赵 阳,曹文洪,谢 刚,成 晨,殷小琳,刘 冰,张晓明

(中国水利水电科学研究院,流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100048)

黄土丘陵区小流域土地覆被变化对径流产沙量的影响

赵 阳,曹文洪,谢 刚,成 晨,殷小琳,刘 冰,张晓明*

(中国水利水电科学研究院,流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100048)

为探讨黄土丘陵区小流域土地覆被变化特征及其对流域径流产沙量的影响,以黄土丘陵区吕二沟、罗玉沟及其嵌套流域(桥子沟)等3个小流域为研究对象,运用数理统计学、配对流域等方法定量分析了3个小流域不同研究时段内土地覆被变化对径流产沙量的影响.结果表明,1982～2004年间,林地面积以1.07%/a的速率快速递增是吕二沟流域土地覆被变化的最明显特征,而罗玉沟流域在国家坡改梯工程影响下,坡耕地面积大幅减少,1986～1995年间约73%坡耕地转化为梯田;结合配对流域法可知,土地覆被变化是导致流域径流和产沙减少的主要原因,在相同降雨条件下,径流深、泥沙量分别减少43.76%和35.23%.流域年径流模数与年降水量和流域森林覆被率均呈指数关系,流域森林覆被率增加5%,径流模数可减少18.43%～37.58%.

黄土丘陵区；土地覆被变化；径流；产沙；配对流域法

土地覆被变化被认为是影响流域水文过程的关键因素之一[1].一方面,土地覆被变化会通过改变地表粗糙度及下垫面土壤物理特征,对地表径流、泥沙的产生、流域地下水形成以及水资源的时空分配造成影响[2-3];另一方面,土地覆被变化,尤其是森林面积变化会通过改变地表蒸散发特征,对流域水量平衡产生影响[4].黄土高原作为我国乃至全球水土流失状况最为严重的地区[5],近年来,随着开发建设项目的不断增多,人类活动强度的不断加大,区域土地覆被状况发生了较大变化,由其引发的区域环境改变已经对该地区生态环境、水土流失、水文水资源状况产生了重大影响,由此而引发的水资源减少以及水土流失问题,已经得到了国内外学者的广泛关注[6-8].为此,加强土地覆被变化下的水文响应研究,尤其是森林植被变化与水文过程的耦合作用研究,对理解黄土丘陵区水循环规律有重要的理论指导意义.

当前,流域尺度径流产沙对土地覆被变化的响应,尤其对森林植被变化的生态水文响应研究日益引发广泛关注[9-11].发展至今,有关植被与径流产沙的相关研究已较为深入.Imeson等[12]认为植被与径流产沙的相关研究可分为3类:其一,微尺度生物过程对土壤可蚀性的影响[13-14];二,探讨植被及地被物层如何减缓径流流速、减少雨滴击溅等[14];三,探讨空间非连续的植被分布格局与径流、产沙源汇区的相关关系[15-16].采用的方法主要包括:实验室模拟[17],野外配对流域观测[18],水文模型模拟[19-20],数理统计分析[11]等方法.本研究在结合前期工作基础之上,以黄土丘陵区3个小流域为对象,探讨了小流域尺度土地覆被变化对流域径流产沙量的影响,研究结果旨在为黄土丘陵区植被重建,水土资源合理配置以及改善流域水资源状况等提供参考.

1 研究区概况

吕二沟、罗玉沟流域及其嵌套流域(桥子沟)等3个小流域均位于甘肃省天水市境内(图1),属黄土丘陵沟壑区第三副区.罗玉沟流域多年平均降水量549mm,多年平均干旱指数1.3,年平均气温10.7℃;吕二沟流域多年平均降水量534mm,多年平均干旱指数为1.74;山地灰褐土是以上研究流域典型地带性土壤,其中,罗玉沟流域乔木树种主要有银白杨(Populus olba)、旱柳(Saliχ malsuclama Roidz)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabulaeformis)、侧柏(Platycladus orientalis)等;吕二沟流域上游农田较少,植被较好,主要树种为刺槐(Robinia pseudoscacia)、旱柳(Saliχ malsuclama Roidz)等.各流域具体信息见表1.

图1 研究流域位置示意Fig.1 Location of the study watersheds

表1 研究流域地形特征Table1 Topography character of the study watersheds

2 研究方法

2.1 流域降水、径流、泥沙资料收集

数据选用黄河水利委员会天水水土保持试验站罗玉沟、吕二沟以及桥子沟3个试验流域自1986～2004年(其中,由于观测站建站时间原因,吕二沟流域定位观测时间可延长至1982年)的定位观测的降水、径流、泥沙资料.

2.2 降水、径流、泥沙观测方法

研究流域降水量观测均使用JDZ-1型数字雨量计和筒径为20cm的雨量筒进行观测.其中,罗玉沟流域内均匀布设赵家湾,廖家陷等9个观测点;吕二沟流域内均匀布设6个观测点;桥子沟流域均匀布设4个观测点.

吕二沟、罗玉沟以及桥子西沟流域沟口径流站均为梯形断面,而桥子东沟径流站为三角形断面;径流流速采用浮标法测定;泥沙采用人工取样法观测,取样次数与测流次数基本相同,泥沙样采用置换法处理.

2.3 配对流域法

Huang(2003)等[21]研究认为配对流域法是研究小流域土地利用变化对径流影响的有效方法.目前,该方法已被广泛应用于流域尺度林水关系研究,尤其在研究森林采伐以及森林植被恢复对流域水沙过程影响等方面应用较为广泛[22].为研究流域土地覆被变化对径流泥沙的影响,本文采用配对流域法分析了相同降水条件下桥子东沟与桥子西沟流域径流产沙状况.

2.4 流域土地利用变化

选取罗玉沟流域1986、1995年TM影像、2004年的 spot影像以及吕二沟流域1982、1989TM影像、2004年SPOT影像,运用ERDAS IMAGINE软件和ArcGIS的空间分析功能,同时结合流域实测资料,得到研究流域不同时段的土地覆被情况.利用1:1万地形图为基准,利用二次多项式变化模型建立遥感影像和地形图间的像元对应关系,经几何校正的图像误差不超过0.5个像元.然后将校正后的影像进行拼接,采取人机交互式解译方法,参考研究区野外实测资料对研究区遥感影像进行解译,建立3期土地利用数据库,并参考《中国土地分类系统》(2001)[23],将土地利用类型分为6类:坡耕地、梯田、居民用地、果园、林地和草地.

3 结果与分析

3.1 流域土地覆被变化特征

图2 3个流域不同时期土地覆被类型变化Fig.2 Land cover change of the three watersheds in different period

由图2可知,坡耕地急剧减少,梯田迅速增加是罗玉沟流域1986～1995年间土地利用变化最明显的特征之一,随着20世纪80年代中后期流域坡改梯工程的大力实施,1986～1995年间,罗玉沟流域73%的坡耕地转化为梯田;此外,林地面积1986～2004年间增加5.32%,果园与居民用地面积均小幅增加,分别为0.38%和0.23%,草地面积呈减少趋势,研究时段内减少1.51%;就吕二沟流域而言,随着20世纪80年代中期封育等生态恢复治理工程的实施,林地面积逐渐增加,果园面积急剧减少是该流域研究时段内土地覆被变化的最明显特征,具体表现为:林地大幅增加24.52%,草地与果园大幅减少,分别为13.43%和10.24%,居民用地小幅增加0.63%,坡耕地和梯田小幅减少,分别为0.07%和1.41%;桥子沟作为罗玉沟流域的一个支沟,其土地覆被变化趋势与罗玉沟流域基本一致.具体表现为:近年来随着水土流失治理工程的实施及其他人为干扰的不断增强,桥子东沟流域土地利用发生剧烈变化,坡改梯工程致使坡耕地面积大幅减少47.83%,梯田面积大幅增加26.57%;随着后期退耕还林及开发建设项目的开展,梯田面积小幅缩小,林地等水土保持措施得到进一步推广,1986～2004年间林地面积增加17.98%,居民用地面积增加3.28%,而草地面积变化微小.桥子西沟作为对照流域,1986～2004年间,流域土地利用变化不大(图2).

3.2 流域降水径流输沙变化规律

3.2.1 流域降水年际变化特征 由图3知,罗玉沟和吕二沟流域降水量年际间呈现波动减少趋势,变异系数CV分别为0.22和0.27,说明吕二沟流域年降水量年际间波动幅度更大.此外,罗玉沟流域多年平均降水量为548.9mm;吕二沟流域多年平均降水量为579.1mm.2个研究流域年降水量均在2003年达到最大值,其中,罗玉沟流域2003年降水量达到842.01mm,而吕二沟流域2003年降水量达到923.05mm,年降水量极大值的出现与2个研究流域2003年8.25以及9.5特大暴雨的发生密切相关.

3.2.2 流域年径流输沙变化规律 径流系数是流域汇水面积内总径流量与降水量的比值,在降水类型变化不大情况下,它能在一定程度上排除降水因素对径流的影响,可综合反映流域内自然地理要素对径流的影响.由图4可知,罗玉沟流1986～2004年间径流系数呈现明显减少趋势( P=0.004),且变异系数CV为0.83,说明流域径流系数年际间离散程度较高,变化差异较大,其中,流域径流系数最大值出现在1988年,1997年达到最小值;吕二沟流域径流系数同样呈现减少趋势,但减少趋势并不明显( P=0.083),变异系数CV为0.95,吕二沟流域径流系数最大值出现在1997年.结合流域降水年际变化特征分析(图3)及相关文献资料可以发现[20],罗玉沟及吕二沟流域研究时段后期年径流系数出现较大波动的原因主要与流域内降雨类型年际变化相关.参考相关研究结果可以发现[20,22],罗玉沟流域侵蚀性降水占流域降水比例1986～2004年间变化不明显,但1988、1999、2001以及2003年汛期均有特大暴雨、暴雨出现;吕二沟流域1985、1997、2003年侵蚀性降水同样较多.暴雨情景下,流域产流形式多以超渗产流为主,为此,暴雨等极端天气的出现是流域年径流系数发生较大波动的主要原因.此外,由图5可知,2个研究流域输沙量变化趋势与流域径流变化趋势基本一致,总体呈下降趋势,说明流域径流输沙关系具有一致性,即径流较大的年份对应输沙量较大.

图3 罗玉沟和吕二沟流域降水量年际变化趋势Fig.3 Trend analysis of precipitation in Luoyugou and Lvergou, respectively

图4 罗玉沟、吕二沟流域径流系数趋势Fig.4 Trend analysis of runoff coefficient in Luyugou and Lvergou, respectively

3.3 流域土地覆被变化对径流输沙的影响

结合 Zhao等[24]相关研究,罗玉沟流域年径流率在1994年前后发生突变减少,且研究结果表明人类活动引发的土地覆被变化是引起流域径流减少的主要因素,这与该流域20世纪90年代初期大规模土地利用类型转化密切相关[25].根据刘昌明等[26]、吴家兵等[27]相关研究成果,黄土高原地区进行坡耕地梯田化改造后,可做到拦蓄70%～95%的地表径流,黄土高原森林减少年径流一般值大约在37%以上,这与本研究得出的径流泥沙减少趋势一致.吕二沟流域径流泥沙同样在20世纪90年代初期发生锐减,这与1982～1989年间流域林地面积大幅增加(约13.62%)密不可分.考虑到在黄土丘陵区,土壤侵蚀的产生通常是由暴雨导致的,因此,为分析验证流域土地覆被变化对径流产沙的影响,选取桥子东沟及桥子西沟流域几次相同降雨,分析了流域土地覆被变化下的径流产沙响应.由表2可知,桥子东沟流域作为水土流失治理流域,在次降水量相同的情况下,径流深及输沙量明显小于桥子西沟,平均减少率分别为43.76%和35.23%,说明以梯田、林地面积增加,坡耕地面积减少为主要特征的土地植被覆盖变化对于流域径流输沙量有明显减少作用.

图5 罗玉沟、吕二沟流域输沙量趋势Fig.5 Trend analysis of sediment yield in Luoyugou and Lvergou, respectively

表2 典型次降雨径流产沙对比分析Table2 Comparison on runoff and sediment yield in single storm

3.4 森林植被变化与流域径流变化关系

由土地覆被变化分析表明,罗玉沟流域坡耕地、梯田面积在研究时段内变化幅度较大,刘昌明等[26]相关研究已表明黄土高原地区进行坡耕地梯田化改造后,可做到拦蓄70%～95%的地表径流,可见,坡改梯工程的实施在拦蓄径流方面发挥着巨大作用.然而,森林覆被率增加同样作为研究区域研究时段内土地覆被变化的明显特征,森林覆被率变化与径流变化相关关系如何,有待进一步分析.因此,为进一步探讨流域森林植被变化对流域径流的影响,根据上述3个流域多年降水、径流和森林植被变化情况,分别建立了3个流域径流模数与年降水量、流域森林覆被率的统计关系模型:

式中:R为流域年径流模数,m3/(km2⋅a);P为年降水量,mm;C为流域森林覆被率,%.

从式(1)～式(3)可见,流域年径流模数与年降水量和流域森林覆被率均呈指数关系,其大小随年降水量增大而增加,随森林植被覆被率的增加而减少.将式(1)～式(3)可归纳为:

式中:a,b,d 为系数.

利用式(1)～式(3),假设年降水为流域研究时段内多年平均降水量,即罗玉沟流域548.9mm,桥子沟流域529.7mm,吕二沟流域579.1mm,得到流域年径流模数与不同森林覆被率的关系(图6).由图6可知,3个流域森林覆被率>30%时,流域径流模数绝对值随森林面积增加呈缓慢减少趋势,而当流域森林覆被率<30%时,随林地面积增加,径流模数绝对值减小明显,因此,30%可作为当地以水源涵养为目标的流域适宜森林覆被率参考阈值.同时,根据式(1)～式(3),可推算出,当流域森林覆被率增加5%,则罗玉沟流域、桥子沟流域和吕二沟流域径流模数分别减少37.58%、19.29%和18.43%.从减少土壤侵蚀,涵养水源、缓解农林用地矛盾角度而言,30%可以作为流域以涵养水源为目标的流域适宜覆被率.因此,当流域森林覆被率达到适宜覆被率后,切忌盲目造林,以缓解粮食短缺等造成的农林用地矛盾.

图6 流域森林植被覆被率与径流模数关系Fig.6 The relationship of forest coverage and runoff modulus

4 结论

4.1 黄土丘陵区3个流域在研究时段内土地覆被发生深刻变化,其中,罗玉沟流域在国家坡改梯政策的影响下,流域土地覆被在20世纪90年代初期发生巨大变化,约73%的坡耕地转变为梯田;林地面积逐年增加是吕二沟流域研究时段内土地利用变化的最明显特征,年增长率达到1.07%.4.2 3个流域在研究时段内径流率以及输沙量均呈现出不同程度的减少趋势,在次降水量相同情况下,流域径流深及输沙量分别平均减少43.76%和35.23%,说明土地覆被变化对流域径流输沙量有明显减少作用.

4.3 流域年降水量和森林覆被率与流域径流模数之间呈指数关系,其关系式可表示为.利用该式对3个流域分析表明,若流域森林覆被率增加5%,则径流模数可减少18.43%～37.58%.

[1] Hörmann G, Horn A, Fohrer N. The evaluation of land-use options in mesoscale catchments: Prospects and limitations of eco-hydrological models [J]. Ecological Modelling,2005,187(1):3-14.

[2] Schilling K E, Chan K S, Liu H, et al. Quantifying the effect of land use land cover change on increasing discharge in the Upper Mississippi River [J]. Journal of Hydrology,2010,387(3):343-345.

[3] Li HuiYun, Zhang Yong Qiang, Wang Ben De. Separating impacts of vegetation change and climate variability on streamflow using hydrological models together with vegetation data [J]. Science China,2012,55(7):1964-1972.

[4] 莫兴国,刘苏峡,林忠辉,等.无定河流域水量平衡变化的模拟[J]. 地理学报,2004,59(3):341-348.

[5] 张晓明,余新晓,武思宏,等.黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用/土地覆被变化对径流产沙的影响 [J]. 北京林业大学学报,2007,29(6):115-122.

[6] Wang S, Zhang Z, Sun G, et al. Long term streamflow response to climatic variability in the Loess Plateau, China [J]. Journal of the American Water Resources Association,2008,44(5):1098-1107.

[7] Huang M, Zhang L, Gallichand J. Runoff responses to afforestation in a watershed of the Loess Plateau, China [J]. Hydrological Processes,2003,17(13):2599-2609.

[8] 陈利群,刘昌明.黄河源区气候和土地覆被变化对径流的影响[J]. 中国环境科学,2007,27(4):559-565.

[9] Blackburn W H, Wood J C, Dehaven M G. Storm flow and sediment losses from site-prepared forestland in east Texas. Water Resources Research,1986,22(5):776–784.

[10] Sun G, McNulty S G, Lu J, et al. Regional annual water yield from forest lands and its response to potential deforestation across the southeastern United States [J]. Journal of Hydrology,2005,308(1):258-268.

[11] Wang Y, Yu P, Feger K H, et al. Annual runoff and evapotranspiration of forestlands and non-forestlands in selected basins of the Loess Plateau of China [J]. Ecohydrology,2011,4(2):277-287.

[12] Imeson A C, Prinsen H A M. Vegetation patterns as biological indicators for identifying runoff and sediment source and sink areas for semi-arid landscapes in Spain [J]. Agriculture, Ecosystems and Environment,2004,104(2):333-342.

[13] Cammeraat L H, Imeson A C. Deriving indicators of soil degradation from soil aggregation studies in southeastern Spain and southern France [J]. Geomorphology,1998,23(2):307-321.

[14] Tongway D, Hindley N. Assessing and monitoring desertification with soil indicators [M]. Rangeland desertification. Springer Netherlands,2000:89-98.

[15] Sanchez G, Puigdefabregas J. Interactions of plant growth and sediment movement on slopes in a semi-arid environment [J]. Geomorphology,1994,9(3):243-260.

[16] Bochet E, Rubio J L, Poesen J. Relative efficiency of three representative matorral species in reducing water erosion at the micro scale in a semi-arid climate (Valencia, Spain) [J]. Geomorphology,1998,23(2):139-150.

[17] 屈丽琴,雷廷武,赵 军,等.室内小流域降雨产流过程试验 [J].农业工程学报,2008,24(12):25-30.

[18] Bi H, Liu B, Wu J, et al. Effects of precipitation and landuse on runoff during the past50years in a typical watershed in Loess Plateau, China [J]. International Journal of Sediment Research,2009,24(3):352-364.

[19] Im S, Kim H, Kim C, et al. Assessing the impacts of land use changes on watershed hydrology using MIKE SHE [J]. Environmental Geology,2009,57(1):231-239.

[20] 张由松,肖自幸,牛健植,等.基于 GIS的罗玉沟流域降雨侵蚀力时空分布规律研究 [J]. 湖南农业科学,2011,(15):87-90.

[21] Huang M, Zhang L, Gallic hand J. Runoff responses to afforestation in a watershed of the Loess Plateau, China [J]. Hydrological Processes,2003,17(13):2599-2609.

[22] 王瑞芳,秦百顺,黄成志,等.罗玉沟流域典型暴雨洪水及其产沙特性 [J]. 中国水土保持科学,2008,6(4):12-17.

[23] 中华人民共和国国土资源部.中国土地分类系统(国土资发[2001]255号)[EB/OL].

[24] http://www.360doc.com/content/12/0202/12/8533258_183610719.shtml/2001-08-21.

[25] Zhao Y, Yu X. Effects of climatic variability and human activity on runoff in the Loess Plateau of China [J]. The Forestry Chronicle,2013,89(2):153-161.

[26] 韩洁春.罗玉沟流域土地利用变化的水文响应研究 [D]. 北京:北京林业大学,2011.

[27] 刘昌明,钟骏襄.黄土高原森林对年径流影响的初步分析 [J].地理学报,1978,33(2):113-125.

[28] 吴家兵,裴铁璠.长江上游、黄河上中游坡改梯对其径流及生态环境的影响 [J]. 国土与自然资源研究,2002,(1):59-61.

致谢：本研究数据处理工作在北京林业大学涂志华、贾剑波博士等协助下完成,在此表示感谢.

Effect of land cover change on runoff and sediment yield of small watershed in Loess Hilly-gully region.

ZHAO Yang, CAO Wen-hong, XIE Gang, CHENG Chen, YIN Xiao-lin, LIU Bing, ZHANG Xiao-ming*
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Beijing100048, China). China Environmental Science,2014,34(8)：2111～2117

To explore the impacts of land cover change on runoff and sediment yield in Loess Hilly-gully region, Lvergou watershed, Luoyugou watershed and her son basins of Qiaozigou in the study region were selected as the research objects. Mathematical statistics method and paired catchments approach were applied to analyze the effect of land cover change on runoff and sediment yield. Brief conclusions can be drawn as follows: The rapid increase of forest land at the rate of1.07% per year was the most obvious features of the land cover changes in Lvergou watershed during the period of1982-2004. Moreover, under the influence of terracing sloping fields, about73% of sloping farmland was converted to terraces in Luoyugou watershed during the period of1986-2004. Combined with the paired catchments approach, land cover change was the strongest contributor to the reduction in annual runoff and sediment yield of watersheds, and the average reduction rate reached43.76% and35.23% under the same rainfall condition, respectively. Annual runoff modulus and precipitation and forest cover rate were significantly correlated, and showed an exponential relationship for each watershed during the study period. When the forest cover rate increased by5%, the runoff modulus decreased by18.43% to37.58%.

t：loess hilly-gully region；land cover change；runoff；sediment yield；paired catchments approach

X53,F301.24

：A

：1000-6923(2014)08-2111-07

赵 阳(1986-),男,河北枣强人,工程师,博士,主要从事流域生态水文、水土保持研究.发表论文30余篇.

2013-11-22

国家自然科学基金(51379008);流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题(2014QN04)

* 责任作者, 高级工程师, zxmwq@126.com