水土流失不仅影响人类赖以生存的土地资源,还会淤积河道造成严重的洪涝灾害,目前已经成为影响生态安全的重要问题[1,2,3]。而水力侵蚀引起的水土流失在所有土壤侵蚀方式中危害最大,目前全球受水力侵蚀困扰的面积达1100万km2,对人类发展及气候变化有重要影响[4]。贵州省黔南地区水热资源充沛、地形起伏,十分有利于水土流失的发生和发展,喀斯特地貌在该地区分布广泛,严重的水土流失势必会加剧石漠化现象[5,6](一种发生在喀斯特地貌下土地退化的极端表现形式)。众所周知,石漠化区土壤极其薄瘠,目前已然成为了制约区域发展的重要因素[7,8]。贵州黔南地区生态较为脆弱,抗干扰能力较差,容易发生和加剧石漠化现象[9]。因此对该区域坡面土壤侵蚀规律的研究有助于石漠化综合治理工作的开展。我国黄土高原区[10,11,12]和东北黑土区[13,14]长期以来就是水土流失主要研究区域。云贵高原地区作为世界三大喀斯特地貌连片分布地区之一的东亚片区中心,近十年来对水土流失的研究越来越多,但是针对性生物治理措施以及野外长期定位观测试验还存在较大空缺,而对不同雨型进行的划分研究则更少。目前的研究[15,16]已经证实生物措施是治理土壤侵蚀的良好方法,但由于该地区研究起步较晚,加之该区地貌类型的特殊性和复杂性,导致目前对于云贵高原地区水土流失的治理多为工程性措施[17,18,19]。然而工程性措施需要耗费较大人力物力,使得其治理范围十分有限。因此开展野外长期定位观测试验,研究生物措施的减流减沙效应具有重要的现实意义。

鉴于此,本文基于长期野外定位观测试验,采用贵州省黔南自治州贵定县云雾监测站2014—2017年的坡面尺度径流小区监测数据,分析不同雨型条件下生物措施对产流产沙的响应,以及产流产沙随时间的变化特征等。研究可为贵州省黔南地区坡面水土流失的生物防控措施提供理论参考。

1、材料与方法

1.1研究区概况

云雾水土保持监测站位于贵州省黔南自治州贵定县南部的云雾镇,站点建设位置为贵定雪芽茶叶水土保持科技示范园马坡示范区内,是典型坡面尺度的观测站,距县城55km,距云雾镇约3km。属长江流域乌江水系五道河小流域,中心点地理坐标东经107°03′21.65″,北纬26°13′0.43″。示范区地貌类型属中低山区,兼有部分河谷冲积槽谷区。示范区内水土流失面积3360.53hm2,占示范区总土地面积的47.29%。示范区属中亚热带湿润季风气候,多年平均降水量为1143mm,多年平均气温为15℃;主要植被类型为常绿落叶针阔混交林,主要有常绿阔叶林、针叶林、针阔混交林,疏林灌丛地、草地、灌木草丛等。土壤类型为地带性黄壤,土壤质地多为沙壤土或砾质壤土,土壤PH多为4.5～6.5。该地区仍以种植粮食作物为主要经济来源,近年来,茶叶也成为该地区的支柱产业。

1.2径流小区概况

观测站于2007年11月建成坡面径流小区4个(1,2,3,4号小区);2008年年底新建坡面径流小区2个(5,6号小区),2009年6月正式投入运行。本文选取数据保存较为完整的2014—2017年4年的观测数据。1～6号小区分别设置了不同生物措施,具体信息见表1。其中1号为自然恢复草地,6号种植水保林,均无人为干扰;2,3号经果林小区每年定期清除杂草,修枝剪叶及采茶等人为干扰;4号为坡耕地,耕作活动等人为干扰较大;5号小区为人工草地,存在刈割等人为活动干扰。根据研究目的,选取4号耕地小区作为本次研究的对照小区。

1.3研究方法

1.3.1野外观测及相关指标测算方法

径流小区监测的主要内容为降雨量(P)、降雨历时(T)、平均降雨强度(I)、产沙量、径流量等。

表1径流小区基本信息

对于降雨的观测采用自记雨量计进行,人工雨量计校核。

次产流量采用水尺直接量测分(集)流池中的水深,通过公式估算次产流量:

Q=hs(1)

式中:Q为径流量(m3);h为水深(m);s为分(集)流池的底面积(m2)。

次降雨产流结束后,充分搅拌分(集)流池中的浑水,采用1000mL的取样瓶收集浑水样,每个小区分别采集3个样品,经沉淀、过滤、烘干和称重,可得分(集)流池泥沙量,加上集沙槽的泥沙量即为次坡面产沙总量。全年小区产沙总量与小区面积之比即为年土壤侵蚀模数,计算公式为:

M=G/S(2)

式中:M为小区年土壤侵蚀模数(t/(km2·a));G为小区年产沙总量(t);S为坡面径流小区面积(km2)。

1.3.2降雨类型划分

按6个试验径流小区均有产流产沙现象发生作为依据,在2014—2017年4年实测降雨资料中筛选出104次侵蚀性降雨。以104次侵蚀性降雨作为统计样本,选取次降雨量(P)、降雨历时(T)和平均雨强(I)作为特征指标,采用k-均值聚类对雨型进行划分,用每种雨型P、T、I的25%和75%分位值作为其对应雨型的特点。

2、结果与分析

2.1侵蚀性降雨特征

对研究区2014—2017年4年的侵蚀性降雨进行统计分析,由表2可知,4年间共发生侵蚀性降雨104次,主要集中于4—8月,在这期间共发生侵蚀性降雨88次,占总样本量的84.6%;这5个月间侵蚀性降雨的历时、雨量、产流产沙及降雨侵蚀力分别占样本总量的75.8%,84.9%,86.8%,94.5%和93.2%。5,6月侵蚀性降雨次数相同,都为25次,其中6月产流量为所有月份中最多,降雨侵蚀力也达到峰值,5月产沙量为所有月份中最多。4月侵蚀性降雨次数多于7月,但产流产沙量均小于7月。每年的3,9,10,11月为研究区的少雨季节,这期间9月的产沙量最多,3月的产流量最多。每年的1,2,12月不发生侵蚀性降雨。

表2研究区侵蚀性降雨特征统计

2.2侵蚀性降雨雨型特征

对研究区的104次侵蚀性降雨以P、T和I为分类变量进行聚类分析,结果见表3。所有侵蚀性降雨共分为3类,P、T和I3种降雨特征均对分类结果影响显著(p<0.01),分类效果良好。以25%和75%分位值来作为不同雨型的各特征指标变化范围,因此3种雨型的特征可以描述为:A雨型中历时(795～1124min)、中雨强(1.46～3.80mm/h)、中雨量(21.8～53.1mm)、中频次(28次);B雨型长历时(2065.50～3121.25min)、小雨强(0.75～1.33mm/h)、大雨量(29.1～63.65mm)、低频次(10次);C雨型为短历时(228.75～531.25min)、大雨强(2.243～7.699mm/h)、小雨量(13.75～29.75mm)、高频次(66次)。从发生频次上来说,C雨型在4年共发生了66次,占总样本量的63.5%,其次为A类雨型,占26.9%,B雨型,占9.6%,说明在C雨型下引起的产流产沙现象更为频繁。从造成的土壤侵蚀结果来看,坡耕地(4号小区)4年间由不同雨型引起的土壤流失总量分别为:A雨型共造成4.225t/hm2,B雨型0.558t/hm2,C雨型14.986t/hm2,C雨型所造成土壤流失量占总流失量的75.8%。不论是造成土壤侵蚀的次数还是造成土壤侵蚀的结果,都表明在研究区主要的侵蚀性降雨为C类雨型,即短历时、大雨强、小雨量、高频次。综合分析可以大致得出雨强相较于降雨量对引起土壤侵蚀的贡献更大,尤其是短历时的暴雨。这是因为大雨强的暴雨对土壤的击溅分离能力更强,可以产生较多可搬运的泥沙,导致产沙量增加。所以对于C雨型在今后的防控工作中应重点防范。对于次降雨侵蚀力均值指标而言,呈现出B类>A类>C类雨型,而次降雨量指标体现为B类>A类>C类雨型,两者规律一致,可表明在一定程度上降雨量与降雨侵蚀力的关系更为密切。然而由于C类雨型发生更为频繁,故总降雨量仍然最多,占50.1%,其总降雨侵蚀力也为3类雨型中最大。

表3不同侵蚀性雨型指标特征

2.3生物措施对产流产沙的调控效应

对研究区6个径流措施小区104次侵蚀性降雨的产流产沙进行分析见图1。坡面产流与产沙呈现出类似的规律,产流量呈现出耕地>经果林>自然恢复草地>人工草地>水保林>水平阶整地+经果林,与坡耕地相比,水保林和水平阶整地+经果林措施均显著降低了坡面产流量(p<0.05);坡面产沙呈耕地>经果林>自然恢复草地>水保林>人工草地>水平阶整地+经果林的趋势,与坡耕地相比较,其他生物措施均显著降低了坡面产沙量(p<0.05),即同坡耕地相比,云雾站不同生物措施均显著降低了坡面土壤侵蚀风险。

从云雾水土保持监测站点产流产沙结果来看,水平阶整地+经果林的水土流失调控效益最好,显著高于坡耕地(p<0.05)。水平阶整地+经果林产流量为0.056m3,相较于坡耕地的0.152m3减少63.2%的产流量;产沙量为0.129g/L,相较于坡耕地的1.287g/L可减少90%的产沙量。水保林的产沙量高于人工草地,产流量低于人工草地,这可能是由于本研究区所种植的马尾松属针叶林,其叶面截留面积大,树木的林冠层可以层层有效截留雨水,减少地表径流,而人工草地由于其地被层较厚,且密度大,对土壤形成了保护效果使得产沙量较低,这是自然恢复草地所无法达到的。

2.4不同雨型条件下生物措施对坡面产流产沙的响应

进一步分析不同雨型条件下生物措施对坡面产流产沙的影响见图2。不同雨型条件下,坡耕地的水土保持效果均为最差,水平阶整地+经果林在A、B、C3种雨型下相较于坡耕地可分别减少产流、产沙量达62.7%,89.0%;53.0%,83.6%;63.2%,89.9%。进一步表明水平阶整地+经果林的减流减沙效果好且稳定。但值得注意的是,在B型雨下水平阶整地+经果林对于产流产沙的减少率相较于耕地为50%和80%以上,而A型雨和C型雨条件下减少率可达60%和85%以上,所以水平阶整地+经果林在B型雨条件下的减流减沙作用不如A型雨和C型雨,在B型雨多发地区应注意此现象。

图1不同生物措施平均产流产沙量

注:图中相同小写字母表示处理间无显著差异(P>0.05);不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

将水平阶整地+经果林与经果林在3种雨型下的产流产沙量进行分析表明,在A、B、C雨型下水平阶整地+经果林的水土保持效果均优于经果林,这主要是由于水平阶整地措施可以有效减缓坡度,降低坡面径流的流速与侵蚀力、加速水分下渗,其形成的梗坎对径流与泥沙都有一定的淤积作用,使其产流产沙量都低于其他措施,一定程度表明了生物措施与工程性措施相结合治理会得到更佳水土流失调控效应。将不做任何工程性措施处理的3号小区经果林与水保林作为不同的林地类型,对其产流产沙进行对比,总体来看(图1),水保林的水土流失调控效果优于经果林,但未达显著水平(p>0.05),水保林较经果林可减少产流量的17%和产沙量的37.6%,且在不同雨型下规律一致。主要是因为经果林每年都要进行采摘及修枝剪叶等人为干扰,增加了土壤可蚀性,而水保林由于不施加任何人为干扰,其大量的枯落物可以有效截留径流泥沙并减缓坡面水流速度,从而使其具有较好的水土保持效果。将自然恢复草地和人工草地作为不同草地措施进行对比分析,A雨型和C雨型条件下人工草地相较于自然恢复草地可以减少产流量1.38%和4.56%,减少产沙量34.12%和35.97%,效果更优。这主要因人工草地相较于自然杂草种植密度较大,覆盖度高,可以有效截留雨水,减缓溅蚀作用,且其发达的根系不仅可以固结土壤,还可以增加土壤的渗透力,从而起到减流减沙的作用。但B型雨条件下人工草地的产流产沙高于自然恢复草地,这可能是由于自然恢复草地饱和蓄水量高于人工草地[20],因此在B型雨长历时、小雨强、大雨量的条件下,人工草地较自然恢复草地过早产生了“蓄满”产流,从而导致B雨型下人工草地产流产沙大于自然恢复草地的现象。

以耕地作为对照,分析不同雨型下各措施的调控效应见表4。不同雨型下不同措施的减流减沙规律表现为A雨型减流率呈水平阶整地+经果林>水保林>人工草地>自然恢复草地>经果林,减沙率为水平阶整地+经果林>人工草地>水保林>自然恢复草地>经果林;B雨型减流率呈水平阶整地+经果林>自然恢复草地>水保林>人工草地>经果林的趋势,减沙率为水平阶整地+经果林>自然恢复草地>人工草地>水保林>经果林;C雨型减流率水平阶整地+经果林>水保林>人工草地>自然恢复草地>经果林,减沙率水平阶整地+经果林>人工草地>水保林>自然恢复草地>经果林。不难看出,除自然恢复草地,B型雨下各种生物措施对于水土流失的调控效应普遍不如A型雨和C型雨,自然恢复草地在B雨型条件下的减沙率高于其他雨型,且在B雨型下其减流减沙效果仅次于水平阶整地+经果林,表现良好。因此在B型雨多发地区应重视此现象。此外,3种雨型下各措施较耕地的减沙率均高于减流率。

图2不同雨型各生物措施产流产沙情况

表4不同雨型各措施较耕地的减流减沙率

2.5产流产沙特征随时间变化规律

2.5.1月产流产沙特征

坡面不同生物措施月产流情况见图3。1,2,12月在4年没有产生侵蚀性降雨,不同生物措施月产流特征大致表现为先增加后降低的趋势,这与降雨量规律类似,集中于5—8月,这4个月的降雨量占总样本量的78.3%。6个小区在这4个月间的产流量占总产流量分别达80%,74.1%,76%,83.7%,77.4%和75.8%,表明5—8月为坡面产流的集中期,是坡面水土流失防治的重点时段;9—11月,随着降雨量的递减,产流量也相应减少。

图3各措施月产流特征

对于月产沙规律而言,其与降雨量月变化特征并不完全吻合(表5)。结合前文分析可知,C雨型是区域土壤侵蚀的主要降雨类型,将不同雨型在每个月份的发生频次进行统计见表6。C雨型在5,6月分别发生了19,16场,为所有月份中最多,相应的各措施产沙量也主要集中在5,6月,说明产沙量的变化规律与侵蚀性降雨类型的分布关系较大。水平阶整地+经果林、人工草地及水保林的最大产沙量均没有出现在C雨型最为集中的5月,而是出现在6月,存在一定的滞后效应。

2.5.2年产流产沙特征

不同生物措施年产流量见图4。坡耕地与自然恢复草地的年季产流特征与降雨量变化规律类似,2015年产流量最大;而水平阶整地+经果林、经果林、人工草地及水保林在4年间的产流量呈阶梯状递减趋势,2014年产流量最大,与期间降雨变化规律不完全相符,原因可能是随着时间推移,林木的郁闭度和根系密度增大,水土保持效果提升,尤其是水保林,水保林2014年产流量为6.437m3,2015年产流量为1.631m3,2015年蓄水效果相较于2014年有明显提高,减少产流量4.806m3。

表5各措施月产沙特征

表6不同雨型发生频次

表7为坡面不同生物措施4年间平均土壤侵蚀模数,坡耕地依然是水土流失的主要土地利用方式,其土壤侵蚀模数达365.33t/(km2·a),远高于水平阶整地+经果林措施的3t/(km2·a)。与坡耕地对照,其他生物措施均具有较好的土壤保持效果,降低土壤侵蚀率均超过95%,大大降低了坡面土壤侵蚀风险。

3、讨论

研究表明坡面尺度土壤侵蚀受雨强[21]、历时[22]和雨量[23]等降雨特征的综合影响,但以往对雨型的研究[24,25,26]中大多以单一指标进行分类或不能很好体现降雨特征之间的综合作用。本文基于以上3种降雨特征将研究区侵蚀性降雨分为A、B、C3类,相对而言更加符合实际情况。

图4各措施年产流特征

表7不同坡面生物措施土壤侵蚀模数

本研究表明,C雨型(短历时、大雨强、小雨量、高频次)是造成贵州省黔南地区土壤侵蚀的主要侵蚀性雨型,因大雨强对土壤的击溅能力较强,可分离较多土壤导致土壤流失加剧。4年间仅坡耕地小区土壤流失总量高达14.986t/hm2。杜波等[27]在贵州省关岭县蚂蟥田地区进行的雨型研究结果表明,该地区6月侵蚀性降雨最多,且小雨量、短历时、大雨强的暴雨是造成该地区水土流失的主要雨型,这与本研究结果类似;谭顺菊等[28]对贵州省羊鸡冲小流域地区的侵蚀性雨型划分结果与本文一致,侵蚀性降雨分布月份也与本文类似,与本研究区情况不同的是该区造成水土流失最多的雨型特点是中雨强、中雨量、中历时,但就不同雨型各降雨指标数据来看,谭顺菊等[28]所划分的中雨强(1.83～4.92mm/h)、中雨量(11～34.5mm)、中历时(297～580.2min)的雨型与本研究所划分的大雨强(2.243～7.699mm/h)、小雨量(13.75～29.75mm)、短历时(228.75～531.25min)的雨型3个指标取值范围相差并不多,而其所划分出的大雨强(20.81～22.13mm/h)、小雨量(11.8～21.5mm)、短历时(31.8～61.8min)的雨型则更多倾向于极端的暴雨情况,其样本量也仅有3次降雨。就其他地区而言,我国红壤区研究[29]表明,短历时(116.3～463.8min)、小雨量(9.2～28.2mm)、大雨强(2.2～9.3mm/h)的雨型是导致红壤裸露坡地土壤侵蚀的主要雨型,其发生频率占总降雨的60%,累计侵蚀量占样本总量的84%。同样的结论也可以在黄土高原地区得出,焦菊英等[30]的研究表明,短历时、大雨强的暴雨发生的比例占侵蚀性降雨总量的52.7%,侵蚀量达64%。此雨型在黄土高原坡面和沟道小流域能造成70%的极强烈侵蚀。可见,本研究区和我国红壤区及黄土高原区3个地区的土壤侵蚀均主要由短历时、大雨强、小雨量的暴雨引起,且3个地区单次降雨量相当,但是黄土高原区的暴雨较本研究区及红壤区而言,通常历时更短、雨强更大。综上所述,在贵州省黔南区应对这种雨型进行主要防范。

云贵高原坡耕地作为该地区水土流失的主要源头,本研究得出其4年平均土壤侵蚀模数为365.33t/(km2·a),采取不同生物治理措施后水土流失情况有较大改观,各生物措施相较于坡耕地降低土壤侵蚀率均可达95%以上。就林地而言,水保林保土蓄水效果优于经果林,这与前人[31]研究结果类似,但是考虑到经果林有较大经济效益,可改善当地人地矛盾,加之水保林的水土保持效益较经果林而言并未达显著水平,故在适宜发展林地的坡面还是应首先采取经果林种植。就草地而言,总体上(图1)人工草地相较于自然恢复草地效果更优。虽然出现一个特殊现象是在B型雨下自然恢复草地的保水固土效果高于人工草地,但B型雨在研究区所占比例较低,且云贵地区山地较多,可利用土地有限,所以在实际生产中进行自然恢复不太现实,故在适宜发展草地的坡面应优先进行人工种草措施。此外,水平阶整地+经果林产沙产流量为所有措施中最低,其土壤侵蚀模数仅为3t/(km2·a),较坡耕地可降低土壤侵蚀率达99.2%。但由于整地工程措施需耗费较大的人力物力,因此在实际生产中应视具体情况采取相应措施。

4、结论

(1)研究区侵蚀性降雨主要可分为3类:中历时、中雨强、中雨量、中频次的A雨型;长历时、小雨强、大雨量、低频次的B雨型;短历时、大雨强、小雨量、高频次的C雨型。C雨型为引起研究区水土流失的主要雨型。

(2)较坡耕地而言,A雨型和C雨型条件下减流量均呈水平阶整地+经果林>水保林>人工草地>自然恢复草地>经果林的趋势;减沙量均为水平阶整地+经果林>人工草地>水保林>自然恢复草地>经果林。B雨型减流量为水平阶整地+经果林>自然恢复草地>水保林>人工草地>经果林;减沙量为水平阶整地+经果林>自然恢复草地>人工草地>水保林>经果林。

(3)以坡耕地为对照,除自然恢复草地外,B型雨条件下各措施对于水土流失的调控作用普遍不如A型雨和C型雨,且3种雨型下各措施对产沙的调控作用优于产流。自然恢复草地在B型雨条件下具有良好的水土流失调控作用。

(4)5—8月为坡面产流和降雨量的高峰期;主要侵蚀性雨型C雨型集中分布在5,6月,这2个月也是产沙的高峰期。水平阶整地+经果林、人工草地及水保林的最大产沙量存在一定滞后效应。

(5)不同雨型坡耕地的水土流失最为严重。水平阶整地+经果林蓄水保土效果最优,3种雨型下较坡耕地减流量为62.7%,53%,63.2%,水平阶整地+经果林土壤侵蚀模数为3t/(km2·a),较坡耕地的365.33t/(km2·a)可降低土壤侵蚀率99.2%。

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基金:贵州省科技支撑计划项目“喀斯特石漠化山区混农林系统水土保持生态功能及关键技术研究”(黔科合支撑[2019]2847号);国家自然科学基金项目“喀斯特区典型石漠化坡耕地覆盖措施水土流失调控效应”(31760243).