黄土丘陵沟壑区坡向对产流产沙影响的研究

方海燕,蔡强国,李秋艳

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室/地貌与流域过程研究室,北京 100101;2.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083)

黄土丘陵沟壑区坡向对产流产沙影响的研究

方海燕1,蔡强国1,李秋艳2

(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室/地貌与流域过程研究室,北京 100101;2.中国农业大学水利与土木工程学院,北京 100083)

坡向;土地利用;降雨特征;产流产沙;黄土丘陵沟壑区

坡向是坡面产流产沙的重要影响因素。以黄土高原岔巴沟流域新庄径流试验场阴坡和阳坡 2个径流小区为研究对象,根据发生在阳坡农地和阴坡荒坡地上的 11场降雨事件,对阳坡和阴坡上的产流产沙状况进行了对比分析。结果表明:2个径流小区的产流产沙差异显著。阳坡农地由于太阳辐射量和温度高于阴坡,土壤含水量较低,同时表层土壤扰动较阴坡荒坡地大,土壤孔隙度高,使其产流能力小于阴坡;阳坡土质疏松,沙量来源充沛,径流含沙量和侵蚀模数大于阴坡的概率分别在88%和85%以上。降雨强度对阴坡、阳坡产流产沙差异的影响显著,阴坡和阳坡的产流产沙均在 0.05的概率水平上受平均降雨强度的显著影响,表现出平均降雨强度越大阴坡、阳坡产流产沙差异越明显的特征,而降雨量对阴坡、阳坡产流产沙差异的影响并不明显,这是黄土高原超渗产流的特征之一。

我国的黄土高原是世界上土壤侵蚀最为严重的地区之一,尤其是黄土丘陵沟壑区生态环境极其脆弱,严重侵蚀区土壤侵蚀模数达 1.5万t/(km2◦a)以上[1]。该区地貌以梁峁为主,植被稀少,水土流失严重,是黄河泥沙的主要产地。研究表明,不合理的农业生产活动是造成严重土壤侵蚀的一个重要因素[2],而农业活动多集中在阳光充沛的阳坡。

从某种意义上说,坡向是导致农业活动出现差异进而引起土壤侵蚀强度产生坡向差异的一个重要原因。目前,国内外关于坡向对土壤侵蚀影响的研究多集中在 20世纪 90年代以前,如:Churchill和 Yair等研究发现,阴坡土壤侵蚀强度数倍于阳坡,并认为阴坡土壤湿度大、风化层厚是导致侵蚀强度大于阳坡的重要原因[3];Berjak等也得到了类似的结论[4];Marqués等对地中海地区着火后森林土壤侵蚀状况进行研究,发现阳坡的土壤侵蚀强度是阴坡的 6倍以上,认为阴坡土壤湿度大,植被覆盖率要远远高于阳坡,从而大大提高了地面的抗蚀能力[5]。而 Alex van Breda对南非Ciskei地区的研究发现,在非林区坡向对土壤侵蚀强度的影响并不显著[6]。

在黄土高原区域尺度上,陈浩等得出了与文献[5]类似的结论[7]。李勉等利用137Cs技术,在黄土高原风水两相侵蚀的一个峁坡面上,对不同坡向和坡位的土壤侵蚀进行了研究,得出了阴坡侵蚀量大于阳坡的结论[8]。

尺度是目前地学研究的一个热点问题。如上所述,陈浩[7]已经在区域尺度上对黄土高原土壤侵蚀的坡向差异进行了研究并得出了有意义的结论;在坡面尺度上李勉等[8]对片沙覆盖的黄土高原风水两相侵蚀区进行了研究,认为阴坡由于受风力的影响,土壤侵蚀强度大于阳坡,但对以水蚀为主的黄土丘陵沟壑区来说,坡向对产流产沙的影响如何,目前还未见相关研究报道。因此,本研究利用黄土丘陵沟壑区岔巴沟流域新庄径流试验场自然降雨事件,开展坡面尺度上坡向对产流产沙特征的影响研究,旨在对深化坡向对土壤侵蚀差异影响的认识起到一定的指导作用。

1 研究区概况

新庄径流场位于陕北黄土丘陵沟壑区的岔巴沟流域。岔巴沟流域地处黄土丘陵沟壑区第一副区,流域面积 205 km2,主沟道长 24.1 km,流域形状基本对称,干沟与支沟相汇夹角约为60°;属干旱少雨的大陆性季风气候,年降水量 450mm,降水年内分布极不均匀,70%的降水集中在 7、8月份,且多强度大、历时短的暴雨,实测最大降雨强度为 3.5mm/m in。由于降雨强度大、土质疏松,因此土壤侵蚀极其严重,1954—1958年间的平均侵蚀模数为 15 780 t/(km2◦a),最大年侵蚀模数高达 23 670 t/(km2◦ a)。

2 数据来源及收集

2.1 数据来源

本研究选用的数据来自岔巴沟支流麻地沟新庄径流试验场,场内共布设了 7个径流小区,用以研究不同坡长(4号和 5号径流小区对比)和不同植被措施(1号和 2号、6号和 7号径流小区对比)的产流产沙过程。阳坡光照条件较好,耕作多在阳坡进行,选择种植农作物的阳坡 1号径流小区和阴坡荒坡地5号径流小区开展由坡向引起的产流产沙特征研究。研究所用数据来自陕北子洲径流试验站的实测资料,资料共记载了新庄径流试验场 1959—1962年 4年的观测数据。1号和 5号径流小区的尺寸完全相同(表 1),数据记载也较为齐全,因此研究中选取同时发生在这 2个径流小区的 11场降雨事件,分析坡向不同导致土地利用类型不同而引起的产流产沙差异。

表 1 新庄径流场 1号和 5号径流小区概况

2.2 数据收集

在各径流小区的平面及斜面各布设 1个自记雨量计,详细记录降雨过程。考虑到地形因素对降雨的影响,坡度、坡向相同的径流小区共用 1个径流小区的降雨资料,在小区的下部布设有三角形测流槽和集水池。产流过程中,通常情况下每隔1min取一次水样,在实验室采用烘干法测量水样的含沙量;产流过程中进行水位观测,并利用水位—流量关系曲线计算产流速率;每次降雨结束后,集水池里收集的水量即为该次降雨的总产流量,其径流深度(H)可由总产流量(Q)与径流小区面积(A)计算得到(H=Q/A);根据产流速率、时间间隔和测得的含沙量得到总产沙量,根据总径流量和产沙量求得径流的平均含沙量;侵蚀模数是每次降雨中径流小区单位面积的产沙量。

为了分析坡向对土壤含水率的影响,在新庄沟和麋山沟分水岭两侧的阴坡和阳坡分别取土样进行了测定。阴坡坡度为30°,地表植被为杂草,平均密度为 80株/m2;阳坡坡度为 25°,地表植被也为杂草,平均密度为 70株/m2。因此,可以认为阴坡与阳坡土壤含水率的差异主要是由坡向差异导致受日光照射不同而引起的。土壤含水率测定采用平时每 5天观测一次、雨后加测的办法,从每年的 1月 11日起至 11月 10日止,对地表及其以下土层间隔 20 cm取样。本研究选取的最深取样深度为 100 cm,每年每个径流小区取样 31次,用烘干法计算各土层深度土样及总垂线深度上土壤的平均含水率。由于当时新庄径流试验场测量不同坡向土壤含水率差异的径流小区有限且数据收集不够全面,故本研究选取 1961年的观测数据,观测时间为 1月 11日至 6月 30日,共 21对测量数据。

2.3 数据处理

为比较 11次降雨事件中降雨量、径流量、含沙量和侵蚀模数在阴坡和阳坡平均值的大小,利用SPSS11.0软件包,在 0.05的概率水平上进行双尾 t检验;为了解降雨特征对不同坡向径流小区产流产沙参数的影响,利用SPSS11.0软件包在 0.05的显著性水平上进行Spearman相关分析。

3 结果与分析

3.1 坡向对降雨特征的影响

黄土高原地区从坡顶到沟底的侵蚀可分为溅蚀、片蚀、细沟侵蚀和沟蚀等类型[9]。本研究所选取的径流小区均位于峁坡上,因此降雨中的击溅侵蚀是影响土壤侵蚀坡向差异的主要原因。图 1表明,在不同坡向上,降雨量和平均降雨强度几乎相等。在 0.05的显著性水平上对降雨量和平均降雨强度进行配对样本检验的结果显示,p值分别为 0.926和 0.639,表明阴坡和阳坡的降雨特征没有显著性差异(表 2)。因此,如果产流产沙在坡向上存在显著性差异,那么引起这种变化的主要原因应该是其他因素。

图1 坡向对降雨特征的影响

表 2 1号和5号径流小区降雨特征配对样本t检验结果

3.2 坡向与产流

坡向不同引起土地利用方式不同,从而会对产流造成一定的影响。图 2(a)显示,阴坡小区的径流深有 90%以上的概率大于阳坡小区的径流深。另一个反映产流的参数为径流系数,它能综合反映降雨强度、前期土壤含水率和径流小区地表状况等对产流的影响。图 2(b)表明,阳坡径流小区的径流系数在0.05的显著性水平上小于阴坡径流小区的径流系数,呈现出与径流深相似的变化趋势。Spearman相关分析表明,降雨量的大小对产流的影响不如降雨强度明显,且平均降雨强度越大,阴坡和阳坡径流小区的径流深和径流系数差异越大,它们在 0.05的概率水平上越显著相关(表 3),这揭示出黄土高原地区降雨强度大、历时短造成超渗产流的特性。

图2 坡向对产流的影响

降雨和入渗是影响产流的重要因素,以上分析表明,阳坡和阴坡上的降雨特征没有显著性差异,因而入渗是造成以上产流出现坡向差异的直接原因。黄土高原地区日照强烈,阳坡获得的太阳辐射量要比阴坡多。此外,坡向不同地表受热不同,使得土壤温度和近地面气温也有一定的差异,阳坡通常比阴坡温暖得多,气温的日变化也比阴坡大。阳坡年辐射量大、气温高,有利于土壤水分蒸发,加上气温日变化大、空气对流较阴坡强烈,因此水分易随空气流动而扩散出去,从而使得阴坡的土壤含水量高于阳坡(图 3)。再者,荒坡地表层土壤较为密实,而农地经常翻耕破坏了土壤表层,使得阳坡土壤结构疏松,土壤孔隙度大于阴坡。因此,阳坡农地松散的土体较荒坡紧实的土体更有利于径流的入渗,导致阳坡径流系数较阴坡小。图 2中阴坡荒坡的产流能力大于阳坡农地是前期土壤含水量和地表土壤疏松程度二者综合作用的结果。

图3 阴坡荒坡和阳坡农地不同土层深度平均含水量比较

表 3 降雨量和平均降雨强度与产流产沙参数的相关关系

3.3 坡向与产沙

含沙量是直接影响产沙强度的一个变量,在侵蚀物质充沛的情况下,含沙量的大小反映了径流的输沙能力。降雨及产流是引起土壤侵蚀的主要外动力因素,从某种意义上说,径流深即表示了径流的侵蚀能力。研究表明,土壤侵蚀强度与径流深呈密切的正相关关系[10]。图 2(a)显示,在降雨特征相同的条件下,阴坡的产流能力大于阳坡,而在图 4中阴坡的产沙能力即含沙量却小于阳坡,这说明阴坡和阳坡地表可侵蚀松散物质的供应能力是不同的。阴坡荒地受人类活动的影响小,土壤表层很少扰动,紧实度高,土壤抗蚀能力强。相比之下,人类活动经常要扰动阳坡农地表层土壤,松散的黄土很容易被地表径流带走,达到径流的最大挟沙能力,使得相同降雨条件下阳坡的含沙量有近 90%的可能性要大于阴坡﹝图 4(a)﹞。侵蚀模数(Ys)是表征土壤侵蚀强度的一个重要指标,其值大小受径流深(H)和含沙量(C)的直接影响,产流能力强并不能代表土壤侵蚀强度大。虽然阴坡的产流能力明显强于阳坡,但由于阳坡土质松散,能满足径流的最大挟沙能力,使得阳坡的侵蚀模数有80%以上的概率大于阴坡﹝图 4(b)﹞。此外,降雨性质也对产沙的坡向差异产生很大的影响:表 3中阴坡和阳坡的产沙差异受平均降雨强度的显著影响,且呈现正相关关系,即平均降雨强度越大,阴坡与阳坡上径流含沙量和侵蚀模数差异就会越大;但降雨量对产沙的影响不明显,这是因为 1号和 5号径流小区均布设在峁坡上,溅蚀是一种重要的侵蚀产沙方式。

4 结 语

(1)阴坡土壤含水率高,土壤表层紧实度大;阳坡受太阳辐射强,土壤温度高、蒸发量大、含水率低,同时人类活动对土壤表层的扰动大,土质松散。以上两种因素的综合作用,使得阴坡的入渗能力小于阳坡,径流深和径流系数均大于阳坡,产流能力强。

(2)阴坡受人类活动扰动小,土壤紧实度高;阳坡则相反,受人类活动扰动大,土质松散。因此,阴坡的径流不能达到最大挟沙能力,含沙量低;相反,阳坡松散的黄土物质使得水流都能达到最大挟沙能力,含沙量高。虽然阴坡的产流能力强于阳坡,但因为阳坡径流的含沙量远远高于阴坡,阳坡的侵蚀模数和径流含沙量变化趋势相似,阳坡上的径流含沙量和侵蚀模数有 80%以上的可能性要大于阴坡。

(3)阴坡和阳坡的产流产沙在 0.05的概率水平上受平均降雨强度的影响显著,表现出降雨强度越大阴坡、阳坡产流产沙差异越明显的特征,而降雨量对阴坡、阳坡产流产沙差异的影响不明显,这是黄土高原超渗产流的特征之一。

[1]陈浩,Y Tsui,蔡强国,等.沟道流域坡面与沟谷侵蚀演化关系——以晋西王家沟小流域为例[J].地理研究,2004,23(3):329-338.

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[3]Churchill RR.Aspect-induced differences in hillslope processes[J].Earth Surface Processes and Land forms,1982,7(2):171-182.

[4]Berjak M,Fincham R,Liggit B,et al.Temporal and spatial dimensions of gu lly erosion in Northern Natal,South Africa[J].Proceedings of the Symposium of ISPRS,1986,26(4):583-593.

[5]Marqués M A,Mora E.The influence of aspect on runoff and soil loss in a Mediterranean burnt forest(Spain)[J].Catena,1992,19(3-4):333-344.

[6]Alex van Breda W.The distribution of soil erosion as a function ofslope aspectand parentmaterial in Ciskei,South Africa[J].Geojournal,1991,23(1):29-34.

[7]陈浩,方海燕,蔡强国,等.黄土丘陵沟壑区沟谷侵蚀演化的坡向差异——以晋西王家沟小流域为例[J].资源科学,2006,28(5):176-184.

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[9]郑粉莉,高学田.坡面土壤侵蚀过程研究进展[J].地理科学,2003,23(2):230-235.

[10]刘纪根,蔡强国,刘前进,等.流域侵蚀产沙过程随尺度变化规律研究[J].泥沙研究,2005(4):7-13.

In fluence o f Slope Exposure to Runoff Yield and Sedim ent Production in Loess H illy and Gu lly Region

FANG Hai-yan1,CAIQiang-guo1,LIQiu-yan2

(1.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research,The Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China;2.Civil Engineering and Water Resources College,China Agriculture University,Beijing 100083,China)(39)

Slope exposure is of an importantaffecting factorof runoff yield and sediment production of slope surface.The paper conducts a comparative analysis on the conditions of runoff yield and sediment production of sunny slope and shady slope based on 11 events of rainfall happened on sunny sloped farmland and shady sloped wasteland,by taking two runoff plots of sunny slope and shady slope in the Xinzhuang Test Site of the Chaba Watershed on the Loess Plateau as an object of study.The outcomes show that the difference of runoff yield and sediment production of the two runoff plots is obvious.Due to thehigher solar radiation and temperature of sunny slope,the soilmoisture is lower,and surface disturbance is greater,and soil porosity is higher than thatof shady sloped,which allmake the capacity of runoff yield of sunny slope smaller than thatof shady slope.The soil of sunny slope is porous,abundant source of sediment.The probability of sediment concentration and erosionmodulus of sunny slope greater than thatof shady slopearemore than 88%and 85%respectively.The influence of rain fall intensity to the difference of runoff yield and sedimentproduction ofsunny slope and shady slope are remarkable.The influenceofaverage rainfall intensity to the runoff yield and sediment production of sunny slope and shady slope at the probability of 0.05 is obviously,which shows that the greater average rainfall intensity,the clearer the difference of runoff yield and sediment production of sunny slope and shady slope will be.While the influence of rainfall to the difference of runoff yield and sedimentproduction of sunny slope and shady slope is not clear.This is one of the characteristics of runoff yield excess of the Loess Plateau.

slope exposure;land use;rainfall characteristics;runoff yield and sediment p roduction;Loess Hilly and Gully Region

S157.1

A

1000-0941(2011)05-0039-04

国家重点基础研究发展计划研究项目(2010CB 428404);中科院院长特别奖科研启动专项“中国典型水土流失区水沙尺度效应及地带性研究”项目;水利部黄河泥沙重点实验室基金项目(2010007);中国博士后科学基金资助项目(20090460421)

方海燕(1977— ),男,山东金乡县人,副研究员,博士,硕士生导师,主要从事土壤侵蚀、水土保持与生态水文研究;通信作者蔡强国(1946—),男,湖北武汉市人,研究员,博士生导师,主要从事土壤侵蚀与水土保持研究。

2010-11-15

(责任编辑 赵文礼)