宁夏黄土丘陵沟壑区产流产沙特征及其影响因素量化.pdf
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1、土壤侵蚀是造成土地退化最严重的生态环境问题之一,而水土保持措施是防治土壤侵蚀的重要举措。目前,量化水土保持措施、降雨特征和坡度对黄土丘陵沟壑区径流量和泥沙量的直接和间接影响仍具有挑战性。在调查2 0 152 0 19 年宁夏黄土丘陵沟区犁尖沟小流域19 个径流小区25次典型侵蚀性降雨事件中的径流量和泥沙量基础上,利用结构方程模型分析降雨特征、水土保持措施和坡度对径流和土壤流失的直接和间接作用,同时采用余分析方法定量化各影响因素对减流效益和减沙效益的贡献率。结果表明:2 0 坡度减流效益最好,陡坡则具有更好的减沙效益;不同水土保持措施中,人工灌木林地的减流效益和减沙效益较高。降雨特征、水土保持措
2、施和坡度对径流和泥沙没有间接影响,最大30 min雨强对径流和泥沙的直接影响最大,直接路径系数分别为0.7 7 和0.46。降雨特征是影响径流、泥沙和减流效益的主导因素;与降雨特征相比,水土保持措施和坡度是控制减沙效益的主要因素。全球变暖引起的极端侵蚀性降雨事件导致径流和土壤流失加剧;水土保持措施对于防止径流和土壤流失是非常必要的;在陡坡上,实施以灌木为主的植被组合有望实现更大的减流效益和减沙效益。关键词:产流产沙;减流效益;减沙效益;水土保持;结构方程模型;宁夏;黄土高原中图分类号:S157Characteristics of Runoff and Sediment Yield in the
3、 Loess Hilly andGully Region of Ningxia,China and Quantification ofFAN De-zhengl2,MEI Xue-meil-3.4*,ZHANG Xiao-ming,LI Peng,ZHANG Guo-jun,ZHAO Yang,REN Zheng-yan?(1.Geothermal and Ecological Geology Research Center,Zhengzhou University,Zhengzhou 45oo0l,Henan,收稿日期:2 0 2 2-0 9-0 8;修回日期:2 0 2 3-0 2-2 3
4、基金项目:国家自然科学基金项目(32 2 0 16 2 7);宁夏回族自治区水利科技项目(SBZZ-J-2021-13,SBZZ-J-2 0 2 1-12);郑州大学院士团队科研启动基金项目(134-32 340 37 0;中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项资金项目(SE0145B022022)作者简介:范德政(1997-),男,山东德州人,工学硕士研究生,E-mail:17 1952 2 2 0 2 q q.c o m。*通讯作者:梅雪梅(1992-),女,河南商丘人,直聘副教授,农学博士,E-mail:mx m0 115 12 6.c o m。鹏,张国军7,赵宁夏银川7 50 0 0
5、 2)文献标志码:A文章编号:16 7 2-6 56 1(2 0 2 3)0 4-0 8 33-11Their Influencing Factors投稿网址:http:/ of Water Conservancy and Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,Henan,China;3.Research Centre of Engineering and Technology for Synergetic Control of EnvironmentalPollution and Carbon Emissions of
6、 Henan Province,Zhengzhou University,Zhengzhou 45oool,Henan,China;4.School of Ecology and Environment,Zhengzhou University,Zhengzhou 450o01,Henan,China;5.ChinaInstitute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;6.State Key Laboratory ofEco-hydraulics in Northwest Arid Region of
7、 China,Xian University of Technology,Xian 710048,Shaanxi,China;7.Ningxia Soil and Water Conservation Monitoring Station,Yichuan 750002,Ningxia,China)Abstract:Soil erosion is the most serious ecological and environmental problem causing landdegradation and water resources pollution,which is controlle
8、d by soil and water conservationmeasure(SWCM).At present,it is still challenging to quantify the direct and indirect impacts ofSWCM,rainfall characteristics and slope on runoff and sediment yield in loess hilly and gullyregion.The runoff and sediment yield of 19 runoff plots and 25 typical erosive r
9、ainfall events inLijiangou small watershed in the loess hilly and gully region of Ningxia were investigated from2015 to 2019.The structural equation model(SEM)was used to analyze the direct and indirecteffects of rainfall characteristics,SWCM and slope on runoff and soil loss.The redundancyanalysis(
10、RDA)method was used to quantify the contribution rate of each influencing factors tothe runoff reduction benefit(RRB)and sediment reduction benefit(SRB).The results show thatthe 2o slope has the best RRB,and the steep slope has better SRB;in different SWCMs,RRB and SRB of artificial shrubland are hi
11、gher.Rainfall characteristics,SWCM and slopehave no indirect impact on runoff and sediment,while 30 min maximum rainfall intensity has thelargest direct impact on runoff and sediment,with direct path coefficients of 0.77 and o.46,respectively.Rainfall characteristics are the dominant factor affectin
12、g runoff,sediment andRRB;compared with rainfall characteristics,SWCM and slope are the main factors controllingSRB.Runoff and soil loss will increase due to extreme erosive precipitation events caused byglobal warming;SwCM is very necessary to prevent runoff and soil loss;on steep slopes,thevegetati
13、on combination mainly with shrub is expected to achieve greater benefits of runoff andsediment reduction.Key words:runoff and sediment yield;runoff reduction benefit;sediment reduction benefit;soiland water conservation;structural equation model;Ningxia;Loess Plateau0引 言土壤侵蚀是全球性的环境问题,不仅会降低土壤质量,造成土壤水
14、分流失,还会对生态环境构成极大威胁,特别是在我国黄土高原1-3。此外,土壤侵蚀还会造成水污染。在土壤侵蚀过程中,径流会导致P和N以溶解状态迁移,同时泥沙也会以颗粒状态携带P和N。因此,深人了解土壤侵蚀机制,进一步寻找控制径流和泥沙的最佳措施,对于干旱、半干旱地区的植被恢复和水资源保护是非常有必要的。水土流失是气候变化与人类活动相互作用的结果4-5。在气候变化过程中,降雨对流域产流产沙都有显著影响。在人类活动加速全球气候变暖的背景地球科学与环境学报下,极端降雨事件的强度和频率呈现上升趋势,这可能会加速土壤侵蚀,增加土壤流失的潜在风险6-7。目前,已有不少学者研究降雨对产流产沙的影响。例如,普隽泽
15、等运用黄土丘陵沟壑区罗玉沟水土保持监测站的6 种不同草被覆盖坡面野外观测数据,探究了不同降雨条件下各草被覆盖径流小区的产流产沙规律8 。黄国平等通过伊犁河谷退化草地自然降雨坡面径流监测试验,发现坡面产流产沙受降雨特征的综合影响 。因此,量化降雨特征对径流和泥沙的影响,有助于了解气候变化背景下土壤侵蚀的趋势,对保护生态环境具有重要意义。黄土高原地形地貌复杂多样,土壤多孔疏松,是我国土壤侵蚀程度最严重的地区之一10-11,水土流失已经影响到当地的生态安全。水土保持措施2023年第4期(Soil and Water Conservation Measures,SWCM)是防止该地区土壤侵蚀最关键的手
16、段。自19 9 8 年实施退耕还林还草工程以来,大量位于山丘和沟区的农田被改为林地或草地,以减少土壤侵蚀。在黄土高原,水是限制植被恢复的主要因素。为提高水分利用效率和加快植物生长,前人已经应用了各种整地技术,如等高耕作、鱼鳞坑等12-14,在减少径流泥沙方面取得了有效的成果。Huo等通过监测1910次自然降雨事件,发现中国北方的鱼鳞坑减少了7 0.18%和91.0 7%的径流和土壤流失15。Zhao等研究发现,在工程措施比植被措施和农业措施更有效的情况下,水土保持措施可以显著减少土壤流失,但不能使之降低到背景水平16 。一般来说,采取水土保持措施的土壤侵蚀率仍然高于永久植被覆盖的土壤侵蚀率。坡
17、度也是控制径流和土壤流失的重要因素,在一定坡度范围内,随着坡度的增加,径流及输沙能力均增大17-18 1。杨瑞杰等在探究干旱河谷区横坡面水土流失特征时,发现在坡度分别为101520和2 5条件下,产流产沙随着坡度的增大而增加19。目前有不少学者通过坡度与降雨来对产流产沙的影响进行分析2 0-2 ,然而很少有研究涉及水土保持措施(土地利用和整地技术)与坡度共同作用,并且降雨、水土保持措施和坡度对径流和泥沙的耦合作用的影响大小也很少被量化,但对其进行量化研究可以更好地为水土流失治理以及水沙调控提供科学依据。基于此,本文选取黄土高原半干旱丘陵区犁尖沟小流域510 152 0 和2 5等5个坡度的19
18、个径流小区内典型土地利用类型(天然牧草地、农田、人工乔木林地、人工灌木林地以及裸地)和整地技术(封禁、等高耕作、鱼鳞坑和穴播),用于研究降雨特征、水土保持措施和坡度对地表径流和土壤流失的直接和间接作用;并在长期整地技术与土地利用类型相结合的条件下,确定该研究区内控制径流和土壤流失的最优水土保持措施,以期为我国水土保持综合治理工程的建设提供指导,并为预测径流和土壤流失趋势提供理论基础。1材料与方法1.1试验区概况本试验拟在宁夏黄土丘陵沟区树台水土保持监测站犁尖沟小流域进行,地理坐标为(36 2 9 54N,1052555E)(图1)。流域面积为1.0 2 km,平均海拔为18 6 8 m,属大陆
19、性气候,年平均降雨量为范德政,等:宁夏黄土丘陵沟壑区产流产沙特征及其影响因素量化10639监测站高程/m3238.831089.18383736图1宁夏型尖沟小流域位置及径流小区布局Fig.1 Location of Lijiangou Small Watershed andLayout of Runoff Plots in Ningxia360mm,6 6.7%的降雨集中在6 月至9 月,年平均气温为7.0,年平均蒸发量为19 0 2.4mm。主要土壤类型为由黄土母质发育而成的暗黄土质,主要群落是短束草,最常见的本土草种为长芒草、冰草、铁杆蒿、黄花蒿、骆驼蓬等。1.2现场试验设计和数据收集1
20、.2.1径流小区设计为研究降雨过程中形成的径流和泥沙特征,量化降雨过程中控制径流和泥沙的主要因素,试验在宁夏犁尖沟小流域改建了坡度分别为510、15835104105050kmL(a)梨尖沟小流域位置56891011316171213119为径流小区编号(b)径流小区布局107树台水去保持监测站N83620和2 5的19 个径流小区(图1)。径流小区基本情况见表1。在缓坡(5和10)的径流小区设有农田样地;在510、152 0 和2 5坡度的径流小区设有天然牧草地;在152 0 和2 5坡度的径流小区设有人工灌木林地和人工乔木林地。5个坡度的径流小区均设有裸地进行对照。由于坡度为10 的径流小
21、区尺寸与其他坡度不一致,所以计算前将径流小区面积标准化,以消除面积不同的影响。表1径流小区基本情况Table 1Basic Information of Runoff Plots径流小坡度/坡长/坡宽/土地利用整地技术区编号m1516.52516.53516.541020.351020.361020.371020.381516.591516.5101516.5111516.5122016.5132016.5142016.5152016.5162516.51725182516.5192516.51.2.2地表径流和泥沙收集每场降雨结束后用样品瓶收集含有泥沙的地表径流,并记录径流量;静置2 4h后
22、,将上方清水倒出,烘干泥沙样品并称重,记录泥沙量;使用自记雨量计记录降雨量。采用目估法和照相法观察植被覆盖度,以两种方法测得的平均值作为径流小区的植被覆盖度。用尺子测量每一径流小区对角线上的10株草种的高度。1.3分析方法本文选择裸地作为对照,采用减流效益(RunoffReduction Benefit,RRB)和减沙效益(Sediment Re-ductionBenefit,SRB)两个指标来评价水土保持措施对径流和泥沙的影响。其计算公式2 3 分别为ERRB=RBL地球科学与环境学报EsRB=YBL式中:ERRB为减流效益;EsRB为减沙效益;RBL为单次降雨裸地产流量;RsM为单次降雨采
23、取水土保持措施的样地产流量;YBL为单次降雨裸地产沙量;YsM为单次降雨采取水土保持措施的样地产沙量。结构方程模型(Structural Equation Model,SEM)主要用于分析降雨特征、水土保持措施和坡度之间的直接和间接效应及其对径流、泥沙、减流效益和减沙效益的影响。为了更好地解释变量变化的植被原因,利用AMOS24.0软件构建初始路径网络;采m类型4天然牧草地4农田4裸地5农田5裸地5天然牧草地5人工乔木林地鱼鳞坑杏树4裸地4天然牧草地4人工灌木林地穴播柠条4人工乔木林地鱼鳞坑杏树4裸地4天然牧草地4人工乔木林地鱼鳞坑杏树4人工灌木林地穴播柠条4裸地16.544人工乔木林地鱼鳞坑
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