元谋干热河谷林地和农地集水区尺度水土流失对比研究

刘 海，陈奇伯，王克勤，周 玲，刘培静，李苗苗

(1.西南林业大学，云南 昆明 650224;2.云南岩土工程勘察设计研究院，云南昆明650011;3.昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

元谋县位于云南省楚雄州北部，地处金沙江一级支流龙川江的中下游，是金沙江干热河谷区的典型区段，属我国西南生态脆弱区［1－2］。区内生产条件落后，人口与资源矛盾突出，坡耕地面积不断增大，成为水土流失加剧的主要根源。目前，对干热河谷区水土流失的研究主要以坡面径流小区尺度为主［3－5］，而以集水区尺度研究的较少。研究土地利用类型变化与水土流失关系时，坡面径流小区无法与之匹配，较可行且有效的方法是以集水区或小流域为单元，因为该尺度的研究既保持了天然状况下的径流流动，又能避免径流小区观测放大了侵蚀量的不足，通过测定集水区出口处的径流和泥沙，能有效评价流域土地利用类型、水土保持措施变化对水土流失的影响［6］。本研究选取元谋县老城乡辖区内林地和农地2个集水区，比较了2个集水区尺度的水土流失特征，并分析了径流深与产沙量的关系，旨在为当地农业发展、生态恢复及水土流失防治提供借鉴。

1 研究区概况

研究区选择在元谋县城东南部老城乡“长江中上游水土保持重点治理项目区”的那能小流域内。该流域属深切河谷低山丘陵地貌，为低纬度南亚热带季风河谷干热气候［2］，年均气温21.9℃，年均降雨量626 mm，年最大降雨量960 mm，年最小降雨量287 mm，干湿季分明，雨季(6—10月)受西南季风和东南季风的共同影响，降雨量多达542.4 mm，占全年总降雨量的86.65%，年蒸发量3 911.1 mm，旱季长达7～8个月。四季不分明，全年基本无霜，被誉为“天然温室”［7］。土壤类型主要为燥红土、红壤、变性土、紫色土，而燥红土和紫色土是该区地带性土壤的典型代表［3］，燥红土土层薄、石砾含量较高、保水性差、有效养分缺乏，紫色土是一种强侵蚀性土壤。植被类型为稀树灌木草丛，乔木主要有云南松(Pinus yunnanensis)、桉树(Eucalyptus spp.);灌木矮小稀疏，代表树种有银合欢(Leucaena glauca)、余甘子(Phylanthus emblica)、车桑子(Dodonaea viscosa);草本代表植物有扭黄茅(Heteropogon contortus)、旱茅(Eremopogon delavayi)。试验地植被以银合欢、车桑子及扭黄茅群落为主，散生剑麻和少量野生华西小石积(Osteomeles schwerinae)。

2 研究方法

选择2种不同土地利用类型林地集水区和农地集水区为研究对象，设立卡口站，集水区量水建筑物选用三角形薄壁堰，采用Odyssey电容式水位记录仪与人工量测相结合方法量测水位，用RG2－M自记雨量计测定试验区每场降雨的降雨量及降雨历时。集水区土地利用现状见表1。

径流总量为堰池内径流体积和过堰径流体积之和。堰池内径流体积计算式为V1=h×A，其中h为堰池水深，A为堰池底面积;过堰径流体积计算式为V2=Q1×t，其中Q1为过堰流量，采用三角形薄壁堰测流量计算公式Q1=1.4×H5/2(H为过堰水头)［6］计算，t为径流过堰持续时间。集水区推移质泥沙采用体积法、悬移质泥沙采用置换法测定。

3 结果与分析

3.1 降雨特征及其变化

元谋干热河谷特殊的气候条件及焚风效应，使得区内干热程度加剧且降雨量减少。据元谋气象站观测资料，试验区2010年雨季降雨41次，总降雨量386.4 mm，占雨季多年平均降雨量的71.24%，较往年偏少且降雨量分配不均。研究区2010年降雨特征见表2。

从表2可以看出，6、7、8月降雨次数较多，7月降雨类型最为丰富且降雨量达189.2 mm，高于多年平均值，占雨季总降雨量的48.96%，其他月份降雨量均远小于相应的多年平均降雨量。元谋县2009年下半年至2010年5月8日滴雨未降，属百年不遇的重大旱情，5月9日出现降雨，但5、6月降雨量仅分别为9.2、55.0 mm，降雨量过小，旱情并未得到缓解。7月降雨次数增多，降雨量猛增且高于多年平均值，仅7月28日的单次降雨量就达101.8 mm，表明暴雨是元谋干热河谷降雨量增加的主要形式。雨季若降雨时间较为集中，即便降雨量较小也可产生径流。据统计，2010年集水区产流降雨为12次，占总降雨次数的29.26%，表明干热河谷地区年降雨总量中，大部分降雨属小强度降雨和全部入渗的小量降雨，并不能产生径流。

表1 2010年集水区土地利用现状

表2 研究区2010年6—10月降雨特征

3.2 不同集水区产流产沙对比分析

影响水土流失的因素较多且比较复杂，其中降雨是坡面产流产沙的动力条件［7］，产流量与产沙量随降雨量的变化而变化。研究降雨量少且集中的干热河谷集水区降雨与产流产沙之间的关系，对认识该区水土流失特征具有重要意义。2010年2个集水区12次产流降雨条件下产流产沙特征值对比见表3。

表3 2010年2个集水区12次降雨产流产沙特征值对比

表3显示：径流深总值为农地＞林地。不论是产流量还是产沙量均为降雨量大其值则大，7月28日产流降雨量为101.8 mm，2个集水区产流产沙值均达到最大;12次产流降雨中降雨量在4.8～27.6 mm之间时，径流深基本趋势为农地＜林地，原因在于农地中旱地、裸地及稀疏草地的植被覆盖度较低、土壤疏松、土层比较深厚，其水分入渗速率、总孔隙率和持水性都较高，沟道及跌坎地类覆盖部分杂草几近裸露，导致大量降雨直接打击地表的机会增加，当降雨量较小时，这些地类吸持水的能力比林地强，所以径流量会较林地小。同时，随着降雨量的继续增加，农地集水区中旱地、裸地、沟道及跌坎等地类达到饱和状态后土壤保水能力降低，土壤水分饱和之后的降雨则全部形成径流;水泥路面径流系数较大，除较少降雨入渗外，其余均形成地表径流，使得农地的产流速率增大，这些均是造成农地在降雨量较大时径流深较大的原因。

表3表明，农地产沙量一直远远高于林地，原因在于降雨量较小时，林地虽产流较多，但植被覆盖率较高的林地、稀疏草地，其植被冠层截留降雨使降雨量削减，保存较好的枯枝落叶层能降低径流流速［8］，使径流在地面上滞留的时间延长，增加了土壤下渗时间，使得土体比较紧实，沙粒不易被起动和搬运，从而减少了径流所携带的泥沙;植物根系盘结、保持水土，从根本上保护和改良了土壤结构，增加了土壤免遭侵蚀的能力，因此能减少水土流失。农地集水区中旱地、裸地、稀疏草地、沟道及跌坎等地类土质比较疏松，人为对表土的干扰比较大，又非长期有覆盖度较高的作物保护，因此较林地更易遭受雨滴的打击和径流对表土的冲刷、搬运，从而使土壤流失量增加。特别是7月28日产流降雨量为101.8 mm时，农地径流深、产沙量远高于林地，说明持续时间较长的大雨、暴雨易造成严重的水土流失。

2010 年雨季林地、农地总径流深分别为9.56、25.01 mm，产沙量分别为218.04、354.08 t/km2。与农地相比，林地径流深减少了61.77%，输沙模数减少38.42%。结合表1，林地植被覆盖度65%，远高于农地(30%)，说明覆盖度高的植被有较好的调节径流、保水与抗侵蚀作用，故林地的总产流量较小，所携带的泥沙量也较少。农地集水区地类丰富且缺少植被覆盖，其径流深与产沙量均很大。可见林地拦蓄径流、削减泥沙的效果要优于农地。

3.3 不同集水区产流与产沙之间的关系

通过对林地与农地2个集水区产流产沙值进行分析，剔除7月28日的奇异值，建立不同集水区产沙量(S)与产流量(W)之间的线性方程，结果见表4。从表4可以看出，两个集水区的相关系数(R2)都在0.61以上，产流量与产沙量存在显著的线性相关关系，产沙量随径流深的变化而变化。从直线斜率来看，林地为78.078，农地为270.45，前者明显小于后者，表明产流量接近时农地产沙量增大的速率高于林地，林地的水土保持效果明显好于农地。

表4 2个集水区产流与产沙相关方程

4 结语

(1)元谋干热河谷区年降雨总量中，大部分降雨属低强度降雨，雨量小、入渗量大，并不能产生径流，暴雨才是该区径流产生的主要降雨方式。2010年雨季产流降雨为12次，占总降雨次数的29.26%。

(2)与农地集水区相比，林地集水区产流产沙量总值低，径流深减少61.77%，输沙模数减少38.42%。有效降雨在4.8～27.6 mm之间时，径流深为农地＜林地，产沙量为农地＞林地;有效降雨量＞27.6 mm时，径流深、产沙量均为农地＞林地，林地、农地总径流深分别为 9.56、25.01 mm，产沙量分别为218.04、354.08 t/km2。

(3)2个集水区的相关系数都达0.61以上，产流量与产沙量存在显著的线性相关关系，产沙量随产流量的增加而增加，且产流量相近时农地产沙量增长速率要高于林地，林地的水土保持效果要明显好于农地。

［1］张荣祖.横断山区干热河谷［M］.北京：科学出版社，1992：324－364.

［2］王克勤，陈奇伯.金沙江干热河谷人工生态林的林分环境分析［J］.中国水土保持科学，2003，1(1)：74 －79.

［3］刘芝芹，王克勤，李艳梅.金沙江干热河谷坡面降雨产流特征的分析［J］.石河子大学学报：自然科学版，2010，28(2)：227－231.

［4］杨建霞，雷孝章，邱景，等.5°～25°坡耕地径流小区产流产沙规律［J］.中国水土保持科学，2008，6(z1)：30 －34.

［5］陈奇伯，王克勤，刘芝芹，等.金沙江干热河谷封禁管护坡面的产流产沙特征［J］.水土保持研究，2006，13(4)：217 －219.

［6］李智广，张光辉，刘秉正，等.水土流失测验与调查［M］.北京：中国水利水电出版社，2005：12 －13.

［7］陈奇伯，王克勤，李金洪，等.元谋干热河谷坡耕地土壤侵蚀造成的土壤退化［J］.山地学报，2004，22(5)：528 －532.

［8］张明忠，朱红业，沙毓沧，等.金沙江干热河谷草被凋落物的分解率与持水性能［J］.水土保持研究，2010，17(2)：156－159.