楊振奇, 郭建英, 秦富倉, 田秀民, 劉艷萍

(1.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020; 2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院, 呼和浩特 010019)

晉陜蒙三省交界地帶的砒砂巖區(qū)，該區(qū)基巖成巖程度低，裸露基巖極易風(fēng)化潰散，引發(fā)嚴(yán)重水土流失作用[1]，是黃河流域上中游地帶的粗泥沙集中來源區(qū)，該區(qū)劇烈的水土流失作用嚴(yán)重影響著黃河健康與安瀾。研究砒砂巖區(qū)降雨條件下的土壤侵蝕和植被抗蝕作用，對(duì)于減少泥沙入黃，推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展有重要現(xiàn)實(shí)意義。降雨引發(fā)的土壤侵蝕過程及其調(diào)控機(jī)制，一直是國內(nèi)外土壤侵蝕領(lǐng)域?qū)＜已芯康闹攸c(diǎn)，研究成果豐富，包括降雨侵蝕力的概念，侵蝕性降雨的劃定標(biāo)準(zhǔn)，不同氣候區(qū)的水力侵蝕規(guī)律等[2-5]，但研究成果多集中在黃土區(qū)、黑土區(qū)以及紅壤土區(qū)等地帶[6-9]，而砒砂巖由于其獨(dú)特的巖石結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在世界范圍內(nèi)中已公開出版的文獻(xiàn)資料中尚無相同性質(zhì)基巖的報(bào)道，相關(guān)調(diào)查和研究數(shù)據(jù)可參考性質(zhì)較為接近的砂巖基巖[10-12]，國內(nèi)針對(duì)砒砂巖區(qū)降雨特征及其與土壤侵蝕關(guān)系的研究相對(duì)較為單薄。

砒砂巖區(qū)按照基巖出露程度和覆土類型被分為蓋土區(qū)、蓋沙區(qū)和裸露區(qū)，以裸露砒砂巖區(qū)的基巖出露面積最大，土壤侵蝕作用也最為劇烈[13]。而裸露砒砂巖區(qū)天然降雨呈何種特征？天然降雨對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙有何種影響？現(xiàn)有的人工植被措施的減流減沙效應(yīng)如何等問題尚不明確。為此，本研究選擇內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗的裸露砒砂巖區(qū)為研究區(qū)，選取裸露砒砂巖區(qū)的自然坡面，通過天然降雨觀測(cè)、徑流小區(qū)監(jiān)測(cè)的方法，研究裸露砒砂巖區(qū)坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，分析現(xiàn)有的人工植被措施的抗蝕作用，以期為深入研究砒砂巖區(qū)水土流失治理工作以及區(qū)域生態(tài)修復(fù)的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)鮑家溝流域位于鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，地理坐標(biāo)為110°31′—110°35′E，39°46′—39°48′N，海拔在1 110～1 300 m；流域地形北高南低；氣候?qū)俚湫痛箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季漫長干燥，夏季短暫溫?zé)?，年均氣?.2℃；土壤類型以黃綿土、風(fēng)沙土為主；植被以人工植被為主，常見青楊(Populuscathayana)、旱柳(Salixmatsudana)、油松(Pinustabuliformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、檸條(CaraganaKorshinskii)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、山杏(Prunusarmeniaca)等；草本植物主要有羊草(Leymuschinensis)、豬毛菜(Salsolanitraria)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

砒砂巖巖性特殊，重塑土的物理及力學(xué)性質(zhì)與原狀基巖相差較大，原狀基巖樣本不利于長距離運(yùn)輸，因此本研究中關(guān)于裸露砒砂巖坡面降雨侵蝕觀測(cè)都采取野外原位試驗(yàn)的方法。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)主要人工植被類型在研究區(qū)內(nèi)選取天然坡面布設(shè)裸露基巖小區(qū)、草地小區(qū)、油松小區(qū)、山杏小區(qū)、沙棘小區(qū)、檸條小區(qū)各1個(gè)，小區(qū)修建初期進(jìn)行地面整平，后期自然恢復(fù)，不清理地表草本受基巖坡面地形和施工難度限制，小區(qū)圍墻材料均采用厚鐵皮，徑流小區(qū)主要監(jiān)測(cè)單次降雨的徑流及產(chǎn)沙量，降雨指標(biāo)采用HOBO(U30)自記雨量計(jì)及風(fēng)速、風(fēng)向等配套氣象設(shè)備。徑流小區(qū)基本情況見表1。

表1 徑流小區(qū)基本情況

2.2 數(shù)據(jù)分析

本文基于研究區(qū)已有84次降雨數(shù)據(jù)及21次徑流泥沙數(shù)據(jù)(2014—2019年)，在參考黃土高原區(qū)降雨強(qiáng)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)(24 h)的基礎(chǔ)上[14-16]，結(jié)合本研究區(qū)的降雨特點(diǎn)，運(yùn)用系統(tǒng)聚類方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)的降雨類型進(jìn)行劃分，運(yùn)用線性回歸方法分析降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

研究區(qū)2014—2019年共觀測(cè)降雨84場(chǎng)，根據(jù)氣象學(xué)中關(guān)于降雨類型的劃分(24 h以內(nèi))，研究區(qū)6 a間共有小雨8場(chǎng)、中雨55場(chǎng)、大雨17場(chǎng)、暴雨5場(chǎng)、大暴雨1場(chǎng)。均降雨量為375.97 mm，年際間降雨差異較大，降雨量和降雨次數(shù)大，其中2016年與2015年，降雨次數(shù)相差12次，降雨量相差達(dá)463.8 mm。此外，研究區(qū)年內(nèi)降雨分配不均勻，次降雨間的最大30 min雨強(qiáng)也具有較大差異，變異系數(shù)均在40%以上，特別是2018年降雨的I30高達(dá)99.58%。經(jīng)計(jì)算研究區(qū)2014—2019年降雨侵蝕力R值分別為1 156.38，249.77，1 464.05，795.56，1 504.14，1 085.81 MJ·mm/(hm2·h·a)，平均值為1 042.62 MJ·mm/(hm2·h·a)，詳見表2。

表2 2014-2019年降雨特征

應(yīng)用聚類分析法可以將研究區(qū)內(nèi)觀測(cè)的降雨劃分為4類，分類后的降雨類型統(tǒng)計(jì)特征見表3。第一類降雨樣本數(shù)量較小，僅有2次，其單次降雨歷時(shí)超1 100 min，降雨量在97.4 mm左右，I30平均值為57.4 mm/h，可以將其歸類為長歷時(shí)暴雨；第2類降雨共29次，其平均降雨歷時(shí)為1 005.59 min，平均降雨量為22.14 mm，I30比第一類小，均值為11.03 mm/h，將其歸類為長歷時(shí)的中到大雨；第3類降雨有28次，其平均降雨歷時(shí)為491.75 min，平均降雨量為39.09 mm，此類降雨的I30較大，平均值為20.65 mm/h，可以將其歸類為短歷時(shí)暴雨；第4類降雨有25次，其平均降雨歷時(shí)為141.4 min，平均降雨量為18.23 mm，I30平均值為15.13 mm/h，可以將其歸類為短歷時(shí)的小到大雨。

表3 不同降雨類型的統(tǒng)計(jì)特征

3.2 降雨特征與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系

為了進(jìn)一步分析降雨條件下各植被類型坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，由于第一類降雨的樣本數(shù)量較小，也存在部分第3類降雨無產(chǎn)流產(chǎn)沙過程、第4類降雨有產(chǎn)流產(chǎn)沙過程等特殊數(shù)據(jù)，不宜分類做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，因此選取所有降雨及產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)的降雨量(P)、最大30 min雨強(qiáng)(I30)和最大10 min雨強(qiáng)(I10)與各植被類型坡面的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到形式為y=ax1+bx2+cx3+d的多元線性方程，式中y為產(chǎn)流量或產(chǎn)沙量，x1，x2和x3分別為P，I30和I10，a，b，c和d分別為系數(shù)和常數(shù)，各回歸模型的R2在0.7以上。可以看出，各坡面的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量均與降雨量、最大30 min雨強(qiáng)和最大10 min雨強(qiáng)關(guān)系密切，降雨總量的增加和瞬時(shí)降雨強(qiáng)度的增加，都會(huì)導(dǎo)致坡面的產(chǎn)流和侵蝕量均隨之增加，通過次降雨的部分特征參數(shù)可以初步估算各植被類型坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，各方程的相應(yīng)參數(shù)和擬合的決定系數(shù)見表4。

表4 降雨特征與各植被類型坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系

3.3 人工植被坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)雨型的響應(yīng)

為了進(jìn)一步分析不同人工植被的抗蝕能力，排除不同時(shí)間尺度下土壤含水量和植被長勢(shì)方面的差異，選擇1 a內(nèi)植被茂盛且降雨集中的7月8月的降雨和產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中引發(fā)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的降雨共有7場(chǎng)(包括2類降雨3次，3類降雨4次)，而部分降雨(第4類)在有植被覆蓋的坡面沒有產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。圖1為不同植被類型坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量與次降雨量的關(guān)系，單次降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙量以8月份的0 804號(hào)降雨最大，該次降雨為第3類降雨，降雨總量為56.4 mm，裸地產(chǎn)流量高達(dá)8.78 mm，產(chǎn)沙量為10.45 t/hm2。從降雨類型來看，第2類降雨的平均降雨量為16.87 mm，平均產(chǎn)流量按裸地(3.03 mm)>草地(2.03 mm)>檸條林(1.95 mm)>山杏林(1.39 mm)>油松林(1.16 mm)>沙棘林(0.83 mm)的規(guī)律排列，各植被類型平均產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量的差異規(guī)律一致。第3類降雨的平均降雨量為27.95 mm，平均產(chǎn)流量依次為裸地(4.85 mm)、草地(3.08 mm)、檸條林(2.74 mm)、油松林(2.37 mm)、沙棘林(2.33 mm)及山杏林(2.24 mm)的規(guī)律排列，各植被類型平均產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量的差異規(guī)律一致。綜合7次降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙量來看，以裸地最高其平均產(chǎn)流量為4.07 mm，平均產(chǎn)沙量為4.55 t/hm2，其余各植被類型的平均產(chǎn)流量為2.09 mm，平均產(chǎn)沙量為0.51 t/hm2，分別是裸地產(chǎn)流產(chǎn)沙量的51.35%和11.21%。

圖1 2019年不同植被類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量

以裸地為基準(zhǔn)，相較裸地徑流泥沙量減少的部分與裸地徑流泥沙量比值即為減流減沙率，由圖2可知，從降雨類型來看，第2類降雨條件下裸地的平均產(chǎn)流量為3.03 mm，各植被的平均減流率按草地(44.58%)<檸條林(46.60%)<山杏林(47.07%)<油松林(61.60%)<沙棘林(67.34%)的規(guī)律排列，各植被類型平均減沙率與平均減流率的差異規(guī)律一致。第3類降雨的裸地的平均產(chǎn)流量為4.85 mm，平均減流量從小到大依次為草地(37.76%)、檸條林(45.01%)、油松林(45.38%)、山杏林(51.45%)及沙棘林(56.93%)的規(guī)律排列，各植被類型平均減沙率與產(chǎn)流率的規(guī)律一致。綜合來看，以沙棘林的減流率和減沙率最高分別為61.39%和94.34%，其余各植被類型的減流減沙能力由強(qiáng)到弱依次為山杏林、油松林、檸條林及草地。

圖2 2019年不同植被類型的減流減沙能力

4 討 論

大部分專家學(xué)者認(rèn)為，黃土高原地區(qū)年內(nèi)的幾場(chǎng)侵蝕性降雨是導(dǎo)致該區(qū)劇烈侵蝕的主要?jiǎng)恿?。裸露砒砂巖區(qū)地處黃土高原第一副區(qū)地貌單元，區(qū)域氣候基本一致，年內(nèi)降雨基本集中在夏秋兩季，對(duì)降雨特征及其產(chǎn)流產(chǎn)沙量的分析也證實(shí)了，裸露砒砂巖區(qū)的土壤侵蝕作用同樣也受年內(nèi)的少數(shù)降雨過程決定。在降雨類型的劃分上，本研究參考了張漢雄、謝云、王萬忠等專家關(guān)于黃土高原區(qū)侵蝕性降雨分類指標(biāo)[14-16]，劃分結(jié)果與前人的研究結(jié)果基本相近。但有所不同的是，裸露砒砂巖區(qū)相比黃土高原的其他地區(qū)下墊面條件更為復(fù)雜，實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土層厚度空間異質(zhì)性較強(qiáng)，基巖裸露地帶的土壤性質(zhì)和入滲過程都與黃土有明顯差異，因而其產(chǎn)流產(chǎn)沙過程也有所區(qū)別[17-18]，本研究的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，也存在部分第4類降雨條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙，第3類降雨條件下沒有產(chǎn)流產(chǎn)沙的數(shù)據(jù)，這可能與裸露砒砂巖的風(fēng)化程度、土壤含水狀態(tài)以及前期降雨過程等因素有關(guān)?；诒狙芯恳延械臄?shù)據(jù)初步可以看出，降雨類型對(duì)于裸露砒砂巖區(qū)不同植被類型坡面土壤侵蝕過程有一定程度的影響，但是裸露砒砂巖區(qū)坡面的水力侵蝕過程除降雨外仍受其他不確定因素影響，該區(qū)侵蝕性降雨的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響可以作為今后研究的重點(diǎn)方向之一。

自然界中降雨—產(chǎn)流—產(chǎn)沙過程中，除水流和泥沙的基本運(yùn)動(dòng)，還包含著微地形、植被、土壤等多種因素的參與。相關(guān)研究表明，植被莖稈、枯枝落葉及根系對(duì)于地表徑流有明顯阻滯作用，從而有效攔截泥沙削減土壤侵蝕強(qiáng)度[19-20]。本研究證實(shí)了這一結(jié)論，裸露基巖坡面產(chǎn)流量是有植被覆蓋坡面的1.55倍以上，而侵蝕產(chǎn)沙量則是有植被覆蓋坡面的3.11倍以上，說明了營造人工植被可以防治裸露砒砂巖區(qū)水土流失問題。此外，本研究結(jié)果還顯示，降雨類型的差異也會(huì)顯著影響人工植被的減流減沙能力，人工植被對(duì)第2類降雨的減流作用最強(qiáng)，對(duì)第3類降雨的減流作用較差。余新曉等[21]認(rèn)為，植被從林冠到根系構(gòu)成一個(gè)完整的侵蝕削減網(wǎng)絡(luò)，陳麗華等的研究表明林冠層的截留能力與最大30 min雨強(qiáng)密切相關(guān)[22]。瞬時(shí)強(qiáng)降雨的雨滴帶有極大的動(dòng)能，會(huì)大量穿透林冠層，造成枯落物層和土壤層短時(shí)間內(nèi)無法容納大量徑流從而產(chǎn)流。相同降雨類型下，不同人工植被類型的抗蝕能力也存在差異，整體呈沙棘高于其他樹種和草地的趨勢(shì)，這是由于沙棘的生存和萌蘗能力都要遠(yuǎn)高于其他植被，野外生長的沙棘在沒有人為管護(hù)的情況下能更快的實(shí)現(xiàn)林地的郁閉，本研究的前期研究顯示，沙棘林下土壤的養(yǎng)分和物理性狀相對(duì)其他植被類型更為良好，因此沙棘林的抗蝕能力最強(qiáng)，這一點(diǎn)與王改玲等人的研究結(jié)果一致[23]。

5 結(jié) 論

(1)裸露砒砂巖的自然降雨可以分為4種類型，第一類降雨為長歷時(shí)暴雨，第2類降雨為長歷時(shí)的中到大雨，第3類降雨為短歷時(shí)暴雨，第4類降雨為短歷時(shí)的小到中雨。

(2)降雨類型的不同會(huì)顯著影響裸露砒砂巖區(qū)坡面土壤侵蝕過程，第3類降雨是引起該區(qū)土壤劇烈侵蝕的主要降雨類型，其次為第4類降雨中帶有一定暴雨性質(zhì)的降雨過程，第2類降雨引起的土壤侵蝕作用相對(duì)較弱。

(3)人工植被抗蝕能力對(duì)不同降雨類型的響應(yīng)不同，人工植被能夠有效減弱第2類降雨造成的侵蝕作用，但是對(duì)第3類降雨的抗蝕作用較弱。營造人工植被可以有效防治裸露砒砂巖區(qū)坡面的水土流失問題，現(xiàn)有的人工植被類型中以沙棘林的抗蝕能力最強(qiáng)。