不同盖度草地水土流失分析

刘小平 任树梅 杨培岭

摘要：以内蒙古呼伦贝尔市新巴尔虎右旗坡度草地为研究对象，采用野外人工模拟降水试验，研究典型区域内不同盖度草地在不同降水强度下的产流、产沙特征。研究表明：不同盖度草地在不同降水强度下初始产流时间、产流产沙量有显著差异；50%盖度草地60 mm/h下径流含沙率最小，盖度越大截流、截沙能力明显增强。因此，降低放牧强度提高草地盖度可以有效减少草原水土流失现象。

关键词：呼伦湖流域；草地；人工模拟降水；水土流失

中图分类号：S 157 文献标识码：A 文章编号：1009-5500（2013）05-0027-06

收稿日期：2013-07-19； 修回日期：2013-07-23

基金项目：中国农业大学、内蒙古农业大学两校合作项目“气候变化与放牧强度对呼伦湖生态环境的影响”项目（NO.15057004）资助

作者简介：刘小平（1987-），男，江西泰和人，助理工程师，从事水土流失、农业水土工程方面的研究。

E-mail：liuxiaoping2005106@126.com

任树梅为通讯作者。

我国草原面积占国土面积的41%，而全国草原沙化面积占草原总面积的35.6%，潜在沙漠化面积占48.7%[1-4]。据资料统计，我国北方草原100%超载放牧，超载率50%以上，边远牧区草地使用权得不到固定，草地较好的地方常常出现抢牧、乱牧现象。超载放牧导致了草地的不断退化，也助推了沙尘暴的频频发生[5]。研究报道我国牧草产量建国初达3.0 t/hm²以上，而目前低产地已降至375 kg/hm²，严重地区已变成不毛之地[6]。呼伦贝尔草原沙漠化面积2004年比1999年增加32.3%，比1994年增加56.1%，呼伦贝尔草原以每年1.35%的速度退化[7]，草原的“三化”加剧了水土流失的发生。

呼伦贝尔湖流域的草地大多是退化草地，植被较稀疏，部分草地进行封育主要用于打贮草[8]。呼伦湖流域的新巴尔虎右旗（以下简称新右旗）总面积2.47万km²，占呼伦湖流域面积54%，天然草地面积2.26万km²，可利用草地面积2.01万km²[9]，占天然草地89%。据新右旗草原监测管理局提供的2009年草地数据，可利用草地中有水草地、供水不足草地、缺水草地、沙化草地、盐碱化草地。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”形势持续加剧。

研究呼伦贝尔湖流域内不同盖度草地的水土流失特性，旨在揭示放牧强度对草原水土流失的影响。2010年7月25～8月2日在呼伦贝尔湖流域，选择典型草地进行人工模拟降水试验，研究在降水强度、坡度、土壤质地等因素影响下的泥沙流失的特性，为呼伦湖流域防治水土流失提供借鉴。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于内蒙古呼伦贝尔盟新右旗，地处高平原克鲁伦石质低山丘陵小区缓坡地[9]，北高南低，中部为河滩冲击草原。日照时数年均2 840 h；年均气温0.4 ℃，牧草生长期为176～189 d，有效积温2 336～2 675 ℃；年均降水量246.3 mm，86%集中于6～9月[10]；年均蒸发量1 628 mm以上，为降水量的6.6倍。无霜期163 d；年均风速4.47 m/s，大于17.0 m/s的大风天数全年在40 d以上；土壤属栗钙土亚地带，pH 8.0～9.3，地下水pH 9.0以上。

试验选择20%、50%两种盖度草地。20%盖度草地小区位于新右旗阿拉坦额莫勒镇外环线西北方向，坡度3.23°，海拔562 m。50%盖度草地小区距克鲁伦河约1.0 km，坡度为3.38°，海拔557 m。

1.2 试验设计

20%盖度草地选6个小区（图1中1-1至1-6），设置两种降水强度30、60 mm/h（由最大日降水频率分析得出，它们相当于频率为44%和7.19%最大日降水量），图1中1-1至1-3小区降水强度为60 mm/h，1-4至1-6小区降水强度为30 mm/h，每个小区长宽为7.4、3.7 m。50%盖度草地选6个小区（图1中2-1至2-6）作相同处理。

图1 试验小区现场布置

Fig.1 Experimental plots

人工模拟降水开始之前，测量小区坡度，植物高度、种群密度、土壤物理性质等。采用HUNTER喷头，规格为10A，喷洒半径为3.4 m。试验区周边采用帆布设置挡风墙。

人工模拟降水60 mm/h开始后，记录时间及初始产流时间。产流1 min以后第1次采集水样，用20 L的PVC桶取径流样，持续30 s（雨强30 mm/h的时间持续1 min，其他步骤相同），测量径流体积和泥沙含量，之后每隔5 min取样1次，测定相应参数，整个降水过程持续1 h。

1.3 测定的内容与方法

2010年7月25日选定20%盖度草地及试验小区，当日及时取样测定坡度、植被、土壤的物理特性等参数，并于25～26日进行降水试验，测定径流量、水土流失量和降水量均匀度等参数。

2010年8月1日选定50%盖度草地及试验小区，当日及时取样测定坡度、植被、土壤的物理特性等参数，并于1～2日进行降水试验，测定径流量、水土流失量和降水量均匀度等参数。

1.3.1 植被 草地及试验小区选定后，坡度用水准仪现场测定，分别对各种盖度草地的植被情况进行观测。观测样方面积0.5 m×0.5 m，随机在试验区域抛5次；盖度采用目测法测定；种群密度采用数株的方法[11]；高度采用直尺测量。观测不同盖度草地的植被分布和植被群落变化，分析其优势物种、植被盖度及其放牧强度（表1）。

表1 试验区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 在选定的各类型草地分别开挖1.0 m×1.0 m，深1.0 m的标准剖面。观察土壤质地及分层，并测量各层土壤含水量、容重及粒径。

在试验前对各草地标准剖面按土壤质地情况分层。取0～20 cm表层土壤测量其含水量。容重采用环刀法，含水量采用烘干法，各3次重复。

土壤的粒径分析采用比重计法，土壤样品由中国农业大学水利与土木工程学院土力学实验室测验分析（2010年8月15日），土壤分类按照美国农业部土壤质地三角图进行分类[12]。分类结果表明，20%盖度草地与50%盖度草地土壤均为砂壤土。经土壤粒径分析后得两盖度草地土壤类型均为砂壤土（表2、3）。

1.3.3 径流量和水土流失量 2010年7月25～8月2日实施人工模拟降水试验，人工模拟降水开始后，记录产流时间。产流1 min后第1次取样，取径流样测产流产沙情况，然后每隔5 min再取样1次，产流后再

表2 草地各层土壤容重

Table 2 Soil bulk density of grassland at

experimental site g/cm³

表3 试验草地土壤粒径分析及其土壤类别

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

持续降水至1 h。20 L量桶收集径流，降水过程中收集雨水作空白对照，试验结束后立即测量径流体积及径流泥沙产量。

采用量筒测量径流体积，采用烘干法测量径流泥沙产量[13]，24 h内分析完毕。

1.3.4 径流和径流系数计算 试验结束后径流量估算采用公式（1）计算，泥沙产量根据同步流量和浓度监测值按公式（2）进行计算[14]。

1.3.5 降水量均匀度测定 采用半径10 cm，高30 cm的自制圆柱形铁皮量筒测量降水均匀度，在草地试验区域布置9个量筒进行测定，量筒间距为0.925 m×1.85 m，现场布置见图1。均匀度采用目前模拟降水均匀度常用的公式：

2 结果与分析

2.1 初始产流时间

试验结果表明，20%盖度草地，30与60 mm/h初始产流时间分别为55、15 min；50%盖度草地，30与60 mm/h初始产流时间分别为30、15 min。因此，在小降水强度情况下，产生径流较困难。

在30 mm/h降水情况下，50%盖度初始产流较20%盖度草地早了25 min，原因之一为初期含水量的负相关作用要强于盖度的正相关作用，另外一个主要原因为20%盖度草地容重较小，土壤孔隙较大，有机腐殖质含量较多，入渗强度大；但是在60 mm/h降水情况下，两种草地初始产流时间相同，可以得出随着降水强度的增大，草地盖度对径流影响效果逐渐显现，这与张洪江等[16]在重庆缙云山的研究结果是一致的；因此，在增大盖度的同时若能疏松土壤，减小土壤容重，

表4 不同盖度草地各小区降水

Table 4 Rainfall to experimental plots at different coverage

增大土壤入渗强度及功能，则能提高土壤植被蓄水保熵能力，大大降低土壤侵蚀减少水土流失。

2.2 不同盖度草地的径流量

2.2.1 草地产流过程 在30 mm/h降水强度时，平均流量分别为39.6、25.84 mL/s，在60 mm/h降水强度时，平均流量分别为182.4、101.49 mL/s。20%盖度草地径流流量都要大于50%盖度草地（图2、3），前者趋势为第2次取样径流流量有较大幅度的提高，之后趋于平缓稳定。后者整个产流过程较趋于稳定波动较小。原因为两盖度草地入渗强度小于30 mm/h降水强度，产生径流后入渗强度逐渐变化并趋于稳定，此时径流流量也趋于稳定并达到最大值，而且对于50%盖度草地由于初始产流时间较长，产生径流时入渗强度基本减小到最小值，因此，径流流量也较早达到稳定。

对于20%盖度与50%盖度草地，盖度越大产流越少，截留效果越明显。

图2 30 mm/h不同盖度草地产流过程

Fig.2 Runoff process of grasslands at different

coverage under 30 mm/h rainfall

图3 60 mm/h不同盖度草地产流过程

Fig.3 Runoff process of grasslands at different

coverage under 60 mm/h rainfall

2.2.2 草地径流量 20%盖度草地，30、60 mm/h降水径流量分别为0.044、0.666 m³，50%盖度草地，30、60 mm/h降水径流量分别为0.038 m³、0.255 m³，说明：（1）20%盖度下60 mm/h较30 mm/h降水，径流量增大15倍，50%盖度下径流量增大6.7倍，两种盖度草地坡度一样时，盖度越大，抵抗大降水的能力就越强，径流截留优势就越明显，水土流失量就越少；（2）30 mm/h 降水下，20%盖度径流量是50%盖度的1.2倍，60 mm/h降水下，20%盖度径流量是50%盖度的2.6倍（图4，5）。

图4 两种降水强度不同盖度草地的径流量

Fig.4 Runoff of grasslands at different coverage

under two rain intensities

图5 两种降水强度不同盖度草地的产沙量

Fig.5 Sediment of grasslands at different coverage

under two rain intensities

20%盖度草地，30、60 mm/h降水下径流系数为0.037、0.156，50%盖度草地，30、60 mm/h降水下径流系数为0.032、0.121，说明：（1）径流系数小的草地其坡面产流相应较少，流速较小；径流系数较大的草地其流速也较大，这与杨春霞等[17]研究坡面产流产沙试验的结果一致；（2）两种降水强度下，草地盖度越大，径流系数越小。而且草地盖度越大，降水强度增大时，径流系数增加更为缓慢，截流效果更为显著。

2.3 不同盖度草地的产沙量

2.3.1 草地产沙过程 对于30 mm/h降水强度条件下的20%盖度草地与50%盖度草地无稳定产沙规律（图6），两者呈反向变化趋势，但是，初始值较接近且都较大，20%盖度草地含沙率初始值、平均值分别为0.28、0.22 g/L，50%盖度草地含沙率初始值、平均值分别为0.26、0.27 g/L，可以看出，盖度越大径流量中的含沙量会越大，这与赵伟等[18]在呼伦湖流域的研究结果略有不同。可能为50%盖度草地土壤表面有一层较厚的沙层，并且经过长时间的入渗之后才产生径流，径流强度要强于20%盖度草地，此时产沙量会略大于20%盖度草地。

图6 30 mm/h不同盖度草地的含沙率

Fig.6 Sediment process of grasslands at

different coverage under 30mm/h rainfall

60 mm/h降水条件下不同盖度草地径流量中的含沙率变化趋势较为一致，并且大小层次清晰明显（图7），50%盖度草地的含沙率小于20%盖度草地，与上述结论不一致。20%盖度草地含沙率初始值、平均值分别为0.36，0.31g/L，50%盖度草地含沙率初始值、平均值分别为0.1，0.15 g/L。50%盖度草地60 mm/h降水条件下含沙率最小，主要原因是60 mm/h降水条件下，50%盖度草地有植被的保护，减弱了雨滴

图7 60 mm/h不同盖度草地的含沙率

Fig.7 Sediment process of grasslands at

different coverage under 60mm/h rainfall

打击动能，因此，径流所挟带的泥沙含量就较少，试验得出大降水强度的冲击力使小盖度草地沙粒流失严重，盖度越大，抑制产沙效果明显。这与马海霞等[19-21]的研究一致。总体上含沙率与盖度和降水强度均没有明显关系，但是含沙率呈总体下降趋势。

2.3.2 草地产沙量 20%盖度草地，30、60 mm/h降水强度下产沙模数为0.291、6.543 g/m²；50%盖度草地，30、60 mm/h降水强度下为0.323、1.2 g/m²。

（1）30 mm/h降水强度情况下，两种草地产沙模数大致相当，降水强度增大，小盖度草地产沙模数急剧上升，增大22.5倍；大盖度草地略有上升，增大3.72倍。由此可知，盖度越大，在抵抗截留径流的过程中，同时对产沙也控制的较好。

（2）60 mm/h降水强度情况下，50%盖度草地产沙模数为1.2 g/m²，20%盖度草地产沙模数最大为6.543 g/m²，前者是后者的0.18倍，可知盖度越大，其截沙的能力大大增强，坡度大致相当时盖度对产沙能力的影响是至关重要。

3 结论

通过人工模拟降水研究草原水土流失，试验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降水情况下，两种草地初始产流时间均为15 min；但是在30 mm/h降水情况下，20%盖度、50%盖度草地初始产流时间为55、30 min，20%盖度草地滞后了25 min。

（2）在60 mm/h降水情况下，50%盖度越时，径流量由20%盖度的0.666 m³减少到0.255 m³，截流效果最明显。

（3）径流系数小的草地其坡面产流相应较少；草地盖度越大，降水强度增强时，径流系数增加更为缓慢，截流效果更为显著。

（4）降水径流含沙率大小顺序为20%盖度草地60 mm/h>50%盖度草地30 mm/h>20%盖度草地30 mm/h>50%盖度草地60 mm/h。

（5）60 mm/h降水情况下20%盖度草地产沙量最大，为6.543 g/m²，50%盖度草地产沙量为1.2 g/m²，因此，草地盖度大截沙能力明显增强。

参考文献：

[1] 廖国藩，贾幼陵.中国草地资源[M].北京：中国科技出版社，1996：346-347.

[2] 王艳，杨剑虹.草原沙漠化成因的探讨[J].草原与草坪，2004（4）：28-32.

[3] 冯冰，高玉红，罗春燕，等.玛曲县草地退化成因分析[J].草原与草坪，2006（6）：60-63.

[4] 龙瑞军，董世魁，胡自治.西部草地退化的原因分析与生态恢复措施探讨[J].草原与草坪，2005（6）：3-7.

[5] 张淑卿，张兴源.锡林郭勒草原水土流失防治措施体系建设[J].内蒙古水利，2009，（119）：62-63.

[6] 王勇.黑龙江垦区循环农业发展研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2009.

[7] 朱延生.呼伦贝尔盟畜牧业志[M].海拉尔：内蒙古文化出版社，1992：96-99.

[8] 赵慧颖.呼伦贝尔草原沙化退化成因分析及防治对策[J].草业科学，2007，24（6）：9-13.

[9] 中国呼伦贝尔草地编委会.中国呼伦贝尔草地[M].长春：吉林科学技术出版社，1991：4.

[10] 张志波，姜风元，王树文，等.呼伦湖志 续志一[M].呼伦贝尔：内蒙古文化出版社，1998：1.

[11] 任继周.草业科学研究方法[M].北京：中国农业出版社，1998：1-29.

[12] 秦耀东.土壤物理学[M].北京：高等教育出版社，2003：7.

[13] 付艳红，时铁彬，徐岩.含沙量测量方法及比较分析[J].东北水利水电，2010（9）：32-36.

[14] 吴希媛，张丽萍，倪含斌，等.青山湖流域不同地表覆盖降雨径流中氮磷流失过程研究[J].水土保持学报，2008，22（1）：56-59.

[15] 任树梅.工程水文学与水力计算基础[M].北京：中国农业大学出版社，2008：29-30.

[16] 张洪江，孙艳红，程云，等.重庆缙云山不同植被类型对地表径流系数的影响[J].水土保持学报，2006，20（6）：11-13.

[17] 杨春霞，吴卿，杨剑锋，等.人工模拟坡面产流产沙试验研究[J].中国水土保持，2003（6）：24-26.

[18] 赵伟，杨培岭，刘小平，等.呼伦湖流域3种利用方式草场水土及氮磷流失特征[J].农业工程学报，2011，27（9）：220-225.

[19] 卫伟，陈利顶，傅伯杰，等.半干旱黄土丘陵沟壑区降水特征值和下垫面因子影响下的水土流失规律[J].生态学报，2006，26（11）：3847-3853.

[20] 卫伟，陈利顶，傅伯杰，等.黄土丘陵区不同降雨格局下土地利用的水土流失效应[J].水土保持通报，2006，26（6）：19-23.

[21] 马海霞.定西黄土丘陵沟壑区水土流失研究进展[J].草原与草坪，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