黄土高原典型区降雨植被耦合对侵蚀产沙影响的临界研究

汪明霞，王卫东，张鹏飞

(1.黄河水利职业技术学院 水文与水资源系,河南 开封 475001；2.水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南 郑州 450003； 3.区域水土资源高效利用研究中心，河南 开封475001)

降雨、植被、土壤、坡度等是影响土壤侵蚀的重要因子。坡度、土壤物理性状是长期地质作用形成的，不易改变，而被覆度和降雨在空间和时间上却有较大的变化，且由于植被的存在，使得降雨和侵蚀之间的关系十分复杂。降雨植被耦合对侵蚀产沙影响的研究是地表过程领域重要的科研内容，目前我国许多学者开展了黄土高原降雨植被耦合对侵蚀产沙影响的研究，但大部分研究属大尺度范围或是以流域、以县为单元进行的[1-4]，针对典型地区在时间上展开的降雨植被耦合对侵蚀产沙影响的研究尚属空白。本研究应用黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站南小河沟流域的径流场实测资料，从微观角度揭示草业用地降雨-植被耦合对土壤侵蚀的影响，并获得相应的临界值，以期为指导黄土高原典型区水土流失治理提供参考。

1 研究区概况、数据来源和研究方法

1.1 研究区概况

西峰水土保持科学试验站径流场布设于庆阳市西峰区的南小河沟流域。南小河沟系泾河支流蒲河左岸的沟道，地理位置为107°37′E、35°42′N，海拔1 050—1 432 m，属陇东黄土高原沟壑区。流域地貌主要有塬面、坡、沟谷3种类型，塬面坡度平缓，多在5°以下，坡是连接塬面与沟谷的纽带，其坡度一般为10°～20°，沟谷坡度一般在25°以上。流域内除下游沟床有白垩纪砂岩出露外，其他地面全部为黄土覆盖。流域年均降雨量534.4 mm，年均气温9 ℃，无霜期160 d左右。

1.2 数据来源和研究方法

本研究数据来源于西峰水土保持科学试验站于1954—1963年布设的22个自然草地径流场、1957—1963年布设的7个人工牧草径流场以及1957—1986年观测时间最长的李家台人工牧草径流场，总计发生产流降雨310次。牧草品种主要为紫花苜蓿和草木樨。观测时，人工草场、自然草场径流场记载每次降雨总量、径流总量、泥沙总量、牧草名称、植被覆盖度、次平均雨强、每分钟最大雨强等。

由于植被的作用，使得降水和土壤侵蚀产沙之间的关系非常复杂。一般而言，植被类型不同其防蚀能力也不同，乔木、灌木与草3种植被，以灌木的防蚀效果最佳，牧草次之，乔木最差(陈永宗，1983年)。根据径流场实际情况，本研究选取人工牧草及天然荒坡径流场为研究对象。牧草植被生长迅速，枝叶茂盛，枝叶冠层截留降雨、削减雨滴动能、防止雨滴直接打击地面，削弱水流对土壤的冲刷破坏，同时牧草根系网络固结土壤，改善土壤理化性状，提高雨水入渗，因此牧草植被的存在改善了土壤的抗蚀力。但是，土壤侵蚀产沙强度同降雨量、降雨强度、降雨动能等降雨特征也有着密切的关系：当次降雨量较大时，降雨产生的侵蚀力也较大，可能会导致较高的侵蚀强度；而如果植被的抗蚀力也较大，这又可能导致较低的侵蚀强度。相反，如果某次降雨侵蚀力起主导作用，植被抗蚀作用居于次要地位，这又可能导致较高的侵蚀强度。因此，为了定量地揭示降雨-植被耦合与侵蚀产沙之间的关系，本研究引入植被覆盖度作为植被抗蚀力指标，同时引入次降雨侵蚀力作为描述次降雨特征的又一指标。降雨侵蚀力等于在野外测定的降雨能量E和最大30 min降雨强度I30的乘积。降雨能量E的测定非常困难，故常采用下列经验公式计算黄土高原次降雨侵蚀力[5]，即

(1)

式中：R为次降雨侵蚀力，m·t·cm/(km2·h)；P为次降雨量，mm；I30为最大30 min降雨强度，mm/h。

I30是一个重要指标，然而在西峰水土保持科学试验站整编的径流场资料中，并没有从当时的降雨量过程线上摘录出这一指标，因此根据现有资料情况采用田杏芳等的研究成果[6]，引入降雨强度复合因子(I平均I最大)代替I30表征降雨侵蚀力。

2 结果与分析

2.1 侵蚀产沙量与降雨的关系

将1972—1985年人工草地李1径流场(黄土母质，坡度8°，面积187 m2，种植紫花苜蓿)和1959—1963年魏8径流场(红土母质，坡度8°55′，种植苜蓿)汛期次产流降雨量与侵蚀量数据点绘如图1。从图1可以看出，侵蚀模数与次产流降雨量散点图关系不明确，这是因为即使在坡度一定的情况下，水土流失仍是降雨量、降雨强度、植被覆盖度等综合影响的结果。参考以往关于无植被覆盖情况下的研究[7]可以知道，同土壤侵蚀量相关程度较好的复合因子有降雨量、次平均雨强(I平均)、最大30 min雨强(I30)。I平均能反映单次降雨的总特征，I30体现的是降雨过程集中程度的差异性。西峰水土保持科学试验站径流场整编资料中没有从当时的降雨过程线上提取出I30这一指标，因此将I最大(每分钟最大雨强)作为复合因子之一，分析有植被覆盖情况下降雨复合因子(PI平均I最大)与土壤侵蚀的相关性，其相关分析结果见表1。

图1 次产流降雨量与侵蚀模数的关系

表1 不同植被覆盖度下的降雨量、每分钟最大雨强、次平均雨强相关分析

由表1可以看出，在植被覆盖度较低的情况下，土壤侵蚀同次降雨量、每分钟最大雨强、次平均雨强具有良好的相关性，这也进一步说明除最大30 min雨强外，影响侵蚀的重要指标也可以用次平均雨强、每分钟最大雨强来表征。随着植被覆盖度的增加降雨复合因子(PI平均I最大)与侵蚀量相关系数在减小，但均通过了F0.05的显著性检验。这说明在植被存在的情况下侵蚀量同降雨复合因子(PI平均I最大)仍相关，只是植被覆盖度越高其截留降雨、减小雨滴击打动能的能力就越强，对侵蚀量的影响也就越大。

2.2 植被覆盖度与产沙的临界响应关系

将1957—1963年7个人工牧草径流场及1954—1963年22个天然荒坡径流场的230场次产流降雨植被覆盖度同侵蚀量的关系点绘如图2。从图2看出，次侵蚀模数与草地覆盖度之间的散点关系不明确，但这些散点中一些相对较大的侵蚀模数与植被覆盖度却呈现较好的规律性，即当植被覆盖度为10%时出现次侵蚀模数最大值，植被覆盖度<10%时相应植被覆盖度的较大侵蚀模数随着植被覆盖度的增加而增大，这说明当植被覆盖度<10%时植被对阻止侵蚀基本无效。当植被覆盖度>10%时一些相对较大的侵蚀产沙数据与植被覆盖度之间呈现出较好的幂函数关系。该现象表明，在一定的草地覆盖度条件下，其极大侵蚀模数受到草地覆盖度的制约，但不是每次降雨都一定能够产生如此高的侵蚀量，当降雨强度、降雨量等其他条件不充分时，相同覆盖度条件下出现相对较小的侵蚀模数的现象是常见的。因此可知，牧草覆盖度决定着研究区的极大侵蚀模数。由此引出一个新的物理概念即极端侵蚀模数。从图2还可以看出，当植被覆盖度达到70%时，径流场极端侵蚀模数趋于零(基本不发生侵蚀)，这说明当植被覆盖度>70%时，植被抗蚀作用达到最大且趋于稳定。

图2 植被覆盖度与侵蚀产沙的关系

2.3 降雨植被耦合与产沙的临界响应关系

为了进一步研究植被对降雨侵蚀的影响，将>10%的植被覆盖度与次极端侵蚀模数、降雨侵蚀力与次侵蚀模数点绘如图3。由图3可知次降雨侵蚀力和次侵蚀模数呈正相关，植被覆盖度同极端侵蚀模数呈负相关，并且两条关系曲线具有一个临界点，即极端侵蚀模数为710 t/km2、植被覆盖度为25%。这一临界点说明当极端侵蚀模数<710 t/km2、植被覆盖度>25%时，植被抗蚀力占主导作用，降雨侵蚀力占次要地位；当极端侵蚀模数>710 t/km2、植被覆盖度<25%时，发生极端侵蚀模数的次降雨植被抗蚀力起次要作用，降雨侵蚀力占主导地位。这一临界点的现实意义是如果使某覆盖度对应的次降雨极端侵蚀模数降至710 t/ km2以下，且发生极端侵蚀模数时植被抗蚀力起主导作用， 则植被覆盖度不能低于25%。 同时由于植被覆盖度达到70%时极端侵蚀模数趋于稳定，因此如果要使植被抗蚀力起绝对主导作用、植被抗蚀力达到最优效果，则植被覆盖度至少要达到70%。

图3 降雨植被耦合与产沙的临界响应关系

3 结 语

(1)尽管研究区植被覆盖度对侵蚀模数影响既非线性也非指数型关系，但植被覆盖度>10%时极端侵蚀模数同植被覆盖度之间却存在着良好的函数关系。

(2)根据次降雨侵蚀力、植被覆盖度、侵蚀模数临界点和拐点的变化，在庆阳地区生态建设中，除因地制宜地选好人工牧草外，要使人工牧草起到有效的抗蚀作用，其覆盖度应不低于10%；若要使牧草植被的抗蚀力达到最优效果，其覆盖度至少要达到70%。

(3)南小河沟小面积的坡地径流场为从微观角度研究降雨植被耦合对侵蚀的影响提供了重要的数据，但整个试验中缺乏植物根部对土壤抗蚀作用、土壤物理、化学抗蚀性及30 min最大雨强数据，使得试验资料的应用具有一定的局限性，同时试验主要是对天然降雨的观测，辅助的人工降雨试验不足，且忽略观测过程。因此，在今后的研究中，应根据实际情况进行新的径流小区布设，进一步开展土壤物理、力学、化学性质及植物根部消能减蚀作用的研究。

[参考文献]

[1] 陈浩,陆中臣,李忠艳，等.流域产沙中的地理环境要素临界[J].中国科学：D辑，2003,33(10)：1005-1012.

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[3] 彭少明,黄强,陈爱红，等.黄河流域水资源多维临界调控研究[J].人民黄河,2003(9):32-37.

[4] 王随继.黄河中游多沙粗沙区侵蚀产沙与植被相互作用的临界现象[J].水土保持学报,2004,18(4):20-28.

[5] 王万忠,焦菊英，郝小品.黄土高原降雨侵蚀产沙数据图集[M].西安:西安地图出版社,1991：133.

[6] 田杏芳,贾泽祥，刘斌，等.黄土高塬沟壑区典型小流域水土流失规律及水土保持治理效益分析研究[M].郑州：黄河水利出版社，2008：32.

[7] 陈晓安.黄土丘陵沟壑区坡面土壤侵蚀规律与坡面侵蚀经验模型的研究[D].武汉：华中农业大学，2010:77-93.