茶園集中開發(fā)區(qū)水土流失特征研究
——以槐植卡口站為例

王義祥，楊冬雪，張　燕，林金溝，李翠萍，陳錦輝

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013； 2.福建省環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 福州 350003；3.安溪縣環(huán)境監(jiān)測站，福建 泉州 362000)

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茶園集中開發(fā)區(qū)水土流失特征研究
——以槐植卡口站為例

王義祥1，楊冬雪2，張燕2，林金溝3，李翠萍2，陳錦輝2

(1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013； 2.福建省環(huán)境監(jiān)測中心站，福建 福州 350003；3.安溪縣環(huán)境監(jiān)測站，福建 泉州 362000)

茶園集水區(qū)；水土流失；卡口站；徑流；泥沙；福建

以福建安溪縣感德鎮(zhèn)茶園集水區(qū)為單元，在雙岐支毛溝出口處設(shè)立卡口站，定量研究了茶園水土流失特征。結(jié)果表明，茶園集水區(qū)年徑流總量約為15 567.60 m3/km2，年產(chǎn)沙量約為58.62 t/km2，降雨量、降雨強(qiáng)度和雨型對泥沙和徑流的產(chǎn)生具有重要影響，典型性大降雨對徑流和泥沙的產(chǎn)生起著決定性作用。對泥沙機(jī)械組成的分析結(jié)果表明，泥沙顆粒以砂粒(2～0.05 mm)為主，石礫(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均較低。

福建是我國茶葉生產(chǎn)的主要省份，全省共有茶園17.33萬hm2，占全國茶園總面積的10.5%，居全國第二位。近年來，福建開墾坡地種茶力度不斷加大，一些地區(qū)農(nóng)民水土保持意識薄弱，高坡度開墾，有些甚至一開到頂，“四面光”的現(xiàn)象屢見不鮮，全省茶園特別是新開墾茶園水土流失比較嚴(yán)重。據(jù)遙感調(diào)查顯示[1]，2006年底，福建省有6.35萬hm2的茶園存在水土流失，占全省茶園面積的近50%。這樣不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且直接影響和制約茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。茶園水土流失問題已引起社會的廣泛關(guān)注，許多學(xué)者也對山地茶園水土流失特征、成因和防治措施進(jìn)行了大量研究[1-3]，如陳小英等[3]利用坡面徑流小區(qū)方法對不同耕作方式下茶園土壤侵蝕量的監(jiān)測結(jié)果表明，裸露坡地茶園的年土壤侵蝕量為40 147.9 t/km2，清耕梯田茶園為2 213.5 t/km2，梯壁種百喜草的梯田茶園為951.3 t/km2，梯壁種香根草的梯田茶園為672.9 t/km2。

集水區(qū)是紅壤丘陵景觀中相對獨(dú)立且整體性強(qiáng)的最基本的地理生態(tài)單元，以集水區(qū)為單元研究土地利用變化與水土流失關(guān)系是較為有效的方法，因?yàn)樵谠摮叨壬系难芯考缺３至颂烊粻顩r下的徑流流動，又能避免徑流小區(qū)觀測放大侵蝕量的不足，通過測定集水區(qū)出口處的徑流和泥沙，能有效評價(jià)流域土地利用類型、水土保持措施變化對水土流失的影響，這是坡面徑流小區(qū)方法無法與之匹敵的[4]。但目前還少見利用集水區(qū)方法研究山地茶園水土流失特征的報(bào)道。故此，本研究以福建省安溪縣感德鎮(zhèn)代表性茶園集中開發(fā)區(qū)為對象，以集水區(qū)為單元，定量研究感德茶園集中開發(fā)區(qū)水土流失特征，旨在為紅壤丘陵區(qū)茶園水土流失預(yù)測和綜合防治提供科學(xué)參考。

1　研究區(qū)概況與研究方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣感德鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)有茶園面積3 567 hm2，茶葉收入是當(dāng)?shù)氐闹饕?jīng)濟(jì)來源，有“中國茶葉第一鎮(zhèn)”之稱。本研究所選感德鎮(zhèn)槐植村，位于北緯25°18′、東經(jīng)117°51′，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均氣溫18.5 ℃，年均降水量1 600 mm，降水的季節(jié)分配不均勻，每年的3—6月份為梅雨季節(jié)，7—9月份受臺風(fēng)影響大暴雨增多。平均日照時(shí)數(shù)1 907.6 h，無霜期350～365 d，氣候溫和濕潤，春夏之間經(jīng)常云霧繚繞。境內(nèi)多山,大多數(shù)地區(qū)海拔500 m左右，十分適合茶樹生長。

1.2卡口站概況

卡口站位于感德鎮(zhèn)槐植村雙岐支毛溝出口處，由安溪縣水利水電工程勘察設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)，福建省環(huán)境監(jiān)測中心站、福建省農(nóng)科院生態(tài)研究所、感德鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府共同建設(shè)，于2014年4月正式啟用。卡口站安裝了一臺雨量計(jì)、一臺水位計(jì)和一套水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，可以自動監(jiān)測水質(zhì)中pH值、電導(dǎo)率、濁度、氨氮、總磷和總氮等指標(biāo)?？谡炯娣e0.79 km2，集水區(qū)內(nèi)茶園面積占土地總面積的95%以上，無人居住。由于歷史原因，集水區(qū)內(nèi)茶園坡度多在15°～35°，最大可達(dá)60°。

1.3降雨量和水位監(jiān)測

降雨量和水位分別利用自記雨量計(jì)(型號JDZ05-1)和水位計(jì)(型號WFH-2A)監(jiān)測，監(jiān)測頻次均為5 min一次。

1.4徑流量監(jiān)測

徑流量采用矩形薄壁堰監(jiān)測，堰寬4 m、高1.5 m。薄壁堰流量計(jì)算公式為

(1)

式中：Q為流量，m3/s；CD為流量系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；be為薄壁堰寬度，m；he為薄壁堰水頭高，m。

1.5泥沙量監(jiān)測

根據(jù)卡口站實(shí)際泥沙的累積情況，分別于2014年6月19日、10月17日和2015年3月4日進(jìn)行三次清沙處理。泥沙量的測定采用體積法。

1.6顆粒組成分析

每次清理泥沙之前，將柱形PVC管垂直打入泥沙底部，根據(jù)泥沙堆積的厚度和長度，確定PVC管的數(shù)量。將裝有泥沙的PVC管整個(gè)帶回實(shí)驗(yàn)室，晾干、混勻。其中，粒徑>0.25 mm的土粒采用篩分法[5]，粒徑<0.25 mm的土粒采用粒度儀分析，設(shè)備為丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的BT-9300ST激光粒度分布儀。

2　結(jié)果與分析

2.1徑流量

2.1.1徑流量和降雨量的關(guān)系

利用2014年4月至2015年3月卡口站的降雨量和徑流量的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，以月降雨量為橫坐標(biāo)、月徑流量為縱坐標(biāo)做散點(diǎn)圖，見圖1。由圖1可以看出，徑流量和降雨量呈現(xiàn)正相關(guān)，降雨量越大，產(chǎn)生的徑流越多，尤其是暴雨較多的6—9月份。潘杰[6]對中田河小流域的徑流和降雨關(guān)系進(jìn)行分析，也得出了二者呈正相關(guān)的結(jié)論。根據(jù)多元統(tǒng)計(jì)回歸分析，得到月徑流量和月降雨量的回歸方程為

(2)

式中：X為月降雨量，mm；Y為月徑流量，m3。

圖1　槐植卡口站月徑流量和月降雨量關(guān)系

2.1.2流量和降雨強(qiáng)度的關(guān)系

降雨強(qiáng)度對徑流的形成具有重要影響，在實(shí)際降雨過程中，降雨強(qiáng)度總是不斷發(fā)生變化。用來描述降雨強(qiáng)度的變量有平均降雨強(qiáng)度和時(shí)段降雨強(qiáng)度，本研究按照國家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(內(nèi)陸部分)[7]將本研究區(qū)降雨劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨，并采用平均降雨強(qiáng)度代表當(dāng)天降雨強(qiáng)度來分析集水區(qū)出口處流量與降雨強(qiáng)度的關(guān)系。

通過分析槐植卡口站2014年4月到2015年3月降雨強(qiáng)度和集水區(qū)出口處流量發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度對徑流的產(chǎn)生具有重要影響。從本研究區(qū)域2014年全年的降雨情況看，8月份降雨量占全年降雨總量的17.5%，其中最小雨強(qiáng)為1.2 mm/d，最大雨強(qiáng)為54 mm/d，小雨、中雨、大雨和暴雨天數(shù)分別占當(dāng)月天數(shù)的25.8%、9.7%、12.9%和3.2%，是全年降雨分布較為集中的月份之一。故此，本研究以2014年8月份為例，分析了槐植卡口站集水區(qū)出口處流量和降雨強(qiáng)度的關(guān)系。

圖2是2014年8月份集水區(qū)出口處流量隨降雨強(qiáng)度的變化情況?？梢钥闯?，集水區(qū)出口處流量隨著降雨強(qiáng)度的變化而變化，二者基本呈正相關(guān)。8月8日降雨強(qiáng)度達(dá)到37 mm/d，為大雨，流量只有0.1 m3/s，8月9日降雨強(qiáng)度為19 mm/d，為中雨，流量為0.45 m3/s，這是因?yàn)閺?月28日到8月7日連續(xù)11 d沒有降雨，土壤含水量低，大部分雨水滲入土壤，較少形成徑流；此后連續(xù)降雨，以中到大雨為主，流量不斷增大，到8月12日，降雨強(qiáng)度達(dá)到暴雨級別，為54 mm/d，流量也達(dá)到最大，為13.82 m3/s；此后流量基本隨著降雨強(qiáng)度而上下波動，但8月20日和21日無雨，流量也分別達(dá)到了9.54和3.81 m3/s，這可能是因?yàn)榍捌谶B續(xù)的大暴雨使茶園土壤水分趨于飽和，支毛溝中上游水量增多，導(dǎo)致泄水期延長。嚴(yán)風(fēng)碩等[8]對不同土地利用方式下紫色土水土流失特征進(jìn)行了研究，得出三峽庫區(qū)大部分水土流失可能是由幾次典型降雨所決定的結(jié)論，本研究結(jié)論與其具有一致性。

圖2　集水區(qū)出口處流量隨降雨強(qiáng)度的變化情況

2.2產(chǎn)沙量

茶園土壤在降水、徑流的作用下遭受侵蝕，隨徑流流入河道。2014年4月到2015年3月共對槐植卡口站進(jìn)行了三次泥沙清理：第一次泥沙積累時(shí)間從2014年4月1日開始 ，清理泥沙時(shí)間為6月19日，產(chǎn)沙量為35.95 t/km2；第二次泥沙積累時(shí)間從6月20日開始，清理泥沙時(shí)間為10月17日，產(chǎn)沙量為22.15 t/km2；第三次泥沙積累時(shí)間從10月18日開始，清理泥沙時(shí)間為2015年2月28日，產(chǎn)沙量為0.52 t/km2。三次泥沙積累期間降雨情況見表1。第一次泥沙積累時(shí)間為80 d，第二次為90 d，第一次降雨量比第二次少了73 mm，徑流量比第二次少了1 366.7 m3/km2，但產(chǎn)沙量比第二次多了13.80 t/km2，這是因?yàn)?月1日—6月19日正值福建梅雨期，持續(xù)不斷的降水使土壤中水分飽和，土壤結(jié)構(gòu)松散，土壤顆粒之間的摩擦力減小，再加上間斷性較強(qiáng)降雨，使土壤侵蝕極易發(fā)生；第三次泥沙積累時(shí)間為155 d，其降雨量和徑流量分別比第一次低73.2%和99.3%，產(chǎn)沙量也少了98.6%。這表明，當(dāng)降雨量相差較大時(shí)，降雨量對泥沙量的多少起著決定性作用，當(dāng)降雨量相當(dāng)時(shí)，雨型對泥沙量具有重要影響，在連續(xù)的小型降雨夾雜大到暴雨的情況下，土壤侵蝕更容易發(fā)生。

表1　2014年4月到2015年3月期間降雨和徑流情況統(tǒng)計(jì)

2.3顆粒組成分析

圖3是6月19日和10月17日卡口站清理的泥沙顆粒組成情況。由圖3可以看出，泥沙中不同粒級顆粒所占質(zhì)量百分比的大小順序?yàn)榇稚傲?1～0.5 mm)>中砂粒(0.5～0.25 mm)>極粗砂粒(2～1 mm)>石礫(>2 mm)>極細(xì)砂粒(0.1～0.05 mm)>細(xì)砂粒(0.25～0.1 mm)>粗粉粒(0.05～0.02 mm)>細(xì)粉粒(0.02～0.002 mm)>黏粒(<0.002 mm)。支毛溝流失泥沙中以砂粒含量(2～0.05 mm)最高，在兩次清理的泥沙中砂粒含量分別達(dá)到93.38%、88.08%，其中又以粗砂粒(1～0.5 mm)和中砂粒(0.5～0.25 mm)為主，其次是極粗砂粒(2～1 mm)，石礫(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均較低。這是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)茶園被長期墾殖，土壤養(yǎng)分含量較低，團(tuán)聚性較差，加之陡坡開墾，在雨水的沖刷下，極易造成水土流失，且侵蝕泥沙隨徑流流入河道后在流動的過程中不斷被分選和沉積，造成石礫含量和黏粒含量較少，砂粒含量較多，這與黃麗等[9]對侵蝕紫色土土壤顆粒流失規(guī)律的研究結(jié)果相一致。

圖3　支毛溝泥沙顆粒組成

3　結(jié)論與討論

小集水區(qū)測流技術(shù)是進(jìn)行生態(tài)-水文試驗(yàn)和生物地球化學(xué)研究的一種實(shí)用方法，該方法能較準(zhǔn)確地測定集水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入和輸出，由此可獲得整個(gè)集水區(qū)水土流失的主要參數(shù)。本研究對槐植卡口站一年的監(jiān)測結(jié)果表明，茶園集水區(qū)年徑流總量約為15 563.8 m3/km2。江淼華等[10]運(yùn)用徑流小區(qū)法得出閩北杉木林、錐栗林、柑橘園和裸露地年均水土流失量分別為20 000、28 000、37 000和43 7000 m3/km2。本研究區(qū)域茶園年均水土流失量均小于閩北杉木林、錐栗林、柑橘園和裸地的年均水土流失量，但由于兩個(gè)研究區(qū)的尺度、土地利用方式和區(qū)域氣候特點(diǎn)等存在一定差異，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的可比性較差。另外，通過集水區(qū)測流堰和水位計(jì)自記水位，然后換算成集水區(qū)徑流量，其精度與換算公式的精度有關(guān)，今后還要通過實(shí)測試驗(yàn)進(jìn)行對比，以進(jìn)一步提高測流的精度。

劉海等[11]對元謀干熱河谷不同土地利用類型集水區(qū)的研究表明，2010年雨季林地、農(nóng)地集水區(qū)的產(chǎn)沙量分別為218.04、354.08 t/km2，林地因較高的植被覆蓋度而具有較好的調(diào)節(jié)徑流、保水與抗侵蝕作用，表現(xiàn)為林地集水區(qū)產(chǎn)沙量低于農(nóng)地。茶園作為南方紅壤丘陵區(qū)重要的土地利用方式之一，區(qū)別于林地和農(nóng)地。本研究結(jié)果表明，茶園集水區(qū)的產(chǎn)沙量與降雨關(guān)系密切，尤其是連續(xù)性降雨的影響較為明顯；茶園集水區(qū)年產(chǎn)沙量約為58.62 t/km2，遠(yuǎn)低于陳小英[3]等對安溪茶園土壤流失量的監(jiān)測結(jié)果(2 213. 5 t/km2)。盡管立地條件有所差異，但也反映了徑流小區(qū)方法放大了土壤侵蝕的結(jié)果。茶園開發(fā)區(qū)沉積泥沙粒徑組成分析表明，泥沙顆粒以砂粒(2～0.05 mm)為主，石礫(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均較低。而張翔等[12]對東柳河小流域的泥沙粒徑分析結(jié)果表明，丘陵區(qū)的沉積泥沙主要由粗砂構(gòu)成，而農(nóng)田區(qū)以細(xì)砂為主，表明侵蝕泥沙顆粒的分布和搬運(yùn)與土壤類型密切相關(guān)。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014R1017-3，2014Y0048,2016R1016-4)；農(nóng)業(yè)部福州農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站項(xiàng)目

S157.1

A

1000-0941(2016)08-0063-04

王義祥(1978—)，男，山東泰安市人，副研究員，博士，主要從事恢復(fù)生態(tài)與紅壤保育研究；通信作者楊冬雪(1962—)，女，福建廈門市人，教授級高級工程師，學(xué)士，主要從事環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量管理工作。

2015-05-13