朱燕琴， 赵志斌， 齐广平*， 康燕霞

(1. 甘肃农业大学水利水电工程学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 甘肃省水利厅水土保持局， 甘肃 兰州 730030)

黄土高原丘陵沟壑区自然地理条件复杂，是我国水土流失最严重，生态环境最脆弱的地区之一，土壤侵蚀模数为2 500～15 000 t·km-2·a-1，最严重的地区在2万t·km-2·a-1[1]。植被可以涵养水源改良土壤，增加地面覆盖防止水土流失，通过改善植被是水土流失治理的根本措施[2]。为此，国家推出了一系列退耕还林还草的治理方略。不同植被类型水土保持效果方面：李淼等[2]、姜娜等[3]在黄土高原不同坡地利用方式的水土流失研究表明，草灌林等植被类型在保持水土的作用方面明显高于坡耕地；寇馨月等[4]在南方红壤区也得出相同的结论，较农地和裸地，林地入渗能力增强，降低了径流量和产沙量；徐佳等[5]对黄土坡面不同植被恢复阶段的减流减沙效益进行了对比，得出了减流减沙效益林地>灌木林>草地>耕地的结论。大量文献集中在植被类型及其结构层次(包括冠层、枯落物层和土壤层)的减流减沙效应[5-6]，不同植被类型水土保持功能的对比研究[7-9]，对指导不同区域水土保持做出了重要贡献。

土壤侵蚀的程度、分布规律、发生频率等特征都与降雨特性存在着极为密切的关系[10]。次降雨产流是坡地土壤侵蚀源动力，是影响坡面土壤侵蚀的关键因素[11]。顾璟冉等[12]对黔西高原地区侵蚀性降雨的特征进行了分析，认为侵蚀性降雨的特征与土壤侵蚀的研究密切相关，中雨以上降雨事件的产沙量约占总产沙量的99%。何杨洋等[13]运用统计方法，分析了密云水库上游流域的次降雨、产流产沙特征，认为不同土地利用方式减流效益受到雨型的影响，而耕地、草地和林地的减沙效益受雨型影响差别不大。黄俊等[11]、寇馨月等[14]对南方红壤区坡面次降雨产流产沙特征和影响因素进行了研究，确定径流含沙量和土壤流失量随降雨侵蚀力分别呈对数递增和线性递增的函数关系，并构建了次降雨径流泥沙计算模型。对于降雨和侵蚀的关系，不同研究结论并不一致[14-16]。针对每个特定区域应根据具体情况具体分析研究，才能准确识别区域水土流失规律，提出有效防治措施，制定科学的管理对策。

统计资料表明[17-18]：黄土丘陵沟壑区每年能产生径流的降雨次数为5次左右，占年降雨总次数的6%，中雨和大雨是侵蚀性降雨的主要类型。以坡面作为土壤侵蚀的组成单元，针对不同植被类型次降雨产流产沙特征的研究，可为区域水土流失模型的建立提供参考，是黄土高原水土流失研究不可缺少的重要环节[19-21]。但是，目前针对不同植被类型的产流产沙与降雨特征关系研究还很少。安家沟小流域水土保持区划属黄土丘陵沟壑区第Ⅴ副区，具有沟壑区半干旱生态环境的典型特征，是半干旱黄土丘陵沟壑区的典型代表，治理历史长，本研究针对该流域不同植被类型次降雨入渗、产流产沙特征进行研究，为今后黄土丘陵沟壑区水土保持优化配置提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

安家沟流域是黄河流域祖历河水系的一级支沟，流域紧邻定西市区，地理位置104°38′13″～104°40′25″ E，35°33′02″～35°35′29″ N，面积为8.56 km2，海拔1 900～2 250 m。水土保持区划属黄土丘陵沟壑区第Ⅴ副区，属于典型的半干旱黄土丘陵沟壑区。该流域内年均气温6.3℃，年均降水427 mm，其中60%以上集中在7―9月，且多暴雨，流域蒸发量1 510 mm，干燥度1.15，属于中温带半干旱气候。

本流域内所见土壤类型，主要是发育在沟间地黄土上的黄绵土和沟道盐渍土，坡面黄土深厚，质地属粉壤土，0～200 cm土壤容重1.09～1.36 g·cm-3，平均1.2 g·cm-3左右，土壤孔隙率平均约55%，有机质含量介于0.37%～1.34%之间。流域土地总面积为8.56 km2，其中梯田387.63 hm2，占45.28%；坡耕地32.64 hm2，占3.81%；荒地74.72 hm2，占8.73%；草地46.08 hm2，占5.38%；乔木林93.57 hm2，占10.93%；灌木林165.00 hm2，占19.28%。全流域共有野生植物23科、79种，栽培植物23科、64种。乔木种主要有油松(Pinustabuliformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、山杏(Armeniacasibirica)等，灌木有沙棘(Hippophaerhamnoides)、柠条(Caraganakorshinskii)，草本植物为紫花苜蓿(Medicagosativa)、红豆草(Onobrychisviciaefolia)、本氏针茅(Stipacapillata)，主要的农作物有马铃薯(Solanumtuberosum)、春小麦(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)、胡麻(Linumusitatissimum)以及豌豆(Pisumsativum)等。流域土壤侵蚀严重，多年侵蚀模数3 280 t·km-2·a-1。本研究径流小区分别于2005年和2007年建成，植被类型分别为耕地(小麦)、草地(苜蓿)、荒地(冰草)、乔林(油松)、灌林(沙棘)5种类型，能够代表该流域的植被类型，坡度有5°，10°和15° 3个梯度，共15个径流小区，小区水平投影面积均为5 m×20 m，具体参数如表1所示。为了保证各小区下垫面条件基本一致，各径流小区采用相同的管理方式，小区内定期进行人工除草和清理积流池杂物。

表1 径流小区参数Table 1 Parameters of runoff treatments

1.2 试验材料与方法

本研究对安家沟流域15个径流小区2015年测定的侵蚀性降雨产流产沙资料进行了分析研究。径流小区观测内容主要有总降雨量、时段降雨量、降雨强度(I10、I30、平均雨强)等观测数据，采用自动气象站和虹吸式自计雨量计观测确定。径流量(m3)的测定在径流产生后，利用水尺读取各试验小区集流池水深，再根据集流池底面积计算径流总量(m3)。含沙量(g·L-1)的测定采用比重瓶法，先将池内的水和泥沙充分搅拌均匀，用取样瓶在不同区域取水样3个，体积均为500 mL，将水样过滤后烘干称重，计算水样的泥沙含量，取平均值。

径流深(mm)为径流量(m3)与径流小区面积(m2)之比；

径流系数(%)=径流深(mm)/同时段内降雨量(mm)×100%；

土壤侵蚀率(t·ha-1·h-1)=[径流量(m3)×含沙量(g·L-1)/1000]/[小区面积(m2)/10 000]/降雨历时(h)。

实验数据均来自自然降雨事件，由于自然降雨事件降雨强度相对于模拟降雨试验偏小，且次降雨历时均相对较短，次降雨过程中植被截留、土壤蒸发及填凹水量相对较小，可以忽略不计[11]。因此，入渗率可采用下式计算，R入渗=(RAIN-Run)/t，R入渗为入渗率(mm·min-1)，RAIN为降雨量(mm)，Run为径流深(mm)，t为降雨历时(min)。

中雨和大雨是黄土区侵蚀性降雨(本研究中称为有效降雨)的主要类型[17]。本研究降雨观测时段为2015年1月到2015年12月，各月的降雨量分布如图1所示。全年降雨总量452.4 mm，8-9月的降雨量达到191.7 mm，占全年降雨量的42.4%，全年有效降雨量166.1 mm。发生产流的最小雨量12.6 mm，最大次降雨量37.9 mm，按照气象学上的雨量分级标准2015年的8次有效降雨均为中雨和大雨，具有一定的代表性。

降雨侵蚀力(Re)的计算公式：Re=E×I30，式中：E为降雨动能，I30为最大30 min雨强。

实验共计120组(8组×15个径流小区)有效观测数据。使用SPSS20.0软件包进行数据处理，使用Excel2016软件包绘图。

图1 观测期月降雨量和产流降雨量Fig.1 Observed monthly rainfall and runoff rainfall

2 结果与分析

2.1 次降雨入渗速率

2015年径流小区产生径流的降雨次数为8次，降雨强度0.69～8.13 mm·h-1，雨强均较小，各处理次降雨入渗率的变化范围为0.6～7.8 mm·h-1。绘出不同处理的土壤入渗率与雨强之间的散点图(图2)，可以看出不同坡度下，不同处理的土壤入渗率均随着雨强的增大线性增大，它们之间的关系符合线性函数关系(P<0.01)，R入渗=aRp-b，式中：a、b为常数，Rp为雨强(mm·h-1)，决定系数(R2)达到0.95以上。这是因为对入渗率起关键作用的是水体自重力和雨滴打击土壤表层的冲力，雨强越大冲力越大，加速了水流的入渗速率，雨强是影响土壤入渗的关键因素。降雨初始阶段，入渗速率均表现为冰草地>苜蓿地>小麦地>沙棘林>油松林，但随着降雨历时的延长各处理入渗率逐渐减小，并趋向于稳定，降水的继续，使得土壤中大小孔隙均被填满，无法继续使土壤中的水保持快速的流动，到接近40 h时，各处理的入渗速率接近一致，入渗速率与降雨历时之间的关系可以用幂函数关系(P<0.01)表达，R入渗=at-b，a、b为常数，决定系数(R2)在0.7以上。由表2可知，在植被类型相同的情况下，3种坡度的土壤入渗率平均值非常接近，各处理间差异不显著(P>0.05)，因此可以认为坡度对土壤入渗率基本无影响。

图2 各处理入渗率与雨强和降雨历时的散点图Fig.2 Scatter diagram between infiltration rate and rainfall intensity and duration under different treatments

2.2 次降雨产流系数

由表2径流系数平均值统计结果可知，油松林在3种坡度下的径流系数均最大(15.97%～19.88%)，小麦地(10.91%～17.32%)和沙棘林(9.51%～17.47%)次之，冰草地(4.62%～8.30%)和苜蓿地(6.82%～10.66%)的径流系数最小，15个处理在坡长和土壤类型基本一致的条件下，径流系数产生差异主要跟植被种类、盖度和坡度有关。灌草类植物冰草、苜蓿的盖度分别在90%和80%以上，沙棘的盖度只在20%以上，径流系数冰草地<苜蓿地<沙棘林，冰草地、苜蓿地的径流系数均显著低于沙棘林(P<0.05)，高覆盖度对减少产流汇流发挥了重要作用。农地于7月15日收割后近似为裸地，但对小麦地进行的耕作等农业措施，使得地表结构疏松，土壤的入渗能力增强，径流系数并不是所有处理中最大的。单一的油松林地径流系数均显著高于苜蓿地和冰草地(P<0.05)，是苜蓿地和冰草地的2～3倍，除了林龄小，郁闭度低，这可能还与油松林地表层土壤较宽的斥水性等级[22]和缺少地被植物有关。相对植被类型，坡度对径流的影响相对较小，总体来看径流系数随着坡度的增大呈缓慢增大的趋势，沙棘林10°和15°显著高于5°(P<0.05)，小麦地15°显著高于10°和5°(P<0.05)，其它植被类型的径流系数在坡度间并未产生显著性差异。

表2 各处理平均入渗率、径流系数和含沙量Table 2 Average infiltration rate,runoff coefficient and sediment concentration under different treatments

注：表中同一列数据有不同小写字母表示不同处理各指标间的差异显著(P<0.05)

Note:Values with different lowercase letter within the same column indicate significant difference among the indexes of different treatments at the 0.05 level

图3 各处理径流系数与雨量的散点图Fig.3 Scatter diagram between runoff coefficient and rainfall

2.3 次降雨径流产沙系数

坡面径流的含沙特征是研究坡面侵蚀产沙的重要内容，含沙量能够说明水流的携沙能力。各处理含沙量均值比较结果表明(表2)：小麦地的径流含沙量均高于其它处理，排序依次为小麦地(16.49～22.71 g·L-1)>苜蓿地(12.66～16.91 g·L-1)>沙棘林(7.04～11.8 g·L-1)>油松林(6.95～7.78 g·L-1)>冰草地(5.53～7.71 g·L-1)，且差异随着坡度的增大而增大，在10°和15°时，小麦地的含沙量为19.7，22.7 g·L-1，显著高于沙棘林、油松林、冰草地(P<0.05)，分别是油松林和冰草地的3～4倍。坡度对含沙量也产生了影响，随着坡度的增大不同植被类型的径流含沙量逐渐增大，但增加的幅度很小，相同植被类型在不同坡度间并未产生显著性差异(P>0.05)。

降雨侵蚀力是降雨引起土壤潜在侵蚀的能力，能够反映降雨特性对土壤侵蚀的能力，是建立通用土壤流失方程USLE的最基本因子之一。图4为含沙量和土壤侵蚀率与降雨侵蚀力的散点图。含沙量(S)和土壤侵蚀率(ER)均与降雨侵蚀力(Re)呈正相关变化关系，这与Cerdà等[23]的研究结果一致。各处理的含沙量和土壤侵蚀率均随降雨侵蚀力的增大而增大，这是因为降雨侵蚀力越大，雨滴打击，导致土壤颗粒分散成泥沙，提升了径流中的泥沙质量浓度。含沙量与降雨侵蚀力之间呈线性正相关关系(P<0.01)，S=aRe(a-常数)，决定系数(R2)在0.67以上。各处理径流含沙量在降雨侵蚀力较小时大致相同，但随着降雨侵蚀力的增大，不同植被类型径流含沙量产生差异，尤其小麦地和苜蓿地变幅很大，含沙量随降雨侵蚀力的增大增速很块，含沙量增速依次为小麦地>苜蓿地>冰草地>沙棘林>油松林，由此可见，林地受到降雨侵蚀力的影响较小，随着降雨侵蚀力的增大，产沙量的增速最小，草地的增速略高于林地，农地的增速最大。

图4 含沙量和土壤侵蚀率与降雨侵蚀力的散点图Fig.4 Scatter diagram between sediment concentration and soil erosion rate and rainfall erosivity under different treatments

土壤侵蚀率是衡量土壤侵蚀程度的一个量化指标，随着降雨侵蚀力的增大径流携沙输沙能力增大，土壤侵蚀加剧，土壤侵蚀率与降雨侵蚀力表现为递增的变化规律，二者间可采用二次函数进行描述：SL=aRe2+bRe+c，a、b、c为方程拟合参数(P<0.01)，决定系数(R2)在0.76以上。也有研究表明[11]，在红壤土条件下土壤侵蚀率与降雨侵蚀力呈线性正相关关系，这可能与土壤特性和降雨特征都有密切的关系。

3 讨论与结论

入渗率是影响坡面产流汇流的重要因素，是土壤入渗能力的定量表示。油松林、灌木林、农地、草地的土壤入渗率均与雨强呈线性递增关系，且随着降雨历时的推进，在入渗初期入渗率降低的幅度很快，随后逐渐减小并趋于稳定，入渗率与降雨历时之间呈幂函数关系，较好的符合了考斯恰可夫入渗模型，这与杨永辉等[24]、陈三雄等[25]在宁南黄土丘陵区针对不同植被下土壤入渗性能的研究结果相一致。

不同植被类型条件下，油松林的径流系数最大，小麦地和沙棘林次之，冰草地和苜蓿地的径流系数最小，油松林的径流系数是苜蓿地和冰草地的2～3倍。因此，灌草林对水土保持的效果要明显高于农地，单一的乔木林对径流没有明显的截流效果。径流系数(1%～28%)与降雨量之间符合幂函数关系(P<0.05)。

径流含沙量小麦地>苜蓿地>沙棘林>油松林>冰草地，在10°和15°时，小麦地的含沙量显著高于沙棘林、油松林、冰草地(P<0.05)，分别是油松林和冰草地的3～4倍。这是因为对小麦地进行的翻耕致使土壤表层疏松易蚀，土壤的抗冲刷能力减弱。沙棘、油松、冰草等植物根系固结土壤，增强了土壤结构的稳定性，增强了土壤的抗蚀、抗冲刷性。由此可见，草灌木、林地对减沙的作用高于耕地，冰草地进行了封禁措施，覆盖度高达90%以上，有利于土壤水源涵养和保持土壤能力，水土保持效果最好[26-27]。

径流含沙量和土壤侵蚀率均与降雨侵蚀力呈正相关关系(P<0.01)，可分别采用线性函数和二次函数进行定量描述。径流含沙量随着降雨侵蚀力的增速依次为小麦地>苜蓿地>冰草地>沙棘林>油松林，单一的油松林结构缺少地被植物径流量较大，但其减沙效果却非常显著。总体来看，林地受到降雨侵蚀力的影响较小，随着降雨侵蚀力的增大，产沙量的增速最小，草地在高覆盖度的情况下，消减了降雨侵蚀动能，保持了良好的水土保持功效。但是在黄土丘陵区苜蓿覆盖度达到80%仍不具有减沙的功效。因此，不同的植被类型在不同阶段的水土保持功能不相同，在水土保持措施中要充分利用林草的合理配合，发挥其整体功能。