黄土高原典型区植被对水土流失影响研究

2014-12-02汪明霞王卫东高保林

黄河水利职业技术学院学报 2014年3期

汪明霞，王卫东，高保林

（1.黄河水利职业技术学院水文与水资源系,河南开封 475004；2.水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，河南郑州 450003；3.区域水土资源高效利用研究中心,河南开封 475004；4.黄河勘测规划设计有限公司测绘信息工程院，河南郑州 450003）

0 引言

植被是抵抗土壤侵蚀的重要因子，对预防水土流失有着重要的作用。这是因为，植被叶面可以降低雨滴击打动能，提高地表糙率；发达的根系可有效减少土壤侵蚀量，增加降雨入渗率；腐烂的植被覆盖物可以提高土壤的物理化学性能。早在1959年，Wischmeier等就把植被覆盖作为土壤侵蚀的一个影响因子，引入土壤流失估算方程，提出了通用流失方程（USLE）［1］。国内许多研究者也根据通用流失方程，对植被因子进行了研究，并建立了植被覆盖度与侵蚀的关系。但是，通用流失方程中的植被因子主要是针对年植被因子作用，不适用于次暴雨模型［2～6］。本研究选择位于黄土高原的西峰站南小河沟、天水梁家坪、绥德辛店沟径流场为分析对象，研究次降雨条件下植被覆盖度对土壤侵蚀的影响。

1 研究区概况、数据来源和研究方法

1．1 研究区概况

西峰水土保持科学试验站径流场位于庆阳市西峰区的南小河沟流域。南小河沟系泾河支流蒲河左岸的沟道，地理位置为 107°37′E、35°42′N，海拔1 050～1 432 m，属陇东黄土高原沟壑区。流域年平均降水量534．4 mm，年均气温9℃，无霜期160 d左右。其地貌主要有塬面、坡、沟谷3种类型。塬面坡度平缓，多在5°以下。坡是连接塬与沟谷的纽带，坡度一般为10°～20°。沟谷坡度一般在25°以上。流域内，除下游沟床内有白垩纪砂岩裸露以外，其他地面全部为黄土覆盖。

绥德辛店沟位于无定河中游左岸，海拔990～1 010 m，属黄土丘陵沟壑区第一副区。该区黄土层深厚，土质疏松，土壤主要为黑垆土型的侵蚀土，属粉沙壤土和极细沙壤土，有机质含量0．3%左右。绥德辛店沟年平均降水量475．9 mm，年平均气温 10．2℃，无霜期160 d左右。

天水梁家坪位于东经 105°33′，北纬 34°35′，海拔高度1 190～1 240 m，属渭河上游黄土丘陵沟壑区第三副区。地面坡度大多在10°左右，为不整齐的台阶形坡地。土壤主要为黑褐土型的侵蚀土，成土母质为次生黄土，质地疏松腐殖质含量低。该区多年平均气温11．1℃，年均无霜期为183 d，多年平均年降水量为 538．2 mm。

1．2 数据来源

西峰南小河沟径流区采用1973～1986年李1、魏9径流场（坡度均为8°～10°）和人工牧草径流场（坡度为20°）的观测资料。各径流场水平投影坡长为20m，宽为5m，土质为黄土，种植草为苜蓿。

绥德辛店沟径流区整编资料选取1955～1960年农 8、农 11、农 5、农 2、农 15 径流场（黄土、坡度28°）的观测资料。各径流场水平坡长为20 m，种植作物为高粱、豇豆、谷子等。

天水梁家坪径流区选用1956～1957年农8、农9、农10、农11径流场的观测资料。各径流场坡度为14°，土质为中壤土，水平投影坡长为20 m，宽5 m，主要种植作物有冬小麦、荞麦、苜蓿等。

1．3 研究方法

运用 SPSS11．5软件和 EXCEL2003软件对所得数据进行数据处理和统计分析，了解土壤侵蚀与植被覆盖度的影响，探求黄土高原不同典型区径流小区土壤侵蚀量与植被覆盖度的函数关系。

2 结果与分析

2．1 时间与植被覆盖度的关系

根据典型区径流场资料统计描述的植被覆盖资料，从观测年的5月份开始，建立时间与植被覆盖度的关系图（如图1所示）。

图1表明，从6月初到9月底，各径流场植被覆盖度均为先增大，后稳定并有所减小。不同地区不同农作物植被覆盖度基本都在7月底至8月底达到最大值。

图1 植被覆盖度随时间变化Fig.1 Vegetation coverage changes by time

2．2 相同坡度下植被盖度对土壤侵蚀影响

对坡面径流场来说，在地形因素影响不大的情况下，影响土壤侵蚀发生变化的只有降雨因素和植被覆盖度。按植被覆盖度的大小，将各典型区径流场所发生的产流降雨进行分组统计，结果如表1和图2所示。

由表1和图2可以看出，随着植被覆盖度的增加，西峰、天水、绥德地区的土壤平均侵蚀量均呈减少的趋势。这主要是因为，在植被覆盖度较小的情况下，植被对降雨产生的土壤侵蚀影响不明显，而随着覆盖度的增加，植被减缓雨滴动能的能力增强，从而减缓降雨对土壤的侵蚀。即，随着植被覆盖度的增加，植被因子的影响越来越重要。西峰地区植被覆盖度为0%～20%时，土壤侵蚀量、径流量均最大，分别为 407．61 t／km2和 3 780．47 m3／km2；植被覆盖度为40%～60%时的土壤侵蚀量、径流量降低幅度最大（与20%～40%植被覆盖度的土壤侵蚀量相比），土壤侵蚀量减少了56．96%，径流量减少了84．27%。这进一步说明，人工草地覆盖度＜40%时，减水、减沙效果不明显；当覆盖度＞60%时，虽然仍有一定的径流产生，但含沙量低，消减土壤侵蚀的作用比较稳定。因此，40%～60%的植被覆盖度区间是南小河沟流域人工草地建设的“有效植被覆盖度区间”。绥德地区径流量最大值出现在植被覆盖度为40%～60%时，为8 054．47 t／km2；土壤侵蚀量最大值出现在植被覆盖度 0～20%时，为 2 686．32 t／km2（该区间径流量为 7 771．8 m3／km2，相对也较高）。植被覆盖度 20%～40%时，同0－20%植被覆盖度相比，土壤侵蚀量降低了46．6%、径流量降低了29．4%，降低幅度最大。这说明，农地径流场覆盖度＞20%时，减沙效果很显著。虽然径流量在汛期仍会有所增长，但由于植被的影响，土壤侵蚀量有所下降。因此，20%～40%的植被覆盖度区间是绥德地区的“有效植被覆盖度区间”。

表1 黄土高原典型区产流产沙与覆盖度关系分级统计Table 1 Relations between runoff and sediment production and vegetation coverage of Loess Plateau typical area

图2 黄土高原典型区植被覆盖度对土壤侵蚀影响关系图Fig.2 Affection of Loess Plateau typical area vegetation coverage to soil erosion

水土流失与植被盖度之间的关系非常复杂，相同坡度下，坡面径流量、侵蚀量的大小是降雨、土壤渗透能力、植被、草丛及根系等共同影响的结果。所以，直接以植被覆盖度与径流量或侵蚀量相关来判断植被对径流及侵蚀的关系，同样得不到理想的结果。绥德、西峰、天水典型区的产流方式一般属于超渗产流，即当降雨强度超过土壤的入渗率时，就产生地表径流。因此，当考虑降雨特征值的组合因素后，相同坡度植被覆盖度与径流量、侵蚀量之间便存在一定的联系。利用上述观测资料，进行降雨量P（mm）、平均雨强 I平均（mm／min）、植被覆盖度 C（%）与水土流失量之间的回归分析，得到如下关系式。

绥德地区：