李曉原, 張文太, 李建貴, 仲亞婷, 蘇悅, 趙婧文

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)研究所，830052，烏魯木齊；2.新疆土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830052，烏魯木齊；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，830052，烏魯木齊)

伊犁河谷5種土壤管理措施減流減沙效果分析

李曉原1, 張文太2?, 李建貴1, 仲亞婷3, 蘇悅2, 趙婧文2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)研究所，830052，烏魯木齊；2.新疆土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，830052，烏魯木齊；3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，830052，烏魯木齊)

伊犁河谷區(qū)域水力侵蝕等級中等偏強(qiáng)，分析土壤管理措施的減流減沙效果為土地資源的可持續(xù)利用和防治水土流失提供參考。本文采用野外人工模擬降雨試驗(yàn)，研究在10、20和36 mm/h 3種降雨強(qiáng)度條件下裸地、角果藜覆蓋、木地膚覆蓋、魚鱗坑、水平溝等5種典型土壤管理措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，并分析比較不同土壤管理措施的減流減沙效果。結(jié)果表明：不同降雨強(qiáng)度下，裸地初始產(chǎn)流時間最短，水平溝未產(chǎn)流；降雨強(qiáng)度是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)鍵因素之一，徑流速率和含沙量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大；減流減沙效果由高到低的順序?yàn)椋核綔?木地膚覆蓋>魚鱗坑>角果藜覆蓋>裸地，木地膚覆蓋、魚鱗坑措施減沙效果明顯。水平溝、木地膚覆蓋措施減流減沙效果較好，可以在該區(qū)域防治水土流失中推廣應(yīng)用。

土壤管理； 降雨強(qiáng)度； 徑流速率； 含沙量； 減流減沙

新疆水力侵蝕面積已達(dá)8.7萬km2，位居全國第四。伊犁河谷受水力、風(fēng)力、重力等侵蝕營力影響，而水力侵蝕等級中等偏強(qiáng)并以面蝕為主[1-3]。該區(qū)域主要的草地植被有角果藜和木地膚，受環(huán)境因素影響退化草地(裸地)的分布面積較大；同時，生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)中種植蘋果、杏樹等形成大面積的果園，為兼顧水土生態(tài)安全，當(dāng)?shù)匾言诠麍@地表布設(shè)大量魚鱗坑和水平溝。不合理的土壤管理措施會引起嚴(yán)重的水土流失，造成土壤退化，降低土壤含水率和肥力，導(dǎo)致土壤侵蝕的加劇，直接威脅到農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和土壤安全；因此迫切需要探索和掌握因地制宜的具有較強(qiáng)水土保持效益的土壤管理措施。國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明，影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的因素較多，其中內(nèi)在因素主要有土壤質(zhì)地、入滲速率[4]，外在因素主要有降雨強(qiáng)度、降雨量、植被、坡度等[5-7]。地表土壤對降雨強(qiáng)度等外在因素的響應(yīng)機(jī)制最終反映在調(diào)控效果的差異方面，主要原因在于不同措施改變了原有地表侵蝕形態(tài)和微地貌形態(tài)，阻礙泥沙的搬運(yùn)、沉積和輸移等，如研究表明：灌木林地、核桃地埂有較好的水土保持效應(yīng)[8]，水平槽、魚鱗坑和大豆梯田減流減沙效果相對較好[9]。對于水土保持調(diào)控機(jī)理的大量研究成果顯示：生物措施中草地的調(diào)控機(jī)制主要表現(xiàn)為直接攔沙，灌木更多的則是蓄水減沙，而水平溝、魚鱗坑等工程措施的調(diào)控機(jī)制主要在于攔截徑流，改變一定范圍內(nèi)的微小地形，延遲降雨入滲時間等[9,10]。目前，新疆伊犁河谷區(qū)域降雨強(qiáng)度、坡度、植被覆蓋度作用下坡面侵蝕特征顯示：降雨強(qiáng)度對侵蝕模數(shù)的影響大，坡面植被可以有效減輕土壤侵蝕[2,3]。這些研究側(cè)重于室內(nèi)試驗(yàn)，并且土壤已被擾動，缺乏對野外實(shí)際情況下不同土壤管理措施的水土保持效果研究。對不同土壤管理措施減流減沙效果的分析，對于科學(xué)合理地布局水土保持措施和有效防治洪水災(zāi)害，以及進(jìn)一步研究伊犁河谷區(qū)域降雨侵蝕機(jī)理和水土保持措施的調(diào)控機(jī)制等具有實(shí)際意義。筆者選擇典型的土壤管理措施進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，分析3種降雨強(qiáng)度下5種土壤管理措施初始產(chǎn)流時間、徑流速率和含沙量的變化，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，水土資源的可持續(xù)利用以及合理配置水土保持措施提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于伊犁河流域北部九城生態(tài)園，E 81°09′，N 48°53′。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂颍昃鶜鉁?.2 ℃，最低溫度≤-36 ℃，年均日照時間為3 614 h，年均降水量206～512 mm并以短時間降雨為主，無霜期178 d。地貌特征為山地眾多，縱橫交錯，地形復(fù)雜，主要有未利用地、草地和林地等土地利用結(jié)構(gòu)類型。

2 材料與方法

選取伊犁河谷區(qū)域5種典型土壤管理措施的徑流小區(qū)(表1)，試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)如下(表2)。于2016年7月采用便攜式人工模擬降雨器進(jìn)行野外模擬降雨，用噴頭控制降雨強(qiáng)度，均勻度>75%。通過預(yù)試驗(yàn)調(diào)試降雨強(qiáng)度并在天氣晴朗無風(fēng)條件時進(jìn)行降雨。根據(jù)近2年的自然降雨觀測數(shù)據(jù)，為模擬暴雨對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，設(shè)計20、10 和36 mm/h的順序進(jìn)行模擬降雨，每場降雨間隔20 min，有效降雨面積1 m2，共進(jìn)行15場降雨。記錄每場降雨初始產(chǎn)流時間，產(chǎn)流開始后間隔2或4 min接取水沙樣，每場降雨總降水量均為20 L/m2，即20 mm。

表1 土壤管理措施基本情況Tab.1 Basic situation of soil management measures

表2 土壤的基本理化性質(zhì)Tab.2 Basic physicochemical properties of the soil

植被覆蓋度用網(wǎng)格法測定；用1 L量筒測量徑流體積后，采用烘干法測定含沙量[11]。

采用Excel 2007整理分析數(shù)據(jù)，并通過SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析及多重比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 初始產(chǎn)流時間的差異性

初始產(chǎn)流時間反映不同管理措施地表對降雨強(qiáng)度的響應(yīng)。降雨強(qiáng)度相同時，裸地初始產(chǎn)流時間最短，其次分別是角果藜覆蓋和魚鱗坑(表3)。降雨強(qiáng)度不同時裸地初始產(chǎn)流時間也最短，水平溝均未產(chǎn)流，降雨集聚于其溝內(nèi)逐漸下滲，木地膚覆蓋措施僅36 mm/h降雨強(qiáng)度時發(fā)生產(chǎn)流；然而，由于降雨順序?yàn)?0、10和36 mm/h以及土壤初始含水量較低的原因，角果藜覆蓋在20 mm/h降雨強(qiáng)度時入滲量增多未產(chǎn)流，魚鱗坑在20 mm/h降雨強(qiáng)度時的初始產(chǎn)流時間>10 mm/h。

3.2 降雨強(qiáng)度對徑流速率及含沙量的影響

通過徑流速率的變化過程(圖1)可知：降雨初期各土壤管理措施徑流速率較小，隨著降雨進(jìn)行呈增大—減小的趨勢，達(dá)到最大峰值后逐漸減小。降雨強(qiáng)度為10 mm/h時，裸地徑流速率波動幅度大；角果藜覆蓋措施在降雨開始前24 min徑流速率較小，后期逐漸增大；魚鱗坑措施徑流速率在降雨進(jìn)行24 min后保持3.27 mm/h左右的穩(wěn)定狀態(tài)。降雨強(qiáng)度為20 mm/h時，裸地徑流速率呈增長趨勢；魚鱗坑措施徑流速率的變化與裸地類似，最大徑流速率為8.04 mm/h。降雨強(qiáng)度為36 mm/h時，降雨初期裸地徑流速率達(dá)到最大峰值32.7 mm/h后呈穩(wěn)定趨勢；角果藜、木地膚覆蓋措施徑流速率的變化與裸地類似；魚鱗坑措施徑流速率在第8分鐘后保持11 mm/h左右的穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果表明：不同降雨強(qiáng)度下裸地徑流速率均最大，角果藜覆蓋、木地膚覆蓋、魚鱗坑措施的徑流速率均低于裸地。

表3 不同管理措施的產(chǎn)流時間Tab.3 Initial runoff time on different soil managements

注：“—”表示降雨過程中未產(chǎn)流。Notes:＂—＂： No runoff in the whole rainfall process.

由含沙量的變化過程(圖2)可知：含沙量的變化與徑流速率類似，降雨初期含沙量逐漸升高，隨著降雨持續(xù)進(jìn)行呈現(xiàn)升高降低的波動變化，但相同降雨強(qiáng)度下各土壤管理措施含沙量的變化存在差異。降雨強(qiáng)度為10 mm/h時，裸地含沙量呈現(xiàn)多峰多谷的變化；角果藜覆蓋措施含沙量的變化波動性較大，降雨前期變化幅度小而后期大；魚鱗坑措施含沙量則從初始產(chǎn)流開始一直呈平穩(wěn)狀態(tài)。降雨強(qiáng)度為20 mm/h時，裸地含沙量的變化呈先增后減的拋物線形，角果藜覆蓋措施與此類似。降雨強(qiáng)度為36 mm/h時，裸地含沙量在第6分鐘達(dá)到峰值后保持相對穩(wěn)定狀態(tài)；角果藜覆蓋、木地膚覆蓋和魚鱗坑措施含沙量的變化基本呈現(xiàn)平穩(wěn)下降趨勢。結(jié)果表明：裸地與角果藜覆蓋措施含沙量較大，水平溝、木地膚覆蓋、魚鱗坑措施與裸地相比減沙效果較好。

圖1 不同土壤管理措施徑流速率變化過程Fig.1 Change process of runoff rate on different soil management measures

圖2 不同土壤管理措施含沙量的變化過程Fig.2 Change process of sediment concentration on different soil management measures

3.3 不同土壤管理措施之間徑流速率、含沙量的差異性

首先對各土壤管理措施的徑流速率和含沙量進(jìn)行單因素方差分析(表4)，可知：不同降雨強(qiáng)度下徑流速率和含沙量的均值存在極顯著性差異(P<0.01)。其次運(yùn)用多重比較分析各土壤管理措施之間徑流速率和含沙量的差異性，表明木地膚覆蓋、角果藜覆蓋與裸地措施之間徑流速率具有顯著性差異

(P<0.05)，角果藜覆蓋與魚鱗坑、木地膚覆蓋和角果藜之間含沙量存在顯著性差異(P<0.05)。結(jié)合各土壤管理措施徑流速率和含沙量呈穩(wěn)定狀態(tài)時的均值可知：水平溝減流減沙效果最好，其次分別是木地膚覆蓋、魚鱗坑、角果藜覆蓋、裸地。

3.4 含沙量和徑流速率的函數(shù)關(guān)系

為揭示各土壤管理措施含沙量與徑流速率的關(guān)系，對3種降雨強(qiáng)度下各土壤管理措施的全部徑流速率和含沙量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得出含沙量與徑流速率的回歸方程(圖3)，可見：裸地、角果藜覆蓋措施的回歸模型擬合效果最好，回歸模型和回歸系數(shù)檢驗(yàn)呈極顯著性(P<0.01)；木地膚覆蓋、魚鱗坑措施含沙量與徑流速率的回歸模型和回歸系數(shù)檢驗(yàn)呈顯著性(P<0.05)，說明不同土壤管理措施對侵蝕性降雨的響應(yīng)存在明顯差異。

表4 單因素方差分析結(jié)果Tab.4 Result of variance analysis

注：P<0.01表示極顯著。Notes:P<0.01 indicates extremely significant.

圖3 含沙量與徑流速率的回歸方程Fig.3 Regression equation of sediment concentration and runoff rate

4 討論

降雨強(qiáng)度是影響初始產(chǎn)流時間的關(guān)鍵因素之一，筆者研究中裸地初始產(chǎn)流時間最短且隨降雨強(qiáng)度增大而減小，這與裸地?zé)o植被覆蓋，單位時間和面積內(nèi)坡面的承雨面積隨降雨強(qiáng)度的增大而變大，產(chǎn)流時間相應(yīng)縮短的觀點(diǎn)一致[2,12]。角果藜覆蓋措施初始產(chǎn)流時間較長，木地膚覆蓋措施僅在降雨強(qiáng)度為36 mm/h時產(chǎn)流，表明植被地上部分的枝葉能夠攔截、重新分配降雨，削弱降雨動能，地下根系可以固定土壤顆粒和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，增加降雨就地入滲，減少徑流[9,13]。魚鱗坑措施比裸地、角果藜、木地膚措施初始產(chǎn)流時間延長。降雨初期水分全部入滲于坑內(nèi)，第8分鐘后徑流逐漸向坑緣外滲，第12分鐘后坑內(nèi)開始出現(xiàn)薄層水流，壟內(nèi)集聚大量降水后發(fā)生產(chǎn)流，說明坑緣能夠延長徑流入滲時間，增加徑流阻力；此外，每場降雨后水平溝內(nèi)聚集大量降水并逐漸入滲，說明坑緣能夠攔截徑流，土壤擾動后入滲量大。這與魚鱗坑措施能夠改變一定范圍內(nèi)的微小地形，增加土壤入滲，延緩徑流并蓄水?dāng)r沙的觀點(diǎn)相同[9]。

土壤管理措施改變土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)，引起徑流速率和含沙量的變化，導(dǎo)致土壤侵蝕量和減流減沙效果的差異[9,14]。筆者研究得出裸地徑流速率和含沙量峰值出現(xiàn)的時間一致，線性回歸方程表明含沙量隨著徑流速率增大而增大，說明裸地徑流調(diào)節(jié)能力差，易產(chǎn)生地表結(jié)皮，減流減沙效果最差。低植被覆蓋角果藜與高植被覆蓋度木地膚相比，含沙量也隨徑流速率增大而增大，說明雖然增加地表植被覆蓋能夠有效減少水土流失[3,5,15]；但植被覆蓋措施對高強(qiáng)度降雨的減沙效果有限[13]。由于角果藜覆蓋措施坡度大于裸地，所以10和36 mm/h降雨強(qiáng)度時其含沙量比裸地高，這與一定范圍內(nèi)含沙量隨坡度的增大而增加的觀點(diǎn)類似[6,12]。

試驗(yàn)過程中偶爾會有風(fēng)的間斷性干擾，影響降雨的均勻性，對試驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生一定的影響。后期需要對天然降雨下管理措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行長期監(jiān)測，以獲得大量數(shù)據(jù)更好地分析減流減沙效果。

5 結(jié)論

1)初始產(chǎn)流時間與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)，其隨雨強(qiáng)增大而減小，強(qiáng)降雨使徑流速率和含沙量短時間內(nèi)明顯升高，說明雨強(qiáng)是影響侵蝕程度的主要因素之一。

2)各降雨強(qiáng)度下不同土壤管理措施的徑流速率、含沙量均存在極顯著差異，除受雨強(qiáng)、坡度影響之外，入滲速率也是主要的影響因素，后期有待于研究。

3)各土壤管理措施減流減沙效果為：水平溝>木地膚覆蓋>魚鱗坑>角果藜覆蓋>裸地。線性函數(shù)方程表明裸地、角果藜覆蓋、魚鱗坑措施的含沙量隨徑流速率增大而增大，但魚鱗坑措施增加趨勢平穩(wěn)，木地膚覆蓋措施的含沙量隨徑流速率的增大而減小。水平溝和木地膚覆蓋減流減沙效果較好，可以在該區(qū)域防治水土流失中推廣應(yīng)用。

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Effects of five soil management measures on runoff and sedimentreduction in Ili Valley of Xinjiang

LI Xiaoyuan1, ZHANG Wentai2, LI Jiangui1, ZHONG Yating3, SU Yue2, ZHAO Jingwen2

(1.Forestry Institute，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi，China；2.Xinjiang Key Laboratory of Soil and Plant Ecological Processes，School of Grassland and Environmental Sciences，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi，China；3.School of Forestry and Horticulture，Xinjiang Agricultural University，830052，Urumqi，China)

[Background] The grade of water erosion is moderately strong in Ili Valley of Xinjiang. This work aims to explore the effects of different soil management measures on runoff and sediment reduction, and to provide sustainable utilization of land resources and effective measurement of soil and water conservation. [Methods] Artificial rainfall simulation experiments with 3 rainfall intensities (20 mm/h, 10 mm/h and 36 mm/h), 5 soil management measures (bare land,CeratocarpusarenariusL. covered,Kochiaprostrate(L.) Schrad. covered, fish scale pit, and horizontal ditch), and totally 15 times of experiments were conducted to analyze runoff and sediment process in the field. Meanwhile, with Excel 2007 and SPSS 19.0, we analyzed the relationship between sediment concentration and runoff rate, and compared the effects of runoff and sediment reduction under different rainfall intensities. [Results] The initial runoff time of bare land was so short that suffered rainfall erosion easily, while runoff of horizontal ditch was never happened under 3 artificial rainfall simulations. AlthoughC.arenariusL. covered measure did not produce runoff under 20 mm/h rainfall intensity, there was runoff when the rainfall intensity was 10 mm/h. The reason for this phenomenon was due to higher antecedent soil moisture for the second rain, i.e., 10 mm/h rainfall. The runoff rate and sediment concentration increased as rainfall intensity increased for all experiments. By using linear regression analysis in SPSS 19.0, we found that the relationship between the sediment concentrations and the runoff rates under the measures of bare land,C.arenariusL. covered,K.prostrate(L.) Schrad. covered and fish scale pit were all linearly significant. And we did not obtain the data of horizontal ditch because it was never happened runoff under 3 rainfall intensities. However, the sediment concentration decreased with the increase of the runoff rate underK.prostrate(L.) Schrad. covered measure. Sediment and runoff reduction of all measures listed in the following order: horizontal ditch >K.prostrate(L.) Schrad. covered >fish scale pit >C.arenariusL. covered >bare land. Therefore, the measures of fish scale pit andK.prostrate(L.) Schrad. covered showed more obvious effects on runoff and sediment reduction than the other soil management measures. [Conclusions] This study demonstrated that the measures of horizontal ditch andK.prostrate(L.) Schrad. covered effectively reduced runoff rate and sediment concentration in Ili Valley of Xinjiang and should be applied in soil and water conservation in this area.

soil management； rainfall intensity； runoff rate； sediment concentration； runoff and sediment reduction

2016-12-22

2017-03-10

項(xiàng)目名稱： 國家科技支撐計劃項(xiàng)目“伊犁河谷水土流失綜合治理技術(shù)研發(fā)與示范”(2014BAC15B03)

李曉原(1991—)，男，碩士研究生。主要研究方向：水土流失規(guī)律。E-mail：kunyuan91@126.com

?通信作者簡介： 張文太(1984—)，男，博士，副教授。主要研究方向：水土保持與土壤資源。E-mail：zwt@xjau.edu.cn

S157.1

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2096-2673(2017)03-0051-07

10.16843/j.sswc.2017.03.007