不同植被種植模式對(duì)紅壤坡面侵蝕影響試驗(yàn)研究

康佩佩, 查 軒, 劉家明, 陳世發(fā), 王 庚

(1.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007; 2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)研究所, 福州 350007)

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不同植被種植模式對(duì)紅壤坡面侵蝕影響試驗(yàn)研究

康佩佩1,2, 查 軒1,2, 劉家明1,2, 陳世發(fā)1,2, 王 庚1,2

(1.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007; 2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)研究所, 福州 350007)

采用天然降雨試驗(yàn)，研究南方典型花崗巖紅壤坡面土壤侵蝕過(guò)程及不同植被種植模式、降雨量和降雨強(qiáng)度對(duì)紅壤坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙的影響，定量研究了不同種植模式的攔沙蓄水效益，并建立了天然降雨試驗(yàn)下土壤侵蝕模型。結(jié)果表明：(1) 相同降雨條件下，不同植被種植模式土壤侵蝕量的大小關(guān)系為：全裸露>條帶播草>全覆蓋>條溝播草；(2) 當(dāng)平均雨強(qiáng)為0.3 mm/min時(shí)，全覆蓋種植模式優(yōu)于條溝播草種植模式；當(dāng)平均雨強(qiáng)為0.6 mm/min時(shí)，條溝播草種植模式的蓄水能力更顯著；(3) 土壤侵蝕量的粒徑大小主要集中于<0.25 mm，是形成土壤侵蝕的主要原因，不同植被種植模式各個(gè)粒徑泥沙含量集中在<0.25 mm，泥沙顆粒量大小總量的變化規(guī)律為：裸露模式>全覆蓋種植模式>條帶種植模式>條溝種植模式。通過(guò)對(duì)比得出條溝播草種植模式的攔沙蓄水效果最佳，以期為南方丘陵區(qū)治理水土流失提供參考。

花崗巖紅壤; 土壤侵蝕; 天然降雨; 植被覆蓋度

水土流失是人類(lèi)生存和發(fā)展所面臨的最嚴(yán)重問(wèn)題，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致土壤肥力下降、植被覆蓋減少、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到限制[1-2]。實(shí)施水土保持措施可以有效的提高土壤肥力、攔蓄泥沙、增加植被覆蓋，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]。紅壤是我國(guó)重要的土壤資源，廣泛分布于福建、江西、廣東、湖南等南方地區(qū)。雨熱同期的氣候特征，適宜農(nóng)作物的生長(zhǎng)，但由于自然以及人為因素的干擾，導(dǎo)致南方花崗巖紅壤區(qū)已成為我國(guó)侵蝕嚴(yán)重、范圍最廣的地區(qū)，僅次于黃土高原[4-5]。植被覆蓋于地表，通過(guò)葉片和根系的作用，有效的減輕地表侵蝕、蓄水?dāng)r沙，減少水土流失，從而改善生態(tài)環(huán)境[6]。徐大兵等[7]定量研究了自然降雨條件下不同覆蓋措施對(duì)鄂西土地整治區(qū)水土流失的影響，得出有效的措施治理區(qū)域水土流失；陳小強(qiáng)等[8]采用田間徑流小區(qū)試驗(yàn)研究了不同種植模式對(duì)云南省中部坡耕地水土保持的影響，得出了能夠減少水土流失的耕作模式。馮秀等[9]采取人工降雨的方法，對(duì)南方花崗巖紅壤坡面的侵蝕過(guò)程進(jìn)行研究表明徑流量隨著雨強(qiáng)和坡度的增大而增大，并且都表現(xiàn)在產(chǎn)流初期。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于紅壤區(qū)土壤侵蝕的研究較多，但運(yùn)用天然降雨試驗(yàn)方法研究不同植被種植模式對(duì)紅壤侵蝕量影響的研究較少。本文以長(zhǎng)汀縣的花崗巖嚴(yán)重侵蝕退化紅壤為基礎(chǔ)土樣，采用天然降雨試驗(yàn)的方法，測(cè)定不同植被種植模式下紅壤的徑流產(chǎn)沙量，分析不同種植模式對(duì)土壤蓄水?dāng)r沙的效益，以期為水土保持治理工程提供有效的治理防護(hù)措施。

1　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)土壤來(lái)自長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)，為了保證樣本的典型性和代表性，結(jié)合區(qū)域考察并遵循均勻分布、隨機(jī)抽樣的原則，選擇水土流失較為嚴(yán)重的坡面采集土壤樣本[10-11]。通過(guò)稱(chēng)量控制土壤容重(1.35～1.42 g/cm3)，不同粒徑顆粒組成為：>3.0 mm顆粒34.77%，2～3 mm顆粒13.93%，1～2 mm顆粒8.27%，0.5～1 mm顆粒23.14%，0.25～0.5 mm顆粒10.05%，<0.25 mm顆粒9.84%。本研究采用天然降雨試驗(yàn)方法，試驗(yàn)地點(diǎn)為福建省濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。設(shè)置4個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，分別為全裸露試驗(yàn)小區(qū)(無(wú)植被覆蓋)、全部覆蓋試驗(yàn)小區(qū)、條帶種草試驗(yàn)小區(qū)和條溝播草試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)所用的草種為寬葉雀稗。其中試驗(yàn)用的土槽自行設(shè)計(jì)，尺寸規(guī)格為：長(zhǎng)1.5 m、寬0.5 m、深0.3 m，坡度為15°。為了使土壤具有良好的透水性，于土槽的底部均勻鉆孔，共5排，每排5個(gè)孔，土槽前部下端設(shè)置集流槽，用于收集徑流和泥沙。

1.2試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)槽首先要進(jìn)行填土裝箱，在填土裝箱前先將土壤過(guò)10 mm篩，在槽底鋪上透水紗布，然后分層裝填30 cm厚的供試土壤。試驗(yàn)土槽分層裝土，每5 cm為一層，每層都邊填充、邊壓實(shí)，之后撒播草籽。播草籽后，為保證發(fā)芽生長(zhǎng)，需要定期澆水，同時(shí)也需要對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行防曬覆蓋，使其溫度控制在合理的范圍內(nèi)(28℃左右)，其植被格局分別為：全裸試驗(yàn)小區(qū)、全覆蓋試驗(yàn)小區(qū)、條帶種草試驗(yàn)小區(qū)和條溝播草試驗(yàn)小區(qū)。采用HOBO-RG3雨量觀測(cè)計(jì)觀測(cè)每日雨情，記錄每時(shí)刻的降雨情況。天然降雨試驗(yàn)中降雨具有不確定性，采用日降雨量收集和次降雨量收集兩種方式收集徑流泥沙。

團(tuán)聚體分離方法采用濕篩法，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤水分用105℃烘箱烘干法。試驗(yàn)開(kāi)始至坡面上完全產(chǎn)流后，記錄產(chǎn)流時(shí)間，同時(shí)開(kāi)始采集坡面出口的徑流泥沙樣。采集來(lái)的泥沙用容量瓶置換法測(cè)定。

2　結(jié)果與分析

2.1降雨特征

天然降雨往往具有不確定性。在試驗(yàn)期間(2014年4月—2014年9月)共降雨24次，選取3次具有福州典型性特征的次降雨量進(jìn)行分析，分別為5月4日(1A)，6月2日(2B)和7月18日(3C)。根據(jù)3次次降雨量的變化，繪制出雨強(qiáng)變化曲線。根據(jù)圖1可得，每次降雨雨強(qiáng)波動(dòng)變化，在峰值出現(xiàn)后逐漸降低。

圖1　降雨雨強(qiáng)變化

2.2不同植被種植模式對(duì)產(chǎn)流的影響

植被對(duì)坡面土壤侵蝕具有重要的影響[12-14]。從圖2A中可看出全裸露試驗(yàn)小區(qū)坡面產(chǎn)流時(shí)間開(kāi)始于21:03，而有植被覆蓋小區(qū)產(chǎn)流時(shí)間開(kāi)始于21:04。這是由于在降雨不斷增加的這一過(guò)程中，植被有效的攔截了一部分雨水，植物通過(guò)葉片降低雨滴動(dòng)能，同時(shí)也降低了對(duì)地表的濺蝕力，減少了降雨侵蝕，植物的根系具有蓄水?dāng)r沙的作用，有植被覆蓋的小區(qū)通過(guò)植被根系作用阻擋了坡面徑流，削減了徑流對(duì)土壤的侵蝕，防止水土流失。裸地沒(méi)有植物的保護(hù)，蓄水能力低，徑流量大。

不同的植被種植方式嚴(yán)重影響著坡面土壤侵蝕量的大小，降雨過(guò)程中，隨著降雨強(qiáng)度的不斷增加，產(chǎn)流率越高，不同植被種植方式的產(chǎn)流量差別顯著。就產(chǎn)流總量而言，累積產(chǎn)流量隨產(chǎn)流時(shí)間和降雨量的變化而變化。5月4日(圖2A)條溝播草的累積產(chǎn)流量為10.58 L，分別比全裸露、條帶播草和全覆蓋的累積產(chǎn)流量減少了7.2%，4.9%和1.8%，條溝播草和全覆蓋的產(chǎn)流量差異較小；6月2日(圖2B)條溝播草占產(chǎn)流總產(chǎn)量的24.8%；7月18日(圖2C)降雨過(guò)程中，產(chǎn)流量表現(xiàn)為：裸地產(chǎn)流量>條帶產(chǎn)流量>全覆蓋產(chǎn)流量>條溝播草產(chǎn)流量。當(dāng)平均雨強(qiáng)為0.3 mm/min時(shí)，全覆蓋種植模式優(yōu)于條溝播草種植模式；當(dāng)平均雨強(qiáng)為0.6 mm/min時(shí)，條溝播草種植模式的蓄水能力更顯著。條帶播草、全覆蓋和全裸露三種種植模式的產(chǎn)流量與降雨量趨勢(shì)相同，條溝播草的產(chǎn)流量也是隨著降雨量的增加而增長(zhǎng)，總量較其他三種模式較少。

2.3不同植被種植模式對(duì)土壤流失量的影響

由圖3可知，裸地的產(chǎn)沙時(shí)間早于植被覆蓋的小區(qū)，植被覆蓋對(duì)于坡面產(chǎn)沙時(shí)間也具有重要的影響。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，不同的植草方式對(duì)坡面土壤攔沙能力的次序?yàn)椋簵l溝播草試驗(yàn)小區(qū)>條帶播草試驗(yàn)小區(qū)>全覆蓋試驗(yàn)小區(qū)>裸露地試驗(yàn)小區(qū)。條溝播草試驗(yàn)小區(qū)的產(chǎn)沙量低，坡面徑流量低。合理的植草能夠發(fā)揮更好的蓄水?dāng)r沙效益，降低坡面侵蝕，預(yù)防水土流失。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的外動(dòng)力是自然降雨和地表徑流，在自然降雨的作用下，通過(guò)雨滴濺蝕和坡面徑流，土壤表層被搬運(yùn)和剝離，形成坡面土壤侵蝕、流失[11]。從表1中不同植被種植模式下降雨量與產(chǎn)沙量的回歸分析中來(lái)看，降雨量與產(chǎn)沙量的相關(guān)性呈顯著相關(guān)。線性回歸的相關(guān)系數(shù)r2值最大為0.785，最小為0.407，平均為0.537；冪函數(shù)回歸的相關(guān)系數(shù)r2值最大為0.853，最小為0.158，平均為0.357。經(jīng)過(guò)兩者對(duì)比，可以得出全裸露、條溝播草、條帶播草和全覆蓋種植模式下，降雨與土壤產(chǎn)沙量的關(guān)系都更為接近線性關(guān)系，產(chǎn)沙量隨著雨強(qiáng)的增加而增加。

圖2　降雨過(guò)程中不同種植方式徑流過(guò)程表1　不同植被種植模式下產(chǎn)沙量與降雨量的相關(guān)回歸統(tǒng)計(jì)分析

小區(qū)類(lèi)型產(chǎn)沙量與降雨量回歸分析回歸方程r2全裸露試驗(yàn)小區(qū)Y=-12.745+14.319XY=2.117X2.5590.7850.853條溝播草試驗(yàn)小區(qū)Y=-3.381+4.696XY=1.438X0.7460.4850.158條帶播草試驗(yàn)小區(qū)Y=-2.503+3.920XY=1.555X0.7100.4070.222全覆蓋試驗(yàn)小區(qū)Y=-4.337+5.813XY=1.663X0.7430.4690.193

植被覆蓋度是影響坡面土壤徑流產(chǎn)沙的主要因素[12-15]。降雨2～3 min后坡面才開(kāi)始產(chǎn)沙。裸露地產(chǎn)沙時(shí)間始于21:03,其他種植模式的產(chǎn)沙時(shí)間始于21:04這是由于降雨初期坡面未能生成徑流，降雨使得土壤水分飽和產(chǎn)生徑流之后，坡面才開(kāi)始產(chǎn)沙。圖3中可以發(fā)現(xiàn)，從5月4日到7月18日條溝播草試驗(yàn)小區(qū)、條帶播草試驗(yàn)小區(qū)、全覆蓋試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)沙量發(fā)生較大的變化，隨著時(shí)間的推移，植被生長(zhǎng)迅速，植被覆蓋度越來(lái)越高，植物的根系對(duì)坡面土壤的流失具有一定的阻攔作用，發(fā)揮了較大的截流截沙效益，坡面土壤的產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)。

5月4日(圖3A)降雨中降雨強(qiáng)度出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為0.93 mm/min和0.6 mm/min，6月2日(圖3B)和7月18日(圖3C)降雨中分別有一個(gè)最大值在各種種植模式中，條溝播草的產(chǎn)沙量最少，得益于條溝播草是在雨水沖打的條溝上種植草種，可以發(fā)揮較大的保土效益。

圖3　降雨過(guò)程中不同植被種植模式下坡面產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

2.4不同植被種植模式對(duì)土壤團(tuán)粒遷移的影響

通過(guò)3場(chǎng)降雨坡面土壤泥沙侵蝕顆粒粒徑組成總量發(fā)現(xiàn)，4種種植模式下各個(gè)粒級(jí)范圍的侵蝕泥沙含量主要集中于<0.25 mm。>3 mm的土壤顆粒為0，而<0.25 mm的土壤顆粒主要為全裸露種植模式，占其總侵蝕量的26.35%，其他三個(gè)試驗(yàn)小區(qū)相比較裸露小區(qū)侵蝕量較少。各個(gè)粒徑泥沙含量集中于<0.25 mm泥沙顆粒量比重為：裸露模式∶全覆蓋種植模式∶條帶種植模式∶條溝種植模式=1.9∶1.07∶1.01∶1?？梢钥闯鰲l溝播草種植模式攔沙效果最佳(圖4)。

圖4　3場(chǎng)降雨坡面土壤侵蝕泥沙總量粒徑分級(jí)

3　結(jié) 論

(1) 相同降雨條件下，不同植被種植模式的坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙量不同，條溝播草的累積產(chǎn)流量明顯小于其他種植模式的累積產(chǎn)流量。4種植被種植模式產(chǎn)沙量呈線性關(guān)系：全裸露試驗(yàn)小區(qū)的回歸方程為：Y=-12.745+14.319X；條溝播草試驗(yàn)小區(qū)的回歸方程為：Y=-3.381+4.696X；條帶播草試驗(yàn)小區(qū)的回歸方程為：Y=-2.503+3.920X；全覆蓋試驗(yàn)小區(qū)的回歸方程為：Y=-4.337+5.813X。

(2)坡面土壤泥沙侵蝕量顆粒的大小主要集中于<0.25 mm，變化規(guī)律為裸露模式∶全覆蓋種植模式∶條帶種植模式∶條溝種植模式=1.9∶1.07∶1.01∶1，條溝播草種植模式的比例最小。

(3)不同植被種植模式對(duì)土壤坡面侵蝕具有重要的影響。條溝播草作為最佳種植模式，減少了徑流和產(chǎn)沙量，提高了植被的蓄水保土能力。

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Analysis of Influence of Different Vegetation Planting Patterns on Soil Erosion on the Red Soil Slope

KANG Peipei1,2, ZHA Xuan1,2, LIU Jiaming1,2, CHEN Shifa1,2, WANG Geng1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcologyFundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince,Fuzhou350007,China; 2.InstituteofGeography,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

Through natural rainfall experiment, soil erosion process on the the typical granite red soil slope and influences of different vegetation planting patterns, rainfall and rainfall intensity on red soil slope surface runoff and sediment yield were analyzed, the effect of different planting patterns on the sediment and water storage efficiency and soil erosion were quantitatively examined under natural rainfall, and the test model was developed. The results show that: (1) under the same rainfall condition, different vegetation planting patterns of relationship between the size of the soil erosion is: the naked model>full cover planting patterns>strip planting patterns> ditch planting patterns; (2) when the average rainfall intensity is 0.3 mm/min, the whole cover planting pattern is superior to the furrow sowing grass planting patterns; when the average rainfall intensity is 0.6 mm/min, a trench planting grass planting patterns of water storage capacity is more significant; (3) the particle size of eroded soil is mainly focused on the less than 0.25 mm, it is the main cause of soil erosion and land degradation, particle sizes of sediment under different vegetation planting patterns are dominated by the sizes<0.25 mm, the changing rule of the total amount of sediment particle size is as follows: the naked model>full cover planting patterns>strip planting patterns >ditch planting patterns. The effect of furrow sowing grass planting patterns on sediment reduction is the best, which can provide example for management of soil and water loss in the southern area.

granite red soil; soil and water loss; natural rainfall; vegetation coverage

2015-08-03

2015-09-13

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“強(qiáng)度侵蝕區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)的集成與示范”(2014BAD15B02)

康佩佩(1992—),女,陜西榆林人,在讀碩士研究生，主要研究方向:土壤侵蝕和水土保持。E-mail:kpp_666@163.com

查軒(1961—),男,陜西咸陽(yáng)人,研究員,博士生導(dǎo)師，主要研究方向:水土保持與生態(tài)恢復(fù)。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn

S157.1

A

1005-3409(2016)04-0015-04