水土流失是我国的头号环境问题,对我国生态环境、经济建设造成多种危害,成为我国资源、环境与社会、经济可持续发展的主要障碍之一。据第二次土壤遥感调查,我国土壤侵蚀总面积有356.9万km2,占国土总面积的37.2%。其中水力侵蚀面积为161.22万km。黄土高原水土流失面积45.4万km2,占总面积的70.9%。近50a(1956-2005a)黄土高原输沙强度呈现明显下降趋势,尤其是自20世纪80年代以来,下降趋势非常显著。从黄河中游10条主要支流来看,人类活动对输沙量减少可能起主要作用,其贡献率在61%~93%之间。对林地、草地、休闲地和耕地等方面的研究表明,雨强对不同土地利用形式的径流量和土壤侵蚀都有极显著的影响,人工植被建植对坡地水土流失的影响较为明显。
山西省地处黄土高原东部,水土流失面积约为10.8万km2,占全省总面积的69%。其中水蚀面积为9.3万km2,居全国第7位;中度以上侵蚀土地面积与全省总面积之比居全国第二位。当前就汾河上游土石山区不同土地利用方式下坡地水土流失有关研究尚未见诸报道。因此在该区域开展不同土地利用方式下坡地水土流失规律探索和研究,可为该区域坡地水土保持实践提供一定的理论依据。
1、材料与方法
1.1研究区概况
研究区位于黄河一级支流汾河上游的阳坡小流域。该流域地理位置为北纬38°14′34″,东 经112°14′31″,海拔在1320~1950m之间,相对高差630m。该流域土地面积为18.09km2,其中水土流失面积为17.73km2,占土地总面积的98%,水土流失严重。
阳坡小流域年平均气温9.6℃,极端最高气温39.4℃,极端最低气温-25.5℃,无霜期188d。多年平均降水量为495.6mm,其中7-9月份降水量占全年降水量的70%以上。当地暴雨主要发生在7-8月份,也是水土流失的主要阶段。目前,阳坡小流域内布设水利部水土流失定位观测站,站内有10个径流小区,自动气象站1处、人工降雨观测点1处,用于监测该流域降雨条件下坡地产流和产沙过程。
10个径流小区内的土地利用方式均不相同,小区概况见表1。
1.2研究方法
坡地产流产沙的研究方法较多,通常利用天然降雨、人 工降雨、放水冲刷、核素示踪等方法在实验小区内研究坡地产沙产流过程。本研究以阳坡小流域内径流场为依托,主要监测内容为:(1)降雨量观测,由设置在径流场内的自记雨量计提供。(2)径流量观测,由人工分段进行记录。(3)泥沙量观测,由人工分段进行记录。用烘干法测定后取平均值得出小区次产流量和次产沙量。(4)数据分析,采用Excel软件进行。
2、结果与分析
2.1 2013年降雨与多年平均分布比较
阳坡小流域从2013年5月22日开始降雨,至10月14日截止,汛期一共降雨37次,总降雨量为513.40mm。降雨量分布情况见表2。从表2可见,阳坡小流域2013年(5-10月)总降雨量比同期多年平均值高出30.80%,且2013年 年内降 雨分 布与多年平均分布有较大差异。
2013年6月降雨量为150.50mm,高出同期平均水平255.79%;7月的降雨量为185.8mm,较同期平均水平高出110.90%;8月的降雨量仅42mm,比同期平均水平低63.57%;9月份的降雨量为112.2mm,比同期平均水平高出21.30%;10月份降雨与多年平均基本持平。这一现象说明,阳坡小流域年内降雨分布不均匀,年际变化较为剧烈。
2.2不同土地利用方式对坡面径流量影响
由表3可见,1~6号径流小区除土地利用方式不同外,其他影响水土流失的因子均较为一致,所以不同径流小区水土流失的过程、强度以及结果具有可比性。
1号和2号小区均布设了鱼鳞坑,且2个小区均栽植了同样密度的松树。1号小区通过栽植松+苜蓿+草,使其地表覆盖度比2号小区仅种植松树高出50%,导致1号小区产流次数比2号小区减少3次,产流量减少37.50%。3~6号小区内布设了乔、灌、草单一或复合的植物措施,均没有工程措施。5号小区栽植松树,植被覆盖度为25%,产流量为1.93m3;6号小区在同样的松树种植密度基础上撒播草籽,使其植被覆盖度较5号小区提高了100%,产流量比5号小区减少了31.09%;4号小区仅种植苜蓿,植被覆盖度为60%,产流量为1.06m3;3号小区为苜蓿+草,植被覆盖度为75%,产流量为0.65m3,相比之下,3号小区产流量比4号小区下降了38.68%。
4个小区产流次数大小依次:5号小区>6号小区>4号小区>3号小区。3~6号小区产流量大小依次为:5号小区>6号小区>4号小区>3号小区。4个小区降雨过程、坡度、土壤类型等条件相同时,其产流次数和产流量差异较大的原因在于土地的不同利用方式。通过调整不同土地利用方式,提高了地表覆盖度,减轻雨滴击溅侵蚀;同时通过不同土地利用方式,调节了地表糙度,延缓地表径流流速,增加水分就地入渗,从而减少地表径流的水力侵蚀。
7~10号小区坡度均为15°,除9号径流小区因出流口渗漏,导致监测数据不能使用以外,其他3个小区的产流量随土地利用方式不同也有较大区别。10号小区为裸坡面,可与7号、8号小区进行对照。结果发现,在无覆盖、无扰动情况下,10号小区年内产流次数最高,达17次;7号和8号小区产流次数为16次,稍低于10小区。
7号8号小区产流量分别是10号小区的1.02和1.23倍。
2.3不同土地利用方式对坡面产沙量影响
产沙量是地表径流和不同土地利用方式共同作用的结果。由表3可见,1号和2号小区相比,2号小区径流量比1号小区增加60.00%,产沙量却增加了27.67%;3~6号小区产沙量依次为:5号小区>6号小区>4号小区>3号小区。
5号小区比6号、4号、3号小区产流量分别高出45.11%、82.08%、196.92%,5号小区比6号、4号、3号小区产沙量分别高出38.41%、49.42%、79.63%,可见1~6号小区产流量和产沙量并不同步增加,即产沙量的大小除受产流量大小的影响,还受到土地利用方式、地表覆盖度等方面的影响。7号、8号和10号 小区产沙量分别为39.19、36.49和21.86kg,7号、8号2个坡耕地小区产沙量是10号裸坡地小区的1.79和1.67倍,可见坡耕地在人为扰动情况下对产沙量的贡献远大于不经扰动的裸坡地。
另外,10号小区坡度比1~6号小区小,但其产沙量显著大于1~6号小区,可见提高植被覆盖度对于裸露坡地减少土壤侵蚀具有重要现实意义。
2.4降雨特征对不同土地利用方式产流产沙影响
从气象学角度来看,降雨主要由雨量、雨强、降雨历时等特征值来反映,这些因子都会影响水土流失,但作用并不相同,总雨量是研究水土流失强度的前提条件。此处分别选择5号、7号、10号小区,进一步比较降雨对不同土地利用方式坡地的产流产沙特征。
结合表1和表4可见,5月份降雨8.7mm,但各小区产流量和产沙量均为0,6-10月3个小区各月产流量、产沙量随降雨量增加而增加。不仅雨量在7月份分布最多,而且雨强也在7月份达到峰值,尤其是与产流和产沙关系密切的I30在7月份高达1.22mm·min-1,故7月份5、7、10号小区对年内总径流量的贡献率分别达到33.67%、52.91%、62.10%,处于全年最高水平;7月份5、7、10号小区对年内总产沙量贡献率分别达到44.50%、63.95%、47.40%,同样在全年居于最高水平。
分析表明,年内少数几次降雨对于全年产流产沙贡献较为突出,以年内次降雨较大的2次降雨为例进行说明。
6月19-22日的次降雨量高达100.60mm,由于该次降雨持续时间较长,虽雨量较大,但平均雨强为0.028mm·min-1,I30为0.26mm·min-1,5号、7号、10号小区该次降雨的产流量分别占到各小区6月份产流总量的63.83%、70.28%、66.67%,产沙量分别占到6月产沙总量的77.91%、64.31%、66.06%。
7月8日次降雨量为87mm,占到7月份总雨量的46.82%,该次降雨中间有间断,但间隔时间不足6h,可视其为一次降雨,该次降雨雨量大,I30为1.22mm·min-1,短期强降雨导致产流产沙较为严重,该次降雨在5号、7号、10号小区产流量分别占到7月份各小区产流总量的74.38%、80.44%、74.57%,产沙量分别占 到7月份产沙总量的87.27%、91.26%、85.36%。
3讨论与结论坡地水土流失治理是黄土高原生态环境修复的重点和难点。在当前人地矛盾较为突出的大背景下,坡地的利用仍然必不可少,但是确定适宜的坡地利用方式是实现黄土高原水土保持和生态环境修复的重要课题。在不同区域开展不同土地利用方式下坡地产流产沙的过程研究,并提出具有因地制宜的水土保持措施是水土保持理论研究和实践探索中的重中之重。本文通过野外小区试验,定位观测了汾河上游阳坡小流域内10种典型坡地利用方式的水土流失特征,结果如下:
(1)2013年(5-10月)的降雨总量与多年平均相比,比平均水平高出30.80%,且降雨量年内分布异于常年平均。
(2)不同土地利用方式下,坡地产流量和产沙量差异较为明显。提高地表覆盖度可减少地表径流。人为扰动较大的7号、8号坡耕地小区产流量、产沙量高于裸坡面(10号),也高于人工建植的植被小区。说明了提高坡面覆盖,可以促进地表径流就地入渗,减少坡面产流、产沙量。这一结果与王川等人通过人工植被(玉米和草地)对坡地水土流失的影响研究结论一致。
(3)阳坡小流域坡地水土流失主要由少数几次雨强较大的降雨引起。与降雨量对流域产流产沙的影响相比,雨强对不同坡地利用方式下坡地的水土流失影响更大。
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