福建省長汀縣不同水保措施的減流減沙效應(yīng)

蔣 濤， 謝炎敏， 陳志彪， 陳志強， 陳俊佳

(1.福建師范大學(xué) 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地， 福建 福州 350007；2.福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院， 福建 福州 350007； 3.長汀縣水土保持事業(yè)局， 福建 長汀 366300)

福建省長汀縣屬于南方紅壤區(qū)典型的水力侵蝕區(qū)，由于年均降雨量較大，以及人為活動的過度開發(fā)，使該區(qū)成為我國水土流失最廣、程度最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。因坡面水力侵蝕導(dǎo)致耕地肥力退化，使江河湖泊淤積和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，也是面源污染發(fā)生的重要形式和運輸載體。坡面水力侵蝕不僅能導(dǎo)致土地退化，而且其引起的水土流失嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，水力侵蝕主要受到降雨、坡度、下墊面等因素的影響[2-3]。水力侵蝕是坡面土壤元素流失的主體。

有學(xué)者[4-5]通過人工降雨的方法，模擬不同坡度以及植被和整地方式的調(diào)整對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。一般情況下，在一定區(qū)域內(nèi)的地表徑流和水力侵蝕貢獻(xiàn)較大的幾次強降雨，隨地表植被覆蓋不同，相同降雨等級下產(chǎn)流、產(chǎn)沙量存在較大差異[6]。此類研究大多集中于以黃土高原和西南喀斯特地貌水土流失為主[6-7]，對于南方紅壤侵蝕區(qū)水土流失研究仍然不足[8-9]，并且大部研究聚集于坡地對土地利用方式產(chǎn)流產(chǎn)沙[10]的影響，但對于次降雨條件下的水土流失的減流減沙分析以及降雨—減流減沙之間的關(guān)系研究依然較少。而本研究對長汀縣降雨數(shù)據(jù)的觀測及記錄，通過分析不同水保措施下，模擬次降雨與地表植被產(chǎn)流的內(nèi)在機(jī)制，揭示徑流泥沙量與不同水保措施的內(nèi)在規(guī)律，以求為南方紅壤侵蝕區(qū)治理水土流失提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長汀縣位于福建省西南部，長汀水土保持科教園(116°.469161′E,25°.641761′N)，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，常年平均氣溫18.5 ℃，常年平均降雨量1 700 mm，年均蒸發(fā)量1 400 mm，年均無霜期260 d。境內(nèi)氣候垂直分異明顯，年均氣溫18～19.5 ℃，年雨量1 550～1 750 mm[11]。觀測數(shù)據(jù)來源于2014年徑流泥沙及降雨數(shù)據(jù)。

2 材料與方法

2.1 徑流小區(qū)設(shè)置

該區(qū)內(nèi)共設(shè)置徑流小區(qū)12個，本次研究共選取8個(圖1)，去除了1種春季翻耕的裸地對照，3種條溝或與穴狀處理下的喬灌草，只保留一種穴狀處理下的喬灌草，2種馬尾松或與茅草處理，只保留一種馬尾松與茅草處理。徑流小區(qū)建立年份為2006年，為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)設(shè)置主要觀測產(chǎn)流量與泥沙含量，土地利用為林地、草地還有裸地，基巖為花崗巖，為典型的南方侵蝕性花崗巖紅壤區(qū)。分流級別為2，徑流小區(qū)下設(shè)徑流池2個，一邊蓄水后泥沙沉積，徑流分流。分流孔數(shù)目為5，由徑流小區(qū)到徑流池，用以收集徑流泥沙的管道為5個。分流空的高度為1 m，徑流小區(qū)到徑流池底部的高度為1 m。，分流橫截面積為2 m2，集流桶橫截面積為2 m2，小區(qū)坡度為15°，長寬為20 m×5 m，面積均為100 m2。徑流小區(qū)基本概況詳見表1。

表1 徑流小區(qū)的基本概況

圖1為研究區(qū)不同水土保持措施下的徑流小區(qū)布設(shè)圖，各徑流小區(qū)內(nèi)不同的植被類型，常見的植物有馬尾松(Pinusmassoniana)、百喜草(Paspalumnotatum)、地瓜(Ipomoeabatatas)、楊梅(Myricaadenophora)、芒萁(Dicranopterisdichotoma)、馬尾松(Pinusmassoniana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、寬葉雀稗(Paspalumwetsfeteini)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、楓香(Liquidambarformosana)、木荷(Schimasuperba)、茅草(Eulaliaspeciosa)、狗牙根(Cynodondactylon)等。

圖1 不同水保措施下徑流小區(qū)布設(shè)圖

2.2 試驗方法

2.2.1 樣品采集與處理 收集每場降雨下各徑流小區(qū)坡面所產(chǎn)的徑流和泥沙。 ①徑流量。稱量每個集流池徑流泥沙總量，放置澄清后倒掉上部清夜，待水分完全測定泥沙量，徑流泥沙總量減去泥沙重即為徑流量。 ②泥沙量：降雨開始后計時，同時記錄初始產(chǎn)流時間，然后用塑料桶收集徑流；降雨結(jié)束記錄降雨歷時。

2.2.2 減流率和減沙率 根據(jù)《水土保持綜合治理效益計算方法(GB/T15774-2008)》[12]計算不同水保措施下的減流減沙率：

(1)

(2)

式中：Ld，Ln——對照小區(qū)和各水保措施小區(qū)的徑流量(L)；Sd，Sn——對照小區(qū)與各水保措施小區(qū)的泥沙量(kg)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Origin 7.5軟件制圖。利用Excel軟件進(jìn)行表格的編輯與公式的計算，以及應(yīng)用SPSS 22軟件進(jìn)行降雨量、產(chǎn)沙量、減流率、減沙率及降雨K均值聚類的分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨類型劃分

根據(jù)福建省長汀縣河田鎮(zhèn)水土保持科教園徑流小區(qū)的降雨量(mm)、降雨強度(mm/h)、降雨歷時(h)這3個指標(biāo)作為降雨特征值，將36場次降雨通過K均值聚類分為4類，分別記為Ⅰ型降雨、Ⅱ型降雨Ⅲ型降雨和Ⅳ型降雨。4類降雨的特征指標(biāo)中次降雨量與雨強差異顯著(p<0.01),，滿足分類要求。在36次降雨中，Ⅳ型降雨的發(fā)生頻次占總場次的52.8%，累計降雨量最大，達(dá)322.5 mm；Ⅱ型降雨頻次占總場次的8.3%，累計降雨量為66 mm；Ⅲ型降雨頻次占總場次的16.6%，累計降雨量達(dá)301.5 mm；Ⅰ型降雨的頻次占總場次的22.22%，累計降雨量286 mm。根據(jù)4種降雨的降雨特征的K均值聚類結(jié)果，以次降雨量排序為：Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ,以降雨強度排序為：Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ>Ⅳ。這表明降雨量不僅受降雨強度的影響，而且和降雨歷時相關(guān)，往往雨強越大的降雨量越大，其中Ⅲ和Ⅳ的降雨歷時較為接近。因此，各降雨類型主要分為Ⅰ(大雨量、強雨強、中等歷時)；Ⅱ(中雨量、極大雨強、短歷時)；Ⅲ(極大雨量、弱雨強、長歷時)；Ⅳ(小雨量、弱雨強、中等歷時)；Ⅰ型降雨多發(fā)生于4—9月，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ型降雨多發(fā)生于1—3月及10—12月，侵蝕性弱于Ⅰ型降雨。

表2 降雨類型特征指標(biāo)

3.2 不同水保措施下的徑流量和減流率

3.2.1 年徑流量與減流率 不同水保措施下年徑流量與減流率分析結(jié)果詳見表3。CK小區(qū)由于是光板對照，徑流量最高，不同水保措施下BC，ZN，ZG，F(xiàn)J，GC，QGC，MWS的徑流量分別為100.4，100.4，50.2，75.3，75.3，62.8和50.2 mm，7種水保措施下的年徑流量與對照小區(qū)的年徑流量差異顯著，分別比對照小區(qū)徑流量減少為426.9，426.9，477.1，452.0，452.0，464.5和477.1 mm，7種水保措施間徑流量差異不顯著，減流率分別為80.95%，80.95%，90.47%，85.71%，85.71%，88.09%，90.47%。在年徑流量中，BC和ZN徑流量最大，ZG與MWS徑流量最小，按順序依次為：BC(ZN)>FJ(GC)>QGC>ZG(MWS)，依據(jù)公式計算，減流量與減流率，BC和ZN減流率低，ZG與MWS減流率高。

表3 不同水保措施下徑流量與減流率

3.2.2 雨型對不同水保措施下徑流量減流率的影響 圖2表示不同水保措施在不同雨型下的產(chǎn)流特征。由圖2可知，4種雨型下，CK徑流量與其他小區(qū)存在顯著差異(p<0.05),但有水保措施處理的小區(qū)，不存在顯著差異，同一雨強對與不同水保措施不存在顯著差異，不同雨強與同一水保措施存在顯著差異(p<0.05)。Ⅱ型降雨與Ⅳ型降雨存在顯著差異(p<0.05)，雨型Ⅰ、雨型Ⅱ、雨型Ⅲ之間差異不顯著。較大的雨強能減少入滲，更迅速產(chǎn)生地表徑流。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，ZN,FJ,MWS小區(qū)在不同雨型下不存在顯著差異，主要因為ZN小區(qū)采用的橫壟耕作，種植地瓜，經(jīng)常翻土，土壤孔隙度增大，降雨多入滲，不同降雨類型下產(chǎn)流量相對穩(wěn)定。FJ由于植被蓋度高，植物立體結(jié)構(gòu)良好，降雨侵蝕力及降雨入滲都相應(yīng)減弱，趨于穩(wěn)定。MWS由于枝葉茂盛，根系深，使得降雨侵蝕與地表徑流弱，產(chǎn)流相對穩(wěn)定。同一降雨類型下，水保措施處理下的小區(qū)無顯著差異，說明植被覆蓋均能很好地減流減沙。

注：同一雨型下字母不同表示不同水保措施之間差異顯著(p<0.05); 同一水保措施下字母大小寫表示不同雨型之間差異顯著(p<0.05)。下同。

圖2雨型對不同水保措施下徑流量與減流率的影響

由方差分析表明(圖2)，不同雨型對減流率不存在顯著差異，同一水保措施下，不同雨型對MWS,ZG,QGC小區(qū)之間存在顯著差異(p<0.05)。MWS小區(qū)在Ⅰ雨型、Ⅱ雨型與Ⅲ雨型、Ⅳ雨型下減流率存在顯著差異(p<0.05)，ZG小區(qū)Ⅱ雨型和Ⅳ雨型下減流率存在顯著差異(p<0.05)，QGC小區(qū)Ⅱ雨型與Ⅲ雨型、Ⅳ雨型下減流率存在顯著差異(p<0.05)?？梢园l(fā)現(xiàn)喬灌木對減流率的響應(yīng)遠(yuǎn)大于其他水保措施。而灌草植被覆蓋下減流效果低于喬灌木。

3.3 不同水保措施下的泥沙量與減沙率

3.3.1 年泥沙量與減沙率 不同水保措施下年泥沙量與減沙率分析結(jié)果詳見表4。CK小區(qū)由于是對照裸地，泥沙量最高，不同水保措施下BC,ZN,ZG,FJ,GC,QGC,MWS的泥沙量量分別為4.7,54.5,16,28.1,51.1,38.5和25.6 kg，7種水保措施下的年泥沙量與對照小區(qū)的年泥沙量差異極其顯著顯著，分別比對照小區(qū)泥沙量量減少為304.9,255.1,293.6,281.5,258.5,271.1和284 kg，7種水保措施間泥沙量差異顯著，減流率分別為98.48%,82.39%,94.83%,90.92%,83.49%,87.56%,91.73%。在年土壤流失量中，ZN土壤流失最多，BC產(chǎn)沙量最少，按順序依次為:ZN>GC>QGC>FJ>MWS>ZG>BC，依據(jù)公式計算，減沙量與減沙率，ZN減沙率低，BC減沙率高。

表4 不同水保措施下泥沙量與減沙率

3.3.2 雨型對不同水保措施下泥沙量與減沙量影響 圖3表示不同水保措施下在不同雨型下產(chǎn)沙特征，由圖3可知，同一雨型下CK小區(qū)泥沙量與其它水保措施小區(qū)存在顯著差異(p<0.05)，但在Ⅱ型降雨下，僅有BC與CK小區(qū)存在顯著差異。在同一水保措施不同雨型下，CK,ZG,GC和QGC小區(qū)Ⅱ型降雨與Ⅳ型降雨存在顯著差異(p<0.05)，而ZN和FJ小區(qū)不同雨型下不存在顯著差異。BC小區(qū)Ⅲ型降雨與Ⅳ型降雨存在顯著差異(p<0.05)。雨型不同，地表徑流變化，對地表的沖刷不同攜帶泥沙量不同，在泥沙流失過程中，降雨類型的貢獻(xiàn)比植被蓋度大。ZG,GC和QGC小區(qū)一方面季節(jié)生物量變化大，分為生長季和凋落季，植被蓋度較其他水保措施顯著，另一方面2種雨型的降雨量差異較大，使得徑流泥沙量差異較大。而BC小區(qū)差異主要由于雨型間降雨量的差異所導(dǎo)致的。由圖4減沙率方差分析發(fā)現(xiàn)，在Ⅰ型降雨下BC與QGC小區(qū)減沙率存在顯著差異(p<0.05)，在Ⅲ型降雨下ZN小區(qū)與其他水保措施下減沙率存在顯著差異(p<0.05)，在Ⅳ型降雨下BC與ZN,FJ,GC和QGC小區(qū)存在顯著差異(p<0.05)。ZG與MWS小區(qū)與GC及QGC小區(qū)存在顯著差異(p<0.05)。在同一水保措施不同雨型下，Ⅰ型與Ⅲ型在ZN和ZG小區(qū)存在顯著差異(p<0.05)。其他水保措施下受雨型影響下，無顯著差異。

圖3 雨型對不同水保措施下泥沙量與減沙量的影響

3.4 徑流量與泥沙量和植被蓋度的相關(guān)分析

通過不同對水保措施下的徑流量與泥沙量之間的回歸分析(表5)，結(jié)果表明，除BC和ZG外，其余水保措施的徑流量與泥沙量擬合效果呈顯著相關(guān)(p<0.01), QGC的回歸系數(shù)R2最高為0.7387,ZG回歸系數(shù)R2最低為0.038。不同水保措施下徑流量與泥沙量呈正相關(guān)性。地表徑流是泥沙流失的載體，由于不同的整地方式下，徑流攜帶泥沙量不一。在BC(R2=0.085)與ZG(R2=0.038)方式下，徑流量與泥沙量之間受到植被種類與不同程度下的人為活動等因子的影響,使徑流量與泥沙量間變化過程不一致。

由相關(guān)分析表明(表6)，植被蓋度(%)徑流量(mm)以及泥沙量(kg)關(guān)系密切。植被蓋度與徑流泥沙量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，植被蓋度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)這表明，不同水保措施下，植被覆蓋越高，所產(chǎn)生的徑流泥沙量就越少。在相同的降雨以及坡度等條件下，植被覆蓋對坡面產(chǎn)生徑流泥沙的調(diào)節(jié)攔截能力。泥沙量與徑流量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，泥沙量與有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，泥沙量與植被蓋度存在顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。泥沙量越高，徑流量越高，有機(jī)質(zhì)越低。主要由于徑流的侵蝕力，在地表植被覆蓋裸露的地方，徑流可以攜帶大量泥沙。

表5 不同水保措施下徑流量與泥沙流失量之間回歸分析

注：S表示泥沙量;R表示徑流量。

表6 徑流泥沙與植被蓋度相關(guān)關(guān)系

注： *表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān) **表示 在 .01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

4 討 論

4.1 不同水保措施下減流減沙效益

7種水保措施下的年均徑流量和產(chǎn)沙量均低于對照小區(qū)。不同的水保措施，由于下墊面各方面差異，相同的降雨，也會產(chǎn)生不同的侵蝕量[13]。這主要因為在無植被覆蓋的條件下，土壤表層受雨滴的濺蝕后，容易形成地表結(jié)皮，降低了地表水的入滲，土壤通透性變差，進(jìn)而影響地表徑流量[14]。這與周璟等[15]降雨量與徑流深和產(chǎn)沙模數(shù)呈現(xiàn)較為顯著的線性相關(guān)性研究結(jié)論一致。研究表明侵蝕作用下土壤流失量隨著降雨強度的增大而增加，徑流是影響泥沙流失的重要因素，其相關(guān)程度隨著雨強的增大而降低[16]。由于水保措施的應(yīng)用，改變了地表結(jié)構(gòu)，避免了土壤結(jié)皮的形成；一方面，地表植被在降雨過程中通過對地表徑流的遲滯、滲透等一系列形式對降雨進(jìn)行再分匹配，有效延緩了徑流的形成過程，從而減少坡面徑流，發(fā)揮了顯著的水土保持效益[17]。由于植物季節(jié)生長環(huán)境及降雨強度的差異，導(dǎo)致徑流泥沙的季節(jié)的差異。植被減蝕作用表現(xiàn)為3個方面：陸生植物葉莖對降雨條件下雨滴動能的消減作用[18]，植物莖和枯枝落葉對徑流流速的消減作用[19]，植物根系對改良土壤抗沖蝕性的能力[20]，另一方面因為地表生物量的不同，地表粗糙度不一，產(chǎn)流大小差異明顯，導(dǎo)致地表徑流有差異。

研究[21-23]表明，坡面植被覆蓋可以使坡面產(chǎn)流減少25%～70%，產(chǎn)沙降低40%～90%[22-23]。7種水保措施均有良好的減流減沙效益，究其原因，ZN由于受到人為干預(yù)較大，種植農(nóng)作物需要翻耕與施肥，農(nóng)作物需要除草收獲與深挖，導(dǎo)致徑流泥沙量流失較大，植被蓋度隨植物季節(jié)性變化。BC之所以能有效減少徑流量和泥沙量，主要原因是草本植物枯枝落葉中養(yǎng)分含量充足，可以有效改良土壤肥力[24]，土壤肥力足，土壤松弛，增加土壤表層水的入滲，有效遲滯了產(chǎn)流時間，另外植物種類為百喜草，屬于多年生禾生草，生長極其迅速，地上部分的莖葉極其枯枝落葉覆蓋地表，可有效減弱雨滴對地表土層的濺蝕，削弱降雨侵蝕力[17]。FJ水保措施能減少外界的干擾，改善植物的生境[25]。ZG由于進(jìn)行人工施肥，改良了土壤的養(yǎng)分含量狀況，有利于土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成，從而改變了土壤水的通透性、蓄水量及通氣性，降雨使地表水入滲較快，較難形成地表徑流[26]，由相關(guān)分析得出，徑流與泥沙關(guān)系極其顯著，呈正相關(guān)。徑流為泥沙流失的主要方式，因此泥沙量相對較少。QGC水保措施由于其復(fù)雜的生物組成，形成了相對獨立的冠層立體植物結(jié)構(gòu)網(wǎng)，降雨被層層消耗及再分配，減少了林地地表的降雨強度及降雨量，進(jìn)而減緩了徑流量的產(chǎn)生時間及強度；同時，QGC林下植被根系異常密集，根系所在的根網(wǎng)效應(yīng)能固持土壤顆粒，加強土壤的聚合力，進(jìn)而改善了土壤的抗蝕性，使得泥沙流失量減少[27]。植被的水土保持效益與植被覆蓋度息息相關(guān)，由于MWS植被覆蓋度均較高(85%)，有效減少了林下降雨量，使得坡面徑流量減少，繼而減弱了降雨對土壤的沖刷力，泥沙量較低。

4.2 不同水保措施下減流減沙的影響因子

植被及其覆蓋對地表徑流的影響是水文研究中的一個重要內(nèi)容植被覆蓋通過降低降雨動能、截留降雨、增加入滲等，以減輕坡面侵蝕，是一項重要的水土保持措施。植被覆蓋對陸生生態(tài)環(huán)境中水分循環(huán)起著重要作用。有研究表明，植被與降水是決定地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量的主要環(huán)境因子。降雨量不同的區(qū)域，森林覆蓋和草地覆蓋條件下產(chǎn)流量差異很大[28]。長期以來，有的研究用有效覆蓋度、臨界覆蓋度等指標(biāo)來表示植被在產(chǎn)流產(chǎn)沙中的作用[29]。通過對7個徑流小區(qū)的整地方式和植物類型來分析。各林下草被均存在不同的植物類型，常見的植物有胡枝子、寬葉雀稗、五節(jié)芒、狗牙根、芒萁等。林下植被覆蓋能夠有效的減少降雨對地表的沖刷，減少降雨的侵蝕，其所散落的枯枝落葉層能積蓄雨水，減少徑流，對雨水的再分配起著重要的作用。

不同水保措施下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為隨著降雨量而變化，從分析產(chǎn)流產(chǎn)沙回歸關(guān)系可知，隨著降雨量的變化，BC產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量不發(fā)生質(zhì)變化，由于植被蓋度和葉面積指數(shù)均大于，增加了冠層截留雨量，遲滯了降雨到達(dá)地表的時間[30]林地覆蓋下產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量劇烈變化。另一方面說明了林下草地覆被對地表面受侵蝕的直接保護(hù)作用，優(yōu)于林冠郁閉度。綜上所述，林下草被覆蓋度和降雨條件，是影響研究小區(qū)產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量及過程的重要因素。

在不同的降雨特征下，對不同植被覆蓋的徑流小區(qū)全年的植物生長狀態(tài)及生物量的記錄、以及徑流泥沙觀測，不同水保措施下徑流泥沙均表現(xiàn)為植物生長狀態(tài)復(fù)雜的區(qū)域要優(yōu)于植物生長單一的區(qū)域。徑流量與降雨量的變化趨勢一致，但泥沙量則受更多的因素的綜合影響。CK，ZN，F(xiàn)J，BC，MWS的泥沙侵蝕量與徑流量呈極顯著正相關(guān)，說明不同水保措施下產(chǎn)沙過程更加復(fù)雜，使得對水保措施下定量化研究更為困難。

5 結(jié) 論

(1) 7種水保措施與對照小區(qū)的年徑流量差異極其顯著，BC和ZG減沙效果最為顯著，QGC和ZN減沙效果最差。

(2) 徑流量與降雨量呈顯著正相關(guān)，減流減沙率受雨型影響較小，水保措施之間對減流減沙率變化影響較小。

(3) Ⅱ型降雨與Ⅲ型降雨是造成水土流失的主要降雨類型，降雨量對徑流泥沙量流失的影響大于降雨強度的影響。

(4) 徑流量與泥沙量的擬合效果為呈顯著相關(guān)(p<0.01)，植被蓋度與徑流泥沙量呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)，植被蓋度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，泥沙量與植被蓋度存在顯著負(fù)相關(guān)(p<0.01)。