不同配置模式毛竹林水土流失特征

張錦娟, 王 冉, 陸芳春, 李 鋼

(1.浙江省水利河口研究院, 杭州 310020; 2.浙江廣川工程咨詢有限公司, 杭州 310020)

不同配置模式毛竹林水土流失特征

張錦娟1,2, 王 冉1,2, 陸芳春1,2, 李 鋼1,2

(1.浙江省水利河口研究院, 杭州 310020; 2.浙江廣川工程咨詢有限公司, 杭州 310020)

選取安吉縣毛竹純林、毛竹—楊桐混交林、毛竹—楊桐—萱草混交林作為研究對象，對大氣降雨和3種林分中的地表徑流量、土壤流失量、養(yǎng)分流失量(總氮和總磷)進行了研究。結(jié)果表明：(1) 安吉縣6—10月份降雨量呈明顯波動趨勢，降雨量為6.0～106.0 mm。根據(jù)降雨強度劃分等級安吉縣25場降雨劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨。(2) 安吉縣暴雨對應(yīng)的徑流系數(shù)相對較高，其次為大雨。3種林分中毛竹純林徑流系數(shù)最大，毛竹—楊桐—萱草混交林最小。(3) 3種林分徑流系數(shù)、土壤流失量和養(yǎng)分流失量變化趨勢基本一致，均呈明顯波動趨勢。6月和8月徑流系數(shù)、土壤流失量和養(yǎng)分流失量相對較大。(4) 降雨量與地表徑流回歸方程和地表徑流與土壤流失量回歸方程均為線性回歸方程，說明降雨量與地表徑流、地表徑流與土壤流失量均呈線性關(guān)系。

農(nóng)業(yè)工程; 水土流失; 徑流小區(qū); 毛竹林

毛竹是我國南方重要的竹林資源，其中浙江是毛竹分布最豐富的省份之一[1]。浙江省毛竹資源量大，分布廣，根據(jù)浙江省森林資源及其生態(tài)功能價值公告，20個縣市毛竹林面積在1萬hm2以上，又以安吉縣毛竹林面積最大，立竹量最多[2]。安吉縣毛竹林面積占全縣森林總面積的37.8%[3]。自20世紀90年代初，全縣竹農(nóng)成規(guī)模地進行了毛竹林地墾復，提高了毛竹立竹量和出筍量，明顯增加了經(jīng)濟效益，但同時隨著產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，毛竹林墾復程度日漸加深、面積逐漸擴大，一系列生態(tài)環(huán)境問題逐步顯現(xiàn)，如：大面積竹木混交林被改造成毛竹純林，導致物種流失，生物多樣性貧乏，生態(tài)穩(wěn)定性差；高強度的粗放經(jīng)營，導致大部分陡坡山地水土流失嚴重，水源涵養(yǎng)功能下降等[4]。

降雨是引起水土流失的重要因素之一，降雨量和降雨強度等特征對產(chǎn)生地表徑流和泥沙具有重要影響[5]。此外，降雨強度與水土流失的程度和發(fā)生頻率等都存在密切關(guān)系[6-7]。但這些相關(guān)研究主要集中在干旱和半干旱地區(qū)，雖然南方山區(qū)也有研究，但多集中在闊葉林和針葉林，而對于南方最重要的林業(yè)資源——毛竹林，研究較少。因此，本研究選擇素有“中國竹鄉(xiāng)”的安吉縣作為研究區(qū)域，分別對3種主要毛竹林類型：毛竹純林、毛竹—楊桐混交林和毛竹—楊桐—萱草混交林為研究對象，統(tǒng)計2015年6—10月降雨事件，分析降雨強度、徑流量、土壤流失量和養(yǎng)分流失量以及降雨與后者的關(guān)系，探討3種林分水土流失特征，為毛竹林合理經(jīng)營與水土流失治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安吉縣位于浙江西北部，湖州市轄縣之一，地處太湖西南部，北靠天目山，面向滬寧杭，東經(jīng)119°14′—119°53′，北緯30°23′—30°53′，總面積約為1 886 km2。地形呈西南高東北低的趨勢。安吉縣屬于典型亞熱帶海洋性季風氣候，四季分明，多年平均降水量在1 550 mm左右，年最大降雨量1 870 mm，最小850 mm，降雨在年內(nèi)分布不均，4月、5月為春雨季節(jié)，約占全年降雨量的20%；5月、6月梅雨明顯，約占全年降雨量的15%；7—9月為臺風、雷雨、秋雨季節(jié)，多局部雷陣雨。多年平均溫度為15.5℃。安吉縣森林覆蓋率和植被覆蓋率分別達到了71%和75%，主要植被類型以毛竹林為主。土壤為山地紅壤，土層以中、厚層為主，沖積土層較厚，土質(zhì)疏松，以輕壤質(zhì)土為主，但毛竹林土壤礫石含量高[8]。

2 研究方法

本研究在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)3種植被配置模式，分別為毛竹純林、毛竹—楊桐混交林、毛竹—楊桐—萱草混交林，每種植被配置模式重復3次，即一共布設(shè)9個坡面徑流小區(qū)。降雨量采集采用人工簡易量筒裝置測量，降雨量裝置水平安裝于空曠處，內(nèi)置儲水設(shè)備，室內(nèi)配備雨量筒。當有降雨發(fā)生時，記錄降雨時間，雨量儲水設(shè)備開始儲水，當降雨停止，并且6 h內(nèi)未發(fā)生降雨，便記錄降雨停止時的時間，并取出儲水設(shè)備，用量筒量取水量，做好記錄。徑流和泥沙量測定采取降雨量超過20 mm時進行水池水深測定，若水池內(nèi)水清澈見底，可不取樣；否則進行取樣，每次需進行水池清理。水樣中總氮測定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(GB11894—89)，總磷測定采用釩鉬磷酸比色法(GB11893—89)。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 19.0和Excel進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

由圖1看出，對安吉縣6—10月共25場降雨事件進行統(tǒng)計分析，主要降雨量和降雨強度特征如下：安吉縣6—10月份降雨量呈明顯波動趨勢，最小降雨量為6.0 mm，最大降雨量為106.0 mm，降雨量主要集中在30 mm左右。根據(jù)一小時降雨量將降雨等級劃分為：小雨(≤2.5 mm)、中雨(2.6～8.0 mm)、大雨(8.1～15.9 mm)和暴雨(≥16.0 mm)[9]。因此，對安吉縣25場降雨強度進行劃分，發(fā)現(xiàn)小雨占到了4%，中雨占到了36%，大雨占到了40%，暴雨占到了20%，降雨量級主要以中雨和大雨為主。

圖1降雨場次與頻率分布

3.2 毛竹林復合經(jīng)營水土流失格局

對安吉縣毛竹純林、毛竹—楊桐混交林以及毛竹—楊桐—萱草混交林3種林型6—10月共11次水土流失情況進行監(jiān)測與分析，即采集1場中雨、5場大雨和5場暴雨情境下的徑流量、土壤流失量、總氮養(yǎng)分流失量和總磷養(yǎng)分流失量，結(jié)果見表1。從表1中可以看出，暴雨對應(yīng)的徑流系數(shù)相對較高，其次為大雨，中雨次之。表明雨強越大，徑流系數(shù)也越大，相對更易產(chǎn)生徑流；反之徑流系數(shù)越小。因此，大雨量級的降雨是水土流失的主要動力[10]。3種林分中毛竹純林徑流系數(shù)最大，毛竹—楊桐混交林次之，毛竹—楊桐—萱草混交林最小，說明植物物種多樣性越大越利于攔蓄降雨，而毛竹純林結(jié)構(gòu)單一，易產(chǎn)生徑流，從而使得徑流系數(shù)相對最大。

由于暴雨雨滴集中，對土壤侵蝕力強，所以相較于中雨和大雨更易導致土壤流失。本研究中3種林分土壤流失量均隨雨強的增大而增大。但在3種林分中土壤流失量有所差異，同徑流系數(shù)一樣表現(xiàn)為毛竹純林土壤流失量最大，毛竹—楊桐混交林次之，毛竹—楊桐—萱草混交林最小。這與安吉縣大量的挖竹筍活動有關(guān)，而混交林中有楊桐和萱草等植物物種，可以附著在土壤表層，減少土壤流失量。土壤流失伴隨著一定的養(yǎng)分流失，同樣總氮和總磷流失量隨著降雨強度的增加而增加，3種林分中也表現(xiàn)為毛竹純林養(yǎng)分流失量最大，其次是毛竹—楊桐混交林，最后是毛竹—楊桐—萱草混交林。

表1 不同配置模式毛竹林水土流失分級統(tǒng)計

3.3 毛竹林復合經(jīng)營水土流失動態(tài)

3.3.1 地表徑流動態(tài)比較 對6—10月3種林分地表徑流動態(tài)進行分析，結(jié)果見圖2。從圖2中可知，3種林分徑流系數(shù)變化趨勢基本一致，均呈明顯波動趨勢，最大值出現(xiàn)在6月19日，達到10.0%，對應(yīng)暴雨，最小值出現(xiàn)在7月13日，僅為0.7%。6月和8月徑流系數(shù)值相對較大，在采集的11場降雨中，5場暴雨中有4場集中于6月和8月，而5場大雨中有3場也集中于以上兩個月。因此6月和8月徑流系數(shù)相對其他兩個月偏大。此外，毛竹純林徑流系數(shù)始終大于其他兩種林分。

圖2 2015年徑流系數(shù)動態(tài)比較

3.3.2 土壤流失動態(tài)比較 對6—10月3種林分土壤流失量進行分析發(fā)現(xiàn)，土壤流失量變化趨勢基本保持一致，但毛竹純林土壤流失量始終大于其他兩種林分(圖3)。結(jié)合圖2可以看出，徑流量越大，3種林分土壤流失量也越大，且各林分之間土壤流失量差異顯著。土壤流失量在6月份達到最大，為270.0 kg/hm2，10月最小，僅為2.7 kg/hm2。降雨強度是引起土壤流失的主要原因之一，雨強越大，雨滴過于集中，對土壤表層的沖擊力也越大。由于暴雨和大雨主要集中于6月和8月，因此土壤大量流失也主要集中于6月和8月。

圖3 土壤流失量動態(tài)比較

3.3.3 養(yǎng)分流失動態(tài)比較 本研究對土壤養(yǎng)分流失的研究主要集中于對總氮和總磷的流失(圖4和圖5)。分析6—10月3種林分總氮和總磷流失量發(fā)現(xiàn)，二者變化趨勢與土壤流失量基本一致，均表現(xiàn)為6月最高，達到10.62 kg/hm2，0.15 kg/hm2，7月最低，僅為0.09 kg/hm2，0.003 kg/hm2。這是由于土壤養(yǎng)分(即總氮和總磷)附著于土壤顆粒上，當土壤顆粒隨徑流遷移時，顆粒表層的養(yǎng)分也隨徑流一起遷移，從而引起養(yǎng)分流失。同樣地，毛竹純林相較于其他兩種林分養(yǎng)分流失最多。

3.4 毛竹復合經(jīng)營水土流失影響因素

應(yīng)用SPSS對雨強、降雨量、徑流量、土壤流失量、總氮流失量和總磷流失量進行Pearson相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)各個因子之間均存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.650～0.995。進一步將徑流量與雨強、降雨量進行逐步回歸分析，最終保留降雨量作為因變量，并與徑流量構(gòu)成線性回歸方程，結(jié)果見表3；將土壤流失量與雨強、降雨量、徑流量之間進行逐步回歸分析，最終保留降雨量和徑流量作為因變量，并于土壤流失量構(gòu)成線性回歸方程，結(jié)果見表4。

圖4總氮流失量動態(tài)比較圖5總磷流失量動態(tài)比較

表3 徑流量與降雨量回歸方程

注：y代表徑流量，x代表降雨量。

表4 土壤流失量與徑流量、降雨量回歸模型

注：y代表土壤流失量；m代表徑流量；n代表降雨量。

通過回歸分析可知，對于研究區(qū)域不同類型毛竹林地的產(chǎn)流量主要受降雨量影響，而土壤流失量主要受降雨量和徑流量共同影響。其中，徑流量隨降雨量的增加而增加，這是由于地表受雨滴的打擊易形成渾濁的泥漿，泥漿在下滲過程中將土壤孔隙堵塞，造成雨水下滲減少，從而使得地表徑流迅速增加，通常雨強越大越易形成地表徑流[11]。而土壤流失量隨徑流量的增加而增加。降雨通過地表徑流引起土壤侵蝕。降雨將地表表層土壤剝離，形成雨滴濺蝕，徑流則負責將剝離的土粒運移帶走。因此，土壤流失量隨徑流量的增加而增加。此外，通過回歸系數(shù)可知，毛竹純林產(chǎn)沙產(chǎn)流最多，毛竹—楊桐混交林次之，而毛竹—楊桐—萱草混交林最少。

4 結(jié) 論

(1) 安吉縣6—10月份降雨量呈明顯波動趨勢，降雨量為6.0～106.0 mm。根據(jù)降雨強度劃分等級安吉縣25場降雨劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨。其中，小雨占到了4%，中雨占到了36%，大雨占到了40%，暴雨占到了20%，降雨主要為中雨和大雨。

(2) 3種林分中毛竹純林徑流系數(shù)最大，毛竹—楊桐—萱草混交林最小。而徑流系數(shù)、土壤流失量和養(yǎng)分流失量變化趨勢基本一致，均呈明顯波動趨勢。6月和8月徑流系數(shù)、土壤流失量和養(yǎng)分流失量相對較大。

(3) 研究區(qū)域不同類型毛竹林地的產(chǎn)流量主要受降雨量影響，而土壤流失量主要受降雨量和徑流量共同影響，并且毛竹—楊桐—萱草混交林的減少地表徑流和土壤流失作用最大。

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CharacteristicsofSoilandWaterLossonBambooForestLands

ZHANG Jinjuan1,2, WANG Ran1,2, LU Fangchun1,2, LI Gang1,2

(1.ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China;2.ZhejiangGuangchuanEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Hangzhou310020,China)

Bamboo pure forest, Bamboo—Cleyerajaponicamixed forest and Bamboo—Cleyerajaponica—Hemerocallis mixed forest were selected in Anji County. Atmospheric precipitation, surface runoff, soil loss and nutrient loss (total nitrogen and total phosphorus) were studied. The results showed that: (1) rainfall showed a trend of fluctuations from June to October in Anji County, rainfall is 6.0～106.0 mm. According to the rainfall intensity grade, rainfall in Anji County was divided into light rain, moderate rain and heavy rain; (2) runoff coefficient corresponding to the rainstorm was relatively high, followed by heavy rain, runoff coefficient was the largest in three kinds of forest lands, Bamboo—Cleyerajaponica—Hemerocallis mixed forest was minimum; (3) the trend of the runoff coefficient, soil loss and nutrient loss of 3 kinds of stands were basically same, all of which showed a trend of fluctuation, in June and August, the runoff coefficient, soil loss and nutrient loss were relatively large; (4) the regression equation of rainfall and surface runoff and the regression equation of surface runoff and soil loss were all linear regression equations, which showed that there was the linear relationship between rainfall and surface runoff, surface runoff and soil loss, respectively.

agricultural engineering; soil and water loss; runoff plots; Bamboo forest

2016-06-24

：2016-11-01

浙江省科技計劃項目“生態(tài)浙江建設(shè)小流域水土流失防控技術(shù)研究”(2015F50060)

張錦娟(1974—),女,陜西涇陽人,高級工程師,碩士,主要從事水土保持與水利工程研究。E-mail:slhk_jinjuan@126.com

王冉(1986—),男,河北邯鄲人,工程師,博士,主要從事土壤侵蝕與生態(tài)水文研究。E-mail:bjfu_wangran@126.com

S157.2

：A

：1005-3409(2017)03-0092-04