不同農(nóng)耕地退耕還草減流減沙效應研究

不同農(nóng)耕地退耕還草減流減沙效應研究

土壤侵蝕是全球生態(tài)環(huán)境中的一個問題之一。土壤侵蝕持續(xù)發(fā)生的結果不僅使土壤質量不斷下降,而且還會引起水體環(huán)境惡化等一系列的生態(tài)問題。特別是在我國廣大的西北地區(qū),防止水土流失是重建生態(tài)環(huán)境的關鍵。黃土高原地區(qū)發(fā)生的嚴重土壤侵蝕,除了降雨集中發(fā)生和易于侵蝕的黃土性質等因素外,更重要的原因是人類不合理的土地利用方式,主要表現(xiàn)為植被破壞及陡坡墾殖。唐克麗等根據(jù)對杏子河流域坡耕地水土流失研究后,認為坡耕地是黃河泥沙主要來源,并估算出坡耕地侵蝕模數(shù)高達1.5萬～3萬t/km2。許多研究已經(jīng)證實,退耕陡坡農(nóng)地,因地制宜恢復植被是防止黃土高原水土流失的重要措施。隨著國家政府“退耕還林還草,封山綠化”戰(zhàn)略的實施,關于退耕還林還草對區(qū)域水土資源的影響成了研究熱點。黃河流域水土保持與區(qū)域水土資源之間的關系問題已經(jīng)受到廣泛重視。朱顯謨呼吁恢復黃土高原生態(tài)環(huán)境、搶救黃土高原的“土壤水庫”。但也有研究表明,黃土高原治理與開發(fā)會引起區(qū)域水文循環(huán)的變化,認為黃河下游日趨嚴重的斷流問題與黃土高原地區(qū)水土保持有一定關系。劉萬銓明確指出,水土保持在黃河流域環(huán)境治理中具有不可忽視的積極作用和十分重要的戰(zhàn)略地位,但也強調就水土保持減流減沙特征、能力及其對黃河下游水資源的不利和有利影響,水土保持持續(xù)狀況等問題需要作深入探討。許炯心建議通過小區(qū)和小流域的對比觀測,深入研究植被對地表徑流等的影響作用。由此可見,盡管有許多研究者提出了黃土高原退耕還林還草的思路,但關于退耕還林還草對水資源影響的觀點還不太一致。同時,盡管候喜祿等學者研究分析了農(nóng)地和林草措施減流減沙效益,但大多是建立在與裸地相比基礎上。而對于在黃土高原實施退耕還林還草措施戰(zhàn)略來說,更需要知道的是農(nóng)地和草地、林地的產(chǎn)流產(chǎn)沙比較。本文據(jù)陜西安塞不同農(nóng)作小區(qū)與沙打旺、紅豆草小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征數(shù)據(jù),分析了退耕還草的減流減沙效益特征。從而為認識退耕還草措施在黃土高原生態(tài)環(huán)境治理中的有利和不利作用提供依據(jù)。1生態(tài)氣候特點選用布設于陜西安塞縣境內(nèi)的小區(qū)觀測資料,對比農(nóng)地和草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙,分析退耕還草的減流減沙特征,從而說明退耕還草對地區(qū)水資源的影響。陜西安塞位于陜北黃土高原中部,溝谷發(fā)育、地形破碎,屬典型的梁峁丘陵溝壑區(qū)。年平均降水量549.1mm,且年際變化大。年內(nèi)降水主要集中于6～9月份,多以暴雨形式發(fā)生。不論從地形地貌特征還是從氣候降水特點,安塞都具有一定代表性。主要土壤為黃綿土,小區(qū)水平投影面積為20m×5m,農(nóng)地和裸露農(nóng)地坡向為北坡,草地坡向為東坡。農(nóng)牧徑流小區(qū),主要農(nóng)作物有蕎麥、馬鈴薯、黃豆、谷子,對比小區(qū)有裸露農(nóng)地、紅豆草、沙打旺,觀測年份為1987～1992年。2農(nóng)業(yè)和恢復牧場的水沙變化特征2.1不同降雨期林草減流減沙效益分析地表產(chǎn)流產(chǎn)沙主要受降雨和地表狀況的影響。退耕還草是人為、有目的地調整和改變地表狀況,勢必會引起產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其過程的相應變化,而產(chǎn)流過程及其強度的變化又與降雨特征密切相關。因此,要準確評價退耕還草后地表產(chǎn)流狀況的變化情況,首先需要研究其減流減沙隨降雨的變化特征。降雨強度和雨量是反映降雨特征的主要指標,在不同的雨量或雨強下,地面產(chǎn)流產(chǎn)沙會有極大的差異。同樣,退耕還草后地表產(chǎn)流狀況必然會隨降雨量和降雨強度的不同而相應變化。大量的試驗研究已經(jīng)證明,林草措施具有明顯的減流減沙效益。也有研究分析林草減流減沙效應與降雨特征的關系。侯喜祿等的野外試驗表明,2～8年生沙打旺草地平均比農(nóng)地減少徑流70.1%,減少泥沙97.8%。但由于降雨和地面條件對侵蝕影響的交互作用,不同下墊面在不同強度降雨下會有不同產(chǎn)流產(chǎn)沙大小的對比。資料表明,不同土地利用方式下產(chǎn)流產(chǎn)沙量主要集中在大雨量降雨內(nèi)。具體而言,在全部侵蝕性降雨中,雨量大于20mm的降雨,產(chǎn)流量占總徑流量的89.8%,產(chǎn)沙量占全部降雨產(chǎn)沙量的96.5%。雨量大于50mm降雨的產(chǎn)流量也要占總徑流量的47%,產(chǎn)沙量更要占全部降雨產(chǎn)沙量的62.5%。與產(chǎn)流產(chǎn)沙這種規(guī)律相對應,林草措施的減流減沙效益也必然存在隨降雨量多少的差異。表1是草地與農(nóng)作地相比較的減流減沙效益隨降雨的變化。為方便起見,此處減流效應和減沙效應分別為1減去草地產(chǎn)流量與農(nóng)作地產(chǎn)流量之比和1減去草地產(chǎn)沙量與農(nóng)作地產(chǎn)沙量之比,此值越大,表示減流減沙效應越明顯。表中數(shù)據(jù)表明,退耕還草具有較好的減流減沙效益,且在大雨量段表現(xiàn)得更為明顯,即大雨量段的減流減沙效應明顯強于小雨量段。雨量為20≤P<50mm,降雨的減流減沙量分別是雨量P<20mm降雨的4倍和9.1倍,而雨量P≥50mm降雨的減流減沙量分別是雨量P<20mm降雨的6.8倍和21.5倍,也是雨量為20≤P<50mm降雨的1.8倍和2.4倍。也就是說實施退耕還草后,徑流量的57.9%、泥沙量的67.6%是在降雨P≥50mm的大雨量降雨中減掉的。徑流量的91.2%和泥沙量的96.9%是在雨量P≥20mm的降雨時減掉的。但是,黃土高原降雨較少,且相對集中,有時一年的降水主要集中在一兩次降雨中。從觀測年份的降雨情況分析看,P≥50mm的侵蝕性降雨的頻率很小,年平均不到1次,而小雨量降雨的次數(shù)較多。這說明還草措施的減流減沙主要是在不多見的幾次大降雨中發(fā)揮了很強的水土保持作用,集中減少了大暴雨時的徑流量,也就是對高強度產(chǎn)流降雨時起到了削減洪峰流量的作用,而這部分徑流對河流下游威脅最大?？傮w而言,對小雨量降雨產(chǎn)流的減少量較少。從表1還可以明顯看出,其減沙效應比減流效應強得多。在不同的降雨段內(nèi),減沙效應均比較強。過去已有專家得出減沙效應大于減流效應的同樣結論,但是,大多是與裸露地比較而得的結果,對退耕來說,更加關心的應是不同農(nóng)地與草地和林地的比較。2.2不同坡度、坡面坡度對草地侵蝕的影響地面坡度是影響侵蝕產(chǎn)沙的重要因素。在不同的坡度條件下,侵蝕產(chǎn)沙過程及其強度會有很大差異。過去研究證明,地表產(chǎn)流產(chǎn)沙與坡度成正相關關系,坡度愈大產(chǎn)流產(chǎn)沙愈強。那么,退耕還草后隨坡度變化減流減沙效應有何特征也是研究者普遍關心的問題。表2是把安塞茶坊坡度27(°)時紅豆草、沙打旺小區(qū)的平均侵蝕模數(shù)與15°、20°、25°三種坡度的農(nóng)耕地小區(qū)對照。雖然不是在同一坡度上進行比較,但據(jù)已有的觀測和研究,有植被覆蓋后,地形對侵蝕的影響作用顯著減小。與裸露地相比,不同坡度下草地侵蝕量差異相對較小。并且,草地本生侵蝕量比農(nóng)地小得多。所以,用27°紅豆草坡地來與農(nóng)地三種坡地相比較,其所得減流減沙效應值會偏小,但能充分說明不同坡度退耕還草的減流減沙特征。從表2中數(shù)據(jù)變化趨勢看出,在不同的坡度范圍內(nèi),減沙效應均顯著大于減流效應,而且坡度愈陡,減流減沙效應愈強。同時,減沙效應與減流效應差異也愈來愈明顯。坡面坡度從15°增大到28°時,減流效應增加了0.03,而減沙效益增大了0.12。當坡面坡度為15°時,減沙效應比減流效應大0.26,坡度為20°時大0.32,坡度為28°時減沙效應要比減流效應大0.35。說明陡坡退耕還草減流減沙作用最為顯著。而且,陡坡退耕還草后保土作用遠遠大于保水作用。所以,退耕還草應該盡早退掉20°以上的坡耕地,尤其是25°以上的陡坡耕地。上述分析結果表明,盡管實施陡坡退耕還草后,會引起地表徑流量的減少,但與顯著的減沙效益相比,退耕還草措施對黃土高原生態(tài)環(huán)境恢復及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2.3不同農(nóng)耕地退耕還草對不同降雨影響的差異由于不同的農(nóng)作物類型有不同的覆蓋度及其季節(jié)變化規(guī)律,在相同的坡度和降雨條件下,土壤流失量也會有很大的差別。因此,對不同地塊實施退耕,其減沙效益也會有所不同。為此,分析黃土高原常見的幾種農(nóng)耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙以及退耕還草后減流減沙效應的差異規(guī)律,對科學有序地安排退耕還林還草、合理調整農(nóng)、林、牧產(chǎn)業(yè)結構都有現(xiàn)實意義。表3是幾種農(nóng)耕地退耕還草的減流減沙差異。表中數(shù)據(jù)表明,不同農(nóng)耕地退耕還草后50%以上的減流和65%以上的減沙發(fā)生在雨量P≥50mm的侵蝕性降雨。雨量P<20mm的侵蝕性降雨減流減沙所占比例不足10%。同時,對比分析幾種農(nóng)耕地退耕還草后的減流減沙效益,也會發(fā)現(xiàn)有一定的差異性。在所有不同雨量的降雨中,蕎麥地退耕后泥沙和徑流減少的程度最大。在雨量P<20mm降雨時,谷子地退耕還草后減流減沙效應最小,而馬鈴薯地在雨量P≥50mm降雨中最小。谷子耕作壟溝在小雨時阻擋了產(chǎn)流產(chǎn)沙,大雨時馬鈴薯寬葉攔截雨水作用比蕎麥、谷子強。這種結果說明作物的耕種方式和生長情況在不同的降雨條件下有不同的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。表3也表明,產(chǎn)流產(chǎn)沙主要在P≥50mm段內(nèi),退耕后減流減沙效應也在P≥50mm時最強。所以,在黃土高原地區(qū)首先要退耕蕎麥和谷子等水土流失相對嚴重的地塊。這些地塊產(chǎn)量不高,對區(qū)域水土流失的貢獻作用卻最大。2.4退耕還草對徑流生長過程的影響黃土高原降雨主要集中在夏秋兩季,常常以高強度暴雨形式發(fā)生。有時全年降水就集中在主要幾次大降雨中,同時降雨的季節(jié)變化和年際變化都非常明顯。受這種降水特點的影響,黃土高原水土流失也有集中發(fā)生的特點。由于這種降雨特征和侵蝕規(guī)律的客觀存在,林草措施的減流減沙效果必然有一定的季節(jié)變化特點。分析退耕還草后減流減沙效益隨時間的變化特征,對回答黃土高原退耕還草后怎樣影響黃河流域水資源的時間分配狀況以及減流減沙在豐水期和在枯水期的差異大小都十分必要。以往的研究表明,水土保持措施對徑流有一定的再分配效應(即滯洪作用),水土保持措施主要是削減洪峰流量,增加枯水期地表徑流量。也就是說水土保持措施主要是在豐水期減緩徑流過程,其效果對汛期洪澇災害有很大的抑制作用。下面就根據(jù)野外實測資料,對退耕還草的減流減沙效益在時間上的變化特征作一分析。1水保措施減流減沙效益分析黃河流域的降雨年際變化很大,黃土高原年降雨量離差系數(shù)一般在0.25～0.35之間,地表產(chǎn)流產(chǎn)沙具有明顯的年際變化。那么,在不同的降雨年份退耕還草減流減沙效應也必然存在差異。圖1是減流減沙效應隨侵蝕性降雨的年際變化曲線,曲線點旁數(shù)據(jù)是年份標志?？傮w趨勢是,效益隨雨量增大而增大,豐水年減流效應可高達0.5以上,而枯水年基本不會減少徑流。豐水年減沙效益比枯水年更顯著,可高達0.9以上,枯水年往往只有0.3左右,甚至有的年份還不會減沙。與年降雨量變化對照分析,發(fā)現(xiàn)減流減沙效益往往與產(chǎn)流降雨雨強的大小和發(fā)生次數(shù)等密切相關。如在小雨強降雨次數(shù)相對多的年份,水保措施的減流減沙效益要弱些,例如,1990年產(chǎn)流降雨有299.1mm,降雨量在觀測年里排在第二,但共有12次產(chǎn)流降雨組成,即小雨量降雨較多,平均最大30min雨強只有0.2mm,減流減沙效益就很弱;而1989年雖然產(chǎn)流降雨只有216.8mm,但最大30min雨強平均高達0.55,盡管只有4次降雨,減流減沙卻相對較強。1991年產(chǎn)流降雨為224.9mm,降雨次數(shù)也較多,為11次,最大30min雨強平均值也大,為0.45,水保措施的減流效應可近0.4,減沙效應可達0.9以上?？梢?水保措施的減流減沙主要是在豐水年里,而且與每年的暴雨次數(shù)、暴雨大小密切相關,暴雨出現(xiàn)多的年份里水保措施的減流減沙效益強,暴雨出現(xiàn)少的年份減流減沙弱。這說明坡耕地退耕還草后在暴雨及多雨年份能達到較好的減流減沙效應。無論是枯水年還是豐水年,減沙效應均比減流效應強得多,而減流效應只在豐水年較強,在枯水年較弱,甚至沒有效應。所以,退耕還草主要是削減豐水多暴雨年份的徑流,而在少雨及少暴雨年份減流較弱,甚至沒有減流作用。這樣就可以減輕豐水年黃河下游洪水泛濫的可能性,而在枯水年對區(qū)域水資源影響程度較低。2不同季節(jié)減流減沙效應的變化黃土高原的降雨有明顯的季節(jié)變化,一般主要集中在夏秋季節(jié)。就試驗所在地陜西安塞縣而言,1987～1992年6年中,平均有90.2%的產(chǎn)流降雨集中在6、7、8、9四個月,退耕還草措施平均98.7%的減流和平均96.2%的減沙也集中在這幾個月。圖2是退耕還草措施減流減沙效益的季節(jié)變化圖。從圖中可以看出,從4月到8月隨著降雨量的增加,減流減沙效應增強,減沙效益明顯大于減流效應。退耕還草措施的減流減沙效益除了與降雨特征有關外,在很大程度上還取決于植被的季節(jié)變化。1987～1992年6年間,4月份只發(fā)生過1次產(chǎn)流降雨,雨量為35.9mm,最大30min雨強為0.55,幾種農(nóng)耕地平均產(chǎn)流量占全年總產(chǎn)流量的68.3%,侵蝕模數(shù)占全年總侵蝕模數(shù)的77.8%,但是草地基本上沒有減流效應,減沙效益也不高。這是因為4月份各農(nóng)地剛經(jīng)過翻耕播種或未播種,地表非常疏松,而草地此時長勢也不好,所以基本上沒有減流減沙作用。4～6月,降雨量增加很慢,但是減沙效應增加卻很快。因為隨著氣溫回升、雨季來臨,草地覆蓋度很快增大,而農(nóng)地已翻土且剛剛播種,甚至有的未播種,一旦產(chǎn)生降雨,農(nóng)地迅速產(chǎn)沙,且產(chǎn)沙量很大。草地相對來說產(chǎn)沙量很小。6～8月,降雨量增長很快,減沙效應增長雖然不明顯,但減沙效益已經(jīng)很大,并且此時農(nóng)地已有一定覆蓋,農(nóng)作物起到了一定保土作用。10月降雨很少,減流減沙效應出現(xiàn)負值,這主要是因為10月降雨量少,而且強度低,在這種降雨情況下,耕地入滲強、產(chǎn)流少,而由于人工草地地表相對緊實,地表覆蓋度也衰減,產(chǎn)流量也相對大,產(chǎn)沙也多。但是,總體而言,不管是草地還是耕地,10月份產(chǎn)沙量都較小。因此,減流減沙作用除了受降雨的季節(jié)性影響外,還受植被季節(jié)生長狀況的影響?？傊?減流減沙主要發(fā)生多雨和暴雨集中的月份,還草措施減流作用減掉的往往是洪