黑土稳定边坡下径流和泥沙量对次降雨的响应

李志飞，杨庆楠，徐金忠，郝燕芳

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水土保持重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150070)

近年来，政府逐步开展了侵蚀沟的专项治理工程，现有治理体系主要包括沟头跌水、沟谷底坊以及边坡的削坡造林。侵蚀沟治理效益的科学评价，侵蚀沟治理技术水平的持续提高是防治水土流失、保护黑土地的研究重点[1-4]。

边坡的不稳定是造成沟岸坍塌、扩张的主要影响因素，工程设计中，表现为把不稳定的、较陡的侵蚀沟边坡削坡至35°或1∶1.5(33.69°)，使其接近土壤安息角，从而达到稳定状态。边坡的稳定可以有效遏制沟岸的坍塌扩张，但是实践中发现稳定的边坡仍然会存在水土流失问题；探索地表径流、输沙过程对降雨的响应规律，才能准确预测水土流失，评价土壤侵蚀[5-8]。为准确掌握黑土稳定边坡下的水土流失情况，本文运用径流小区实地观测的方法，研究次降雨过程中稳定边坡下的径流量和泥沙量，为黑土区侵蚀沟治理工程中边坡防护问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于黑龙江省宾县水土保持科技示范园内，地理坐标127°24′47″E，45°44′57″N，地貌类型属丘陵漫岗，主要土壤类型有黑土、草甸土。气候类型属中温带半湿润大陆性季风气候，多年平均降雨量550 mm，主要集中在6—9月份，多年平均径流量170 mm，年均温度3.2 ℃，年均日照时数为2732 h，≥10℃积温2400 ℃，年均风速3.1 m/s，无霜期128 d。

1.2 试验设置

整修1∶1.5 (33.69°)边坡，在边坡上设置长、宽为2 m×1 m的2个微型径流小区，小区边界由铁板构成(地上部分20 cm，地下埋深20 cm)，下设集流桶(上口直径28.5 cm，下口直径25.5 cm，高34.0 cm)。处理方式为裸坡和植草护坡(无芒雀麦+紫花苜蓿+早熟禾)。草种按照50 g/m2混播方式，均匀撒播，覆土0.5～1.0 cm后洒水，出苗后无须管理。

1.3 数据采集与处理

2018年6—9月，人工采集次降雨后的径流量和泥沙量，共采集到24组次降雨的径流量和泥沙量数据。降雨数据采用SL-2型虹吸式雨量计测量；泥沙样品采用烘干法测定。定期对植草小区拍照，计算植被盖度如表1所示。数据采用SPSS、EXCEL等软件处理分析。

表1 径流小区6—9月平均植被盖度 %

2 结果与分析

2.1 稳定边坡下径流量对次降雨的响应

6—9月，研究区内共发生24次自然降雨事件，总降雨量199.6 mm，按月份依次为14.4 mm、95.8 mm、50.5 mm、38.9 mm。裸坡小区总径流量64.85 mm，径流系数0.32；植草护坡小区总径流量40.88 mm，径流系数0.20。植草护坡小区径流量比裸坡小区径流量小，减流比例36.96%，植被覆盖的减流作用明显；且随着植被盖度的增加，减流作用呈增加趋势。见图1。

图1 径流小区次降雨产流情况

由表2可以看出，两个小区的径流量均与降雨量和降雨侵蚀力(EI30)呈极显著正相关，且植草护坡小区的相关性系数略高于裸坡小区，说明径流量直接受降雨影响，且植被覆盖情况下对降雨的响应更明显。径流量与平均雨强呈正相关，与降雨历时呈负相关，且相关性差。

表2 径流量与降雨因子相关性分析(Pearson)

2.2 稳定边坡下泥沙量对次降雨的响应

6—9月，裸坡小区总泥沙量1520.06 g，植草护坡小区总泥沙量624.99 g，植草护坡小区泥沙量比裸坡小区泥沙量小895.07 g，减沙比例58.88%，植被覆盖的减沙作用明显；且随着植被盖度的增加，减沙作用愈加显著。经转换，裸坡小区土壤侵蚀模数为760.03 t/(km2·a)，植草护坡小区土壤侵蚀模数为312.49 t/(km2·a)，按照黑土区土壤侵蚀强度分级标准，仍然超过了200 t/(km2·a)的土壤侵蚀容许流失量。

由图2可知，主要产沙过程在7月16日和6月20日。其中，7月16日，当日降雨量39.1 mm，为年度最大日降雨量，达到大雨—暴雨级别，当日裸坡小区泥沙量457.6 g，植草护坡小区泥沙量134.4 g，分别占其全年产沙量的30%和22%，大到暴雨是边坡土壤流失的主要驱动因素。6月20日，降雨量仅为9.0 mm，但因径流小区建设的土壤扰动、植被覆盖度低等因素，泥沙量较大；随着土壤紧实度、植被覆盖度的增加，后期8—9月份，在降雨量基本相同的情况下，泥沙量锐减。

图2 径流小区次降雨产沙情况

由表3可以看出，裸坡小区的泥沙量与降雨量和降雨侵蚀力(EI30)呈极显著正相关；泥沙量与降雨历时呈负相关，与平均雨强呈正相关，且相关性均不大。植草护坡小区的泥沙量与降雨量相关性不显著，与降雨侵蚀力(EI30)相关性显著；泥沙量与降雨历时、平均雨强呈负相关，且相关性不大。说明，裸坡小区的泥沙量对次降雨的响应明显，植草护坡小区因有植被覆盖、根系影响等对次降雨的响应相对迟缓，从而反映出植被的减沙作用[9]。

表3 泥沙量与降雨因子相关性分析

3 结 论

(1)黑土稳定边坡下，径流量对次降雨响应极显著；植草护坡小区相对于裸坡小区，减流作用明显。裸坡小区的泥沙量大，对次降雨响应极显著；植草护坡小区的泥沙量小，对次降雨的响应相对迟缓，减沙作用显著。大到暴雨是边坡土壤流失主要驱动因素。

(2)在稳定边坡1∶1.5下，裸坡小区土壤侵蚀模数达到了760.03 t/(km2·a)，植被覆盖虽然减流减沙作用明显，但是土壤侵蚀模数仍然达到了312.49 t/(km2·a)，远远超过了黑土区土壤侵蚀容许流失量200 t/(km2·a)，边坡水土流失未得到根治。

(3)在1∶1.5坡度下，受立地条件影响，单一的林草措施无法根治边坡水土流失，建议优化改进现有措施，辅以适当的工程措施，有效控制侵蚀沟稳定边坡下的水土流失。