典型喀斯特區(qū)侵蝕性降雨特征及坡面生物措施水土流失防控效應(yīng)

楊坪坪 ，李勇，宋濤，覃莉，劉忠仙，李瑞 *

1.貴州師范大學(xué)喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550001；3.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站，貴州 貴陽 550002

土壤侵蝕已成為世界上嚴(yán)重的社會(huì)和生態(tài)環(huán)境問題。在坡面尺度上，降雨特性和措施類型是影響水土流失的重要因素（Peng et al.，2012）。坡面濺蝕、產(chǎn)流與降雨特性關(guān)系密切。一般而言，短歷時(shí)強(qiáng)降雨會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生較大的打擊力，分散土壤，且產(chǎn)生較多的地表徑流從而引起較強(qiáng)的水土流失（Wei et al.，2007；Wei et al.，2009）。此外，坡面不同的措施類型改變了地表微地貌、地表糙率、地表覆蓋度等，改變?nèi)霛B、地表徑流流速、徑流剪切力等，從而影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙（Luetzenburg et al.，2020）。因此，研究降雨特性和措施類型共同對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響有利于指導(dǎo)坡面水土保持工作。

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界上面積最大、喀斯特發(fā)育最典型的喀斯特連續(xù)分布帶（Peng et al.，2012）。該地區(qū)的氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，雨量充沛，研究表明在該區(qū)域的降雨具有較大的侵蝕力（Zhou et al.，2019；譚順菊等，2016；杜波等，2017），因此主要侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕面積占我國(guó)水土流失總面積的27.93%（馬芊紅等，2018）。受可溶性碳酸巖的影響，喀斯特區(qū)形成地下裂隙、管道等通道，因此具有地表和地下“二元”侵蝕的特點(diǎn)（Yan et al.，2018；張信寶等，2010）。目前，該地區(qū)為防治坡面水土流失，常用生物措施（Yuan，1997；Tong et al.，2017），包括自然修復(fù)、營(yíng)建水土保持林（水保林）、種植經(jīng)濟(jì)果木林（經(jīng)果林）等?；趶搅餍^(qū)、小流域卡口站點(diǎn)的水沙分析，普遍認(rèn)為生物措施能夠帶來顯著的保水保土效果，水保林、草地、經(jīng)果林等生物措施可有效降低水土流失量，其土壤侵蝕模數(shù)總體小于100 t·km?2·a?1（陳洪松等，2012；李瑞等，2012；蔣榮等，2013），相較于全省 279.47 t·km?2·a?1的平均土壤侵蝕模數(shù)（李瑞等，2019），減少率高達(dá)64%，水土保持作用明顯（Feng et al.，2016）。此外，針對(duì)不同降雨類型及土地利用方式的水土保持效應(yīng)，Peng et al.（2012）基于自然坡面徑流泥沙的觀測(cè)，將降雨類型劃分為5類，并研究了6種土地利用類型，結(jié)果表明大暴雨（降雨量超過40 mm，最大30 min雨強(qiáng)超過 30 mm·h?1）產(chǎn)生了較大的水土流失，且牧草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大。目前的研究已證實(shí)生物措施是防治水土流失的有效手段，但是研究喀斯特區(qū)降雨類型與生物措施共同作用對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響較少，仍需要更多的實(shí)測(cè)資料研究其規(guī)律，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

鑒于此，本文基于長(zhǎng)期野外徑流小區(qū)定位觀測(cè)試驗(yàn)，利用貴州省螞蟥田小流域水土保持監(jiān)測(cè)站2014—2018年的徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)，挑選出產(chǎn)生土壤侵蝕的侵蝕性降雨場(chǎng)次，分析侵蝕性降雨特征并對(duì)其進(jìn)行分類，并探討不同侵蝕性降雨類型下喀斯特坡面不同生物措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙量。本文旨在研究降雨類型與生物措施影響下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，以期為喀斯特地區(qū)坡面開展生物措施防治水土流失提供參考。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 研究區(qū)概況

關(guān)嶺縣螞蝗田小流域綜合觀測(cè)站位于貴州省關(guān)嶺縣東南部的花江鎮(zhèn)養(yǎng)元村，屬珠江流域北盤江水系螞蝗田小流域。流域總面積為16.26 km2，土地利用類型為耕地、林地及自然恢復(fù)的草地，分別占總面積的40.1%，46.2%和13.7%。螞蝗田小流域是典型的水力侵蝕類型區(qū)，水土流失以面蝕為主，流域內(nèi)水土流失面積為10 km2，占流域面積的61.5%。流域內(nèi)以中、低強(qiáng)度的土壤侵蝕為主，兩者占總侵蝕面積的43.2%，高強(qiáng)度侵蝕面積僅占8.8%（劉超群等，2016）。對(duì)水土流失的治理主要以生物措施為主，包括營(yíng)建水保林、經(jīng)果林和自然恢復(fù)草地。其中水保林占總面積的31.5%，經(jīng)果林占總面積的14.7%。該小流域?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為1236 mm，多年平均氣溫為19.2 ℃，土壤為黃壤。流域內(nèi)主要植被有：柳杉（Cryptomeriafortunei）、杉木（Cunninghamialanceolata）、馬尾松（Pinusmassoniana），女貞（Ligustrumlucidum）、滇柏（Cipressusduclouxiana）等。

徑流小區(qū)于2008年建立，并設(shè)置6種不同的生物措施（詳見表1），其中1、4、5號(hào)小區(qū)的生物措施為經(jīng)果林，樹種為皇冠梨（Pyrusbretschneideri），是研究區(qū)常種植的經(jīng)濟(jì)樹種，參照當(dāng)?shù)氐慕?jīng)營(yíng)措施，每年會(huì)對(duì)經(jīng)果林林下除草及修枝、摘果等人工干擾；2、3號(hào)小區(qū)生物措施為水保林，樹種為女貞，為水土保持林常用樹種，水保林自種植之后不再進(jìn)行任何人工干擾；6號(hào)小區(qū)不施加任何干擾，為自然恢復(fù)草地。自建站開始水土保持監(jiān)測(cè)站就對(duì)坡面徑流小區(qū)進(jìn)行觀測(cè)，截止至2018年底，種植及恢復(fù)期為 10年。每個(gè)小區(qū)的坡度都設(shè)置為 25°，因螞蟥田小流域中坡度＞25°的占33.7%，占比最大，加之25°坡是禁止開墾的臨界坡度。小區(qū)的土壤皆為黃壤，各小區(qū)坡向一致。6個(gè)小區(qū)的長(zhǎng)度為20 m，但寬度有所區(qū)別，其中1、3、5、6號(hào)小區(qū)寬度都為5 m，而2、4號(hào)徑流小區(qū)寬度為10 m。

表1 徑流小區(qū)基本情況Table 1 Runoff plot information

1.2 監(jiān)測(cè)方法及指標(biāo)計(jì)算

本研究在2014年1月—2018年12月對(duì)研究區(qū)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。6個(gè)小區(qū)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：降雨、徑流、土壤侵蝕量。徑流小區(qū)旁布設(shè)1個(gè)自記雨量計(jì)，以采集降雨過程，可獲取降雨量、降雨歷時(shí)、最大雨強(qiáng)、平均雨強(qiáng)等。降雨侵蝕力采用式（1）公式組計(jì)算（繆馳遠(yuǎn)等，2005）：

式中：R為降雨侵蝕力，MJ·mm·hm?2·h?1·a?1；P為降雨量，mm；I30為次降雨過程中連續(xù)30 min最大雨強(qiáng)，mm·h?1；E為一次降雨中某時(shí)段降雨產(chǎn)生的動(dòng)能，MJ·hm?2；E0為次降雨中某時(shí)段單位面積每 mm 降雨產(chǎn)生的能量，MJ·hm?2·mm?1；Ii為次降雨過程中某時(shí)段的降雨量，mm；Ij為次降雨過程中某時(shí)段降雨強(qiáng)度，mm·h?1。

徑流深是將徑流量平鋪至整個(gè)小區(qū)得到深度，計(jì)算如式（2）所示：

式中：h為水深，m；S為集流池的底面積，m2；H為徑流深，m；A為坡面徑流小區(qū)面積，m2。本研究以徑流深來描述產(chǎn)流量的大小。

泥沙量的觀測(cè)方法為使用1 L的取樣瓶采集集流池水樣，每次降雨采集一次，每個(gè)小區(qū)分別采集3個(gè)水樣和泥沙樣品，然后對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室過濾、烘干、稱重。此外，加上從集流槽采集的泥沙量，從而獲次降雨下該小區(qū)的產(chǎn)沙量。一年內(nèi)單位面積的總產(chǎn)沙量為侵蝕模數(shù)，計(jì)算如式（3）所示。

式中：M為土壤侵蝕模數(shù)，t·km?2·a?1；T為小區(qū)年產(chǎn)沙總量，t。

為計(jì)算水保林、經(jīng)果林相較于自然恢復(fù)草地的減沙率，計(jì)算公式如式（4）所示：

式中：D為相對(duì)于自然恢復(fù)草地的減沙率；MNG為自然恢復(fù)草地的產(chǎn)沙量或侵蝕模數(shù)；MSWF/EF為水保林或經(jīng)果林的產(chǎn)沙量或侵蝕模數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

研究區(qū)2014—2018年共發(fā)生744次降雨，其中侵蝕性降雨次數(shù)為120次，占比16.1%。然而，2015年6—7月發(fā)生的8次侵蝕性降雨由于儀器故障未能獲取降雨特征參數(shù)，因而不對(duì)其分類。本文采用SPSS中系統(tǒng)聚類和快速聚類的方法對(duì)侵蝕性降雨進(jìn)行分類，以降雨歷時(shí)、平均雨強(qiáng)、降雨量為特征指標(biāo)，樣本數(shù)為112。圖1所示為聚類的譜系圖，表明可將112次降雨分為三類。本研究將通過各指標(biāo) 25%和 75%分位數(shù)（即將各指標(biāo)從小到大排列，挑選 25%和 75%分位點(diǎn)的數(shù)值）作為對(duì)應(yīng)降雨類型的指標(biāo)取值范圍，以此分析雨型特征（譚順菊等，2016；鄔鈴莉等，2017）。本文利用SPSS中的單因素方差分析方法對(duì)差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，置信水平為95%。

圖1 快速聚類譜系圖Fig.1 Tree diagram of fast clustering

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕性次降雨特征

雨型是次降雨過程中不同降雨強(qiáng)度的組合方式，是影響土壤侵蝕的主要降雨參數(shù)之一（鄔鈴莉等，2017）。為了更準(zhǔn)確地研究不同措施對(duì)侵蝕性降雨的響應(yīng)，以及探究不同侵蝕性降雨類型的侵蝕能力，根據(jù)降雨歷時(shí)、雨量和平均雨強(qiáng)對(duì)研究區(qū)112次侵蝕性降雨進(jìn)行聚類分析，結(jié)果如表2所示，可分為3類，分別對(duì)其命名為A、B、C 3種雨型。本研究采用3個(gè)聚類指標(biāo)的25%和75%分位數(shù)來描述各雨型所具有的特征，A雨型所具有的降雨特征為長(zhǎng)歷時(shí)（1066—1357 min）、中雨量（21.30—34.75 mm）、小雨強(qiáng)（1.12—2.33 mm·h?1）；B 雨型所具有的降雨特征為中歷時(shí)（514—691 min）、大雨量（19.9—56.2 mm）、中雨強(qiáng)（2.50—10.37 mm·h?1）；C 雨型所具有的降雨特征為短歷時(shí)（129—300 min）、小雨量（13.5—28.1 mm）、大雨強(qiáng)（4.6—16.4 mm·h?1）。其中A、B、C各有18，37，57場(chǎng)，分別占到16%、33%、51%，從所占比例表明該地區(qū)侵蝕性次降雨以C雨型為主，即短歷時(shí)、小雨量、大雨強(qiáng)。就降雨侵蝕力的指標(biāo)而言，B雨型的侵蝕力最強(qiáng)（63.2—353.33 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1），C 雨型次之（37.9—202.9 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1），A 雨型最?。?8.58—80.14 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1）。

表2 不同侵蝕性降雨類型特征指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of characteristic index of different erosive rainfall patterns

將 2014—2018年每月發(fā)生的侵蝕性降雨量和各類型侵蝕性降雨發(fā)生次數(shù)的占比平均得到圖2所示的研究區(qū)月降雨特征，由圖可見，侵蝕性降雨集中發(fā)生在 5—10月，占全年總侵蝕性降雨量的93.3%，主要發(fā)生的侵蝕性降雨類型為B雨型和C雨型，占5—10月侵蝕性降雨量的44.1%和40.1%，在5—10月發(fā)生B和C雨型次數(shù)的占比為28.6%和47.3%。而其他月份產(chǎn)生的侵蝕性降雨較少，3種雨型均有產(chǎn)生。

圖2 月平均降雨特征Fig.2 Monthly average rainfall characteristics

2.2 不同生物措施在不同雨型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙分析

將不同生物措施在不同侵蝕性降雨類型下的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量平均，產(chǎn)流量用徑流深表示，結(jié)果如圖3所示?？傮w而言，與上述不同雨型的降雨侵蝕力大小結(jié)果相符，產(chǎn)流產(chǎn)沙量的大小順序依次為：B雨型＞C雨型＞A雨型。晏清洪等（2014）和鄔鈴莉等（2017）研究了北方地區(qū)不同降雨類型對(duì)水土流失的影響，結(jié)果表明產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。在本研究中，B雨型雨量最大，其產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大。然而，A雨型雖然雨量中等，其產(chǎn)流產(chǎn)沙卻是最小的，小于雨量最少的C雨型。原因是A雨型雖然雨量中等，但是雨強(qiáng)最小，且歷時(shí)最長(zhǎng)，導(dǎo)致降雨更容易入滲從而產(chǎn)生較少的徑流。此外，A雨型雨滴對(duì)土壤的擊濺能力較小（表1所示A雨型降雨侵蝕力小于C雨型），產(chǎn)生可搬運(yùn)的土壤顆粒較小，最終表現(xiàn)出 A雨型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最小。而晏清洪等（2014）和鄔鈴莉等（2017）研究的降雨特點(diǎn)多為較強(qiáng)的降雨伴隨較大的降雨量，能產(chǎn)生足夠的土壤顆粒以及搬運(yùn)土壤顆粒的徑流。

圖3 不同雨型下不同生物措施的平均侵蝕量和徑流深Fig.3 Mean erosion and runoff depth for different biological measurements affected by rainfall pattern

從圖3中也能分析得到同一生物措施在不同雨型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量。在3種雨型下，自然恢復(fù)草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量均是最大的，保水保土效果最差。在3種生物措施中，水保林和經(jīng)果林的冠層能夠有效截留降雨，減少動(dòng)能，且葉面積較大，截留量較多，能有效保護(hù)地表從而避免濺蝕，因此水保林和經(jīng)果林的保水保土效果較好。在實(shí)際中，自然恢復(fù)的草地分布不均，降雨對(duì)草被稀疏的部位直接擊濺，從而產(chǎn)生較大的侵蝕，因此需對(duì)自然恢復(fù)的草地優(yōu)化調(diào)整以更好地發(fā)揮水土保持效益。相較于自然恢復(fù)的草地，水保林分別在A、B、C 3種雨型下能夠減少93.4%、81.0%、89.0%的產(chǎn)沙量和減少78.2%、70.9%、75.3%的產(chǎn)流量；經(jīng)果林在A、B、C 3種雨型下能夠減少88.8%、73.0%、78.4%的產(chǎn)沙量和減少65.6%、63.8%、69.7%的產(chǎn)流量。該結(jié)果表明，相較于自然恢復(fù)的草地，水保林和經(jīng)果林在不同雨型下削減產(chǎn)沙的能力為：A雨型＞C雨型＞B雨型。

2.3 不同生物措施下產(chǎn)流產(chǎn)沙的時(shí)間特征

2.3.1 不同生物措施月產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

為得到不同生物措施的月平均產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，將 2014—2018年對(duì)應(yīng)月份不同生物措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙量平均，得到圖4所示的結(jié)果。結(jié)果表明侵蝕性降雨集中發(fā)生在5—10月的豐水季，占全年總產(chǎn)流量的93.2%，產(chǎn)沙量也集中發(fā)生在豐水季，占全年總產(chǎn)沙量的92.6%。而對(duì)于11月至次年4月份的枯水季，產(chǎn)流產(chǎn)沙量相當(dāng)小，占全年總產(chǎn)流量的6.8%和總產(chǎn)沙量的7.4%。在豐水季中5—8月的產(chǎn)流產(chǎn)沙量較大，占全年總總產(chǎn)流量的72.8%和產(chǎn)沙量的75.0%，這4個(gè)月是一年之中水土流失量最大的季節(jié)，因此應(yīng)重點(diǎn)防范。在各月份中，不同生物措施下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量皆表現(xiàn)出：自然修復(fù)草地＞經(jīng)果林＞水保林。在豐水季，產(chǎn)流產(chǎn)沙量主要來源于自然修復(fù)草地，其產(chǎn)流量為18.99 mm、產(chǎn)沙量為9.94 g·m?2，分別占豐水季總產(chǎn)流量的 62.5%和總產(chǎn)沙量的71.9%。而在枯水季，自然修復(fù)草地的產(chǎn)流量為1.15 mm、產(chǎn)沙量為0.79 g·m?2，分別占枯水季總產(chǎn)流量的52.1%和總產(chǎn)沙量的63.2%。結(jié)果表明隨著降雨量的增加，自然恢復(fù)草地的保水保土效果變差。相較于自然恢復(fù)草地，水保林和經(jīng)果林在豐水季能夠削減產(chǎn)流量 85.2%和 75.3%（計(jì)算如式4），在枯水季削減產(chǎn)流量66.7%和41.4%；在豐水季能夠削減產(chǎn)沙量85.2%和75.3%，在枯水季削減產(chǎn)沙量87.0%和54.7%，因此隨著雨量越多，水保林和經(jīng)果林的保水保土效果越好，其中水保林的效果最佳。

圖4 2014—2018年不同生物措施月均產(chǎn)流產(chǎn)沙量Fig.4 Monthly average sediment yield and runoff for different biological measurements from 2014 to 2018

圖4中5月和7月的降雨量差異不顯著，但是5月不同生物措施下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量卻顯著高于7月（P＜0.05）。結(jié)合圖2中各侵蝕性降雨類型發(fā)生占比結(jié)果，5月 A、B、C雨型分別占 5.9%，17.6%和76.5%，侵蝕性較強(qiáng)的B、C雨型共占了94.1%；7月A、B、C雨型分別占22.3%，33.3%，44.4%，侵蝕性較強(qiáng)的B、C雨型僅占了77.7%，5月侵蝕性較強(qiáng)的B、C雨型高于7月，導(dǎo)致5月的產(chǎn)流產(chǎn)沙量較高，該結(jié)果表明當(dāng)降雨量相近時(shí)，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量取決于降雨類型，若發(fā)生侵蝕性較強(qiáng)的B和C雨型雨量較多，則產(chǎn)流產(chǎn)沙量較大。

2.3.2 不同生物措施年產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

圖5所示為研究區(qū)2014—2018年的總產(chǎn)流產(chǎn)沙量，同時(shí)也繪制了年總侵蝕性降雨量及其雨型組成。由圖可見，2014—2018年間侵蝕性降雨量總量增加，且以B和C雨型為主，兩種雨型總計(jì)雨量在每年均達(dá)到了70%以上，其中2014年達(dá)到了95%。不同年份間的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律表現(xiàn)出與侵蝕性降雨量呈正相關(guān)。對(duì)于侵蝕性降雨量相近的2014—2015年（分別為 556.4、546.9 mm），兩年間產(chǎn)流產(chǎn)沙量差異較為顯著（P＜0.05），其原因是雖然侵蝕性降雨量相同，但2014年B和C雨型合計(jì)雨量為530 mm，該值大于2015年的468.6 mm，導(dǎo)致2014年的產(chǎn)流產(chǎn)沙大于2015年，再次證明當(dāng)侵蝕性降雨量相近時(shí)，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙取決于侵蝕性較強(qiáng)的 B和 C雨型占比。

圖5 不同生物措施的年總侵蝕量及徑流深Fig.5 Total erosion and runoff depth for different biological measurements in a year

對(duì)于不同措施下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，自然恢復(fù)草地每年的產(chǎn)流產(chǎn)沙量皆是最大，其保水保土效益最差。表3所示為2014—2018年3種措施下土壤侵蝕模數(shù)，同時(shí)通過式（4）計(jì)算出水保林和經(jīng)果林相對(duì)于自然恢復(fù)的草地的減沙率。自然恢復(fù)草地的侵蝕模數(shù)在 5.59—8.80 t·km?2·a?1，而水保林和經(jīng)果林的侵蝕模數(shù)變化范圍為 0.35—1.90 t·km?2·a?1和0.36—2.73 t·km?2·a?1，水保林和經(jīng)果林具有較佳的保水保土效益。在產(chǎn)沙量較大的 2014—2016年，相較于自然恢復(fù)的草地，水保林的減沙效果能達(dá)到75%以上。

表3 不同生物措施侵蝕模數(shù)及林地相對(duì)自然恢復(fù)草地的減沙效果Table 3 Erosion modulus for different biological measurements and reduction rate for forest compared with natural grassland

3 討論

在以往的研究中以單個(gè)指標(biāo)對(duì)雨型進(jìn)行劃分不能很好的反映降雨特性（秦偉等，2015），往往忽略了雨量與雨強(qiáng)存在的不一致性（溫磊磊等，2012；鄭粉莉等，2016）。在本次研究中通過對(duì)降雨歷時(shí)、降雨量及平均雨強(qiáng)作為劃分依據(jù)，將研究區(qū)發(fā)生的侵蝕性降雨劃分為A、B、C 3種雨型，更加符合實(shí)際情況，劃分的結(jié)果與譚順菊等（2016）在貴州喀斯特區(qū)羊雞沖小流域的結(jié)果類同，但是與北方地區(qū)具有差異（鄔鈴莉等，2017；晏清洪等，2014），主要體現(xiàn)在本研究區(qū)具有綿綿小雨的A雨型，其歷時(shí)較長(zhǎng)（1066—1357 min），雨強(qiáng)較小，雨量中等，而北方地區(qū)往往長(zhǎng)歷時(shí)伴隨著最大的雨量，中等雨強(qiáng)，對(duì)土壤具有較大的侵蝕力。在本研究區(qū)域，A雨型因其降雨侵蝕力最小，對(duì)土壤的打擊有限，使得對(duì)土壤的分離能力較小，因而雖然其具有中等的雨量，但是其產(chǎn)流產(chǎn)沙能力是3種雨型中最小的（降雨侵蝕力多年平均為 85.28 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1）。B 雨型具有最大的降雨侵蝕力，但從實(shí)際的產(chǎn)流產(chǎn)沙來看，B、C雨型對(duì)坡面的侵蝕能力相當(dāng)，且B、C雨型的發(fā)生頻率非常高，兩者在每年的發(fā)生頻率均達(dá)到了70%以上，應(yīng)當(dāng)對(duì)這兩種降雨進(jìn)行重點(diǎn)防范。

在本研究中自然恢復(fù)草地、水保林和經(jīng)果林2014—2018年平均侵蝕模數(shù)分別為7.25，1.09，1.59 t·km?2·a?1，相較于貴州喀斯特區(qū)多年平均土壤模數(shù)為 279.47 t·km?2·a?1（李瑞等，2019），3 種措施均發(fā)揮了不同程度的水土保持效益，土壤侵蝕分別減少了97.40%，99.61%和99.43%。本研究中3種生物措施的土壤侵蝕模數(shù)遠(yuǎn)小于貴州喀斯特區(qū)多年平均土壤模數(shù)的原因有兩方面，一者是植被的攔蓄效果，另一方面是喀斯特區(qū)坡面尺度的土壤流失量小于小流域尺度的土壤流失。表 4所示為喀斯特區(qū)坡面和流域尺度得到的土壤侵蝕模數(shù)，在坡面尺度得到的土壤侵蝕模數(shù)為 0—86.17 t·km?2·a?1，而流域尺度得到的土壤侵蝕模數(shù)為64.3—476.66 t·km?2·a?1，結(jié)果表明流域尺度的土壤侵蝕模數(shù)顯著大于坡面尺度（P＜0.05）。主要原因是在喀斯特地區(qū)由于可溶性碳酸巖的影響，地下會(huì)形成裂隙、溶洞等通道（Dai et al.，2017a），從而土壤和徑流會(huì)沿地下裂隙運(yùn)動(dòng)，通過地下匯入河網(wǎng)（Dai et al.，2017b），而坡面尺度的徑流小區(qū)僅能觀測(cè)地表的水土流失，因此導(dǎo)致流域尺度觀測(cè)到的土壤侵蝕高于坡面尺度。

表4 喀斯特區(qū)坡面和流域尺度的土壤侵蝕模數(shù)Table 4 Soil erosion modulus on slope and watershed scale in karst region

在本研究中的3種生物措施均能較好的發(fā)揮保水保土功能，但是對(duì)于不同生物措施的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，本研究中的大小順序?yàn)椋鹤匀恍迯?fù)草地＞水保林＞經(jīng)果林。該研究結(jié)果與劉鳳仙（2007），張文源（2015），柏勇等（2018）在喀斯特地區(qū)的研究結(jié)果一致。相較于林地，自然修復(fù)草地缺少林冠層的截留以及裸地的零星分布，致使雨滴擊濺地表，產(chǎn)流產(chǎn)沙量較大。就本研究而言，水保林的產(chǎn)流產(chǎn)沙量小于經(jīng)果林，但是差異并不顯著（P＜0.05）。水保林的林下具有草被，而經(jīng)果林會(huì)定期除草，林下的草被能截留部分降雨及保護(hù)地表；另外，經(jīng)果林的人為干預(yù)也會(huì)造成一定量的水土流失，致使水保林的保水保土效果優(yōu)于經(jīng)果林。根據(jù)本研究結(jié)果，后續(xù)應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注自然恢復(fù)的草地，優(yōu)化草被格局，從而更好地提升其水土保持效果。對(duì)于宜發(fā)展經(jīng)果林的坡面應(yīng)當(dāng)考慮種植經(jīng)果林，雖然其水土保持效益稍小于水保林，但是經(jīng)果林具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，能夠緩解當(dāng)?shù)氐娜说孛軉栴}。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)侵蝕性降雨雨型主要分為3大類：A雨型為長(zhǎng)歷時(shí)、中雨量、小雨強(qiáng)；B雨型為中歷時(shí)、大雨量、中雨強(qiáng)；C雨型為短歷時(shí)、小雨量、大雨強(qiáng)。B和C雨型是引起研究區(qū)水土流失的主要雨型。

（2）3種不同生物措施在不同侵蝕性降雨類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大小順序?yàn)椋築雨型＞C雨型＞A雨型。

（3）降雨高峰區(qū)在5—10月，占全年總侵蝕降雨量的93.3%，以B、C雨型為主。同時(shí)5—10月也是產(chǎn)流產(chǎn)沙的高峰區(qū)，占全年總產(chǎn)流量的93.2%，占全年總產(chǎn)沙量的92.6%。

（4）當(dāng)降雨量相同時(shí)，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量取決于降雨類型，若發(fā)生較多場(chǎng)次的B和C侵蝕性降雨雨型，則產(chǎn)流產(chǎn)沙量較大。

（5）3種坡面生物措施中的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大小順序?yàn)椋鹤匀换謴?fù)草地＞水保林＞經(jīng)果林，水保林和經(jīng)果林的侵蝕產(chǎn)流量差異不顯著。相較于自然恢復(fù)草地，水保林和經(jīng)果林能夠減少產(chǎn)沙量達(dá)50%以上。在不同雨型下兩種林地削減產(chǎn)沙的效果也不同，其減沙能力大小為：A雨型＞C雨型＞B雨型。