南水北调中线水源区植被恢复的产流产沙效应初步研究

李亚龙，赵 健，丁文峰

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

南水北调中线水源区植被恢复的产流产沙效应初步研究

李亚龙，赵 健，丁文峰

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

选择南水北调水源区典型小流域，在坡耕地、经果林、退化矮林、荒草地和马尾松林5种土地利用类型上建立径流小区，观测不同土地利用类型产流产沙规律及其受不同坡度的影响。研究结果初步表明：高强度、短历时降雨过程是南水北调中线水源区水土流失的主要动力；在5种土地利用类型中，经果林和坡耕地产流产沙量最大，因此，除了加强坡耕地治理外，控制经果林水土流失也是南水北调中线水源区植被恢复的重点。

南水北调中线水源区；土地利用；植被恢复；产流产沙

南水北调中线方案70%的水量来自陕南秦巴山腹地的汉江、丹江流域。由于植被破坏和严重的水土流失，人口激增对土地资源的需求加大，以及不合理的管理和利用体系等诸多因素导致该区生态环境失衡，生态系统脆弱，生态屏障［1］功能遭到削弱、水源涵养能力低，加之本地区矿产资源的开发而引起的环境灾害诸如土壤污染、水污染等生态环境问题日益加剧［2－8］。针对该区土壤土层较薄，土壤涵蓄水分能力低，从小流域角度研究不同土地利用和植被类型对径流和产沙的作用机制及影响因素，对水源区退化土地生态系统植被恢复，保障水源区的水质与水量，实现一江清水送北京有重要意义。

1 试验方法与设计

1.1 研究区概况

研究区位于南水北调中线水源区陕西省商南县西北部索峪河小流域水磨沟，距离县城3 km，介于东经110°39′至110°51′，北纬33°28′至33°35′之间。研究区土壤理化性质见表1。

1.2 试验设计

选择南水北调中线水源区典型小流域作为研究范围，在坡耕地、经果林、荒草地、栎类矮林和马尾松林5种土地利用下，分别设计5个不同坡度的径流小区，如表2所示。

表2 不同植被类型下不同坡度径流小区Table 2 Runoff plotsw ith different slopes under different vegetations

表1 黄棕壤的基本理化性状Table 1 The basic physical and chem ical characteristics of yellow brown soil

1.3 小区建设

不同植被恢复条件下的产流和产沙用简易7 m2径流小区观测。小区上面和两个侧面用180 cm× 35 cm石棉瓦合围，20 cm埋入地表以下，15 cm露出地表，形成闭合集水区；小区下方集水挡板用镀锌铁皮制成，宽40 cm，一半埋入地下，一半出露地表。为保证降雨后坡面径流顺利进入集流桶，镀锌铁皮呈V字型，中间留直径10 cm导流孔，铆连并焊接10 cm长导流管头，导流管头垂直向下倾斜15°。使用200 L塑料桶作为集流通，埋设于小区正下方适合部位。使用直径11 cm PVC管作为导流管，连接小区导流管头和集流桶。为防止降雨直接进入集流桶，桶盖用塑料布覆盖。

1.4 观测内容

气象观测：通过布设在小流域附近的DSJ2型虹吸式雨量计，记录降雨资料。

径流观测：观测次降雨各小区产流量。

侵蚀量观测：收集各小区集流桶中的泥沙，烘干称重。

2 结果分析

2.1 小流域降雨特征时序分析

通过布设在小流域附近的DSJ2型虹吸式雨量计，记录了2008年5月下旬至10月下旬期间降雨资料，包括降雨时间、降雨历时、降雨量（图1）。观测期内，＜200 min降雨次数13次，总降雨历时1 204 min，总降雨量136.2 mm；200～500 min降雨次数15次，总降雨历时4 535 min，总降雨量147.8 mm；＞500 min降雨次数8次，总降雨历时6 115 min，总降雨量111.4 mm。

图1 研究区降雨历时和降雨量分布特征Fig.1 Distribution features of precipitation and rain fall duration

观测期总降雨量395.4 mm，＜10 mm降雨23次，降雨量117.1 mm；10～25 mm降雨8次，降雨量123.1 mm；25～50 mm降雨5次，降雨量155.2 mm。数据统计显示，研究区大雨强降雨次数较少，小雨强降雨次数最多，但3种降雨类型的总降雨量趋势相反，反映出研究区产流主要依靠大雨强降雨。

2.2 产流特征分析

2.2.1 坡耕地产流特征分析

图2分析了5个不同坡度的坡耕地小区在观测期内的产流情况。到8月16日，共观测产流8次，在7月17日、7月28日和8月13日有3个峰值。通过上文对观测期内降雨特征分析可见，7月17日降雨量为45.5 mm，降雨历时28 min，产流量最大。11°坡耕地小区产流量最大，其次为21°小区、6°小区、28°小区和17°小区。7月14日降雨量为28.8 mm，但降雨历时320 min，降雨就地入渗较多，因此产流量较小。7月28日降雨量18.5 mm，降雨历时95 min，虽然降雨量小于7月14日降雨，但降雨历时较短，因此小区产流大于7月14日产流，其中21°小区最大，其次为17°小区、6°小区、28°小区和11°小区。可见，坡耕地产流受降雨量和降雨历时共同影响，降雨量大、降雨历时短，是产流的直接驱动力。

图2 坡耕地小区产流特征分析Fig.2 Analysis on runoff characteristics of slope field plots

2.2.2 经果林产流特征分析

经果林小区最大产流量为7月17日，分别为32°小区35 650 ml、16°小区27 625 ml、12°小区18 075 m l、21°小区16 485 ml、27°小区5 310 ml（图3）。同坡耕地小区一样，不同坡度的经果林小区产流未表现出产流量随坡度增大而增大这一普遍规律。作者分析原因，这可能是野外小区室内模拟试验的区别所致。在室内进行试验，通常是模拟原状土密度，对裸露小区进行降雨模拟，因此对试验条件的控制比较容易。而在野外试验中，每个小区地面平整度、土壤结构、植被覆盖度等都有较大差异，很难将试验条件控制得均一。

图3 经果林小区产流特征分析Fig.3 Analysis on runoff characteristics of horticulture plots

2.2.3 矮林产流特征分析

图4分析了矮林植被覆盖下的产流特征。对于矮林小区，27°小区产流量总体高于其他小区，其次为38°小区和44°小区。矮林最大产流量为27°小区6 135 ml，38°小区4 485 ml，44°小区3 630 ml。而20°小区和33°小区产流量却未在7月17日暴雨时达到最大值，其中33°小区在7月28日降雨是产流最大，为2 220 ml，20°小区在8月7日降雨中产流达到最大值，为785 ml。矮林小区中，20°小区产流量相比其他坡度最小。

图4 矮林小区产流特征分析Fig.4 Analysis on runoff characteristics of coppice plots

2.2.4 荒草地产流特征分析

图5可见，荒草地小区中最大坡度即33°小区产流量均最大，尤其是在比较突出的几次降雨如7月17日、7月28日、8月16日，均显著高于其他坡度小区，产流量分别为26 150，11 875，8 750 ml。7月14日、7月17日和7月22日降雨中，11°荒草地小区产流也较高。

图5 荒草地小区产流特征分析Fig.5 Analysis on runoff characteristics of w ild grassland p lots

2.3 产沙特征分析

2.3.1 坡耕地产沙特征分析

坡耕地小区产沙总体呈现随坡度增加产沙量增加的趋势，观测期内产沙量随降雨量的变化规律与产流基本一致，受降雨量和降雨历时双重影响，降雨量越大、降雨历时越短，产沙量越大（图6）。7月17日降雨产沙量最大，不同坡度小区之间差异也最显著。其中28°小区产沙量为1 068.9 g，21°小区722.1 g，11°小区299.1 g，6°小区209.6 g，17°小区170 g，其中28°小区产沙量分别为21°，17°，11°，6°小区的1.48，3.57，5.10，6.29倍，21°小区产沙量亦显著高于17°，11°和6°小区。可以看出，在大雨强、短历时降雨中，陡坡耕地侵蚀产沙量显著高于缓坡耕地。分析其原因，主要是由于6－7月为当地收割小麦、种植玉米的时期，玉米处于幼苗期，地表覆盖差，且施肥、除草等整地活动频繁，导致表层土壤疏松，遇暴雨极易侵蚀。

2.3.2 经果林产沙特征分析

图7分析了不同坡度的经果林侵蚀产沙特征。经果林小区观测期内7月17日降雨和7月22日降雨产沙均较高，其中7月17日降雨32°小区产沙量最大，为1 053 g，其次12°和16°小区，产沙量分别为817.3 g和516.5 g，27°小区在整个观测期内产沙量均较小。7月22日降雨12°小区产沙量最大，为1 087.4 g，27°小区722 g，16°小区230.3 g，21°和32°小区产沙量在100 g以下。经果林小区在7月17日的大强度、短历时降雨过程中产沙量较大，而在7月28日降雨历时较长的条件下，产沙量也较高，可能有3方面原因：一是试验中的经果林小区为茶园，间作花生，农事活动频繁，土壤表层疏松；二是经果林小区坡度较高，平均坡度21.6°；三是茶园尚处幼年，虽是等高种植，但郁蔽度较低。

图7 经果林小区产沙特征分析Fig.7 Analysis on sediment characteristics of hoticulture p lots

2.3.3 矮林产沙特征分析

6月30日是小区建设完成后第一次有效观测产流产沙，由于矮林小区坡度陡，土层薄，小区建设过程中对表层扰动较大，因此38°小区和44°小区第一次产沙量较大（图8）。总体来看，38°小区产沙量最大，其次为44°小区，在此为27°和33°小区，20°小区产沙量最小。矮林品种为栎树林，虽然土层较薄，但枯枝落叶层较厚，土壤蓄水能力相对较好；另外栎树林较茂密，冠层截留使得产沙侵蚀的有效降雨大大减少，这是栎树林产沙较少的主要原因。

2.3.4 荒草地产沙特征分析

研究区荒草地为最近几年坡耕地弃耕撂荒后自然生长的植被，植被覆盖度较好，但土壤结构较差，土层较薄，因此依然存在侵蚀。图9对不同坡度下荒草地产沙特征进行了分析，结果表明，5个不同坡度中，33°小区产沙量最大，在7月17日暴雨过程中，产沙量为593.5 g，是另外4个坡度的4.9～114倍；7月28日降雨过程中，33°小区产沙量是其他小区的8.8～23.5倍。

图8 矮林小区产沙特征分析Fig.8 Analysis on sediment characteristics of coppice p lots

图9 荒草地小区产沙特征分析Fig.9 Analysis on sediment characteristics of w ild grassland p lots

2.4 不同土地利用类型产流产沙对比分析

2.4.1 不同土地利用类型产流对比分析

对各土地利用类型下的5个坡度径流小区产流量进行平均，得到观测期内不同土地利用类型平均产流量（图10（a））。可以看出，在主要的降雨过程中，经果林小区产流量最大，其次为坡耕地小区、荒草地小区、马尾松林小区和矮林小区。以7月17日降雨为例，经果林小区平均产流量为20 629 ml，坡耕地小区产流量为12 518 m l，荒草地小区产流量8 896 ml，马尾松林小区平均产流量为4 583 ml，矮林小区平均产流量为3 224 ml。

2.4.2 不同土地利用类型产沙对比分析

用同样的方法对不同土地利用类型的产沙量进行分析，结果如图10（b）所示，总体趋势与平均产流量一致，经果林最大，其他依次为坡耕地、荒草地、马尾松林和矮林。7月17日降雨过程中，5种土地利用类型平均产沙量可以分为3个水平，经果林和坡耕地小区为第一水平，平均产沙量504.3 g；荒草地小区为第二水平，平均产沙量153.34 g；马尾松林和矮林为第三水平，平均产沙量13.34 g。7月28日降雨亦可分为3个水平，经果林小区为第一水平，平均产沙量424.4 g；坡耕地和荒草地小区为第二水平，平均产沙量79.2 g；马尾松林和矮林为第三水平，平均产沙量3.8 g。

图10 不同土地利用类型平均产流和产沙量Fig.10 Average runoff and sediment amount w ith different soil utilization types

3 结 论

产流产沙过程是降雨强度和降雨历时双重作用的结果，降雨强度越大、降雨历时越短，产流产沙越大。同时，产流产沙与土地利用结构和坡度关系密切，对于南水北调中线水源区而言，经果林产流产沙量最大，是研究区发生土壤侵蚀的主要地类。由于研究区耕地少，陡坡种植依然存在，加上粗放经营，使得坡耕地成为该区第二大水土流失策源地。荒草地近年的弃耕地和撂荒地，应加强管理。马尾松林和矮林是研究区主要的林地，产流产沙均最小，因此应重点保护现有林地，加强抚育，不断增加植被覆盖，减少水土流失。

由于小区面积仅为7 m2，各径流小区之间立地条件差异较大，弱化了坡度在产流产沙中的影响作用，但总体上仍能体现坡度越大、产流产沙越强这一规律。

［1］ 严忠海，胥耀平，刘彬彬.陕西秦巴山区林业生态综合治理模式研究［J］.西北林学院学报，2005，20（2）：28－31.（YAN Zhong-hai，XU Yao-ping，LIU Bin-bin.Comprehensivemanagement of forestry-ecology in Shaanxi Qinba Mountains area［J］.Journal of Northwest Forestry University，2005，20（2）：28－31.（in Chinese））

［2］ 惠振德，孙 虎，郭彩玲.陕西秦巴山区水土流失灾害及防治对策［J］.陕西师范大学学报（自然科学版），1994，22（3）：74－78.（HUI Zhen-de，SUN Hu，GUO Cai-ling.Water loss and soilerosion and it＇s countermeasure in Qinba Mt.Shaanxiprovince［J］.Journalof Shaanxi Normal University（Natural Science Edition），1994，22（3）：74－78.（in Chinese））

［3］ 王幼民.秦巴山地和陇南山地水土流失及其生态防护原理［J］.西北林学院学报，1999，14（3）：60－65.（WANG You-min.Soil and water loss and its ecological protection principle inmountain area of south Shaanxiand south Gansu［J］.Journal of Northwest Forestry University，1999，14（3）：60－65.（in Chinese））

［4］ 白景锋.南水北调中线水源区生态环境保护研究［J］.南水北调与水利科技，2006，4（增刊）：7－9.（BAI Jing-feng.The ecological environment conservation ofwater source area in the Middle Route Project of the Southto-North Water Diversion［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2006，4（supplement）：7－9.（in Chinese））

［5］ 黄青贤.南水北调中线水源区水土保持的生态经济问题研究［J］.水土保持研究，2006，13（1）：162－164.（HUANG Qing-xian.Study on ecological economy issue of Diverting Water from the South to the North in Median Source Region［J］.Research of Soil and Water Conservation，2006，13（1）：162－164.（in Chinese））

［6］ 唐燕燕.南水北调中线工程水源区丹江口市水土流失与防治对策［J］.南水北调与水利科技，2005，3（5）：32－33，51.（TANG Yan-yan.Soil erosion at the Source Zone of MRSNWT and control measures thereto［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2005，3（5）：32－33，51.（in Chinese））

［7］ 白景锋.南水北调中线工程水源区流域生态环境可持续发展研究［J］.南水北调与水利科技，2005，3（2）：12－14.（BAI Jing-feng.The eco-environment sustainable development of water source valley in the Middle Route Project of South-to-North Water Transfer［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technology，2005，3（2）：12－14.（in Chinese））

［8］ 沈泽昊，张全发，岳 超，等.南水北调中线水源区土地利用／土地覆被的空间格局［J］.地理学报，2006，61（6）：633－644.（SHEN Ze-hao，ZHANG Quan-fa，YUE Chao，et al.The spatial pattern of land use／land cover in the water supplying area of the Middle-Route of the Southto-North Water Diversion（MR-SNWD）Project［J］.Acta Geographica Sinica，2006，61（6）：633－644.（in Chinese））

（编辑：王 慰）

Study on Runoff and Sediment Generated by Vegetation Recovery in Water Source Area of M iddle Route of South-To-North Water Transfer Project

LIYa-long，ZHAO Jian，DINGWen-feng
（Department of Soil and Wter Cnservation，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The typical smallwatershed in thewater source area of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Projectwas chosen to build runoff plots on five different land use typeswith slope farmland，horticulture，degradation coppice，wildgrassground，andmasson pinus.The rules of runoff and sedimentgeneration under different land use types aswell as the effect of slopes were observed.The research results showed preliminary that the rainfall processwith high intensity and short duration was themain force inducing soil and water loss in thewater source area.Among the five different land use types，the runoff and sedimentof horticulture and slope farmland were significantly higher than those of the other types.Therfore，besides enforcing the slope farmland management，controlling the soil and water loss of horticulture is also important for the vegetation recovery in thewater source area of Middle Route of South-to-North Water Transfer Project.

water source area of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project；land use；vegetation recovery；runoff and sediment generation

S157.1

A

1001－5485（2010）11－0053－05

2010-09-10

农业科技成果转化资金项目（2007GB23320437）；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费资助（YWF0904）

李亚龙（1976-），男，河北保定人，博士，高级工程师，从事水土保持与土壤侵蚀研究工作，（电话）15902729311（电子信箱）lyalong888＠163.com。