全 文 ：文章编号: 1007-0435( 2003) 01-0023-04
黄土丘陵区草灌植被的减沙效益及其特征
吴钦孝, 赵鸿雁, 韩冰
(中国科学院水利部 水土保持研究所,陕西, 杨陵 712100)
摘要: 利用人工模拟降雨,对白羊草和铁杆蒿草地,柠条和沙棘灌木林地以及对照区(油松林地、裸地和农地)的产
沙及其特征进行试验研究。结果表明, 影响侵蚀产沙的主要因子有下垫面、坡度、雨强和植被盖度等。草灌植被具有
良好的保持土壤功能。不同地类产沙量大小依次为乔木林地< 灌木林地< 草地< 裸地< 农地, 其宏观产沙比为 1∶
2∶3∶50∶150, 其产沙比视雨强和坡度而有变化。陡坡农地是侵蚀产沙的主要来源, 退耕还林还草是保持水土和
减少泥沙的有效措施。坡度和雨强对产沙有显著的影响,其中尤以雨强效应为甚。为有效保持水土,草地植被盖度
通常应不低于 50%～60%。对草地产沙过程的研究表明,通常降雨初期产沙量较大, 以后随着时间的延长而递减,
其累积产沙量( R )随着时间( t)的变化符合幂函数方程: R= a+ bt c。
关键词: 黄土丘陵区;草灌植被; 产沙;保土效益; 人工降雨
中图分类号: S 812　　　文献标标识码: A
Benefit and Characteristics of Grass-Shrub Vegetation
for Reducing Soil Erosion in Loess Hilly Region
WU Qin-xiao, ZHAO Hong-yan, HAN Bing
( In st itute of Soil and Water Conservation , Ch ines e Academ y of S ciences
an d M inist ry of Water Resou rces, Yangl ing, Shaan xi 712100, China)
Abstract: Using ar tif icial rainfall, an experiment of soil erosion and its characterist ics w as conducted in
gr assland of Bothriochloa ischemum and Ar temisia sacrorum , in shrubland of H ippophae rhamnoides and
Caragana micr op hy lla, in w oodland of P inus tabulaef ormis, and in the bareland, and the farm land as con-
tr ols. T he results show s that the main facto rs lead to sediment yield are the underlaying surface, the
slopes, rainfall intensity, and vegetat ion coverage, grassland and shur bland are eff icient in soil conserva-
tion. The sediment y ield of the above-mentioned land types ar e successively w oodland< shrubland< grass-
land< bareland< farmland and their r at io of 1∶2∶3∶50∶150, changes with the rainfall intensity and the
slope g radient w here the land is lo cated. Farm land on steep slopes represent the main source of sediment
yield, and returning of cropland to forest or grassland is an ef fective measure for reducing sediment . T he
sloping land and rainfal l intensity exer t gr eat influence upon the sediment yield and the ef fect of the latter
is for mor e obvious than that of the former. In order to effect ively conserv e soil, the gr assland coverage
generally must be at least 50%～60% . T he study on sediment producing pro cess show s that larg e amount
of sediment yield usually occurs at the beg inning of the rainfall, and gradually decr eases w ith the t ime the
rain vasts. The change in accumulative sediment y ield ( R) with t ime ( t ) conforms to the toppow er func-
tion: R= a+ bt
c.
Key words : Loess hilly region; Grass-shrub vegetat ion; Sediment yield, So il conser vation benef it ; Art ifi-
cial r ainfall
收稿日期: 2002-05-16;修回日期: 2002-10-10
基金项目:国家自然科学基金项目( 40171093)
作者简介:吴钦孝,男,江苏吴江人,研究员、博士生导师,主要从事黄土高原植被恢复及水土保持功能与机理研究
第 11卷　第 1期
　Vo l. 11　　No. 1
草　地　学　报
ACT A AGRESTIA SIN ICA
　2003 年　3月
March 　2003
　　黄土高原的植被具有以草原和灌丛为主体的地
带性特征。由于天然降雨,特别是造成严重土壤侵蚀
的暴雨过程,不仅每年数量很少( 2～4 次) ,而且降
雨条件不易掌握,大大制约了对土壤流失与其影响
因子之间内在联系和规律的揭示。为了加快研究进
程,作为对天然降雨的补充,在陕北黄土丘陵区宜川
水土保持试验站, 采用人工模拟降雨的方法,对草地
和灌木林地保持土壤的效益进行了试验研究,以便
为该地区草灌植被的建造提供科学依据。
1　材料与方法
1. 1　人工降雨装置
采用中国科学院·水利部水土保持研究所研制
的组合侧喷式野外人工降雨装置, 降雨时两侧喷头
座架之间距离为 7m , 喷头高 8m, 喷头出水高度
1. 5m, 使降雨雨滴终点速度近似天然降雨的速
度[ 1]。供水压力由压力表控制,雨强主要通过孔板的
孔径来调节。
1. 2　试验设计
1. 2. 1　试验小区　试验在冲床和地面径流小区进
行,面积为4m (长)×1m (宽)。冲床深 0. 6m ,内栽草
灌植被,下伏黄绵土,上覆不同试验植被, 坡度可任
意调节。冲床和小区出口连接分水箱和贮水桶。
1. 2. 2　试验为冲床设计 3个坡度,即 10°、20°和 30°,
径流小区的坡度为该地区草灌植被常见坡度 20°。
1. 2. 3　雨强和历时　模拟黄土高原常见天然暴雨
雨强,对冲床试验设计 2个降雨强度, 即1. 0mm·
min
- 1和 2. 0mm·min- 1, 径流小区试验的雨强为
1. 0mm·min- 1和 1. 5mm·min- 1。试验历时均为
30m in。
1. 2. 4　试验处理　冲床内共设置六个处理,即白羊
草 ( Bothr iochloa ischemum ) 地, 柠条 ( Caragana
microphyl la ) 林、沙棘 ( H ippophae rhamnoides )
林、油松( Pinus tabulaef orm is ) 林地、裸 地(牧荒
坡)和农耕地,各处理的植被盖度为 0. 85～0. 90。径
流小区则分别设置在铁杆蒿( A rtemisia sacr orum )
草地和对照(裸地)。
1. 2. 5　观测内容　降雨后分别测定冲床各地类在
不同坡度和雨强下, 以及径流小区在不同盖度下贮
水桶内的径流量, 并将其搅匀, 从中取样 500m l, 滤
出泥沙,烘干后称重,计算各处理的侵蚀产沙量。同
时在降雨过程中对铁杆蒿草地和裸地, 从产沙开始
每隔 3m in 取样 1次,测定产沙的动态变化。
2　结果与分析
2. 1　影响侵蚀产沙的主要因子分析
2. 1. 1　下垫面与产沙量的关系　在土壤和降雨相
同的条件下,不同下垫面的侵蚀产沙量差异明显, 其
中乔木林和草灌植被的减沙效果显著, 而前者又稍
优于后者,裸地次之,农地最差。以黄土高原常见坡
度 20°为例,在雨强为 1. 0mm·min- 1时, 乔木林地、
灌木林地、草地、裸地、农地的产沙量之比为 1∶1. 7
∶2. 1∶23. 8∶117. 1。在雨强为2. 0mm·min- 1时,
其产沙量之比为1∶2. 8∶3. 7∶85. 3∶157. 6。在其
它坡度和雨强条件下,虽相应比例有所不同, 但趋势
基本不变,说明该地区侵蚀产沙主要来自农地,特别
是陡坡农地。诚然, 1～2次暴雨引起的泥沙量与全
年或数年累计发生的产沙量之间在比例上有差异,
但其结构不会有明显的变化。据 1955- 1986年测
定,黄土高原每年造成的大量水土流失,主要是由几
场暴雨引起的, 其中,年最大 1次侵蚀量可占年侵蚀
量的 50%～70% , 最大 2 次侵蚀量占年侵蚀量的
80%左右[ 2] (表 1)。
2. 1. 2　坡度和雨强对产沙量的影响　除下垫面外,
坡度和雨强是决定侵蚀产沙的主要因子,随着坡度
和雨强的增加, 各地类产沙量均迅速增加,其中尤以
雨强的效应更甚。在同一雨强下,坡度由 10°增加到
30°, 产沙量增加一般不超过 2～3倍; 而在同一坡度
下, 雨强由 1. 0mm·min- 1增加到 2. 0mm·min- 1 ,
侵蚀产沙量则可增加 3～5倍,最高达 10倍, 可见暴
雨冲刷对表土的巨大破坏作用(表 2)。
2. 1. 3　盖度与产沙量的关系　植被盖度的大小对
产沙的影响显著。产沙量随着雨强和盖度的变化而
变化, 其中盖度在 50%左右有一个较明显的转折,
大于这个盖度,产沙量变化缓慢,小于 50%时,则增
加迅速。这与 Lang ( 1988) [ 3]、侯喜录( 1990) [ 4]等在
天然降水条件下的研究结果相似,即郁闭度在 60%
以上时能稳定减少泥沙, 小于 40%时减少效益明显
降低[ 5]。可见为了有效保持水土,植被盖度不应低于
50%～60%(表 2)。
24 草　地　学　报 第 11卷
表 1　坡度和雨强对各地类产沙量的影响( t/ km2)
T able 1　Sediment y ield in differ ent land types under the conditions o f
differ ent slopes and rainfa ll intensities
坡度 Sope 10° 20° 30°
设计雨强 mm·min - 1
Design ed rain fall density
1. 0 2. 0 1. 0 2. 0 1. 0 2. 0
实际雨强 mm·min - 1
Actual rain fall density
0. 92～1. 16 1. 73～2. 26 0. 90～1. 20 1. 79～2. 38 0. 93～1. 27 1. 80～2. 13
地类
T ype
of
land
白羊草
B othr iochloa ischemum grass land
14. 2 94. 1 25. 3 117. 1 47. 1 168. 6
柠条林
Caragana microp hy lla shrubland
11. 6 42. 3 20. 4 76. 4 34. 7 65. 6
沙棘林
H ipp op hae r hamnoides shru bland
8. 3 42. 2 20. 5 96. 5 33. 6 87. 7
油松林
P inus tabulaef ormis w oodlan d
7. 1 27. 0 12. 2 31. 4 9. 7 39. 4
裸　地
Bar eland
112. 0 667. 6 290. 7 2679. 6 380. 3 4851. 8
农耕地
Far mland
1089. 8 3885. 4 1429. 8 4822. 3 2052. 0 6300. 8
　　注:表内数据均由冲床试验测定,为两次测定的平均值。
　　Note: Th e data w ere measuered by experimen t w hich is m ean value of two data in table.
表 2　不同盖度铁杆蒿草地产沙量( kg/ hm2)
T able 2　Sediment y ield in A . sacr orum g rassland under diff er ent coverage
坡度
Slope
设计雨强
Des igned rainfal l
d ens ity
( mm·m in- 1)
实际雨强
Actual rain fall
density
( mm·min - 1)
历时( min)
Rainfal l
durat ion
( min)
群落盖度( % )
Vegetat ion corevage( % )
80 70 60 50 30 15 2
20° 1. 0
1. 5
0. 90～1. 12
1. 46～1. 59 30
33. 8
384. 4
38. 9
651. 5
46. 2
816. 5
101. 8
1001. 3
495. 3
2612. 5
753. 1
3653. 7
1030. 9
8442. 2
2. 2　产沙动态变化
2. 2. 1　铁杆蒿草地和裸地产沙随着时间的变化,测
定结果表明, 在 30min 的降雨过程中, 无论下垫面
性质如何,即使在均匀降雨条件下,产沙过程并不平
稳,通常在初期产沙较多,以后随着时间的推移而递
减(图 1)。
图 1　铁植蒿草地和裸地累积产沙动态
Fig. 1　P roco ss o f accumulativ e sedim ent yield in A . sacrorum gr assland and ba reland
25第 1期 吴钦孝等:黄土丘陵区草灌植被的减沙效益及其特征
2. 2. 2　对产沙资料的分析可知,其变化过程符合幂
函数方程: R= a+ bt c[ 6]
　　式中: R—累积产沙量( kg/ hm2 ) ; t—产沙时间
( min) ; a, b, c—参数。
将通过计算模拟求得的参数值代入上列方程,
得铁杆蒿草地和裸地的累积产沙结果(见表 3)。
据此可以认为, 在天然降雨条件下,由于降水不
均, 产沙过程也是一个有起伏的过程,且下垫面不
同, 其产沙起伏程度各异, 但就产沙量而言,除下垫
面外,坡度、盖度和雨强均有重要的影响。
表 3　铁杆蒿草地和裸地不同盖度的累积产沙方程
T able 3　Equation o f accumuative sediment yield under differ ent coverage
o f A . sacr orums gr assland and bareland
地类
T ype of land
坡度
Slope
雨强
Rain fall density
( mm/ min)
盖度
Cover age
( %)
R= a+ bt c n r
铁杆蒿草地
A rtemisia sac ror um grass land
裸地
Bareland
20°
1. 5
1. 5
60
0
R= 7. 296+ 5. 291t 0. 363
R= 4. 313+ 12. 407t 0. 654
10
10
0. 999
0. 992
3　结论
3. 1　黄土高原的草灌植被与油松林地相比,其保土
效益仅为前者的 1/ 2～1/ 3,但仍具显著作用。在 10°
～30°的坡度和 1. 0～2. 0mm·min- 1的雨强下, 历
时 30min 的产沙量仅为 8. 3～168. 6t / km2 ,只相当
于农地的 1%～3%。
3. 2　农地, 特别是陡坡农地是侵蚀产沙的主要来
源。退耕还林还草是保护生态环境,减少入黄泥沙的
有效措施。
3. 3　坡度和雨强对产沙有重要作用,其中又以雨强
效应更甚,暴雨是引起侵蚀产沙的主要动力。黄土高
原每年大量的水土流失,主要由几场暴雨造成。
3. 4　植被盖度对产沙的影响显著, 为有效保持水
土,通常其盖度应不低于 50%～60%。
3. 5　在人工均匀降雨条件下,草地产沙过程并不平
稳,通常在初期沙量较多,以后随着时间的延长而递
减, 其累积产沙量随着时间的变化,符合幂函数方
程: R= a+ bt c。
参考文献
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26 草　地　学　报 第 11卷