砒砂岩区坡面产流产沙对土地利用方式的响应

马郡粒, 杨振奇, 郭建英, 张铁钢, 王 普, 马培渊

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院, 呼和浩特 010010;2.中国水利水电科学研究院 内蒙古阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站,呼和浩特 010010; 3.鄂尔多斯达拉特旗水利事业发展中心, 内蒙古 鄂尔多斯 017000)

砒砂岩区生态环境脆弱,丘陵沟壑纵横,水土流失严重,年均土壤侵蚀模数约4万t/(km2·a),是黄河泥沙的主要策源地,大量的入黄泥沙威胁着黄河中下游的生态环境安全。自20世纪90年代起,该区先后实施了退耕还林(草)、小流域综合治理等生态政策和水土流失治理工程,水土流失趋势得到有效控制[1-2],但该区不同土地利用方式的侵蚀产沙机理尚不明确。已有研究表明干旱、半干旱地区坡面的侵蚀产沙过程主要受到降雨、植被、地形和土地利用方式的影响[3-4]。降雨对水蚀过程的影响具有较大的时空异质性,与降雨量、降雨强度、降雨历时等特征因素有关。植被和地形具有较强的地域特征,植被是干旱半干旱地区对水蚀过程影响最活跃的因子,具有增加地表覆盖、削减洪峰、固持土壤等作用,影响着土壤侵蚀的发生与发展[5]。坡度则是导致水土流失的关键因素,与坡面产流产沙过程具有复杂的关系,它可以增加雨水向下的自重分力,从而增大径流流速,减少累积入渗量,增大径流泥沙量[6],而土地利用方式对水土流失具有明显的分异效应,受人为活动的影响较大,对于侵蚀有着不同程度的影响。

纵观国内外关于坡面产流产沙与土地利用方式响应的分析,地点多集中于黄土区、黑土区以及红壤土区等地带,数据资料多采用单次或短期模拟试验数据,研究内容主要涉及降雨或地形等影响因子单方面的作用;而具有独特岩石结构和性质的砒砂岩区罕见报道,尤其是针对多年连续性野外监测数据复合因素的水沙分析[7-10]。雨型是次降雨过程中不同降雨特征的组合形式,坡度是影响坡面土壤侵蚀的主要地形因子[11],这些因素复合作用于坡面产流产沙,增加影响机制的复杂性,促使土壤水蚀规律的不确定性增加,而以往关于不同土地利用方式对雨型响应的坡度效应报道却寥寥无几[12]。因此,本文以砒砂岩区典型小流域不同土地利用方式的标准径流场为观测对象,根据该区2016—2021年降雨及径流泥沙数据,探究不同土地利用方式的侵蚀产沙变化特征,以期为砒砂岩区水土流失的治理和生态恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黄河中上游一级支流罕台川的合同沟小流域,流域面积约1.27 hm2,地理坐标为39°59′58″—40°13′18″N,109°53′36″—110°06′03″E,隶属于内蒙古自治区鄂尔多斯市达拉特旗,是典型的砒砂岩丘陵区,土壤类型以栗钙土为主,质地为砂质土,小流域平均坡度5～15°,地形地貌支离破碎,沟壑纵横,属半干旱温带大陆性气候,年均气温为6～8℃,年均降雨量为310.3 mm,集中于7—9月份,占71.2%,多为短历时大雨,水土流失严重。区域内主要建群种有本氏针茅(Stipabungeana)、羊草(Leymuschinensis)、达乌里胡枝子(Lespedezadavurica)等,主要造林树种有柠条(CaraganaKorshinskii)、油松(Pinustabuliformis)、小叶杨(Populussimonii)等。

1.2 试验设计

本研究区位于全国水土保持监测网络站点—达拉特旗合同沟水土保持监测站点附近(编号:DA1520737110),该站点始建于2005年,建有标准径流小区18座(20 m×5 m)。小区安装自动水沙监测设备(北京天航佳德),并同步配备了自动气象监测站和智墒云智能土壤温度水分观测仪(北京东方润泽)获取相关数据。径流场土地利用基本概况见表1。

表1 径流场土地利用基本概况Table 1 Basic overview of runoff site land use

1.3 测定内容与方法

(1) 土壤含水率测定。采用智墒云智能土壤温度水分观测仪(北京东方润泽),每30 min观测一次,观测深度0—100 cm平均分为5层。每次降雨后,通过TDR法加测0—10 cm深度的土壤体积含水率,并烘干法校核。

(2) 降雨特征观测。通过自动气象监测站记录次降雨过程,每5 min观测一次,降雨量精确至0.1 mm,降雨强度单位mm/min。同时参考黄土高原区降雨强度划分标准的基础上[13-15],结合本区天然降雨条件下坡面产流产沙特点。

针对各场次降雨,选取年降雨量(P)、年降雨历时(T)、最大I30min雨强(I30max)、平均雨强(IAVG)等指标,运用系统聚类方法对研究区内的降雨类型进行划分。研究区2016—2021年降雨基本概况见表2。

表2 研究区2016-2021年降雨基本概况Table 2 Basic profile of rainfall in the study area 2016-2021

(3) 径流泥沙量观测。利用自动水沙监测设备(北京天航佳德),每分钟记录一次,产流体积精确至0.001 L;产沙量精确至0.001 kg/m3,同时辅以全剖面采样器人工实地取样。

径流深(mm)=径流体积(L)/小区面积(m2)

径流系数(%)=径流深(mm)/降雨量(mm)

土壤流失量(t/hm2)=泥沙总量(t)/小区面积(hm2)

(4) 植被观测。采用照相法、目估法4—10月,每15 d/次。小区产流后加测乔木郁闭度、灌草作物覆盖度与地面盖度。

试验数据通过Excel进行整理统计和Origin 2018进行绘图,运用SPASS 26.0进行双因素方差分析、聚类分析和相关性分析,研究不同土地利用方式下的水沙关系。

2 结果与分析

2.1 降雨特征分析

砒砂岩地区,地形地貌支离破碎,沟壑纵横,降雨量稀少,年内降雨多集中在夏末秋初,降雨引发的水力侵蚀是该区最为主要的侵蚀形式。研究区2016—2021年共观测降雨47场,其中侵蚀性降雨36场,根据气象学中降雨类型的划分(24 h以内),研究区5 a间共有小雨3场、中雨29场、大雨14场、大暴雨1场。通过聚类分析降雨特征对降雨类型进一步划分(见表3),结果表明:观测降雨可划分为3类,A类降雨研究区发生频率最高(40.4%),其特点是历时短,雨量集中,高强度的暴雨;B类降雨为雨量较多,历时较短,中强度的降雨;C类降雨研究区发生频率最低(27.6%),其特点是历时长,小雨强,雨量分散的连续性降雨。其中2017年P最小,为281.8 mm,T最大I30max最小;2018年T明显小于2017年,同时P和I30max高于2017年,表明降雨量主要受到降雨强度的影响。2018年、2020年径流泥沙量较大(见图1),同年A,B类降雨次数所占比例明显高于其他年份,表明A,B类多为侵蚀性降雨,是该区域坡面水土流失的主要贡献者。此外,分析同类型降雨发现径流量逐年递减,究其原因为植被的生长,使得冠层截流再分配的同时改良了土壤理化性质,促渗减流。

图1 不同土地利用方式年际间产流产沙变化

表3 不同降雨类型特征Table 3 Characteristics of different rainfall type

2.2 不同土地利用方式产流产沙对雨型的响应

通过相关性分析次降雨过程,降雨历时T(min)、降雨量P(mm)、平均降雨强度Iavg(mm/h),30 min最大雨强I30max(mm/h)与不同土地利用方式径流深H(mm)、径流系数R(%)、产沙量C(g/L)、土壤流失量Ms(t/hm2)以及坡度Gd(°)的相关关系(见表4);不同土地利用方式径流深H(mm)、径流系数R(%)和产沙量C(g/L)、土壤流失量Ms(t/hm2)的相关关系(见表5)。其中,P与径流泥沙情况在除人工草地和农作物地外,均呈正相关关系,且与C和Ms呈极显著(p<0.01)正相关关系;T与I30对径流泥沙的影响在不同土地利用方式下均呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)的正相关关系;IAVG对径流泥沙的影响在裸地较突出,表现为呈极显著(p<0.01)正相关关系。坡度对径流泥沙的影响在人工草地、乔木林地、农作物地和裸地较突出,主要表现为Gd与C呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系。上述表明,降雨特征与水土流失的发生息息相关,且受土地利用方式的影响,具有明显的分异效应,坡度是导致水土流失的关键因素,与坡面产流产沙过程具有复杂的关系。

表4 不同土地利用方式产流产沙的影响因子相关性分析Table 4 Correlation analysis of factors affecting runoff and sediment yield by different land use type

表5 不同土地利用方式的径流泥沙相关性分析Table 5 Runoff sediment yield analyses for different land use type

不同土地利用方式下,次降雨的径流与泥沙情况均具有p<0.01的正相关关系,降雨产生的坡面流具有冲刷、剥离及搬运土壤的作用,加剧坡面土壤侵蚀。进一步分析可知,不同土地利用方式各雨型情况下的径流泥沙响应不尽相同(见图2)。A,B类降雨径流深和土壤流失量的排序,均呈乔木林地<灌草地<人工草地<天然草地<农作物地<裸地,受雨强影响,冠层雨水截留再分配的效果明显;C类降雨情况与之不同,天然草地减流减沙效果优于灌草地(15.80%,12.01%),由于天然草地表层腐殖质积累丰富,土壤结构良好,对降雨的渗漏和通透性优于灌草地,水土保持效果提高,而人工草地地被层较厚,且密度大,对土壤形成了保护效果使得减沙效果高于天然草地。此外,不同雨型情况下各土地利用方式的径流泥沙响应则基本一致,径流深和土壤流失量的排序,均呈C

图2 不同土地利用方式产流产沙对雨型的响应

2.3 不同土地利用方式产流产沙对雨型响应的坡度效应

坡度不仅影响径流的渗透量、径流量和冲刷能力还影响坡地的侵蚀方式和强度,与坡面产流产沙过程存在复杂性和随机性。采用双因素方差分析坡度对不同土地利用方式产流产沙在各雨型条件下的影响(表6),结果显示:A类降雨土地利用方式和坡度对土壤流失量(p<0.05,p<0.01),土地利用方式对径流深(p<0.01),分别具有显著或极显著的影响,两者交互作用的影响仅对土壤流失量显著(p<0.01);B,C类降雨土地利用方式对径流深(p<0.05,p<0.01)和土壤流失量(p<0.01)具有显著或极显著的影响。

表6 不同土地利用方式与坡度下的径流深和土壤流失量方差分析Table 6 ANOVA table for runoff depth and soil loss amount under different land use type and slopes

不同雨型条件下,各土地利用方式径流深或土壤流失量对坡度的响应表现略有差异,并不单纯随着降雨特征的增加和坡度的增大而增大,差异主要存在于裸地、农作物地与其他土地利用方式(图3)。其中5°裸地的径流深显著大于除农作物地外其他土地利用方式(A,B),土壤流失量显著大于不包括或包括农作物地外其他土地利用方式(B,C);10°裸地的径流深仅显著大于天然草地(A,B),土壤流失量则与其他所有土地利用方式无显著差异(A,B和C);15°裸地的径流深显著大于不包括或包括农作物地外其他土地利用方式(A,B)和天然草地或灌草地(C),土壤流失量显著大于其他所有土地利用方式(A,C)。A类降雨情况下,不同坡度间也存在一定程度的差异,天然草地和乔木林地的土壤流失量10°显著大于其他坡度;裸地的土壤流失量15°显著大于其他坡度。上述可知,C型降雨土壤侵蚀力弱,导致各坡度土地利用方式的产流产沙表现基本一致,15°坡度较大直接影响径流的冲刷能力,加剧各土地利用方式的水土保持效果差异。

图3 不同土地利用方式产流产沙对雨型响应的坡度效应

3 讨 论

砒砂岩区地处干旱、半干旱地区,全年降水分布不均且雨量集中,侵蚀性降雨严重影响着该区坡面侵蚀产沙过程,是导致其剧烈侵蚀的主要动力[16]。砒砂岩地形切割支离破碎,加之基岩具有发育不充分,胶结力弱等性质,极易受风力和水力作用风化溃散。研究表明该区A,B类(历时偏短、雨强偏大、雨量偏多)降雨发生频率较高,且多为侵蚀性降雨,是造成该区域坡面水土流失的主要贡献者,C类(历时长、小雨强、雨量分散)降雨土壤侵蚀能力最弱,对研究区地下水的补给作用最佳,与王万忠等[17]研究结果相同。分析2016—2021年降雨情况,2018年降雨强度最高,同年产流产沙量也最大,其中I30max与P对径流泥沙的影响,具有p<0.05或p<0.01正相关关系,故降雨强度与侵蚀强度关系最为密切其次是降雨量,该结果与江淼华等[18]的研究结果基本一致。降雨类型(雨量、雨强或历时等)与水土流失的发生息息相关,且受土地利用方式的影响,具有明显的分异效应,A,B类降雨强度大,冠层对雨水的层层截留再分配作用,促使乔灌木的水土保持效果优于草地;C类降雨侵蚀力弱,天然草地由于长期的封禁,地表腐殖质积累丰富,土壤结构良好,对降雨的渗漏和通透性提高,减流减沙效果由于灌草地,该结果与黄凯等[19]的研究一致。农作物地的水土流失情况仅次于裸地,原因是季节性翻耕,土壤表层松散,在降雨击溅和径流冲刷下,坡面迅速形成细沟,伴随着细沟的溯源发育和不断扩展,土壤水蚀急剧增加,因此陡坡耕地退耕还林还草是恢复良性生态环境的必由之路,该结果与琚彤军等[20]的研究一致。坡度是导致水土流失的关键因素,与坡面侵蚀关系的复杂性和不确定性,一定程度上限制了坡面水土保持措施的实施效果。研究表明,坡度对产沙量的影响大于产流量,主要表现为Gd与C呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系(人工草地、乔木林地、农作物地和裸地)。坡度直接作用于径流的冲刷能力,水土流失情况随着坡度的增加而加剧,直至雨滴对水面的打击作用弱于坡面流的保护作用,该结果与曹美晨等[21]的研究结果一致。坡度对不同降雨类型,土地利用方式的水土保持效果差异性有影响,低度坡面裸地与其他土地利用方式的蓄水能力在小雨强无显著性差异,当坡度升至15°时,裸地径流深显著大于天然草地和灌草地,天然草地的渗透力好,灌草地则经培养管理已形成灌丛堆效应,固土促渗,从而减少坡面流的产生。研究区平均坡度10°,天然草地在大雨强情况下的水土保持效果显著高于其他土地利用方式,因此天然草地对径流泥沙的拦截作用适用于低度坡面,灌草地则对较高的坡面具有良好蓄水保土效益,该研究结果于幸艳等[22]基本一致。

4 结 论

(1) 研究区降雨类型主要可分为3类,A类历时短、雨量集中、高强度;B类雨量较多、历时较短、中强度;C类历时长、小雨强、雨量分散,C类雨型导致水土流失能力最弱。

(2)P与H,R,C和Ms(除人工草地和农作物地外)均呈正相关关系,且与C和Ms呈极显著(p<0.01)正相关关系;T和I30max与H,R,C和Ms均呈正相关关系,IAVG与H,R,C和Ms在裸地呈极显著正相关关系,Gd与C在人工草地、乔木林地、农作物地和裸地呈显著(p<0.05)或极显著(p<0.01)正相关关系。

(3) 次降雨的H和R与C和Ms均具有极显著(p<0.01)的正相关关系,A,B类降雨产流产沙,排列顺序为乔木林地<灌草地<人工草地<天然草地<农作物地<裸地;C类降雨产流,排列顺序为乔木林地<天然草地<灌草地<人工草地<农作物地<裸地,产沙,排列顺序为人工草地<乔木林地<天然草地<灌草地<农作物地<裸地。相同土地利用方式径流深和土壤流失量排序为C

(4) 不同雨型各土地利用方式的径流深或土壤流失量对坡度的响应表现略有差异主要存在于裸地、农作物地与其他土地利用方式。C型降雨土壤侵蚀力弱,导致各坡度土地利用方式的产流产沙表现基本一致,同时15°坡度较大直接影响径流的冲刷能力,加剧各土地利用方式的水土保持效果差异。