伊犁河谷5种土壤管理措施减流减沙效果分析

李晓原, 张文太, 李建贵, 仲亚婷, 苏悦, 赵婧文

(1.新疆农业大学林业研究所，830052，乌鲁木齐；2.新疆土壤与植物生态过程自治区重点实验室，新疆农业大学草业与环境科学学院，830052，乌鲁木齐；3.新疆农业大学林学与园艺学院，830052，乌鲁木齐)

伊犁河谷5种土壤管理措施减流减沙效果分析

李晓原1, 张文太2†, 李建贵1, 仲亚婷3, 苏悦2, 赵婧文2

(1.新疆农业大学林业研究所，830052，乌鲁木齐；2.新疆土壤与植物生态过程自治区重点实验室，新疆农业大学草业与环境科学学院，830052，乌鲁木齐；3.新疆农业大学林学与园艺学院，830052，乌鲁木齐)

伊犁河谷区域水力侵蚀等级中等偏强，分析土壤管理措施的减流减沙效果为土地资源的可持续利用和防治水土流失提供参考。本文采用野外人工模拟降雨试验，研究在10、20和36 mm/h 3种降雨强度条件下裸地、角果藜覆盖、木地肤覆盖、鱼鳞坑、水平沟等5种典型土壤管理措施的产流产沙过程，并分析比较不同土壤管理措施的减流减沙效果。结果表明：不同降雨强度下，裸地初始产流时间最短，水平沟未产流；降雨强度是影响产流产沙的关键因素之一，径流速率和含沙量随降雨强度的增大而增大；减流减沙效果由高到低的顺序为：水平沟>木地肤覆盖>鱼鳞坑>角果藜覆盖>裸地，木地肤覆盖、鱼鳞坑措施减沙效果明显。水平沟、木地肤覆盖措施减流减沙效果较好，可以在该区域防治水土流失中推广应用。

土壤管理； 降雨强度； 径流速率； 含沙量； 减流减沙

新疆水力侵蚀面积已达8.7万km2，位居全国第四。伊犁河谷受水力、风力、重力等侵蚀营力影响，而水力侵蚀等级中等偏强并以面蚀为主[1-3]。该区域主要的草地植被有角果藜和木地肤，受环境因素影响退化草地(裸地)的分布面积较大；同时，生态农业建设中种植苹果、杏树等形成大面积的果园，为兼顾水土生态安全，当地已在果园地表布设大量鱼鳞坑和水平沟。不合理的土壤管理措施会引起严重的水土流失，造成土壤退化，降低土壤含水率和肥力，导致土壤侵蚀的加剧，直接威胁到农业可持续发展和土壤安全；因此迫切需要探索和掌握因地制宜的具有较强水土保持效益的土壤管理措施。国内外众多学者的研究表明，影响地表产流产沙的因素较多，其中内在因素主要有土壤质地、入渗速率[4]，外在因素主要有降雨强度、降雨量、植被、坡度等[5-7]。地表土壤对降雨强度等外在因素的响应机制最终反映在调控效果的差异方面，主要原因在于不同措施改变了原有地表侵蚀形态和微地貌形态，阻碍泥沙的搬运、沉积和输移等，如研究表明：灌木林地、核桃地埂有较好的水土保持效应[8]，水平槽、鱼鳞坑和大豆梯田减流减沙效果相对较好[9]。对于水土保持调控机理的大量研究成果显示：生物措施中草地的调控机制主要表现为直接拦沙，灌木更多的则是蓄水减沙，而水平沟、鱼鳞坑等工程措施的调控机制主要在于拦截径流，改变一定范围内的微小地形，延迟降雨入渗时间等[9,10]。目前，新疆伊犁河谷区域降雨强度、坡度、植被覆盖度作用下坡面侵蚀特征显示：降雨强度对侵蚀模数的影响大，坡面植被可以有效减轻土壤侵蚀[2,3]。这些研究侧重于室内试验，并且土壤已被扰动，缺乏对野外实际情况下不同土壤管理措施的水土保持效果研究。对不同土壤管理措施减流减沙效果的分析，对于科学合理地布局水土保持措施和有效防治洪水灾害，以及进一步研究伊犁河谷区域降雨侵蚀机理和水土保持措施的调控机制等具有实际意义。笔者选择典型的土壤管理措施进行模拟降雨试验，分析3种降雨强度下5种土壤管理措施初始产流时间、径流速率和含沙量的变化，为保护生态环境，水土资源的可持续利用以及合理配置水土保持措施提供参考。

1 研究区概况

研究区位于伊犁河流域北部九城生态园，E 81°09′，N 48°53′。该区域属于温带大陆性干旱气候，年均气温9.2 ℃，最低温度≤-36 ℃，年均日照时间为3 614 h，年均降水量206～512 mm并以短时间降雨为主，无霜期178 d。地貌特征为山地众多，纵横交错，地形复杂，主要有未利用地、草地和林地等土地利用结构类型。

2 材料与方法

选取伊犁河谷区域5种典型土壤管理措施的径流小区(表1)，试验土壤基本理化性质如下(表2)。于2016年7月采用便携式人工模拟降雨器进行野外模拟降雨，用喷头控制降雨强度，均匀度>75%。通过预试验调试降雨强度并在天气晴朗无风条件时进行降雨。根据近2年的自然降雨观测数据，为模拟暴雨对地表产流产沙的影响，设计20、10 和36 mm/h的顺序进行模拟降雨，每场降雨间隔20 min，有效降雨面积1 m2，共进行15场降雨。记录每场降雨初始产流时间，产流开始后间隔2或4 min接取水沙样，每场降雨总降水量均为20 L/m2，即20 mm。

表1 土壤管理措施基本情况Tab.1 Basic situation of soil management measures

表2 土壤的基本理化性质Tab.2 Basic physicochemical properties of the soil

植被覆盖度用网格法测定；用1 L量筒测量径流体积后，采用烘干法测定含沙量[11]。

采用Excel 2007整理分析数据，并通过SPSS 19.0进行单因素方差分析及多重比较。

3 结果与分析

3.1 初始产流时间的差异性

初始产流时间反映不同管理措施地表对降雨强度的响应。降雨强度相同时，裸地初始产流时间最短，其次分别是角果藜覆盖和鱼鳞坑(表3)。降雨强度不同时裸地初始产流时间也最短，水平沟均未产流，降雨集聚于其沟内逐渐下渗，木地肤覆盖措施仅36 mm/h降雨强度时发生产流；然而，由于降雨顺序为20、10和36 mm/h以及土壤初始含水量较低的原因，角果藜覆盖在20 mm/h降雨强度时入渗量增多未产流，鱼鳞坑在20 mm/h降雨强度时的初始产流时间>10 mm/h。

3.2 降雨强度对径流速率及含沙量的影响

通过径流速率的变化过程(图1)可知：降雨初期各土壤管理措施径流速率较小，随着降雨进行呈增大—减小的趋势，达到最大峰值后逐渐减小。降雨强度为10 mm/h时，裸地径流速率波动幅度大；角果藜覆盖措施在降雨开始前24 min径流速率较小，后期逐渐增大；鱼鳞坑措施径流速率在降雨进行24 min后保持3.27 mm/h左右的稳定状态。降雨强度为20 mm/h时，裸地径流速率呈增长趋势；鱼鳞坑措施径流速率的变化与裸地类似，最大径流速率为8.04 mm/h。降雨强度为36 mm/h时，降雨初期裸地径流速率达到最大峰值32.7 mm/h后呈稳定趋势；角果藜、木地肤覆盖措施径流速率的变化与裸地类似；鱼鳞坑措施径流速率在第8分钟后保持11 mm/h左右的稳定状态。结果表明：不同降雨强度下裸地径流速率均最大，角果藜覆盖、木地肤覆盖、鱼鳞坑措施的径流速率均低于裸地。

表3 不同管理措施的产流时间Tab.3 Initial runoff time on different soil managements

注：“—”表示降雨过程中未产流。Notes:＂—＂： No runoff in the whole rainfall process.

由含沙量的变化过程(图2)可知：含沙量的变化与径流速率类似，降雨初期含沙量逐渐升高，随着降雨持续进行呈现升高降低的波动变化，但相同降雨强度下各土壤管理措施含沙量的变化存在差异。降雨强度为10 mm/h时，裸地含沙量呈现多峰多谷的变化；角果藜覆盖措施含沙量的变化波动性较大，降雨前期变化幅度小而后期大；鱼鳞坑措施含沙量则从初始产流开始一直呈平稳状态。降雨强度为20 mm/h时，裸地含沙量的变化呈先增后减的抛物线形，角果藜覆盖措施与此类似。降雨强度为36 mm/h时，裸地含沙量在第6分钟达到峰值后保持相对稳定状态；角果藜覆盖、木地肤覆盖和鱼鳞坑措施含沙量的变化基本呈现平稳下降趋势。结果表明：裸地与角果藜覆盖措施含沙量较大，水平沟、木地肤覆盖、鱼鳞坑措施与裸地相比减沙效果较好。

图1 不同土壤管理措施径流速率变化过程Fig.1 Change process of runoff rate on different soil management measures

图2 不同土壤管理措施含沙量的变化过程Fig.2 Change process of sediment concentration on different soil management measures

3.3 不同土壤管理措施之间径流速率、含沙量的差异性

首先对各土壤管理措施的径流速率和含沙量进行单因素方差分析(表4)，可知：不同降雨强度下径流速率和含沙量的均值存在极显著性差异(P<0.01)。其次运用多重比较分析各土壤管理措施之间径流速率和含沙量的差异性，表明木地肤覆盖、角果藜覆盖与裸地措施之间径流速率具有显著性差异

(P<0.05)，角果藜覆盖与鱼鳞坑、木地肤覆盖和角果藜之间含沙量存在显著性差异(P<0.05)。结合各土壤管理措施径流速率和含沙量呈稳定状态时的均值可知：水平沟减流减沙效果最好，其次分别是木地肤覆盖、鱼鳞坑、角果藜覆盖、裸地。

3.4 含沙量和径流速率的函数关系

为揭示各土壤管理措施含沙量与径流速率的关系，对3种降雨强度下各土壤管理措施的全部径流速率和含沙量数据进行线性回归分析，得出含沙量与径流速率的回归方程(图3)，可见：裸地、角果藜覆盖措施的回归模型拟合效果最好，回归模型和回归系数检验呈极显著性(P<0.01)；木地肤覆盖、鱼鳞坑措施含沙量与径流速率的回归模型和回归系数检验呈显著性(P<0.05)，说明不同土壤管理措施对侵蚀性降雨的响应存在明显差异。

表4 单因素方差分析结果Tab.4 Result of variance analysis

注：P<0.01表示极显著。Notes:P<0.01 indicates extremely significant.

图3 含沙量与径流速率的回归方程Fig.3 Regression equation of sediment concentration and runoff rate

4 讨论

降雨强度是影响初始产流时间的关键因素之一，笔者研究中裸地初始产流时间最短且随降雨强度增大而减小，这与裸地无植被覆盖，单位时间和面积内坡面的承雨面积随降雨强度的增大而变大，产流时间相应缩短的观点一致[2,12]。角果藜覆盖措施初始产流时间较长，木地肤覆盖措施仅在降雨强度为36 mm/h时产流，表明植被地上部分的枝叶能够拦截、重新分配降雨，削弱降雨动能，地下根系可以固定土壤颗粒和稳定土壤结构，增加降雨就地入渗，减少径流[9,13]。鱼鳞坑措施比裸地、角果藜、木地肤措施初始产流时间延长。降雨初期水分全部入渗于坑内，第8分钟后径流逐渐向坑缘外渗，第12分钟后坑内开始出现薄层水流，垄内集聚大量降水后发生产流，说明坑缘能够延长径流入渗时间，增加径流阻力；此外，每场降雨后水平沟内聚集大量降水并逐渐入渗，说明坑缘能够拦截径流，土壤扰动后入渗量大。这与鱼鳞坑措施能够改变一定范围内的微小地形，增加土壤入渗，延缓径流并蓄水拦沙的观点相同[9]。

土壤管理措施改变土壤质地、结构，引起径流速率和含沙量的变化，导致土壤侵蚀量和减流减沙效果的差异[9,14]。笔者研究得出裸地径流速率和含沙量峰值出现的时间一致，线性回归方程表明含沙量随着径流速率增大而增大，说明裸地径流调节能力差，易产生地表结皮，减流减沙效果最差。低植被覆盖角果藜与高植被覆盖度木地肤相比，含沙量也随径流速率增大而增大，说明虽然增加地表植被覆盖能够有效减少水土流失[3,5,15]；但植被覆盖措施对高强度降雨的减沙效果有限[13]。由于角果藜覆盖措施坡度大于裸地，所以10和36 mm/h降雨强度时其含沙量比裸地高，这与一定范围内含沙量随坡度的增大而增加的观点类似[6,12]。

试验过程中偶尔会有风的间断性干扰，影响降雨的均匀性，对试验结果的产生一定的影响。后期需要对天然降雨下管理措施的产流产沙量进行长期监测，以获得大量数据更好地分析减流减沙效果。

5 结论

1)初始产流时间与降雨强度密切相关，其随雨强增大而减小，强降雨使径流速率和含沙量短时间内明显升高，说明雨强是影响侵蚀程度的主要因素之一。

2)各降雨强度下不同土壤管理措施的径流速率、含沙量均存在极显著差异，除受雨强、坡度影响之外，入渗速率也是主要的影响因素，后期有待于研究。

3)各土壤管理措施减流减沙效果为：水平沟>木地肤覆盖>鱼鳞坑>角果藜覆盖>裸地。线性函数方程表明裸地、角果藜覆盖、鱼鳞坑措施的含沙量随径流速率增大而增大，但鱼鳞坑措施增加趋势平稳，木地肤覆盖措施的含沙量随径流速率的增大而减小。水平沟和木地肤覆盖减流减沙效果较好，可以在该区域防治水土流失中推广应用。

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Effects of five soil management measures on runoff and sedimentreduction in Ili Valley of Xinjiang

LI Xiaoyuan1, ZHANG Wentai2, LI Jiangui1, ZHONG Yating3, SU Yue2, ZHAO Jingwen2

(1.Forestry Institute，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi，China；2.Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes，School of Grassland and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi，China；3.School of Forestry and Horticulture，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi，China)

[Background] The grade of water erosion is moderately strong in Ili Valley of Xinjiang. This work aims to explore the effects of different soil management measures on runoff and sediment reduction, and to provide sustainable utilization of land resources and effective measurement of soil and water conservation. [Methods] Artificial rainfall simulation experiments with 3 rainfall intensities (20 mm/h, 10 mm/h and 36 mm/h), 5 soil management measures (bare land,CeratocarpusarenariusL. covered,Kochiaprostrate(L.) Schrad. covered, fish scale pit, and horizontal ditch), and totally 15 times of experiments were conducted to analyze runoff and sediment process in the field. Meanwhile, with Excel 2007 and SPSS 19.0, we analyzed the relationship between sediment concentration and runoff rate, and compared the effects of runoff and sediment reduction under different rainfall intensities. [Results] The initial runoff time of bare land was so short that suffered rainfall erosion easily, while runoff of horizontal ditch was never happened under 3 artificial rainfall simulations. AlthoughC.arenariusL. covered measure did not produce runoff under 20 mm/h rainfall intensity, there was runoff when the rainfall intensity was 10 mm/h. The reason for this phenomenon was due to higher antecedent soil moisture for the second rain, i.e., 10 mm/h rainfall. The runoff rate and sediment concentration increased as rainfall intensity increased for all experiments. By using linear regression analysis in SPSS 19.0, we found that the relationship between the sediment concentrations and the runoff rates under the measures of bare land,C.arenariusL. covered,K.prostrate(L.) Schrad. covered and fish scale pit were all linearly significant. And we did not obtain the data of horizontal ditch because it was never happened runoff under 3 rainfall intensities. However, the sediment concentration decreased with the increase of the runoff rate underK.prostrate(L.) Schrad. covered measure. Sediment and runoff reduction of all measures listed in the following order: horizontal ditch >K.prostrate(L.) Schrad. covered >fish scale pit >C.arenariusL. covered >bare land. Therefore, the measures of fish scale pit andK.prostrate(L.) Schrad. covered showed more obvious effects on runoff and sediment reduction than the other soil management measures. [Conclusions] This study demonstrated that the measures of horizontal ditch andK.prostrate(L.) Schrad. covered effectively reduced runoff rate and sediment concentration in Ili Valley of Xinjiang and should be applied in soil and water conservation in this area.

soil management； rainfall intensity； runoff rate； sediment concentration； runoff and sediment reduction

2016-12-22

2017-03-10

项目名称： 国家科技支撑计划项目“伊犁河谷水土流失综合治理技术研发与示范”(2014BAC15B03)

李晓原(1991—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土流失规律。E-mail：kunyuan91@126.com

†通信作者简介： 张文太(1984—)，男，博士，副教授。主要研究方向：水土保持与土壤资源。E-mail：zwt@xjau.edu.cn

S157.1

A

2096-2673(2017)03-0051-07

10.16843/j.sswc.2017.03.007