EN中文

地理科学 >

2012 , Vol. 32 >Issue 11: 6901391 - 6901396

DOI: https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.2012.011.1391

黄土坡面不同植被恢复阶段的减流减沙效益研究

  • 徐佳 , 1, 2 ,
  • 刘普灵 , 1, 2 ,
  • 邓瑞芬 3 ,
  • 刘栋 3
展开
  • 1.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100
  • 2.西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100
  • 3.西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100
刘普灵,研究员。E-mail:

作者简介：徐 佳 (1984-),女,陕西韩城人,博士研究生,主要从事水土保持效益和土壤侵蚀研究。E-mail:

收稿日期: 2011-11-20

  要求修回日期: 2012-02-11

  网络出版日期: 2012-11-20

基金资助

国家科技支撑计划课题（2011BAD31B01）资助

收起

Runoff and Sediment Reductions in the Different Stages of Vegetation Restoration on a Loess Slope

  • XU Jia , 1, 2 ,
  • LIU Pu-ling , 1, 2 ,
  • DENG Rui-fen 3 ,
  • LIU Dong 3
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on Loss Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China
  • 2. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China
  • 3. College of Rsources and Environment, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China

Received date: 2011-11-20

  Request revised date: 2012-02-11

  Online published: 2012-11-20

Copyright

本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
Fold

摘要

在延安燕沟流域退耕黄土坡面,根据植被状况建立不同植被恢复阶段（耕地、草地、灌木地、林地）径流小区,分析在退耕还林（草）工程实施以后,不同植被恢复阶段的减流减沙效益。结果表明,与坡耕地相比,各小区的减流减沙效益为：林地>灌木地>草地,草地和灌木地的减沙效益大于减流效益。对比草地和灌木地刈割前后的产流产沙量,可以看出,草地和灌木的减流效益有80%以上是由于地表枯落物及根系拦蓄径流造成,刈割后产沙量有明显增加,表明处于植被演替初级阶段的近地表层生态功能仍然比较脆弱,仍需进行封育保护。

关键词： 植被恢复阶段; 减流效益; 减沙效益; 刈割处理

本文引用格式

徐佳 , 刘普灵 , 邓瑞芬 , 刘栋 . 黄土坡面不同植被恢复阶段的减流减沙效益研究[J]. 地理科学, 2012 , 32(11) : 6901391 -6901396 . DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.2012.011.1391

Abstract

Vegetation coverage can effectively protect soils from erosion by intercepting raindrop impact and retaining runoff. In the loess hilly region of China, vegetation status has been improved since the “Grain for Green” project was launched and as a result, grassland, shrub land, and forestland get greatly increased. Study of the effects of the different restoration stages on runoff and sediment reductions may provide a sound basis for evaluating the environmental effects of vegetation restoration. Natural rainfall is difficult to manipulate and consequently, and soil erosion patterns on slope with different ways of vegetation coverage under natural rainfall condition have not been examined well. Runoff plots integrating different stages of vegetation restoration, including farmland, grassland, shrub land, and forestland were set up on the loess slope of Yangou catchment in Yan’an where the “Grain for Green” project was practiced to examine the runoff and sediment reductions in the different stages of vegetation restoration under natural rainfall condition. The investigation of the accumulative runoff and sediment yields from 2004 to 2008 showed that the runoff and sediment reductions ranked in the order of forestland>shrub land>grassland>farmland. Runoff reduction for forestland was the highest, being only about 10% of runoff from farmland. This implies that farmland was the major sources of soil erosion and sediment. The spatial structure and ground litters on forestland were capable of retaining runoff and thus promoting rainfall infiltration into soil. Sediment yields on grassland, shrub land, and forestland decreased by more than 90% compared with that on farmland in all the years but 2006, in which rainfall was lower. Thus, all the three stages of vegetation restoration had significant sediment reducing effects. On grassland and shrub land, sediment reductions were higher than runoff reductions. Comparison of the runoff and sediment yields on grassland and shrub land before and after vegetation cutting showed that more than 80% of the runoff reductions on grassland and shrub land were attributed to retaining by ground litters on and roots in them. Vegetation removed shrub land had stronger soil anti-erodibility than vegetation removed grassland and sediment yields on the lands increased slightly after vegetation cutting. After vegetation cutting on grassland and shrub land, the remaining roots and ground litters still had considerable soil conserving effects. However, the sediment yields on grassland and shrub land after vegetation cutting increasing indicated that during the initial vegetation succession, the layer near ground surface was still weak in ecological function and needed protecting by closed tendering.

Key words： Restoration stage; Runoff reduction; Sediment reduction; Vegetation cutting treatment

植被覆盖可以有效保护地表土壤,减缓降雨因子对黄土坡面土壤侵蚀的影响[1]。近年来,国内外许多学者针对不同植被的水土保持效益进行研究[2~4],研究者认为,合理的植被恢复措施可有效改善土壤质量,提高土壤抗侵蚀能力。黄土丘陵沟壑区在实施退耕还林（草）工程以后,通过对小流域的综合治理,林草覆盖率得到显著提高,地表径流量和进入河道的泥沙量明显减少,草地、灌木和林地的水土保持效益已经显现。然而,不同植被恢复阶段的水土保持效益不同,研究不同恢复阶段植被的水土保持效益对于合理配置水土保持措施,有效防止水土流失具有重要意义。
魏天星研究表明,相同降雨条件下,不同植被坡面径流量的大小为：草地>刺槐林地>油松林地>沙棘林地[5],而各植被坡面的产沙量接近。汪亚峰研究表明,不同植被条件下土壤侵蚀强度的大小为：坡耕地>果园林地>灌木林地>荒草地[6]。赵鹏宇对比人工降雨条件下草地和灌木地刈割前后的减流效益,结果表明,刈割草地的径流强度大于刈割灌木地[7]。然而,人工降雨受人为影响较大,在实际研究中,人工降雨并不能够完全替代自然降雨。自然降雨在雨强和雨型上复杂多变,由于野外实验条件有限,对于自然降雨下植被水土保持效益的研究仍然不足。因此,本文主要探讨在自然降雨条件下,不同植被恢复阶段的减流减沙效益,并对草地和灌木地刈割前后产流产沙量进行对比分析,旨在为退耕还林、还草政策效益评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究试验区设在陕西延安燕沟流域的鸡蛋峁村,位于延安市南3 km处,地处109°20′00″~109°35′00″E,36°20′00″~36°32′00″N,属黄土高原丘陵沟壑区第Ⅱ副区,为典型的黄土丘陵地形地貌,沟壑纵横,梁峁起伏（图1）。燕沟主沟长8.6 km,流域面积46.88 km2,流域大致呈东南-西北走向,地形破碎,地面割裂严重,坡陡沟深,海拔986~1 425 m,最大高差439 m,沟壑密度4.8 km/km2。流域处于暖温带半湿润气候向半干旱气候的过渡带,年均降水572 mm,降雨时空分布不均,57％的降雨集中于6~9月,多以暴雨形式出现,流域10 a一遇24 h暴雨量为110 mm,土壤侵蚀以水力侵蚀为主。流域内成土母质为黄土,黄绵土占流域面积的90%以上,土壤呈半熟化状态,肥力低下。
Fig. 1 Location of the study area

图1 研究区域

流域植被是由森林地带向典型草原植被的过渡类型,林地主要分布在沟谷地,草灌植被在沟间地分布广泛。地带性草本植物主要有白羊草、长芒草、达乌尔胡枝子等;灌木有白刺花、黄刺玫、栒子等;乔木有辽东栎、侧柏等;人工栽植的柠条、沙棘、刺槐、油松等分布广泛。流域内地带性原始植被破坏殆尽,零星残存天然次生林覆盖率不足10%,天然草地严重退化。1997年,坡耕地占流域总面积的40%,坡度大于15°的耕地占耕地总面积的57.2%。经过综合治理,燕沟流域的水土流失面积大为减少,沟口泥沙从1997年以前的6 000 t/（km2∙a）减少至2007年的451 t/（km2∙a）。

1.2 径流小区布设

研究地位于康家圪崂沟头鸡蛋峁半阳坡,西南方向,位于坡面中上部,坡度20°~23°,为沟间地,坡度和坡面植被均具有代表性。各小区坡面较为平整,小区面积2×16 m2,周围用砂浆砖块围护,埋深20 cm,以避免径流侧流。于2003年,依据坡面自然植被状况修建坡耕地、草地及灌丛地3个天然径流小区,三个小区由南向北依次排列。2007年增建刈割草地、刈割灌丛地小区,以评价植被恢复后,生态环境的稳定性;同时,依据试验地坡面的自然植被状况,增设林地小区,观测植被恢复到较高级阶段时的减流减沙效益。根据以往记录的最大次降雨量,在小区底部修建径流池,容积为1×1×1 m3,池壁上标记刻度,用于观测池内水位。各小区的植被状况如下：
1） 耕地小区。人工定期剪除坡面杂草,坡面基本保持为裸地,覆盖度<10%,每年春季翻耕一次,与当地农作习惯相一致,设为对照小区。
2） 草地小区。1998年退耕后,小区内形成草本群落,建群种为猪毛蒿及赖草等,其余为箭叶胡枝子、铁杆蒿、阿尔泰紫菀、狗尾草等,植物分布均匀,植被高度35 cm,覆盖度>60%。
3） 灌木地小区。撂荒后形成较为明显的灌草两层结构。
灌层：建群种为白芨梢,高度60~80 cm,冠幅50×60 cm2,灌层覆盖度40%,小区内灌木分布均匀,生长良好,植株密度1.5株/m2。
草层：主要有赖草、阿尔泰紫菀等,零星地散生着苦买菜、翻白萎菱菜等,草层高度30 cm,覆盖度30%。
4） 刈割草地小区。选择与退耕草地小区具有相同植被的坡面,经过刈割,去除植物地上部分,保留根系以及部分地表枯落物,不作翻耕,作为草地小区的对照。
5） 刈割灌木地小区。选择与多年退耕灌丛具有相同植被的坡面,经过刈割,去除植物地上部分,保留根系以及部分地表枯落物,不作翻耕,作为灌丛地小区的对照。
6） 林地小区。小区植物主要为20 a生刺槐林,高度5~8 m,郁闭度70%,小区内刺槐约8株,林下杂草覆盖度50%,枯落物平均厚度3 cm,与草地、灌丛地等其他小区对照。

1.3 样品采集与测定

由于6个小区分布在同一坡面,距离较近,各小区的观测认为是同步进行的,具有相同的降雨量。次降雨结束后,读取各小区产生的径流量,分别收集各个观测池中的径流和泥沙,同时利用雨量计获得相应的降雨量。

2 结果与讨论

2.1 不同退耕年限坡面小区产流产沙特征

表1可看出,2004、2005和2007年的降雨量较大,在这些年份,草地比耕地的径流量减少30%~60%,灌木地比耕地减少了60%~80%;2006和2008年份的降雨量较小,草地比耕地径流量减少幅度较小,灌木地比耕地径流量减少30%~40%;2007年新增的林地与耕地相比,径流量减少均在85%以上。
Table 1 Runoff yields on the slope lands in the different years

表1 不同年份坡面小区径流量比较

年份
（年）		 降雨量（mm） 耕地 草地 灌木地 林地
径流量(mm) 径流量
(mm)		 较坡耕地变化
（%）		 径流量(mm) 较坡耕地变化
（%）		 径流量(mm) 较坡耕地变化
（%）
2004 199.8 71.5 49.3 -31.1 26.4 -63.1 - -
2005 131.6 47.4 20.0 -57.8 10.0 -78.9 - -
2006 42.5 26.1 20.0 -23.5 17.9 -37.4 - -
2007 72.4 45.2 22.1 -51.1 12.5 -72.4 4.3 -90.5
2008 47.9 19.6 18.4 -6.0 11.5 -41.4 2.6 -86.6
由此可见,3个小区的减流效益为：林地>灌木地>草地,植被覆盖的减流作用在降雨量较大的年份比降雨量较小的年份更明显,林地减流效益最显著,只产生相当于耕地10%的径流量,这表明,林地的立体结构和地表枯落物的拦截可以延缓径流流速,增加径流入渗量。
表2可看出,与耕地相比,除降雨量偏小的2006年以外,草地、灌木和林地产沙量均减少90%以上,3个植被恢复阶段均具有良好的减沙效益。
Table 2 Sediment yields on the slope lands in the different years

表2 不同年份坡面小区产沙量比较

年份 耕地 草地 灌木地 林地
产沙量
(kg)		 产沙量
(kg)		 较坡耕地变化
（%）		 产沙量
(kg)		 较坡耕地变化
（%）		 产沙量
(kg)		 较坡耕地变化
（%）
2004 184.3 13.6 -92.6 4.8 -97.4 - -
2005 93.4 1.6 -98.3 1.6 -98.3 - -
2006 2.5 1.1 -57.4 1.0 -61.4 - -
2007 197.8 0.9 -99.5 1.3 -99.3 0.7 -99.6
2008 12.3 0.8 -93.6 0.7 -94.5 0.9 -92.9
综合表1、2看出,与耕地相比,不同植被坡面的减流减沙效益表现为：林地>灌木地>草地。草地、灌木地和林地的减流效益差异较大,但是减沙效益很接近。由此可见,覆盖度良好的草地和灌木地具有和林地相近的保土作用。同时,草地和灌木地的减沙效益大于减流效益。

2.2 不同次降雨下小区产流产沙特征

2007年雨季中,共观测到产生径流的天然降雨4次,表3是各小区所产生的径流量和泥沙量。
Table 3 Runoff and sediment yields in the different raining events in 2007

表3 2007年次降雨过程中的径流量和产沙量

降雨日期
(年-月-日)		 径流量(mm) 产沙量(kg)
耕地 草地 灌木地 林地 耕地 草地 灌木地 林地
2007-7-26 18.2 11.1 6.1 1.5 166.7 0.5 1.0 0.3
2007-7-29 12.5 5.1 1.7 1.2 20.2 0.2 0.1 0
2007-8-30 7.8 3.9 3.0 0.9 5.3 0.1 0.2 0.2
2007-9-1 6.7 2.0 1.7 0.7 5.6 0.1 0.1 0.2
虽然各次降雨强度存在波动变化,但其平均雨强和降雨量较大,累积降雨量达到72.4 mm,能够很好地代表黄土丘陵区夏季多暴雨的气候特征。对4次降雨中各小区产生的径流量和泥沙量进行累积,可以分析不同植被恢复阶段的产流产沙规律,探讨不同坡面产流产沙之间的关系。
1） 产流特征。图2为2007年雨季4次降雨中各小区的累积径流量与径流系数。从图中可以看出,各小区产生径流量大小依次为：耕地>刈割草地>草地>灌木地>刈割灌木地>林地,径流量大小趋势与2004~2008年各小区径流量的累积结果一致。
Fig. 2 Runoff yields and coefficients on the different lands in 2007

图2 2007年各小区径流量和径流系数

与耕地相比,其它小区径流量明显较少,这与历年观测结果一致。刈割草地径流量比耕地减少41.4%,刈割灌木地径流量比耕地减少80.2%,说明草地和灌木地刈割以后残留的根系和地表枯落物仍然具有一定的保水作用。林地的径流量最小,仅相当于耕地的10%。
各小区的径流系数大小为：坡耕地>刈割草地>草地>灌木地>刈割灌木地>林地,除刈割灌木地以外,各径流小区的径流系数随地面植被覆盖度的增加而减少,呈负相关关系。
2） 产沙特征。图3为2007年坡面产沙量观测结果。由图3a看出,耕地的产沙量与其它小区相比差异显著,由图3b看出,刈割草地的产沙量也明显大于其它小区,另外4个小区产沙量差异较小。
各小区的产沙量大小为：耕地>刈割草地>刈割灌木地>草地>灌木地>林地,与产流量的大小关系基本一致,说明产流与产沙之间具有密切关系。与耕地相比,刈割草地的产沙量减少87.4%,刈割灌木地的产沙量减少98.8%,这表明草地和灌木地刈割以后,残留的根系和地表枯落物仍然有良好的保土作用。
与耕地相比,草地产沙量减少99.5%,灌木地产沙量减少99.3%。林地的产沙量减少99.4%,这充分说明林地具有良好的减流减沙效益,虽然在雨强较大的情况下有少量的地表径流产生,但其含沙量已经远低于其他覆盖方式的土地,这也是燕沟流域沟口泥沙含量逐年降低的主要原因。

2.3 草灌小区刈割前后产流产沙量比较

由表4看出,2007年草地刈割后,产流量增加19.9%;而灌木地刈割后,径流量减少8.8%,这说明退耕还林10 a以后,灌木地对土壤结构有明显改善,土壤入渗能力得到提高。
2007年,草地刈割后产沙量增加幅度较大,较刈割前增加2667%;灌木地刈割后,产沙量增加84%。2008年,刈割灌木地的产流量较原状灌木地减少53.0%,而产沙量则增加229%,比2007年刈割后产沙量增加更为明显。
Fig. 3 Sediment yield on different lands in 2007

图3 2007年雨季各径流小区产沙量(b图为a图中部分小区产沙量情况)

Table 4 Runoff and sediment yields on vegetation cutting practiced grassland and shrub land before and after vegetation cutting

表4 刈割处理前后草灌小区产流产沙量比较

年份
（年）		 径流量 (mm) 产沙量 (kg)
草地 灌木地 草地 灌木地
刈割处理 变化 刈割处理 变化 刈割处理 变化 刈割处理 变化
前 后 前 后 前 后 前 后
2007 22.1 26.5 +19.9% 12.5 8.9 -28.8% 0.9 24.9 +2667% 1.3 2.4 +84%
2008 - - - 11.5 5.4 -53.0% - - - 0.7 2.3 +229%
由此可见,刈割灌木地比刈割草地的抗蚀抗冲性强,刈割后产沙量增加相对较小。同时,灌木对土壤的改善也有一定的贡献。

3 结 论

1） 退耕以后,各植被恢复阶段的减流减沙效益显著,与耕地相比,各小区的减流效益为：林
地>灌木地>草地,林地的减流效益尤其显著。在大雨强年份植被覆盖的减流效益更为明显。
2） 除2006年以外,草地、灌木地和林地产沙量均比耕地减少90%以上,各小区的减沙效益与减流效益趋势一致。不同植被覆盖形式对坡面的减流效益差异较大,而减沙效益差异较小,草地和灌木地的减沙效益大于减流效益。
3） 2007年各小区产生的径流量为：耕地>刈割草地>草地>灌木地>刈割灌木地>林地。刈割处理后,草地产流量增加,而灌木地产流量减少,说明剪除灌木的地上部分后,地面入渗率增加,表明灌木地土壤结构得到一定改善。
4） 刈割处理后,草地和灌木地的产沙量均显著增加,草地产沙增加量比灌木地更明显,表明处于植被演替初级阶段的近地表层植被减沙效益显著,但生态功能仍然比较脆弱,刈割以后仍然会产生较大的水土流失,不宜恢复耕种,是需要进行封育保护的主要植被群落。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
郑粉莉,高学田.黄土坡面土壤侵蚀过程与模拟[M].陕西:陕西人民出版社,2000.

[2]
Sarah M W, Paul V D.The impact of land use on soil carbon in Miombo Woodlands of Malawi[J].Forest Ecology and Management,2004,203(1-3):345-360.

[3]
Sagger S, Yeates G W, Shepherd T G.Cultivation effects on soil biological properties, micro fauna and organic matter dynamics in Eutric Gleysol and Gleyic Luvisol soils in New Zealand[J].Soil Tillage Research,2001,58(1-2):55-68.

[4]
毛艳玲,杨玉盛,刑世和,等.土地利用方式对土壤水稳性团聚体有机碳的影响[J].水土保持学报,2008,22(4):132~137.

[5]
魏天兴. 黄土区小流域侵蚀泥沙来源与植被防止侵蚀作用研究[J].北京林业大学学报,2002,9(24):19~24.

[6]
汪亚峰. 黄土丘陵小流域土地利用变化的土壤侵蚀效应:基于137Cs示踪的定量评价[J].应用生态学报,2009,20(7):1571~1576.

[7]
赵鹏宇,徐学选,刘普灵,等.黄土丘陵区不同土地利用方式土壤入渗规律研究[J].水土保持通报,2009,29(1):40~44.

[8]
张杨,刘艳芳,顾渐萍,等.武汉市土地利用覆被变化与生态环境效应研究[J].地理科学,2011,30(3):475~480.

[9]
Huang M B, Gallichand J, Wang Z L, et al.A modification to the soil conservation service curve number method for steep slopes in the Loss Plateau of China[J].Hydrological Processes,2006,20(3):579-589.

[10]
Chaplot V A M, Bissonnais Y L. Runoff features for interrill erosion at different rainfall intensities, slope lengths, and gradients in an agricultural loessial hillslope[J].Soil Science Society of America Journal,2003,67(3):844-851.

[11]
董翠云,黄明斌,郑世清.流域尺度水土保持生物措施减沙效益研究[J].应用生态学报,2002,13(5):635~637

[12]
张俊华,李国栋,南忠仁,等.黑河中游不同土地利用类型下土壤碳储量及其空间变化[J].地理科学,2011,31(8):982~988.

[13]
Pan C Z,Shangguan Z P.Runoff hydraulic characteristics and sediment generation in sloped grassplots under simulated rainfall conditions[J].Journal of Hydrology,2006,331(1-2):178-185.

[14]
陈浩,蔡强国.坡面植被恢复对沟道侵蚀产沙的影响[J].中国科学(D辑):地理科学,2006,36(1):69~80.

[15]
满苏尔·沙比提, 陆吐布拉·依明.新疆南疆地区土地利用变化及其生态效应[J].地理科学,2011,31(4):440~446.

[16]
袁希平,雷廷武.水土保持措施及其减水减沙效益分析[J].农业工程学报,2004,20(2):296~300.

[17]
Fohrer N, Haverkamp S, Eckhardt K, et al.Hydrologic response to land use changes on the catchment scale[J].Physics and Chemistry of the Earth(B),2001,26(7-8):577-582.

[18]
周洪华,李卫红,杨余辉,等.干旱区不同土地利用方式下土壤呼吸日变化差异及影响因素[J].地理科学,2011,31(2):190~196.

[19]
傅伯杰,邱扬.黄土丘陵小流域土地利用变化对水土流失的影响[J].地理学报,2002,57(6):718~721.

[20]
Davie D K,Lant C L.The effect of CRP enrollment on sediment loads in two southern Illinois streams[J].Journal of Soil and Water Conservation,1994,49(4):407-412.

[21]
Walker S M,Desanker P V.The impact of land use on soil carbon in Miombo Woodlands of Malawi[J]. Forest Ecology and Management,2004,203(1-3):345-360.

[22]
杨智杰,崔纪超,谢锦升,等.中亚热带山区土地利用变化对土壤性质的影响[J].地理科学,2010,30(3):475~480.

Options
文章导航

/

〈 〉