2017, Vol. 50文章信息
- 王国重, 李中原, 田颖超, 屈建钢, 徐建昭, 刘占欣, 闫东锋
- WANG Guozhong, LI Zhongyuan, TIAN Yingchao, QU Jiangang, XU Jianzhao, LIU Zhanxin, YAN Dongfeng
- 雨强和土地利用类型对豫西南山区产流产沙的影响
- Effects of rainfall intensity and land use on flow volume and sediment yield in Southwest Coteau of Henan Province
- 武汉大学学报(工学版), 2017, 50(2): 182-186
- Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(2): 182-186
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-02-004
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文章历史
- 收稿日期: 2016-02-10
2. 河南省水文水资源局，河南 郑州 450003;
3. 河南省水土保持监督监测总站，河南 郑州 450008;
4. 河南农业大学林学院，河南 郑州 450002
2. Hydrology and Water Resources Bureau in Henan Province, Zhengzhou 450003, China;
3. Soil and Water Conservation Supervision and Inspection Station in Henan Province, Zhengzhou 450008, China;
4. Forestry College of Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
降雨是流域产流产沙的先决条件，径流量和侵蚀量的多少不仅决定于降雨强度和降雨量，还取决于土地利用方式[1-4].人工降雨模拟方法是小尺度土地利用方式下土壤侵蚀研究的常用手段，可以检验天然降雨条件下得出的研究结论，也可以弥补自然降雨短期历时内无法获取研究结果的不足[5-8].早在20世纪30年代美国、前苏联就开始采用人工降雨方式开展土壤侵蚀和坡地产流产沙试验研究和水土流失监测[9].我国在这个研究领域起步较晚，直到20世纪50-60年代才开始这方面的试验研究，近年来，随着这种方法的推广应用，取得了大量成果[10-14].
丹江口水库是南水北调中线工程的水源区，其水质的优劣直接关系着南水北调工程的成败[15].丹江口水库的水源区因地形地貌、土壤植被、降雨和人为活动等影响，水土流失严重，如不加以控制，流失的土壤中携带的化肥、农药、杀虫剂残留物等污染物将日益加剧，范围不断扩大，直接影响丹江口水库水质[16, 17].本文选取河南南阳丹江口水库水源区常见的5种土地利用类型作为研究对象，使用中国科学研究院水土保持研究所的室内人工模拟降雨设备，研究不同降雨强度和土地利用方式对产流产沙的影响，为该区域的土地利用、水土保持和雨水资源高效利用提供依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于河南省西南部，涉及西峡、淅川、内乡、邓州、栾川、卢氏6个市(县)的45个乡镇，属于丹江口水库水源区.北边为海拔1 000 m以上的中山区，山高坡陡；南边为丹江口水库库区及环库丘陵垄岗区，地形破碎；中间属浅山区，沟壑纵横，地形十分复杂.该区域属亚热带季风型大陆性气候，多年平均降雨量为820 mm，降水年内分配不均，60%以上集中于汛期，暴雨集中，强度大，历时短，入渗有限，使得地表径流量较大，再加上山岭起伏，沟壑交错，使得水土流失严重.20世纪80年代以来，该区域以坡改梯、经济林草和坡面蓄排水工程为重点，开展山、水、田、林、路的综合治理，使水土流失得到了一定的控制.
1.2 研究方法 1.2.1 试验装置与材料本试验装置由人工降雨模拟装置系统、试验土槽、径流泥沙采样系统、径流量测系统等几个部分组成.
人工降雨装置由厚度2 mm的钢板制作，装置保持5°倾斜、总高度为1.6 m.孔径均匀的布水器设在装置上方，降雨高度为1.05 m，用转子流量计来控制雨强.土槽尺寸70 cm×40 cm×20 cm.径流出口尺寸为30 cm×3 cm×3 cm，径流出口处用水盆接流.
降雨强度依次设为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min.供试土壤采自研究区的5种土地利用类型：乔木林、灌草地、梯田、坡耕地、荒草地.采集方法：分别选择代表性样地，采集耕层(0~20 cm)的土壤，不过筛，保持原状运回实验室.由土壤容重和土槽的容积来计算土壤填充量，每填充2.5 cm，压实1次.在填充上层土料之前，疏松下层土壤表面，以防土层之间出现分层.
1.2.2 试验过程人工降雨试验于2012年4月至8月在中国科学院水土保持研究所进行，填装好1种土壤后，设置雨强为某个值，启动模拟降雨装置，等产流时开始计时，每10 min取1次水样和土样.径流流入接盆中后，静置10 min，取出500 mL、过滤，烘干称量后的土壤值为悬浮泥沙量，盆中剩余的土壤量为推移泥沙量，收集后烘干称重.100 min后，停止降雨，挖出土壤，装入另一种土壤，在同一雨强下，继续降雨试验.试验过的土壤，置于容器中，自然风干，等待下一个雨强使用.依次测定5种土壤在6个雨强下的产流产沙规律.
2 结果与分析 2.1 不同雨强和土地利用方式对地表产流量的影响6种降雨强度下，这5类土地利用方式中的产流量数据及其均值见表 1.由该表可知，5种土地利用类型的平均产流量随雨强的增加而增大，当雨强以0.5 mm/min为基础倍增时，相应产流量增加倍数依次为2.04、3.27、4.36、6.81、7.78，这表明，随着雨强的增加，降雨速度加快，逐渐超过土壤的实际下渗能力，土壤含水率逐渐饱和，更多的降雨转化为地表径流.6种雨强的平均产流量依次是：坡耕地>梯田>荒草地>乔木林>灌草地，坡耕地土壤的产流量是灌草地的1.19倍，是乔木林的1.16倍，荒草地的1.13倍和梯田的1.1倍.这表明林地和灌草地土壤的渗透性较好，能够减少地表径流，与刘道平[18]、陈松林[19]等人的研究结果一致.荒草地表面因为含有一定的土壤团粒，有一定的渗透性，在6种雨强下的平均产流高于林地和灌草地，梯田和坡耕地由于受人为和自然因素双重作用，土壤结构稳定性差，持水能力小，产流量相应较多.
| m3 | |||||||
| 土地利用方式 | 降雨强度/(mm·min-1) | 均值 | |||||
| 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | ||
| 坡耕地 | 0.009 0 | 0.018 0 | 0.032 5 | 0.035 0 | 0.054 3 | 0.067 9 | 0.036 1A |
| 梯田 | 0.006 9 | 0.013 6 | 0.030 7 | 0.032 3 | 0.052 3 | 0.060 7 | 0.032 8AB |
| 荒草地 | 0.007 3 | 0.013 6 | 0.021 4 | 0.037 4 | 0.051 6 | 0.060 0 | 0.031 9B |
| 乔木林 | 0.008 0 | 0.018 8 | 0.020 | 0.029 3 | 0.052 0 | 0.057 9 | 0.031 0B |
| 灌草地 | 0.007 3 | 0.014 6 | 0.021 6 | 0.033 8 | 0.052 0 | 0.053 0 | 0.030 4B |
| 均值 | 0.007 7F | 0.015 7E | 0.025 2D | 0.033 6C | 0.052 4B | 0.059 9A | |
运用SAS软件对这2种因素作用下的地表产流量进行LSD(最小显著差数法)检验，雨强的检验值LSD=0.004 2，任意2个雨强均值之间的差值若大于这个LSD值，表明这2列产流量测验值之间差异显著，将各雨强均值从大到小排序，在其后按照英文字母顺序加以标记，若小于则说明差异不大，标记相同的英文字母；土地利用的检验值LSD=0.003 8，同样的做法对各行测验均值予以标记，结果见表 1.从中可以看出：6种雨强下，荒草地、乔木林、灌草地的平均产流量差异不显著，坡耕地与这几类地差异显著，梯田居中；5类土地利用方式下各种雨强的平均产流量差异显著.
2.2 不同雨强和土地利用对土壤产沙量的影响由表 2可见，随着雨强的增加，5类土地利用方式的平均产沙量呈增加趋势，当雨强以0.5 mm/min为基础倍增时，相应产沙量增加倍数依次为5.41、10.22、12.52、20.07、49.56，由此可知，雨强对土壤产沙的作用大于产流作用.当雨强增加6倍(3.0 mm/min)时，相应的产沙量增加了49.56倍，说明雨强越大对土壤的侵蚀也越大.6种雨强的平均产沙量依次是坡耕地>梯田>荒草地>乔木林>灌草地，坡耕地的产沙量最大，分别是梯田的1.003倍、荒草地的2.4倍、乔木林的9.57倍和灌草地的15.65倍.坡耕地和梯田由于耕作，土壤表面抗冲刷能力较差，遇到降雨就会发生水土流失；荒草地由于表面有一定的团聚体结构具有一定的抗冲刷能力；林地和灌草地具有良好的土壤结构，对降雨的渗漏和通透性较好，抗侵蚀性较强[20]，因而产沙量较少.
| g | |||||||
| 土地利用方式 | 降雨强度/(mm·min-1) | 均值 | |||||
| 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 | ||
| 坡耕地 | 0.050 | 0.125 | 0.413 | 0. 500 | 0.796 | 3.282 | 0.861A |
| 梯田 | 0.076 | 0.438 | 0.750 | 0.875 | 0.916 | 2.094 | 0.858A |
| 荒草地 | 0.003 | 0.120 | 0.125 | 0.157 | 0.750 | 1.000 | 0.359AB |
| 乔木林 | 0.003 | 0.016 | 0.031 | 0.063 | 0.094 | 0.125 | 0.090B |
| 灌草地 | 0.005 | 0.031 | 0.063 | 0.094 | 0.156 | 0.188 | 0.055B |
| 均值 | 0.027B | 0.146B | 0.276B | 0.338B | 0.542B | 1.338A | |
雨强的检验值LSD=0.650 9，土地利用的检验值LSD=0.594 2，用英文字母对均值进行标记，结果见表 2，这表明：6种雨强下，坡耕地与梯田的平均产流量差异不大，乔木林与灌草地的平均产流量差异不大，但前两者与后两者差异较大，荒草地居中；5类土地利用方式下除3.0 mm/min雨强外，其他雨强的产沙量差异不显著.
2.3 雨强对产流量和产沙量的回归分析通过上面的分析可知，降雨是土壤产流产沙的首要条件，降雨强度与产流量、产沙量之间存在着一定的相关性.用SAS软件对这种相关性进行分析，结果详见表 3.从中可以看出，5种土地利用方式的产流、产沙量与雨强均表现出幂函数关系，置信水平为0.05时，相关系数均为显著相关.
| 项目 | 土地类型 | 回归方程 | 显著性 | 相关系数 |
| 产流 | 坡耕地 | yf=1.504 5x0.751 4 | < 0.000 1 | 0.991 0 |
| 梯田 | yf=1.505 6x0.750 4 | < 0.000 1 | 0.991 0 | |
| 荒草地 | yf=1.512 1x0.744 4 | < 0.000 1 | 0.991 2 | |
| 乔木林 | yf=1.511 2x0.745 3 | < 0.000 1 | 0.991 1 | |
| 灌草地 | yf=1.509 8x0.746 5 | < 0.000 1 | 0.991 1 | |
| 产沙 | 坡耕地 | ys=1.920 2x0.532 6 | 0.017 7 | 0.729 9 |
| 梯田 | ys=1.635 3x0.652 1 | 0.000 9 | 0.931 5 | |
| 荒草地 | ys=1.429 4x0.808 5 | < 0.000 1 | 0.991 5 | |
| 乔木林 | ys=1.498 0x0.756 8 | < 0.000 1 | 0.991 4 | |
| 灌草地 | ys=1.466x0.785 3 | < 0.000 1 | 0.991 1 | |
| 注：yf为产流量，m3；ys为产沙量，g；x为雨强，mm/min. | ||||
由幂函数性质(y=axb)：第一象限内，当a>0，b>1时，曲线开口向上，y随x的增大而增大；当a>0，0 < b < 1时，曲线开口向右，y随x的增大而缓慢增加.表 3中的回归方程类型显然相同，都属于后者，说明随着雨强的增加，各种土地类型土壤中的产流量产沙量的变化相对较缓.
3 结论本研究以丹江口水库水源区的南阳地区常见的5类土地利用方式为研究对象，设计了降雨强度和土地利用类型双因素试验，通过室内人工模拟降雨，分别对坡耕地、梯田、荒草地、乔木林、灌草地等土地类型进行6种雨强下产流产沙试验，结果表明：
1) 雨强对不同土地利用方式的产流和产沙量都有极显著的影响，随着雨强的增加，5种土地利用类型的土壤产流量、产沙量均呈幂函数增加.雨强以0.5 mm/min为基础倍增时，产流量增加的倍数依次为基础值的2.04、3.27、4.36、6.81、7.78倍，产沙量增加的倍数则为基础值的5.41、10.22、12.52、20.07、49.56倍，表明雨强对产沙量的影响大于产流量，需要推行坡改梯工程以减少用地中的水土流失.
2) 不同土地利用类型对降雨产流和产沙量也有极大的影响，6种雨强的土壤平均产流量、平均产沙量均为坡耕地>梯田>荒草地>乔木林>灌草地，说明产流与产沙有直接的相关关系，产流量越大，相应产沙量也越多.林地和灌草地土壤的产流产沙量都小于其他土地类型，说明在豫西南山区开展退耕还林还草工作很有必要，因为其良好的保水保土效果.
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