晋西黄土区不同植被覆盖小流域的产流输沙特性

2012-01-02黄明张建军茹豪郭宝妮李民义王春香王丹丹梁伟

中国水土保持科学 2012年5期

黄明，张建军，茹豪，郭宝妮，李民义，王春香，王丹丹，梁伟

(北京林业大学水土保持学院，100083，北京)

黄土区是我国水土流失最严重的地区之一。持续的水土流失不仅引发严重的生态环境问题，同时破坏农业生产，限制黄土区的经济发展。土壤侵蚀是一个极其复杂的物理过程，但从根本上说，主要是降雨条件［1－4］(如降雨量、降雨强度)与下垫面［5－11］(如地形地貌、土壤性质、植被覆盖)、人类活动相互作用的结果。对同一流域而言，鉴于地质地貌和土壤性质是长期地质作用的结果，难以人为改变，降雨和人类活动影响下的植被覆盖逐渐成为研究土壤侵蚀的关键。

多年来，国内外学者对于不同降雨和植被覆盖条件下的土壤侵蚀情况展开了一系列研究。吴发启等［1］提出，黄土高原缓坡耕地的侵蚀量随最大降雨强度呈指数型增长。魏天兴［2］对多年的降雨侵蚀观测数据进行研究后指出，在黄土残塬沟壑区场降雨量、降雨强度与小流域产沙模数呈线性相关。田光进等［3］基于20 世纪90 年代中期全国土壤侵蚀调查数据发现，不同降雨量区间的水土流失强度存在一定差异性。H.W.Anderson 等［4］和M.Dieterich［5］认为，植被覆盖状况与产沙量之间存在一定相关关系，并且不同植被覆盖状况下的泥沙输移过程不同。刘卉芳等［6］认为，森林植被具有减小流域雨季径流总量、增加枯水期径流量及拦截泥沙的作用。通过进行黄土区小流域产沙强度与降水径流、植被覆盖指标之间的相关与多元回归分析，余新晓等［7］发现流域产沙强度随降水指标和径流指标的增加而增大，随植被覆盖指标的增加而减小。张建军等［8－9］提出，在一定时间和区域内，输沙总量与降雨量成正比，在场降雨条件下，含沙量与流量同步变化。郑明国等［10］则认为，流域尺度越大，植被对其水沙关系的影响力越小。于国强等［11］基于野外模拟降雨试验发现，林地对于水沙的调控能力比荒地、草地和坡耕地都强。卫伟等［12］分析黄土区不同覆被径流小区13 年观测数据，发现受人为干扰大且坡度高的农田和人工草地最易造成水土流失，而灌木丛和荒草地水土保持效果好，乔木林次之。尽管许多学者深入探讨了不同降雨和植被覆盖条件对产流产沙的影响，但基于场降雨的不同植被覆盖条件对流域产流输沙影响的研究却较少。笔者以晋西黄土区蔡家川流域内嵌套的3 个不同植被覆盖条件的小流域为研究对象，进行不同降雨和植被覆盖条件下小流域的产流输沙研究，以期为黄土区水土保持林配置的效益分析和仿拟自然的植被恢复研究提供科学参考。

1 研究区概况

研究流域为山西省吉县蔡家川流域，为北京林业大学所属的山西吉县森林生态系统国家野外科学观测研究站。蔡家川流域属黄土残塬沟壑区，地理坐标为E 110°39'45″～110°47'45″，N 36°14'27″～36°18'23″。流域地势西高东低，大体为西东走向，海拔900 ～1 513 m，面积38 km2。流域属半干旱大陆性季风气候，年平均降水量575.9 mm，主要集中于6—9 月份，最大降水变率为43.11%，年际变化较大。流域内土壤为褐土，基本为黄土母质，土质均匀，抗蚀性差，水土流失严重，年平均土壤侵蚀模数高达1 万1 823 t/km2。流域上游主要为由山杨(Populus davidiana)、辽东栎(Quercus liaotungensis Koidz)、白桦(Betula platyphylla)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)和丁香(Syzygium aromaticum)等组成的天然次生林，中游主要为封禁的植被组成类似上游的次生林及由油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)和刺槐(Robinia pseudoacacia)等组成的人工林，下游为荒草坡地和以水平梯田为主的农地。

2 研究方法

2.1 研究流域选取

流域的地形地貌特征是流域输沙过程的主要影响因素之一，为了研究不同降雨和植被覆盖条件对流域产流输沙的影响，必须要求剔除流域地形地貌的影响。蔡家川流域内部嵌套7 个不同土地利用类型的小流域，各小流域分布位置和基本情况见图1和表1。为了筛选出地形地貌相近的小流域进行相关研究，本文选择了对流域产流输沙过程起重要作用的6 类地形地貌特征参数(流域面积、流域长度、流域宽度、形状系数、河网密度及河道比降)，利用MATLAB 软件欧氏距离计算方法对各小流域地形地貌条件进行系统聚类。按照地形地貌的相似程度，各小流域可分成4 类，1 号、3 号和4 号小流域为一类，5 号和7 号小流域为一类，2 号小流域和6 号小流域各自为一类。其中，聚类评价(类平均法)效果高达0.996 2，说明分类效果很好，其结果有效。

基于已观测的降雨输沙数据，本文拟以1 号、3号和4 号小流域为研究流域，进行不同降雨和植被覆盖条件下的流域产流输沙研究。其中:以水平梯田为主的1 号小流域位于蔡家川流域下游，为典型的无林流域;森林覆盖率高达90%以上的3 号和4号小流域均位于蔡家川流域中游，属于典型的森林流域(图1)。

图1 研究小流域位置Fig.1 Location of studied small watersheds

表1 研究流域基本情况Tab.1 Basic information of studied small watersheds

2.2 数据来源及处理方法

为了便于进行长期的水文观测，在蔡家川的1号、3 号和4 号小流域等小流域出口处修建了复合型量水堰。堰上长期布设自记雨量计及自记水位计(日产水研62 型)。研究期间的降雨数据通过自记雨量计获得。径流量数据是由自记水位计记录的水位根据已标定的水位流量关系曲线推算，并采用直线切割法［13］求算基流量和地表径流量。含沙量则是在降雨过程中依据水位涨跌变化或时间间隔进行人工采集水样后，在实验室内采用过滤烘干法测定。在人工取泥水样的同时用水尺观测水位，观测的水位数据用于校准自记水位计的记录数据。在2005—2007 年间各流域完整观测的降雨统计和输沙数据分别见表2 和表3。

表2 研究流域降雨基本特征Tab.2 Basic characteristics of rainfall in studied watersheds

表3 研究流域产流输沙统计Tab.3 Statistics of runoff and sediment in studied watersheds

3 结果与分析

3.1 不同降雨量条件下产流输沙分析

为了进行不同降雨量条件下各研究流域产流输沙的对比分析，在1 号小流域上选择2006－07－22和2006－08－02的降雨、2006－07－31 和2007－07－27 的降雨进行对比分析，在3 号小流域上选择2006－07－22和2006－08－02的降雨进行分析。各组降雨的基本情况见表2。

由表2 和表3 可知，在1 号小流域上2006－07－22和2006－08－02 的降雨强度分别为0.03 和0.02 mm/min，基本一致，而降雨量分别为20.5 和7.0 mm，可以进行降雨量对产流输沙的影响分析。2006－07－22降雨下1号小流域的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.032 mm、2.033 kg/m3和0.028 t/km2，而2006 年8 月2 日的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别只有0.011 mm、1.400 kg/m3和0.006 t/km2;前者的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别是后者的2.9 倍、1.5 倍和4.7 倍。由表2 可知，2006－07－31发生了一场降雨量为16 cm 的降雨，该场降雨可能增强了2006－08－02降雨的产流输沙能力; 但是由2006－07－22 和2006－08－02的产流输沙量对比可知，在一定降雨量差距的前提下，前期降雨对流域产流输沙量的影响不大。可见在降雨强度相似的条件下，以水平梯田为主的1 号小流域的场降雨径流深、最大瞬时含沙量、输沙模数均随降雨量的增大而增加。

在1 号小流域上2006－07－31的降雨强度为0.21 mm/min，降雨量为16 mm，2007－07－27的降雨强度为0.24 mm/min，降雨量为19 mm，2007－07－27的降雨量和降雨强度均比2006－07－31略大。在1 号小流域上2006－07－31的降雨形成的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.060 mm、70.000 kg/m3和1.893 t/km2;2007－07－27的降雨形成的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.136 mm、84.045 kg/m3和2.698 t/km2，后者的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别是前者的2.3 倍、1.2 倍和1.4 倍。可见在以水平梯田为主的1 号小流域上，即使降雨量和降雨强度相近，场降雨径流深、最大瞬时含沙量、输沙模数均有一定差异。因此，影响黄土高原1 号小流域场降雨径流深、径流最大瞬时含沙量、输沙模数的要素，除了降雨强度和降雨量外，还应该考虑降雨过程和土壤前期含水量等其他要素。

2.4.2 研究热点演变分析通过CiteSpaceV对我国体育教学评价的关键词进行“Time Zone”时区可视化（图7），可以更加有效地揭示我国体育教学评价研究的热点发展脉络以及研究热点之间的相互联系。时区可视图是根据时间的先后顺序从左到右对应反映研究主题的一个动态演进过程[16]。

在3 号小流域上，2006－07－22和2006－08－02的降雨强度均为0.03 mm/min，而降雨量分别为24.0 和9.5 mm，可以进行降雨量对产流输沙的影响分析。2006－07－22的降雨产生的径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.024 mm、2.000 kg/m3和0.019 t/km2，2006－08－02的降雨产生的径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.004 mm、1.015 kg/m3和0.01 t/km2，前者的径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数分别是后者的6 倍、2 倍和1.9 倍。由表2 可知，在2006－07－31发生了一场降雨量为26 cm 的降雨，该场降雨可能增强了2006－08－02降雨的产流输沙能力。但是由2006－07－22和2006－08－02的产流输沙量对比可知，在一定降雨量差距的前提下，前期降雨对流域产流输沙量的影响不大。可见，在以人工植被为主的3 号小流域上，当降雨强度相近时，径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数也随降雨量的增大而增大。

从这种典型降雨条件下1 号和3 号小流域的径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数的变化特征可见，在降雨强度相近的条件下，降雨量的大小很大程度上决定了径流量大小，进而影响输沙量的变化，即径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数有随着降雨量的增大而增大的趋势，但并不成一定比例。尤其在1 号小流域上，即使在降雨量相近、降雨强度相近的条件下，径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数也会相差很大。

3.2 不同降雨强度条件下产流输沙分析

为了进行不同降雨强度条件下各研究流域产流输沙的对比分析，在1 号小流域上选择2006－07－22和2007－07－27的降雨进行对比分析，在3 号小流域上选择2006－07－22和2006－07－31的降雨进行分析，在4 号小流域上选择2006－07－22和2006－07－31的降雨进行分析。各组降雨的基本情况见表2。

由表2 和表3 可知，在1 号小流域上，2006－07－22和2007－07－27的降雨量分别为20.5 和19.0 mm，基本一致，而降雨强度分别为0.03 和0.24 mm/min，可以进行降雨强度对输沙的影响分析。2006－07－22降雨1号小流域产生的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.032 mm、2.033 kg/m3和0.028 t/km2，而2007－07－27的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别高达0.136 mm、84.045 kg/m3和2.698 t/km2，后者的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别是前者的4.3 倍、41.3 倍和96.4倍。可见在降雨量相似的条件下，随着降雨强度的增大，以水平梯田为主的1 号小流域的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数均成倍增大，而且径流最大瞬时含沙量和输沙模数的增加幅度远大于径流深的增加幅度。

在3 号和4 号小流域上，2006－07－22和2006－07－31降雨量分别为24 和26 mm，基本一致，而降雨强度分别为0.03 和0.21 mm/min，可以进行降雨强度对输沙的影响分析。2006－07－22 降雨3号小流域产生的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.024 mm、2.000 kg/m3和0.019 t/km2，而2006－07－31的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别高达0.289 mm、136.111 kg/m3和24.36 t/km2，后者的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别是前者的12 倍、68.1 倍和1282 倍。可见在以人工植被为主的3 号小流域，当降雨量相近时，径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数均随着降雨强度的增大而增大，而且径流最大瞬时含沙量和输沙模数的增加幅度也远大于径流深的增加幅度。2006－07－22降雨4号小流域产生的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.021 mm、1.117 kg/m3和0.015 t/km2，而2006－07－31的径流深、径流的最大瞬时含沙量和输沙模数分别高达0.134 mm、9.445 kg/m3和0.660 t/km2，后者的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别是前者的6.4 倍、8.5 倍和44 倍。在以封禁植被为主的4 号小流域，当降雨量相近时，随着降雨强度的增大，径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数也均随之增大，但增加幅度明显小于3号流域。

从以上分析可见，在黄土高原不论是以水平梯田为主的1 号小流域，还是以人工植被为主的3 号小流域和以封禁植被为主的4 号小流域，在降雨量相似的条件下，随着降雨强度的增大，径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数均成倍增大，尤其是输沙模数的增加幅度远大于径流深的增加幅度，可以认为黄土高原地区小流域的输沙模数主要取决于降雨强度，即在黄土高原地区，短历时的暴雨更容易产生严重的水土流失。

3.3 不同植被覆盖流域产流输沙分析

在各流域地形地貌条件相近的前提下，只有选择覆盖整个研究流域的普遍降雨，才能进行不同植被覆盖流域的产流输沙过程研究［14］。

由表2、表3 及图2 可知，2006－07－22同时观测了3个小流域的输沙过程，其中1 号、3 号和4 号小流域的降雨量分别为20.5、24.0 和24.0 mm，降雨强度均为0.03 mm/min，基本一致，可以进行不同植被覆盖流域对输沙的影响分析。2006－07－22降雨1号、3 号和4 号小流域的径流深分别为0.032、0.024和0.021 mm，径流的最大瞬时含沙量分别为2.033、2.000 和1.117 kg/m3，输沙模数依次为0.028、0.019 和0.015 t/km2，即1 号、3 号和4 号小流域的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数均依次减小，出现沙峰的时间顺序为1 号小流域、3 号小流域、4 号小流域。由此可见，在不同植被覆盖条件的流域中，以水平梯田为主的1 号流域的保水保土能力最差，以人工植被为主的3 号小流域次之，以封禁植被为主的4 号流域最好。

图2 不同植被覆盖条件下研究流域产沙过程Fig.2 Sediment yield process in studied watersheds under different vegetation cover

2006－08－02观测了1号和3 号小流域的输沙过程，其中1 号和3 号小流域的降雨量分别为7.0 和9.5 mm，降雨强度分别为0.02 和0.03 mm/min，降雨条件基本一致，但降雨过程曲线不一致，同样进行不同植被覆盖条件对产流输沙的影响分析。2006－08－02降雨1号小流域径流过程中产生的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.011 mm、1.400 kg/m3和0.006 t/km2，3 号小流域分别为0.004 mm、1.015 kg/m3和0.003 t/km2。前者各项分别为后者的2.8 倍、1.4 倍和2 倍，沙峰出现时间为3 号小流域早于1 号小流域。由表2 可知，1 号和3 号小流域在2006－07－31分别发生了降雨量为16.0 和26.0 cm 的降雨，3 号小流域的前期降雨量比1 号小流域大;但是，由这2 个小流域降雨产生的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数的对比分析，仍然可以推断，虽然前期降雨情况和降雨过程有差异，但是以人工植被为主的3 号小流域的水土保持效果仍然强于以水平梯田为主的1 号小流域，这与2006－07－22降雨产流输沙对比得到的结论一致。这也说明前期降雨情况和降雨过程差异可能对流域产流输沙产生了影响，但是，在本研究中，相对于流域不同植被覆盖条件而言，不是主要的影响因素。

2006－07－31观测了3号和4 号小流域的输沙过程，3 号和4 号小流域的降雨量均为26.0 mm，降雨强度均为0.21 mm/min，降雨过程相似，可以进行不同植被覆盖条件对产流输沙的影响分析。2006－07－31降雨3号小流域产生的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.289 mm、136.111 kg/m3和24.36 t/km2，4 号小流域则分别为0.134 mm、9.445 kg/m3和0.66 t/km2。前者各项分别为后者的2.2 倍、14.4 倍和37 倍，3 号小流域出现沙峰的时间较4 号小流域早。

2006－08－03同样观测到了3号和4 号小流域的输沙过程，其中降雨量均为42.5 mm，降雨强度均为0.63 mm/min，降雨过程相似，可以进行不同植被覆盖条件对产流输沙的影响分析。按照黄土高原的降雨分类标准［15］划分，该场降雨为短时局地雷暴雨，这种短历时、大雨量、高强度暴雨是造成黄土区土壤流失的主要原因。2006－08－03降雨3号小流域产生的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别为0.958 mm、481.653 kg/m3和137.253 t/km2，4 号小流域则分别为0.43 mm、382.167 kg/m3和25.072 t/km2，3 号小流域的径流深、最大瞬时含沙量和输沙模数分别为4 号小流域的2.2 倍、1.3 倍和5.5 倍，沙峰到达先后顺序为3 号小流域先于4 号小流域。由表2 可知，3 号小流域在2006－08－02发生了一场降雨量为9.5 cm 的降雨，4 号小流域在该日则未发生降雨，这一定程度上增强了2006－08－03降雨3号小流域的产流输沙能力。通过对以人工植被为主的3 号小流域和以封禁植被为主的4 号小流域2 场降雨产流输沙的对比可知，虽然这2 流域前期降雨情况有所差异，但是在相同降雨条件下，4 号小流域的径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数仍均小于3 号小流域，而且沙峰出现的时间也较晚，与2006－07－22降雨产流输沙对比得到的结论一致。由此可见，4 号小流域自然恢复的植被对径流和泥沙的拦蓄作用远大于3 号小流域的人工植被。特别是对于黄土高原短时局地雷暴雨的预防作用，以封禁植被为主的小流域拦蓄水沙的效果明显优于以人工植被为主的小流域。这也说明前期降雨量差异可能对流域产流输沙产生了影响，但是在本研究中，相对于流域不同植被覆盖条件而言，不是主要的影响因素。

1 号小流域虽然以水平梯田为主，但沟坡和农地以外的坡面均为自然坡面，植被以草本植物为主;因此，这些沟坡和植被覆盖度较低的坡面是主要的泥沙来源地。3 号小流域森林覆盖率为92%，林冠截留延缓了降雨到达地表的时间，地表枯落物和地下根系在一定程度上改良了土壤团聚结构［16－17］，增强了土壤入渗性能，从而减少了地表径流的形成，控制了土壤侵蚀。4 号小流域森林覆盖率高达99%，植被茂密，林下灌丛多，枯枝落叶层和腐殖质层较厚，显著提高了地表糙率，降低了流速，增加了径流在地表的滞留时间，增大了下渗速度和下渗量。同时，地表枯枝落叶层和腐殖质层进一步过滤了水流中携带的泥沙，延阻了沙峰到来时间，具有显著的拦蓄径流泥沙的作用，水土保持效果最好。从不同植被覆盖小流域的径流深、径流最大瞬时含沙量和输沙模数的变化特征可见，以封禁条件下形成的自然恢复植被为主的小流域的水土保持效果最好，以人工植被为主的小流域次之，以水平梯田为主的小流域最差;因此，如何在水土流失严重的黄土区仿拟自然进行植被恢复，是有效控制水土流失的关键。

4 讨论

一场降雨产生的径流量和泥沙量的多少，主要是降雨条件和下垫面综合作用的结果。本文通过不同降雨条件下的各研究流域产流输沙的对比，得出场降雨径流深、径流最大瞬时含沙量、输沙模数随着降雨量及降雨强度的增加而增加。尤其是小流域的输沙模数随降雨强度的增加幅度远大于径流深的增加幅度。卫伟等［12］提出，径流量和输沙量与降雨量和降雨强度密切相关。蔡强国等［18］也认为，若流域降雨量大，历时短，降雨强度大，则输沙模数必然也较大。本文研究得到的结果与之一致。

下垫面对径流输沙过程的响应，则是从一定程度上反映了不同流域保持水土的能力。相对来说，以封禁植被为主的4 号小流域森林覆盖率高，林内层次丰富，灌草生长茂盛，拦截或减缓地表径流及输沙能力最强，水土保持效果最好。特别是对黄土区常见的短时局地雷暴雨的预防效果显著。以人工植被为主的3 号小流域虽然森林覆盖率高，但是人工林树种对水分的强烈竞争使得人工林内地表灌草长势不佳，林地拦蓄、截留、过滤水沙的能力不强，保水保土能力次于4 号小流域。1 号小流域虽然有水平梯田等水土保持工程，但沟坡和一些陡峭坡面缺少植被对地表的覆被，水土流失较为严重，是1 号小流域泥沙的主要来源地，因此在1 号小流域中应该对这些陡峭坡面和沟坡等进行治理。纳磊等［19］的研究提出，以封禁植被为主的小流域和以人工植被为主的小流域的径流输沙明显小于以梯田为主的小流域，与本文研究结果一致;秦富仓等［20－21］也提出，流域内的林草等植被具有调节径流及防治侵蚀的作用:所以，如何有效进行流域内的林分结构设计，拦蓄更多降雨用于林木生长，截留更多泥沙以减少土壤侵蚀，是实现黄土区水土保持林最优配置的重点和难点。

除了降雨强度和降雨量外，降雨过程［22］和前期降雨影响下的土壤前期含水量［12］等其他要素也可能影响流域的产流输沙，希望以后在获取更多样本数据的基础上，对流域产流输沙过程展开进一步的研究。

5 结论

1) 在降雨强度相近的条件下，随着降雨量的增大，以水平梯田为主的小流域和以人工植被为主的小流域产生的径流量和泥沙量均随之增大，但并不成一定比例。

2) 在降雨量相近的前提下，降雨强度大的降雨产生的径流量和泥沙量也相对较大，尤其是泥沙量的增长幅度远大于径流量的增长幅度，即在黄土区，短历时的暴雨易造成严重的水土流失，应当作为水土流失预防的重点。

3) 在场降雨过程中，不同植被覆盖流域的径流深、最大瞬时含沙量及输沙模数表现为:以封禁植被为主的小流域最小，以人工植被为主的小流域次之，以水平梯田为主的小流域最大。

4) 以封禁条件下自然恢复植被为主的小流域对径流泥沙的拦蓄作用远大于以人工植被为主的小流域，以人工植被为主的小流域的保土保水能力强于以水平梯田为主的小流域，特别是以封禁条件下自然恢复植被为主的小流域对于黄土高原典型暴雨的预防效果最佳;因此，如何在水土流失严重的黄土高原地区仿拟自然进行植被恢复，是有效控制水土流失的关键。

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