安家沟流域坡面产流产沙特征及影响因素分析

郭仲轩

（定西市水土保持科学研究所 甘肃，定西 743000）

近年来由于人们对土地滥加利用，加快了土壤水蚀的地质过程，使得土壤侵蚀逐渐成为中国乃至全球的首要解决的环境问题之一，严重影响着生态环境质量和生物安全，制约着经济社会、环境的协调发展。近年来国内外研究者指出降水、坡度因子和植被类型是影响土壤侵蚀的重要因素，王猛、Wang和Xin分别发现坡度、降水和植被类型对侵蚀的影响起着主导作用。杜家颖研究表明，灌木植被覆盖下土壤产沙产流量明显低于其他类型植被覆盖。陈洪松研究指出坡耕地由于持续受人为频繁的扰动，侵蚀产沙量较高。Peng通过山坡地观测场试验，证明降雨量越大土壤流失量越大。

据2020 年《中国生态环境状况公报》统计（https://www.mee.gov.cn/hjzl/），我国的水土流失面积271.08×104 km，黄土丘陵沟壑区的水土流失问题尤为严重，而且黄河重点生态区也被划定为七大重点生态功能区之一。因此，为了满足新时期水保监测工作的需要，以陇中黄土丘陵沟壑区安家沟流域为研究对象，进行典型土壤侵蚀区水土流失机理的研究，揭示不同因素对泥沙含量的影响，不仅为该流域定量计算和预测水土流失量提供理论依据，而且可以更好的服务于水土流失综合治理方案制定和实施。

1 试验与方法

1.1 研究区概况

安家沟流域系黄河流域关川河的一级支流，位于甘肃省定西市（35°33′02″-35°35′29″N，104°38′13″-104°40′25″E），流域面积约8.56km，地形起伏较大，形成两沟、一梁、四面坡的地貌景观，属于典型的黄土丘陵沟壑区。年均温约为6.13℃，年降水达到427mm，多以暴雨，降水主要集中在7-9月，年温差大，属中温带半干旱气候。其主要土壤类型为黄绵土和盐渍土，以豆科、菊科和禾本科、等草本植物为主，伴有少量灌木零星分布。

1.2 研究方法

1.2.1 监测基础设施建设情况 基于水利部水土保持监测中心在研究区中设立的综合典型监测站，选择15 个标准小区（小区面积为20m×5m），其坡度分别为5°、10°、15°，在每个坡度相同位置分别布设5种类型小区，即为：农地(小麦)、人工草地、封禁、油松林、沙棘灌丛小区。

1.2.2 试验设计 试验于甘肃省定西市安家沟流域综合典型监测站坡面径流场内进行，选择坡度5°、10°、15°的标准径流小区15 个，在每个坡度相同位置分别布设5种类型小区，即为：农地(小麦)、人工草地、封禁、油松林、沙棘灌丛小区。分别于2005年和2007建立小区。

根据不同植被类型在不同坡度条件下各径流小区的泥沙量，揭示不同植被类型、降水量、坡度因子对泥沙含量的影响及其数量关系，揭示各典型区域的水土流失机理，提出多因子作用下的土地利用方式。

1.2.3 试验方法 农作物小区（即小麦植区）：根据小区土壤类型，农作物径流观测小区种植了小麦，按照当地农作物耕作时间、方式定期进行辅育管理。

人工草地小区：人工种植了适宜当地自然条件的优良草种紫花苜蓿。每年秋季刈割牧草。

封禁小区：小区内主要以冰草和针茅为主。

油松林小区：小区选择了耐寒耐旱性较强的油松作为植被类型，按照2×3m的规格进行栽植。

沙棘灌丛小区：小区选择栽植了适宜当地条件的沙棘苗木，按照0.5×0.5m的株行距栽植。

通过不同类型小区布设，监测不同植被条件下土壤流失量，利用1000mL广口瓶，通过采样然后进行过滤、烘干，测定重量，换算出径流中的含沙量。其公式为：

式中：E 表示单位面积侵蚀量，即为土壤侵蚀模数t/(km·a)；C表示径流含沙量kg/m；V 表示产流体积m；S表示径流小区面积为100m。

安家沟小流域安装全自动电子气象站1台，主要用于观测流域内的降水量与降水强度。每月初采集上月降水数据。按《水文资料整编规范》（SL247-1999）以8 时为日分界，对降水的相关数据进行整理。

1.2.4 数据处理 运用EXCEL 2016 和Sigmaplot 12.5软件对所得的数据进行整理、计算和图表绘制，采用SAS 9.2软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和DUNCAN多重检验（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同植被对坡面径流泥沙的影响

图1 不同植被类型小区的土壤侵蚀模数

图2 降水量对各试验径流小区的坡面年均径流模数的影响

表2 坡度对各试验径流小区的坡面土壤侵蚀模数的R×C列联表

图2表示2016-2020 年各试验径流小区的坡面年均土壤侵蚀模数。5 种不同植被类型的径流小区其年均土壤侵蚀模数差异显著（P＜0.05），5°坡面时其大小顺序为小麦小区（129.40t/（km·a））＞油松小区（59.60t/（km·a））＞人工草地小区（50.80t/（km·a））＞封禁小区（32.80t/（km·a））＞沙棘小区（29.80t/（km·a））；10°坡面时其大小顺序为小麦小区（278.00t/（km·a））＞人工草地小区（148.40t/（km·a））＞油松小区（139.80t/（km·a））＞沙棘小区（40.20t/（km·a））＞封禁小区（32.00t/（km·a））；15°坡面时其大小顺序为小麦小区（413.60t/（km·a））＞人工草地小区（208.60t/（km·a））＞油松小区（195.60t/（km·a））＞沙棘小区（55.20t/（km·a））＞封禁小区（33.00t/（km·a）），由此看出小麦小区的土壤侵蚀模数最大，分别较封禁小区增加了294.51%、768.75%和1153.33%，且均达到了显著性差异（P＜0.05），说明在研究区内，种植农作物过程中大量扰动土壤表层结构，加剧土壤侵蚀速率，导致年均土壤侵蚀模数增加；油松小区和人工草地小区，分别较封禁小区增加了81.71%和54.88%、336.88%和363.75%及492.73%和532.12%；沙棘小区分别较封禁小区增加了-9.15%、25.63%和67.27%。在自然条件下可以有效保持水土，降低土壤流失速率，增加土壤结构稳定性。

2.2 降水量对坡面径流泥沙的影响

土壤侵蚀模数并未随着降水量增加而增加的线性关系，小麦小区和人工草地小区随着降水量的增加均呈现为先降低后增加的趋势，在降水量443.4mm出现拐点；沙棘小区和封禁小区表现为“增加-降低-增加”的趋势，转折点分别在降水量224.1mm 和443.4mm 出现拐点；油松小区中5°坡面时，随着降水量的增加表现为“增加-降低-增加”的趋势，转折点分别在降水量224.1mm 和443.4mm 出现拐点，10°和15°坡面时呈现为持续降低趋势，在降水量443.4mm 出点拐点，降低幅度增大，径流模数减小。说明降水量虽然是径流泥沙产生的主要原因，但降水量的大小对径流泥沙大小并没有决定性的作用，可能存在一个转折点，大约在443.4mm降水量处。

2.3 坡度对坡面径流泥沙的影响

表2表示坡度对各试验径流小区的径流模数的影响，各类型的径流小区（除了封禁小区）均随着坡度的增加而增大，说明坡度的大小显著影响径流小区的年土壤侵蚀模数（P＜0.05）。各径流小区（除了封禁小区）中10°和15°坡面的土壤侵蚀模数分别较5°坡面增加了134.56%和228.19%、34.90%和85.23%、114.84%和219.63%及192.13%和310.63%，经方差检验，15°坡面的径流模数较5°达到了显著性差异（P＜0.05），10°坡面的径流模数较15°和5°之间差异不显著（P＞0.05）。

将各试验径流小区的坡面年均土壤侵蚀模数按照不同坡度之间的差异进行汇总，结果见表2。表2中理论值为理论坡面土壤侵蚀模数，计算过程为：

对表2内的土壤侵蚀模数情况进行卡方检验，计算χ2值如下：

查χ2 表，当自由度df=（3-1) × (5-1) =8 时，χ0.052=15.51，χ0.012=20.09，计算得χ2=62770.43＞20.09，可知，试验处理的不同坡度对坡面年均土壤侵蚀模数的影响存在极显著差异，说明不同坡度极显著的影响坡面土壤侵蚀模数。

3 结论

2016-2020 年5 种不同植被类型的径流小区其年均土壤侵蚀模数差异显著（P＜0.05），种植农作物、油松小区和人工草地小区过程中大量扰动土壤表层结构，加剧土壤侵蚀速率，导致侵蚀增加。在自然条件和沙棘小区可以有效保持水土，降低土壤流失速率。土壤侵蚀模数并未随着降水量增加而增大，可能在降水量443.4mm 存在转折点。经χ2 检验分析坡度极显著的影响土壤侵蚀模数，随着坡度的增加而显著增大（P＜0.05），综合得到15°时应选择经济价值较高的沙棘灌丛林。