川東丘陵區(qū)柏木林水土保持措施徑流調(diào)控效果對(duì)比

尹婧， 康必均， 李菲， 查同剛， 齊實(shí)， 何凡*， 張爽， 張俊潔， 何歡

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038； 2.華鎣市天池國(guó)有林場(chǎng)， 華鎣 638600； 3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院， 北京 100083； 4.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心(北京林業(yè)大學(xué))， 北京 100083)

川東地區(qū)處于中國(guó)地形階梯的過(guò)渡帶上，地形起伏，坡度變化較大，其特殊的地理位置和環(huán)流條件使得該區(qū)域高溫和暴雨等極端氣候事件高發(fā)[1]。大強(qiáng)度的極端氣候事件易于造成嚴(yán)重的水土流失，甚至誘發(fā)山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重危及當(dāng)?shù)厝嗣竦纳踩?、社?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，成為影響當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的主要障礙、危害區(qū)域生態(tài)安全的重要因素，特別是川東盆地人口密集區(qū)[2-5]。有研究發(fā)現(xiàn)近54年來(lái)川東盆地暴雨發(fā)生強(qiáng)度增加了1.66%[1]，生態(tài)安全面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

如何修復(fù)和改善該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和減少水土流失，一直受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。在長(zhǎng)期的水土保持科學(xué)研究和治理實(shí)踐中，產(chǎn)生了諸多水土流失治理措施，成了控制水土流失的主要手段，這些治理措施總體可以分為林草措施(植被措施)、耕作措施和工程措施[6-7]。學(xué)者們?cè)谥袊?guó)不同區(qū)域，圍繞水土保持措施的治理效果，開(kāi)展了大量的對(duì)比試驗(yàn)研究。

黃土高原區(qū)是中國(guó)水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)，許多學(xué)者對(duì)水土保持措施效果和防治機(jī)理開(kāi)展了廣泛的研究。蔣定生等[8]在高原丘陵溝壑區(qū)的研究認(rèn)為植被是防止土壤侵蝕的重要途徑，當(dāng)植被覆蓋度小于40%時(shí)，減沙效益明顯降低；耕作措施在保持水土中發(fā)揮重要作用，在坡耕地上推行水平溝種植和草糧等高帶狀間作等水土保持耕作措施，可減少侵蝕模數(shù)37%～56%。穆興民[9]從機(jī)理上研究了黃土高原區(qū)水土保持工程措施對(duì)土壤水分的影響，水土保持工程通過(guò)改變地形而縮短徑流線，提高入滲和減少?gòu)搅髁康燃訌?qiáng)降水的就地?cái)r蓄和入滲，從而有效提高了土壤含水率，有效解決了黃土高原水土流失區(qū)普遍存在的土壤干旱和水分的徑流損失、土壤瘠薄和耕層土壤流失的矛盾。而深根系人工林草植被使土壤含水率降低，甚至造成利用性土壤干層，影響人工植被的永續(xù)發(fā)展。孫從建等[10]對(duì)比了黃土塬區(qū)林地、灌木、撂荒地、人工種草和耕地5種植被措施在不同侵蝕性降雨下減沙率和減流率的變化規(guī)律，5種植被措施在不同降雨類型下均有明顯的水土保持效應(yīng)，在不同類型降雨下不同植物措施減沙率和減流率變化規(guī)律不同。

東北黑土區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，長(zhǎng)期的開(kāi)墾使得坡耕地水土流失加劇。學(xué)者們圍繞水土保持耕作、工程措施效果開(kāi)展了廣泛的對(duì)比研究。在典型侵蝕區(qū)，張少良等[11]對(duì)免耕、少耕、傳統(tǒng)耕作和橫坡壟作4種耕作措施，許曉鴻等[12]對(duì)坡耕地留茬、輪作和秸稈還田3種耕作措施的保水保土功效進(jìn)行了對(duì)比研究。在低山丘陵區(qū)，韓富偉等[13]對(duì)順壟、地埂植物帶、荒山灌木梗、水平臺(tái)田4種水土保持耕作措施的侵蝕模數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究。

南方紅壤區(qū)多暴雨，加之強(qiáng)人類活動(dòng)的干擾，使得該區(qū)域成為中國(guó)水土流失最廣、程度最高的區(qū)域之一。降雨是南方紅壤區(qū)土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蛩?，植被是水土流失治理的主要措施，為此學(xué)者們針對(duì)不同降雨條件下的植被措施效果開(kāi)展了大量的對(duì)比研究。陳洋等[14]對(duì)典型侵蝕降雨模式下灌草混交林、草地、低灌林、喬木林、高灌林5種不同植被結(jié)構(gòu)類型的水土保持功能進(jìn)行了對(duì)比研究。姚沖等[15]對(duì)暴雨條件下林下喬灌草結(jié)構(gòu)、低效林改造、自然恢復(fù)3種水土保持植被恢復(fù)措施的初始入滲率、累積入滲量、減流減沙效益進(jìn)行了比較研究。李桂靜等[16]對(duì)施肥改良、封育、人工補(bǔ)植3種林下植被措施的年均減流減沙效益進(jìn)行了對(duì)比研究。

以上研究多是圍繞研究區(qū)施用最廣泛的水土保持措施開(kāi)展的效果對(duì)比研究，這些研究成果對(duì)于當(dāng)?shù)氐乃帘３止ぷ骶哂兄匾膽?yīng)用價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。整體來(lái)看，研究對(duì)象主要針對(duì)坡耕地的水土保持耕作措施和工程措施，林地的水土保持植被措施，而針對(duì)林地的水土保持工程措施效果的研究較少，尤其是基于小區(qū)域或坡面尺度的人工純林[7]。客觀上，小區(qū)域或坡面尺度的試驗(yàn)研究將水土保持措施對(duì)水資源的影響由點(diǎn)到面、由小區(qū)域推到大區(qū)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也對(duì)大區(qū)域或大流域范圍的減水效益評(píng)價(jià)發(fā)揮了重要作用[17]。

川東地區(qū)是中國(guó)重要的生態(tài)功能區(qū)，生態(tài)多樣性保護(hù)的關(guān)鍵區(qū)，人工林更是在長(zhǎng)江中上游生態(tài)安全屏障中發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、防治水土流失的關(guān)鍵性作用。為此，本研究以地處川東丘陵山地區(qū)的華鎣山柏木林(Cupressusfunebris)為研究對(duì)象，基于野外徑流小區(qū)降雨徑流原位觀測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同雨型下柏木林水土保持工程措施的徑流調(diào)控效果，以期為川東地區(qū)人工林坡面水土流失工程防治技術(shù)的研發(fā)、流域綜合治理中水土保持措施的空間配置提供試驗(yàn)依據(jù)和理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省華鎣市(30°25′21″N， 106°50′2″E)，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為1 200 mm，降雨主要集中在5—8月，占全年降雨量的70%。年平均氣溫為18 ℃，氣溫變化范圍為-2～42 ℃。試驗(yàn)地為一個(gè)完整的陡坡坡面，平均坡度為33°，海拔565～600 m。坡面由單一的柏木樹(shù)種和稀疏的雜草構(gòu)成，見(jiàn)圖1。柏木林是21世紀(jì)初退耕還林工程，在原始植被退化坡面進(jìn)行的飛播造林。柏木作為川東地區(qū)主要的造林樹(shù)種，被廣泛應(yīng)用于土層瘠薄、植被恢復(fù)困難的陡坡坡面。

研究區(qū)喀斯特地貌突出，土質(zhì)為石灰?guī)r土質(zhì)，黃壤，土層薄，肥力低，局部地區(qū)呈現(xiàn)石漠化。嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致柏木林生長(zhǎng)發(fā)育狀況差，樹(shù)種冠幅較小，平均冠幅0.89 m2，平均樹(shù)高2.60 m，平均胸徑2.78 cm。地表植被覆蓋度(除柏木以外的雜草)56.10%，林分整體未達(dá)到郁閉，不具備更新能力，保持水土、涵養(yǎng)水源的生態(tài)服務(wù)功能不斷下降。

圖1 徑流小區(qū)柏木概況Fig.1 Overview of Cypresses in runoff plots

2 試驗(yàn)方案

基于試驗(yàn)區(qū)樣地調(diào)查取樣的試驗(yàn)分析結(jié)果，以及實(shí)際地形特征的探測(cè)，在柏木林試驗(yàn)區(qū)一個(gè)完整坡面上建立了9個(gè)徑流小區(qū)，徑流小區(qū)的基本情況見(jiàn)表1。徑流小區(qū)長(zhǎng)寬：10 m×5 m，每個(gè)徑流小區(qū)下部均建有一個(gè)徑流池，徑流池長(zhǎng)寬高：2 m×1 m×1 m，用于收集每場(chǎng)降雨中徑流小區(qū)所有坡面產(chǎn)流。每個(gè)徑流小區(qū)的徑流池底部均放置了一個(gè)美國(guó)onset生產(chǎn)的U20-001-04壓力式水位記錄儀，用于精確記錄每場(chǎng)降雨中徑流小區(qū)的坡面產(chǎn)流量(試驗(yàn)設(shè)置每10 min記錄一次徑流池內(nèi)的水壓力數(shù)據(jù)，扣除掉大氣壓力后，將水壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成徑流數(shù)據(jù))。安置在柏木林試驗(yàn)區(qū)坡面的小型氣象站用于觀測(cè)記錄試驗(yàn)區(qū)內(nèi)每場(chǎng)降雨的降雨量、氣溫、氣壓、風(fēng)速等氣象因素。

根據(jù)降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[18]，對(duì)2019年研究區(qū)觀測(cè)到的降雨進(jìn)行了雨型的劃分：降雨量<5.0 mm/12 h(<10.0 mm/24 h)為小雨；降雨量5.0～15.0 mm/12 h(10.1～25.0 mm/24 h)為中雨；15.1～30.0 mm/12 h(25.1～50.0 mm/24 h)為大雨；30.1～70.0 mm/12 h(51.0～100.0 mm/24 h)為暴雨。

在2019年5—10月的降雨觀測(cè)過(guò)程中，共收集降雨63場(chǎng)，降雨總量為774.3 mm，降雨總歷時(shí)達(dá)到了268.26 h，平均雨強(qiáng)2.89 mm/ h。觀測(cè)到的降雨共包含了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨這5種降雨類型。其中，小雨和中雨共48場(chǎng)，占降雨總場(chǎng)次的76.19%，大雨、暴雨、大暴雨共15場(chǎng)，占降雨總場(chǎng)次的23.81%。雖然大雨、暴雨、大暴雨這三種類型降雨的場(chǎng)次較少，但是它們的總雨量達(dá)到了518.8 mm，占總降雨量的67.00%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了小雨、中雨的雨量之和255.5 mm，見(jiàn)表2。

表1 柏木林徑流小區(qū)基本情況Table 1 The runoff plots basic information of cypresses plantation

2019年5—10月，共收集到有坡面產(chǎn)流的降雨20場(chǎng)，其中，水土保持措施(簡(jiǎn)稱“措施”)布設(shè)前(6月26日)有7場(chǎng)降雨，措施布設(shè)后有13場(chǎng)降雨。措施布設(shè)前7場(chǎng)降雨徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)用于徑流小區(qū)降雨-產(chǎn)流特性的本底值分析，作為措施徑流小區(qū)(簡(jiǎn)稱“措施小區(qū)”)和非措施徑流小區(qū)(簡(jiǎn)稱“對(duì)照小區(qū)”)的劃分依據(jù)。措施布設(shè)后的13場(chǎng)降雨徑流觀測(cè)數(shù)據(jù)用于措施小區(qū)和對(duì)照小區(qū)坡面產(chǎn)流試驗(yàn)的對(duì)比分析。

為選出與措施小區(qū)產(chǎn)、匯流條件最為相似的對(duì)照小區(qū)，本研究采用SPSS工具，對(duì)徑流小區(qū)未采取措施前(6月26日前)的7場(chǎng)降雨徑流系數(shù)進(jìn)行了單因素方差分析和多重比較檢驗(yàn)。方差分析表明，顯著性sig.=0.239，P>0.05，9個(gè)樣地的徑流系數(shù)之間的差別沒(méi)有顯著意義(P﹥0.05)?；诜讲罘治鼋Y(jié)果，依據(jù)措施小區(qū)和對(duì)照小區(qū)坡向一致、坡度相近、空間位置盡可能毗鄰的原則，最終確定措施小區(qū)和對(duì)照小區(qū)，各徑流小區(qū)水土保持措施布設(shè)情況見(jiàn)表3。

表2 2019年5—10月試驗(yàn)區(qū)降雨情況Table 2 Rainfall of the test area between June and October in 2019

表3 柏木林徑流小區(qū)水土保持措施布設(shè)情況Table 3 Layout of soil and water conservation measures in runoff plots of cupressus plantation

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流系數(shù)變化

徑流系數(shù)代表徑流和降雨之間關(guān)系的系數(shù)，是表征流域降雨產(chǎn)流多少的重要參數(shù)，它綜合反映了一個(gè)地區(qū)或流域內(nèi)地質(zhì)、土壤和植被等地表狀況對(duì)降水形成徑流過(guò)程的影響，即降雨條件下的坡面產(chǎn)匯流能力[19]。由于其過(guò)程的復(fù)雜性導(dǎo)致徑流系數(shù)受降雨過(guò)程、土壤性質(zhì)、流域坡度、土地利用類型以及先前濕潤(rùn)狀況等因素綜合影響[20-21]。在概率統(tǒng)計(jì)中，標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差越大，表明數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)的離散程度越大[22]。水土保持措施布設(shè)后，將場(chǎng)降雨下9個(gè)徑流小區(qū)的徑流系數(shù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)集，對(duì)比了20場(chǎng)降雨下(13場(chǎng)措施后，7場(chǎng)措施前)徑流小區(qū)徑流系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，見(jiàn)表4。

總體來(lái)看，措施布設(shè)前后，觀測(cè)降雨按照雨量、雨強(qiáng)從小到大排序，徑流小區(qū)的徑流系數(shù)平均值隨著雨量逐漸增大、雨強(qiáng)逐漸增強(qiáng)而增大，即隨著雨量逐漸增大、雨強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，徑流小區(qū)的產(chǎn)流量隨之逐漸增大。但排在最后面場(chǎng)降雨，徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差卻是最小的，即雨量小、雨強(qiáng)弱的降雨和雨量大、雨強(qiáng)強(qiáng)的降雨，徑流小區(qū)徑流系數(shù)均差異小，雖然兩種雨型下徑流小區(qū)的產(chǎn)流能力差異很大。措施布設(shè)前的6月5日降雨和措施布設(shè)后的8月8日降雨均是大雨強(qiáng)暴雨，徑流系數(shù)平均值分別在措施前、后的降雨序列中最大，達(dá)到了0.55和0.70，產(chǎn)流能力最強(qiáng)，但這兩場(chǎng)降雨的徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差卻都僅有0.05，與措施前小雨量、低雨強(qiáng)的9月19日、9月17日、9月6日、7月4日降雨和措施后的6月9日、6月25日降雨徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差接近?？梢?jiàn)，降雨在一定的雨量、雨強(qiáng)范圍內(nèi)，徑流小區(qū)之間產(chǎn)流具有一定差異性。

試驗(yàn)表明，在一定的雨量、雨強(qiáng)范圍內(nèi)，徑流小區(qū)的徑流系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差隨著雨量增加、雨強(qiáng)增強(qiáng)而增大，即徑流小區(qū)之間產(chǎn)流的差異逐漸增大。由于水土保持措施的徑流調(diào)控作用，措施小區(qū)坡面徑流量不斷減少，隨著雨量的增加，與對(duì)照小區(qū)的徑流系數(shù)差異隨之增加。 措施布設(shè)前，對(duì)照小區(qū)(3#、4#、7#)的平均徑流系數(shù)是措施小區(qū)(1#、2#、5#、6#、8#、9#)的 0.7～1.1倍，措施布設(shè)后比值達(dá)到了0.9～1.8 倍， 8月6日、8月3日這兩場(chǎng)大雨和暴雨，比值達(dá)到了1.8、1.5倍，經(jīng)過(guò)8月8日這場(chǎng)短歷時(shí)、強(qiáng)降雨后，坡面土壤含水量已接近飽和，8月9日與8月8日降雨間隔較短，僅差12 h 10 min。8月9日的降雨雨量、平均雨強(qiáng)均大于7月4日降雨，但其徑流小區(qū)的徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差卻與7月4日降雨的徑流系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差相同，僅有0.03，可見(jiàn)8月9日降雨中水土保持措施徑流調(diào)控能力受到了一定的影響。連續(xù)幾場(chǎng)大雨或暴雨，水土保持措施含蓄水源、減少坡面產(chǎn)流的效果會(huì)受到一定程度的影響，這與已有的一些相關(guān)研究結(jié)論相一致[23-25]。

綜上分析，在一定的雨量、雨強(qiáng)范圍內(nèi)，研究區(qū)水土保持措施發(fā)揮了徑流調(diào)控的效果，隨著雨量增大、雨強(qiáng)增強(qiáng)，水土保持措施減少坡面產(chǎn)流的效果逐漸增強(qiáng)。

表4 柏木林徑流小區(qū)徑流系數(shù)Table 4 The runoff coefficients in runoff plots of Cupressus plantation

3.2 徑流入滲變化

不同植被類型和降雨對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響有差別， 即使同一類型的土壤， 由于其利用類型不同、覆被層的植被種類不同，都會(huì)導(dǎo)致土壤入滲性能有一定的差異[26-28]。總的來(lái)說(shuō)，凡是對(duì)土壤物理性質(zhì)有影響的措施因子，都對(duì)土壤的入滲能力有重要影響[29-33]。對(duì)水土保持措施布設(shè)后的13場(chǎng)降雨進(jìn)行了入滲率變化的對(duì)比分析。排除受8月8日?qǐng)鼋涤暧绊戄^大的8月9日降雨后，整體來(lái)看，徑流小區(qū)平均入滲率隨著場(chǎng)降雨10 min最大雨強(qiáng)的增加而降低，見(jiàn)圖2。當(dāng)10 min最大雨強(qiáng)在一定閾值內(nèi)3.6～17.2 mm時(shí)，措施小區(qū)的平均入滲率高于對(duì)照小區(qū)的平均入滲率，當(dāng)10 min最大雨強(qiáng)達(dá)7.4 mm時(shí)，措施小區(qū)平均入滲率最大可達(dá)到對(duì)照小區(qū)平均入滲率的3.6倍(6月27日降雨)。

圖2 不同雨強(qiáng)下措施小區(qū)與對(duì)照小區(qū)平均入滲率變化Fig.2 The variation in average infiltration rate of measures and non-measures runoff plots under different rainfall intensity

3.3 徑流量及峰值流量變化

將水土保持措施布設(shè)后13場(chǎng)降雨下，措施小區(qū)與其對(duì)照小區(qū)的徑流量、徑流峰值流量的水土保持效果進(jìn)行了對(duì)比研究。兩個(gè)相同措施小區(qū)的徑流量、峰值流量求平均值后，與對(duì)照小區(qū)的徑流量、徑流峰值流量進(jìn)行對(duì)比分析。減流效果、徑流峰值的消峰效果計(jì)算公式分別為

(1)

(2)

式中：W0、Wi分別為對(duì)照小區(qū)與措施小區(qū)坡面的產(chǎn)流量，m3；P0、Pi分別為對(duì)照小區(qū)與措施小區(qū)坡面徑流的峰值流量，m3。

試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)降雨在一定閾值內(nèi)：總雨量9.6～51.0 mm，平均雨強(qiáng)3.4～31.9 mm/h時(shí)，水平階、壘穴/培土和綜合措施均發(fā)揮了減少坡面產(chǎn)流、消減徑流峰值的作用，見(jiàn)表5。

消減降雨徑流峰值方面，水平階、壘穴/培土和綜合措施最大可消減降雨徑流峰值的54%、46%和55%。整體來(lái)看，在水土保持措施發(fā)揮效果的降雨閾值內(nèi)，隨著雨量增大、雨強(qiáng)增強(qiáng)，水土保持措施消減徑流峰值的作用逐漸增大。中雨時(shí)，壘穴/培土和綜合措施效果優(yōu)于水平階；大到暴雨時(shí)，水平階效果優(yōu)于壘穴/培土措施和綜合措施。

大到暴雨時(shí)，由于水土保持措施消減了徑流峰值，降低了坡面徑流峰值流速，避免了坡面徑流量的陡漲陡落，從而在一定程度上減弱了徑流的水力侵蝕力。8月3日、8月8日兩場(chǎng)短歷時(shí)、強(qiáng)降雨，與對(duì)照小區(qū)相比，措施小區(qū)的徑流過(guò)程線相對(duì)平緩，徑流過(guò)程曲線坦化明顯，特別是峰值階段，見(jiàn)圖3、圖4，尤其是水平階措施小區(qū)，見(jiàn)圖3(a)、圖4(a)。8月3日降雨中，4#對(duì)照小區(qū)徑流峰值流速分別是1#、2#水平階措施小區(qū)的2.3倍和2.1倍；8月8日降雨中，4#對(duì)照小區(qū)是1#、2#徑流小區(qū)的1.4倍。

但對(duì)比8月3日和8月8日降雨，雨量、平均雨強(qiáng)均相近，均是短歷時(shí)強(qiáng)降雨， 8月8日降雨10 min最大雨強(qiáng)大于8月3日降雨，但8月8日降雨中水平階和壘穴/培土措施消減徑流峰值的效果均低于8月3日降雨的效果。8月8日與8月3日降雨下消減徑流峰值的效果對(duì)比：水平階措施小區(qū)平均下降了24%(8月3日降雨，與對(duì)照小區(qū)的徑流峰值相比， 1#、2#水平階措施小區(qū)分別消減徑流峰值57%、51%；8月8日降雨，1#、2#措施小區(qū)均消減徑流峰值30%)；壘穴/培土措施小區(qū)平均下降了7%(8月3日降雨，8#、9#壘穴/培土措施小區(qū)分別消減徑流峰值的15%、24%；8月8日降雨，8#、9#措施小區(qū)分別消減徑流峰值的8%、19%)。可見(jiàn)，雨量、平均雨強(qiáng)相似的暴雨，最大10 min雨強(qiáng)也是影響水土保持效果的關(guān)鍵因素。

減少坡面徑流方面，水平階、壘穴/培土和綜合措施最大可減少坡面徑流總量的59%、39%和38%。中雨時(shí)，壘穴/培土措施和綜合措施減少坡面徑流的效果優(yōu)于水平階；隨著雨量增大、雨強(qiáng)增強(qiáng)，大雨、暴雨時(shí)，水平階減少坡面徑流的效果優(yōu)于壘穴/培土措施和綜合措施，尤其是8月3日、8月6日這兩場(chǎng)短歷時(shí)、強(qiáng)降雨，水平階措施減少坡面產(chǎn)流的效果尤為突出。8月3日降雨下，與對(duì)照小區(qū)的徑流總量相比，1#、2#水平階措施小區(qū)，8#、9#壘穴/培土措施小區(qū)，5#、6#綜合措施小區(qū)平均減少坡面徑流總量59%、7%和19%，水平階措施減少坡面徑流總量的效果分別是壘穴/培土和綜合措施8.4倍和3.1倍。8月6日降雨下，與對(duì)照小區(qū)的徑流總量相比，1#、2#水平階措施小區(qū)，8#、9#壘穴/培土措施小區(qū)，5#、6#綜合措施小區(qū)分別平均減少坡面徑流總量的53%、39%和36%，水平階措施減少坡面徑流總量的效果分別是壘穴/培土和綜合措施1.4倍和1.5倍。

從徑流發(fā)展過(guò)程來(lái)看，在降雨前期，與壘穴/培土和綜合措施相比較，水平階減少?gòu)搅鞯淖饔糜邢蓿S著雨量的不斷累積，水平階減少坡面產(chǎn)流的效果逐漸優(yōu)于壘穴/培土和綜合措施，特別是雨量增加最快的階段，見(jiàn)圖5、圖6。8月3日、8月6日降雨過(guò)程中，在降雨前期，水平階措施小區(qū)的降雨-徑流深雙累積曲線(簡(jiǎn)稱“曲線”)增長(zhǎng)速率快于對(duì)照小區(qū)，當(dāng)雨量累積到一定程度時(shí)，水平階對(duì)照小區(qū)的曲線增長(zhǎng)速率快于措施小區(qū)，見(jiàn)圖5(a)、圖6(a)。壘穴/培土、綜合措施小區(qū)的曲線增長(zhǎng)速率的增長(zhǎng)趨勢(shì)與對(duì)照小區(qū)相似，整體來(lái)看，曲線增長(zhǎng)速率始終小于對(duì)照小區(qū)，見(jiàn)圖5(b)、圖5(c)和圖6(b)、圖6(c)。

表5 柏木林徑流小區(qū)水土保持措施徑流調(diào)控效果Table 5 The runoff regulation effect of soil and water conservation measures in runoff plots of Cupressus plantation

圖3 8月3日降雨水土保持措施消減徑流峰值效果對(duì)比 Fig.3 Comparison the effect of runoff peak value reduction induced by soil and water conservation measures on August 3

圖4 8月8日降雨水土保持措施消減徑流峰值效果對(duì)比 Fig.4 Comparison the effect of runoff peak value reduction induced by soil and water conservation measures on August 8

與壘穴/培土、綜合措施相比，短歷時(shí)暴雨過(guò)程中，隨著降雨的持續(xù)、累積雨量的不斷增加，水平階措施小區(qū)減少坡面徑流的作用更突出，特別是雨量增加最快的階段。

8月3日降雨，累積降雨量從16.6 mm累積到41.0 mm的階段是整個(gè)降雨過(guò)程中雨量增長(zhǎng)最快的階段，4#水平階對(duì)照小區(qū)的曲線與累積降雨量變化趨勢(shì)相一致，也進(jìn)入最快的增長(zhǎng)階段，累積徑流深由0.24 mm增加到22.87 mm，增長(zhǎng)了95倍。而1#、2#水平階措施小區(qū)的曲線變化則相對(duì)平緩，1#水平階措施小區(qū)累計(jì)徑流深由0.27 mm增加到7.87 mm，2#水平階措施小區(qū)累計(jì)徑流深由0.52 mm增加到11.74 mm，分別增長(zhǎng)了29倍和23倍，遠(yuǎn)小于對(duì)照小區(qū)的增長(zhǎng)倍數(shù)。8月6日降雨，累積降雨量從6.8 mm累積到17.4 mm的階段是整個(gè)降雨過(guò)程中雨量增長(zhǎng)最快的階段，4#水平階對(duì)照小區(qū)曲線的變化與之相一致，累計(jì)徑流深由0.26 mm增加到8.05 mm，增長(zhǎng)了31倍。而1#、2#水平階措施小區(qū)的曲線變化則相對(duì)平緩，1#水平階措施小區(qū)累積徑流深由1.46 mm增加到8.07 mm，2#水平階措施小區(qū)累計(jì)徑流深由0.24 mm增加到4.08 mm，分別增長(zhǎng)了6倍和17倍，遠(yuǎn)小于對(duì)照小區(qū)的增長(zhǎng)倍數(shù)。短歷時(shí)、強(qiáng)降雨中雨量增加最快的階段，措施小區(qū)累積徑流深的增加值遠(yuǎn)小于對(duì)照小區(qū)，尤其是水平階措施小區(qū)。從8月3日、8月6日這兩場(chǎng)降雨來(lái)看，在雨量增加最快的階段，對(duì)照小區(qū)累積徑流深最大可達(dá)水平階措施小區(qū)的5.2倍。

從場(chǎng)降雨產(chǎn)生的累積徑流量來(lái)看，水平階在減少坡面總產(chǎn)流量的作用也優(yōu)于壘穴/培土和綜合措施。8月3日降雨過(guò)程中，4#水平階對(duì)照小區(qū)的累積徑流深38 mm，分別是1#、2#水平階措施小區(qū)的2.9倍和2.2倍；7#壘穴/培土對(duì)照小區(qū)的累積徑流深達(dá)38 mm，是8#、9#壘穴/培土措施小區(qū)的1.1倍和1.0倍；3#綜合措施對(duì)照小區(qū)的累計(jì)徑流深達(dá)31 mm，分別是綜合措施小區(qū)5#、6#徑流深的1.1倍和1.5倍。三種措施里，水平階對(duì)照小區(qū)與措施小區(qū)累積徑流深的倍數(shù)最大，達(dá)到了2.9倍。8月6日降雨過(guò)程中， 4#水平階對(duì)照小區(qū)累計(jì)徑流深達(dá)19 mm，是1#、2#水平階措施小區(qū)徑流深的1.9倍和2.7倍； 7#壘穴/培土對(duì)照小區(qū)累積徑流深達(dá)16 mm，是8#、9#壘穴/培土措施小區(qū)徑流深的1.6倍和1.8倍；3#綜合措施對(duì)照小區(qū)累積徑流深達(dá)13 mm，是5#、6#綜合措施小區(qū)累積徑流深的1.3倍和1.9倍。三種措施里，水平階對(duì)照小區(qū)與措施小區(qū)累積徑流深的倍數(shù)最大，達(dá)到了2.7倍。

圖5 8月3日降雨水土保持措施降雨-徑流深雙累積曲線對(duì)比 Fig.5 Comparison the rainfall-runoff double accumulative curves of soil and water conservation measures on August 3

圖6 8月6日降雨水土保持措施降雨-徑流深雙累積曲線對(duì)比Fig.6 Comparison the rainfall-runoff double accumulative curves of soil and water conservation measures on August 3

4 結(jié)論與討論

川東丘陵區(qū)低效柏木林天然降雨下，措施小區(qū)與對(duì)照小區(qū)坡面徑流調(diào)控的效果對(duì)比研究結(jié)果表明：

(1)在一定的降雨閾值內(nèi)：總雨量9.6～51.0 mm，平均雨強(qiáng)3.4～31.9 mm/h，水平階、壘穴/培土和綜合措施在川東地區(qū)均發(fā)揮了減少坡面徑流、涵養(yǎng)水源的水土保持效果。措施小區(qū)與對(duì)照小區(qū)相比，措施小區(qū)徑流系數(shù)低，平均入滲率高。對(duì)照徑流小區(qū)的平均徑流系數(shù)最大可達(dá)措施小區(qū)的 1.8倍，措施小區(qū)平均入滲率達(dá)到了對(duì)照小區(qū)平均入滲率的3.6倍。即，與對(duì)照小區(qū)相比較，措施小區(qū)具有較高的徑流入滲能力，較低的產(chǎn)流能力，因此具有較好的保持水土、涵養(yǎng)水源的能力。

(2)在觀測(cè)的雨量、雨強(qiáng)閾值內(nèi)，水平階、壘穴/培土和綜合措施最大可消減徑流峰值的54%、46%和55%，最大可減少坡面徑流總量的59%、39%和38%。暴雨時(shí)，水平階措施減少坡面徑流量、消減徑流峰值的效果最優(yōu); 中雨、大雨時(shí)，壘穴/培土措施消減徑流峰值的效果最優(yōu)，綜合措施減少坡面徑流總量的效果最優(yōu)。川東地區(qū)雨季，大雨、暴雨、大暴雨這三種降雨的雨型雖然場(chǎng)次少，但總雨量在整個(gè)年降雨中的占比最多。在2019年5—10月，大雨、暴雨、大暴雨次數(shù)僅占總降雨次數(shù)的23.8%，但雨量卻占5—10月總降雨量的67.0%?？梢?jiàn)，在川東地區(qū)，對(duì)大雨、暴雨、大暴雨徑流調(diào)控效果最優(yōu)的措施，能夠發(fā)揮更理想的水土保持效果。綜合水平階、壘穴/培土和綜合措施在不同雨型下的水土保持效果來(lái)看，水平階在川東雨季多短歷時(shí)、暴雨的氣候特點(diǎn)下能夠發(fā)揮最優(yōu)的徑流調(diào)控效果。

(3)短歷時(shí)暴雨過(guò)中，隨著降雨過(guò)程的持續(xù)、雨量的不斷累積，水平階措施攔蓄徑流的效果顯著優(yōu)于壘穴/培土、綜合措施，特別是雨量增加最快的階段。觀測(cè)的降雨試驗(yàn)中，雨量增加最快的階段，對(duì)照小區(qū)累積徑流深最大可達(dá)水平階措施小區(qū)的5.2倍。水平階對(duì)于短歷時(shí)、強(qiáng)降雨產(chǎn)生的瞬時(shí)快速增長(zhǎng)徑流量具有較好的調(diào)控能力，從而減少了徑流進(jìn)一步的聚集、加速，降低了徑流產(chǎn)生更大的土壤侵蝕能力。同時(shí)，減少短歷時(shí)暴雨累積徑流量方面，水平階措施也優(yōu)于壘穴/培土和綜合措施，觀測(cè)的降雨試驗(yàn)中，水平階對(duì)照小區(qū)的累積徑流深最大可達(dá)措施小區(qū)的2.7倍。

(4)本研究發(fā)現(xiàn)雨量、平均雨強(qiáng)相似的暴雨，最大10 min雨強(qiáng)亦是影響水土保持效果的關(guān)鍵因素。當(dāng)最大10 min雨強(qiáng)超過(guò)一定的閾值，水土保持措施徑流調(diào)控的效果反而降低，這方面的研究仍需要更多的場(chǎng)降雨觀測(cè)數(shù)據(jù)支持，是未來(lái)需要進(jìn)一步開(kāi)展研究的內(nèi)容。