沙棘灌丛下降雨与产流产沙的关系试验研究

谭志国

(乌苏市兴禹水利工程建筑有限公司，新疆 乌苏 834700)

我国的国土面积广大，各地的自然环境存在明显的差异，水土流失分布的范围广大，流失的强度大[1]。新疆维吾尔自治区地处我国西北干旱、半干旱区域，属于温带大陆性半干旱气候[2]。特殊的自然条件决定了新疆地区是一个生态环境比较脆弱、恶劣的区域。目前，新疆水土流失总面积已经达到8.7×104km2，其中强烈侵蚀面积为0.25×104km2[3]。沙棘属于胡颓子科沙棘属植物，具有极强的生态适应性。沙棘的根系较浅，且水平根系比较发达，长度可超过10 m，具有较强的抗干旱，耐严寒和耐贫瘠能力，在栽植之后可以快速郁闭成林，覆盖地表，具有十分显著的经济和生态效益，已经成为我国西北地区水土保持的先锋树种[4]。基于此，此次研究通过现场试验的方式，探讨沙棘灌丛下降雨与产流产沙的关系，为沙棘防护固沙工程建设提供支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于新疆维吾尔自治区伊宁市巴彦岱镇干沟村境内，属于伊犁河谷地带。该地区属于典型的温带大陆性干旱气候，同时也是新疆降雨最多的地区，雨水比较充沛，气候条件比较湿润，年均降雨量为465 mm左右，年最高气温9.2℃，极端最高气温39℃，极端最低气温-40℃，年均日照时数为3 614 h。研究区的土壤类型主要是灰钙土和草甸土，从属种上看分别是洪积黄土中夹杂灰黄土以及下黏灰黄土。由于伊犁河谷地区每年4月份有潮湿的西风气流进入，受抬升作用的影响，会在河谷的山前地带产生比较丰富的降雨，并且这种降雨以短时强降雨为主，极易造成水土流失[5]。

1.2 试验方法

为了研究沙棘从下降雨与产流产沙的关系，选择研究区内沙棘灌丛地作为研究对象，并在坡面地上设置两个微型径流小区，分别为沙棘的老年林和幼年林，其编号分别为样地1和样地2。样地的大小为4 m×1 m。其场地的基本特征见表1。其中，1号样地内并不是纯沙棘丛，其中夹杂有部分毛山楂和榆树，沙棘丛下的草本覆盖度为70%左右，主要的草本植物为野草莓以及青蒿等。2号样地为人工栽植的幼年沙棘丛，栽植前为天然草地，丛下的草本植物主要是青蒿、败酱草和龙牙草等。

表1 试验径流场地的特征

在每个径流场地坡面上，使用宽度30 cm钢板插入地下20 cm，其主要目的是防止雨滴的击溅影响试验结果的准确性[6]。在每个径流小区的底部接上底部长度为1.0 m的三角槽，使地表径流通过三角槽流入广口瓶[7]。

在场地外布置一台便携式自动气象站，对气象条件进行观测和记录，其配备的雨量计精度为1 mm。试验中将2020年的4-10月份作为观测期，在此阶段内共记录有28场次比较明显的降雨，其降雨总量为483 mm，比年均降雨量略高，但属于正常波动范围，因此试验结果可以代表当地的实际情况。按照国家气象局的雨量等级划分标准，其中有小雨19场，中雨5场，大雨和暴雨均为1场。试验中在当年的4-6月份进行径流场观测，观测期内总共有8次产生降雨径流的侵蚀性降雨，其中最小降雨量为4 mm，最大降雨量为44 mm。8次降雨的主要特征见表2。

表2 降雨特征统计表

在模拟降雨结束之后，将全部径流和泥沙用容积为2 000 ml的广口瓶收集，搅拌均匀之后取其中的500 ml测定其中的泥沙含量，将收集的径流样品过滤、烘干称重，获取侵蚀泥沙的重量，并据此计算获取径流的含沙量和清水径流深[8]。

对试验中获取的数据利用Excel和SPSS软件进行数据的处理和分析。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

在试验过程中，对样地1和样地2在不同降雨场次下的降雨因子以及试验场地的产流和产沙的特征进行记录和计算，统计结果见表3。由表3中的统计结果可以看出，无论是样地1的老年沙棘丛林还是样地2的幼年沙棘丛林，在降雨量达到4 mm的情况下均可以产生比较明显的地表径流和泥沙，而两个样地试验区中均没有产生壤中流。

表3 产流产沙特征试验结果

在相同的降雨量下，两块试验样地的坡面产流量的数值比较接近，样地2的径流量与样地1相比略大一点。原因可能是样地2属于老年沙棘灌丛，其土壤中的非土壤毛管相对较小，土壤的入渗能力相对较差，因此更容易出现产流。从产沙量来看，样地1的产沙量要略大于样地2的产沙量。原因可能是老沙棘灌丛地表的草本层与枯落物层的生物量相对较大，对泥沙的拦蓄能力相对较强一点。

2.2 降雨和产流关系拟合

为了进一步探求沙棘丛下样地的降雨和产流之间的关系，利用试验中观测到的8个场次的降雨和径流场数据进行分析。在分析过程中，将各场次降雨的雨强与和降雨量的乘积作为分析降雨因子，对产流量之间的关系进行回归分析，根据回归分析结果，获得两块样地的拟合方程。

样地1的拟合方程为：

Q=0.061 5×(P×R)1.380 4，n=8，R2=0.887

(1)

样地2的拟合方程为：

Q=0.064 4×(P×R)1.421 3，n=8，R2=0.914

(2)

其中：Q为产流量，10-3mm；P为降雨量，mm；R为降雨强度，mm/h。

从拟合结果来看，两个样地的产流与降雨因子之间都呈现出比较典型的幂函数关系，产流量随降雨因子的变化首先缓慢增加，然后急速增大。同时，当降雨因子相同的情况下，样地2的产流量略大，样地1的产流量略小。原因可能是样地2的坡度比样地1略大，同时灌木和草本的覆盖率相对较低一点。由此可见，沙棘丛林的年龄对产流的影响并不明显。

2.3 降雨和产沙关系拟合

为了进一步探求沙棘丛下样地的降雨和产沙之间的关系，利用试验中观测到的8个场次的降雨和径流场数据进行分析。在分析过程中，将各场次降雨的雨强与和降雨量的乘积作为分析降雨因子，对产沙量之间的关系进行回归分析，根据回归分析结果，获得两块样地的拟合方程。

样地1的拟合方程为：

S=0.030 4×(P×R)1.217 7，n=8，R2=0.893

(3)

样地2的拟合方程为：

S=0.071 2×(P×R)1.354 7，n=8，R2=0.879

(4)

其中：S为产沙量，10-6t(hm2)-1；P为降雨量，mm；R为降雨强度，mm/h。

从拟合结果来看，两个样地的产沙量与降雨因子之间也呈现为比较典型的幂函数关系，产沙量随降雨因子的变化呈现出先缓慢增大，后迅速增大的变化特点。同时，当降雨因子相同的情况下，样地2的产流量略大，样地1的产流量略小。原因可能是样地2的灌木和草本的覆盖率相对较低一点，对泥沙的拦蓄作用相对较弱。鉴于两个样地的产沙量及变化规律总体比较接近，认为沙棘丛林的年龄对产沙量的影响并不明显。

3 结 论

此次研究通过室外试验的方法，对沙棘丛下降雨和产流、产沙的关系进行研究，并获得如下主要结论：

1) 从实验结果来看，降雨量大于4 mm时就会产生比较明显的产流、产沙，说明研究区的水土流失情况比较严重。

2) 两块试验样地的产流和产沙特征存在一定的差异性，原因可能和土壤性质、坡度以及植被覆盖度有关。

3) 产流、产沙和降雨因子之间属于典型的幂函数关系，且沙棘丛林的年龄对产流、产沙特征不存在显著影响。