黄土丘陵沟壑区林草变化对流域产沙影响的规律及阈值

摘要

围绕植被变化与土壤侵蚀的关系,已有海量研究成果,但提出的植被盖度~土壤侵蚀量响应规律多是基于坡面小区上的观测成果,反映的是植被变化在"本地"的水沙响应,不能反映植被变化对小区下游的坡面、沟谷和河道的"异地"效应。在近20年黄河来沙锐减的背景下,如何在较大的流域尺度上,评价林草植被变化对流域产沙量的影响,已经成为亟待解决的重大科学问题。本文在对黄土丘陵区地貌和产沙特点分析的基础上,引入了易侵蚀区、林草有效覆盖率(Ve)和产沙指数(Si)等新概念,利用黄土丘陵区流域实测的林草、降雨和水沙数据,分析了林草植被变化与流域产沙能力之间的响应规律及其机制,提出了可基本遏制流域产沙的林草阈值。研究结果表明,流域的产沙指数均随林草有效覆盖率Ve的增大而减小,二者呈指数关系;当Ve≤40%~45%时,产沙指数随Ve增大而迅速降低,不过在Ve40%~45%后,改善植被导致的产沙指数递减速率越来越小。流域的林草植被覆盖程度越差,产沙强度对雨强越敏感;当Ve>50%~60%后,决定流域产沙量的首要因素是有效雨量,雨强次之。林草植被改善是通过对流域产洪量和含沙量的共同减少、以及地表径流输移阻力的增大,实现对流域产沙量的削减;削减洪水和增大阻力均将导致黄丘区地表的水蚀动力降低,含沙量降低则是地表物质补给困难的直接反映。对于黄土丘陵区的第1~4副区,要实现流域产沙模数≤1000 t/(km^2·a)的目标,林草有效覆盖率应达55%~65%以上,该阈值自东向西递增。对于黄土丘陵区的第5副区,当林草有效覆盖率Ve>45%~50%后,流域产沙量也趋于稳定,但因产沙机制特殊,即使林草梯田有效覆盖率达到60%以上,仍难以基本遏制流域的产沙;而且,河(沟)床产沙占比越高,依靠林草植被改善而削减产沙的难度越大。该成果可为认识近20年黄土高原植被改善与黄河泥沙锐减的关系,提供理论依据。