紅壤區(qū)典型茶園模式對(duì)侵蝕性降雨的減流減沙效應(yīng)

程分生， 尤龍輝， 葉功富， 林文泉， 封曉然， 游惠明

(1.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院， 福建 福州 350002； 2.福建省林業(yè)科學(xué)研究院， 福建 福州 350012)

我國茶區(qū)遼闊，種茶歷史悠久。福建安溪是中國烏龍茶之鄉(xiāng)，世界名茶鐵觀音的發(fā)源地，當(dāng)?shù)夭柁r(nóng)曾一度大量開墾林地，種植鐵觀音茶樹，但由于經(jīng)營粗放，造成嚴(yán)重水土流失[1]。利用水平梯田等措施改造坡地[2]，種植茶樹，雖然可以一定程度減輕水土流失，但是許多茶農(nóng)缺乏與水平梯田相結(jié)合的其他相關(guān)配套治理措施，使得目前仍有56%以上的茶園仍表現(xiàn)不同程度的水土流失，20%以上茶園跑水跑肥嚴(yán)重[3]，茶園生態(tài)環(huán)境惡化，影響了茶葉生產(chǎn)和收益。

降雨是造成山地坡面土壤侵蝕的主要自然因素之一，降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)等因素對(duì)山地坡面徑流輸沙規(guī)律有著重要影響[4-6]，降雨類型與水土流失的程度、分布規(guī)律、發(fā)生頻率等特征都存在著不可分割關(guān)系[7-9]。近年來，許多研究者開展了大量相關(guān)研究，如王萬忠等[10]根據(jù)降雨成因和特性將黃土高原暴雨類型劃為3類，并分析了不同雨型對(duì)黃土高原土壤侵蝕的影響；WEIetal[11]和FANGetal[12]利用K均值聚類法將黃土高原西部和東部的次降雨劃分為3類，確定了短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨是造成該區(qū)域土壤流失的主要類型；PENGetal[13]將西南巖溶地區(qū)的降雨劃分為5類，并認(rèn)為大雨量、中歷時(shí)、大雨強(qiáng)的降雨是造成當(dāng)?shù)赝寥狼治g的主要雨型；HUANGetal[14]研究了3種不同退耕還林類型的林地在4類侵蝕性降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化規(guī)律。福建省是中國降雨侵蝕力較大的分布區(qū)，對(duì)該地區(qū)山地茶園的侵蝕性降雨進(jìn)行歸納分類，及其對(duì)坡地產(chǎn)流輸沙機(jī)制的相關(guān)研究仍鮮見報(bào)道。K均值聚類法對(duì)于樣本數(shù)量較大的降雨事件中侵蝕性降雨雨型的分類效果較好[11-14]，本研究利用該統(tǒng)計(jì)方法對(duì)福建安溪官橋生態(tài)茶園中，典型的鐵觀音茶園水土流失治理模式記錄的降雨事件進(jìn)行分類，探討不同降雨雨型對(duì)各治理模式產(chǎn)流輸沙的影響，以期為山區(qū)茶園水土流失治理措施的配置方案提供科學(xué)依據(jù)，為進(jìn)一步提升茶葉品質(zhì)及保護(hù)有機(jī)生態(tài)茶園提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省安溪縣官橋鎮(zhèn)生態(tài)茶園(118°06′00″E， 25°02′00″N)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均降雨量約1 600 mm，1月份平均氣溫14.8 ℃，7月份平均氣溫27.4 ℃，年平均氣溫20.5 ℃(圖1)，年均日照時(shí)間1 850 h，無霜期260 d。地貌類型為低山丘陵，土壤以紅壤為主，砂礫多，土層厚度達(dá)80 cm以上，土壤容重為1.30 g·cm-3，pH值為4.50，有機(jī)氮含量為0.85 g·kg-1，堿解氮含量為36.74 mg·kg-1，速效磷含量為11.37 mg·kg-1，速效鉀含量為54.32 mg·kg-1。散生草本種類有沙蘆草(AgropyronmongolicumKeng)、狗尾草[Setariaviridis(Linn.) Beauv.]、鐵芒萁[Dicranopterislinearis(Burm.) Underw.]、小蓬草(ConyzacanadensisL.)、水茄(SolanumtorvumSwartz)、鬼針草(BidenspilosaLinn.)、地菍(MelastomadodecandrumLour.)、大花金錢豹(CampanumoeajavanicaBl.)、龍葵(SolanumnigrumLinn.)、馬蹄金(DichondramicranthaUrb.)、黃皮[Clausenalansium(Lour.) Skeels]、秋英(CosmosbipinnatusCav.)等。

圖 1 研究期間月平均氣溫與月累計(jì)降雨量Figure 1 Monthly cumulative precipitation and mean air temperature during the reseach period

1.2 研究方法

在生態(tài)茶園的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)觀測場(坡向均為西北方向， 坡度為22°)，選擇5種典型的鐵觀音茶樹種植模式，徑流小區(qū)基本情況詳見表1，模式1設(shè)置為對(duì)照小區(qū)。徑流小區(qū)的垂直投影面積均為100 m2(20 m×5 m)，各小區(qū)間用50 cm的水泥圍埂隔離，以防相互干擾。在距徑流觀測場50 cm處的空地放置Onset HOBO RG3-M自計(jì)式雨量器，對(duì)2017年的每場降雨進(jìn)行觀測記錄，根據(jù)降雨記錄計(jì)算每場降雨的雨量、I30(每場降雨30 min最大雨強(qiáng))、平均降雨強(qiáng)度、降雨侵蝕力、降雨歷時(shí)等。植被覆蓋度采用人工目估法，月初、月中各記錄1次。產(chǎn)流量(徑流深)：通過記錄每個(gè)徑流小區(qū)次降雨集流池的水位得到次降雨徑流量總量(以降雨間隔時(shí)間超過12 h計(jì))，除以每個(gè)徑流小區(qū)投影面積后得到產(chǎn)流量(徑流深)。產(chǎn)沙量：每場降雨徑流結(jié)束后，將集流池渾水充分?jǐn)噭蚝螅杉畼訋Щ貙?shí)驗(yàn)室沉淀，分離沉淀物，烘干稱重，計(jì)算次降雨產(chǎn)沙量。

表 1 安溪縣官橋鎮(zhèn)坡面徑流觀測場地徑流小區(qū)基本情況Table 1 Basic situation of runoff plot on slope runoff observation site in Guanqiao Town, Anxi County

1.3 數(shù)據(jù)處理

選取2017年1月1日至2017年12月31日的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)：供試茶園共降雨111次，引起侵蝕的降雨(即侵蝕性降雨， 指任意一徑流小區(qū)產(chǎn)生徑流或泥沙的次降雨)共28場。對(duì)各降雨因子與觀測徑流小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量利用SPSS20.0進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，利用相關(guān)分析結(jié)果，篩選相關(guān)性較高的降雨因子，參照孫從建等[15]的方法，對(duì)28場侵蝕性降雨利用Origin 9.1進(jìn)行K均值聚類分析，以方差分析具有顯著性差異(P<0.05)的分類結(jié)果劃分降雨類型[12-15]。各雨型降雨量中心值、I30中心值是聚類分析各劃定雨型簇中各次降雨降雨量、I30到質(zhì)心距離最近的最優(yōu)解。減流率：模式1產(chǎn)流量減去模式2～模式4各觀測徑流小區(qū)產(chǎn)流量占模式1對(duì)照徑流小區(qū)產(chǎn)流量的百分?jǐn)?shù)。減沙率：模式1產(chǎn)沙量減去模式2～模式4各觀測徑流小區(qū)產(chǎn)沙量占模式1對(duì)照徑流小區(qū)產(chǎn)沙量的百分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

2017年，供試茶園全年降雨量1 173 mm(表2)，其中引起侵蝕的降雨量為811 mm，占總降雨量的69.14%。5—8月份降雨量占全年降雨總量的72.97%。全年侵蝕性降雨主要集中在4—8月份，其中5月份引起侵蝕的降雨共計(jì)10次，占當(dāng)月總降雨事件的45.45%，6月份侵蝕性降雨總量最高，為235 mm，占當(dāng)月降雨總量的81.59%?？傮w上，5—6月份是供試茶園徑流小區(qū)發(fā)生水土流失的主要時(shí)期。

2.2 降雨因子對(duì)不同水土保持措施產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)性分析

對(duì)降雨因子與供試茶園觀測徑流小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量之間進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析可以看出，除模式4外，產(chǎn)流量與降雨量和I30顯著相關(guān)性較高(P<0.05， 下同。)，產(chǎn)沙量僅模式1與降雨量、I30和平均雨強(qiáng)顯著相關(guān)，其他各指標(biāo)間相關(guān)性不顯著。

注：**表示在P=0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，*表示在P=0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)?！啊北硎緮?shù)據(jù)量太少，無法相關(guān)分析。Note：**indicates a significant correlation at the 0.01 level (both sides)，and*indicates a significant correlation at the 0.05 level (both sides)．“—” indicates little data for correlation analysis.

2.3 侵蝕性降雨分類

根據(jù)相關(guān)分析結(jié)果，選取降雨量和I30對(duì)降雨類型進(jìn)行K均值聚類分析，結(jié)果表明，28場侵蝕性降雨可分為5類，且分類結(jié)果存在顯著差異P<0.05(圖2)。將圖2中的聚類中心依次劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ雨型(表4)。分類結(jié)果中降雨量中心值結(jié)果如下：Ⅰ雨型和Ⅱ雨型降雨量中心值分別為17.4和15.9 mm，為小雨量；Ⅲ雨型降雨量中心值31.6 mm，為中雨量；Ⅳ雨型降雨量中心值為55.5 mm，為大雨量；Ⅴ雨型降雨量中心值為112.5 mm，為暴雨量。分類結(jié)果中I30中心值結(jié)果如下：Ⅰ雨型為11.6 mm·h-1，為小雨強(qiáng)；Ⅱ雨型、Ⅴ雨型分別為29.9、 31.6 mm·h-1，為中雨強(qiáng)；Ⅲ雨型、Ⅳ雨型分別為45.8、 62.0 mm·h-1，為大雨強(qiáng)。

據(jù)此，小區(qū)內(nèi)各侵蝕性降雨類型的特征包括：Ⅰ雨型為小雨量小雨強(qiáng)、Ⅱ雨型為小雨量中雨強(qiáng)、Ⅲ雨型為中雨量大雨強(qiáng)、Ⅳ雨型為大雨量大雨強(qiáng)、Ⅴ雨型為暴雨量中雨強(qiáng)。侵蝕性降雨事件中，Ⅰ雨型發(fā)生頻率最高，為35.7%；Ⅱ雨型降雨頻率次之，為32.1%；Ⅲ雨型降雨頻率為17.9%；Ⅳ雨型、Ⅴ雨型降雨頻率最小，都為7.1%。

表 4 坡面徑流觀測場地侵蝕性降雨K均值分類結(jié)果Table 4 K value classification of erosive rainfall on slope runoff observation site

2.4 不同類型降雨條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特性分析

對(duì)不同雨型的產(chǎn)流、產(chǎn)沙特性進(jìn)行分析表明(表5)：降雨量最大的Ⅴ雨型平均產(chǎn)流量(43.75 mm)最大、平均產(chǎn)沙量(13.04 g·L-1)次之；降雨強(qiáng)度最大的Ⅳ雨型平均產(chǎn)沙量(36.00 g·L-1)最大、平均產(chǎn)流量(43.55 mm)次之；降雨量、降雨強(qiáng)度較小的Ⅰ雨型平均產(chǎn)流量為3.97 mm，平均產(chǎn)沙量為1.44 g·L-1；降雨強(qiáng)度適中的Ⅱ雨型平均產(chǎn)流量9.02 mm，平均產(chǎn)沙量10.71 g·L-1；Ⅲ雨型平均產(chǎn)流量為21.61 mm，平均產(chǎn)沙量為10.39 g·L-1；各雨型的產(chǎn)流產(chǎn)沙總量分析顯示：Ⅲ雨型產(chǎn)流總量最大，為108.07 mm，Ⅴ雨型產(chǎn)流總量次之，為87.5 mm；Ⅱ雨型產(chǎn)沙總量最大，為96.4 g·L-1，Ⅳ雨型次之，為71.99 g·L-1；Ⅰ雨型產(chǎn)流產(chǎn)沙總量最小，分別為39.7和14.37 g·L-1。

表 5 坡面徑流觀測場地不同降雨類型產(chǎn)流產(chǎn)沙特征Table 5 Runoff and sediment yield characteristics of different rainfall types in slope runoff observation site

2.5 不同水土保持措施在不同類型降雨下的水土保持效應(yīng)分析

2.5.1 不同水土保持措施在不同降雨類型下的減流效果分析 由圖3(a)可知，模式4在不同降雨類型中減流率最好，在80.12%～98.89%之間，其中Ⅰ雨型條件下減流率最高；Ⅴ型雨條件下最低。模式3在不同雨型條件下的減流率為57.14%～97.49%，其中Ⅳ雨型條件下的減流率反而高于Ⅲ雨型。模式2和模式5在不同雨型條件下的減流率相差不大，且均低于模式4和模式3。模式5在Ⅰ雨型、Ⅱ雨型、Ⅲ雨型條件下的減流率均大于模式2，而在Ⅳ雨型和Ⅴ雨型條件下的減流率反而小于模式2。

2.5.2 不同水土保持措施在不同類型降雨下的減沙效果分析 由圖3(b)可知，在Ⅰ雨型下模式2～模式4減沙率最高，為100%，幾乎無泥沙產(chǎn)生。模式4在不同雨型條件下具有明顯的減沙效應(yīng)：Ⅰ型、Ⅳ型、Ⅴ型雨減沙率均為100%，在Ⅲ雨型條件下減沙率較小，為94.20%，但仍高于Ⅲ雨型條件下的其他模式；模式3在Ⅱ雨型條件下減沙率高于其他模式，為97.47%；在Ⅲ雨型條件下最低，為81.33%；模式5在Ⅳ、Ⅴ雨型條件下減沙率較高，分別為92.03%和91.08%，在Ⅲ雨型條件下最低，為79.38%；模式2在各類雨型條件下的減沙率均小于其他模式，其中Ⅴ雨型減沙率較高，為87.07%，Ⅳ雨型最低，為75.75%。

圖 3 不同水土保持措施在不同類型降雨下的水土保持效應(yīng)Figure 3 Effect of different soil and water conservation measures on soil and water conservation under different types of rainfall

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

利用降雨因子與5種不同鐵觀音茶園治理模式的產(chǎn)流輸沙量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明：降雨量、I30與茶園坡面產(chǎn)流輸沙量有較強(qiáng)的相關(guān)性，說明茶園水土流失主要受降雨量和I30的影響。在降雨量、I30與產(chǎn)流量的相關(guān)分析中，模式4相關(guān)性不顯著(P>0.05)，這可能與降雨量的季節(jié)變化和小區(qū)內(nèi)草本植物本身的物候有關(guān)[16]：夏季是當(dāng)?shù)夭莘N的生長盛期，此時(shí)降雨量雖大，但旺盛生長的草本植物，其枝莖葉會(huì)有一定的截持徑流的作用，發(fā)達(dá)的地下根系固持表層土壤，在強(qiáng)降雨時(shí)對(duì)茶園坡面產(chǎn)流輸沙也有較強(qiáng)的攔截作用，另外大部分鄉(xiāng)土草本植物雖冬季枯萎，但形成的枯落物層也有一定的截流秋季臺(tái)風(fēng)降雨的效果，這可能是導(dǎo)致模式4相關(guān)性不高的主要原因。降雨量、I30與產(chǎn)沙量的相關(guān)性分析中，只有模式1相關(guān)性較好，可能是由于模式1為新開梯田，土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，土質(zhì)疏松，茶樹幼小，小區(qū)植被總覆蓋度低，對(duì)降雨引起的坡面土壤侵蝕響應(yīng)較敏感[17]，因此，相關(guān)性較高；其他模式由于經(jīng)營年限較長，土壤結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，植被總覆蓋度較大，對(duì)降雨侵蝕土壤有一定的阻滯效應(yīng)，因此，相關(guān)性較低。

本研究發(fā)現(xiàn)，模式1在5種降雨類型下產(chǎn)流輸沙量均較大，因此，新開梯田的鐵觀音茶園容易因工程施工引起二次水土流失的現(xiàn)象[17]。模式2在不同降雨類型下減沙率均最低，是由于小區(qū)內(nèi)除了成叢成行的鐵觀音茶樹，表層土壤均清耕裸露，土壤抗沖蝕能力低于未清耕的模式4和模式5。另外，模式2在Ⅳ雨型(大雨量、 大雨強(qiáng))、Ⅴ雨型(暴雨量、 中雨強(qiáng))發(fā)生頻次較多的6—8月份，表現(xiàn)出減沙率好于其他降雨類型的現(xiàn)象，可能與該時(shí)期氣溫較高，清耕裸露的土壤蒸發(fā)散強(qiáng)烈，相對(duì)干燥，能在短期內(nèi)攔蓄陡增的降水，減少徑流輸沙有關(guān)。模式3在原有梯田的基礎(chǔ)上，在田面外緣修筑寬15 cm、高10 cm的田埂，田面內(nèi)側(cè)挖寬15 cm、深10 cm的蓄水溝，用于攔蓄降水、排導(dǎo)徑流[18]，分析結(jié)果表明，模式3增加的前埂后溝工程措施，在各雨型條件下減流減沙效果均優(yōu)于模式2。值得注意的是，在Ⅲ雨型(中雨量、 大雨強(qiáng))中，模式3的減流減沙效果低于其他雨型，這與統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)Ⅲ雨型降雨場次相對(duì)集中有關(guān)，連續(xù)的Ⅲ雨型次降雨致使土壤超過最大持水量的閾值，大大降低了前埂后溝工程措施截流阻沙能力的上限，使減流減沙效果下降。模式4和模式5，除了修筑梯田外，還以自然留草或梯壁種植百喜草的方式增加小區(qū)的植被總覆蓋度，結(jié)果表明，在不同雨型條件下，模式4和模式5的減沙率均高于模式2，這是因?yàn)闊o論是種植的百喜草或者當(dāng)?shù)刈匀簧L的草種，均具有發(fā)達(dá)的地下根系固持土壤，增加土壤的抗沖蝕能力[19-20]，草本植物的地上莖葉部分能夠增加坡面糙度，達(dá)到一定的減流阻沙的作用[21]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，模式5在Ⅰ雨型(小雨量、 小雨強(qiáng))、Ⅱ雨型(小雨量、 中雨強(qiáng))、Ⅲ雨型條件下減流率雖略高于模式2，但在Ⅳ雨型、Ⅴ雨型條件下反而小于模式2，這說明梯壁種植的百喜草控制水土流失的能力有限，在大雨量、大雨強(qiáng)或暴雨量、中雨強(qiáng)的降雨條件下，減流阻沙的效果顯著下降。

各模式在發(fā)生頻次最多的Ⅰ雨型條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均最小，分別僅占總降雨場次產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量的9.83%和5.51%；發(fā)生頻次次之的Ⅱ雨型和Ⅲ雨型條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著上升，產(chǎn)流量分別占總降雨場次產(chǎn)流總量的20.12%和26.78%，產(chǎn)沙量分別占總降雨場次產(chǎn)沙總量的36.96%和19.92%；Ⅳ雨型和Ⅴ雨型雖發(fā)生頻次不高，但平均場次產(chǎn)流、產(chǎn)沙量以及產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量卻高于其他雨型，兩種雨型的產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量分別占總降雨場次產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量的43.27%和37.60%，尤其是Ⅳ雨型條件下，產(chǎn)沙總量占總降雨場次產(chǎn)沙總量的27.60%，說明Ⅳ雨型對(duì)研究區(qū)鐵觀音茶園的水土流失危害最大，為防治山地鐵觀音茶園水土流失，模式3既能有效應(yīng)對(duì)Ⅳ雨型條件下的水土流失，又能兼顧茶園產(chǎn)茶經(jīng)濟(jì)效益，而模式4不利于茶園的生產(chǎn)管理。

3.2 結(jié)論

(1)相關(guān)分析表明，產(chǎn)流量與降雨量、I30顯著相關(guān)；依據(jù)降雨量和I30進(jìn)行K均值聚類，將統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)引起侵蝕的降雨類型分為5類：Ⅰ雨型(小雨量、 小雨強(qiáng))、Ⅱ雨型(小雨量、 中雨強(qiáng))、Ⅲ雨型(中雨量、 大雨強(qiáng))、Ⅳ雨型(大雨量、 大雨強(qiáng))、Ⅴ雨型(暴雨量、 中雨強(qiáng))。其中，Ⅰ雨型降雨頻率最大，Ⅳ雨型、Ⅴ雨型頻率最小，雨量最大的Ⅴ雨型平均產(chǎn)流量最大，雨強(qiáng)最大的Ⅳ雨型平均產(chǎn)沙量最大；發(fā)生頻率較高的Ⅲ雨型產(chǎn)流總量最大，Ⅱ雨型產(chǎn)沙總量最大。(2)模式4在不同降雨類型中減流率較好，模式3在Ⅱ雨型和Ⅳ雨型減流率較高；模式5在Ⅰ雨型、Ⅱ雨型和Ⅲ雨型條件下減流率優(yōu)于模式2，但在各雨型條件下低于模式3?？傮w上看，在不同降雨類型條件下，減流減沙效應(yīng)從高到低依次為模式4>模式3>模式5>模式2。降雨頻次較大的Ⅲ雨型是造成山地茶園土壤流失的主要雨型。