不同植被措施下紅壤坡面徑流變化特征

梁 娟 珠

(福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心 數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350003)

不同植被措施下紅壤坡面徑流變化特征

梁 娟 珠

(福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心 數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350003)

摘要：[目的] 研究不同植被措施對(duì)坡面徑流的影響，為南方紅壤水土保持與生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 以福建省長(zhǎng)汀縣2001—2010年香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等植被措施下的徑流小區(qū)逐月徑流量和降雨數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析研究。 [結(jié)果] 植被能很好地調(diào)控坡面地表徑流，但由于植被的結(jié)構(gòu)、根系以及地表枯落物的差異，各種植被的保水效益存在差異，觀測(cè)期，各小區(qū)年均徑流量的大小趨勢(shì)表現(xiàn)為：空白對(duì)照區(qū)>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子，胡枝子的保水效益最佳。 [結(jié)論] 香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等植被均能有效地抑制坡面徑流，減少水土流失，均可以作為水土保持措施的優(yōu)良灌草在南方紅壤區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，尤其是要加大胡枝子的推廣力度。

關(guān)鍵詞：紅壤坡面； 植被措施； 水土流失； 坡面徑流

福建省長(zhǎng)汀縣是我國(guó)典型的花崗巖紅壤侵蝕區(qū)之一，長(zhǎng)期的水土流失導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，山地植被稀疏，土壤侵蝕嚴(yán)重，植被難以自然恢復(fù)，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，已稱為當(dāng)前亟需解決的環(huán)境問(wèn)題[1-3]。植被可以增加地表覆蓋、降低雨滴侵蝕動(dòng)力、蓄水保土，對(duì)防治水土流失具有重要的作用，各項(xiàng)植被措施的采取可從根本上改善生態(tài)環(huán)境，也因此成為了研究熱點(diǎn)[4-9]，但目前治理中缺乏科學(xué)指導(dǎo)，存在很大的盲目性，鑒于此，本研究通過(guò)野外不同植被措施下的徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究不同植被坡面徑流的變化規(guī)律，揭示不同植被下坡面水土流失的特征，以期為此類地區(qū)的水土保持與生態(tài)恢復(fù)實(shí)踐提供有益的借鑒。

1研究區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)于福建省長(zhǎng)汀縣，東經(jīng)116°00′45″—116°39′20″，北緯25°18′40″—26°02′05″之間，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，降雨豐沛，年均氣溫17.5～18.8 ℃，極端最高溫度達(dá)39.8 ℃，無(wú)霜期平均260 d，平均日照時(shí)數(shù)1 924.6 h。該地區(qū)地貌以低山、丘陵為主，土壤主要為花崗巖風(fēng)化發(fā)育的紅壤，土層深厚且松軟，抗蝕性能差。

2研究方法

2.1　試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

為了研究不同植被治理措施的坡面徑流動(dòng)態(tài)特征，2001年5月在長(zhǎng)汀縣三洲鎮(zhèn)石官坳布設(shè)了5個(gè)徑流小區(qū)的水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各徑流小區(qū)的規(guī)格為長(zhǎng)20 m，寬5 m，坡度12°，選取香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等4種植被進(jìn)行水平溝整地種植，并設(shè)置1個(gè)未采取生物措施的裸地作為對(duì)照，對(duì)照區(qū)下墊面土層深厚且松軟，為花崗巖風(fēng)華發(fā)育的紅壤。各徑流小區(qū)的基本情況詳見(jiàn)表1。

表1　研究區(qū)徑流小區(qū)基本情況

2.2　測(cè)定方法

采用雨量計(jì)測(cè)定次降雨量，并對(duì)其產(chǎn)生的徑流量進(jìn)行觀測(cè)，記錄其集水桶中的徑流深，每個(gè)月進(jìn)行1次月徑流量與泥沙量的統(tǒng)計(jì)，本研究選擇了2001—2010年的月統(tǒng)計(jì)的徑流深(mm)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，坡面徑流量用徑流深(mm)表示。

2.3　數(shù)據(jù)處理

本研究采用SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括對(duì)徑流觀測(cè)月統(tǒng)計(jì)的各個(gè)小區(qū)的徑流量與降雨量進(jìn)行方差分析、S-N-K多重比較分析、相關(guān)分析和回歸分析；采用Excel軟件對(duì)觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和圖表輸出。

3結(jié)果與分析

3.1　觀測(cè)期坡面年均產(chǎn)流特征

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行徑流量與徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析(表2)可得，空白對(duì)照區(qū)裸地年均產(chǎn)生的徑流深為764.36 mm，年均徑流系數(shù)為0.579是其他小區(qū)均值的3.20倍，說(shuō)明香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等植被都能顯著地降低地表徑流系數(shù)。由表2可以看出，凡是有實(shí)施植被措施的小區(qū)的年均徑流量與徑流系數(shù)都遠(yuǎn)小于裸地，年均徑流量減少59.81%～76.16%。對(duì)不同植被措施下的徑流量進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示空白對(duì)照區(qū)與其他的小區(qū)的徑流量具有顯著的差異。說(shuō)明了植被治理措施的實(shí)施，在降雨過(guò)程中通過(guò)截流、滲透等形式對(duì)降雨進(jìn)行再分配，延緩了坡面徑流的形成，能夠有效地降低坡面徑流，起到良好的保水作用。但不同的植被坡面的年均徑流量還是有所區(qū)別，各小區(qū)的年均徑流量按從大到小的排序?yàn)椋簩?duì)照區(qū)>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。水平溝種植胡枝子的小區(qū)保水效應(yīng)最顯著，觀測(cè)期間年均減少?gòu)搅髁?82.1 mm，這是因?yàn)椋ψ又Χ嗳~茂，根系發(fā)達(dá)，在種植4 a后覆蓋度達(dá)100%，其冠叢承雨率達(dá)11%~25%，可有效防止雨滴直接打擊地表起到護(hù)水保的作用；每年大量的枯枝落葉覆蓋地表能有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，減小土壤容重，增加土壤孔隙度，有效減少水分蒸發(fā)，使土壤貯水能力明顯增強(qiáng)；其發(fā)達(dá)的根系相互交錯(cuò)，盤結(jié)土壤，又可大大提高土壤的抗蝕能力[10]?？梢?jiàn)對(duì)于減少總徑流量來(lái)說(shuō)，灌木措施效果優(yōu)于草本措施。

表2　各小區(qū)的徑流深及徑流系數(shù)

3.2　月降雨量及植被坡面產(chǎn)流月動(dòng)態(tài)變化

降雨是水土流失的源動(dòng)力，是產(chǎn)生徑流的先決條件，與坡面徑流有密切的關(guān)系。對(duì)2001—2010年的月降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得出，試驗(yàn)區(qū)降雨量豐富，但在年內(nèi)分布不均，多集中在4—6月，約占全年降雨量48.8%，且在6月份達(dá)到最大值。而在1—2月，9—12月份為試驗(yàn)區(qū)的枯水期，降雨量相對(duì)較小。

對(duì)各小區(qū)的月均徑流量分布情況進(jìn)行研究分析，可以得出不同植被小區(qū)坡面月均徑流的變化特征(圖1)。由圖1可以看出，發(fā)現(xiàn)坡面徑流動(dòng)態(tài)變化與月均降雨量動(dòng)態(tài)變化基本一致，主要集中在3—8月。坡面徑流月動(dòng)態(tài)變化成明顯的單峰式分配，以4—6月份最大，這是由于研究區(qū)長(zhǎng)汀縣內(nèi)降雨多集中在該段時(shí)期內(nèi)，且降雨量大，這3個(gè)月降雨量占全年降雨量的48.8%，因此各小區(qū)的坡面徑流損失較高；而1—2月，9—12月份為旱季，降雨量少，所以各小區(qū)的坡面徑流損失相對(duì)較低。以上分析說(shuō)明該試驗(yàn)小區(qū)的坡面徑流具有明顯的季節(jié)分布規(guī)律，主要分布在3—8月份，特別是4—6月份的傳統(tǒng)雨季。這與相關(guān)的研究具有相似的結(jié)論[10]。從圖1中可以看出，4種不同的植被措施的月均徑流量分布曲線較為相似，都在4—6月份呈現(xiàn)出較大的坡面徑流，在旱季呈現(xiàn)出較小的徑流量。這跟不同月份的降雨量密切相關(guān)。同時(shí)4種不同的植被措施的徑流量也占到了年徑流量的50%以上。各小區(qū)的月均徑流量均在6月份達(dá)到最大值，將各小區(qū)的6月份徑流量與對(duì)照區(qū)相比，最大的徑流量減少了約128 mm，說(shuō)明植被在雨季的水土保持作用。

圖1　研究區(qū)各小區(qū)月均徑流量分布曲線

3.3　不同植被措坡面徑流年動(dòng)態(tài)變化特征

對(duì)2001—2010年中不同徑流小區(qū)的年徑流量進(jìn)行了計(jì)算，由于2001，2004，2005年只有部分月份的數(shù)據(jù)，所以沒(méi)有統(tǒng)計(jì)其年總徑流量，結(jié)果如表3所示。各植被小區(qū)的年徑流總量具有明顯的規(guī)律，與對(duì)照區(qū)相比，各種植被措施下的小區(qū)徑流大都逐年減少。說(shuō)明各種植被都能減少坡面地表徑流，且隨著時(shí)間的推移，坡面產(chǎn)生的地表徑流越來(lái)越少，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移及香根草、胡枝子、類蘆、香根草等各種植被的生長(zhǎng)和新陳代謝，大量的枯枝落葉覆蓋地表，增加了地表粗糙度，減緩了徑流的速度，延長(zhǎng)了降雨徑流的入滲時(shí)間；同時(shí)隨著時(shí)間推移，植被的根系逐漸發(fā)的，改善土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，從而增加了徑流的滲透量，使地表徑流逐漸較少[11-13]。但不同的植被小區(qū)在不同的時(shí)期，其徑流量也存在差異。2002年是植被剛恢復(fù)階段，植被的水保功能還沒(méi)有完全發(fā)揮，與對(duì)照區(qū)相比，各小區(qū)的徑流量減少不明顯，該階段百喜草小區(qū)的坡面徑流最小，說(shuō)明百喜草在初期的保水功能最好，這是因?yàn)樗４胧┏跗谥饕ㄟ^(guò)減小雨滴擊濺、削減大部分降雨動(dòng)能來(lái)削弱降雨強(qiáng)度對(duì)徑流的影響，而百喜草生長(zhǎng)迅速，在種植1 a覆蓋率就可100%，覆蓋度最高，因此在初期其徑流量減少最多。隨著時(shí)間的推移，香根草與胡枝子的徑流量顯著減少，特別是后期，其坡面徑流量驟減，到2010年，香根草與胡枝子小區(qū)的坡面徑流最小，與對(duì)照區(qū)相比，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生坡面徑流，其入滲系數(shù)達(dá)0.97以上。這是因?yàn)橄愀菖c胡枝子萌芽更新能力好，隨著時(shí)間的推移，坡面生物大量增加，且根系越來(lái)越發(fā)達(dá)，吸收能力強(qiáng)，極大提高土壤入滲率[14-15]，從而大幅減少坡面地表徑流量。

表3　研究區(qū)各小區(qū)的年徑流量及降雨量　mm

多年生的灌草，根須密集，具有良好的覆蓋度，莖葉枯落物和衰老退化的根系腐爛后可有效改善土壤的物理性狀，使土壤蓄水保水能力增強(qiáng)，極大降低和削弱坡面徑流的產(chǎn)生，具有良好的保水效益。由圖2各小區(qū)的保水效益分析結(jié)果可知，香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等灌草植物的生長(zhǎng)需要一定的時(shí)間，在徑流小區(qū)設(shè)置初期，植物還在成長(zhǎng)期，各小區(qū)水保功能還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)，其保水效益不是太好。隨著年份的增加，灌草植物莖葉逐漸茂盛，可減少水分蒸發(fā)，提高土壤含水量，地表枯落物增多，根系量增大，部分衰老退化的根系腐爛后，改良了土壤結(jié)構(gòu)，從而提高了土壤的出水量和蓄水保水能力，保水效益也隨之增長(zhǎng)，到后期趨于穩(wěn)定狀態(tài)，達(dá)到最高的保水效益，最高達(dá)97.69%，即天然降水幾乎都入滲到土壤中。但是，不同的灌草植物，在不同的時(shí)期其保水效益存在差異，百喜草小區(qū)在植被恢復(fù)初期保水效益較其他植物小區(qū)最為明顯，這是因?yàn)榘傧膊萆L(zhǎng)迅速地上部分的葉、匍匐莖及其枯落物覆蓋具有減小雨滴擊濺，削減大部分降雨動(dòng)能的功能，因此削弱了降雨強(qiáng)度對(duì)徑流的影響；同時(shí)，百喜草及其枯落物增加了地表粗糙度，從而阻緩了地表徑流的產(chǎn)生、延長(zhǎng)了徑流的匯流和入滲時(shí)間。但是，到后期，由于植被退化，其保水效益不如其他的植被。胡枝子與香根草后期的水保效果最好，這是因?yàn)殡S著年份的增加，這兩種植物地上的生物量越來(lái)越大，每年產(chǎn)生的地表枯落物越來(lái)越多，極大改良了土壤質(zhì)地，地下根系越來(lái)越發(fā)達(dá)，植物根系的盤繞作用及植物本身對(duì)水流的抵抗作用，增加了水流運(yùn)動(dòng)的阻力，減緩了水流的流速，同時(shí)阻止地表結(jié)皮的形成，增加了入滲，提高了其保水效益[14-15]。

圖2　研究區(qū)各小區(qū)的保水效益

3.4　不同植被坡面徑流量與降雨量的關(guān)系

對(duì)各小區(qū)的月產(chǎn)流量與月降雨量進(jìn)行相關(guān)分析可得，香根草小區(qū)(R=0.446， sig.=0.000)，胡枝子小區(qū)(R=0.385， sig.=0.000)，類蘆小區(qū)(R=0.599, sig.=0.000)，百喜草小區(qū)(R=0.834, sig.=0.000)，對(duì)照小區(qū)(R=0.863, sig.=0.000)，說(shuō)明各小區(qū)的月產(chǎn)流量與降雨量都存在正相關(guān)關(guān)系，即各小區(qū)坡面月產(chǎn)流量隨著月降雨量的增大而增加，與前文的研究結(jié)果相同。其中裸地、百喜草、類蘆小區(qū)的月徑流量與月降雨量具有顯著相關(guān)關(guān)系，而香根草小區(qū)與胡枝子小區(qū)的月徑流量與月降雨量相關(guān)性不顯著。各小區(qū)的月產(chǎn)流量與越降雨量的相關(guān)性排序?yàn)椋郝愕?百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。胡枝子的月產(chǎn)流量與月降雨量的相關(guān)性最小，說(shuō)明該植被措施對(duì)保水作用最顯著。已有的研究[16-18]表明，次降雨量以及降雨強(qiáng)度對(duì)坡面產(chǎn)流具有直接的影響，但從月尺度的徑流量來(lái)看，降雨量對(duì)坡面產(chǎn)流的影響減弱，這是因?yàn)榈乇砀采w、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等其他影響因素的累積作用弱化了月降雨量對(duì)坡面產(chǎn)流的影響。

對(duì)每個(gè)小區(qū)的月的徑流量與降雨量進(jìn)行線性回歸分析可得，每個(gè)線性回歸方程的sig.均為0.000，說(shuō)明回歸系數(shù)有顯著意義，月徑流量總體趨勢(shì)是隨著月降雨量的增大而增加，其相關(guān)性均達(dá)到正相關(guān)。有植被覆蓋的小區(qū)線性方差進(jìn)行擬合的效果相對(duì)于空白小區(qū)效果不明顯，說(shuō)明有植被覆蓋的小區(qū)中，由于灌草的蓋度對(duì)降雨的截流、吸收和下滲作用，降低了坡面徑流的產(chǎn)生，坡面產(chǎn)流并不隨著降雨量的增大而線性增加?？瞻仔^(qū)由于缺少植被的覆蓋，降雨除了土壤吸收部分，大多數(shù)以坡面徑流的形式流失，坡面徑流幾乎是隨著降雨量的增大呈線性增長(zhǎng)。從各回歸方程的系數(shù)可以看出，當(dāng)降雨量增加時(shí)，各種植被措施的徑流量增大趨勢(shì)為：裸地>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。

4小 結(jié)

(1) 植被措施的采取能有效地降低坡面徑流，但不同的植被措施形成不同的下墊面性狀，在降雨的作用下會(huì)表現(xiàn)出不同的坡面徑流規(guī)律。在本研究中，不同的措施下年均徑流量與對(duì)照相比都具有顯著的差異，胡枝子小區(qū)最小，觀測(cè)期各小區(qū)的總徑流量從大到小依次為：空白對(duì)照區(qū)>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。

(2) 各小區(qū)的徑流量季節(jié)特征明顯，各小區(qū)月均徑流量的年內(nèi)分布與月降雨量的分布相似，主要分布在雨季4—6月，占年徑流量的50%以上。而在降雨量小的旱季，月均徑流量較小。說(shuō)明各小區(qū)的徑流量與降雨量密切相關(guān)。

(3) 植被措施的實(shí)施，其保水效益不隨著年份的增加而增長(zhǎng)，到后期趨于穩(wěn)定狀態(tài)，保水效益最高(97.69%)。百喜草小區(qū)在植被恢復(fù)初期保水效益最明顯，到后期不如其他的植被。胡枝子除了初始的成長(zhǎng)階段，其保水效益始終高于其他植被，其保水效益最好。

(4) 各個(gè)小區(qū)的月徑流量與月降雨量的關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系，但而香根草小區(qū)與胡枝子小區(qū)的相關(guān)性不顯著，說(shuō)明其徑流量受降雨量的影響較??；空白小區(qū)相關(guān)性最顯著。有植被覆蓋的小區(qū)線性回歸擬合的效果相對(duì)于空白小區(qū)效果不明顯，說(shuō)明有植被覆蓋的小區(qū)中，由于灌草的蓋度對(duì)降雨的截流、吸收和下滲作用，降低了坡面徑流的產(chǎn)生，坡面產(chǎn)流并不隨著降雨量的增大而線性增加。

(5) 香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等均能有效地抑制坡面徑流，減少水土流失，因此，都可以作為水保的優(yōu)良灌草，在南方紅壤區(qū)進(jìn)行推廣應(yīng)用，尤其是要加大胡枝子的推廣力度。

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Runoff Changes on Slope with Different Vegetation Measures in Red Soil Region

LIANG Juanzhu

(KeyLaboratoryofSpatialDataMining&InformationSharingofMinistryofEducation,SpatialInformationResearchCenterofFujianProvince,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350003,China)

Abstract：[Objective] Effects of different vegetation measures on red soil slope runoff were researched to provide a scientific basis for soil and water conservation and ecological restoration in the southern red soil region of China. [Methods] Monthly runoff and rainfall data from plots planted with Vetiver, Lespedeza, Neyraudia, Bahiasgrass during 2001 to 2010 were collected to analyze the above mentioned effects using statistical method. The plots were located at Changting County in Fujian Province.[Results] Vegetation measures could control slope runoff well, but due to the differences among vegetation structure, root and litter amount of the above measures, soil and water conservation benefits from the above measures were different. In the period of observation, the rank of annual runoff was: control plot with no vegetation measure>Bahiagrass>Neyraudia>Vetiver>Lespedeza. Water conservation benefit from Lespedeza measure performed best. [Conclusion] Vetiver, Lespedeza, Neyraudia, Bahiasgrass et al. vegetation could control slope runoff effectively and reduce soil erosion. Therefore, they can all be used as the excellent shrub/grass for soil and water conservation; and can be applied in the red soil region of Southern China, especially Lespedeza measure is recommended.

Keywords:red soil region of Southern China; vegetation measure; soil and water loss; slope runoff

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)06-0159-05

中圖分類號(hào)：S157.1

收稿日期：2014-08-19修回日期：2014-10-14

資助項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“南方紅壤水土流失治理技術(shù)研究與示范”(2013BAC08B00)

第一作者：梁娟珠(1978—),女(漢族),福建省福清市人，博士,助理研究員,主要從事水土保持決策支持方面的研究。E-mail:liangjuanzhu@163.com。