不同农耕地退耕还草减流减沙效应研究

不同农耕地退耕还草减流减沙效应研究

土壤侵蚀是全球生态环境中的一个问题之一。土壤侵蚀持续发生的结果不仅使土壤质量不断下降,而且还会引起水体环境恶化等一系列的生态问题。特别是在我国广大的西北地区,防止水土流失是重建生态环境的关键。黄土高原地区发生的严重土壤侵蚀,除了降雨集中发生和易于侵蚀的黄土性质等因素外,更重要的原因是人类不合理的土地利用方式,主要表现为植被破坏及陡坡垦殖。唐克丽等根据对杏子河流域坡耕地水土流失研究后,认为坡耕地是黄河泥沙主要来源,并估算出坡耕地侵蚀模数高达1.5万～3万t/km2。许多研究已经证实,退耕陡坡农地,因地制宜恢复植被是防止黄土高原水土流失的重要措施。随着国家政府“退耕还林还草,封山绿化”战略的实施,关于退耕还林还草对区域水土资源的影响成了研究热点。黄河流域水土保持与区域水土资源之间的关系问题已经受到广泛重视。朱显谟呼吁恢复黄土高原生态环境、抢救黄土高原的“土壤水库”。但也有研究表明,黄土高原治理与开发会引起区域水文循环的变化,认为黄河下游日趋严重的断流问题与黄土高原地区水土保持有一定关系。刘万铨明确指出,水土保持在黄河流域环境治理中具有不可忽视的积极作用和十分重要的战略地位,但也强调就水土保持减流减沙特征、能力及其对黄河下游水资源的不利和有利影响,水土保持持续状况等问题需要作深入探讨。许炯心建议通过小区和小流域的对比观测,深入研究植被对地表径流等的影响作用。由此可见,尽管有许多研究者提出了黄土高原退耕还林还草的思路,但关于退耕还林还草对水资源影响的观点还不太一致。同时,尽管候喜禄等学者研究分析了农地和林草措施减流减沙效益,但大多是建立在与裸地相比基础上。而对于在黄土高原实施退耕还林还草措施战略来说,更需要知道的是农地和草地、林地的产流产沙比较。本文据陕西安塞不同农作小区与沙打旺、红豆草小区产流产沙特征数据,分析了退耕还草的减流减沙效益特征。从而为认识退耕还草措施在黄土高原生态环境治理中的有利和不利作用提供依据。1生态气候特点选用布设于陕西安塞县境内的小区观测资料,对比农地和草地的产流产沙,分析退耕还草的减流减沙特征,从而说明退耕还草对地区水资源的影响。陕西安塞位于陕北黄土高原中部,沟谷发育、地形破碎,属典型的梁峁丘陵沟壑区。年平均降水量549.1mm,且年际变化大。年内降水主要集中于6～9月份,多以暴雨形式发生。不论从地形地貌特征还是从气候降水特点,安塞都具有一定代表性。主要土壤为黄绵土,小区水平投影面积为20m×5m,农地和裸露农地坡向为北坡,草地坡向为东坡。农牧径流小区,主要农作物有荞麦、马铃薯、黄豆、谷子,对比小区有裸露农地、红豆草、沙打旺,观测年份为1987～1992年。2农业和恢复牧场的水沙变化特征2.1不同降雨期林草减流减沙效益分析地表产流产沙主要受降雨和地表状况的影响。退耕还草是人为、有目的地调整和改变地表状况,势必会引起产流产沙特征及其过程的相应变化,而产流过程及其强度的变化又与降雨特征密切相关。因此,要准确评价退耕还草后地表产流状况的变化情况,首先需要研究其减流减沙随降雨的变化特征。降雨强度和雨量是反映降雨特征的主要指标,在不同的雨量或雨强下,地面产流产沙会有极大的差异。同样,退耕还草后地表产流状况必然会随降雨量和降雨强度的不同而相应变化。大量的试验研究已经证明,林草措施具有明显的减流减沙效益。也有研究分析林草减流减沙效应与降雨特征的关系。侯喜禄等的野外试验表明,2～8年生沙打旺草地平均比农地减少径流70.1%,减少泥沙97.8%。但由于降雨和地面条件对侵蚀影响的交互作用,不同下垫面在不同强度降雨下会有不同产流产沙大小的对比。资料表明,不同土地利用方式下产流产沙量主要集中在大雨量降雨内。具体而言,在全部侵蚀性降雨中,雨量大于20mm的降雨,产流量占总径流量的89.8%,产沙量占全部降雨产沙量的96.5%。雨量大于50mm降雨的产流量也要占总径流量的47%,产沙量更要占全部降雨产沙量的62.5%。与产流产沙这种规律相对应,林草措施的减流减沙效益也必然存在随降雨量多少的差异。表1是草地与农作地相比较的减流减沙效益随降雨的变化。为方便起见,此处减流效应和减沙效应分别为1减去草地产流量与农作地产流量之比和1减去草地产沙量与农作地产沙量之比,此值越大,表示减流减沙效应越明显。表中数据表明,退耕还草具有较好的减流减沙效益,且在大雨量段表现得更为明显,即大雨量段的减流减沙效应明显强于小雨量段。雨量为20≤P<50mm,降雨的减流减沙量分别是雨量P<20mm降雨的4倍和9.1倍,而雨量P≥50mm降雨的减流减沙量分别是雨量P<20mm降雨的6.8倍和21.5倍,也是雨量为20≤P<50mm降雨的1.8倍和2.4倍。也就是说实施退耕还草后,径流量的57.9%、泥沙量的67.6%是在降雨P≥50mm的大雨量降雨中减掉的。径流量的91.2%和泥沙量的96.9%是在雨量P≥20mm的降雨时减掉的。但是,黄土高原降雨较少,且相对集中,有时一年的降水主要集中在一两次降雨中。从观测年份的降雨情况分析看,P≥50mm的侵蚀性降雨的频率很小,年平均不到1次,而小雨量降雨的次数较多。这说明还草措施的减流减沙主要是在不多见的几次大降雨中发挥了很强的水土保持作用,集中减少了大暴雨时的径流量,也就是对高强度产流降雨时起到了削减洪峰流量的作用,而这部分径流对河流下游威胁最大。总体而言,对小雨量降雨产流的减少量较少。从表1还可以明显看出,其减沙效应比减流效应强得多。在不同的降雨段内,减沙效应均比较强。过去已有专家得出减沙效应大于减流效应的同样结论,但是,大多是与裸露地比较而得的结果,对退耕来说,更加关心的应是不同农地与草地和林地的比较。2.2不同坡度、坡面坡度对草地侵蚀的影响地面坡度是影响侵蚀产沙的重要因素。在不同的坡度条件下,侵蚀产沙过程及其强度会有很大差异。过去研究证明,地表产流产沙与坡度成正相关关系,坡度愈大产流产沙愈强。那么,退耕还草后随坡度变化减流减沙效应有何特征也是研究者普遍关心的问题。表2是把安塞茶坊坡度27(°)时红豆草、沙打旺小区的平均侵蚀模数与15°、20°、25°三种坡度的农耕地小区对照。虽然不是在同一坡度上进行比较,但据已有的观测和研究,有植被覆盖后,地形对侵蚀的影响作用显著减小。与裸露地相比,不同坡度下草地侵蚀量差异相对较小。并且,草地本生侵蚀量比农地小得多。所以,用27°红豆草坡地来与农地三种坡地相比较,其所得减流减沙效应值会偏小,但能充分说明不同坡度退耕还草的减流减沙特征。从表2中数据变化趋势看出,在不同的坡度范围内,减沙效应均显著大于减流效应,而且坡度愈陡,减流减沙效应愈强。同时,减沙效应与减流效应差异也愈来愈明显。坡面坡度从15°增大到28°时,减流效应增加了0.03,而减沙效益增大了0.12。当坡面坡度为15°时,减沙效应比减流效应大0.26,坡度为20°时大0.32,坡度为28°时减沙效应要比减流效应大0.35。说明陡坡退耕还草减流减沙作用最为显著。而且,陡坡退耕还草后保土作用远远大于保水作用。所以,退耕还草应该尽早退掉20°以上的坡耕地,尤其是25°以上的陡坡耕地。上述分析结果表明,尽管实施陡坡退耕还草后,会引起地表径流量的减少,但与显著的减沙效益相比,退耕还草措施对黄土高原生态环境恢复及区域可持续发展具有重要意义。2.3不同农耕地退耕还草对不同降雨影响的差异由于不同的农作物类型有不同的覆盖度及其季节变化规律,在相同的坡度和降雨条件下,土壤流失量也会有很大的差别。因此,对不同地块实施退耕,其减沙效益也会有所不同。为此,分析黄土高原常见的几种农耕地产流产沙以及退耕还草后减流减沙效应的差异规律,对科学有序地安排退耕还林还草、合理调整农、林、牧产业结构都有现实意义。表3是几种农耕地退耕还草的减流减沙差异。表中数据表明,不同农耕地退耕还草后50%以上的减流和65%以上的减沙发生在雨量P≥50mm的侵蚀性降雨。雨量P<20mm的侵蚀性降雨减流减沙所占比例不足10%。同时,对比分析几种农耕地退耕还草后的减流减沙效益,也会发现有一定的差异性。在所有不同雨量的降雨中,荞麦地退耕后泥沙和径流减少的程度最大。在雨量P<20mm降雨时,谷子地退耕还草后减流减沙效应最小,而马铃薯地在雨量P≥50mm降雨中最小。谷子耕作垄沟在小雨时阻挡了产流产沙,大雨时马铃薯宽叶拦截雨水作用比荞麦、谷子强。这种结果说明作物的耕种方式和生长情况在不同的降雨条件下有不同的产流产沙特征。表3也表明,产流产沙主要在P≥50mm段内,退耕后减流减沙效应也在P≥50mm时最强。所以,在黄土高原地区首先要退耕荞麦和谷子等水土流失相对严重的地块。这些地块产量不高,对区域水土流失的贡献作用却最大。2.4退耕还草对径流生长过程的影响黄土高原降雨主要集中在夏秋两季,常常以高强度暴雨形式发生。有时全年降水就集中在主要几次大降雨中,同时降雨的季节变化和年际变化都非常明显。受这种降水特点的影响,黄土高原水土流失也有集中发生的特点。由于这种降雨特征和侵蚀规律的客观存在,林草措施的减流减沙效果必然有一定的季节变化特点。分析退耕还草后减流减沙效益随时间的变化特征,对回答黄土高原退耕还草后怎样影响黄河流域水资源的时间分配状况以及减流减沙在丰水期和在枯水期的差异大小都十分必要。以往的研究表明,水土保持措施对径流有一定的再分配效应(即滞洪作用),水土保持措施主要是削减洪峰流量,增加枯水期地表径流量。也就是说水土保持措施主要是在丰水期减缓径流过程,其效果对汛期洪涝灾害有很大的抑制作用。下面就根据野外实测资料,对退耕还草的减流减沙效益在时间上的变化特征作一分析。1水保措施减流减沙效益分析黄河流域的降雨年际变化很大,黄土高原年降雨量离差系数一般在0.25～0.35之间,地表产流产沙具有明显的年际变化。那么,在不同的降雨年份退耕还草减流减沙效应也必然存在差异。图1是减流减沙效应随侵蚀性降雨的年际变化曲线,曲线点旁数据是年份标志。总体趋势是,效益随雨量增大而增大,丰水年减流效应可高达0.5以上,而枯水年基本不会减少径流。丰水年减沙效益比枯水年更显著,可高达0.9以上,枯水年往往只有0.3左右,甚至有的年份还不会减沙。与年降雨量变化对照分析,发现减流减沙效益往往与产流降雨雨强的大小和发生次数等密切相关。如在小雨强降雨次数相对多的年份,水保措施的减流减沙效益要弱些,例如,1990年产流降雨有299.1mm,降雨量在观测年里排在第二,但共有12次产流降雨组成,即小雨量降雨较多,平均最大30min雨强只有0.2mm,减流减沙效益就很弱;而1989年虽然产流降雨只有216.8mm,但最大30min雨强平均高达0.55,尽管只有4次降雨,减流减沙却相对较强。1991年产流降雨为224.9mm,降雨次数也较多,为11次,最大30min雨强平均值也大,为0.45,水保措施的减流效应可近0.4,减沙效应可达0.9以上。可见,水保措施的减流减沙主要是在丰水年里,而且与每年的暴雨次数、暴雨大小密切相关,暴雨出现多的年份里水保措施的减流减沙效益强,暴雨出现少的年份减流减沙弱。这说明坡耕地退耕还草后在暴雨及多雨年份能达到较好的减流减沙效应。无论是枯水年还是丰水年,减沙效应均比减流效应强得多,而减流效应只在丰水年较强,在枯水年较弱,甚至没有效应。所以,退耕还草主要是削减丰水多暴雨年份的径流,而在少雨及少暴雨年份减流较弱,甚至没有减流作用。这样就可以减轻丰水年黄河下游洪水泛滥的可能性,而在枯水年对区域水资源影响程度较低。2不同季节减流减沙效应的变化黄土高原的降雨有明显的季节变化,一般主要集中在夏秋季节。就试验所在地陕西安塞县而言,1987～1992年6年中,平均有90.2%的产流降雨集中在6、7、8、9四个月,退耕还草措施平均98.7%的减流和平均96.2%的减沙也集中在这几个月。图2是退耕还草措施减流减沙效益的季节变化图。从图中可以看出,从4月到8月随着降雨量的增加,减流减沙效应增强,减沙效益明显大于减流效应。退耕还草措施的减流减沙效益除了与降雨特征有关外,在很大程度上还取决于植被的季节变化。1987～1992年6年间,4月份只发生过1次产流降雨,雨量为35.9mm,最大30min雨强为0.55,几种农耕地平均产流量占全年总产流量的68.3%,侵蚀模数占全年总侵蚀模数的77.8%,但是草地基本上没有减流效应,减沙效益也不高。这是因为4月份各农地刚经过翻耕播种或未播种,地表非常疏松,而草地此时长势也不好,所以基本上没有减流减沙作用。4～6月,降雨量增加很慢,但是减沙效应增加却很快。因为随着气温回升、雨季来临,草地覆盖度很快增大,而农地已翻土且刚刚播种,甚至有的未播种,一旦产生降雨,农地迅速产沙,且产沙量很大。草地相对来说产沙量很小。6～8月,降雨量增长很快,减沙效应增长虽然不明显,但减沙效益已经很大,并且此时农地已有一定覆盖,农作物起到了一定保土作用。10月降雨很少,减流减沙效应出现负值,这主要是因为10月降雨量少,而且强度低,在这种降雨情况下,耕地入渗强、产流少,而由于人工草地地表相对紧实,地表覆盖度也衰减,产流量也相对大,产沙也多。但是,总体而言,不管是草地还是耕地,10月份产沙量都较小。因此,减流减沙作用除了受降雨的季节性影响外,还受植被季节生长状况的影响。总之,减流减沙主要发生多雨和暴雨集中的月份,还草措施减流作用减掉的往往是洪