類按照美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角圖進(jìn)行分類[12]。分類結(jié)果表明，20%蓋度草地與50%蓋度草地土壤均為砂壤土。經(jīng)土壤粒徑分析后得兩蓋度草地土壤類型均為砂壤土（表2、3）。

1.3.3 徑流量和水土流失量 2010年7月25～8月2日實(shí)施人工模擬降水試驗(yàn)，人工模擬降水開始后，記錄產(chǎn)流時(shí)間。產(chǎn)流1 min后第1次取樣，取徑流樣測(cè)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，然后每隔5 min再取樣1次，產(chǎn)流后再

表2 草地各層土壤容重

Table 2 Soil bulk density of grassland at

experimental site g/cm³

表3 試驗(yàn)草地土壤粒徑分析及其土壤類別

Table 3 Soil particle size and type of grassland at experimental site mm

持續(xù)降水至1 h。20 L量桶收集徑流，降水過程中收集雨水作空白對(duì)照，試驗(yàn)結(jié)束后立即測(cè)量徑流體積及徑流泥沙產(chǎn)量。

采用量筒測(cè)量徑流體積，采用烘干法測(cè)量徑流泥沙產(chǎn)量[13]，24 h內(nèi)分析完畢。

1.3.4 徑流和徑流系數(shù)計(jì)算 試驗(yàn)結(jié)束后徑流量估算采用公式（1）計(jì)算，泥沙產(chǎn)量根據(jù)同步流量和濃度監(jiān)測(cè)值按公式（2）進(jìn)行計(jì)算[14]。

1.3.5 降水量均勻度測(cè)定 采用半徑10 cm，高30 cm的自制圓柱形鐵皮量筒測(cè)量降水均勻度，在草地試驗(yàn)區(qū)域布置9個(gè)量筒進(jìn)行測(cè)定，量筒間距為0.925 m×1.85 m，現(xiàn)場(chǎng)布置見圖1。均勻度采用目前模擬降水均勻度常用的公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 初始產(chǎn)流時(shí)間

試驗(yàn)結(jié)果表明，20%蓋度草地，30與60 mm/h初始產(chǎn)流時(shí)間分別為55、15 min；50%蓋度草地，30與60 mm/h初始產(chǎn)流時(shí)間分別為30、15 min。因此，在小降水強(qiáng)度情況下，產(chǎn)生徑流較困難。

在30 mm/h降水情況下，50%蓋度初始產(chǎn)流較20%蓋度草地早了25 min，原因之一為初期含水量的負(fù)相關(guān)作用要強(qiáng)于蓋度的正相關(guān)作用，另外一個(gè)主要原因?yàn)?0%蓋度草地容重較小，土壤孔隙較大，有機(jī)腐殖質(zhì)含量較多，入滲強(qiáng)度大；但是在60 mm/h降水情況下，兩種草地初始產(chǎn)流時(shí)間相同，可以得出隨著降水強(qiáng)度的增大，草地蓋度對(duì)徑流影響效果逐漸顯現(xiàn)，這與張洪江等[16]在重慶縉云山的研究結(jié)果是一致的；因此，在增大蓋度的同時(shí)若能疏松土壤，減小土壤容重，

表4 不同蓋度草地各小區(qū)降水

Table 4 Rainfall to experimental plots at different coverage

增大土壤入滲強(qiáng)度及功能，則能提高土壤植被蓄水保熵能力，大大降低土壤侵蝕減少水土流失。

2.2 不同蓋度草地的徑流量

2.2.1 草地產(chǎn)流過程 在30 mm/h降水強(qiáng)度時(shí)，平均流量分別為39.6、25.84 mL/s，在60 mm/h降水強(qiáng)度時(shí)，平均流量分別為182.4、101.49 mL/s。20%蓋度草地徑流流量都要大于50%蓋度草地（圖2、3），前者趨勢(shì)為第2次取樣徑流流量有較大幅度的提高，之后趨于平緩穩(wěn)定。后者整個(gè)產(chǎn)流過程較趨于穩(wěn)定波動(dòng)較小。原因?yàn)閮缮w度草地入滲強(qiáng)度小于30 mm/h降水強(qiáng)度，產(chǎn)生徑流后入滲強(qiáng)度逐漸變化并趨于穩(wěn)定，此時(shí)徑流流量也趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值，而且對(duì)于50%蓋度草地由于初始產(chǎn)流時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生徑流時(shí)入滲強(qiáng)度基本減小到最小值，因此，徑流流量也較早達(dá)到穩(wěn)定。

對(duì)于20%蓋度與50%蓋度草地，蓋度越大產(chǎn)流越少，截留效果越明顯。

圖2 30 mm/h不同蓋度草地產(chǎn)流過程

Fig.2 Runoff process of grasslands at different

coverage under 30 mm/h rainfall

圖3 60 mm/h不同蓋度草地產(chǎn)流過程

Fig.3 Runoff process of grasslands at different

coverage under 60 mm/h rainfall

2.2.2 草地徑流量 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水徑流量分別為0.044、0.666 m³，50%蓋度草地，30、60 mm/h降水徑流量分別為0.038 m³、0.255 m³，說明：（1）20%蓋度下60 mm/h較30 mm/h降水，徑流量增大15倍，50%蓋度下徑流量增大6.7倍，兩種蓋度草地坡度一樣時(shí)，蓋度越大，抵抗大降水的能力就越強(qiáng)，徑流截留優(yōu)勢(shì)就越明顯，水土流失量就越少；（2）30 mm/h 降水下，20%蓋度徑流量是50%蓋度的1.2倍，60 mm/h降水下，20%蓋度徑流量是50%蓋度的2.6倍（圖4，5）。

圖4 兩種降水強(qiáng)度不同蓋度草地的徑流量

Fig.4 Runoff of grasslands at different coverage

under two rain intensities

圖5 兩種降水強(qiáng)度不同蓋度草地的產(chǎn)沙量

Fig.5 Sediment of grasslands at different coverage

under two rain intensities

20%蓋度草地，30、60 mm/h降水下徑流系數(shù)為0.037、0.156，50%蓋度草地，30、60 mm/h降水下徑流系數(shù)為0.032、0.121，說明：（1）徑流系數(shù)小的草地其坡面產(chǎn)流相應(yīng)較少，流速較?。粡搅飨禂?shù)較大的草地其流速也較大，這與楊春霞等[17]研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)的結(jié)果一致；（2）兩種降水強(qiáng)度下，草地蓋度越大，徑流系數(shù)越小。而且草地蓋度越大，降水強(qiáng)度增大時(shí)，徑流系數(shù)增加更為緩慢，截流效果更為顯著。

2.3 不同蓋度草地的產(chǎn)沙量

2.3.1 草地產(chǎn)沙過程 對(duì)于30 mm/h降水強(qiáng)度條件下的20%蓋度草地與50%蓋度草地?zé)o穩(wěn)定產(chǎn)沙規(guī)律（圖6），兩者呈反向變化趨勢(shì)，但是，初始值較接近且都較大，20%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.28、0.22 g/L，50%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.26、0.27 g/L，可以看出，蓋度越大徑流量中的含沙量會(huì)越大，這與趙偉等[18]在呼倫湖流域的研究結(jié)果略有不同?？赡転?0%蓋度草地土壤表面有一層較厚的沙層，并且經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的入滲之后才產(chǎn)生徑流，徑流強(qiáng)度要強(qiáng)于20%蓋度草地，此時(shí)產(chǎn)沙量會(huì)略大于20%蓋度草地。

圖6 30 mm/h不同蓋度草地的含沙率

Fig.6 Sediment process of grasslands at

different coverage under 30mm/h rainfall

60 mm/h降水條件下不同蓋度草地徑流量中的含沙率變化趨勢(shì)較為一致，并且大小層次清晰明顯（圖7），50%蓋度草地的含沙率小于20%蓋度草地，與上述結(jié)論不一致。20%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.36，0.31g/L，50%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.1，0.15 g/L。50%蓋度草地60 mm/h降水條件下含沙率最小，主要原因是60 mm/h降水條件下，50%蓋度草地有植被的保護(hù)，減弱了雨滴

圖7 60 mm/h不同蓋度草地的含沙率

Fig.7 Sediment process of grasslands at

different coverage under 60mm/h rainfall

打擊動(dòng)能，因此，徑流所挾帶的泥沙含量就較少，試驗(yàn)得出大降水強(qiáng)度的沖擊力使小蓋度草地沙粒流失嚴(yán)重，蓋度越大，抑制產(chǎn)沙效果明顯。這與馬海霞等[19-21]的研究一致?？傮w上含沙率與蓋度和降水強(qiáng)度均沒有明顯關(guān)系，但是含沙率呈總體下降趨勢(shì)。

2.3.2 草地產(chǎn)沙量 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水強(qiáng)度下產(chǎn)沙模數(shù)為0.291、6.543 g/m²；50%蓋度草地，30、60 mm/h降水強(qiáng)度下為0.323、1.2 g/m²。

（1）30 mm/h降水強(qiáng)度情況下，兩種草地產(chǎn)沙模數(shù)大致相當(dāng)，降水強(qiáng)度增大，小蓋度草地產(chǎn)沙模數(shù)急劇上升，增大22.5倍；大蓋度草地略有上升，增大3.72倍。由此可知，蓋度越大，在抵抗截留徑流的過程中，同時(shí)對(duì)產(chǎn)沙也控制的較好。

（2）60 mm/h降水強(qiáng)度情況下，50%蓋度草地產(chǎn)沙模數(shù)為1.2 g/m²，20%蓋度草地產(chǎn)沙模數(shù)最大為6.543 g/m²，前者是后者的0.18倍，可知蓋度越大，其截沙的能力大大增強(qiáng)，坡度大致相當(dāng)時(shí)蓋度對(duì)產(chǎn)沙能力的影響是至關(guān)重要。

3 結(jié)論

通過人工模擬降水研究草原水土流失，試驗(yàn)初步得出新右旗不同坡度草原水土流失特性如下：

（1）在60 mm/h降水情況下，兩種草地初始產(chǎn)流時(shí)間均為15 min；但是在30 mm/h降水情況下，20%蓋度、50%蓋度草地初始產(chǎn)流時(shí)間為55、30 min，20%蓋度草地滯后了25 min。

（2）在60 mm/h降水情況下，50%蓋度越時(shí)，徑流量由20%蓋度的0.666 m³減少到0.255 m³，截流效果最明顯。

（3）徑流系數(shù)小的草地其坡面產(chǎn)流相應(yīng)較少；草地蓋度越大，降水強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，徑流系數(shù)增加更為緩慢，截流效果更為顯著。

（4）降水徑流含沙率大小順序?yàn)?0%蓋度草地60 mm/h>50%蓋度草地30 mm/h>20%蓋度草地30 mm/h>50%蓋度草地60 mm/h。

（5）60 mm/h降水情況下20%蓋度草地產(chǎn)沙量最大，為6.543 g/m²，50%蓋度草地產(chǎn)沙量為1.2 g/m²，因此，草地蓋度大截沙能力明顯增強(qiáng)。

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[21] 馬海霞.定西黃土丘陵溝壑區(qū)水土流失研究進(jìn)展[J].草原與草坪，2012，32（4）：90-92.

Study on water and soil erosion of grassland

under different coverages

LIU Xiao-ping REN Shu-mei，YANG Pei-ling

（1.Jiangxi Provincial Institute of Water Sciences，Nanchang 330029，China； 2.College of Water

Conservancy and Civil Engineering，Chian Agricultural University，Beijing 100083，China）

Abstract：In order to reveal the impacts of grazing intensity on water and soil erosion of grassland，the grassland under coverage in New Barag Right Banner was selected to measure the runoff and sediment at different rainfalls through field simulated rainfall method.The results show that the initial time and features of runoff and sediment were significantly different under different coverage and rainfalls.The grassland with higher coverage could reduce the runoff.

Key words： Hulun Lake watershed；simulated rainfall；water and soil erosion；runoff and sediment characteristics