黄土丘陵区丰水年产流产沙特征分析

张勇 李彦军 杜轶

摘要：設置标准径流小区进行长期定位监测，探讨天然降雨条件下，流域内不同土地利用方式对坡面产流产沙的影响，以期为该流域土地利用规划、水土流失综合治理、生态环境改善提供理论依据。基于汾河上游阳坡小流域内2种坡度、6种不同土地利用方式的8个径流小区，开展自然降雨观测、径流泥沙观测。结果表明：（1）试验期降雨超过多年同期平均雨量，属于丰水年；且年内雨量分布较多年平均差异较大；（2）不同土地利用方式条件下，坡面产流量差异明显，坡面为15°时，各径流小区的产流量大小顺序为裸坡地>坡耕地>草地；而18°各径流小区的产流量大小为裸坡地>草地>油松林地>灌木林地（黄刺玫）；（3）土地利用方式不同，坡面产沙量差异明显。15°径流小区坡面产沙量裸坡地>胡麻>土豆>草地；相比之下，18°径流小区产沙量以灌木林地和油松林地最少，均为0.30 t/hm2；裸坡地产沙量最多，是林地的92.08倍；林草地减流减沙效果明显。研究结果可为该流域的生态重建，土地利用以及汾河上游其他小流域的土地利用规划，从而减少水土流失提供借鉴。

关键词：黄土丘陵区；丰水年；土地利用；汾河；水土流失；特征

中图分类号：S157文献标志码：A论文编号：cjas2020-0022

Characteristics of Runoff and Sediment Yield in the Loess Hilly Region in High Flow Year

Zhang Yong1，2， Li Yanjun3，Du Yi4

（1Institute of Soil and Water Conservation， Shanxi Agriculture University， Taiyuan 030045， Shanxi， China；

2Shanxi Soil and Water Conservation Institute of Science， Taiyuan 030045， Shanxi， China； 3Taiyuan Water Conservancy and Soil and Water Conservation Institute of Science ，Taiyuan 030021， Shanxi， China； 4College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Jinzhong 030801， Shanxi， China）

Abstract： By setting up standard runoff plots to carry on long- term positioning monitoring， the authors explored the effect of different land use on slope runoff and sediment production under natural rainfall condition， aiming to provide a theoretical basis for watershed land use plan， comprehensive management of soil erosion， and improvement of ecological environment. Based on 8 runoff plots with 2 slopes and 6 different land use types， natural rainfall and runoff observation were conducted. The results showed that （1） the rainfall in the experiment period was higher than that of the average rainfall in the same period of many years， which was a high glow year， and the rainfall distribution of the year was larger than that of the average rainfall in many years； （2） the amount of runoff was significantly different under different land use patterns， the amount of runoff under different land use was the highest in bare slope land when the slope was 15°， followed by slope cropland and grassland； the amount of runoff under 18°was followed the order of bare slope land>grassland>forest plot （Pinus tabuliformis Carrière）>shrub plot （Rosa xanthina Lindl）； （3） the land use patterns influenced clearly the amount of sediment， the amount of sediment under 15°slope followed the order of bare slope land>flax>potato>grassland； while as to 18°slope， the amount of sediment from the shrub plot and forest plot was the least， which was 0.30 t/hm2， and the amount of sediment from the bare slope was the highest， which was 92.08 times of that of forest plot； the effect of reducing runoff and sediment in forest and grass was obvious. The study could provide reference for ecological reconstruction， and land use plan for small watersheds in the upper reaches of Fenhe River.

Keywords： Loess Hilly Region； High Flow Year； Land Use； Fenhe River； Water and Soil Erosion； Characteristics

0引言

水土流失导致区域生态环境脆弱，直接威胁区域经济、社会与生态环境。当前，黄土高原生态环境建设推进力度不断加大，水土流失强度和时空分布发生了较大变化，黄河径流量减少约70亿m3，泥沙侵蚀量减少了13亿t[1]，但坡地水土流失仍是黄土高原水土流失与生态环境恶化的主要原因。坡地水土流失治理是黄土高原生态环境修复的重点和难点[2]。诸多学者在不同研究区如黄土高原区、南方红壤水土流失区以及东北黑土流失区等开展了不同土地利用方式的水土流失影响研究[3-7]，结果表明土地利用方式对水土流失影响重大[8-9]，但由于不同区域土地利用方式差异很大，加之区域气候、土壤和植被等因素多变，且研究尺度不一，研究结果是否具有普适性仍然存疑。土地利用变化对区域水土流失的影响研究具有非常重要的理论和实践意义[10]。以往研究对象多选择黄土高原其他地区[1，2，5-7]，而对于位于黄土高原东部，山西省的母亲河汾河上游不同土地利用方式对坡地水土流失的影响研究未见报道。基于以上原因，本研究以汾河上游的阳坡小流域内的2种坡度、6种典型的土地利用方式为研究对象。通过设置标准径流小区进行长期定位监测，旨在探讨天然降雨条件下，流域内不同土地利用方式对坡面产流产沙的影响，以期为该流域土地利用规划、水土流失综合治理、生态环境改善提供理论依据。

1研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于太原市阳曲县北小店乡阳坡小流域境内，该流域属黄河一级支流汾河流域上游。流域海拔介于1320～1950 m，面积18.09 km2，水土流失面积17.73 km2。属北温带大陆性气候，多年平均气温9.6℃，多年平均降水量500 mm，土壤类型为褐土。研究区5—9月份降水量375.2 mm，占全年降水量的80.38%。暴雨主要发生在7—8月份，强度大、历时短。流域内自然植被主要有油松、黄刺玫、蒿草等。

阳坡小流域径流小区建于2010年，位于向阳坡中部。径流小区宽均为5 m，水平投影面积均为100 m2，土壤条件相同；径流小区周边设有混凝土围堰、植被保护带、排水渠，小区下部设有分、集流桶及测验等设施。各径流小区基本要素见表1。

1.2研究方法

依据水利部发布的《全国水土流失动态监测与公告项目管理办法》（办水保[2014]257号），基于阳坡小流域的8个径流小区，对监测点2017年自然降雨和径流泥沙全年连续观测。

1.2.1自然降雨量观测及计算方法降雨量观测采用CAWS600自动气象站（翻斗式数字雨量计）监测记录。降水观测内容为降雨历时、降雨量、降雨强度、最大30 min雨强I30、降雨侵蚀力等，其中降雨特征分析、降雨侵蚀力计算等采用《径流小区和小流域水土保持监测手册》推荐的Rain Record软件进行。

1.2.2径流泥沙观测坡面产流和产沙主要监测指标为产流次数、径流量（深）、含沙量、土壤流失量等。每次降雨及时监测集流桶内水位，用于计算次降雨条件下的径流量、径流系数等。降雨结束后，将径流桶内泥沙径流搅拌均匀，500 mL采樣瓶取样，每次取3个重复样，用于测定含沙量，由此计算土壤流失量。

1.2.3试验设计选取2个坡度、6种代表性的土地利用方式进行定位试验。土地利用方式分别为坡耕地（胡麻和土豆，试验小区代号分别HM和TD，小区坡度均为15°，2017年5月11日播种，11月4日收获）、草地（主要乡土草本，蒿草，高0.5～0.6 m，15°小区代号为C15，18°小区代号为C18）、林地（灌木林地，黄刺玫，高1.30 m，代号为HCM；油松林地，高度2.00～2.20 m，代号为YS。均为18o）和裸坡地（喷施除草剂，坡面无植被，各设15°、18°坡度一个，作为对照，代号分别为CK1、CK2）。

2结果与分析

2.1研究期降雨及降雨侵蚀力特征分析

2017年总降水量772.6 mm，降水日数91天，降雨量超过多年平均雨量的50%，属于丰水年。研究期（5—10月）降雨量共为717.8 mm，占年降水量的93%。5—10月各月降水量占到试验期雨量的2.31%、21.09%、24.30%、27.03%、2.30%、23.04%，其中以8月份雨量最多。2017年内降水分布比以往年有较大差异，主要体现在9月份雨量仅16 mm，远低于同期平均雨量；10月份雨量为165.4 mm，远高于同期平均雨量。

降雨侵蚀力（R）是雨强（I30）和降雨总动能（E）的乘积[11]，降雨侵蚀力可以用来衡量降雨对土壤侵蚀的潜在能力[12]，试验期内总降雨侵蚀力为3094.67 （MJ·mm）/（hm2·h）。6月降水侵蚀力占到试验期总降雨侵蚀力的61.22%，为试验期内最大；7月份其次，占比25.55%；8月和10月占比均在5%左右，其他月份降雨侵蚀力之和占比不足4%。年内次降雨最大降雨侵蚀力为6月17日的暴雨，该次降雨雨量为57.0 mm，历时200 min，I30为86.6 mm/h，降雨侵蚀力高达1431.8 （MJ·mm）/（hm2·h）。

试验期内降雨分布主要集中在夏秋两季，降雨时空分布不均匀。降雨侵蚀力主要集中在夏秋季节，但与汛期内逐次降雨量的相关性不强。降雨侵蚀力主要集中在汛期内几次强降雨。

2.2研究期内产流特征分析

2017年阳坡小流域试验期内共观测到径流产生16次，产流主要集中在6、7、8月份，各产流5、6、4次，10月份产流1次。其中，CK2、TD、HM均产流16次，CK1产流15次，C18产流11次，YS、HCM、C15均产流10次。2种坡度条件下，土地利用方式不同，汛期径流量均大于非汛期径流量，且进入汛期后，随雨量增加，产流量也呈增加趋势。这一结论竟与半湿润地区径流量随雨量的增加而增加相一致[13-15]。

试验期内，CK1、C15、TD、HM（均为15°）各径流小区总产流量以草地（C15）最少（图1），裸坡地（CK1）最多，且裸坡地产流量比草地高出5.84倍。2类坡耕地产流量相比，胡麻（HM）小区产流量略高于土豆小区，但均低于裸坡地产流量。CK2、C18、YS、HCM（均为18°）各径流小区总产流量以灌木林地（HCM）最少（图2），裸坡地（CK2）最多。裸坡地、油松林地（YS）、草地（C18）产流量比黄刺玫林地产流量分别高出38.03、2.09、8.79倍。由此可见，林草措施较裸坡地减流作用明显。相比15°和18°同一土地利用方式、不同坡度径流小区的产流量比较，可以发现，18°裸坡地、草地的产流量分别高出15°对应小区产流量13.34%、71.65%。由此可见，坡度对于坡面产流具有明显的促进作用。

逐月产流量比较可见（图2），15°径流小区产流量在7月份产流量最大，6月份次之，9月份没有产流，10月份最少；不同土地利用方式下，各小区产流量大小基本遵循裸坡地>坡耕地>草地这一规律。相比之下，18°径流小区在6月份产流量最多，10月份最少。不同土地利用方式导致产流量差异明显，依次为裸坡地>草地>油松>黄刺玫。如上结果表明，土地退耕转化为其他利用方式后，土壤结构改变是个缓慢的过程，特别是退耕初期表层土壤存在一定程度的硬化板结趋势，会促进坡面产流。

2.3研究期内产沙特征分析

降雨是水土流失产生的原动力，其中雨量大小、雨强高低、历时长短及雨型分布等降雨要素特征与水土流失关系较为密切。一些研究表明，雨强越大、历时越长、雨量越大，水土流失可能越严重[14]。试验期内，15°径流小区CK1、C15、TD、HM总产沙量以草地最少，为0.40 t/hm2（图3）；裸地最多，是草地产沙量的49.05倍；土豆和胡麻坡耕地产沙量居中，分别是草地产沙量的28.49、34.92倍。18°径流小区CK2、C18、YS、HCM总产沙量以灌木林地和油松林地最少，均为0.30 t/hm2；裸坡地产沙量最多，是林地的92.08倍；草地产沙量次之，是林地的2倍。8个径流小区中，林草措施小区产沙量明显小于裸坡地和坡耕地，林草措施减沙效果明显。

逐月产沙量比较可知（图4），15°径流小区单位体积径流的含沙量大小总体趋势为：7月>6月>8月>10月（9月份没有产流，也没有产沙）。相比之下，18°径流小区含沙量总体趋势为：6月>7月>8月>10月。坡面产沙量的多少和单位体积径流内含沙量的高低取决于降雨强度、地表径流、植被覆盖以及土地利用方式等因素；大量野外试验研究表明，坡度对土壤流失量有促进作用[16-19]。本研究表明，同一土地利用方式下草地和裸坡地18°小区土壤流失量均大于15°小区，这一结果与上述研究结果吻合。

坡面径流是泥沙运移的主要动力之一。以15°径流小区产流量和土壤流失量为基准，其他各个小区的产流量和土壤流失量与之相比，可以得到不同土地利用方式下各径流小区的产流量和土壤流失量的相对值。通过比较可知（图5），试验期内，坡面产流越多，土壤流失量也越大，但二者并不完全同步；裸坡地CK2的径流量是CK1的1.13倍，土壤流失量是CK1小区的1.43倍；坡耕地HM和TD径流小区的产流量分别是CK1小区的0.89、0.81倍，土壤流失量分别是CK1的0.71、0.58倍；同样的结果在其他小区均不同程度存在。结合图5可以看出，试验期内，裸坡地和坡耕地土壤流失量占总的土壤流失量比例最大，理论分析认为当坡面没有植被覆盖或人为扰动较大，在坡面径流较大时，其冲蚀能力较强；同时，因上方来水流量的增大会导致坡面径流挟带泥沙能力增强，因此土壤流失量越趋严重。这一结果与其他黄土地区土地利用方式对坡地产流产沙影响研究[15，20-21]结果类似。本试验结果表明，土壤流失量不仅受坡面径流的多少影响，还受到土地利用等其他因素的影响。

3结论与讨论

在天然降雨条件下，以汾河上游典型小流域内2种坡度、6种不同土地利用方式为研究对象，通过定位监测研究了丰水年不同下垫面、降雨量和典型次降雨对产流产沙的影响。主要结论如下：

（1）坡面径流是下垫面和气象因素共同作用的结果[22]。相同降雨条件下，裸坡地和坡耕地产流量较林草地明显增加；主要原因在于林草地可通过增加覆盖度，减少雨滴击溅侵蚀，保护土壤结构免遭破坏，同时林草地地表有枯枝落叶保护，增加了地表糙度，减缓了坡面径流流速，从而增加水分入渗时间和几率。同一土地利用方式，坡度增加时坡面产流具有增加趋势，表明坡度增加可促进降雨转化为径流；而18°坡面的林草地坡面产流小于15°裸坡地或坡耕地，也说明坡面产流受坡度和土地利用方式等其他因素作用。坡面径流对坡度和土地利用方式的响应存在一定的复杂性和不确定性，具体何种因素作用更大，仍需进一步长期定位观测研究方可得出科学合理的解释。

（2）不同下垫面坡面产沙与产流具有同一趋势，即随着坡面产流量增大，土壤流失量也随之增加，但二者并非呈线性相關，说明坡面产沙仍受坡面径流之外的因素影响，需进一步研究找出诸多影响因素间的相关性。

（3）本研究将流域作为相对独立的产流-产沙系统，其中产流量和产沙量是以小流域为单元的系统输出变量，而降水和土地利用方式可视为该系统的输入变量。定位监测研究表明，在天然降雨条件下，不同的土地利用方式对坡面产流产沙影响非常明显。统计分析进一步体现了土地利用方式不同时坡面产流产沙的强度和数量关系。本研究结果可为该流域的生态重建，土地利用以及汾河上游其他小流域的土地利用规划，从而减少水土流失提供借鉴。

参考文献

[1]张光辉.退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀的潜在影响[J].中国水土保持科学，2017，15（4）：143-154.

[2]唐克丽.中国水土保持[M].北京：科学出版社，2004.

[3]黄进勇，严力蛟，王兆骞.红壤小流域不同土地利用方式下的水土流失特征[J].浙江大学学报：农业与生命科学版，2002：28（1）：78-82.

[4]孔维健，周本智，傅懋毅，等.不同土地利用类型水土保持研究[J].南京林业大学学报：自然科学版，2009，33（4）：57-61.

[5]索安宁，李金朝，王天明，等.黄土高原流域土地利用变化的水土流失效应[J].水利学报，2008，39（7）：767-772.

[6]伍飞舟，杨卓，牛健植，等.黄土高原丘陵沟壑区土地利用与水土保持措施的变化特征[J].水土保持研究，2010，17（2）：10-14，19.

[7]李广，黄高宝.雨强和土地利用方式对黄土丘陵区水土流失的影响[J].农业工程学报，2009，25（11）：85-90.

[8]陈美淇，魏欣，张科利，等.基于CSLE模型的贵州省水土流失规律分析[J].水土保持学报，2017，31（3）：16-21.

[9]杜捷，高照良，王凯.布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究[J].水土保持学报，2016，30（2）：102-106.

[10]傅博杰，邱扬，王军，等.黄土丘陵小流域土地利用变化对水土流失的影响[J].地理学报，2002，57（6）：717-722.

[11]Westheimer W H， Smith D. Rainfall energy and relationship to soil loss[J].Trans.AGU，1958，39：285-291.

[12]赖成光，陈晓宏，王兆礼，等.珠江流域1960-2012年降雨侵蚀力时空变化特征[J].农业工程学报，2015，31（8）：159-165.

[13]Wang Z Y， Wang G J， Li C Z， et al. Primary discovery and application of vegetation and erosion dynamics[J].Science in China（Series D）， 2003，33（10）：1013-1023.

[14]Ma Z L， Gong Y B， Hu T X， et al. Summary of the studies on relation between forest coverage and water and soil conservation[J]. Journal of SichuanAgricultural University，2003，21（1）：54-58.

[15]余新晓，张学霞，李建牢，等.黄土地区小流域植被覆盖和降水对侵蚀产沙过程的影响[J].生态学报.2006，26（1）：1-8

[16]Liu Y， Fu B J， LüY H， et al. Hydrological responses and soil erosion potential of abandoned cropland in the Loess Plateau， China[J].Geomorphology，2012，138（1）：404.

[17]和继军，蔡强国，刘松波.次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响[J].应用生态学报，2012，23（5）：1263-1268.

[18]Horton RE.Erosional development of streams and their drainage basins： Hydro- physical approach to quantitative morphology[J]. Bulletin of the Geological Society ofAmerica，1945，56：275-370.

[19]Bryan R B. The influence of slope angle on soil entrainment by sheet and rain splash[J].Earth Surface Process，1979，4：43-48.

[20]王全九，赵光旭，刘艳丽.等.植被类型对黄土坡地产流产沙及氮磷流失的影响[J].农业工程学报，2016，32（7）：195-201.

[21]孟庆华，傅伯杰，邱扬.黄土丘陵沟壑区不同土地利用方式的径流及磷流失研究[J].自然科学进展，2002，12（4）：393-397.

[22]仇亚琴.水資源综合评价及水资源演变规律研究[D].北京：中国水利水电科学研究院，2006.