王诗星，吕锡芝，魏义长，李岩朋

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.忻州市水利工程建筑公司，山西 忻州 034000)

黄土高原是我国水土流失最严重的地区之一，常年的水土流失使土地生产力逐渐下降，河道淤积，危及区域粮食安全和经济发展。很多学者对黄土高原地区的水土流失规律[1-3]进行了大量研究，但研究成果多集中于人工模拟降雨[4-5]或天然降雨条件下[6-8]栽植多年的植被坡面的产流产沙特征[9-13]，而对新栽种植被坡面在不同降雨类型下的水土保持效应研究较少。因此，本研究以黄土高原新栽植植被坡面——林地、牧草地和农地为研究对象，采用实测降雨，分析3种植被坡面在坡度和降雨影响下的产流产沙特征，探索其水土保持效益，希望能为黄土高原水土保持工作提供科学依据。

1 研究区概况

选择在黄河水利委员会天水水土保持科学试验站内的罗玉沟流域试验站开展试验。罗玉沟流域属黄河中游黄土丘陵沟壑区第三副区，是渭河一级支流藉河的一条支沟，地理位置介于105°30′30″～105°44′20″E、34°35′20″～34°39′20″N之间；属大陆性季风气候区，冬春干旱少雨，夏秋降水集中，年均降水量531.1 mm，年均气温10. 7 ℃，年无霜期184 d；以黄土梁状地貌为主，地面坡度较缓，15°以下的缓坡地占48.4%，15°～25°的坡地占28.0%，25°以上的陡坡地占23.6%；土壤类型主要为山地褐色土、山地灰褐土和冲积土，还有黑色土、黑砂土和粗骨土；土地利用类型主要为林地、草地、农田和果园，自然植被覆盖较好，植被覆盖度约45%，植被种类中乔木以国槐、白杨和经济林木为主，草本植物以小冠花、车前、龙须草等为主。

2 研究方法

2.1 径流小区设置

在罗玉沟流域试验站东北部的坡耕地上选择9个标准径流小区进行试验，小区基本情况见表1。其中：C1、D1、E1小区为林地(新栽植杏树)小区；C2、D2、E2小区为牧草地(小冠花)小区，每年收割两次；C3、D3、E3小区为农地(冬小麦)小区，每年9月份种植，来年6月份收割。小区的长边与坡地流水线平行，上、下边与等高线平行，水平投影面积为100 m2；在长边和上边设置护埂，护埂采用预制混凝土块制作，深40 cm，护埂外设置宽2 m的保护带；小区下方配备有集流池，用来收集小区径流泥沙，采用钢筋混凝土现浇，无盖，底部设有排水孔。

表1 各径流小区基本情况

2.2 试验设计和数据处理

本研究以新栽植杏树、冬小麦和小冠花3种植被小区作为林地、农地、牧草地3种土地利用类型的典型代表进行自然降雨条件下的坡面侵蚀试验，分析不同坡度、不同雨型小区的产流产沙效应。观测期为2008年5月至2010年10月，从观测期的降雨事件中选取13场具有完整产流产沙实测资料的侵蚀性降雨进行分析。利用Excel 2007处理产流产沙数据，采用SPSS 22.0进行双向变量相关性分析和聚类分析。

3 结果与分析

3.1 不同坡度下小区的产流产沙效应分析

3.1.1 产流分析

不同坡度下不同植被小区的产流情况见表2。坡度10°时，各小区中平均产流量最小的是林地(0.29 m3)，农地(0.41 m3)次之，牧草地(0.46 m3)最大；坡度15°时，林地(0.14 m3)最小，牧草地(0.40 m3)次之，农地(0.47 m3)最大；坡度20°时，牧草地(0.22 m3)最小，林地(0.23 m3)次之，农地(0.56 m3)最大。相比牧草地和农地，林地总产流量分别减少了39.23%和54.35%，说明杏树相较于其他两种植被具有明显的减流作用。坡度10°和15°时，牧草地和农地耕作方式相同(等高耕作)且株高相近，地表径流量差异较小。但在坡度20o时，牧草地产流量与林地相近，明显小于农地，说明坡度较大时牧草地的水源涵养能力要优于农地。总体来说，平均产流量林地小区<牧草地小区<耕地小区。

表2 各小区的产流量

3.1.2 产沙分析

不同坡度下不同植被小区的产沙情况见表3。坡度10°时，林地平均产沙量(4.55 t/km2)最小，牧草地(11.54 t/km2)次之，农地(35.44 t/km2)最大；坡度15°时，牧草地(7.76 t/km2)最小，林地(14.47 t/km2)次之，农地(67.98 t/km2)最大；坡度20°时，林地(2.01 t/km2)最小，牧草地(6.71 t/km2)次之，农地(20.19 t/km2)最大。农地在各坡度小区中平均产沙量均为最大，总产沙量分别是林地和牧草地的5.88倍和4.75倍。林地具有截流、拦蓄的作用，对溅蚀冲刷有较强的抵抗能力。牧草地因其根系能够固结土壤、增加地面糙度，在一定程度上阻止了土壤侵蚀。总体来说，平均产沙量林地小区<牧草地小区<耕地小区。

表3 各小区的产沙量

3.2 不同雨型下小区的产流产沙效应分析

3.2.1 侵蚀性降雨分类

选取降雨量、平均雨强和降雨历时等降雨参数，通过聚类分析将13场侵蚀性降雨分为雨型Ⅰ和雨型Ⅱ两种，其中：雨型Ⅰ发生频数为9，降雨历时中心值为425.56 min，降雨量中心值为18.52 mm，平均雨强中心值为3.10 mm/h，特征为降雨历时短、降雨量小、平均雨强大；雨型Ⅱ发生频数为4，降雨历时中心值为1 122.5 min，降雨量中心值为27.35 mm，平均雨强中心值为1.45 mm/h，特征为降雨历时长、降雨量大、平均雨强小。

3.2.2 不同雨型下小区的产流产沙

不同雨型下各小区的平均产流产沙量见表4。雨型Ⅰ、Ⅱ条件下，平均产流量均为林地小区<牧草地小区<农地小区。雨型Ⅰ条件下的平均产沙量牧草地小区<林地小区<农地小区，雨型Ⅱ条件下的平均产沙量林地小区<牧草地小区<农地小区。

表4 不同雨型下各小区的产流产沙量

3.3 小区产流产沙与降雨参数的关系分析

降雨是坡面发生水土流失的原动力。分析各场次侵蚀性降雨的特征参数(降雨量、平均雨强)及对应小区的产流、产沙数据发现(表5)：牧草地小区的产流量与降雨量之间存在极显著正相关关系；农地小区的产流、产沙量与降雨量之间呈显著正相关关系，产流量与平均雨强之间存在显著正相关关系。3种植被小区的产沙量与平均雨强之间均没有呈现出明显的相关性，这可能是因为13场侵蚀性降雨大部分降雨历时较长，平均雨强较小，地表径流只是带走坡面表层土，因此平均雨强与产沙量之间相关性较弱。

表5 各小区产流、产沙量与降雨参数相关性分析

4 结 论

对研究区2008—2010年林地、农地、牧草地小区进行自然降雨条件下的坡面侵蚀试验，分析不同植被小区在不同坡度、不同雨型下的产流产沙效应，结果表明：

(1)不同坡度各小区的产流量、产沙量均为林地小区<牧草地小区<耕地小区。

(2)雨型Ⅰ、Ⅱ条件下，各小区平均产流量均为林地小区<牧草地小区<农地小区。雨型Ⅰ条件下各小区平均产沙量牧草地小区<林地小区<农地小区，雨型Ⅱ条件下平均产沙量林地小区<牧草地小区<农地小区。

(3)牧草地小区产流量与降雨量之间存在极显著正相关关系；农地小区产流、产沙量与降雨量之间，产流量与平均雨强之间存在显著正相关关系；受平均雨强较小影响，3种植被小区产沙量与平均雨强之间均没有呈现出明显的相关性。