密云水库是北京市最重要的饮用水源地，为北京提供约70%的饮用水^[1]，水土流失作为非点源污染物的主要载体^[2]，造成了密云水库60.23%的氮污染问题^[3]。近年来，流域水土流失治理成果显著，流域产沙多无法到达水库；然而，水库上游局部坡面侵蚀仍十分严重。2007年北京山区坡地土壤流失量为229万t，超过允许土壤流失量的面积达2 398 km^2[4]。水土流失还破坏土壤结构，降低土壤肥力，造成作物减产，影响地区经济。我国自20世纪20年代开始利用径流小区观测泥沙，它是研究土壤侵蚀和水土保持的经典手段^[5-6]。然而，密云水库上游研究多侧重水质污染^[7]、水体净化^[8]和土壤污染^[9]等，产流产沙多侧重土地利用/覆被变化影响^[10]、氮磷流失^[11]、非点源污染^[12]等，且多在流域上开展。刘宝元等^[4]在2010年提出北京土壤流失方程，研究北京山区径流产沙特征成果显著。也有研究者^[13]采用模拟降雨法分析降雨、坡度坡长、植被覆盖度及水土保持措施等对产流产沙的影响；然而，不同地类不同水土保持措施下，坡面产流产沙特征及其对降雨的响应规律仍待深化。

笔者以石匣小流域10个典型土地利用径流小区为研究对象，通过近5年半(2014年1月—2019年7月)天然降雨条件下的产流产沙及降雨监测数据，分析不同地类坡面径流和产沙特征、不同生物和工程措施的水土保持效益、产流产沙对降雨量和降雨强度的不同响应规律等，为北京山区水土流失防治提供科学依据。

石匣小流域地处北京市密云水库东北部(E 117°00′34″~117°06′49″和N 40°32′42″~ 40°37′30″)。位于潮河流域下游(图 1)，属燕山山脉。地势北高南低，海拔130~390 m。该区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，年均降雨量300~700 mm，集中在夏季。土壤多为含砂粒较多的轻壤土。植被类型为温带落叶阔叶林以及常绿针叶林，人工乔木林多为刺槐(Robinia pseudoacacia)和油松(Pinus tabulaeformis)，板栗(Castanea mollissima)林占经济林的80%，灌木多为荆条(Vitex negundo var. heterophylla)和酸枣(Ziziphus jujuba var. spinosa)^[14]。主要农作物有小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、和花生(Arachis hypogaea)等。

图 1(Fig. 1)

图 1 石匣小流域位置 Fig. 1 Location map of Shixia Watershed

选择试验站的10个不同土地利用类型的径流小区为研究对象(表 1)。径流小区坡度近似(除1号和10号)，土地利用类型可涵盖水库上游的主要地类，有一定的代表性。径流小区用砖和水泥砌成，下部为集流槽和径流桶。径流量由径流桶和分流桶中收集的水量测得，径流深H(mm)由径流量与小区面积求得。小区产沙量为集流槽和桶内泥沙总量，产沙强度S(t/km²)由产沙量与径流小区面积求得。附近设有自记雨量计和雨量桶，监测降雨过程和降雨量。

表 1(Tab. 1)

表 1 坡面径流小区概况 Tab. 1 Basic overview of slope runoff plots 径流小区 Runoff plot 土地利用类型 Land use type 坡度 Slope/(°) 措施布设 Measure layout 植被类型 Vegetation type 1 梯田玉米地Terraced corn 3.5 水平土坎梯田宽4 m Horizontal soil bank terrace width 4 m 玉米Zea mays 2 等高耕作玉米地Contour farming corn land 14.4 玉米Zea mays 3 坡耕玉米地Slope corn farmland 16.5 玉米Zea mays 4 裸地Bare land 16.5 5 水平条板栗林Horizontal chestnut forest 16.5 大水平条宽3 m，植被盖度50% Large horizontal strip width 3 m，and vegetation coverage 50% 板栗Castanea mollissima 6 鱼鳞坑乔木林Fish-scale pit forest 17.1 鱼鳞坑1 m×1.5 m，植被盖度80% Fish-scale pit 1 m×1.5 m and vegetation coverage 80% 刺槐、侧柏Robinia pseudoacacia and Platycladus orientalis 7 中盖度灌木林Middle-coverage shrub 18.6 植被盖度50% Vegetation coverage 50% 荆条Vitex negundo var. heterophylla 8 高盖度荒草地High-coverage grassland 19.0 植被盖度80% Vegetation coverage 80% 苜蓿Medicago sativa 9 低盖度荒草地Low-coverage grassland 19.0 植被盖度 < 30% Vegetation coverage < 30% 苜蓿Medicago sativa 10 乔灌草结合地Fencing forest shrub and grass land 27.0 植被盖度>90% Vegetation coverage >90% 刺槐、荆条、草Robinia pseudoacacia, Vitex negundo var. heterophylla, and weeds

表 1 坡面径流小区概况 Tab. 1 Basic overview of slope runoff plots

本研究数据来源于北京市密云区水土保持工作站。2014年1月至2019年7月，实测降雨250场，小区有出流的降雨41场(2014—2018年37场，2019年4场)。研究采用这41场的降雨量P(mm)、最大60 min降雨强度I₆₀(mm/h)、径流深H和产沙强度S等，先分析2014—2018年的不同土地利用类型下的多年平均降雨和坡面产流产沙特征，进而研究产流产沙的降雨响应规律。

2014—2018年降雨量为410.8~532.2 mm，年均降雨量为484.4 mm，4—10月和5—9月降雨量占全年的89.22%~99.51%。2014—2018年共发生229场降雨，分别为47、57、58、31和36次，暴雨分别出现1、1、3、2和3次。根据北京山区侵蚀性降雨标准(次降雨量>12.7 mm^[4])，自2015年起侵蚀性降雨量比例增大，年内不均匀系数^[15]增加(图 2)。发生产流的次降雨在2014—2018年分别为6、8、6、6和11场，次降雨量在4.8~108.1 mm之间，I₆₀范围为3.6~61.7 mm/h。

图 2(Fig. 2)

图 2 2014—2018年降雨特征 Fig. 2 Annual rainfall characteristics in 2014—2018

表 2显示，相同降雨条件下，未采取水土保持措施的2、3和4号径流小区H和S最大，表现为坡耕玉米地>裸地>等高耕作玉米地；其他小区表现为低盖度荒草地>中盖度灌木林>水平条板栗林>梯田玉米地>高盖度荒草地>鱼鳞坑乔木林>乔灌草结合地。多年平均S也基本符合上述规律。临界降雨量代表坡面开始产流的最小降雨量，无水土保持措施的坡耕玉米地、裸地和等高耕作玉米地在降雨4.80 mm时开始产流，采取水土保持措施的小区临界降雨量为26.8 mm，乔灌草结合的小区在降雨量108.1 mm时仍未产流。2014—2018年，径流小区多年平均产流与产沙呈正相关关系(图 3)。

表 2(Tab. 2)

表 2 径流小区多年平均产流产沙特征(2014—2018年) Tab. 2 Multi-year average runoff and sediment yield data of runoff plots (2014—2018) 径流小区 Runoff plot 土地利用类型 Land use type 临界降雨量 Critical rainfall/mm 总产流次数 Total number of outflows 多年平均径流深 Average runoff depth H/mm 多年平均产沙强度 Average sediment yield S/(t·km-2) 1 梯田玉米地Terraced corn 28.7 9 5.56 9.57 2 等高耕作玉米地Contour corn farming land 4.8 35 60.15 2 092.25 3 坡耕玉米地Slope corn farmland 4.8 37 69.13 2 730.54 4 裸地Bare land 4.8 35 66.09 2 639.83 5 水平条板栗林Horizontal chestnut forest 28.7 14 7.80 137.46 6 鱼鳞坑乔木林Fish-scale pit forest 55.0 6 4.31 3.74 7 中盖度灌木林Middle-coverage shrub 26.8 12 9.49 22.17 8 高盖度荒草地High-coverage grassland 26.8 8 5.55 3.57 9 低盖度荒草地Low-coverage grassland 26.8 11 18.39 252.45 10 乔灌草结合地Fencing forest shrub and grass land >108.1 0 0 0

表 2 径流小区多年平均产流产沙特征(2014—2018年) Tab. 2 Multi-year average runoff and sediment yield data of runoff plots (2014—2018)

图 3(Fig. 3)

图 3 径流小区多年平均径流深和产沙强度(2014—2018年) Fig. 3 Multi-year average runoff depth and sediment yield of runoff plots(2014—2018)

分析1~4号径流小区，坡耕玉米地和裸地坡度相同，但前者的H和S更大，达69.13 mm和2 730.54 t/km²，产流次数37次。实地观测发现，裸地地表粗糙，小石子较多(图 4(a))，而坡耕玉米地虽有玉米覆盖，但土壤表层没有草本保护(图 4(b))。这表明，较高的植被对土壤表层的保护作用较小，裸地表面的小石子能保护土壤。等高耕作玉米地较坡耕玉米地的H减少12.99%，S减少23.38%。布设土坎水平梯田的玉米地坡度为3.5°，减流减沙效益显著，H和S仅为5.56 mm和9.57 t/km²，5年来仅发生9次产流(表 2)。因此，布设工程措施是减水减沙的重要方式^[16]，等高耕作也能起到一定的水土保持效益。

图 4(Fig. 4)

图 4 裸地、坡耕玉米地与板栗林径流小区 Fig. 4 Runoff plots in bare land, slope corn farmland, and chestnut forest

丁新辉^[17]指出，燕北山区的板栗林坡度大、地表裸露，暴雨时水土流失加剧。野外调查发现，为方便采摘，板栗林多进行除草清耕，土壤侵蚀严重。其中，坡度8°~25°的坡面，土壤侵蚀强度最高达2 431 t/km²，占总侵蚀量的55.10%。5号径流小区(水平条板栗林)坡度16.5°，林下未除草(图 4(c))且布设宽3 m的大水平条，5年仅发生14次产流(表 2)，产沙强度低至137.46 t/km²，减沙率达94.35%。有研究^[17]指出，板栗林内布设宽8 m的工程挡坎的减沙效益最高达97.83%;因此，实际生产中应以割草采摘代替除草，推广大水平条等工程措施，有效治理板栗林下水土流失。

分析6~9号径流小区，H和S较裸地分别减少72.17%~93.48%和90.44%~99.86%(表 2和图 3)。高盖度荒草地较低盖度荒草地的减水和减沙率分别为69.82%和98.59%。采取封育措施、乔灌草盖度>90%的10号径流小区虽然坡度达到27°，但多年未发生产流现象。邓景成^[18]也指出，产流时间和入渗率随植被盖度增加而增大。研究^[19-20]表明，灌木和草本的减水减沙效益优于乔木林，一是因为溅蚀量随植被冠层高度的升高而增大，二是温带落叶阔叶林的枯枝落叶层厚度受季节影响大。中盖度荒草地(7号)和高盖度荒草地(8号)的坡度略高于水平条板栗林(5号)和鱼鳞坑乔木林(6号)，在盖度相同时，径流深呈现7号>5号，8号>6号的规律，符合产流量随坡度增大而增大的一般规律^[21]，但产沙强度表现为前者小于后者。这表明，布设生物措施比工程措施更能降低径流含沙量，但工程措施拦截径流的效益更好。此外，布设工程措施的1、5和6号小区临界降雨量大于布设植物措施的7、8和9号径流小区(表 2)，也能证实这一点。

研究表明，土壤侵蚀与降雨量和降雨强度关系密切。

表 3显示，坡耕玉米地、裸地、水平条板栗林的H与P和I₆₀之间的线性增长关系最密切，复相关系数R在0.80以上，而中盖度灌木林和高盖度荒草地R最小，表明植被盖度增加扰乱了产流与降雨的关系。尽管如此，各径流小区H受P和I₆₀协同作用均达到显著相关水平。除中盖度荒草地外，其他地类的H均受P影响显著；然而，I₆₀仅在等高耕作玉米地、坡耕玉米地、裸地、低盖度荒草地等较为裸露的小区对H影响显著，对有工程措施或盖度较高的小区影响显著性低或不显著。相关系数图显示，布设水土保持措施的小区H与I₆₀的相关系数偏小，与显著性规律一致(图 5)。

表 3(Tab. 3)

表 3 径流深H与降雨P及I60之间的关系模型(H>0) Tab. 3 Relationship model between runoff depth H and rainfall P and maximum rainfall intensity at 60 min I60(H>0) 径流小区 Runoff plot 土地利用类型 Land use type 数学表达式 Mathematical expression R F sig sigP sigI60 1 梯田玉米地Terraced corn H=0.03P+0.03I60-1.05 0.79 34.58 ** ** * 2 等高耕作玉米地Contour farming corn land H=0.09P+0.27I60-0.78 0.80 35.83 ** ** ** 3 坡耕玉米地Slope corn farmland H=0.13P+0.32I60-2.05 0.85 55.47 ** ** ** 4 裸地Bare land H=0.12P+0.27I60-1.09 0.80 37.00 ** ** ** 5 水平条板栗林Horizontal chestnut forest H=0.05P+0.01I60-0.90 0.83 46.54 ** ** 6 鱼鳞坑乔木林Fish-scale pit forest H=0.05P-0.03I60-0.60 0.75 27.04 ** ** 7 中盖度灌木林Middle-coverage shrub H=0.03P+0.07I60-1.12 0.59 11.11 ** * 8 高盖度荒草地High-coverage grassland H=0.03P+0.03I60-0.85 0.66 16.10 ** ** 9 低盖度荒草地Low-coverage grassland H=0.07P+0.19I60-3.58 0.78 31.67 ** ** ** 注：R表示复相关系数。sig表示显著性水平，sigP表示径流深H受降雨量P影响的显著性水平，sigI60表示径流深H受最大60 min降雨强度I60影响的显著性水平：**表示在P < 0.01水平上显著相关，*表示在P < 0.05水平上显著相关。10号径流小区无产流。Notes: R is complex correlation coefficient. sig is significance level, sigP represents the significance level of runoff depth H affected by rainfall P, and sigI60 represents the significance level of runoff depth H affected by maximum rainfall intensity at 60 min I60. ** is significant correlation at P < 0.01 level, * is significant correlation at P < 0.05 level. No runoff in No. 10 runoff plot.

表 3 径流深H与降雨P及I60之间的关系模型(H>0) Tab. 3 Relationship model between runoff depth H and rainfall P and maximum rainfall intensity at 60 min I60(H>0)

图 5(Fig. 5)

第1行表示各径流小区S与P和I60的复相关系数R，第2行表示S与I60的相关系数，第3行表示S与P的相关系数，同理，第4~6行分别表示径流小区H与P和I60、与I60、与P的相关系数。10号径流小区无产流。 Row 1 shows the complex correlation coefficient between S and P and I60 of each runoff plot. Row 2 shows the correlation coefficient between S and I60. Row 3 shows the correlation coefficient between S and P. In the same way, row 4-6 show the correlation coefficients between H and P and I60, H and I60, H and P, respectively. No runoff in No. 10 runoff plot. 图 5 产沙强度S和径流深H与降雨特征的相关系数 Fig. 5 Correlation coefficient between sediment yield S and rainfall characteristics (upper), as well as runoff depth H and rainfall characteristics (lower)

表 4显示，梯田玉米地、等高耕作玉米地、坡耕玉米地、裸地、低盖度荒草地的S与P和I₆₀之间的线性关系最密切，复相关系数R达到0.75以上；采取水土保持措施的径流小区S与P和I₆₀之间的关系复杂，但也存在线性关系，R值较小。显著性分析表明，盖度低的梯田玉米地、等高耕作玉米地、坡耕玉米地、裸地和低盖度荒草地的S受I₆₀影响显著，受P影响不显著；高盖度或布设工程措施的5—8号径流小区S受P影响显著，受I₆₀影响不显著。图 5的相关性分析结果与显著性分析一致。这表明，工程措施能有效拦截泥沙，增加地表盖度主要通过植被保护土壤来削弱降雨强度对产沙的影响。

表 4(Tab. 4)

表 4 产沙强度S与降雨量P及最大60 min降雨强度I60的关系模型(S>0) Tab. 4 Relationship between sediment yield S and rainfall P and maximum rainfall intensity at 60 min I60(S>0) 径流小区 Runoff plot 土地利用类型 Land use type 数学表达式 Mathematical expression R F sig sigP sigI60 1 梯田玉米地Terraced corn S=0.01P+0.20I60-3.03 0.77 29.68 ** ** 2 等高耕作玉米地Contour farming corn land S=1.90P+29.30I60-360.57 0.90 86.34 ** ** 3 坡耕玉米地Slope corn farmland S=2.02P+34.29I60-380.96 0.90 88.89 ** ** 4 裸地Bare land S=1.54P+33.46I60-337.55 0.77 30.56 ** ** 5 水平条板栗林Horizontal chestnut forest S=0.58P+0.86I60-21.06 0.71 20.53 * ** 6 鱼鳞坑乔木林Fish-scale pit forest S=0.04P+0.01I60-1.01 0.60 11.74 ** ** 7 中盖度灌木林Middle-coverage shrub S=0.17P+0.12I60-5.54 0.65 15.22 ** ** 8 高盖度荒草地High-coverage grassland S=0.02P+0.01I60-0.39 0.51 7.31 ** ** 9 低盖度荒草地Low-coverage grassland S=0.678P+3.91I60-68.16 0.75 26.45 ** ** 注：R表示复相关系数。sig表示显著性水平，sigP表示产沙强度S受降雨量P影响的显著性水平，sigI60表示产沙强度S受最大60 min降雨强度I60影响的显著性水平。**表示在P < 0.01水平上显著相关，*表示在P < 0.05水平上显著相关。10号径流小区无产流。Notes：R is complex correlation coefficient. sig is significance level, sigP represents the significance level of sediment yield S affected by rainfall P, sigI60 represents the significance level of sediment yield S affected by maximum rainfall intensity at 60 min I60. ** is significant correlation at P < 0.01 level, * is significant correlation at P < 0.05 level. No runoff in No. 10 runoff plot.

表 4 产沙强度S与降雨量P及最大60 min降雨强度I60的关系模型(S>0) Tab. 4 Relationship between sediment yield S and rainfall P and maximum rainfall intensity at 60 min I60(S>0)

10个径流小区的坡面S与H之间存在明显的正相关关系(图 3)，回归分析表明，除中盖度灌木林的R=0.46偏低外，其他地类的R均较高，未呈现明显的分异规律(表 5)。S随H的增大而增大，裸地的增大速度最快，其次为坡耕玉米地和等高耕作玉米地，高盖度荒草地和鱼鳞坑乔木林增大速度最慢。这表明，水土保持措施主要通过降低径流量和径流含沙量来降低产沙，工程措施和生物措施的主要减沙效益分别为拦截径流以降低径流量和保护表层土以削弱侵蚀。

表 5(Tab. 5)

表 5 不同地类径流深H与产沙强度S的相关方程 Tab. 5 Correlations between different types of runoff depth H and sediment yields S(H>0, S>0) 径流小区Runoff plot 土地利用类型Land use type 数学表达式Mathematical expression 相关系数Correlation coefficient R 1 梯田玉米地Terraced corn S=1.74H-0.01 0.75 2 等高耕作玉米地Contour farming corn land S=42.36H-61.63 0.65 3 坡耕玉米地Slope corn farmland S=48.65H-82.75 0.78 4 裸地Bare land S=52.44H-88.27 0.71 5 水平条板栗林Horizontal chestnut forest S=13.04H+4.06 0.68 6 鱼鳞坑乔木林Fish-scale pit forest S=0.92H-0.02 0.78 7 中盖度灌木林Middle-coverage shrub S=1.71H+0.68 0.46 8 高盖度荒草地High-coverage grassland S=0.63H+0.01 0.78 9 低盖度荒草地Low-coverage grassland S=13.41H-1.91 0.80 注：10号径流小区无产流。Notes：No runoff in No. 10 runoff plot.

表 5 不同地类径流深H与产沙强度S的相关方程 Tab. 5 Correlations between different types of runoff depth H and sediment yields S(H>0, S>0)

本研究表明，水土保持措施对山区坡面的产流产沙具有明显的调控作用。李子君^[13]发现，2000年以来，进入密云水库的产沙量很多年份为0。但笔者发现，流域内无水土保持措施的坡面产沙强度依然很大。在裸地和玉米地上，年均土壤侵蚀强度高达2 730.54 t/(km²·a)，远远超过了容许土壤侵蚀强度200 t/(km²·a)。相比之下，乔灌林地及草地侵蚀较小，与前人^[19]研究结果一致。杨波等^[20]指出，植被覆盖度越高，植被越完整，拦蓄径流和减小侵蚀的能力越强。笔者发现，提高地表植被覆盖度，尤其是草本植物对土壤表层的直接保护才是防止水土流失的关键，而较高的植被冠层削弱侵蚀的效益不明显。

张秋锋^[22]研究石匣小流域2000—2006年的坡面水土保持措施效益所得产流产沙规律与本文结果基本一致，但其坡耕玉米地的产流产沙量小于裸地，与本文结果相反。通过实地考察得知，裸地多年未进行人为修整，降雨优先带走地表的细粒泥沙，表层土粗化明显，下层的小石子也逐渐裸露，对侵蚀产生了保护；坡耕玉米地在强降雨后易形成土壤结皮，地表粗糙度和孔隙度减小，渗透速率降低，导致高产流现象，产沙量也随之增大。

研究区水土保持工程措施减水减沙效益显著，维护成本相对较低。然而，不同地类可布设的工程措施种类很多，笔者仅提出了单种地类单种工程措施的减水减沙效益，针对各种地类最适宜的、减水减沙效益最好的水土保持措施，仍需进一步研究。

1) 水土保持工程和生物措施都具有很好的减水减沙效益。坡耕玉米地产流产沙量高于裸地，梯田玉米地减水和减沙效益分别达91.96%和99.65%，板栗林下布设水平条且覆盖草本的减沙效益达94.35%。高盖度乔灌草结合地的减水减沙效率可达100%。生物措施削弱土壤侵蚀主要得益于灌草等地表植被对土壤表层的保护。生物措施与工程措施相结合的水保效益更佳。

2) 不同地类的坡面产流产沙量与P和I₆₀存在显著的正相关线性关系。无水土保持措施的低盖度地类的R可达0.8；水土保持措施会干扰产流产沙与降雨特性之间的关系。

3) 无工程措施且盖度低的玉米地和裸地H受P和I₆₀影响显著，S受P影响不显著，受I₆₀影响显著。布设工程措施或增加地表植被盖度会削弱I₆₀对坡面产流产沙的影响，此时H受P影响显著，受I₆₀影响不显著，S受P影响显著，受I₆₀影响不显著。

4) 不同地类的坡面S均随H的增加呈显著线性增加，水土保持措施能降低S的增加速度，通过减小产流量和径流含沙量来起到减沙效益。