水土流失是我國的頭號環境問題,對我國生態環境、經濟建設造成多種危害,成為我國資源、環境與社會、經濟可持續發展的主要障礙之一。據第二次土壤遙感調查,我國土壤侵蝕總面積有356.9萬km2,占國土總面積的37.2%。其中水力侵蝕面積為161.22萬km。黃土高原水土流失面積45.4萬km2,占總面積的70.9%。近50a\\(1956-2005a\\)黃土高原輸沙強度呈現明顯下降趨勢,尤其是自20世紀80年代以來,下降趨勢非常顯著。從黃河中游10條主要支流來看,人類活動對輸沙量減少可能起主要作用,其貢獻率在61%~93%之間。對林地、草地、休閑地和耕地等方面的研究表明,雨強對不同土地利用形式的徑流量和土壤侵蝕都有極顯著的影響,人工植被建植對坡地水土流失的影響較為明顯。
山西省地處黃土高原東部,水土流失面積約為10.8萬km2,占全省總面積的69%。其中水蝕面積為9.3萬km2,居全國第7位;中度以上侵蝕土地面積與全省總面積之比居全國第二位。當前就汾河上游土石山區不同土地利用方式下坡地水土流失有關研究尚未見諸報道。因此在該區域開展不同土地利用方式下坡地水土流失規律探索和研究,可為該區域坡地水土保持實踐提供一定的理論依據。
1、材料與方法
1.1研究區概況
研究區位于黃河一級支流汾河上游的陽坡小流域。該流域地理位置為北緯38°14′34″,東 經112°14′31″,海拔在1320~1950m之間,相對高差630m。該流域土地面積為18.09km2,其中水土流失面積為17.73km2,占土地總面積的98%,水土流失嚴重。
陽坡小流域年平均氣溫9.6℃,極端最高氣溫39.4℃,極端最低氣溫-25.5℃,無霜期188d。多年平均降水量為495.6mm,其中7-9月份降水量占全年降水量的70%以上。當地暴雨主要發生在7-8月份,也是水土流失的主要階段。目前,陽坡小流域內布設水利部水土流失定位觀測站,站內有10個徑流小區,自動氣象站1處、人工降雨觀測點1處,用于監測該流域降雨條件下坡地產流和產沙過程。
10個徑流小區內的土地利用方式均不相同,小區概況見表1。
1.2研究方法
坡地產流產沙的研究方法較多,通常利用天然降雨、人 工降雨、放水沖刷、核素示蹤等方法在實驗小區內研究坡地產沙產流過程。本研究以陽坡小流域內徑流場為依托,主要監測內容為:\\(1\\)降雨量觀測,由設置在徑流場內的自記雨量計提供。\\(2\\)徑流量觀測,由人工分段進行記錄。\\(3\\)泥沙量觀測,由人工分段進行記錄。用烘干法測定后取平均值得出小區次產流量和次產沙量。\\(4\\)數據分析,采用Excel軟件進行。
2、結果與分析
2.1 2013年降雨與多年平均分布比較
陽坡小流域從2013年5月22日開始降雨,至10月14日截止,汛期一共降雨37次,總降雨量為513.40mm。降雨量分布情況見表2。從表2可見,陽坡小流域2013年\\(5-10月\\)總降雨量比同期多年平均值高出30.80%,且2013年 年內降 雨分 布與多年平均分布有較大差異。
2013年6月降雨量為150.50mm,高出同期平均水平255.79%;7月的降雨量為185.8mm,較同期平均水平高出110.90%;8月的降雨量僅42mm,比同期平均水平低63.57%;9月份的降雨量為112.2mm,比同期平均水平高出21.30%;10月份降雨與多年平均基本持平。這一現象說明,陽坡小流域年內降雨分布不均勻,年際變化較為劇烈。
2.2不同土地利用方式對坡面徑流量影響
由表3可見,1~6號徑流小區除土地利用方式不同外,其他影響水土流失的因子均較為一致,所以不同徑流小區水土流失的過程、強度以及結果具有可比性。
1號和2號小區均布設了魚鱗坑,且2個小區均栽植了同樣密度的松樹。1號小區通過栽植松+苜蓿+草,使其地表覆蓋度比2號小區僅種植松樹高出50%,導致1號小區產流次數比2號小區減少3次,產流量減少37.50%。3~6號小區內布設了喬、灌、草單一或復合的植物措施,均沒有工程措施。5號小區栽植松樹,植被覆蓋度為25%,產流量為1.93m3;6號小區在同樣的松樹種植密度基礎上撒播草籽,使其植被覆蓋度較5號小區提高了100%,產流量比5號小區減少了31.09%;4號小區僅種植苜蓿,植被覆蓋度為60%,產流量為1.06m3;3號小區為苜蓿+草,植被覆蓋度為75%,產流量為0.65m3,相比之下,3號小區產流量比4號小區下降了38.68%。
4個小區產流次數大小依次:5號小區>6號小區>4號小區>3號小區。3~6號小區產流量大小依次為:5號小區>6號小區>4號小區>3號小區。4個小區降雨過程、坡度、土壤類型等條件相同時,其產流次數和產流量差異較大的原因在于土地的不同利用方式。通過調整不同土地利用方式,提高了地表覆蓋度,減輕雨滴擊濺侵蝕;同時通過不同土地利用方式,調節了地表糙度,延緩地表徑流流速,增加水分就地入滲,從而減少地表徑流的水力侵蝕。
7~10號小區坡度均為15°,除9號徑流小區因出流口滲漏,導致監測數據不能使用以外,其他3個小區的產流量隨土地利用方式不同也有較大區別。10號小區為裸坡面,可與7號、8號小區進行對照。結果發現,在無覆蓋、無擾動情況下,10號小區年內產流次數最高,達17次;7號和8號小區產流次數為16次,稍低于10小區。
7號8號小區產流量分別是10號小區的1.02和1.23倍。
2.3不同土地利用方式對坡面產沙量影響
產沙量是地表徑流和不同土地利用方式共同作用的結果。由表3可見,1號和2號小區相比,2號小區徑流量比1號小區增加60.00%,產沙量卻增加了27.67%;3~6號小區產沙量依次為:5號小區>6號小區>4號小區>3號小區。
5號小區比6號、4號、3號小區產流量分別高出45.11%、82.08%、196.92%,5號小區比6號、4號、3號小區產沙量分別高出38.41%、49.42%、79.63%,可見1~6號小區產流量和產沙量并不同步增加,即產沙量的大小除受產流量大小的影響,還受到土地利用方式、地表覆蓋度等方面的影響。7號、8號和10號 小區產沙量分別為39.19、36.49和21.86kg,7號、8號2個坡耕地小區產沙量是10號裸坡地小區的1.79和1.67倍,可見坡耕地在人為擾動情況下對產沙量的貢獻遠大于不經擾動的裸坡地。
另外,10號小區坡度比1~6號小區小,但其產沙量顯著大于1~6號小區,可見提高植被覆蓋度對于裸露坡地減少土壤侵蝕具有重要現實意義。
2.4降雨特征對不同土地利用方式產流產沙影響
從氣象學角度來看,降雨主要由雨量、雨強、降雨歷時等特征值來反映,這些因子都會影響水土流失,但作用并不相同,總雨量是研究水土流失強度的前提條件。此處分別選擇5號、7號、10號小區,進一步比較降雨對不同土地利用方式坡地的產流產沙特征。
結合表1和表4可見,5月份降雨8.7mm,但各小區產流量和產沙量均為0,6-10月3個小區各月產流量、產沙量隨降雨量增加而增加。不僅雨量在7月份分布最多,而且雨強也在7月份達到峰值,尤其是與產流和產沙關系密切的I30在7月份高達1.22mm·min-1,故7月份5、7、10號小區對年內總徑流量的貢獻率分別達到33.67%、52.91%、62.10%,處于全年最高水平;7月份5、7、10號小區對年內總產沙量貢獻率分別達到44.50%、63.95%、47.40%,同樣在全年居于最高水平。
分析表明,年內少數幾次降雨對于全年產流產沙貢獻較為突出,以年內次降雨較大的2次降雨為例進行說明。
6月19-22日的次降雨量高達100.60mm,由于該次降雨持續時間較長,雖雨量較大,但平均雨強為0.028mm·min-1,I30為0.26mm·min-1,5號、7號、10號小區該次降雨的產流量分別占到各小區6月份產流總量的63.83%、70.28%、66.67%,產沙量分別占到6月產沙總量的77.91%、64.31%、66.06%。
7月8日次降雨量為87mm,占到7月份總雨量的46.82%,該次降雨中間有間斷,但間隔時間不足6h,可視其為一次降雨,該次降雨雨量大,I30為1.22mm·min-1,短期強降雨導致產流產沙較為嚴重,該次降雨在5號、7號、10號小區產流量分別占到7月份各小區產流總量的74.38%、80.44%、74.57%,產沙量分別占 到7月份產沙總量的87.27%、91.26%、85.36%。
3討論與結論坡地水土流失治理是黃土高原生態環境修復的重點和難點。在當前人地矛盾較為突出的大背景下,坡地的利用仍然必不可少,但是確定適宜的坡地利用方式是實現黃土高原水土保持和生態環境修復的重要課題。在不同區域開展不同土地利用方式下坡地產流產沙的過程研究,并提出具有因地制宜的水土保持措施是水土保持理論研究和實踐探索中的重中之重。本文通過野外小區試驗,定位觀測了汾河上游陽坡小流域內10種典型坡地利用方式的水土流失特征,結果如下:
\\(1\\)2013年\\(5-10月\\)的降雨總量與多年平均相比,比平均水平高出30.80%,且降雨量年內分布異于常年平均。
\\(2\\)不同土地利用方式下,坡地產流量和產沙量差異較為明顯。提高地表覆蓋度可減少地表徑流。人為擾動較大的7號、8號坡耕地小區產流量、產沙量高于裸坡面\\(10號\\),也高于人工建植的植被小區。說明了提高坡面覆蓋,可以促進地表徑流就地入滲,減少坡面產流、產沙量。這一結果與王川等人通過人工植被\\(玉米和草地\\)對坡地水土流失的影響研究結論一致。
\\(3\\)陽坡小流域坡地水土流失主要由少數幾次雨強較大的降雨引起。與降雨量對流域產流產沙的影響相比,雨強對不同坡地利用方式下坡地的水土流失影響更大。
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