砒砂岩区沙棘减蚀机理及其影响因子研究

李敏 周珊珊 王普 杜海

［关键词］ 砒砂岩；水土流失；沙棘；减蚀机理

［摘 要］ 为揭示在次降雨（暴雨）条件下砒砂岩区沙棘的减蚀机理及其影响因子，采用逐步回归分析法对砒砂岩区两个水土保持监测站点的沙棘小区和裸地小区2022年观测数据进行了分析，结果表明：沙棘小区的水土流失量大幅少于裸地小区，仅为裸地小区的4%左右；裸地小区水土流失模型的第一影响因子为最大30 min降雨强度，而沙棘小区的第一影响因子是降雨侵蚀力，说明沙棘覆盖影响了水土流失成因，改变了产生水土流失的机理。

［中图分类号］ S157[文献标识码] ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.03.013

［引用格式］ 李敏，周珊珊，王普，等.砒砂岩区沙棘减蚀机理及其影响因子研究[J].中国水土保持，2024（3）：51-54，72.

砒砂岩区是黄土高原侵蚀最剧烈的区域，被中外专家称为“世界水土流失之最”，区域内土壤侵蚀模数高达3万～4万t/（km²·a）^[1]。砒砂岩中的蒙脱石、方解石和长石含量高，岩体孔隙微结构发育，是砒砂岩抗侵蚀性能差的主要原因^[2]，且砒砂岩成岩程度低，沙粒间胶结程度低，结构强度低，原岩颗粒粗，孔隙率大，遇水极易崩解，抗水流冲刷能力弱，因此在黄土高原其他地区治理水土流失效果较好的淤地坝、梯田、水平沟、鱼鳞坑等水土保持措施在砒砂岩区难以推广应用^[3]。

从1986年开始，黄河水利委员会沙棘办公室协同内蒙古自治区伊克昭盟（现鄂尔多斯市）先后实施了一系列砒砂岩区水土保持工程，形成了砒砂岩区水土流失治理的“沙棘模式”。1998年水利部沙棘中心启动实施了“晋陕蒙砒砂岩沙棘生态工程”，截至2020年底已种植沙棘55万hm²以上，对砒砂岩区减洪减沙起到了一定作用。吴永红等^[4]研究表明，2002—2008年随着皇甫川、孤山川、窟野河等黄河支流流域内沙棘林面积比例逐年增大，沙棘林的减洪减沙量也逐年增加，平均每年总减洪量480.84万m³、总减沙量302.65万t。大面积种植的沙棘对砒砂岩区水土保持减蚀如何作用，多年来一直是管理部门和科技工作者持续关注的问题。本研究应用砒砂岩地区水土保持监测站点2022年监测数据，对沙棘小区的次降雨（暴雨）水土保持减蚀机理及其影响因子进行了初步分析和探讨。

1 研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区准格尔旗圪坨店小流域水土保持监测站点和达拉特旗合同沟小流域水土保持监测站点均位于砒砂岩区。圪坨店小流域位于黄河一级支流塔哈拉川上游，流域面积7 km²。合同沟小流域位于黄河流域十大孔兑之一罕台川右岸的一级支流，流域面积127.31 km²。两条小流域均属黄河多沙粗沙国家水土流失重点治理区。

1.2 数据来源

1.2.1 降雨量

准格尔旗和达拉特旗多年平均降水量分别为386.4 mm和310.3 mm。2022年2条小流域各雨量站降水量及降雨侵蚀力统计结果见表1。

1.2.2 径流小区观测数据

两条小流域均按照5°、10°和15°共3个坡度分别设置了裸地和沙棘径流小区。2022年圪坨店小流域水土保持监测站点各径流小区均产流11次；合同沟小流域水土保持监测站点径流小区观测到的产流次数不同，其中16^#径流小区（15°沙棘）产流5次，10^#径流小区（10°沙棘）产流1次，4^#径流小区（5°沙棘）小区产流3次。径流小区基本情况和2022年观测数据见表2、见3。

1.3 研究方法

根据水文学和水土保持学基本原理，径流小区的次降雨（暴雨）侵蚀量变化遵循统计学规律，水土保持措施（沙棘林）的减沙效益亦遵循统计学规律。因此，将径流小区的次降雨（暴雨）侵蚀量的产生过程视为一个灰箱或者黑箱，采用逐步回归分析方法，筛选具有物理成因概念和含义的解释因子（自变量）进行计算处理，获得符合水文学和水土保持学基本原理、仿真模拟效果好的计算结果，分析砒砂岩地区沙棘种植对土壤侵蚀量的影响。理论和研究成果表明^[5-6]，土壤侵蚀量与降雨和沙棘覆盖等因子之间表现为非线性相关关系，因此本研究以非线性回归计算结果进行分析模拟。其中：圪坨店小流域径流小区产流次数较多，满足统计分析要求，采用回归分析方法分析；合同沟小流域径流小區产流次数较少，采用算术统计分析。

2 结果与分析

2.1 裸地小区水土流失状况及其影响因子分析

2.1.1 裸地小区水土流失影响因子分析

全国水土流失动态监测项目的径流小区监测数据主要包括降雨量、次降雨强度、最大30 min降雨强度（I₃₀）和降雨侵蚀力（降雨量和降雨强度的复合因子）等。基于此，本研究采用2022年圪坨店小流域裸地小区相关数据，用逐步回归分析法分别计算降雨量、次降雨强度、I₃₀、降雨侵蚀力及坡度等因子对裸地小区水土流失量的影响。在逐步回归计算过程中，I₃₀因子首先进入回归模型，模型相关系数达到了0.670 6，该因子“解释”了裸地小区水土流失量超过43.20%的变化；第二次筛选计算，坡度因子进入回归模型，模型的相关系数提高到0.813 0，两个因子共同“解释”了小区水土流失量接近63.83%的变化；第三次计算，又增加了降雨侵蚀力因子，使回归模型的相关系数达到0.858 1，3个因子共同“解释”了超过70.91%的水土流失量变化（见表4）。

从土壤侵蚀机理分析，砒砂岩地区地表裸露，土壤侵蚀首先产生于雨滴的击溅，降雨强度越大，产生的击溅效果越明显，因此I₃₀因子第一个进入回归模型，在总“解释力”中发挥了超过50%的作用。其次，坡度也是砒砂岩地区影响水土流失的重要因素，雨滴击溅和降雨径流冲刷造成的水土流失随坡度的变化而进一步变化，坡度因子的加入使回归模型的“解释力”增加了20%以上。最后，降雨侵蚀力因子作为补充因子添加到回归模型中，使回归模型增加了0.045 1的相关系数和7.08%的“解释力”。

为了分析各自变量因子在回归模型中对水土流失量的影响力，引入“标准化回归系数”指标（见表5）。从表5可以看出，在裸地小区水土流失回归模型中，I₃₀的标准化回归系数（0.456 6）和坡度的标准化回归系数（0.459 6）比较接近，二者明显大于降雨侵蚀力因子（0.348 2）。说明在砒砂岩地区，降雨强度和地面坡度为相对主要的因子，其次降雨侵蚀力也发挥了一定的影响。

2.1.2 裸地小区水土流失机理分析

通过对2022年圪坨店小流域3个裸地小区的11场降雨观测数据建立非线性水土流失模型，进一步分析砒砂岩区裸地小区水土流失特性。将影响力相对较小的降雨侵蚀力变量相对固定，即取降雨侵蚀力观测值的最大值（A曲面）、中值（B曲面）和最小值（C曲面）3个固定值，对坡度进行插值，做出三维图形（见图1）。

如图1所示，2个自变量为最小值时，3个曲面比较接近，图形开口很小；当2个自变量为最大值时，3个曲面的距离增大，图形开口变大。可见，小雨强和小坡度产生的水土流失量小，随着雨强的增加和坡度的增大，水土流失量迅速增加，这一现象符合以往的研究结果。由于裸地小区水土流失量对I₃₀和坡度因子的响应程度基本相同，因此该曲面从低到高，相对于I₃₀和坡度坐标大体对称。

此外，分析影响力相对较小的降雨侵蚀力对水土流失量的影响。当降雨侵蚀力为29 MJ·mm/（hm²·h）时，单位面积水土流失量为11.5 t/hm²；当降雨侵蚀力为1 025 MJ·mm/（hm²·h）时，单位面积水土流失量增加到22.5 t/hm²，此时降雨侵蚀力增加了超过30倍，但水土流失量仅增加了1倍多；当降雨侵蚀力再增加到2 022 MJ·mm/（hm²·h）时，单位面积水土流失量将超过44 t/hm²，此时降雨侵蚀力仅增加了近1倍，但单位面积水土流失量增加了约1倍。这说明在降雨侵蚀力相对较小时，降雨侵蚀力的变化对水土流失量的影响力相对较小，当降雨侵蚀力数值较大时，其变化对水土流失量产生的影响会明显增加。

2.2 沙棘小区减蚀机理及其影响因子分析

2.2.1 沙棘小区水土流失影响因子研究

基于2022年圪坨店小流域沙棘小区相关数据，采用逐步回归分析法分别计算降雨量、次降雨强度、I₃₀和降雨侵蚀力（降雨量和降雨强度的复合因子）等因子对沙棘小区水土流失量的影响。在逐步回归计算过程中，降雨侵蚀力因子首先进入回归模型，模型相关系数达到了0.765 0，该因子“解释”了小区水土流失量超过57%的变化；第二次筛选计算，坡度因子进入回归模型，模型的相关系数提高到0.858 3，两个因子共同“解释”了小区水土流失量71.71%的变化；第三次计算，又增加了I₃₀因子，使回归模型的相关系数达到0.907 8，三个因子共同“解释”了超过80%的水土流失量变化（见表6）。

通过对指数回归系数進行标准化（见表7），可以看出，降雨侵蚀力的作用（0.554 3）明显大于其余两个因子，坡度和I₃₀因子的作用比较接近。说明在砒砂岩地区由于沙棘的覆盖，首先在降雨量和降雨强度的双重（强化）作用下产生一定的水土流失，其次坡度和I₃₀也分别产生一定的影响。对照裸地小区水土流失模型，沙棘小区水土流失的主导因子发生了变化，I₃₀对地表的击溅侵蚀相对受到制约，需要降雨量的加持，形成地表径流冲刷坡面，再通过坡度因子的影响，产生水土流失。也就是说，受沙棘覆盖影响，与裸地相比，沙棘小区的水土流失响应机理发生了变化。

2.2.2 沙棘小区减蚀机理分析

降雨是产生土壤侵蚀的原动力，是造成水土流失的重要原因。沙棘覆盖地面，拦截降雨，增加土壤入渗，加上林下植被和枯落物，降低了雨滴对土壤的击溅，减少了地表降雨产生的径流，从而减少了因降雨产生的土壤侵蚀，减轻了水土流失。

对3个沙棘小区降雨观测数据建立非线性水土流失模型（见图2），把影响力相对较小的I₃₀变量相对固定。从图2可以看出，由于水土流失量对降雨侵蚀力因子响应敏感，因此该曲面呈从低到高（扭曲）偏向于降雨侵蚀力坐标，即坡度坐标处的水土流失量变化相对较缓，而降雨侵蚀力坐标处的水土流失量变化弧度更大。对比裸地小区模型，沙棘小区除了因植被覆盖使第一自变量变为降雨侵蚀力因子外，还使坡度因子在影响水土流失量的过程中发生了“钝化”，其影响力相对小于降雨侵蚀力因子。与裸地小区不同的是，沙棘小区曲面在两个自变量相对较小时，“匍匐地面”较显著，在降雨侵蚀力和坡度都增加后，水土流失量变化仍然不大。说明相对裸地小区，沙棘小区不仅水土流失量的绝对值减小，而且水土流失量随自变量变化而变化的“敏感度”降低了。

2.3 沙棘小区与裸地小区水土流失量对比分析

将圪坨店小流域和合同沟小流域沙棘小区和裸地小区的观测数据进行对比分析，见表8。从表8可以看出，2022年各坡度沙棘小区水土流失量均明显小于相同坡度裸地小区，沙棘小区的水土流失量仅是裸地小区的4%左右。

基于以上结果，I₃₀取实测值最大值，对圪坨店沙棘小区和裸地小区指数模型进行对比分析，见图3。由图3可以看出：首先，裸地小区水土流失量对降雨侵蚀力的响应曲面明显高于沙棘小区；其次，随着外界条件的变化，裸地小区曲面十分陡峭，而沙棘小区曲面相对平缓，说明沙棘的覆盖“钝化”了水土流失量对降雨和坡度响应的敏感性，即减少了水土流失。

3 结论

1）砒砂岩区沙棘覆盖小区的次降雨（暴雨）条件下水土流失机理与裸地小区略有不同：裸地小区水土流失直接来源于降雨强度和坡度的共同作用，而沙棘小区水土流失需要在降雨强度的基础上协同降雨量，形成降雨量和降雨强度复合因子（降雨侵蚀力），借此“冲击”沙棘植被“防线”，产生水土流失。受沙棘覆盖影响，相对于裸地，沙棘小区坡度因子的影响被“钝化”。

2）2022年圪坨店和合同沟沙棘小区单位面积水土流失量分别为3.34、8.33 t/hm²，沙棘小区单位面积水土流失量仅为裸地小区的4%左右，减蚀量分别为74.29 t/hm²和203.26 t/hm²。

[参考文献]

[1] 王愿昌，吴永红，李敏，等.砒砂岩地区水土流失及其治理途径研究[M].郑州：黄河水利出版社，2007：68-70．

[2] 姚文艺，李长明，张攀，等.砒砂岩侵蚀机理研究与展望[J].人民黄河，2018，40（6）：1-7，65.

[3] 肖培青，姚文艺，刘慧.砒砂岩地区水土流失研究进展与治理途径[J].人民黄河，2014，36（10）：92-94，109.

[4] 吴永红，胡建忠，闫晓玲，等.砒砂岩区沙棘林生态工程减洪减沙作用分析[J].中国水土保持科学，2011，9（1）：68-73.

[5] 杨振奇，郭建英，秦富仓，等.天然降雨条件下裸露砒砂岩区人工植被的减流减沙效应[J].水土保持研究，2022，29（1）：100-104，112.

[6] 秦富仓，董晓宇，杨振奇.裸露砒砂岩区人工林地侵蚀特征及其侵蚀量模拟研究[J].水土保持通报，2022，42（4）：9-17，41.

收稿日期： 2023-07-25

基金项目： 国家重点研发计划课题（2022YFF1300805）；黄河水利委员会优秀青年人才科技项目（HQK-202303）

第一作者： 李敏（1952—），男，江苏徐州人，教授级高级工程师，学士，主要研究方向为水土保持数学模型。

E-mail： limin173@sina.com

（责任编辑 李楊杨）