喀斯特地區(qū)坡面徑流對產(chǎn)沙的影響

李華林, 高華端, 胡 勤, 高儒學(xué), 孫泉忠

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴陽 550025; 2.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心, 貴陽 550002)

喀斯特地區(qū)坡面徑流對產(chǎn)沙的影響

李華林1, 高華端1, 胡 勤1, 高儒學(xué)1, 孫泉忠2

(1.貴州大學(xué) 林學(xué)院, 貴陽 550025; 2.貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心, 貴陽 550002)

貴州省關(guān)嶺縣螞蝗田小流域?qū)俚湫涂λ固亓饔?，根?jù)小流域2009—2012年6個坡面徑流小區(qū)的定位觀測資料，研究了喬木林(黃花梨)、灌木林(女貞)、撂荒草地三種不同植被類型下坡面徑流對產(chǎn)沙的影響。結(jié)果表明：三種植被類型的產(chǎn)流次數(shù)相同，但產(chǎn)沙次數(shù)存在較大差異，表現(xiàn)為荒草地>喬木林>灌木林；灌木林與喬木林的年均徑流量相差不大，荒草地的年均徑流量是它們總和的2倍；荒草地的年均產(chǎn)沙量最大，為55.17 t/km2，是灌木林的11倍，喬木林的6倍；喬木林的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量無明顯相關(guān)關(guān)系；灌木林表現(xiàn)出線性關(guān)系，擬合方程為y=0.1707x+0.2526，R2值為0.48；荒草地表現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，擬合方程為y=0.3246x1.2965，R2值為0.64。

喀斯特; 植被類型; 坡面徑流; 產(chǎn)沙量

中國是世界上土壤侵蝕最嚴(yán)重的國家之一，水土流失面積占國土面積的37.1%，土壤侵蝕是影響社會可持續(xù)發(fā)展的主要因子，而貴州省是我國水土流失最為嚴(yán)重的省份之一[1]，沒有平原支撐、坡耕地面積比重大、水土流失嚴(yán)重、人地矛盾突出、不合理的人類活動等因素加劇了水土流失，極易導(dǎo)致地表基巖裸露，從而形成石漠化。水蝕是貴州喀斯特地區(qū)最主要的土壤侵蝕類型，因此對喀斯特地區(qū)徑流產(chǎn)沙進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

我國20世紀(jì)90年代才開始研究喀斯特地區(qū)水土流失，起步較晚，其中多以貴州喀斯特地區(qū)為研究對象。貴州省位于西南喀斯特地區(qū)的核心地帶，山區(qū)坡度大，成土速度極低，加之人口增長與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不協(xié)調(diào)迫使居民毀林開荒，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失，成為中國水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，并具有代表性。影響喀斯特地區(qū)水土流失的因素主要有地質(zhì)、地貌、植被、土壤、氣候等，但對這些因子的研究較少且深度較淺。2013年，艾寧等人通過對不同植被類型下降雨對坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的影響研究，發(fā)現(xiàn)降雨量在一定范圍內(nèi)時，產(chǎn)沙量隨著降雨量的增大而增大[2]；Cerda，Carroll等從恢復(fù)生態(tài)學(xué)的觀點和原理出發(fā)，對植被的改土效應(yīng)等進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：植被對土壤侵蝕的影響占主導(dǎo)地位[3-4]；張晶晶等通過坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響因素的分析得出：雨強(qiáng)、降雨量、植被蓋度對產(chǎn)沙量和徑流量有顯著影響[5]。楊春霞等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著覆蓋度的增加，產(chǎn)沙和徑流相關(guān)性在減少[6]。余新曉等人通過多元回歸分析，表明產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)和徑流的增加而增大，隨植被覆蓋度增加而減小[7]。劉棟等人通過研究灌木林地、荒草地、裸地不同植被類型的降雨量與產(chǎn)沙量、徑流量的關(guān)系表明：徑流量與降雨量之間相關(guān)性顯著；產(chǎn)沙量隨降雨量的增大而增大[8]。而喀斯特地區(qū)相關(guān)研究很少，2008年，胡順光利用徑流小區(qū)監(jiān)測方法分析得出：植被類型不同，枯落物的種類以及持水量也不同；不同的植被配置方式可以得出不同的水保效果，其中以喬灌草三者結(jié)合最好[9]。2013年，紀(jì)啟芳、蔣榮研究表明：植被的減流減沙作用是一個循序漸進(jìn)的過程，且林草植被配置方式對植被的減沙作用很大，林冠和地被物在減流方面發(fā)揮主要作用，植被根系在減沙方面發(fā)揮主要作用?？傮w上，不同植被減流減沙作用表現(xiàn)為：經(jīng)濟(jì)林>人工草地>水保林[10-11]。劉鳳仙、周素萍研究貴州喀斯特地區(qū)不同植被措施對水土保持的影響，研究結(jié)果卻不同，劉鳳仙研究表明：水保林的保水保土效果比經(jīng)濟(jì)林強(qiáng)，周素萍卻得出相反的結(jié)果[12-13]。綜上所述，降雨量與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系研究，主要集中在黃土高原區(qū)，研究比較全面，涉及到不同植被類型，雨強(qiáng)，降雨量，植被覆蓋度等因素，由于喀斯特地區(qū)的特殊性，研究具有一定的局限性，野外徑流小區(qū)與自然情況最相近，但是難以控制試驗的變量，加深了試驗難度；研究區(qū)的徑流小區(qū)泥沙資料年限較短；研究方法比較單一、研究因素較少，涉及到喀斯特地區(qū)坡面徑流對產(chǎn)沙的影響很少。本文以貴州省關(guān)嶺縣螞蝗田小流域為例，通過徑流小區(qū)觀測法，研究貴州省喀斯特地區(qū)坡面徑流對產(chǎn)沙的影響特征，彌補(bǔ)前人的研究空白，為喀斯特地區(qū)治理水土流失和遏制當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的惡化提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

關(guān)嶺布依族苗族自治縣坐落于云貴高原東部脊?fàn)钚逼履蟼?cè)向廣西丘陵傾斜的斜坡地帶，地勢西北高、東南低，裸巖出露、地下溶洞較多，土壤稀薄貧瘠，地層主要為三疊系，地貌形態(tài)多種多樣，類型復(fù)雜多樣，且碳酸鹽巖分布廣泛，巖溶發(fā)育形成的巖溶地貌與常態(tài)地貌交錯分布，是貴州喀斯特地貌代表之一。該縣雨量充沛，年降水量在1 205.1～1 656.8 mm，是全省降水中心之一。螞蝗田水土保持監(jiān)測點位于貴州省安順市關(guān)嶺縣花江鎮(zhèn)養(yǎng)原村，地理位置為東經(jīng)105°34′36″、北緯25°49′2″，屬于珠江流域北盤江水系。該區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，各種侵蝕類型均有分布。該監(jiān)測點所在的螞蝗田小流域面積為2.43 km2，小流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量1 236 mm，集中在五到十月份，多年平均氣溫19.2℃；現(xiàn)有植被類型多為次生喬木林、疏幼林，喬木品種主要有：柳杉、杉木、馬尾松、滇柏等，土壤為黃壤。該監(jiān)測站點為全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)二期工程建設(shè)的國家級監(jiān)測點，始建于2008年，主要監(jiān)測設(shè)施有：簡易氣象觀測場1個、坡面徑流小區(qū)6個、控制站1個、雨量站1個、觀測便道200 m等；主要設(shè)備有：自記雨量計、自記水位計、烘箱、電子天平、取樣瓶、鋁盒等；主要檢測內(nèi)容為：降雨、徑流、泥沙、懸移質(zhì)。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用徑流小區(qū)觀測法來對喀斯特地區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行分析研究。根據(jù)試驗區(qū)的氣候、土壤、植被、地質(zhì)、地形及地貌條件，在坡度為20°，坡向為東偏南的螞蝗田水土保持監(jiān)測點荒坡上設(shè)置徑流小區(qū)，共設(shè)置了2個長20 m，寬10 m，面積為200 m2，4個長20 m，寬5 m，面積為100 m2的徑流小區(qū)。6個小區(qū)平行排列，小區(qū)下部布設(shè)有集水池、集流槽、沉沙池，相互連通。三個喬木林徑流小區(qū)，小區(qū)編號為1，4，5種植黃花梨；黃花梨應(yīng)用廣泛，市場需求大，不光用作高檔家具，還具有藥用價值；適生性強(qiáng)，耐旱，對土壤要求低；因此，是貴州喀斯特地區(qū)坡面代表性經(jīng)濟(jì)作物。兩個灌木林小區(qū)，小區(qū)編號為2，3，種植女貞。一個撂荒草地，小區(qū)編號為6。每一個徑流小區(qū)的基本情況見表1。

3 研究方法

降雨量采用自記雨量計來記錄降雨量和降雨過程，記錄降雨的起止時間和各階段的雨強(qiáng)。計算最大30 min和最大60 min雨強(qiáng)、徑流總量、徑流深、徑流系數(shù)及泥沙總量[14]。數(shù)據(jù)來源為2009—2012年螞蝗田水土保持監(jiān)測點坡面徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測資料。通過相關(guān)資料的分析篩選，統(tǒng)計分析不同植被條件下坡面徑流與產(chǎn)沙的關(guān)系。

表1 螞蝗田徑流小區(qū)情況表

4 結(jié)果與分析

4.1 不同植被類型徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙頻次分析

坡面徑流是泥沙運輸?shù)奈ㄒ惠d體，只有在形成坡面徑流后，達(dá)到一定的降雨量或降雨強(qiáng)度，才會發(fā)生土壤流失。對試驗區(qū)不同植被類型小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)每年各類型小區(qū)的產(chǎn)流次數(shù)相同，產(chǎn)沙次數(shù)卻存在明顯的差異。結(jié)果表明(表2)：各類型小區(qū)的產(chǎn)流次數(shù)相同，小區(qū)之間的土壤性狀、降雨特性和環(huán)境因素等差異較小所導(dǎo)致；產(chǎn)沙次數(shù)卻受植被類型的影響較大。四年來灌木林地的累計產(chǎn)沙次數(shù)最少，為37次；喬木林次之，為43次；荒草地的累計產(chǎn)沙次數(shù)最多，為55次。除了2009年，其余三年的產(chǎn)沙率都表現(xiàn)為荒草地>喬木林>灌木林。2009年灌木林的產(chǎn)沙率比喬木林大，因為樹種才種植，時間太短，灌木還幼小，沒有形成灌木林，發(fā)揮保土作用較弱?；牟莸卦?009年和2012年的產(chǎn)沙率均達(dá)到了100%，四年平均產(chǎn)沙率為91%，而喬木林平均產(chǎn)沙率為69%，平均減沙率為24%；灌木林四年平均產(chǎn)沙率為57%，平均減沙率為37%。這一數(shù)據(jù)驗證了許多學(xué)者的觀點，即在水土流失地區(qū)采取合理的生物措施能夠產(chǎn)生很明顯的保土效益。灌木林和荒草地的產(chǎn)沙率沒有明顯的隨著年份變化的趨勢，而喬木林卻表現(xiàn)出逐年上升趨勢，且2010年增長率最大，達(dá)到55%，2011年的增長率為3%，2012年的增長率為34%。其原因是喬木生長慢，短期內(nèi)不能發(fā)揮較好的保土作用；但喬木林產(chǎn)沙率的增長率在下降，說明喬木林具有一定的保土效益，隨著樹木生長，保土作用越來越好。綜上結(jié)果：不同植被類型的累計產(chǎn)沙次數(shù)排序為荒草地>喬木林>灌木林。

4.2 不同植被類型徑流小區(qū)產(chǎn)流量分析

螞蝗田小流域在2009—2012年不同植被類型下的產(chǎn)流量情況見表3。不同的植被類型產(chǎn)流量在7.93～105.49 mm變化，灌木林的年均產(chǎn)流量最少，為17.39 mm，荒草地的年均產(chǎn)流量最多，達(dá)到65.88 mm，接近灌木林的4倍；喬木林的年均產(chǎn)流量居于灌木林和荒草地之間，為21.90 mm。從調(diào)查記錄可知，灌木林小區(qū)近地面長出了很多雜草，林下形成了草本層。草本層具有較好的截流作用，能夠降低徑流流速，在徑流流動過程中，部分徑流因流速慢滲入土壤中，從而減少了徑流量[15]。2010年三種植被類型坡面徑流量相差最大，灌木林比荒草地少了90 mm，比喬木林少了16 mm。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)2010年共產(chǎn)生26次侵蝕性降雨，降雨總量為859.8 mm，2012年產(chǎn)生16次侵蝕性降雨，而2009年和2011年均產(chǎn)生10次，說明侵蝕性降雨次數(shù)越多，降雨量越大，各植被類型的產(chǎn)流差異也越大，灌木林的保水效果越明顯。綜上結(jié)果表明：不同植被類型的產(chǎn)流量關(guān)系為：荒草地>喬木林>灌木林，這說明灌木林減少徑流損失的作用最明顯，喬木林次之，荒草地最差。由此可見，在水土流失地區(qū)因地制宜選擇合適的植被類型對減少徑流損失具有非常重要的意義。

表2 不同植被類型產(chǎn)流、產(chǎn)沙次數(shù)

表3 2009-2012年不同植被類型每場次平均徑流量

4.3 不同植被類型徑流小區(qū)產(chǎn)沙量分析

螞蝗田小流域在2009—2012年喬木林、灌木林、荒草地的產(chǎn)沙情況見表4。灌木林在2009年產(chǎn)沙量最少，僅產(chǎn)沙3.43 t/km2，而荒草地在2010年產(chǎn)沙最多，達(dá)到91.6 t/km2。荒草地的年均產(chǎn)沙量55.17 t/km2，是產(chǎn)沙量最小的灌木林類型的11倍，是喬木林的6倍。喬木林的年均產(chǎn)沙量是灌木林的2倍。在雨滴產(chǎn)沙擊濺侵蝕的同時，表層土壤在坡面徑流的作用下不斷受到剝蝕和搬運，植被在坡面徑流形成過程中起著抑制作用，林冠及地表雜草對雨水的截流效應(yīng)增加了降雨的入滲，減少了雨滴和薄層水流造成的面蝕和濺蝕；植物根系在土壤中盤根錯節(jié)，起到鞏固土壤的作用，有效的減少了水土流失[16]。所以喬木林和灌木林相當(dāng)于荒草地產(chǎn)沙量少得多，表現(xiàn)出較好的保土作用。灌木林種植的樹種為女貞，經(jīng)過五年生長，灌木蓋度和草本蓋度均較高，其表層土壤有腐殖質(zhì)層，結(jié)構(gòu)良好，降雨被林冠層削弱較多，土壤的入滲速率也比較快，侵蝕泥沙量就少。三種植被類型下的產(chǎn)沙關(guān)系與產(chǎn)流關(guān)系保持了一致性，均表現(xiàn)為荒草地>喬木林>灌木林，同時也表明因地制宜選擇合適的植被類型對減少土壤侵蝕具有重要意義。

表4 2009-2012年不同植被類型產(chǎn)沙量

4.4 不同植被類型產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量的關(guān)系

坡面徑流是水土流失的主要動力，坡面徑流可以沖刷土壤、挾帶泥沙造成土壤侵蝕，特別是在降雨強(qiáng)度較大的情況下，產(chǎn)流增大，所挾帶的泥沙量也隨之增大[17]；陳奇伯，寸玉康等通過研究認(rèn)為產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量存在明顯的線性關(guān)系[18]；張旭東等通過研究認(rèn)為不同植被模式下坡面產(chǎn)沙量均隨產(chǎn)流量的增加而增加[19]；由此可見，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量之間具有非常密切的關(guān)系。為了探索產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量之間的相關(guān)性，以不同的植被類型為研究變量，根據(jù)2009—2012年三年來的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將三種植被類型的徑流深和產(chǎn)沙量進(jìn)行線性、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等關(guān)系的擬合，最后得出的關(guān)系曲線見圖1。

從圖1可知：不同植被類型的坡面產(chǎn)沙量大致上均隨徑流深的增加而增加。喬木林的徑流深主要集中在0.5～4 mm，產(chǎn)沙量集中在0～3 t/km2，數(shù)據(jù)分布表現(xiàn)得很集中，但產(chǎn)沙量與徑流深之間關(guān)系不明顯；灌木林地徑流深集中在0～2 mm，產(chǎn)沙量集中在0～1 t/km2，產(chǎn)量與徑流深之間表現(xiàn)出線性關(guān)系，擬合方程為：y=0.1707x+0.2526，R2=0.48；撂荒草地的徑流深比較分散，為0～12 mm，產(chǎn)流量為0～10 t/km2居多，產(chǎn)沙量與徑流深之間表現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，擬合方程為：y=0.3246x1.2965，R2=0.64。

圖1 不同植被類型的產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量關(guān)系

植被對坡面徑流及產(chǎn)沙的影響，主要有五個方面：一是對降雨的截流作用，二是植被莖葉對雨滴的削減作用，三是改善土壤結(jié)構(gòu)、增加水分入滲，四是枯枝落葉層及植物莖對徑流流速的緩減作用，五是植物根系能提高土壤的抗蝕性和抗沖性。黃花梨為落葉樹種，生長緩慢，分叉較少，側(cè)枝粗壯，木性穩(wěn)定，不易彎曲、變形或者開裂，有一定的韌性，為水土流失地區(qū)的經(jīng)濟(jì)樹種；女貞，屬于常綠、深根性樹種，生長速度快，萌芽能力好，須根發(fā)達(dá)，是常見的水土保持措施種植樹種。女貞生長快，植被覆蓋度逐年增加，樹下形成了較好的草本層，又因須根發(fā)達(dá)、根系盤結(jié)，增加土壤的抗沖性和抗蝕性，保水保土效果較好；而黃花梨由于種植時間短(2008年種植)，且生長慢，作為經(jīng)濟(jì)林種植密度過大又抑制了生長，沒有形成枯枝落葉層，樹下的幼林及草本生長差，保水保土效果欠佳；在相同的徑流深下灌木林的產(chǎn)沙量要比喬木林小。喬木林，其植被年變化幅度較大，地面組成物差異較大，產(chǎn)流與產(chǎn)沙關(guān)系不明顯，而灌木林與荒草地，其植被年變化幅度較小，逐年增加，產(chǎn)流與產(chǎn)沙關(guān)系明顯。降雨特性的年際變化對坡面徑流及產(chǎn)沙的影響，侵蝕性降雨主要分布在夏季，每年侵蝕性降雨總量與次數(shù)不同，直接影響產(chǎn)流產(chǎn)沙。2010年侵蝕性降雨量最高為859.8 mm，而2009年最低為434.3 mm，侵蝕性降雨量變化較大，導(dǎo)致相同土壤每年的含水量不同，滲透強(qiáng)度不同，相同降雨下，發(fā)生水土流失的難易程度不同，從而導(dǎo)致喬木林產(chǎn)沙量變化幅度較大，而荒草地變化幅度最小。使喬木林產(chǎn)流與產(chǎn)沙之間的藕合度最差，而荒草地產(chǎn)流與產(chǎn)沙之間的藕合度最佳。因此，在治理水土流失方面，采取喬—灌—草配置方式治理效果最佳。

5 結(jié) 論

(1) 在相同的降雨情況下，不同植被類型小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)相同，產(chǎn)沙次數(shù)卻存在較大差異，荒草地的產(chǎn)沙次數(shù)>喬木林的產(chǎn)沙次數(shù)>灌木林的產(chǎn)沙次數(shù)。

(2) 灌木林與喬木林的年均徑流量相差不大，而荒草地的年均徑流量接近它們總和的2倍。

(3) 不同植被類型的產(chǎn)沙量存在明顯差異，荒草地的年均產(chǎn)沙量55.17 t/km2，是灌木林的11倍，是喬木林的6倍。

(4) 喬木林的產(chǎn)流量產(chǎn)沙量之間不存在明顯的相關(guān)關(guān)系；灌木林的產(chǎn)流量產(chǎn)沙量之間存在線性關(guān)系；荒草地的產(chǎn)流量產(chǎn)沙量之間存在冪函數(shù)關(guān)系。

(5) 相同的徑流深，荒草地產(chǎn)沙量>喬木林的產(chǎn)沙量>灌木林的產(chǎn)沙量。

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InfluenceofRunoffonSedimentYieldonSlopeinKarstArea

LI Hualin1, GAO Huaduan1, HU Qin1, GAO Ruxue1, SUN Quanzhong2

(1.ForestrycollegeofGuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 2.SoilandWaterConservationTechnicalConsultingandResearchCenterofGuizhouProvince,Guiyang550002,China)

Mahuangtian watershed is a typical karst basin in Guanling County of Guizhou Province. According to the observation data of six slope runoff plots from 2009 to 2012 in the small watershed, we′ve studied the effect of runoff on sediment in three different vegetation types, which are arbor forest, shrub forest and abandoned grassland. The main results are as followings. Three vegetation types had the same effect in times of runoff, but sediment yield events were different, the yield of sediment decreased in the order: grassland>arbor land>shrub forest; annual runoff in shrub land and arbor forest land was similar but the annual runoff of grassland was double as the total of former two types. Annual sediment yield of grassland was 55.17 t/km2which is 11 times of sediment yield in the shrub forest, and 6 times of sediment yield in arbor; the runoff and sediment yield showed no significant connection in arbor forest but the linear relationship between runoff and sediment yield was found in shrub forest, the fitting equation isy=0.1707x+0.2526,R2values is 0.48, and power function relationship was found in grassland, the fitting equation isy=0.3246x1.2965,R2values is 0.64.

karst area; vegetation types; slope runoff; sediment yield

2016-06-15

：2016-07-19

貴州省專業(yè)學(xué)位研究生工作站項目”貴州省喀斯特生態(tài)與環(huán)境研究”(黔教研合JYSZ字[2014]003);貴州省水利廳水利科技專項經(jīng)費項目”草海流域坡耕地綜合治理技術(shù)與示范”(KT201311)

李華林(1992—),男,貴州銅仁印江縣人,在讀碩士,從事區(qū)域水土保持研究。E-mail:664380773@qq.com

高華端(1965—),男,貴州貴陽人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師、主要研究方向:區(qū)域水土保持與環(huán)境。E-mail:gdghd110@163.com

S157.1

：A

：1005-3409(2017)02-0026-05