自然降雨對廣西赤紅壤坡地土壤侵蝕特征的影響

陳釗柱, 蔡卓杰, 謝福倩, 王堅樺, 李桂芳

(1.廣西大學 農(nóng)學院, 廣西 南寧 530004; 2.廣西壯族自治區(qū)水土保持監(jiān)測站, 廣西 南寧 530023)

水土資源是人類生存發(fā)展中重要的自然資源，水土流失問題更是成為了當今社會最受關(guān)注的環(huán)境問題之一[1]。降雨是導致水土流失的直接動力因子，是影響坡面土壤侵蝕的主要因素之一[2-3]。降雨特征不同，其對坡面土壤侵蝕的影響也不同[4]。降雨強度是影響土壤侵蝕最直接也是最主要的動力因素[5]，降雨強度越大，雨滴動能和終極速度就越大，對土壤的打擊就越強[6]。自然降雨下，降雨量和I30(最大30 min降雨強度)均與坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙呈顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系[7]，整體上降雨量顯著影響坡面徑流，而I30對坡面侵蝕影響較大[8]。由于自然降雨的隨機性和不確定性等因素，不同學者根據(jù)降雨量將降雨劃分為不同等級，研究表明大雨和暴雨是引起紫色土區(qū)[9]、喀斯特黃壤區(qū)[10]和巖溶槽谷區(qū)[11]坡地發(fā)生侵蝕的主要降雨等級。胡偉等[12]對東北黑土區(qū)研究指出，坡面徑流的貢獻表現(xiàn)為：大雨>暴雨>中雨，坡面產(chǎn)沙的貢獻則表現(xiàn)為：大雨>中雨>暴雨。鄭江坤等[13]對川西丘陵區(qū)沙壤土的研究表明，坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量并未隨降雨等級的增加而增加，作者指出不同降雨等級的降雨次數(shù)會對坡面土壤侵蝕產(chǎn)生影響。此外，自然降雨下降雨時空分布以及前期降雨等[14]因子均會對坡面侵蝕產(chǎn)生影響。我國不同區(qū)域降雨分布存在明顯的時空差異，其必然導致各區(qū)域土壤侵蝕特征存在明顯不同[15]。

對于坡耕地而言，作物類型及田間管理措施對坡耕地土壤侵蝕有重要的影響[16]。作物種植對坡耕地土壤侵蝕產(chǎn)生影響，一是通過植株對降雨的攔截及再分配，二是作物根系對坡面土壤抗侵蝕能力的作用[17]。整體而言，與裸坡相比，作物種植均不同程度地降低坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙[18]，大豆整個生育期較裸地可減小61%的侵蝕量[19]，花生和紅薯作物可降低約60%的坡面徑流量，而坡面侵蝕量則分別降低68%和91%[20]。不同作物對坡面侵蝕的研究表明，作物地表覆蓋度越高，坡面侵蝕量越小，同時作物高矮等植株形態(tài)也顯著影響坡面侵蝕過程[21]。羅興錄等[22]指出廣西地區(qū)3種作物(玉米、甘蔗、木薯)坡面侵蝕量表現(xiàn)為：玉米>木薯>甘蔗，但作者僅從年際的尺度探討不同作物對坡面侵蝕的影響。甘蔗是中國最主要的糖料作物，與玉米等其他作物相比，其生長周期較長(>8個月)，在中國廣西、云南和廣東等地均有大量種植[23]。

此外，與其他研究區(qū)相比，南方紅壤區(qū)，尤其是赤紅壤分布區(qū)降雨特征具有年降雨量高、降雨侵蝕力強且年內(nèi)分布分散等特征[15]。因此，基于徑流小區(qū)的野外觀測試驗，本研究以赤紅壤蔗地為例，以撂荒地和裸地為對照，通過測定2020年5—10月自然降雨下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量，結(jié)合自然降雨年內(nèi)分布及侵蝕性降雨特征參數(shù)進行分析，探討自然降雨特征對赤紅壤坡地土壤侵蝕特征的影響，以期為赤紅壤地區(qū)水土保持綜合治理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)(以下簡稱“廣西”)南寧市良慶區(qū)那馬鎮(zhèn)廣西木棉麓小流域內(nèi)的水土保持科技示范園，地理位置介于東經(jīng)108°19′00″—108°19′24″E，北緯22°37′26″—22°37′55″N。該地區(qū)為南亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，年均降雨量1 232.2 mm；降雨集中，其中4—9月份降雨量占到全年降雨量的80%以上；氣候炎熱，年均氣溫21.8 ℃，年均日照時間1 687.6 h。研究區(qū)地貌類型是構(gòu)造剝蝕低丘，南北長1 km，東西寬0.25～0.65 km，流域內(nèi)高差45～90 m，坡度6°～30°。研究區(qū)處于廣西南部南亞熱帶赤紅壤地帶內(nèi)(22°～23.5°)，地帶性土壤為赤紅壤，其面積為485.1 km2，占廣西土壤總面積的30.1%，是廣西南亞熱帶地區(qū)的代表性土壤[24]。研究區(qū)赤紅壤成土母質(zhì)主要由砂質(zhì)巖類風化物發(fā)育而成，該類成土母巖風化物形成的赤紅壤占廣西赤紅壤的62.0%，由砂頁巖成土母巖發(fā)育的赤紅壤土壤質(zhì)地從壤土至黏土均有[24]。研究區(qū)的土壤質(zhì)地為壤黏土，土壤顆粒組成為砂粒占48.0%，粉粒占20.4%，黏粒占31.6%。土層厚度為100—150 cm，土壤pH值為4.5～5.5，有機質(zhì)含量2%～3%，土壤容重為1.2～1.3 g/cm3。園區(qū)內(nèi)現(xiàn)種有甘蔗、玉米和木薯等農(nóng)作物，自然植被主要是荒草和灌叢，主要荒草類型為鬼針草(Bidensbipinnata)和狼把草(Bidenstripartita)。

1.2 試驗設計

徑流小區(qū)建于2012年，是根據(jù)《水土保持監(jiān)測設施通用技術(shù)條件》(SL342-2006)[25]和《水土保持試驗規(guī)程》(SL419-2007)[26]，同時參考國內(nèi)相關(guān)行業(yè)標準，結(jié)合研究區(qū)域的實際情況進行統(tǒng)一布設。小區(qū)設在山坡中部，坡面平整，每個小區(qū)坡度、坡寬和土壤條件均一。小區(qū)周圍均設有磚砌圍埂和防護帶，與周圍環(huán)境進行隔離。小區(qū)下方均設有圓形集流桶和分流桶，用以承接次降雨下小區(qū)徑流泥沙樣。甘蔗是廣西赤紅壤分布區(qū)廣泛種植的旱地作物[22-23]，野外調(diào)查表明，廣西存在一定面積的耕地撂荒現(xiàn)象。因此，本試驗研究設置蔗地、撂荒地和裸地3種處理。不同小區(qū)的處理、規(guī)格及管理措施等見表1。

表1 試驗小區(qū)概況

1.3 研究方法

本研究采取徑流小區(qū)野外水文觀測法，觀測時間為2020年5—10月。每次降雨結(jié)束后，選取3個不同位置，用水尺測定集流桶和分流桶深，用以計算地表徑流量。桶內(nèi)樣品進行攪拌均勻后，用500 ml塑料瓶進行取樣，每次取3個重復樣，烘干后測定其泥沙含量，計算得到含沙濃度。參照《徑流小區(qū)和小流域控制站監(jiān)測手冊》計算總徑流量以及土壤流失量等參數(shù)。在徑流小區(qū)附近配備有人工雨量站和數(shù)字氣象站，用于收集氣象資料。降雨資料的記錄包括日降雨量、降雨過程摘錄(5 min間隔)、次降雨起止時間、降雨歷時、平均雨強、I30等參數(shù)。降雨過程中如果間歇時間連續(xù)超過6 h，則視為2次降水事件。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，利用Origin 2018和Microsoft Office 2013進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下赤紅壤坡面產(chǎn)流特征

觀測期內(nèi)，不同處理間赤紅壤坡面徑流量差異明顯，整體上表現(xiàn)為裸地(712.2 m3/hm2)>蔗地(255.6 m3/hm2)>撂荒地(165.6 m3/hm2)(圖1)。2020年5—10月研究區(qū)共發(fā)生19場侵蝕性降雨，次降雨下蔗地的坡面徑流量在2.4～62.8 m3/hm2之間，裸地的坡面徑流量介于4.7～230.0 m3/hm2，撂荒地的坡面徑流量則在2.4～44.0 m3/hm2范圍內(nèi)波動變化。由2020年5—10月各處理坡面徑流量分布可知(圖1)，不同處理下坡面徑流量在5—10月分布表現(xiàn)為先上升后下降。蔗地、裸地和撂荒地的坡面徑流量均主要集中在8月，分別為98.5，360.3，69.9 m3/hm2，占總徑流量的38.5%，50.6%和42.2%。這主要是由于8月的降雨量最多，占觀測期總降雨量的36.2%(237.0 mm)，其中侵蝕性降雨188.5 mm(圖2)，說明坡面徑流受降雨影響較大。劉潔等[27]研究結(jié)果指出，降雨是影響徑流的重要因子，本文研究結(jié)果與其一致。不同處理間坡面徑流量的差異，表明不同植被措施對坡面徑流的消減程度存在明顯不同[21]。楊任翔等[28]研究指出裸地的徑流量為甘蔗地的3.2倍，與本文的研究結(jié)果(2.8倍)接近。此外，相較于蔗地，撂荒地坡面荒草密集，地表覆蓋度更高，且人為擾動更少，因而其消減徑流的作用更為明顯[29]。

圖1 研究區(qū)2020年5—10月各處理坡面徑流量

圖2 研究區(qū)2020年5—10月降雨量

對比其余月份不同處理坡面徑流量變化可知，坡面月徑流量與月降雨量無明顯的正相關(guān)關(guān)系。例如，5月的侵蝕性降雨量(107.6 mm)，除低于8月外，均高于其余月份(圖2)，但各處理坡面產(chǎn)流量均較低。原因主要是5月的侵蝕性降雨量主要集中在5月12日的1場降雨，占5月侵蝕性降雨總量的67.8%(73 mm)，且5月12日降雨前徑流小區(qū)已接近15 d沒有降雨(圖3)，地表土壤較為干燥。前期土壤含水量較低時，紅壤黏結(jié)力大且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)流時間延長，土壤坡面入滲量增多[30]。其余月份降雨量均相對較為分散，尤其是9月的降雨量主要分散在9月19日至26日的幾場降雨中，在此期間，總降雨天數(shù)為6 d(圖3)，侵蝕性降雨4場。連續(xù)性的降雨導致土壤濕潤，降雨前土壤含水量較高(>30%)，雨水入滲率降低，因而坡面產(chǎn)流量較大。張向炎等[31]對紅壤裸地坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征研究指出，前期土壤含水量越高，坡地累積入滲量越小，雨水轉(zhuǎn)化為土壤水分的比率越小。結(jié)果也再次表明，坡面產(chǎn)流是降雨分布、降雨頻次、前期降雨及下墊面條件等因子綜合作用的結(jié)果。

圖3 研究區(qū)2020年5—10月降雨分布

對比不同處理下坡面徑流量分布可知，裸地處理分別是蔗地和撂荒地的2.8，4.3倍，而蔗地處理是撂荒地的1.5倍。表明與裸地相比，蔗地和撂荒地能夠有效降低坡面徑流量，且撂荒地的減流效果優(yōu)于蔗地。此外，隨著坡面植被的生長，蔗地和撂荒地處理坡面地表覆蓋度越來越高，而裸地坡面長期保持裸露狀態(tài)，因而其坡面徑流量與蔗地和撂荒地間差異逐漸明顯。對比不同處理下各月坡面徑流量可知，2020年5—10月各月蔗地相較于裸地分別能減少14.6%～83.8%的徑流量，尤其是降雨量較高的8月和9月，分別減少了72.6%和83.8%。甘蔗為一年一熟作物，其快速生長時期與雨季同步(6—9月)，生長期內(nèi)有很長的一段時間植被覆蓋度維持在60%以上(8—10月)，能夠有效降低坡面徑流量。表明，甘蔗的防蝕作用主要發(fā)揮在其中后期(8—10月)，對于南方甘蔗種植區(qū)而言，剛好處于雨季，降雨量大且降雨強度高，此時甘蔗能起到明顯的減流效果。

2.2 不同處理下赤紅壤坡面產(chǎn)沙特征

與坡面徑流量相比，不同處理下坡面侵蝕量的差異更為明顯(圖4)。觀測期內(nèi)，裸地的坡面總侵蝕量最高，其次為蔗地和撂荒地，分別為9 570.5 kg/hm2，4 439.7 kg/hm2，143.8 kg/hm2(圖4)。次降雨下蔗地坡面侵蝕量在0.2～3 667.8 kg/hm2之間，裸地的坡面侵蝕量介于0.7～7 248 kg/hm2，撂荒地的坡面侵蝕量則在0.1～73.0 kg/hm2范圍內(nèi)波動變化。整體上，蔗地和裸地處理坡面侵蝕量在5—8月逐漸增加，撂荒地處理坡面侵蝕量在各月變化相對較為平穩(wěn)。與坡面徑流分布特征相似，蔗地、裸地和撂荒地的侵蝕量均主要集中在8月，分別為4 078. 1 kg/hm2，9 101.5 kg/hm2，85.3 kg/hm2，但其占坡面總侵蝕量的比例高達91.9%，95.1%和59.3%。結(jié)果表明，與徑流量相比，集中降雨對坡面侵蝕的影響更為明顯，且不同下墊面條件其影響程度存在差異。對比9月和10月降雨分布及各處理坡面侵蝕量可知(圖2和圖4)，各處理下坡面侵蝕量均10月最低，分別為0.8 kg/hm2(蔗地)，3.6 kg/hm2(裸地)和0.1 kg/hm2(撂荒地)。10月降雨量(89.5 mm)及侵蝕性降雨量(76 mm)均高于9月，但9月坡面侵蝕量整體高于10月，尤其是裸地處理。主要原因是10月的次降雨較為分散(圖3)，且侵蝕性降雨僅有2場，總降雨歷時為32.7 h，此時蔗地和撂荒地處理下坡面地表覆蓋度均較高(>80%)，因此未產(chǎn)生嚴重的土壤侵蝕。對比觀測期內(nèi)降雨分布可知(圖2)，除8月外，其余月份不同處理坡面侵蝕量與降雨分布存在明顯不同。研究表明，降雨量對坡面產(chǎn)沙的影響較為復雜，受下墊面和次降雨特征的綜合作用。

圖4 研究區(qū)2020年5—10月各處理坡面侵蝕量

對比不同處理下坡面侵蝕量可知，裸地處理是蔗地和撂荒地的2.2，66.5倍，蔗地處理是撂荒地的30.9倍。這表明與裸地相比，有植被覆蓋的坡地能夠顯著降低坡面侵蝕。蔗地和裸地處理下，5—7月的坡面侵蝕量表現(xiàn)為：蔗地>裸地，而8—10月表現(xiàn)為裸地>蔗地。主要是因為前期蔗地的地表覆蓋度低，且在種植甘蔗時，對土壤進行了翻動，導致地表土壤較為疏松，抗沖刷能力低，坡面易發(fā)生侵蝕。趙婭君等[32]研究了玉米作物對坡耕地的防蝕效果，指出玉米生長前期由于冠層較小，因而其抗侵蝕能力較弱，與本文中甘蔗作物的防蝕效應相一致。而到了后期，隨著甘蔗的快速生長，蔗地的植被覆蓋度迅速增加，其防蝕作用遠大于裸地。因此，雖然甘蔗種植能夠減少坡面侵蝕量，但其防蝕功能是隨著甘蔗生長而不斷增大，只有甘蔗生長達到一定的覆蓋度以后，才能起到較好的保水固土作用[28]。

綜合來看，蔗地、裸地和撂荒地處理下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙均主要發(fā)生在6—8月，分別占觀測期內(nèi)坡面總徑流量和總侵蝕量的72.0%，71.4%，72.5%和98.4%，97.6%，83.9%。因此我們進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動時，在水土流失高發(fā)期間，要注意加強防護，從而減少坡地水土流失。撂荒地相對于裸地和坡耕地有著更好的保水固土效果。

2.3 降雨特征與赤紅壤坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征相關(guān)分析

2020年5—10月研究區(qū)侵蝕性降雨共19場，降雨量變化范圍為5.5～73.0 mm，平均雨強為1.4～219.0 mm/h，I30為3.0～147.0 mm/h。按照中國氣象降雨等級劃分標準[13]，研究區(qū)侵蝕性降雨劃分為小雨、中雨、大雨和暴雨4個降雨等級(表2)。中雨降雨等級發(fā)生的頻次最高，共12場，總降雨量220.0 mm，占總降雨場次和侵蝕性降雨總量的63.2%和39.6%。小雨、大雨和暴雨降雨等級分別為2，3，2場，分別占侵蝕性降雨總量的4.1%～31.3%不等。

表2 研究區(qū)2020年5—10月研究區(qū)侵蝕性降雨特征

為進一步探究坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響因素，對不同降雨特征參數(shù)與坡面水沙指標進行相關(guān)分析，結(jié)果見表3。

表3 各處理下研究區(qū)坡面水沙指標與降雨特征參數(shù)的相關(guān)分析

如表3所示，不同處理下，降雨量與坡面徑流量和侵蝕量均呈極顯著性正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.7。表明降雨量是影響赤紅壤坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙最主要的因素。孫從建[7]、肖繼兵等[8]在研究不同地區(qū)坡地土壤侵蝕時，同樣指出降雨量與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，與本文中研究結(jié)果一致。此外，李桂芳等[33]對該區(qū)域的研究表明，I30是影響坡耕地土壤侵蝕最重要的降雨特征參數(shù)，與侵蝕量、徑流量均呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，且I30整體上數(shù)值較大且分布均勻(1.6～89.6 mm/h)。而本研究中I30與不同處理坡面徑流量和侵蝕量均無顯著相關(guān)關(guān)系，原因可能是本研究中除5月12日次降雨的I30(147 mm/h)較高外，其余處理下I30均低于40 mm/h。

不同處理下，坡面徑流量和侵蝕量與降雨歷時的相關(guān)性差異較大。降雨歷時與蔗地和撂荒地處理的坡面徑流量呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與裸地則無顯著性相關(guān)關(guān)系。降雨歷時與裸地處理坡面侵蝕量表現(xiàn)為顯著性相關(guān)關(guān)系，而與蔗地和撂荒地則無顯著性相關(guān)關(guān)系。由此表明，降雨歷時對蔗地與撂荒地處理產(chǎn)流影響較大，產(chǎn)沙影響較??；而對裸地產(chǎn)沙影響較大，產(chǎn)流影響較小。平均雨強僅僅反映的是某次降雨的總體特征，而不是降雨過程集中程度的差異，因而對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響較小[34]。周晗等[35]研究了晉西黃土區(qū)不同降雨因子對坡耕地土壤侵蝕的影響，同樣指出平均雨強與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)性較低。

由圖5a可知，不同處理下各降雨等級對坡面徑流量的貢獻率存在差異。蔗地、裸地和撂荒地處理下，中雨和暴雨是坡面徑流的主要來源，其產(chǎn)生的徑流量分別占觀測期徑流總量的36.1%，43.2%，33.2%和32.1%，35.4%，34.6%。而大雨和小雨產(chǎn)生的徑流量分別占徑流量的3.5%～26.1%不等。而任雨之等[9]對西南地區(qū)紫色土的研究指出，中雨降雨等級基本不造成侵蝕，坡面侵蝕主要來源是大雨和暴雨，本文研究結(jié)果與其存在明顯不同。主要是因為觀測期內(nèi)降雨分布不同，本研究觀測期內(nèi)中雨降雨等級的降雨場次(12次)和降雨量均遠高于大雨(3次)和暴雨(2次)降雨等級(表2)。除降雨總量外，降雨場次對坡地產(chǎn)流也有一定的影響[11,13]。

蔗地、裸地和撂荒地處理下坡面侵蝕量則主要來源于暴雨降雨等級(圖5b)，分別占總侵蝕量的83.4%，76.0%和63.8%，其中8月6日的1場暴雨下，產(chǎn)生侵蝕量分別占總侵蝕量的82.6%(蔗地)，75.7%(裸地)和50.7%(撂荒地)，再次表明坡面產(chǎn)沙與高強度降雨關(guān)系密切。中雨或者大雨產(chǎn)生的侵蝕量則分別占總侵蝕量的5.3%～24.3%不等。此外，暴雨下裸地的坡面侵蝕量分別是蔗地和撂荒地的40.4倍和79.3倍，說明有植被覆蓋的坡地能夠有效抵御高強度的降雨，且整體上自然植被的水土保持效果要優(yōu)于作物。

圖5 廣西壯族自治區(qū)不同降雨等級坡面徑流量和侵蝕量比例

3 結(jié) 論

(1) 2020年5—10月，蔗地、裸地和撂荒地處理下坡面徑流和侵蝕量整體上表現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢，且主要集中在8月，分別占坡面總徑流量和總侵蝕量的38.5%，50.6%，42.2%和91.9%，95.1%，59.3%。與裸地相比，蔗地和撂荒地能夠有效降低坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量。裸地處理的坡面徑流量分別為蔗地和撂荒地的2.8和4.3倍，侵蝕量分別為2.2和66.5倍。蔗地處理在前期(5—7月)抗侵蝕能力較弱，后期(8—10月)抗侵蝕能力較強，與地表覆蓋關(guān)系密切。

(2) 坡面徑流量和侵蝕量與侵蝕性降雨的分布特征密切相關(guān)。降雨量是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙最關(guān)鍵的因子，與坡面徑流量和侵蝕量均呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系；其次是降雨歷時因子，僅顯著影響一定處理下的產(chǎn)流產(chǎn)沙。不同處理下，中雨和暴雨降雨等級是坡面徑流的主要來源；坡面產(chǎn)沙則主要來源于暴雨，其次是中雨和大雨。