張勇 李彥軍 杜軼

摘要：設置標準徑流小區(qū)進行長期定位監(jiān)測，探討天然降雨條件下，流域內(nèi)不同土地利用方式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，以期為該流域土地利用規(guī)劃、水土流失綜合治理、生態(tài)環(huán)境改善提供理論依據(jù)?；诜诤由嫌侮柶滦×饔騼?nèi)2種坡度、6種不同土地利用方式的8個徑流小區(qū)，開展自然降雨觀測、徑流泥沙觀測。結果表明：（1）試驗期降雨超過多年同期平均雨量，屬于豐水年；且年內(nèi)雨量分布較多年平均差異較大；（2）不同土地利用方式條件下，坡面產(chǎn)流量差異明顯，坡面為15°時，各徑流小區(qū)的產(chǎn)流量大小順序為裸坡地>坡耕地>草地；而18°各徑流小區(qū)的產(chǎn)流量大小為裸坡地>草地>油松林地>灌木林地（黃刺玫）；（3）土地利用方式不同，坡面產(chǎn)沙量差異明顯。15°徑流小區(qū)坡面產(chǎn)沙量裸坡地>胡麻>土豆>草地；相比之下，18°徑流小區(qū)產(chǎn)沙量以灌木林地和油松林地最少，均為0.30 t/hm2；裸坡地產(chǎn)沙量最多，是林地的92.08倍；林草地減流減沙效果明顯。研究結果可為該流域的生態(tài)重建，土地利用以及汾河上游其他小流域的土地利用規(guī)劃，從而減少水土流失提供借鑒。

關鍵詞：黃土丘陵區(qū)；豐水年；土地利用；汾河；水土流失；特征

中圖分類號：S157文獻標志碼：A論文編號：cjas2020-0022

Characteristics of Runoff and Sediment Yield in the Loess Hilly Region in High Flow Year

Zhang Yong1，2， Li Yanjun3，Du Yi4

（1Institute of Soil and Water Conservation， Shanxi Agriculture University， Taiyuan 030045， Shanxi， China；

2Shanxi Soil and Water Conservation Institute of Science， Taiyuan 030045， Shanxi， China； 3Taiyuan Water Conservancy and Soil and Water Conservation Institute of Science ，Taiyuan 030021， Shanxi， China； 4College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， Shanxi， China）

Abstract： By setting up standard runoff plots to carry on long- term positioning monitoring， the authors explored the effect of different land use on slope runoff and sediment production under natural rainfall condition， aiming to provide a theoretical basis for watershed land use plan， comprehensive management of soil erosion， and improvement of ecological environment. Based on 8 runoff plots with 2 slopes and 6 different land use types， natural rainfall and runoff observation were conducted. The results showed that （1） the rainfall in the experiment period was higher than that of the average rainfall in the same period of many years， which was a high glow year， and the rainfall distribution of the year was larger than that of the average rainfall in many years； （2） the amount of runoff was significantly different under different land use patterns， the amount of runoff under different land use was the highest in bare slope land when the slope was 15°， followed by slope cropland and grassland； the amount of runoff under 18°was followed the order of bare slope land>grassland>forest plot （Pinus tabuliformis Carrière）>shrub plot （Rosa xanthina Lindl）； （3） the land use patterns influenced clearly the amount of sediment， the amount of sediment under 15°slope followed the order of bare slope land>flax>potato>grassland； while as to 18°slope， the amount of sediment from the shrub plot and forest plot was the least， which was 0.30 t/hm2， and the amount of sediment from the bare slope was the highest， which was 92.08 times of that of forest plot； the effect of reducing runoff and sediment in forest and grass was obvious. The study could provide reference for ecological reconstruction， and land use plan for small watersheds in the upper reaches of Fenhe River.

Keywords： Loess Hilly Region； High Flow Year； Land Use； Fenhe River； Water and Soil Erosion； Characteristics

0引言

水土流失導致區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，直接威脅區(qū)域經(jīng)濟、社會與生態(tài)環(huán)境。當前，黃土高原生態(tài)環(huán)境建設推進力度不斷加大，水土流失強度和時空分布發(fā)生了較大變化，黃河徑流量減少約70億m3，泥沙侵蝕量減少了13億t[1]，但坡地水土流失仍是黃土高原水土流失與生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因。坡地水土流失治理是黃土高原生態(tài)環(huán)境修復的重點和難點[2]。諸多學者在不同研究區(qū)如黃土高原區(qū)、南方紅壤水土流失區(qū)以及東北黑土流失區(qū)等開展了不同土地利用方式的水土流失影響研究[3-7]，結果表明土地利用方式對水土流失影響重大[8-9]，但由于不同區(qū)域土地利用方式差異很大，加之區(qū)域氣候、土壤和植被等因素多變，且研究尺度不一，研究結果是否具有普適性仍然存疑。土地利用變化對區(qū)域水土流失的影響研究具有非常重要的理論和實踐意義[10]。以往研究對象多選擇黃土高原其他地區(qū)[1，2，5-7]，而對于位于黃土高原東部，山西省的母親河汾河上游不同土地利用方式對坡地水土流失的影響研究未見報道?；谝陨显颍狙芯恳苑诤由嫌蔚年柶滦×饔騼?nèi)的2種坡度、6種典型的土地利用方式為研究對象。通過設置標準徑流小區(qū)進行長期定位監(jiān)測，旨在探討天然降雨條件下，流域內(nèi)不同土地利用方式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，以期為該流域土地利用規(guī)劃、水土流失綜合治理、生態(tài)環(huán)境改善提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于太原市陽曲縣北小店鄉(xiāng)陽坡小流域境內(nèi)，該流域?qū)冱S河一級支流汾河流域上游。流域海拔介于1320～1950 m，面積18.09 km2，水土流失面積17.73 km2。屬北溫帶大陸性氣候，多年平均氣溫9.6℃，多年平均降水量500 mm，土壤類型為褐土。研究區(qū)5—9月份降水量375.2 mm，占全年降水量的80.38%。暴雨主要發(fā)生在7—8月份，強度大、歷時短。流域內(nèi)自然植被主要有油松、黃刺玫、蒿草等。

陽坡小流域徑流小區(qū)建于2010年，位于向陽坡中部。徑流小區(qū)寬均為5 m，水平投影面積均為100 m2，土壤條件相同；徑流小區(qū)周邊設有混凝土圍堰、植被保護帶、排水渠，小區(qū)下部設有分、集流桶及測驗等設施。各徑流小區(qū)基本要素見表1。

1.2研究方法

依據(jù)水利部發(fā)布的《全國水土流失動態(tài)監(jiān)測與公告項目管理辦法》（辦水保[2014]257號），基于陽坡小流域的8個徑流小區(qū)，對監(jiān)測點2017年自然降雨和徑流泥沙全年連續(xù)觀測。

1.2.1自然降雨量觀測及計算方法降雨量觀測采用CAWS600自動氣象站（翻斗式數(shù)字雨量計）監(jiān)測記錄。降水觀測內(nèi)容為降雨歷時、降雨量、降雨強度、最大30 min雨強I30、降雨侵蝕力等，其中降雨特征分析、降雨侵蝕力計算等采用《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》推薦的Rain Record軟件進行。

1.2.2徑流泥沙觀測坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙主要監(jiān)測指標為產(chǎn)流次數(shù)、徑流量（深）、含沙量、土壤流失量等。每次降雨及時監(jiān)測集流桶內(nèi)水位，用于計算次降雨條件下的徑流量、徑流系數(shù)等。降雨結束后，將徑流桶內(nèi)泥沙徑流攪拌均勻，500 mL采樣瓶取樣，每次取3個重復樣，用于測定含沙量，由此計算土壤流失量。

1.2.3試驗設計選取2個坡度、6種代表性的土地利用方式進行定位試驗。土地利用方式分別為坡耕地（胡麻和土豆，試驗小區(qū)代號分別HM和TD，小區(qū)坡度均為15°，2017年5月11日播種，11月4日收獲）、草地（主要鄉(xiāng)土草本，蒿草，高0.5～0.6 m，15°小區(qū)代號為C15，18°小區(qū)代號為C18）、林地（灌木林地，黃刺玫，高1.30 m，代號為HCM；油松林地，高度2.00～2.20 m，代號為YS。均為18o）和裸坡地（噴施除草劑，坡面無植被，各設15°、18°坡度一個，作為對照，代號分別為CK1、CK2）。

2結果與分析

2.1研究期降雨及降雨侵蝕力特征分析

2017年總降水量772.6 mm，降水日數(shù)91天，降雨量超過多年平均雨量的50%，屬于豐水年。研究期（5—10月）降雨量共為717.8 mm，占年降水量的93%。5—10月各月降水量占到試驗期雨量的2.31%、21.09%、24.30%、27.03%、2.30%、23.04%，其中以8月份雨量最多。2017年內(nèi)降水分布比以往年有較大差異，主要體現(xiàn)在9月份雨量僅16 mm，遠低于同期平均雨量；10月份雨量為165.4 mm，遠高于同期平均雨量。

降雨侵蝕力（R）是雨強（I30）和降雨總動能（E）的乘積[11]，降雨侵蝕力可以用來衡量降雨對土壤侵蝕的潛在能力[12]，試驗期內(nèi)總降雨侵蝕力為3094.67 （MJ·mm）/（hm2·h）。6月降水侵蝕力占到試驗期總降雨侵蝕力的61.22%，為試驗期內(nèi)最大；7月份其次，占比25.55%；8月和10月占比均在5%左右，其他月份降雨侵蝕力之和占比不足4%。年內(nèi)次降雨最大降雨侵蝕力為6月17日的暴雨，該次降雨雨量為57.0 mm，歷時200 min，I30為86.6 mm/h，降雨侵蝕力高達1431.8 （MJ·mm）/（hm2·h）。

試驗期內(nèi)降雨分布主要集中在夏秋兩季，降雨時空分布不均勻。降雨侵蝕力主要集中在夏秋季節(jié)，但與汛期內(nèi)逐次降雨量的相關性不強。降雨侵蝕力主要集中在汛期內(nèi)幾次強降雨。

2.2研究期內(nèi)產(chǎn)流特征分析

2017年陽坡小流域試驗期內(nèi)共觀測到徑流產(chǎn)生16次，產(chǎn)流主要集中在6、7、8月份，各產(chǎn)流5、6、4次，10月份產(chǎn)流1次。其中，CK2、TD、HM均產(chǎn)流16次，CK1產(chǎn)流15次，C18產(chǎn)流11次，YS、HCM、C15均產(chǎn)流10次。2種坡度條件下，土地利用方式不同，汛期徑流量均大于非汛期徑流量，且進入汛期后，隨雨量增加，產(chǎn)流量也呈增加趨勢。這一結論竟與半濕潤地區(qū)徑流量隨雨量的增加而增加相一致[13-15]。

試驗期內(nèi)，CK1、C15、TD、HM（均為15°）各徑流小區(qū)總產(chǎn)流量以草地（C15）最少（圖1），裸坡地（CK1）最多，且裸坡地產(chǎn)流量比草地高出5.84倍。2類坡耕地產(chǎn)流量相比，胡麻（HM）小區(qū)產(chǎn)流量略高于土豆小區(qū)，但均低于裸坡地產(chǎn)流量。CK2、C18、YS、HCM（均為18°）各徑流小區(qū)總產(chǎn)流量以灌木林地（HCM）最少（圖2），裸坡地（CK2）最多。裸坡地、油松林地（YS）、草地（C18）產(chǎn)流量比黃刺玫林地產(chǎn)流量分別高出38.03、2.09、8.79倍。由此可見，林草措施較裸坡地減流作用明顯。相比15°和18°同一土地利用方式、不同坡度徑流小區(qū)的產(chǎn)流量比較，可以發(fā)現(xiàn)，18°裸坡地、草地的產(chǎn)流量分別高出15°對應小區(qū)產(chǎn)流量13.34%、71.65%。由此可見，坡度對于坡面產(chǎn)流具有明顯的促進作用。

逐月產(chǎn)流量比較可見（圖2），15°徑流小區(qū)產(chǎn)流量在7月份產(chǎn)流量最大，6月份次之，9月份沒有產(chǎn)流，10月份最少；不同土地利用方式下，各小區(qū)產(chǎn)流量大小基本遵循裸坡地>坡耕地>草地這一規(guī)律。相比之下，18°徑流小區(qū)在6月份產(chǎn)流量最多，10月份最少。不同土地利用方式導致產(chǎn)流量差異明顯，依次為裸坡地>草地>油松>黃刺玫。如上結果表明，土地退耕轉(zhuǎn)化為其他利用方式后，土壤結構改變是個緩慢的過程，特別是退耕初期表層土壤存在一定程度的硬化板結趨勢，會促進坡面產(chǎn)流。

2.3研究期內(nèi)產(chǎn)沙特征分析

降雨是水土流失產(chǎn)生的原動力，其中雨量大小、雨強高低、歷時長短及雨型分布等降雨要素特征與水土流失關系較為密切。一些研究表明，雨強越大、歷時越長、雨量越大，水土流失可能越嚴重[14]。試驗期內(nèi)，15°徑流小區(qū)CK1、C15、TD、HM總產(chǎn)沙量以草地最少，為0.40 t/hm2（圖3）；裸地最多，是草地產(chǎn)沙量的49.05倍；土豆和胡麻坡耕地產(chǎn)沙量居中，分別是草地產(chǎn)沙量的28.49、34.92倍。18°徑流小區(qū)CK2、C18、YS、HCM總產(chǎn)沙量以灌木林地和油松林地最少，均為0.30 t/hm2；裸坡地產(chǎn)沙量最多，是林地的92.08倍；草地產(chǎn)沙量次之，是林地的2倍。8個徑流小區(qū)中，林草措施小區(qū)產(chǎn)沙量明顯小于裸坡地和坡耕地，林草措施減沙效果明顯。

逐月產(chǎn)沙量比較可知（圖4），15°徑流小區(qū)單位體積徑流的含沙量大小總體趨勢為：7月>6月>8月>10月（9月份沒有產(chǎn)流，也沒有產(chǎn)沙）。相比之下，18°徑流小區(qū)含沙量總體趨勢為：6月>7月>8月>10月。坡面產(chǎn)沙量的多少和單位體積徑流內(nèi)含沙量的高低取決于降雨強度、地表徑流、植被覆蓋以及土地利用方式等因素；大量野外試驗研究表明，坡度對土壤流失量有促進作用[16-19]。本研究表明，同一土地利用方式下草地和裸坡地18°小區(qū)土壤流失量均大于15°小區(qū)，這一結果與上述研究結果吻合。

坡面徑流是泥沙運移的主要動力之一。以15°徑流小區(qū)產(chǎn)流量和土壤流失量為基準，其他各個小區(qū)的產(chǎn)流量和土壤流失量與之相比，可以得到不同土地利用方式下各徑流小區(qū)的產(chǎn)流量和土壤流失量的相對值。通過比較可知（圖5），試驗期內(nèi)，坡面產(chǎn)流越多，土壤流失量也越大，但二者并不完全同步；裸坡地CK2的徑流量是CK1的1.13倍，土壤流失量是CK1小區(qū)的1.43倍；坡耕地HM和TD徑流小區(qū)的產(chǎn)流量分別是CK1小區(qū)的0.89、0.81倍，土壤流失量分別是CK1的0.71、0.58倍；同樣的結果在其他小區(qū)均不同程度存在。結合圖5可以看出，試驗期內(nèi)，裸坡地和坡耕地土壤流失量占總的土壤流失量比例最大，理論分析認為當坡面沒有植被覆蓋或人為擾動較大，在坡面徑流較大時，其沖蝕能力較強；同時，因上方來水流量的增大會導致坡面徑流挾帶泥沙能力增強，因此土壤流失量越趨嚴重。這一結果與其他黃土地區(qū)土地利用方式對坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙影響研究[15，20-21]結果類似。本試驗結果表明，土壤流失量不僅受坡面徑流的多少影響，還受到土地利用等其他因素的影響。

3結論與討論

在天然降雨條件下，以汾河上游典型小流域內(nèi)2種坡度、6種不同土地利用方式為研究對象，通過定位監(jiān)測研究了豐水年不同下墊面、降雨量和典型次降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。主要結論如下：

（1）坡面徑流是下墊面和氣象因素共同作用的結果[22]。相同降雨條件下，裸坡地和坡耕地產(chǎn)流量較林草地明顯增加；主要原因在于林草地可通過增加覆蓋度，減少雨滴擊濺侵蝕，保護土壤結構免遭破壞，同時林草地地表有枯枝落葉保護，增加了地表糙度，減緩了坡面徑流流速，從而增加水分入滲時間和幾率。同一土地利用方式，坡度增加時坡面產(chǎn)流具有增加趨勢，表明坡度增加可促進降雨轉(zhuǎn)化為徑流；而18°坡面的林草地坡面產(chǎn)流小于15°裸坡地或坡耕地，也說明坡面產(chǎn)流受坡度和土地利用方式等其他因素作用。坡面徑流對坡度和土地利用方式的響應存在一定的復雜性和不確定性，具體何種因素作用更大，仍需進一步長期定位觀測研究方可得出科學合理的解釋。

（2）不同下墊面坡面產(chǎn)沙與產(chǎn)流具有同一趨勢，即隨著坡面產(chǎn)流量增大，土壤流失量也隨之增加，但二者并非呈線性相關，說明坡面產(chǎn)沙仍受坡面徑流之外的因素影響，需進一步研究找出諸多影響因素間的相關性。

（3）本研究將流域作為相對獨立的產(chǎn)流-產(chǎn)沙系統(tǒng)，其中產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量是以小流域為單元的系統(tǒng)輸出變量，而降水和土地利用方式可視為該系統(tǒng)的輸入變量。定位監(jiān)測研究表明，在天然降雨條件下，不同的土地利用方式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響非常明顯。統(tǒng)計分析進一步體現(xiàn)了土地利用方式不同時坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的強度和數(shù)量關系。本研究結果可為該流域的生態(tài)重建，土地利用以及汾河上游其他小流域的土地利用規(guī)劃，從而減少水土流失提供借鑒。

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