伊犁河谷草地坡面3种水平沟措施减流减沙效果的比较

布热比亚·吐鲁，张文太，侯进平

(1.新疆农业大学 草业与环境科学学院 新疆土壤与植物生态过程自治区级重点实验室，乌鲁木齐 830052； 2.新疆维吾尔自治区水土保持监测总站，乌鲁木齐 830000)

径流是土壤剥蚀、地形演变的不竭动力[1]。降雨和径流引起的水土流失，是全球性的严重环境问题之一[2-4]。人类活动造成的土地利用变化是影响水土流失的主要原因[5-7]。国内外研究表明，影响地表产流产沙的主要因素有土壤质地、入渗速率、降雨强度、降雨量、植被和坡度等[8-11]。地表土壤对降雨强度等外在因素的响应机制最终反映在调控效果的差异方面，主要原因在于不同集水措施改变了原有地表侵蚀形态和微地貌形态，阻碍泥沙的产流、沉积和输移等。例如，有学者研究了灌木林地、核桃地埂的水土保持效应发现，两者均有较好的水土保持效益[12]。

土壤退化主要由土壤侵蚀造成，伊犁河谷土壤侵蚀主要集中在春季和夏季，是由强降雨引起的水力侵蚀[13]。水平沟措施是干旱半干旱地区经长期探索实践在坡地设置的水保工程措施之一，具有充分拦截径流、增加入渗、保蓄雨水、防治水土流失、提高水分利用率的功能[14-15]；其目的在于拦蓄坡地雨水径流、增加沟内土壤水分[16-17]。如何拦蓄径流和降低泥沙，以减少土壤侵蚀，是目前伊犁河谷生态建设中亟待解决的关键问题。本文通过野外监测实验，比较伊犁河谷草地坡面3种水平沟措施减流减沙效果，以期为伊犁河谷及相似地区的植物生态恢复和水土保持措施布设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区坡面径流观测场位于新疆维吾尔自治区伊犁河谷西北山区的伊宁县喀拉亚尕奇乡皮里青水文站(E81°27′，N44°03′)。该区域属于温带大陆性半干旱气候，冬春温暖湿润，夏秋干燥较热，夏季温度高、土壤蒸发量大。年均降水206～512 mm，主要集中在4-8月份，时间分布不均匀，且降雨形式主要以短时间强降雨为主。昼夜温差明显，年均气温8.4℃，最低温度≤-36℃，年均日照时间为3 614 h，无霜期178 d。

1.2 径流小区实验处理布设

2019年5-9月，在皮里青水文站坡面径流观测场开展了自然降雨定位试验。布设了3个自然降雨径流观测小区，每个小区长20 m，宽5 m。依据研究目的，布设3种不同的水平沟微集水措施，即：①浅沟处理：小区下端部分横坡修建1行长5 m、宽20 cm、深20 cm的水平沟；②浅沟*2处理：小区中部和下端分别横坡修建2行长度为5 m、宽20 cm、深20 cm的水平沟；③深沟处理：小区下端部分横坡修建1行长5 m、宽40 cm、深40 cm的水平沟。每个径流小区都在周围设置了围埂防止外部径流干扰，在径流小区下部修建了集水槽，并利用硬质铁管引入集水桶内，以全部收集降雨时径流小区内流出的径流及泥沙。

1.3 测定指标与方法

试验区设有小型气象站监测试验期间的降雨量。每次降雨产流后，先量取总产流量，再将径流桶中的水与沙搅拌均匀，用取样瓶取径流泥沙混合样50 ml，带回实验室，在105℃条件下烘干至恒重，测定代表样品的泥沙含量，计算次降雨的产沙量。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

2019年5-9月，对试验区进行了降雨数据的观测。结合新疆气候特点，新疆降雨等级按日雨量可分为4个等级：小雨(0.1～6.0 mm)，中雨(6.1～12.0 mm)，大雨(12.1～24.0 mm)和暴雨(≥24.1 mm)，有效雨日(量)为上面4个等级雨日(量)的总和[18]。

5-9月份共计有19场小雨、1场中雨、1场大雨。其中6月份降雨较多，小雨都集中在6-7月份，中雨和大雨集中在8-9月份(图1)。试验区坡面径流观测场最大日降雨量为15.4 mm，出现在8月份，可以划分为大雨；最小降雨量为1.2 mm，观测期间总降雨量为83.6 mm。

图1 2019年5-9月皮里青径流场日降雨量的变化

2.2 不同水平沟处理径流量的差异

2019年5-9月自然降雨条件下，各水平沟处理径流量有明显的差异(图2)，各水平沟措施拦蓄径流的效果依次为：深沟>浅沟*2>浅沟。就次降雨而言，5-9月份产生径流量最大量为浅沟的0.15 mm，浅沟*2处理径流量的最大值为0.125 mm，而深沟处理小区最大径流量为0.12 mm。总体来看，5-9月份不同水平沟措施拦蓄总径流的效果由大到小依次为：深沟(0.324 mm)>浅沟*2(0.489 mm) >浅沟(1.49 mm)(图3)。表明浅沟*2和深沟措施均能提高土壤的储水能力和减少坡面产生径流，效果最佳的是深沟措施。每场降雨后，深沟内聚集大量降水并逐渐入渗，说明水平沟坑缘能够拦截径流，表层土壤扰动后入渗量增大，深沟措施也有助于提高土壤含水量。

2.3 不同处理小区径流量与降雨量的相关性

总体来说，随着次降雨量的增高，各水平沟处理小区径流量均有增高的趋势(图4)。浅沟措施径流量较大，其次为浅沟*2措施，深沟措施的径流量最少，表明在不同降雨量的次降雨事件中，深沟措施均能有效拦截地表径流，减缓径流流速，拦蓄水流(图4)。另外，地表径流除了受降雨量的影响，还与土壤前期含水量有关。有时次降雨量虽然高，但如果土壤较干燥，相当部分的雨水入渗到土壤中，则不一定产生较高的径流。5-7月份降雨频次多且降雨量大(图1)，温度也高，土壤含水量在降雨后迅速上升，后期随温度的升高，蒸发加强，土壤含水量呈现急剧下降趋势。8-9月份降雨次数减少，土壤含水量处于一个稳定且较低的状态，此时的强降雨并没有产生较大的径流(图2)。

图2 不同水平沟处理次降雨径流量的比较

图3 不同水平沟处理总径流量的比较

图4 各水平沟措施小区径流量与降雨量的相关性

2.4 不同水平沟处理坡面产沙量的比较

径流强度、产沙量均随降雨强度的增大而增大。各水平沟集水措施下每个处理的产沙量有显著差异：浅沟的产沙量最多，其次为浅沟*2处理，总体看来深沟的产沙量明显比其他两个处理少(图5)。表明深沟拦截泥沙比其他两个处理更为有效。深沟措施能够防止地表径流冲刷造成的侵蚀，使径流中携带的土壤颗粒在深沟内沉降下来，阻止表层土壤颗粒的流失，进而有效降低产沙量。8月16日浅沟的次降雨产沙量最高，为0.243 t/km2，其次浅沟*2(0.043 9 t/km2)，深沟为0.016 4 t/km2。就土壤侵蚀模数而言，与浅沟*2和深沟处理相比，浅沟措施的土壤侵蚀模数最大，表明浅沟拦截泥沙的效果较差(图6)；而深沟措施与浅沟*2措施的减沙效果较好。目前，在降雨强度、坡度、植被覆盖度综合作用下，伊犁河谷坡面土壤侵蚀特征显示降雨强度对土壤侵蚀模数的影响较大，而坡面植被可以有效减轻土壤侵蚀。

图6 不同水平沟处理侵蚀模数的比较

3 讨 论

径流的形成主要来自于自然降雨，当土壤入渗率小于降雨强度时，雨水无法完全入渗，会在坡面形成径流[11]。径流产生时会携带大量的泥沙，造成水土流失[20]。微集水措施能够改变地表微地形，引起径流量和产沙量的变化，达到减流减沙的效果[21-24]。本研究发现，不同水平沟措施能够有效拦截径流，其中浅沟的拦截径流效果相对较差，深沟措施的拦蓄径流效果最好。

普颖颖等[25]对伊犁河谷草地土壤水分动态进行了研究，结果表明降雨大部分在坡面上产生产流，以地表径流的形式损失掉，小部分则入渗到坡面土壤中。最小降雨量为0.2 mm，此降雨大部分入渗到坡面土壤中。本研究5-9月份观测期间总降雨量为83.6 mm，总共计有19场小雨、1场中雨、1场大雨。其中6月份降雨较多，小雨都集中在6-7月份，中雨和大雨发生在8-9月份。试验区最大降雨量为15.4 mm，出现在8月份，此降雨仅小部分以径流的形式从小区产出；最小降雨量为1.2 mm，几乎不产生径流。本研究没出现过暴雨。

由于自然降雨时间分布不均匀，伊犁河谷低山区较为干旱，植物生长状况较差，不同的水平沟措施在一定的程度上可以影响该区域的生态修复。通过比较各处理的径流量及产沙量发现，不同水平沟措施在自然降雨下拦水减沙的效果差异明显。深沟处理在降雨后能够有效拦截径流，可以增大表层土壤含水量，改变土壤水分条件[26]，进而为植物生长提供充足的水分，植物恢复进一步防止产流产沙。总之，深沟处理的减沙减流效果最好。相反，浅沟措施由于对表层土壤干扰小，水平沟较浅，在强降雨时拦蓄径流能力差，不能够有效地控制水土流失。长期看来，使用深沟措施能够有效拦蓄试验坡面小区的径流，增高土壤水分，有利于植被恢复和水土保持。

4 结 论

2019年研究区侵蚀性降雨主要发生在5-9月份，总降雨量为83.6 mm。浅沟、浅沟*2以及深沟等3种水平沟措施的总径流量分别为1.41、0.552和0.423 mm；3种水平沟措施的总侵蚀产沙量依次为0.557、0.184和0.168 t/km2。自然降雨条件下，深沟和浅沟*2的坡面减流减沙效果较好，能够有效防治水土流失。

较高的径流量导致浅沟自然草地坡面的土壤侵蚀量也较高。相反，浅沟*2和深沟处理自然草地坡面的泥沙产量较低，表明水平沟措施对减流减沙有显著的效果，这将有助于自然草地生态恢复。