不同蓋度草地水土流失分析

1、不同蓋度草地水土流失分析 摘要：以內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎右旗坡度草地為研究對象，采用野外人工模擬降水試驗(yàn)，研究典型區(qū)域內(nèi)不同蓋度草地在不同降水強(qiáng)度下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征。研究表明：不同蓋度草地在不同降水強(qiáng)度下初始產(chǎn)流時間、產(chǎn)流產(chǎn)沙量有顯著差異；50%蓋度草地60 mm/h下徑流含沙率最小，蓋度越大截流、截沙能力明顯增強(qiáng)。因此，降低放牧強(qiáng)度提高草地蓋度可以有效減少草原水土流失現(xiàn)象。 關(guān)鍵詞：呼倫湖流域；草地；人工模擬降水；水土流失 中圖分類號：s 157 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1009-5500（2013）05-0027-06 收稿日期：2013-07-19； 修回日期：2013-07-23

2、基金項(xiàng)目：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)兩校合作項(xiàng)目“氣候變化與放牧強(qiáng)度對呼倫湖生態(tài)環(huán)境的影響”項(xiàng)目（no.15057004）資助 作者簡介：劉小平（1987-），男，江西泰和人，助理工程師，從事水土流失、農(nóng)業(yè)水土工程方面的研究。 e-mail： 任樹梅為通訊作者。 我國草原面積占國土面積的41%，而全國草原沙化面積占草原總面積的35.6%，潛在沙漠化面積占48.7%1-4。據(jù)資料統(tǒng)計，我國北方草原100%超載放牧，超載率50%以上，邊遠(yuǎn)牧區(qū)草地使用權(quán)得不到固定，草地較好的地方常常出現(xiàn)搶牧、亂牧現(xiàn)象。超載放牧導(dǎo)致了草地的不斷退化，也助推了沙塵暴的頻頻發(fā)生5。研究報道我國牧草產(chǎn)量建國初達(dá)3.0 t

3、/hm2以上，而目前低產(chǎn)地已降至375 kg/hm2，嚴(yán)重地區(qū)已變成不毛之地6。呼倫貝爾草原沙漠化面積2004年比1999年增加32.3%，比1994年增加56.1%，呼倫貝爾草原以每年1.35%的速度退化7，草原的“三化”加劇了水土流失的發(fā)生。 呼倫貝爾湖流域的草地大多是退化草地，植被較稀疏，部分草地進(jìn)行封育主要用于打貯草8。呼倫湖流域的新巴爾虎右旗（以下簡稱新右旗）總面積2.47萬km2，占呼倫湖流域面積54%，天然草地面積2.26萬km2，可利用草地面積2.01萬km29，占天然草地89%。據(jù)新右旗草原監(jiān)測管理局提供的2009年草地數(shù)據(jù)，可利用草地中有水草地、供水不足草地、缺水草地、沙化

4、草地、鹽堿化草地。供水不足等退化沙化草地占可利用草地的28%，近年新右旗草原“三化”形勢持續(xù)加劇。 研究呼倫貝爾湖流域內(nèi)不同蓋度草地的水土流失特性，旨在揭示放牧強(qiáng)度對草原水土流失的影響。2010年7月258月2日在呼倫貝爾湖流域，選擇典型草地進(jìn)行人工模擬降水試驗(yàn)，研究在降水強(qiáng)度、坡度、土壤質(zhì)地等因素影響下的泥沙流失的特性，為呼倫湖流域防治水土流失提供借鑒。 1 材料和方法 1.1 試驗(yàn)區(qū)概況 試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾盟新右旗，地處高平原克魯倫石質(zhì)低山丘陵小區(qū)緩坡地9，北高南低，中部為河灘沖擊草原。日照時數(shù)年均2 840 h；年均氣溫0.4 ，牧草生長期為176189 d，有效積溫2 3362

5、675 ；年均降水量246.3 mm，86%集中于69月10；年均蒸發(fā)量1 628 mm以上，為降水量的6.6倍。無霜期163 d；年均風(fēng)速4.47 m/s，大于17.0 m/s的大風(fēng)天數(shù)全年在40 d以上；土壤屬栗鈣土亞地帶，ph 8.09.3，地下水ph 9.0以上。 試驗(yàn)選擇20%、50%兩種蓋度草地。20%蓋度草地小區(qū)位于新右旗阿拉坦額莫勒鎮(zhèn)外環(huán)線西北方向，坡度3.23，海拔562 m。50%蓋度草地小區(qū)距克魯倫河約1.0 km，坡度為3.38，海拔557 m。 1.2 試驗(yàn)設(shè)計 20%蓋度草地選6個小區(qū)（圖1中1-1至1-6），設(shè)置兩種降水強(qiáng)度30、60 mm/h（由最大日降水頻率分

6、析得出，它們相當(dāng)于頻率為44%和7.19%最大日降水量），圖1中1-1至1-3小區(qū)降水強(qiáng)度為60 mm/h，1-4至1-6小區(qū)降水強(qiáng)度為30 mm/h，每個小區(qū)長寬為7.4、3.7 m。50%蓋度草地選6個小區(qū)（圖1中2-1至2-6）作相同處理。 圖1 試驗(yàn)小區(qū)現(xiàn)場布置 fig.1 experimental plots 人工模擬降水開始之前，測量小區(qū)坡度，植物高度、種群密度、土壤物理性質(zhì)等。采用hunter噴頭，規(guī)格為10a，噴灑半徑為3.4 m。試驗(yàn)區(qū)周邊采用帆布設(shè)置擋風(fēng)墻。 人工模擬降水60 mm/h開始后，記錄時間及初始產(chǎn)流時間。產(chǎn)流1 min以后第1次采集水樣，用20 l的pvc桶取徑

7、流樣，持續(xù)30 s（雨強(qiáng)30 mm/h的時間持續(xù)1 min，其他步驟相同），測量徑流體積和泥沙含量，之后每隔5 min取樣1次，測定相應(yīng)參數(shù)，整個降水過程持續(xù)1 h。 1.3 測定的內(nèi)容與方法 2010年7月25日選定20%蓋度草地及試驗(yàn)小區(qū)，當(dāng)日及時取樣測定坡度、植被、土壤的物理特性等參數(shù)，并于2526日進(jìn)行降水試驗(yàn)，測定徑流量、水土流失量和降水量均勻度等參數(shù)。 2010年8月1日選定50%蓋度草地及試驗(yàn)小區(qū)，當(dāng)日及時取樣測定坡度、植被、土壤的物理特性等參數(shù)，并于12日進(jìn)行降水試驗(yàn)，測定徑流量、水土流失量和降水量均勻度等參數(shù)。 1.3.1 植被 草地及試驗(yàn)小區(qū)選定后，坡度用水準(zhǔn)儀現(xiàn)場測定，分

8、別對各種蓋度草地的植被情況進(jìn)行觀測。觀測樣方面積0.5 m0.5 m，隨機(jī)在試驗(yàn)區(qū)域拋5次；蓋度采用目測法測定；種群密度采用數(shù)株的方法11；高度采用直尺測量。觀測不同蓋度草地的植被分布和植被群落變化，分析其優(yōu)勢物種、植被蓋度及其放牧強(qiáng)度（表1）。 表1 試驗(yàn)區(qū)域草地坡度及植被特征 table 1 grassland slope and vegetation characteristics at experimental site 1.3.2 土壤的物理特性 在選定的各類型草地分別開挖1.0 m1.0 m，深1.0 m的標(biāo)準(zhǔn)剖面。觀察土壤質(zhì)地及分層，并測量各層土壤含水量、容重及粒徑。 在試驗(yàn)前對

9、各草地標(biāo)準(zhǔn)剖面按土壤質(zhì)地情況分層。取020 cm表層土壤測量其含水量。容重采用環(huán)刀法，含水量采用烘干法，各3次重復(fù)。 土壤的粒徑分析采用比重計法，土壤樣品由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室測驗(yàn)分析（2010年8月15日），土壤分類按照美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角圖進(jìn)行分類12。分類結(jié)果表明，20%蓋度草地與50%蓋度草地土壤均為砂壤土。經(jīng)土壤粒徑分析后得兩蓋度草地土壤類型均為砂壤土（表2、3）。 1.3.3 徑流量和水土流失量 2010年7月258月2日實(shí)施人工模擬降水試驗(yàn)，人工模擬降水開始后，記錄產(chǎn)流時間。產(chǎn)流1 min后第1次取樣，取徑流樣測產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，然后每隔5 min再取樣1次，

10、產(chǎn)流后再 表2 草地各層土壤容重 table 2 soil bulk density of grassland at experimental site g/cm3 表3 試驗(yàn)草地土壤粒徑分析及其土壤類別 table 3 soil particle size and type of grassland at experimental site mm 持續(xù)降水至1 h。20 l量桶收集徑流，降水過程中收集雨水作空白對照，試驗(yàn)結(jié)束后立即測量徑流體積及徑流泥沙產(chǎn)量。 采用量筒測量徑流體積，采用烘干法測量徑流泥沙產(chǎn)量13，24 h內(nèi)分析完畢。 1.3.4 徑流和徑流系數(shù)計算 試驗(yàn)結(jié)束后徑流量估算采用公

11、式（1）計算，泥沙產(chǎn)量根據(jù)同步流量和濃度監(jiān)測值按公式（2）進(jìn)行計算14。 1.3.5 降水量均勻度測定 采用半徑10 cm，高30 cm的自制圓柱形鐵皮量筒測量降水均勻度，在草地試驗(yàn)區(qū)域布置9個量筒進(jìn)行測定，量筒間距為0.925 m1.85 m，現(xiàn)場布置見圖1。均勻度采用目前模擬降水均勻度常用的公式： 2 結(jié)果與分析 2.1 初始產(chǎn)流時間 試驗(yàn)結(jié)果表明，20%蓋度草地，30與60 mm/h初始產(chǎn)流時間分別為55、15 min；50%蓋度草地，30與60 mm/h初始產(chǎn)流時間分別為30、15 min。因此，在小降水強(qiáng)度情況下，產(chǎn)生徑流較困難。 在30 mm/h降水情況下，50%蓋度初始產(chǎn)流較20

12、%蓋度草地早了25 min，原因之一為初期含水量的負(fù)相關(guān)作用要強(qiáng)于蓋度的正相關(guān)作用，另外一個主要原因?yàn)?0%蓋度草地容重較小，土壤孔隙較大，有機(jī)腐殖質(zhì)含量較多，入滲強(qiáng)度大；但是在60 mm/h降水情況下，兩種草地初始產(chǎn)流時間相同，可以得出隨著降水強(qiáng)度的增大，草地蓋度對徑流影響效果逐漸顯現(xiàn)，這與張洪江等16在重慶縉云山的研究結(jié)果是一致的；因此，在增大蓋度的同時若能疏松土壤，減小土壤容重， 表4 不同蓋度草地各小區(qū)降水 table 4 rainfall to experimental plots at different coverage 增大土壤入滲強(qiáng)度及功能，則能提高土壤植被蓄水保熵能力，大大

13、降低土壤侵蝕減少水土流失。 2.2 不同蓋度草地的徑流量 2.2.1 草地產(chǎn)流過程 在30 mm/h降水強(qiáng)度時，平均流量分別為39.6、25.84 ml/s，在60 mm/h降水強(qiáng)度時，平均流量分別為182.4、101.49 ml/s。20%蓋度草地徑流流量都要大于50%蓋度草地（圖2、3），前者趨勢為第2次取樣徑流流量有較大幅度的提高，之后趨于平緩穩(wěn)定。后者整個產(chǎn)流過程較趨于穩(wěn)定波動較小。原因?yàn)閮缮w度草地入滲強(qiáng)度小于30 mm/h降水強(qiáng)度，產(chǎn)生徑流后入滲強(qiáng)度逐漸變化并趨于穩(wěn)定，此時徑流流量也趨于穩(wěn)定并達(dá)到最大值，而且對于50%蓋度草地由于初始產(chǎn)流時間較長，產(chǎn)生徑流時入滲強(qiáng)度基本減小到最小值，

14、因此，徑流流量也較早達(dá)到穩(wěn)定。 對于20%蓋度與50%蓋度草地，蓋度越大產(chǎn)流越少，截留效果越明顯。 圖2 30 mm/h不同蓋度草地產(chǎn)流過程 fig.2 runoff process of grasslands at different coverage under 30 mm/h rainfall 圖3 60 mm/h不同蓋度草地產(chǎn)流過程 fig.3 runoff process of grasslands at different coverage under 60 mm/h rainfall 2.2.2 草地徑流量 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水徑流量分別為0.044、0.66

15、6 m3，50%蓋度草地，30、60 mm/h降水徑流量分別為0.038 m3、0.255 m3，說明：（1）20%蓋度下60 mm/h較30 mm/h降水，徑流量增大15倍，50%蓋度下徑流量增大6.7倍，兩種蓋度草地坡度一樣時，蓋度越大，抵抗大降水的能力就越強(qiáng)，徑流截留優(yōu)勢就越明顯，水土流失量就越少；（2）30 mm/h 降水下，20%蓋度徑流量是50%蓋度的1.2倍，60 mm/h降水下，20%蓋度徑流量是50%蓋度的2.6倍（圖4，5）。 圖4 兩種降水強(qiáng)度不同蓋度草地的徑流量 fig.4 runoff of grasslands at different coverage under

16、 two rain intensities 圖5 兩種降水強(qiáng)度不同蓋度草地的產(chǎn)沙量 fig.5 sediment of grasslands at different coverage under two rain intensities 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水下徑流系數(shù)為0.037、0.156，50%蓋度草地，30、60 mm/h降水下徑流系數(shù)為0.032、0.121，說明：（1）徑流系數(shù)小的草地其坡面產(chǎn)流相應(yīng)較少，流速較??；徑流系數(shù)較大的草地其流速也較大，這與楊春霞等17研究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)的結(jié)果一致；（2）兩種降水強(qiáng)度下，草地蓋度越大，徑流系數(shù)越小。而且草地蓋度越大，降

17、水強(qiáng)度增大時，徑流系數(shù)增加更為緩慢，截流效果更為顯著。 2.3 不同蓋度草地的產(chǎn)沙量 2.3.1 草地產(chǎn)沙過程 對于30 mm/h降水強(qiáng)度條件下的20%蓋度草地與50%蓋度草地?zé)o穩(wěn)定產(chǎn)沙規(guī)律（圖6），兩者呈反向變化趨勢，但是，初始值較接近且都較大，20%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.28、0.22 g/l，50%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.26、0.27 g/l，可以看出，蓋度越大徑流量中的含沙量會越大，這與趙偉等18在呼倫湖流域的研究結(jié)果略有不同。可能為50%蓋度草地土壤表面有一層較厚的沙層，并且經(jīng)過長時間的入滲之后才產(chǎn)生徑流，徑流強(qiáng)度要強(qiáng)于20%蓋度草地，此時產(chǎn)沙量會略大

18、于20%蓋度草地。 圖6 30 mm/h不同蓋度草地的含沙率 fig.6 sediment process of grasslands at different coverage under 30mm/h rainfall 60 mm/h降水條件下不同蓋度草地徑流量中的含沙率變化趨勢較為一致，并且大小層次清晰明顯（圖7），50%蓋度草地的含沙率小于20%蓋度草地，與上述結(jié)論不一致。20%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.36，0.31g/l，50%蓋度草地含沙率初始值、平均值分別為0.1，0.15 g/l。50%蓋度草地60 mm/h降水條件下含沙率最小，主要原因是60 mm/h降水條件下

19、，50%蓋度草地有植被的保護(hù)，減弱了雨滴 圖7 60 mm/h不同蓋度草地的含沙率 fig.7 sediment process of grasslands at different coverage under 60mm/h rainfall 打擊動能，因此，徑流所挾帶的泥沙含量就較少，試驗(yàn)得出大降水強(qiáng)度的沖擊力使小蓋度草地沙粒流失嚴(yán)重，蓋度越大，抑制產(chǎn)沙效果明顯。這與馬海霞等19-21的研究一致。總體上含沙率與蓋度和降水強(qiáng)度均沒有明顯關(guān)系，但是含沙率呈總體下降趨勢。 2.3.2 草地產(chǎn)沙量 20%蓋度草地，30、60 mm/h降水強(qiáng)度下產(chǎn)沙模數(shù)為0.291、6.543 g/m2；50%蓋度

20、草地，30、60 mm/h降水強(qiáng)度下為0.323、1.2 g/m2。 （1）30 mm/h降水強(qiáng)度情況下，兩種草地產(chǎn)沙模數(shù)大致相當(dāng)，降水強(qiáng)度增大，小蓋度草地產(chǎn)沙模數(shù)急劇上升，增大22.5倍；大蓋度草地略有上升，增大3.72倍。由此可知，蓋度越大，在抵抗截留徑流的過程中，同時對產(chǎn)沙也控制的較好。 （2）60 mm/h降水強(qiáng)度情況下，50%蓋度草地產(chǎn)沙模數(shù)為1.2 g/m2，20%蓋度草地產(chǎn)沙模數(shù)最大為6.543 g/m2，前者是后者的0.18倍，可知蓋度越大，其截沙的能力大大增強(qiáng)，坡度大致相當(dāng)時蓋度對產(chǎn)沙能力的影響是至關(guān)重要。 3 結(jié)論 通過人工模擬降水研究草原水土流失，試驗(yàn)初步得出新右旗不同坡

21、度草原水土流失特性如下： （1）在60 mm/h降水情況下，兩種草地初始產(chǎn)流時間均為15 min；但是在30 mm/h降水情況下，20%蓋度、50%蓋度草地初始產(chǎn)流時間為55、30 min，20%蓋度草地滯后了25 min。 （2）在60 mm/h降水情況下，50%蓋度越時，徑流量由20%蓋度的0.666 m3減少到0.255 m3，截流效果最明顯。 （3）徑流系數(shù)小的草地其坡面產(chǎn)流相應(yīng)較少；草地蓋度越大，降水強(qiáng)度增強(qiáng)時，徑流系數(shù)增加更為緩慢，截流效果更為顯著。 （4）降水徑流含沙率大小順序?yàn)?0%蓋度草地60 mm/h50%蓋度草地30 mm/h20%蓋度草地30 mm/h50%蓋度草地60

22、 mm/h。 （5）60 mm/h降水情況下20%蓋度草地產(chǎn)沙量最大，為6.543 g/m2，50%蓋度草地產(chǎn)沙量為1.2 g/m2，因此，草地蓋度大截沙能力明顯增強(qiáng)。 參考文獻(xiàn)： 1 廖國藩，賈幼陵.中國草地資源m.北京：中國科技出版社，1996：346-347. 2 王艷，楊劍虹.草原沙漠化成因的探討j.草原與草坪，2004（4）：28-32. 3 馮冰，高玉紅，羅春燕，等.瑪曲縣草地退化成因分析j.草原與草坪，2006（6）：60-63. 4 龍瑞軍，董世魁，胡自治.西部草地退化的原因分析與生態(tài)恢復(fù)措施探討j.草原與草坪，2005（6）：3-7. 5 張淑卿，張興源.錫林郭勒草原水土流失

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