昆明松花坝水源区坡耕地对集水区产流产沙的影响

王坤香，王克勤

我国是世界上水土流失灾害最为严重的国家之一，土壤侵蚀遍布全国，而且侵蚀严重，成因复杂，尤其以西北的黄土，南方的红壤和东北的黑土流失最为严重［1］。水土流失是中国头号环境问题，是各种生态问题的集中反映，严重威胁着粮食和生态安全［2］。我国坡耕地占总耕地面积的34.3%，而且土壤侵蚀严重、土地生产力水平极其低下，水土流失与干旱并存，生态环境严重恶化［3］。云南省是水土流失的大省，坡耕地是云南省的主要耕地类型，由于人们长期的不合理利用，导致严重的水土流失和养分流失，引起社会的强烈关注。降雨是地表径流的本源［4］，地表径流是水土流失的动力和载体，径流与坡面土壤通过冲刷过程相互作用。近年来，我国学者从不同角度开展降雨与地表产流产沙关系的研究。汪邦稳等［5］采用人工模拟降雨的方法研究南方红壤区典型小流域8种不同利用类型在不同降雨条件下的径流、泥沙流失特征，结果表明:不同土地利用类型的径流和泥沙流失差异明显，且各利用类型在雨量和降雨强度变化下径流和泥沙流失量变化存在差异。陈奇伯等［6］通过对坡面径流小区的长期定位观测，研究金沙江元谋干热河谷在封禁管护措施下的坡面产流产沙情况，结果显示，封禁管护措施对坡面产流产沙有较好的调节作用。彭文英等［7］通过研究陕西省安塞县的不同土地利用方式下的产流产沙量随降雨量、降雨强度和降雨侵蚀力变化的规律，发现不同土地利用方式的产流产沙量差异不明显，而受降雨特征的变化具有明显阶段性，而且不同土地利用方式的产流产沙和减流效应具有明显的季节性。顾慰祖［8］利用环境同位素及水文实验研究集水区产流方式，识别出分别属于地面径流和地下径流的11种产流方式。徐秋宁等［9］用SCS降水-径流模型对陕北、渭北多个典型小型集水区降雨径流量进行了分析与计算。程琳琳等［10］以黄土丘陵沟壑区子长集水区为例，探究了降雨侵蚀力空间分布对土壤流失的影响效应。刘海等［11］采用三角形薄壁量水堰观测方法，对元谋干热河谷典型区段林地和农地集水区的水土流失进行了研究。

目前国内主要是径流小区内的径流及土壤侵蚀研究，对于集水区的研究较少;然而该尺度的研究既保持了天然状况下的径流流动，又能避免径流小区观测放大了侵蚀量的不足，通过测定集水区出口处的径流和泥沙，能有效评价流域土地利用类型、水土保持措施变化对水土流失的影响［12］。

1 研究区概况

研究区位于昆明市盘龙区滇源镇迆者小流域松花坝水源保护区，是我国第1个饮用水源保护区(饮用水水源保护区)［13］，是昆明最重要的饮用水源地，也是滇池水体交换的重要水源。松花坝水源保护区位于云南省中部，昆明市主城区的东北端，地处E 102°45'1″～102°59'15″，N 25°08'48″～25°28'1″之间;区内海拔在1 890～2 590 m之间，区域内径流面积为293 km2。受季风的影响，松花坝水源区内形成干湿分明气候类型，流域内多年平均降雨量785.1 mm，多年平均降雨时间129 d。年内降雨分布极为不均匀，5—10月为雨季，降雨量占全年的87.5%，具有夏秋多雨，冬春干旱的特点［14］。

2 研究方法

2.1 样地布设

根据小流域的地形和水文，在小流域选取面积为0.42 km2的集水区(混合集水区，即L+P区)，混合集水区上部为天然次生林地(图中L区为林地集水区)，中下部为坡耕地(图中P区为坡耕地)。在林地集水区和混合集水区出口断面分别建有测流控制站，分别命名为控制站A和B:A站为受坡耕地影响的集水区控制站，控制的集水区面积为0.42 km2;B控制站为林地集水区，控制的集水区面积为0.30 km2。

图1 集水区布设位置图Fig．1 Layout of catchment area

2.2 数据观测

2014年12月—2015年11月，在控制站安装RG2-M自记雨量计观测降雨过程，同时采取标准雨量筒人工观测次降雨总雨量;在A、B控制站测流断面分别安装RG2-M自记水位计，记录水位状况，计算径流量。

2.3 样品采集

每次产流降雨，在测流断面洪峰流量出现前后的5个时间断面分别曲径流样1次，每次用500 mL取样瓶取3瓶。无降雨时在B控制站每周取样1次。泥沙采样在降雨后流域开始产流时起，每次降雨采样3次，分别在洪水开始、达到洪峰和消退时采集，当产流时间较长时采样5次，每次采样重复3次。通过置换法对所取得水样进行泥沙含量的测定。

利用置换法求泥沙含量。每种沙样重复测验3次，按下式计算各集水区的泥沙含量:

W= γs(Wws－Ww)/(γs－γw)。

式中:γs为泥沙的相对密度，%;Ws为烘干沙样质量，g;γw为水的相对密度;Ww为清水质量，g;Wws为泥水质量，g;W为泥沙质量，g。

由此计算单位面积泥沙量S、输沙模数Ms、洪枯含沙量Wd以及输沙量变异系数β。

采用SPSS 21和EXCEL软件对数据进行分析和处理。

3 结果与分析

3.1 产流降雨

降雨特征是指每次降雨的雨型、雨量和降雨强度等特征。降雨特性对土壤侵蚀强度有很大的影响，是决定土壤侵蚀以及养分流失的关键因素。

根据自记雨量计的观测结果可知，2014年12月—2015年11月迆者小流域共计有85场降雨，总降雨量为679.4 mm，这一时期的降水占多年平均降水量(785.1 mm)的86.5%。如表1所示，全年有产流的降雨场次为24场，总降雨量为491.2 mm。日最大降雨量61.6 mm(2015年8月9日)，占全年总降雨量的9.1%，2015年5—10月的降雨量为617 mm，占全年降雨量的90.82%。

表1 混合集水区产流降雨情况Tab．1 Rainfall and runoff of mixed catchment area(2014年12月—2015年11月)

3.2 集水区产流规律

降雨是引起水土流失的主要外营力，降雨产生的径流除一部分渗入土壤外，大部分都以地表径流的形式汇入流域河网，因此降雨与地表产流有着密切的关系。降雨要素包括降雨量、降雨强度等。降雨量、降雨强度直接影响着坡面的产流。

3.2.1 集水区产流过程年变化规律 集水区在2014年12月—2015年11年的径流变化曲线如图2所示。总体上，林地集水区相对于混合集水区的径流变化幅度较小，在2014年12月8日至次年的1月23日林地集水区没有径流产生，而混合集水区在2014年12月1日至2015年6月18日、2015年11月8日至11月30日径流均未产生径流。林地集水区的产流峰值出现在10月 11日，径流量为6 066.01 m3/km2，而混合集水区当日的产流量为25 964.76 m3/km2，是林地集水区产流量的4.28倍;混和集水区的产流峰值出现在8月10日，产流量为43 561.91 m3/km2，林地集水区的产流量为4 677.41 mm，混合集水区的产流量是林地集水区的9.31倍。

图2 集水区径流量年变化曲线(2014－12－01—2015－11－30)Fig．2 Annual runoff variation line of catchment areas from Dec 1st 2014 to Nov 30th 2015

3.2.2 集水区径流特征值 地表径流系数是反映一个地区的降雨量有多少形成径流，它综合反映一个地区地质土壤和植被等地表状况对径流的影响［15］。由表2可知，林地集水区的径流深、洪枯流量差、单位面积产流量均小于混合集水区，混合集水区的单位面积产流量是林地集水区产流量的1.16倍，径流系数是林地集水区的1.14倍。混合集水区的流量变异系数大于林地集水区，说明混合集水区的径流量受降雨量的影响较大，意味着在自然降雨条件下，混合集水区的径流量偏离程度大于林地集水区。

表2 集水区产流特征值Tab．2 Runoff characteristic value of catchment area

3.3 集水区产沙规律

3.3.1 集水区产沙过程年变化规律 林地集水区与混合集水区的产沙量如图3所示，在未降雨或降雨较小时，林地集水区虽产流量较大，但是泥沙量很小，降雨强度较小时甚至没有泥沙产生。林地集水区全年共出现4次峰值(8月2日、8月10日、9月10日和10月11日)，均有强降雨产生，对地面有较强的冲刷力，形成较大泥沙量。最大泥沙量出现在8月10日，为3.56 t/km2;混合集水区的产沙量与降雨量的多少关系比较密切，由图3可见，混合集水区比较明显的峰值只出现1次，即8月10日，泥沙量为265.39 t，在自然降雨条件下，混合集水区泥沙量是林地集水区的74.55倍。

3.3.2 集水区产沙特征值 林地集水区和混合集水区的产沙量分别为69.76和359.10 t/km2，混合集水区的产沙量明显大于林地集水区，大约是林地集水区的5.15倍。由表3可知，混合集水区的输沙量变异系数明显大于林地集水区，这就说明林地集水区的泥沙流失量相对偏离程度小，区内植被对泥沙的调控能力较强，即相同外部条件下，混和集水区的泥沙流失量明显大于林地集水区。

图3 集水区侵蚀量年变化曲线Fig．3 Annual variation of erosion amount in catchment area

表3 集水区产沙特征值Tab．3 Sediment characteristic value in catchment area

3.4 坡耕地对集水区产流产沙的影响

由表4可知，林地集水区和混合集水区产流量与产沙量在显著水平为0.05的单因素差异性分别为0.01＊＊、0.001＊＊，均表现为极显著差异，且产沙量的显著性大于产流量。表明林地集水区的产流量和产沙量与混合集水区存在显著差异，即混合集水区内的坡耕地明显加大集水区内水土流失量。

实验结果表明，坡耕地对集水区的产流产沙有明显的影响。林地集水区位于混合集水区上部，植被覆盖度高，涵养水源能力较强，因此在降雨较少的旱季，依然有径流产生。控制站A产生的径流流经坡耕地进入控制站B，旱季控制站A的径流量较雨季少，流经坡耕地时水分入渗，最终没有径流流进控制站B。根据前面的分析可知，由于植被的截留和增加入渗的作用，林地集水区产生的径流量随降雨的多少变化较小，径流量比较稳定，加上土体紧实，根系固持土壤的作用较强，降雨和径流对泥沙的冲刷作用较弱，水土流失量较小。混合集水区不仅包括上部的林地集水区，还包括下部的坡耕地。坡耕地植被覆盖度低，对降雨的截留作用差，地面达到饱和后，雨水到达地面汇集成径流流失，因此径流量随降雨的多少变化比较明显，径流量不稳定。由于坡耕地人为扰动明显，土壤疏松，部分作物顺坡耕作且土壤表面植被季节性较强，固持土壤能力较弱，降雨以及径流对地表土壤的侵蚀力较强，水土流失量明显增加。综上可以看出，坡耕地是混合集水区水土流失量明显增加的直接影响因素。

表4 林地集水区与混合集水区差异性分析Tab．4 Variance analysis in woodland and mixed catchment area

4 结论与讨论

1)植被覆盖度高时能有效拦截地表径流。植被覆盖度较高的林地集水区的产流量明显的低于植被覆盖度低的混合集水区，由此可知，植被具有减少径流产生的作用，以及含蓄水源的能力。植被对于水土流失量具有很好的调控作用。混合集水区的流量变异系数和输沙量变异系数均大于林地集水区，分别是林地集水区的1.43倍和2.02倍，即混合集水区产生的径流、泥沙流失量相对偏离程度较大，说明混合集水区对于水土流失的调控能力较弱。林地集水区的变异幅度较小，调控能力相对于混合集水区强，水土流失量较小。

2)林地集水区与混合集水区的产流量与产沙量单因素差异性分别为0.01和0.001，且产沙量的显著性大于产流量。混合集水区的地表覆盖度低，对降雨的截留作用弱，入渗率低，使大部分降雨直接汇集形成径流流失。由于坡耕地土层较厚，土质疏松，雨滴击溅以及径流的冲刷，带走大量的地表泥沙，使得水土流失量明显增加，从而使混合集水区的水土流失量显著高于林地集水区。

3)坡耕地是增加集水区水土流失量的直接因素。混合集水区内坡耕地、裸地的植被覆盖度低、土壤疏松，植被的垂直结构层次单一，人为活动对地表土的干扰比较大，没有覆盖度较高的作物长期保护，再加上耕种的季节性，部分作物顺坡耕作增大水土流失量;因此混合集水区更易遭受雨滴击溅和径流的冲刷搬运，从而导致泥沙量明显增大。

坡耕地是集水区水土流失的主要来源。坡耕地植被覆盖率低，截留和拦蓄作用差，集中持续的降雨使其形成大量的地表径流;坡耕地的土壤疏松，人为影响较大，加上作物的生长具有季节性，生命周期短，根系固持水土的能力较差，地表径流带走大量泥沙，从而增加水土流失量。这与张旭昇等［16］的研究结果一致。覆盖度低的坡耕地水土流失量均明显大于植被覆盖度高的林地，因此，林地的水土保持效益更显著。

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