植被和降雨类型对地表径流和土壤侵蚀的影响研究

刘宏志

（广东河海工程咨询有限公司,广东 广州 510610）

1 引言

中国黄土高原是世界上土壤侵蚀最严重的地区之一,其总面积为624000 km2,其中约68%的面积遭受土壤侵蚀。年平均侵蚀速率为2330 t/km2,在一些集水区,侵蚀速率超过59700 t/km2[1]。严重的土壤侵蚀不仅导致土地严重退化,而且黄河下游的河床退化也威胁着河南省和山东省近2 亿人口的居住生活。作为土壤保护措施的一项基本实践,自20 世纪50 年代以来,植被恢复在黄土高原广泛实施,但直到1999年实施了“退耕还林”项目,旨在将坡地改为森林和草地,植被复盖率才得到大幅改善,随后导致了水文和侵蚀过程的显著变化[2]。黄河的年泥沙负荷从1951 年～1979 年的约1.34 Gt下降到1980 年～1999 年的约0.73 Gt,并在2000 年～2010 年进一步下降到约0.32 Gt[3]。

在黄土高原地区,降雨主要发生在7 月～9 月,占年降水总量的60%～70%。在降雨特征中,降雨强度和持续时间是影响水文和侵蚀过程的两个主要因素。本文研究了黄土高原陡坡上相同地形条件下不同植被类型对地表径流和土壤流失的影响。本文为评估黄土高原陡坡植被类型和降雨类型对地表径流和土壤流失的影响,对比白羊草、沙棘、刺槐、沙棘+刺槐四种植被类型,以更好地了解植被和降雨对土壤侵蚀的影响,为水土保持治理提供参考。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

在某省的典型农业生态系统内进行,该地区年平均降水量为500 mm～570 mm,夏季多雨,年平均气温10.2℃。地区的土壤类型主要为黄土,土质为粉质黏土。地下水位在地表

以下约60 m～70 m,降水是补充土壤水分的唯一天然水源。当地主要种植的农业作物为小麦、玉米和高粱等。

2.2 试验设计

本文试验中建立了坡度相同的的试验地块,具有相似的土壤性质和指标。每个地块出口处安装了水槽和容积桶,以收集地表径流和土壤损失。为研究土壤侵蚀在不同类型的植被种植情况下的差异,设置四种不同类型植被的试验地块：白羊草、沙棘、刺槐、沙棘+刺槐。前期实验中,采用四边形法对试验地块的植被性质进行了调查,估算每个地块的地面覆盖率,其中包括草地和凋落物覆盖率。具体试验地块的植被特征和土层性质见表1,土壤孔隙度包括毛管孔隙度和非毛管孔隙率和饱和导水率。

表1 不同植被类型的指标

收集周期为四年的每一次降雨事件来调查植被类型对地表径流和土壤流失的影响,测量每个地块的地表径流和土壤流失。将每个地块收集的沉积物样品在105℃的烘箱中干燥,然后称重以确定沉积物浓度。测量和取样后,及时将桶完全清空,以保证下次降雨数据的收集准确性。在距离试验区一定距离安装虹吸管雨量计,自动记录雨季的每小时降雨量数据。

在本研究中,使用间隔60 分钟的降雨浓度指数对侵蚀性降雨事件进行分类。降雨事件的浓度指数为给定降雨事件的最大60 分钟降雨深度占降雨事件的总降雨深度的百分比。地表径流系数为地表径流量深度占降雨深度的百分比。土壤损失为土壤流失量与径流区面积和年数的比值。

3 降雨类型统计

在3 年的研究期间,记录并分析了30 个侵蚀性降雨事件,根据降雨浓度指数分为三种降雨类型：雨量集中指数≥70%的一类降雨；雨量集中指数为30%～70%的二类降雨；雨量集中指数≤30%的三类降雨。其中,一类降雨的平均降雨集中指数和最大60 分钟强度值最高,其次是二类降雨和三类降雨。相反的是,平均降雨深度和持续时间呈现不同的规律：三类降雨＞二类降雨＞一类降雨。根据相关统计数据表明,一类降雨事件具有高降雨浓度和强度,分别为91.2%和13.6 mm/ h,较小的降雨深度14.7 mm 和较短的降雨持续时间,约2.5 h。三类降雨浓度和强度均较低,分别为18.8%和6.2 mm/h；大降雨深度41.7 mm 和较长的降雨持续时间,约为146 h。二类降雨事件具有中等降雨的特征,集中指数和强度为42.9%和11.8 mm/h,深度为28 mm,持续时间为8.5 h。在试验期间,一类降雨共发生3 次,总深度为59.3 mm。三类降雨4 次,总深度152.7 mm。二类降雨发生的次数最多,为7 次,总深度为188.7 mm。

4 结果分析

4.1 植被类型的年地表径流和土壤流失

图1 和图2 显示了2019 年～2022 年4 种植被类型的年均地表径流和土壤流失状况结果。可以看出,径流和土壤流失因植被类型的不同而有较显著的差异。如图1 所示,白羊草地块的年地表径流最低,4 年平均值为3.10 mm,其次是沙棘地块,年平均值为3.85 mm。沙棘+刺槐地块的年平均地表径流最高,4 年平均值为4.33 mm。如图2 所示,白羊草和沙棘地块的年平均土壤流失相对较低,分别为7.88 t/km2和7.18 t/km2,刺槐和沙棘+刺槐地块的年平均土壤流失显著高于白羊草和沙棘地块,2019 年～2022 年平均土壤流失分别为15.18 t/km2和15.28 t/km2,较沙棘地块的年平均土壤流失高出92.6%和93.9%。年平均地表径流呈现沙棘+刺槐＞刺槐＞沙棘＞白羊草的顺序递减,年平均土壤流失量呈现沙棘+刺槐＞刺槐＞白羊草＞沙棘的顺序递减。

图1 2019 年～2022 年平均地表径流

图2 2019 年～2022 年平均土壤流失

图3 为2019 年～2022 年不同植被类型下的年度地表径流和土壤流失,柱形图为年度地表流失,折线图为年度土壤流失。与林地相比,草地和灌木林地的径流和土壤损失较低,总体而言,年径流和土壤流失不仅在每种植被类型下,而且在地块之间具有同步波动。由图3（a）可以看出,白羊草地块的年度地表径流呈现逐年递增的趋势,在2021 年的地表径流和土壤流失均有较显著的增加。由图3（b）可以看出,沙棘地块在2020 年有最小的地表径流,为2.74 mm,在2022 年的地表径流和土壤流失均最大,分别为5.03 mm 和12.72 t/km2。由图3（c）可以看出,刺槐地块在2019 年～2022 年内的年度地表径流和土壤流失波动比较大,在2020 年和2022 年有较小的年度地表径流,但是对应较大的土壤流失量。由图3（d）可以看出,沙棘+刺槐地块的年度土壤流失呈现逐年递增的趋势,2022 年的土壤流失最大,为29.75 t/km2,但地表径流波动较大,2021 年的地表径流最大,为6.17 mm。

图3 2019 年～2022 年不同植被类型下的年度地表径流和土壤流失

在本次试验地块中,刺槐树的平均高度仅为3.3 m,平均胸径为2.7 cm,明显低于同龄刺槐树的数据。地表覆盖不良和缺少下层植被可能是导致土壤侵蚀控制效率低下的主要原因。降水量和温度等气候条件、地形特征和土壤湿度等场地条件和人类活动都会对树木生长产生影响。总之,具有高地面覆盖的草地和灌木在控制地表径流产生和土壤侵蚀方面更有效。相比之下,无论是单一种植还是混合种植,地表覆盖不良的林地都会产生更多的地表径流和相关的土壤侵蚀。因此,促进地表覆盖的发展或密切关注其变化是该地区植被保持水土的关键。

4.2 降雨类型的地表径流和土壤流失

降雨特征是影响径流产生和土壤侵蚀的主要因素,不同的降雨类型对径流和土壤侵蚀有不同的影响。图4 显示了不同植被类型降雨类型事件的平均地表径流系数和平均土壤流失的特征。降雨类型对径流的影响在不同植被类型中大体一致,其顺序基本相同：一类降雨＞二类降雨＞三类降雨。一类降雨的径流系数最高,一类降雨下刺槐的平均径流系数为3.82%,较二类降雨和三类降雨分别高137.5%和245.5%。降雨类型对平均土壤流失的影响在不同植被类型中有所不同,白羊草和沙棘的平均土壤流失结果较为相似：一类降雨＞二类降雨＞三类降雨。刺槐的平均土壤流失在二类降雨情况下最高,为2.42 t/km2,在一类降雨情况下最低,为1.83 t/km2。沙棘+刺槐的平均土壤流失在以类降雨情况下最高,为2.54 t/km2,在二类降雨情况下最低,为2.08 t/km2。在所有三种降雨类型下,草地和灌木林地的径流系数和土壤损失值均低于林地。

图4 不同降雨类型下的平均径流系数和平均土壤流失

分析其原因,降雨类型对地表径流和土壤流失的影响与降雨强度、持续时间和深度有关,降雨深度和持续时间是影响水文过程的两个重要因素,其中降雨强度是影响径流产生和土壤侵蚀的主要因素。在降雨和土壤表面之间的相互作用中,高强度和短时降雨下的雨滴特征与低强度和长时间降雨下的不同,高强度降雨使表面结皮和密封更容易形成,这会降低入渗率并增加地表流量。

5 结论

本文研究了植被类型和不同降雨类型对地表径流和土壤流失的影响,得出以下结论：

（1）沙棘+刺槐地块的年平均地表径流最高,4 年平均值为4.33 mm。年平均地表径流呈现沙棘+刺槐＞刺槐＞沙棘＞白羊草的顺序递减。

（2）刺槐和沙棘+刺槐地块的年平均土壤流失显著高于白羊草和沙棘地块,较沙棘地块的年平均土壤流失高出92.6%和93.9%。年平均土壤流失量呈现沙棘+刺槐＞刺槐＞白羊草＞沙棘的顺序递减。

（3）地面覆盖率高的地块产生的径流和土壤流失较低,而地面覆盖率低的地块产生的径流量和土壤流失较高。

（4）一类降雨的径流系数最高,一类降雨下刺槐的平均径流系数为3.82%,较二类降雨和三类降雨分别高137.5%和245.5%。在所有植被类型下,强度高、持续时间短的降雨事件都会导致严重的径流和土壤流失。