伊犁河谷不同管理草地产流产沙对降雨与土壤类型的响应

李 政, 胡桂清, 瞿 涛, 张鹤鑫, 张文太, 李燕刚, 艾克拜尔·伊拉洪

(新疆农业大学 新疆土壤与植物生态过程自治区级重点实验室/草业与环境科学学院, 乌鲁木齐 830052)

新疆是我国五大牧区之一，受气候变化、超载过牧等影响，全区30%以上的草地出现不同程度退化[1]，面临严重水土流失。据统计，新疆草地侵蚀面积已达到26.5万km2，占全区水土流失总面积的1/3[2]。由于新疆地处内陆干旱区，草地生态系统十分脆弱，水土流失将进一步加剧草地退化，降低草地生产力与载畜能力，造成土地荒漠化，进而威胁生态安全，制约社会经济的可持续发展。因此，草地水土流失的防治工作对实现区域绿色发展显得迫切而重要。

新疆水土流失的研究起步较晚、工作基础相对薄弱[3]。先前研究表明坡面整地[4](如水平沟、鱼鳞坑)、覆盖[5]、地表植被调控等[6]一系列措施可有效减缓新疆草地的水土流失，但研究手段大多基于模拟降雨试验，缺乏自然观测及验证。仅有少数研究采用径流小区对坡面水土流失进行观测，但也只是着重关注侵蚀的时间动态变化[7-8]。不同管理措施在自然条件下产流产沙过程和侵蚀调控机制尚不清楚，仍需掌握更多实测资料进行进一步的探究。相比于模拟降雨单一的降雨条件，自然降雨更加复杂多变，降雨类型呈多样化。已有众多学者证实，不同降雨的雨量、强度及降雨历时等因子差异会显著影响坡面产流产沙规律[9-11]。不同管理措施对坡面侵蚀的调控机理不一，其产流产沙对不同降雨类型的响应特征存在差异[12-13]。除降雨因子外，土壤作为降雨的承受体，土壤质地、结构会直接影响土壤入渗性能与抗蚀性，进而影响坡面侵蚀过程。Wawer等[14]比较了9种土壤质地类型的草地侵蚀过程，证明土壤质地差异可显著影响草地侵蚀强度。郑鹏[15]采取模拟降雨研究褐土和棕壤的侵蚀特征，发现土壤类型对坡面产沙量影响程度甚至大于降雨强度。此外，水土保持措施的作用效果也会因土壤不同而发生变化[16-17]。新疆干旱少雨的气候及脆弱的地表条件，致使草地坡面水土流失过程与规律明显区别于其他地区，研究不同坡面管理措施的产流产沙调控规律以及对不同降雨、土壤的响应特征，对于区域水土保持措施科学布控以及进一步揭示不同措施的侵蚀调控机理等具有实际意义。

鉴于此，本研究以新疆水土流失最为严重的伊犁河谷草地为研究对象，于2019-2020年监测4种坡面管理措施下的草地产流产沙规律以及对不同降雨条件的响应特征，为提高措施的可推广性，进一步通过2种土壤类型测试不同措施的水土流失阻控效应，以期为新疆草地水土流失防控以及生态恢复提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于伊宁市北部丘陵带(81°03′—81°18′ E,43°57′—44°08′ N)，海拔700～1 180 m，属于温带大陆性气候，年平均气温9.4℃，年平均日照时数2 870 h，年蒸发量达1 600 mm，但年均降水量仅230～450 mm，且主要集中于4-7月。草地是该区主要的土地利用类型，由于对草地资源的过度开发及利用，草地出现大幅度退化，水土流失极为严重。研究区主要土壤类型为灰钙土和棕红土，灰钙土由第四纪黄土母质发育而来，分布区域广泛。棕红土发育在第三纪砂页岩红土母质上，埋藏于灰钙土及各类疏松堆积物下，经地质作用及外力侵蚀后棕红土土层出露地表[18]。相比于灰钙土，棕红土分布比较零散，分布面积也小于灰钙土。两种土壤的成土母质不同，土壤理化性质(表1)及地表植被存在较大差异。

表1 表层0-20 cm土壤理化性质

1.2 径流小区布设

在灰钙土、棕红土草地上各设置4个径流小区(2 m×8 m)，分别采用退化草地、增渗孔、枯草覆盖、水平沟等4种坡面管理措施(表2)。8个小区坡度相同，约为13°，坡位均处于上坡位。灰钙土草地主要植物为伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)，覆盖度为20%～40%，棕红土草地主要植物为猪毛菜(Salsolaaffinis)，覆盖度为5%～20%。各小区均用混凝土板与周边隔绝，小区底部设有捕获径流的集流槽，集流槽下部连接有大型集流桶以承接各小区产生的径流。

表2 不同坡面管理措施说明

1.3 研究方法

本研究于2019—2020年用小型气象站记录次降雨的雨量、历时等参数信息。当同一日内出现两次及多次降雨时，两场降雨时间间隔若小于6 h，记为一次降雨，大于6 h则记为多次降雨。在次降雨过程中，坡面产生径流且发生土壤侵蚀，视该次降雨为一次侵蚀性降雨。在降雨产流后，用量筒精确测量集流桶中的径流体积，径流体积除以小区面积可计算出小区径流深，见公式(1):

(1)

式中:R为径流深(mm);V为集流桶收集的径流体积(L);S为小区面积(m2)。

将集流桶中径流混匀，收集3份50 ml的径流样品，通过烘干法测定径流中的泥沙含量，根据公式(2)将测得的含沙量与总径流体积相乘获取次降雨的土壤侵蚀量。

(2)

式中:E为土壤侵蚀量(t/km2);C为径流的泥沙含量(g/L);V为径流体积(L);S为小区面积(m2)。

1.4 数据处理

用Excel 2016对数据进行汇总整理，在SPSS 22.0中用系统聚类结合K-均值聚类对所有侵蚀性次降雨进行雨型划分，采用方差分析对分类结果进行显著性检验，通过Pearson相关分析对降雨因子和各径流小区产流产沙的关系进行分析。

2 结果与分析

2.1 3种降雨类型划分及其参数特征

2019-2020年累计73场降雨，侵蚀性降雨仅15场，占比20.54%。选取次降雨的降雨量、降雨历时以及平均雨强作为分类参数，将所有侵蚀性降雨分为3类(表3)：A雨型(低降雨量、较长降雨历时、低雨强),B雨型(高降雨量、长降雨历时、低雨强),C雨型(高降雨量、短降雨历时、高雨强)。经显著性检验，3种雨型间的降雨量、降雨历时以及平均雨强均在p<0.01水平上差异显著，达到分类要求。由于新疆降水稀缺，使得侵蚀性降雨的降雨频次、降雨量、平均雨强等特征均远小于我国其他地区，这也说明新疆降雨对草地的水土流失影响具有其独特的地域性特点。A雨型的平均降雨量虽然仅有5.47 mm，根据新疆降雨标准划分[19]，却达到中雨标准，B雨型为大雨标准，C雨型达到暴雨标准。伊犁河谷侵蚀性降雨主要以B雨型的形式出现，占总频次的50%以上，C雨型出现频次最低，仅为每年一次的频率。

表3 3种降雨类型的参数特征

2.2 不同坡面管理小区的累积产流、产沙特征

对比各小区的总产流产沙量，通过枯草覆盖、水平沟以及增渗孔对坡面进行管理可有效减缓草地水土流失(表4)。枯草覆盖的减流减沙效果最优，可使累积径流量减少73.47%～81.16%，累积土壤侵蚀量减少90.11%～96.99%，其次为水平沟，累积减流减沙效益分别在65.91%～77.02%，74.19%～74.72%，效果最弱的增渗孔，也可使累积产流产沙量分别降低20.77%～37.43%，23.67%～27.43%。因土壤类型不同，各管理措施的水土保持效果有所差异。灰钙土草地各措施累积减流效益呈水平沟>枯草覆盖>增渗孔，棕红土草地呈枯草覆盖>水平沟>增渗孔。在灰钙土草地上，增渗孔和水平沟的径流深小于二者在棕红土的径流深，退化草地和枯草覆盖则表现出相反结果。各管理措施在两种土壤的减沙效果均为枯草覆盖>水平沟>增渗孔，且棕红土草地的累积产沙量均大于灰钙土草地。

表4 各径流小区累积径流深、土壤侵蚀量

2.3 降雨类型对各管理小区总产流深及侵蚀量的影响程度

不同雨型对坡面累积产流产沙量的贡献程度因坡面管理措施而异，总体而言，雨型对各小区径流深的贡献程度均为C雨型>B雨型>A雨型，对总侵蚀量的贡献程度有所变化，呈现出C雨型>A雨型>B雨型。

C雨型仅占总侵蚀性降雨场次的13.33%，但对研究区草地的累积产流量、产沙量的贡献程度分别达到44.63%～62.18%，48.25%～75.38%。由此可见，虽然C雨型出现频率最低，却对伊犁河谷草地侵蚀作用最为剧烈，在水土保持以及防洪减灾工作中应重点防范。

相反，出现频率最高的B雨型，对总径流深的贡献程度仅次于C雨型，而对草地总侵蚀量的贡献率仅在13.37%～22.08%。

A雨型降雨量低，对径流深贡献程度较小，但依旧产生较大的土壤侵蚀量。除此之外，C雨型对棕红土草地侵蚀量的贡献程度明显高于灰钙土草地，而B雨型的贡献程度却低于灰钙土草地，A，B，C这3种雨型对两种土壤草地侵蚀的影响程度表现出较大差异性(图1)。

图1 不同雨型对于各径流小区累积径流深、土壤侵蚀量贡献率

2.4 不同雨型下各径流小区平均产流产沙特征

不同措施的产流规律对降雨、土壤类型的响应程度存在差异(图2A)。C雨型下的各小区的平均产流量显著高于A，B雨型，增渗孔和退化草地在两种土壤草地上均表现为A雨型>B雨型，而水平沟和枯草覆盖表现为B雨型>A雨型，说明不同措施对径流调控能力因雨型而发生变化。无论何种雨型，增渗孔、水平沟以及枯草覆盖相较于退化草地均起到较好的减流作用。在A，B雨型条件下，各措施的平均径流深呈退化草地(0.14～0.19 mm)>增渗孔(0.09～0.14 mm)>水平沟(0.04～0.06 mm)>枯草覆盖(0.03～0.05 mm)，灰钙土草地平均产流量大于棕红土草地。C雨型条件下，各措施在棕红土草地平均产流量排序无变化，均为退化草地(1.27 mm)>增渗孔(1.11 mm)>水平沟(0.44 mm)>枯草覆盖(0.18 mm)，在灰钙土草地却呈退化草地(1.60 mm)>增渗孔(0.83 mm)>枯草覆盖(0.39 mm)>水平沟(0.27 mm)。增渗孔和水平沟对灰钙土草地径流的调控能力优于棕红土草地，这也使二者在C雨型条件下产流量均小于棕红土草地。

相较于产流过程，各措施产沙量的变异趋势相对较小(图2B)，平均土壤侵蚀量从大到小依次呈退化草地(2.31～72.67 t/km2)>增渗孔(0.73～42.32 t/km2)>水平沟(0.28～25.08 t/km2)>枯草覆盖(0.10～2.56 t/km2)，棕红土草地的产沙量均大于灰钙土草地，在C雨型下尤为明显。不同雨型下，各措施的土壤侵蚀量依旧是C雨型最大，其次为A雨型、B雨型。A，B雨型的产沙量在灰钙土草地上相差较小，而A雨型对棕红土草地的侵蚀量明显高于B雨型。

注：相同土壤草地上，不同大写字母表示同一雨型条件下不同措施间产流量或产沙量差异在p<0.05水平上显著；不同小写字母表示相同措施下不同雨型间产流量或产沙量的差异在p<0.05水平上显著。

2.5 降雨参数与各径流小区产流产沙的相关关系

不同径流小区的产流产沙对各降雨参数的响应特征表现出不同的结果(表5)。综合所有因子可发现，雨强是驱动坡面侵蚀的主控因子，与各小区径流及泥沙量均达到极显著相关水平(p<0.01)。降雨量与降雨历时也对小区产流产沙起重要驱动作用，降雨量对于棕红土草地各小区产沙的影响程度大于灰钙土草地，且均达到极显著水平(p<0.01)，前48 h累积降雨量对坡面侵蚀的影响最小。灰钙土草地上，除水平沟外其余小区的径流深与土壤侵蚀量的相关性均达到显著水平(p<0.05)，棕红土草地仅枯草覆盖小区的径流量与泥沙量达到极显著相关(p<0.01)。由此可见，草地坡面产流产沙关系受土壤类型、管理措施及降雨因子等共同驱动，致使各小区的水沙关系相对复杂，径流深对土壤侵蚀量的影响程度存在差异。

3 讨 论

3.1 不同坡面管理措施对草地产流产沙的调控效果

不同管理措施对坡面的侵蚀调控原理不一，直接影响各小区水土流失程度。不加以对坡面进行干预，退化草地对径流及泥沙的调控能力最弱，水土流失严重。水平沟和增渗孔主要通过人为扰动地表微地形条件，增加地表粗糙度，改善表层土壤的结构与水力学性质，强化径流下渗，使坡面实现就地蓄水拦沙。先前有研究表明，水平沟可以显著提高草地坡面的入渗速率，将入渗量提高5倍以上，大幅度削减坡面径流与泥沙的流失速率[4,20-21]。本研究中，水平沟的“沟—垄”结构相比增渗孔分散的孔洞可以更好地捕获坡面径流，减流减沙效益也明显优于增渗孔。覆盖是一项侵蚀防控效果极佳的管理措施，广泛应用于世界各地[22]。坡面侵蚀过程中，覆盖物通过吸收径流的动能，延长径流在坡面的滞留时间，增加径流的下渗量，同时粘滞径流中携带的少许泥沙，达到减流抑沙效果。在本研究区，地表植被状况较差，相比其他措施，枯草覆盖有效避免雨滴直接落入地表，同时未对地表土壤造成扰动，减弱雨水和径流对坡面的侵蚀力，减沙效果最优。

表5 各径流小区产流产沙规律与降雨参数的相关性

3.3 各径流小区产流产沙规律对降雨类型的响应

降雨类型显著影响各管理小区的产流产沙规律，与其他学者在东北黑土区、黄土高原及喀斯特丘陵带等地区的研究结果相似[10-11,23]，短历时、高强度的降雨是各小区水土流失的主导侵蚀性降雨类型。C雨型的雨量、雨强标准均小于我国其他地区，但由于草地退化，坡面植被稀疏，土壤渗透性和抗蚀性较差，脆弱的下垫面难以承受短时强降雨带来的破坏，造成严重的水土流失。在A，B雨型下，虽然水平沟和增渗孔在灰钙土草地的平均径流深大于棕红土草地，但二者在C雨型条件下大幅削减了灰钙土草地产流，使总径流深小于棕红土草地。B雨型出现频次占总侵蚀性降雨场次的56.67%，对各小区总径流深的贡献程度仅次于C雨型。本研究中，B雨型的雨量达到新疆大雨标准，由于降雨历时较长，雨强较小，对土壤颗粒的打击、分离能力较弱，进而导致较低的土壤侵蚀量。A，B雨型的区别在于A雨型的前期降雨量较高，前期的降水直接提高草地的雨前土壤含水量。干旱区坡面产流对于雨前土壤含水量变化极为敏感，当土壤处于湿润状态时，即使降雨强度较小，也容易发生水土流失[24-25]。A雨型的降雨量低于B雨型，但受雨前土壤含水量驱动，退化草地和增渗孔在A雨型的平均径流深均大于B雨型。水平沟和枯草覆盖的侵蚀调控能力显著优于退化草地和增渗孔，减弱土壤含水量对产流的影响，二者表现为A雨型的平均产流小于B雨型。前期土壤含水量通过影响产流过程间接影响产沙外，还会直接降低土壤抗蚀性[26]，各小区的土壤侵蚀量均表现为A雨型高于B雨型。草地坡面的产流产沙特征与前48 h累积降雨量相关性较差，可能原因是雨前土壤含水量对坡面侵蚀的作用受雨强及管理措施等因子的共同驱动而减弱[23,27]。

3.2 各径流小区产流产沙规律对土壤类型的响应

两种土壤草地的产流产沙规律存在明显差异性，其原因是降雨过程中两种土壤因质地、结构差异而产生的结皮特点不同，进而引起侵蚀过程发生差异。黏粒含量高的土壤，土壤中胶结物质含量较高，易形成大团粒结构，土壤结构相对稳定，从而抑制降雨过程中结皮的发育[28-29]。灰钙土土壤颗粒多粉砂，黏粒含量是仅为棕红土的1/2，降雨过程中灰钙土比棕红土更易形成结皮，进而提高坡面产流量，坡面产沙容易受径流驱动，这也使灰钙土草地侵蚀量与径流深相关性显著(除水平沟外)。在侵蚀过程中，棕红土不易形成地表结皮，地表可侵蚀、搬运的土壤颗粒多于灰钙土。棕红土的产流虽小于灰钙土，但径流的挟沙量却大于灰钙土坡面，且径流会优先富集细颗粒[30]，造成灰钙土比棕红土易产流，棕红土比灰钙土易产沙的结果。徐铭泽等[31]对不同母质红壤产流产沙特征的研究表明，质地偏粉砂的花岗岩红壤产流量大，而质地黏重的第四纪红壤产沙量大，该结果与本研究相似。两种土壤的侵蚀过程与机制不同，直接导致各措施在两种土壤草地的作用效果也存在差异。灰钙土草地上，水平沟和增渗孔对坡面进行扰动，打破了坡面土壤结皮，强化地表径流入渗，在C雨型这种高雨强条件下减流效果极为明显。枯草覆盖也可有效抑制产流，由于没有扰动地表，减流效果略弱于水平沟。相反对于土壤结构相对稳定的棕红土草地，水平沟和增渗孔减流效果下降，而枯草覆盖的减流效果依然保持稳定。

4 结 论

(1) 短历时、高雨强的C雨型是伊犁河谷草地的主导侵蚀性雨型，对草地的累积侵蚀量贡献率达到48.25%～75.38%。高雨量、长历时的B雨型在伊犁河谷出现频次最多，但对草地侵蚀作用却最小。此外，在连续降雨条件下，即使雨量、雨强(A雨型)较低，也会对草地造成较大侵蚀。

(2) 不同坡面管理措施的径流调控能力因雨型而异，增渗孔和退化草地在A雨型下的平均径流深大于B雨型，枯草覆盖和水平沟表现出相反结果。C雨型下，水平沟在灰钙土草地的减流作用最佳，其次为枯草覆盖和增渗孔；在棕红土草地上，枯草覆盖减流率最高，其次为水平沟和增渗孔。各措施对草地产沙的调控能力比较稳定，平均产沙量均呈退化草地(2.31～72.67 t/km2)>增渗孔(0.73～42.32 t/km2)>水平沟(0.28～25.08 t/km2)>枯草覆盖(0.10～2.56 t/km2)。

(3) 灰钙土与棕红土的产流产沙过程和机制不同，各措施的侵蚀调控效果因土壤类型而产生差异。增渗孔和水平沟对灰钙土草地减流效益明显优于棕红土草地，尤其是在C雨型条件下。在棕红土草地上，枯草覆盖的减流效果最好，且棕红土草地各小区的土壤侵蚀量均大于灰钙土草地。

综上所述，对草地坡面进行辅助管理可有效减缓草地侵蚀强度，各措施的产流产沙规律在不同降雨、土壤条件下存在差异。枯草覆盖和水平沟的对草地侵蚀阻控效应较好，累积减流率分别在73.47%～81.26%和65.91%～77.02%之间，累积减沙率分别在90.11%～96.99%和74.19%～74.72%之间，可在新疆草地水土流失防控以及区域防洪减灾工作中推广和应用。