大別山區(qū)板栗林地水土流失特性研究

楊 偉, 李 璐, 歐陽曙光, 余 冰, 聶斌斌

(1.湖北省水利水電科學(xué)研究院， 湖北 武漢 430070; 2.黃岡市農(nóng)田水利與水土保持研究所， 湖北 黃岡 438021; 3.湖北省水土保持工程技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430070)

林地通過林冠、灌草以及地表枯枝落葉層、腐殖質(zhì)層等有效削弱降雨對土壤的濺擊侵蝕力，減少地表徑流、滯緩流速，降低徑流的沖蝕力，是防止水土流失的有效措施[1]。但在南方紅壤丘陵區(qū)，許多林地下土壤被覆匱乏、植物群落結(jié)構(gòu)單一，導(dǎo)致林地成為水土流失的重要策源地之一[2-4]。以福建長汀縣為例，2014年長汀縣林下水土流失面積312 km2，占總林地面積的1/8[3]。林下水土流失可分為兩大類，一類是馬尾松[5]、桉樹等[6]人工生態(tài)林，由于林種單一、林下蓋度低，易發(fā)生水土流失；另一類是茶園、果園等經(jīng)果林，由于翻耕、施肥、除草等導(dǎo)致林下植被減少和土壤結(jié)構(gòu)破壞，從而產(chǎn)生水土流失[7]。

板栗是中國分布較廣的一種經(jīng)果林種。在北方板栗主要產(chǎn)區(qū)之一的燕山地區(qū)，15°以上板栗林土壤侵蝕模數(shù)達(dá)3 500～5 000 t/(km2·a)[8-9]，>25°土壤侵蝕模數(shù)甚至高達(dá)到12 160.9 t/(km2·a)[10]，達(dá)到極強(qiáng)烈侵蝕程度。板栗林占河北省興隆縣全縣水土流失總面積的1/4，該縣每年因板栗林形成的土壤流失總量達(dá)1.40×106t。因?yàn)閹淼乃亮魇Х秶鷱V、面積大、侵蝕強(qiáng)度高、危害嚴(yán)重，板栗林已成為燕山山區(qū)水土流失的主要策源地之一[4]。此外，根據(jù)對浙江省幾種典型坡地經(jīng)濟(jì)林水土流失的研究，板栗林坡地水土流失最為嚴(yán)重[8]。

大別山區(qū)位于湖北、安徽、河南三省交界處，是中國中部地區(qū)的重要生態(tài)功能區(qū)和長江中下游地區(qū)的重要生態(tài)屏障，也是3省水土流失嚴(yán)重的區(qū)域之一[11]，同時(shí)也是全國重要的板栗產(chǎn)地，僅麻城、羅田、紅安3個(gè)縣市的板栗種植面積就達(dá)到1.33×105hm2。因此，研究掌握大別山區(qū)板栗林下水土流失情況，對深入開展大別山區(qū)水土流失綜合防治，保障大別山區(qū)生態(tài)安全具有重要意義。為此，本研究以黃岡市羅田縣龍井河小流域板栗徑流小區(qū)為對象，對大別山區(qū)板栗林下水土流失特性進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于大別山區(qū)中部湖北省黃岡市羅田縣南部白蓮河鄉(xiāng)，長江一級支流浠水河上游龍井河小流域。羅田縣是全國板栗第一縣，其面積、產(chǎn)量全國第一，羅田板栗是國家地理標(biāo)志產(chǎn)品。龍井河小流域面積3.36 km2，多年平均降水量1 447 mm，最大年降水量2 615 mm，最小年降水量796 mm，年均徑流深730 mm，多年平均溫度17 ℃，≥10 ℃積溫4 919 ℃，年無霜期243 d。小流域土壤主要為花崗片麻巖發(fā)育的黃棕壤，土層淺薄，土體中抗風(fēng)化的石英、長石砂礫含量高，黏結(jié)能力極差，養(yǎng)分貧瘠，當(dāng)?shù)赜址Q為“麻骨土”[12]。

1.2 徑流小區(qū)布設(shè)

徑流小區(qū)觀測試驗(yàn)在羅田縣龍井河水土保持觀測站進(jìn)行(東經(jīng)115°26′57″，北緯30°40′39″)，觀測站建于2009年，設(shè)有坡面徑流場、小流域控制站、氣象觀測站等設(shè)施，其地質(zhì)土壤、氣候條件及地表狀況基本代表大別山區(qū)南麓特征。2014—2018年選取10°，15°和20°板栗小區(qū)開展水土流失定位觀測，為對比板栗林對水土流失的影響，同時(shí)選取10°，15°撂荒小區(qū)作為對照。小區(qū)均為標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，水平投影坡長20 m，寬5 m，板栗林栽植于2010年，栽植密度2 m×2 m。各小區(qū)每年3月和7月各人工鋤草1次。徑流小區(qū)情況詳見圖1和表1。

圖1 龍井河監(jiān)測點(diǎn)(攝于2016年)

1.3 指標(biāo)觀測與計(jì)算

徑流小區(qū)底部設(shè)置集流桶，每次降雨后測量集流桶水深，攪拌均勻后用1 L取樣瓶取樣帶回實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用量筒測量樣品體積，過濾、烘干后計(jì)算樣品泥沙含量。根據(jù)樣品泥沙含量、集流桶水深換算本次降雨總徑流量、泥沙量。

表1 徑流試驗(yàn)小區(qū)基本情況

本研究以次降雨為單位，對2014—2018年侵蝕性降雨特征進(jìn)行研究。次降雨侵蝕模數(shù)根據(jù)每個(gè)小區(qū)次降雨總泥沙量、小區(qū)面積和降雨歷時(shí)計(jì)算，并根據(jù)《土壤侵蝕強(qiáng)度分類分級標(biāo)準(zhǔn)》將其劃分為微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、劇烈、極強(qiáng)烈6個(gè)等級。植被覆蓋度每次降雨后采用目估法觀測，并分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，植被覆蓋度分別為0%～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%[13]。降雨由自動(dòng)氣象站觀測獲取。降雨侵蝕力因子(R)采用EI30法計(jì)算[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征

2014—2018年龍井河觀測站5 a所有侵蝕性降雨場次，平均降雨量62.95 mm/d，平均最大30 min雨強(qiáng)為26.85 mm，平均最大60 min雨強(qiáng)為19.64 mm，平均降雨侵蝕力252.26 MJ·mm/(hm2·h)。降雨量和降雨強(qiáng)度變異相對較小，降雨侵蝕力變異幅度較大。說明即使相同的降雨量和平均雨強(qiáng)下，由于降雨過程的不均勻性，降雨侵蝕力也并不相同(表2)。

表2 觀測站2014-2018年平均次降雨參數(shù)及降雨侵蝕力統(tǒng)計(jì)

2014—2018年龍井河侵蝕性降雨的年平均次降雨量、年平均次降雨強(qiáng)度、年平均最大30 min雨強(qiáng)和年平均次降雨侵蝕力變化如圖2所示。

圖2 降雨參數(shù)與降雨侵蝕力年際變化

從年際變化來看，年平均次降雨量、年平均最大30 min雨強(qiáng)和年平均次降雨侵蝕力最高值均出現(xiàn)在2017年，年平均降雨強(qiáng)度最高值則出現(xiàn)在2015年。年平均降雨量和年平均降雨侵蝕力最低值出現(xiàn)在2018年，年平均最大30 min雨強(qiáng)最低值出現(xiàn)在2015年，年平均次降雨強(qiáng)度最高值則出現(xiàn)在2014年。一般認(rèn)為降雨侵蝕力主要受斷點(diǎn)雨強(qiáng)、降雨量和最大時(shí)間段雨強(qiáng)影響，且與這3個(gè)因子正相關(guān)[15-16]。本研究降雨侵蝕力變化趨勢與降雨量的變化趨勢較為接近，與降雨強(qiáng)度變化趨勢差異較大。

2.2 植被覆蓋度特征

相同坡度下，板栗小區(qū)植被覆蓋度高于撂荒小區(qū)，但由于10°小區(qū)部分板栗植株長勢較差，因此15°板栗小區(qū)和撂荒小區(qū)植被覆蓋度差異更加明顯。板栗小區(qū)有Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ這4個(gè)植被覆蓋度等級，其平均植被覆蓋度分別為35.24%，60.00%，72.06%和89.39%，撂荒小區(qū)有Ⅰ，Ⅳ，Ⅴ這3個(gè)植被覆蓋度等級，其平均植被覆蓋度分別為6.53%，75.00%，86.15%。比較不同坡度的植被覆蓋度(圖3)，不同坡度撂荒小區(qū)植被覆蓋度變化不大，15°撂荒小區(qū)植被覆蓋度略高于10°撂荒小區(qū)，但差異不明顯；不同坡度板栗林小區(qū)植被覆蓋度差異較大，植被覆蓋度隨坡度增加而增大，15°板栗小區(qū)植被覆蓋度顯著高于10°板栗小區(qū)，20°板栗小區(qū)植被覆蓋度高于15°板栗小區(qū)，但差距相對較小。

2.3 徑流泥沙特征

分析不同小區(qū)2014—2018年歷次侵蝕性降雨的平均泥沙含量、徑流量和侵蝕量。比較板栗和撂荒2種土地利用(圖4)，10°，15°板栗小區(qū)徑流量和侵蝕量均值均高于撂荒小區(qū)，說明在這兩種坡度條件下，板栗林土壤侵蝕較撂荒地更加嚴(yán)重。10°板栗小區(qū)與撂荒小區(qū)的泥沙含量、徑流量和侵蝕量之間的差距均比15°小區(qū)要低，可能是由于10°板栗林小區(qū)與撂荒小區(qū)的泥沙含量、徑流量和侵蝕量較低。

圖3 徑流小區(qū)植被覆蓋度

15°撂荒小區(qū)的平均含沙量和侵蝕量高于10°撂荒小區(qū)，平均徑流量兩種坡度則較為接近。板栗小區(qū)的平均泥沙含量、徑流量和侵蝕量均為15°最大，20°最小。板栗小區(qū)植被覆蓋度隨坡度增加而增加，但是由于板栗爭奪養(yǎng)分和遮擋光照等因素，林下蓋度反而降低。20°小區(qū)雖然林下蓋度小于10°小區(qū)，但由于其板栗林郁閉度高，整體植被覆蓋度明顯高于10°小區(qū)，林冠對降雨侵蝕的削弱作用大于林下蓋度降低和坡度增加對降雨侵蝕的促進(jìn)作用，因此20°板栗小區(qū)泥沙含量、徑流量和侵蝕量均小于10°板栗小區(qū)。15°板栗小區(qū)林下蓋度和總體植被覆蓋度介于10°和20°板栗小區(qū)之間，林冠對降雨侵蝕的削弱作用小于林下蓋度降低和坡度增加對降雨侵蝕的促進(jìn)作用，因此15°板栗小區(qū)泥沙含量、徑流量和侵蝕量均大于10°板栗小區(qū)。

板栗小區(qū)泥沙含量、徑流量和侵蝕量最大值出現(xiàn)在15°，說明板栗林水土流失并非隨著坡度增加而增加，在大別山的降雨、土壤條件下，其土壤侵蝕峰值(即臨界坡度)在15°左右。國內(nèi)對北方黃土地區(qū)的土壤侵蝕坡度進(jìn)行了較多研究，陳法揚(yáng)[17]、鄭粉莉[18]、王玉寬等[19]認(rèn)為黃土地區(qū)的土壤侵蝕臨界坡度在25°或26°左右，與本研究結(jié)果存在一定差異，說明臨界坡度并不是固定值。在不同區(qū)域，由于土壤性質(zhì)的不同，其臨界坡度有所不同。對于林地，由于林、灌、草的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以及郁閉度、林下蓋度相互影響并隨時(shí)間的變化，其臨界坡度更為復(fù)雜。

圖4 不同徑流小區(qū)主要侵蝕參數(shù)變化

分析不同植被覆蓋度的平均泥沙含量、徑流量和侵蝕量(表3)。10°小區(qū)4種不同植被覆蓋度的平均含沙量大小順序表現(xiàn)為：Ⅰ>Ⅱ> Ⅳ>Ⅴ> Ⅲ；平均徑流量表現(xiàn)為：Ⅰ > Ⅳ > Ⅲ > Ⅱ > Ⅴ；平均侵蝕量表現(xiàn)為：Ⅰ > Ⅳ> Ⅱ > Ⅴ > Ⅲ。平均含沙量、徑流量和侵蝕量均為Ⅰ級植被覆蓋度最高，含沙量和侵蝕量Ⅲ級植被覆蓋度最低，徑流量Ⅱ級植被覆蓋度最低。15°小區(qū)Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ這3個(gè)植被覆蓋等級平均含沙量關(guān)系表現(xiàn)為：Ⅰ> Ⅲ> Ⅴ；平均徑流量表現(xiàn)為：Ⅰ> Ⅴ> Ⅲ；侵蝕量表現(xiàn)為：Ⅰ> Ⅴ> Ⅲ，其結(jié)果與10°小區(qū)較類似，平均含沙量、徑流量和侵蝕量在Ⅰ級植被覆蓋度時(shí)最高，徑流量和侵蝕量在Ⅲ級植被覆蓋度時(shí)最低，平均含沙量則在Ⅴ級植被覆蓋度時(shí)最低。該結(jié)果表明在植被覆蓋度較低時(shí)土壤侵蝕嚴(yán)重，含沙量、徑流量和侵蝕量較高；隨著植被覆蓋度的增加，土壤侵蝕程度減弱。但由于林下水土流失的存在，植被覆蓋率最高時(shí)(Ⅳ級、Ⅴ級)，土壤侵蝕程度并未達(dá)到最低，徑流量和侵蝕量最低值常常出現(xiàn)在中等植被覆蓋度(Ⅲ)級。李宗勛等[20]對馬尾松林下水土流失研究也發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果，郁閉度0.2，0.8的馬尾松林產(chǎn)流產(chǎn)沙量均高于郁閉度0.4，0.6的馬尾松林。

表3 龍井河不同土地利用植被覆蓋分布特征

2.4 侵蝕強(qiáng)度

板栗林小區(qū)侵蝕性次降雨微度、輕度、中度、強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈、劇烈侵蝕6種侵蝕強(qiáng)度等級均存在，所占比例分別為24.56%，42.98%，5.26%，7.89%，7.89%和11.40%。撂荒小區(qū)只有微度、輕度、中度和強(qiáng)烈4種侵蝕強(qiáng)度等級，未發(fā)生極強(qiáng)烈侵蝕和劇烈侵蝕，4種侵蝕等級所占比例分別為19.74%，57.89%，1.32%和21.05%。撂荒小區(qū)發(fā)生輕度及以下土壤侵蝕的頻率高于板栗林小區(qū)，且板栗小區(qū)的微度、輕度和強(qiáng)烈侵蝕的侵蝕模數(shù)平均值均大于撂荒小區(qū)，僅有中度侵蝕的侵蝕模數(shù)小于撂荒小區(qū)。整體上也說明撂荒地土壤侵蝕程度弱于板栗林小區(qū)(圖5)。比較不同小區(qū)土壤流失量、侵蝕模數(shù)和降雨侵蝕力及植被覆蓋的關(guān)系，僅有個(gè)別小區(qū)存在明顯的線性關(guān)系。

圖5 不同徑流小區(qū)侵蝕強(qiáng)度及頻數(shù)

3 結(jié) 論

本研究以次降雨為研究對象，對2014—2018年大別山區(qū)不同坡度板栗林及對照撂荒小區(qū)的徑流、泥沙、侵蝕模數(shù)、植被覆蓋度等進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)在同等降雨條件下，雖然板栗林植被覆蓋度更高，但由于林下蓋度較低，板栗林土壤侵蝕程度較撂荒地更加嚴(yán)重，存在較明顯的林下水土流失現(xiàn)象。植被覆蓋度越低土壤侵蝕越嚴(yán)重，但植被覆蓋度最高時(shí)土壤侵蝕程度并不一定最弱，說明在相同降雨、土壤條件下，植被覆蓋度不能作為反映土壤侵蝕程度的唯一指標(biāo)，必須考慮植被林分結(jié)構(gòu)。板栗林水土流失并非隨坡度的增大而不斷增加，其侵蝕峰值(臨界坡度)在15°左右。與茶園、果園等經(jīng)果林相比，板栗林翻耕、除草、施肥等頻次較低，人為活動(dòng)對土壤結(jié)構(gòu)破壞相對較弱。板栗林下水土流失主要是由于板栗林通過爭奪養(yǎng)分、影響光照等抑制林下植被生長，降低林下蓋度，從而引起林下水土流失。