天然降雨条件下裸露砒砂岩区人工植被的减流减沙效应

杨振奇, 郭建英, 秦富仓, 田秀民, 刘艳萍

(1.水利部 牧区水利科学研究所, 呼和浩特 010020; 2.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010019)

晋陕蒙三省交界地带的砒砂岩区，该区基岩成岩程度低，裸露基岩极易风化溃散，引发严重水土流失作用[1]，是黄河流域上中游地带的粗泥沙集中来源区，该区剧烈的水土流失作用严重影响着黄河健康与安澜。研究砒砂岩区降雨条件下的土壤侵蚀和植被抗蚀作用，对于减少泥沙入黄，推动黄河流域生态保护和高质量发展有重要现实意义。降雨引发的土壤侵蚀过程及其调控机制，一直是国内外土壤侵蚀领域专家研究的重点，研究成果丰富，包括降雨侵蚀力的概念，侵蚀性降雨的划定标准，不同气候区的水力侵蚀规律等[2-5]，但研究成果多集中在黄土区、黑土区以及红壤土区等地带[6-9]，而砒砂岩由于其独特的岩石结构和性质，在世界范围内中已公开出版的文献资料中尚无相同性质基岩的报道，相关调查和研究数据可参考性质较为接近的砂岩基岩[10-12]，国内针对砒砂岩区降雨特征及其与土壤侵蚀关系的研究相对较为单薄。

砒砂岩区按照基岩出露程度和覆土类型被分为盖土区、盖沙区和裸露区，以裸露砒砂岩区的基岩出露面积最大，土壤侵蚀作用也最为剧烈[13]。而裸露砒砂岩区天然降雨呈何种特征？天然降雨对坡面产流产沙有何种影响？现有的人工植被措施的减流减沙效应如何等问题尚不明确。为此，本研究选择内蒙古准格尔旗的裸露砒砂岩区为研究区，选取裸露砒砂岩区的自然坡面，通过天然降雨观测、径流小区监测的方法，研究裸露砒砂岩区坡面的产流产沙特征，分析现有的人工植被措施的抗蚀作用，以期为深入研究砒砂岩区水土流失治理工作以及区域生态修复的研究提供理论基础。

1 研究区概况

研究区鲍家沟流域位于鄂尔多斯市准格尔旗，地理坐标为110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N，海拔在1 110～1 300 m；流域地形北高南低；气候属典型大陆性季风气候，冬季漫长干燥，夏季短暂温热，年均气温7.2℃；土壤类型以黄绵土、风沙土为主；植被以人工植被为主，常见青杨(Populuscathayana)、旱柳(Salixmatsudana)、油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、柠条(CaraganaKorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、山杏(Prunusarmeniaca)等；草本植物主要有羊草(Leymuschinensis)、猪毛菜(Salsolanitraria)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 研究方法

2.1 试验设计

砒砂岩岩性特殊，重塑土的物理及力学性质与原状基岩相差较大，原状基岩样本不利于长距离运输，因此本研究中关于裸露砒砂岩坡面降雨侵蚀观测都采取野外原位试验的方法。根据研究区内主要人工植被类型在研究区内选取天然坡面布设裸露基岩小区、草地小区、油松小区、山杏小区、沙棘小区、柠条小区各1个，小区修建初期进行地面整平，后期自然恢复，不清理地表草本受基岩坡面地形和施工难度限制，小区围墙材料均采用厚铁皮，径流小区主要监测单次降雨的径流及产沙量，降雨指标采用HOBO(U30)自记雨量计及风速、风向等配套气象设备。径流小区基本情况见表1。

表1 径流小区基本情况

2.2 数据分析

本文基于研究区已有84次降雨数据及21次径流泥沙数据(2014—2019年)，在参考黄土高原区降雨强度的划分标准(24 h)的基础上[14-16]，结合本研究区的降雨特点，运用系统聚类方法对研究区内的降雨类型进行划分，运用线性回归方法分析降雨特征与产流产沙的关系。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

研究区2014—2019年共观测降雨84场，根据气象学中关于降雨类型的划分(24 h以内)，研究区6 a间共有小雨8场、中雨55场、大雨17场、暴雨5场、大暴雨1场。均降雨量为375.97 mm，年际间降雨差异较大，降雨量和降雨次数大，其中2016年与2015年，降雨次数相差12次，降雨量相差达463.8 mm。此外，研究区年内降雨分配不均匀，次降雨间的最大30 min雨强也具有较大差异，变异系数均在40%以上，特别是2018年降雨的I30高达99.58%。经计算研究区2014—2019年降雨侵蚀力R值分别为1 156.38，249.77，1 464.05，795.56，1 504.14，1 085.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，平均值为1 042.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，详见表2。

表2 2014-2019年降雨特征

应用聚类分析法可以将研究区内观测的降雨划分为4类，分类后的降雨类型统计特征见表3。第一类降雨样本数量较小，仅有2次，其单次降雨历时超1 100 min，降雨量在97.4 mm左右，I30平均值为57.4 mm/h，可以将其归类为长历时暴雨；第2类降雨共29次，其平均降雨历时为1 005.59 min，平均降雨量为22.14 mm，I30比第一类小，均值为11.03 mm/h，将其归类为长历时的中到大雨；第3类降雨有28次，其平均降雨历时为491.75 min，平均降雨量为39.09 mm，此类降雨的I30较大，平均值为20.65 mm/h，可以将其归类为短历时暴雨；第4类降雨有25次，其平均降雨历时为141.4 min，平均降雨量为18.23 mm，I30平均值为15.13 mm/h，可以将其归类为短历时的小到大雨。

表3 不同降雨类型的统计特征

3.2 降雨特征与坡面产流产沙的关系

为了进一步分析降雨条件下各植被类型坡面的产流产沙特征，由于第一类降雨的样本数量较小，也存在部分第3类降雨无产流产沙过程、第4类降雨有产流产沙过程等特殊数据，不宜分类做统计学分析，因此选取所有降雨及产流产沙数据的降雨量(P)、最大30 min雨强(I30)和最大10 min雨强(I10)与各植被类型坡面的产流量、产沙量关系进行回归分析，得到形式为y=ax1+bx2+cx3+d的多元线性方程，式中y为产流量或产沙量，x1，x2和x3分别为P，I30和I10，a，b，c和d分别为系数和常数，各回归模型的R2在0.7以上。可以看出，各坡面的产流量与产沙量均与降雨量、最大30 min雨强和最大10 min雨强关系密切，降雨总量的增加和瞬时降雨强度的增加，都会导致坡面的产流和侵蚀量均随之增加，通过次降雨的部分特征参数可以初步估算各植被类型坡面的产流量和产沙量，各方程的相应参数和拟合的决定系数见表4。

表4 降雨特征与各植被类型坡面产流产沙关系

3.3 人工植被坡面产流产沙对雨型的响应

为了进一步分析不同人工植被的抗蚀能力，排除不同时间尺度下土壤含水量和植被长势方面的差异，选择1 a内植被茂盛且降雨集中的7月8月的降雨和产流产沙数据进行分析，其中引发产流产沙过程的降雨共有7场(包括2类降雨3次，3类降雨4次)，而部分降雨(第4类)在有植被覆盖的坡面没有产流产沙过程。图1为不同植被类型坡面的产流产沙量与次降雨量的关系，单次降雨的产流产沙量以8月份的0 804号降雨最大，该次降雨为第3类降雨，降雨总量为56.4 mm，裸地产流量高达8.78 mm，产沙量为10.45 t/hm2。从降雨类型来看，第2类降雨的平均降雨量为16.87 mm，平均产流量按裸地(3.03 mm)>草地(2.03 mm)>柠条林(1.95 mm)>山杏林(1.39 mm)>油松林(1.16 mm)>沙棘林(0.83 mm)的规律排列，各植被类型平均产沙量与产流量的差异规律一致。第3类降雨的平均降雨量为27.95 mm，平均产流量依次为裸地(4.85 mm)、草地(3.08 mm)、柠条林(2.74 mm)、油松林(2.37 mm)、沙棘林(2.33 mm)及山杏林(2.24 mm)的规律排列，各植被类型平均产沙量与产流量的差异规律一致。综合7次降雨的产流产沙量来看，以裸地最高其平均产流量为4.07 mm，平均产沙量为4.55 t/hm2，其余各植被类型的平均产流量为2.09 mm，平均产沙量为0.51 t/hm2，分别是裸地产流产沙量的51.35%和11.21%。

图1 2019年不同植被类型的产流产沙量

以裸地为基准，相较裸地径流泥沙量减少的部分与裸地径流泥沙量比值即为减流减沙率，由图2可知，从降雨类型来看，第2类降雨条件下裸地的平均产流量为3.03 mm，各植被的平均减流率按草地(44.58%)<柠条林(46.60%)<山杏林(47.07%)<油松林(61.60%)<沙棘林(67.34%)的规律排列，各植被类型平均减沙率与平均减流率的差异规律一致。第3类降雨的裸地的平均产流量为4.85 mm，平均减流量从小到大依次为草地(37.76%)、柠条林(45.01%)、油松林(45.38%)、山杏林(51.45%)及沙棘林(56.93%)的规律排列，各植被类型平均减沙率与产流率的规律一致。综合来看，以沙棘林的减流率和减沙率最高分别为61.39%和94.34%，其余各植被类型的减流减沙能力由强到弱依次为山杏林、油松林、柠条林及草地。

图2 2019年不同植被类型的减流减沙能力

4 讨 论

大部分专家学者认为，黄土高原地区年内的几场侵蚀性降雨是导致该区剧烈侵蚀的主要动力。裸露砒砂岩区地处黄土高原第一副区地貌单元，区域气候基本一致，年内降雨基本集中在夏秋两季，对降雨特征及其产流产沙量的分析也证实了，裸露砒砂岩区的土壤侵蚀作用同样也受年内的少数降雨过程决定。在降雨类型的划分上，本研究参考了张汉雄、谢云、王万忠等专家关于黄土高原区侵蚀性降雨分类指标[14-16]，划分结果与前人的研究结果基本相近。但有所不同的是，裸露砒砂岩区相比黄土高原的其他地区下垫面条件更为复杂，实地调查中发现研究区土层厚度空间异质性较强，基岩裸露地带的土壤性质和入渗过程都与黄土有明显差异，因而其产流产沙过程也有所区别[17-18]，本研究的监测数据中，也存在部分第4类降雨条件下产流产沙，第3类降雨条件下没有产流产沙的数据，这可能与裸露砒砂岩的风化程度、土壤含水状态以及前期降雨过程等因素有关。基于本研究已有的数据初步可以看出，降雨类型对于裸露砒砂岩区不同植被类型坡面土壤侵蚀过程有一定程度的影响，但是裸露砒砂岩区坡面的水力侵蚀过程除降雨外仍受其他不确定因素影响，该区侵蚀性降雨的划分标准及其对坡面产流产沙过程的影响可以作为今后研究的重点方向之一。

自然界中降雨—产流—产沙过程中，除水流和泥沙的基本运动，还包含着微地形、植被、土壤等多种因素的参与。相关研究表明，植被茎秆、枯枝落叶及根系对于地表径流有明显阻滞作用，从而有效拦截泥沙削减土壤侵蚀强度[19-20]。本研究证实了这一结论，裸露基岩坡面产流量是有植被覆盖坡面的1.55倍以上，而侵蚀产沙量则是有植被覆盖坡面的3.11倍以上，说明了营造人工植被可以防治裸露砒砂岩区水土流失问题。此外，本研究结果还显示，降雨类型的差异也会显著影响人工植被的减流减沙能力，人工植被对第2类降雨的减流作用最强，对第3类降雨的减流作用较差。余新晓等[21]认为，植被从林冠到根系构成一个完整的侵蚀削减网络，陈丽华等的研究表明林冠层的截留能力与最大30 min雨强密切相关[22]。瞬时强降雨的雨滴带有极大的动能，会大量穿透林冠层，造成枯落物层和土壤层短时间内无法容纳大量径流从而产流。相同降雨类型下，不同人工植被类型的抗蚀能力也存在差异，整体呈沙棘高于其他树种和草地的趋势，这是由于沙棘的生存和萌蘖能力都要远高于其他植被，野外生长的沙棘在没有人为管护的情况下能更快的实现林地的郁闭，本研究的前期研究显示，沙棘林下土壤的养分和物理性状相对其他植被类型更为良好，因此沙棘林的抗蚀能力最强，这一点与王改玲等人的研究结果一致[23]。

5 结 论

(1)裸露砒砂岩的自然降雨可以分为4种类型，第一类降雨为长历时暴雨，第2类降雨为长历时的中到大雨，第3类降雨为短历时暴雨，第4类降雨为短历时的小到中雨。

(2)降雨类型的不同会显著影响裸露砒砂岩区坡面土壤侵蚀过程，第3类降雨是引起该区土壤剧烈侵蚀的主要降雨类型，其次为第4类降雨中带有一定暴雨性质的降雨过程，第2类降雨引起的土壤侵蚀作用相对较弱。

(3)人工植被抗蚀能力对不同降雨类型的响应不同，人工植被能够有效减弱第2类降雨造成的侵蚀作用，但是对第3类降雨的抗蚀作用较弱。营造人工植被可以有效防治裸露砒砂岩区坡面的水土流失问题，现有的人工植被类型中以沙棘林的抗蚀能力最强。