植物籬對南方紅壤低山丘陵坡面年徑流深和土壤流失量的影響

陳海生，梅道亮

(1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江省安吉縣水利局，浙江 湖州 313300 )

退化紅壤地的水土流失是我國南方紅壤區(qū)典型的自然災(zāi)害,我國南方紅壤丘陵區(qū)降雨量大，且分布不均，多以暴雨形式出現(xiàn)，單位時間內(nèi)強(qiáng)大的降雨構(gòu)成巨大的侵蝕動力，加上土壤的可蝕性較高的內(nèi)在因子和劇烈的人類活動使得南方紅壤區(qū)成為我國水土流失最廣、程度最高的地區(qū)之一[1].我國南方紅壤山地丘陵的年侵蝕量達(dá)3 000～10 000 t/km2,凈侵蝕厚度達(dá)0.3～0.5 cm左右.最高時達(dá)1 cm.浙江省紅壤山地丘陵面積約占全省土地面積的40%以上.目前水土流失面積已達(dá)全省土地面積的26.1%.而在坡面上利用植物措施來進(jìn)行水土保持不但具有明顯的擋水、擋土、防治水土流失的效果，而且具有改良土壤、抑制病蟲害和雜草生長的作用.Paningbatan[2]研究表明在坡面上種植豆科灌木植物能夠大幅度降低土壤侵蝕量.宇淑慧等[3]發(fā)現(xiàn)在坡耕地上種植草帶可顯著降低徑流量和侵蝕量.謝庭生等[4]的研究表明香根草、蘆竹栽植可迅速恢復(fù)紫色土侵蝕溝植被.本研究擬選擇浙江省安吉縣山湖塘綜合觀測場作為典型研究區(qū)，在分析野外徑流小區(qū)降雨產(chǎn)流過程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，研究不同植物籬措施對坡面徑流深、土壤流失量的影響，以期為南方丘陵區(qū)紅壤坡地的植物籬措施優(yōu)化配置提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

1.1 自然概況

安吉在東經(jīng)119°14′～119°53′和北緯30°23′～30°53′之間，為浙江省湖州市下轄縣，位于長三角腹地.天目山脈自西南入境，分東西兩支環(huán)抱縣境兩側(cè)，呈三面環(huán)山，中間凹陷，東北開口的“畚箕形”的輻聚狀盆地地形，地勢西南高、東北低.屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候.安吉縣屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，總特征是：光照充足、氣候溫和、雨量充沛、四季分明，適宜于各種植物的生長.全縣常年年降雨量2 593.6 mm，常年日照時數(shù)1 792.5 h，常年平均氣溫160 ℃，年極端最高溫度39.9 ℃，極端最低氣溫為-11.7 ℃.

安吉縣山湖塘綜合觀測場屬于太湖流域，地理位置為東經(jīng)119°34′00″，北緯30°37′00″.觀測場是建立在安吉水土保持科技示范園區(qū)內(nèi)，位于遞鋪鎮(zhèn)凈土社區(qū)，距中心城區(qū)8 km.

觀測場所在的水保園區(qū)地貌類型屬低山丘陵，土壤以紅壤為主，土層淺薄，較易風(fēng)化，從而導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重.該區(qū)域總土地面積57.88 hm2，土地利用狀況為：有林地、疏林地和荒坡35.88 hm2，坡耕地20 hm2，水面2 hm2.原有水土流失面積31 hm2，占總土地面積的53.6%.

1.2 徑流小區(qū)布設(shè)與監(jiān)測內(nèi)容

安吉縣山湖塘綜合觀測場，共設(shè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)9個，尺寸均為20 m×5 m(長×寬)，面積100 m2，坡度20°.每個徑流小區(qū)下均設(shè)3級集流池，每個集流池尺寸為1 m×1 m×0.9 m(長×寬×高)，每級之間設(shè)置5個分流孔，4個分流孔分流到池外，1個分流孔分流道下一級，集流池均沒有遮蓋.

觀測場各徑流小區(qū)中，1號小區(qū)為梯地種植農(nóng)作物，2號小區(qū)為順坡種植農(nóng)作物，3號小區(qū)為裸地，4小區(qū)為順坡種植白茶.5號小區(qū)為梯田種植白茶.6號小區(qū)為落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育.7號小區(qū)為落葉經(jīng)濟(jì)林保留地被，8號小區(qū)為竹子全面撫育，9號小區(qū)為竹子保留地被.

用自記雨量計(jì)來記錄2016年的雨量和降雨過程，記錄每次降雨的起止時間和各階段的雨強(qiáng).小區(qū)地表徑流通過集水槽和導(dǎo)水管流入徑流收集池中，徑流收集池容量按100年一遇暴雨設(shè)計(jì).采用定位觀測的方法，在降雨后測量徑流深和泥沙量.徑流深在量水池中用體積法求得,觀測徑流的同時，將量水池中的水?dāng)嚢杈鶆蚝笕?，?jīng)過濾-烘干-稱重，求算土壤流失量.

監(jiān)測方法是在徑流小區(qū)產(chǎn)流停止后，將集水槽中沉積的泥沙掃入徑流池中，再用攪拌器將水池中所盛混合物攪勻后，用采樣器在池中水位1/2處分別采集3瓶水沙樣，每瓶所取水沙樣約800～1 000 mL,用烘干法對所取水沙樣含泥沙量進(jìn)行測定，分別取平均值獲得該次降雨各個徑流池所采水沙樣的含泥沙量，從而對比各個徑流小區(qū)的土壤流失量[5].

植被蓋度的測定采用樣方法進(jìn)行調(diào)查[6]，分別記錄9個徑流小區(qū)內(nèi)的植被蓋度和植株的平均高度.

徑流深R指計(jì)算時段內(nèi)的徑流總量平鋪在水文測站以上流域面積上所得的水層厚度，它的常用單位為毫米(mm).若時段為Δt(s)，平均流量為Q(m3/s)，流域面積為A(km2)，則徑流深R(mm)由下式計(jì)算：R=QΔt/(1 000 A).

年徑流系數(shù)的測定方法見參考文獻(xiàn)[7].

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物籬的植被蓋度和株高

南方紅壤坡地中，寸草不生的純粹裸地是比較少見的.但灌草生長數(shù)量極少的裸地，在坡面上還是常見的.在本實(shí)驗(yàn)條件下這些裸地的植被蓋度一般都在5%左右(見表1).其他有植被覆蓋的8個徑流小區(qū)中，以竹子保留地被的植被蓋度最大，為95%，其次是竹子全面撫育，其植被蓋度為90%，這二個徑流小區(qū)的的植株高度都為2.5 m.順坡種植白茶和梯田種植白茶的植被蓋度只有25%，為最低.它們的株高也只有0.2 m.其余各徑流小區(qū)的植被蓋度從高到低依次是落葉經(jīng)濟(jì)林保留地被、順坡種植農(nóng)作物和梯田種植農(nóng)作物，其相應(yīng)的植株高度也分別為1.8 m、0.5 m、 0.5 m.

表1 南方紅壤區(qū)不同植物籬坡面的徑流深和土壤流失量

2.2 植物籬措施對丘陵坡地徑流深的影響

徑流深是指在某一時段內(nèi)通過河流上指定斷面的徑流總量除以該斷面以上的流域面積所得的值.它是某一時段內(nèi)從流域某斷面流出的水量,折算成該斷面上游的匯水面積內(nèi)的平均水深.從表1可以看出，2016年研究區(qū)全年降水量為1 716 mm，降雨侵蝕力為7 085.72 MJ·mm/ha·h.在這樣的條件下，各徑流小區(qū)中，裸地的地表年徑流深是所有小區(qū)中最大的，為1 411.5 mm.而在不同植被之中，則是落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū)最大，地表年徑流深為509.7 mm，地表年徑流深最小的是竹子保留地被小區(qū)，只有17.2 mm，落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū)的年徑流深是竹子保留地被小區(qū)的29.63倍.其他各處理年徑流深從高到低依次為順坡種植農(nóng)作物(81.2 mm)、梯田種植白茶(56.2 mm)、順坡種植白茶(55.9 mm)、竹子全面撫育(43.2 mm)、落葉經(jīng)濟(jì)林保留地被(35.3 mm)、梯田種植農(nóng)作物(28.9 mm).

2.3 植物籬措施對丘陵坡地地表年徑流系數(shù)的影響

地表徑流系數(shù)表示降水中有多少水變成了地表徑流，它綜合反映了一個地區(qū)內(nèi)地質(zhì)土壤和植被等地表狀況對徑流的影響[8].徑流系數(shù)是一個綜合反映降雨特征、前期土壤含水量和地表特征的變量規(guī)律的研究，是反映產(chǎn)流狀況的重要指標(biāo)[9-12].年徑流系數(shù)表示從年降水到年徑流的轉(zhuǎn)化率，是一定匯水面積雨水量與降水量的比值，是任意時段內(nèi)的徑流深度與同時段內(nèi)的降水深度的比值.該值說明了在降水量中有多少水變成了徑流.它綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對徑流的影響.安吉縣山湖塘綜合觀測場各徑流小區(qū)地質(zhì)狀況相同，可以很明顯地觀察植物在降低地表徑流中的作用.如表1所示，裸地的地表年徑流系數(shù)是所有小區(qū)中最大的，為82.26%.而在不同植被之中，則是落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū)最大，地表年徑流系數(shù)為29.70%，地表年徑流系數(shù)最小的是竹子保留地被小區(qū)，只有1.00%,落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū)的年徑流系數(shù)是竹子保留地被小區(qū)的29.70倍.其他各處理地表年徑流系數(shù)從高到低依次為順坡種植農(nóng)作物(4.73%)、梯田種植白茶(3.28%)、順坡種植白茶(3.26%)、竹子全面撫育(2.52%)、落葉經(jīng)濟(jì)林保留地被(2.06%)、梯田種植農(nóng)作物(1.68%).

2.4 植物籬措施對丘陵坡地土壤流失量的影響

在降雨過程中，雨滴擊濺坡面產(chǎn)沙而造成表層土壤侵蝕.而植被能抑制坡面徑流的形成.竹子等林冠及地表草本植物對雨水能產(chǎn)生截留作用，降低雨滴和水流造成的濺蝕和面蝕.植物的須根可以產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)作為土壤膠結(jié)劑，同時配合須根的穿插擠壓和纏繞，可以提高土壤的抗侵蝕能力.所以灌木林、喬木林特別是與地被植物結(jié)合的徑流小區(qū)比其他處理，特別是與對照裸地相比，其土壤流失量要少得多，產(chǎn)生了明顯的保土抗蝕效果[13].

本研究通過對徑流小區(qū)坡面水土流失狀況的觀測，在地貌、土壤、坡度等自然條件及降雨條件基本一致的9個陡坡面徑流小區(qū)，裸地和有植被覆蓋的徑流小區(qū)土壤年流失量相差很大.裸地的土壤年流失量為22.00 t/hm2,比竹子保留地被小區(qū)的0.05 t/hm2要高440倍.而在各植被覆蓋的徑流小區(qū)中，以落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū)土壤年流失量最大，為11.61 t/hm2,也就是說，各植物處理措施中，落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育控制土壤流失的效果最差.而竹子保留地被控制土壤流失的效果最好.其他各處理土壤年流失量從高到低依次為順坡種植白茶(1.95 t/hm2)、竹子全面撫育(1.29 t/hm2)、順坡種植農(nóng)作物(1.11 t/hm2)、梯田種植白茶(1.07 t/hm2)、梯田種植農(nóng)作物(0.44 t/hm2)、落葉經(jīng)濟(jì)林保留地被(0.21 t/hm2).因此，梯田種植農(nóng)作物和落葉經(jīng)濟(jì)林保留地被這二種植物處理措施控制水土流失的效果也非常明顯.

3 結(jié)論與討論

(1)植物對坡面徑流形成的阻抑作用，主要體現(xiàn)在植被莖葉對雨滴的消減作用、枯枝落葉層及植物莖對徑流流速的緩減作用.還有植物根系能增加根系對土壤的抗蝕性和抗沖性.在本試驗(yàn)條件下，各植被小區(qū)中，地表徑流系數(shù)最小的是竹子保留地被小區(qū)，而落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū)的地表徑流系數(shù)最大，是最小值的29.70倍.其地表年徑流深是所有植物籬措施中最少的，只有17.2 mm.土壤年流失量也比較少，只有0.05 t/hm2.各種植物籬措施中，竹子保留地被小區(qū)的水土保持效果最好最穩(wěn)定，其次是竹子全面撫育小區(qū)，最差的是落葉經(jīng)濟(jì)林全面撫育小區(qū).

(2)毛竹林保留林下植被徑流小區(qū)的植物措施植被蓋度最高，為95%.是屬于喬木林與地被植物相結(jié)合的類型.喬木林的林冠與地被植物的葉片對雨水的截留作用，加上深根與須根的相互穿插和纏繞，使其抗侵蝕能力大大得到提高.與其他植物籬措施相比，該植物籬措施控制土壤流失的效果最好.因此在建造植物籬時，應(yīng)考慮怎樣才能建立合適的喬灌草相結(jié)合的植物復(fù)層結(jié)構(gòu)，以達(dá)到最佳的水土保持效果.