梁娟珠

(福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心, 數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350003)

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南方紅壤區(qū)不同植被措施坡面的水土流失特征

梁娟珠

(福州大學(xué) 福建省空間信息工程研究中心, 數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350003)

植被是南方紅壤區(qū)水土流失治理的主要措施，為了研究不同的植被措施對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，以及對(duì)坡面侵蝕的抑制效果，在福建省長(zhǎng)汀縣選擇喬灌草、灌草、草本、農(nóng)作物、喬灌、封山育林、經(jīng)濟(jì)林等各植被措施下的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，通過觀測(cè)各種植被措施坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，分析比較各小區(qū)的水土流失特征。結(jié)果表明植被能較好地調(diào)控坡面地表徑流和土壤侵蝕。不同植被措施下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙分異規(guī)律明顯，相對(duì)裸地，蓋度高的喬灌草、灌草、草本等措施的水土流失量最小，水土保持效果最為明顯。在不同的降雨量條件下，不同植被措施的坡面水土流失情況也表現(xiàn)出顯著的差異。因此，在未來南方紅壤植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)過程中，通過各種植被治理措施的逐步實(shí)施，對(duì)改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和水土流失的防治具有重要的意義。

南方紅壤區(qū); 植被措施; 水土流失; 徑流量; 泥沙量

南方紅壤丘陵區(qū)降雨量大，且分布不均，多以暴雨形式出現(xiàn)，單位時(shí)間內(nèi)強(qiáng)大的降雨構(gòu)成巨大的侵蝕動(dòng)力，加上土壤的可蝕性較高的內(nèi)在因子和劇烈的人類活動(dòng)使得南方紅壤區(qū)成為我國(guó)水土流失最廣、程度最高的地區(qū)之一[1-2]。福建省長(zhǎng)汀縣是我國(guó)南方紅壤區(qū)水土流失最嚴(yán)重的縣份之一，水土流失面積廣，程度中，危害大。由于長(zhǎng)期水土流失，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化，山地植被稀疏，土壤侵蝕嚴(yán)重，植被難以自然恢復(fù)，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，已稱為當(dāng)前亟需解決的環(huán)境問題[3]。降雨是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的先決條件，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的大小取決于降雨強(qiáng)度及降雨量，同時(shí)，坡面的植被覆蓋情況對(duì)其也有決定性的影響[4]。植被可以增加地面覆蓋、涵養(yǎng)水源、降低雨滴動(dòng)能，通過物流機(jī)械作用阻擋水土流失[5-7]，對(duì)防治水土流失與改良土壤具有重要的作用，因此植被措施是水土流失治理的重要手段。前人做了大量的關(guān)于不同土地利用類型水土流失情況的研究[8-12]，不同的土地利用類型或者不同的植被類型對(duì)坡面的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量具有很大的差異。因此，為揭示不同的植被類型極其搭配組合對(duì)抑制水土流失的效果，則需要對(duì)不同措施的水土保持效益進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

本文選取南方紅壤區(qū)水土流失十分嚴(yán)重的福建省長(zhǎng)汀縣，通過野外不同植被措施下的徑流小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究不同植被措施降雨對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，揭示不同植被措施坡面水土流失的特征，為南方紅壤區(qū)水土保持與生態(tài)恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

試驗(yàn)小區(qū)設(shè)于福建省長(zhǎng)汀縣河田鎮(zhèn)內(nèi)，東經(jīng)116°38′45″—116°39′20″，北緯25°18′40″—26°02′05″，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫17.5～18.8℃，極端最高溫度達(dá)39.8℃，年均降雨量1 628.2 mm，降雨分布集中且強(qiáng)度大，其中4—6月降雨占全年的53%，該地區(qū)土壤主要為花崗巖風(fēng)化發(fā)育的紅壤，土層深厚且松軟，抗蝕性差，是南方水土流失最嚴(yán)重的土壤類型。

2　研究方法

2.1試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

為了研究不同植被治理措施的水土流失特征，河田鎮(zhèn)露湖科教園在2006年布設(shè)了12個(gè)徑流小區(qū)的水土流失監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各徑流小區(qū)的規(guī)格為長(zhǎng)20 m，寬5 m，西南朝向，坡度15°，選取草本、傳統(tǒng)農(nóng)作、封山育林、經(jīng)濟(jì)林、喬灌、灌草、喬灌草等典型的紅壤植被治理措施，并設(shè)置2個(gè)空白小區(qū)作為對(duì)照。各小區(qū)的基本情況如表1所示。

表1　徑流小區(qū)情況

2.2測(cè)定方法

對(duì)每一場(chǎng)降雨產(chǎn)生的徑流和泥沙進(jìn)行觀測(cè)，記錄其集水桶中的徑流深，并采用烘干法測(cè)定泥沙重量，每個(gè)月進(jìn)行一次月徑流量與泥沙量的統(tǒng)計(jì)，本研究選擇了2009—2010年的月統(tǒng)計(jì)的徑流深(mm)與泥沙量(kg)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

降雨數(shù)據(jù)采取附近的水文觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，主要為日降雨量。

2.3數(shù)據(jù)處理

本研究采用SPSS 19分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括對(duì)徑流觀測(cè)月統(tǒng)計(jì)的各個(gè)小區(qū)的徑流量、土壤侵蝕量量進(jìn)行單因子多因素方差分析；對(duì)各小區(qū)的徑流量、土壤侵蝕量與月降雨量進(jìn)行相關(guān)分析和回歸分析；采用Excel 2010對(duì)觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合并分析、圖表輸出。

3　結(jié)果與分析

3.1不同植被措施坡面的徑流損失特征

2009—2010年共有19個(gè)月的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)各種植被措施下的月徑流量進(jìn)行平均，得出圖如圖1所示的減少?gòu)搅鲹p失情況。在自然降雨條件下，不同植被措施的小區(qū)徑流損失的比較結(jié)果(圖1)所示，表現(xiàn)為空白小區(qū)>經(jīng)濟(jì)林>老頭松改造>封山育林>馬尾松>全坡草本>小穴喬灌草>小穴灌草>條溝草本>整畦農(nóng)作物>條溝喬灌草。各種植被措施的徑流值與空白小區(qū)徑流值進(jìn)行比較，得出經(jīng)濟(jì)林、老頭松改造、封山育林、馬尾松、全坡草本、小穴喬灌草、小穴灌草、條溝草本、整畦農(nóng)作物、條溝喬灌草分別減少34.4%，40.08%，43.01%，47.31%，49.70，53.09%，59.07%，70.24%，76.45%，81.26%。數(shù)據(jù)顯示，不同的植被措施都能在一定程度上減少坡面的徑流損失，但是不同的植被類型和耕作方式對(duì)徑流損失的影響是不同的。蓋度高的灌草和農(nóng)作措施比喬木措施更能抑制徑流損失，這是由于灌草措施和農(nóng)作措施下，植被郁閉度和蓋度高，能削弱降雨，且能夠改善土壤空隙狀況，對(duì)降雨入滲較快，所以徑流損失較少。而喬木，如老頭松、馬尾松等，沒有灌層，且地下根系不發(fā)達(dá)，抑制徑流的作用不如灌草措施。同時(shí)，不同耕作方式下的灌草措施對(duì)抑制徑流損失的作用也不相同，人工整地后種植草本、喬灌草、農(nóng)作物等措施與全坡種植草本來所，抑制徑流的效果更好，這是因?yàn)檎卮胧┠軌蛟黾油寥篮?，提高植物的生長(zhǎng)量，具有減少水土流失的作用。

對(duì)所有不同植被措施下的各小區(qū)產(chǎn)流量采用S-N-K法單因素方差分析方法，進(jìn)行均值多重比較，得到各措施下產(chǎn)流的均衡子集(表2)，發(fā)現(xiàn)不同的措施對(duì)徑流量的影響可以分為三組，A組：11號(hào)小區(qū)條溝喬灌草；10號(hào)小區(qū)條溝草本；4號(hào)小區(qū)農(nóng)作物地瓜。

B組：7號(hào)小區(qū)小穴灌草；8號(hào)小區(qū)小穴喬灌草；3號(hào)小區(qū)全坡種草；12小區(qū)純馬尾松；6號(hào)小區(qū)封山育林；9號(hào)小區(qū)老頭松改造；C組：空白小區(qū)。分析結(jié)果顯示各個(gè)組內(nèi)徑流損失沒有顯著的差異，但不同的組之間在p=0.05水平上具有顯著的差異。因此，在一定程度上說明了林草治理措施對(duì)坡面徑流的影響，即坡面徑流會(huì)因?yàn)椴扇×植葜卫泶胧┒鴾p少，但有時(shí)影響不顯著。只有因地制宜的選擇合理的植被類型和構(gòu)造，才會(huì)對(duì)表徑流損失有顯著抑制的作用。

圖1　徑流減少情況情況

3.2不同植被措施坡面的土壤侵蝕特征

對(duì)各種植被措施下的月產(chǎn)沙量進(jìn)行平均，得出不同措施下的土壤侵蝕產(chǎn)沙情況。在自然降雨條件下，不同植被措施的小區(qū)產(chǎn)沙量的比較表現(xiàn)為空白小區(qū)>經(jīng)濟(jì)林>馬尾松>老頭松改造>整畦農(nóng)作物>封山育林>小穴喬灌草>小穴灌草>全坡草本>條溝草本>條溝喬灌草。數(shù)據(jù)表明，植被治理措施在一定程度上能夠減少坡面土壤的侵蝕產(chǎn)沙量。但是不同的植被類型和耕作方式坡面產(chǎn)沙的影響是不同的。蓋度高的灌草和農(nóng)作措施比喬木措施更能抑制土壤侵蝕，這是由于灌草措施和農(nóng)作措施下，植被蓋度高，土壤表層結(jié)構(gòu)以及對(duì)降雨的滲漏和通透性較好，可以減緩徑流流速的作用，所以土壤顆粒不容易被降雨剝離發(fā)生土壤侵蝕。而喬木，如老頭松、馬尾松、經(jīng)濟(jì)林等，林下無草本植物，蓋度低，地下根系不發(fā)達(dá)，土壤對(duì)降雨的入滲能力差，容易形成土壤侵蝕?？梢?，貼地面的覆蓋比其他覆蓋對(duì)防止土壤侵蝕更有效。因此，因地制宜的選擇合理的植被類型和構(gòu)造，同樣對(duì)減少土壤侵蝕有重要的意義。

同樣的，對(duì)所有不同林草治理措施下的各小區(qū)產(chǎn)沙量進(jìn)行單因素方差分析，得到各措施下產(chǎn)沙的均衡子集(如表3)。不同植被治理措施對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)沙量的影響被分為3組：A組：11號(hào)小區(qū)條溝喬灌草；10號(hào)小區(qū)條溝草本；3號(hào)小區(qū)全坡草本；7號(hào)小區(qū)小穴灌草。B組：8號(hào)小區(qū)小穴喬灌草；6號(hào)小區(qū)封山育林；4號(hào)小區(qū)整畦農(nóng)作物；9號(hào)小區(qū)老頭松改造；12小區(qū)純馬尾松；5號(hào)小區(qū)經(jīng)濟(jì)林；C組：空白小區(qū)。分析結(jié)果顯示各個(gè)組內(nèi)產(chǎn)沙量沒有顯著的差異，但不同的組之間在p=0.05水平上具有顯著的差異，與徑流量的比較結(jié)果一致。可見具有貼地面高覆蓋的草本治理措施，如喬灌草、灌草、全坡草本等，對(duì)抑制土壤侵蝕效果最好。

表3　不同植被措施土壤侵蝕影響均值比較

3.3不同植被措施的保土減少效益

植被保土作用系數(shù)和減沙效益2個(gè)指標(biāo)通常被用來描述水土保持的功效[7]。植被保土作用系數(shù)和減沙效益都是以相同情況下無植被覆蓋的土壤侵蝕量為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。

覆蓋地表的植被作物，具有抑制土壤侵蝕的保土作用，其抑制土壤侵蝕的能力大小，稱為植被保土作用系數(shù)，用C表示[8]。本研究的C表示植被措施抑制坡面徑流產(chǎn)沙作用的大小。C的值在0～1，具有概率概念的特性。當(dāng)無植被覆蓋作用時(shí)，C=0；當(dāng)植被覆蓋抑制土壤侵蝕作用達(dá)到最大時(shí)，C=1。根據(jù)C的定義，計(jì)算公示為：

C=T/N×100%

(1)

式中：C——保土作用系數(shù)(%)；T——植被覆蓋下的土壤侵蝕量(kg)：N——相同情況下無植被覆蓋的土壤侵蝕(kg)。

本研究的植被保土作用系數(shù)將C值轉(zhuǎn)化成(1-C)來預(yù)估坡面侵蝕量。

減沙效益通過計(jì)算減沙效益特征指標(biāo)減沙率來體現(xiàn)，按照水土保法計(jì)算減沙效益(M)：

M=ΔS/S×100%

(2)

式中：M——減沙效益(%)；ΔS——采用植被措施后泥沙的變化量(kg)：S——對(duì)照區(qū)產(chǎn)生的泥沙量(kg)。

根據(jù)公式(1—2) 對(duì)徑流小區(qū)觀測(cè)月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出如圖2所示的不同植被措施下的保土作用系數(shù)與減沙效益，保土作用系數(shù)由于治理措施的采取，呈增大趨勢(shì)，其中11號(hào)小區(qū)的條溝喬灌草措施作用最大，與上文的分析結(jié)果相符。植被的減沙效益與保土作用系數(shù)具有相似的趨勢(shì)，同樣在條溝喬灌草措施下減沙效益最顯著，這可能是由于條溝草灌草林分結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，貼近地表的蓋度最高。

圖2　各小區(qū)的保土作用系數(shù)與減沙效益

3.4不同植被措施徑流泥沙與降雨的相關(guān)分析

各植被小區(qū)的地表徑流與土壤侵蝕產(chǎn)沙量雖然差別很大，但與降雨量的關(guān)系較密切，地表徑流、土壤侵蝕有與降雨量具有相似的規(guī)律，多發(fā)生在雨季。對(duì)各小區(qū)的地表徑流、土壤侵蝕量分別與月降雨量進(jìn)行相關(guān)分析(表4—5)，結(jié)果顯示降雨量與各植被措施的徑流量與土壤侵蝕量具有顯著的相關(guān)性，徑流量與侵蝕量隨降雨量的增大而增大?？瞻仔^(qū)的徑流量、土壤侵蝕量對(duì)雨量響應(yīng)強(qiáng)烈，植被措施下的小區(qū)徑流量、土壤侵蝕量對(duì)不同的雨量響應(yīng)不明顯。

各措施的徑流量、土壤侵蝕量量的變化對(duì)降雨量的變化的響應(yīng)存在差異。對(duì)地表徑流與土壤侵蝕量分別與降雨量進(jìn)行回歸分析，得出如表(表4—5) 所示的回歸方程，從回歸方程看，徑流量、土壤侵蝕與降雨量的回歸方程的關(guān)系斜率隨地表蓋度的增加而降低，即覆蓋度越高的小區(qū)降雨量對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響越小，如條溝喬灌草、農(nóng)作物、條溝草本等措施。其關(guān)系斜率最小，說明產(chǎn)流量、土壤侵蝕量對(duì)不同的雨量響應(yīng)不明顯，能夠抑制坡面水土流失。

相對(duì)于降雨量對(duì)徑流量的影響，降雨量對(duì)土壤侵蝕量的影響更小，這是因?yàn)槠旅鎻搅髁?、降雨?qiáng)度、降雨歷時(shí)等其他影響因素的累積作用弱化了降雨量對(duì)徑流產(chǎn)沙的作用[9]。

表4　徑流量與降雨的回歸分析與相關(guān)分析

表5　土壤侵蝕量與降雨的回歸分析與相關(guān)分析

4　結(jié) 論

對(duì)南方紅壤區(qū)采取植被治理措施能夠降低水土流失，且各植被措施對(duì)土壤侵蝕的降低程度相對(duì)于對(duì)坡面徑流的影響要大，這與植被治理措施防制地表水土流失的機(jī)理有關(guān)。各種植被措施對(duì)土壤侵蝕的作用比對(duì)徑流作用更有效。不同的植被措施對(duì)水土保持的效果表現(xiàn)不同，這與植被措施下的植物特性、結(jié)構(gòu)有關(guān)。各植被措施中，條溝喬灌草、條溝草本、農(nóng)作物、條溝灌草等措施的水土保持效果較其他的喬木、喬灌措施要好，其原因可能是草本植物生長(zhǎng)茂盛，根系發(fā)達(dá)，蓋度較大，坡面侵蝕力被層層削弱，很好地起到水土保持的作用。而喬木、喬灌措施下，其貼地面覆蓋度相對(duì)較低，不易形成喬灌草立體防護(hù)體系，其水土保持效果較差。因此，要根據(jù)各利用土地的水土流失特征，有針對(duì)性防治水土流失。

降雨量與各植被措施的徑流量與土壤侵蝕量具有顯著的相關(guān)性，徑流量與侵蝕量隨降雨量的增大而增大，且不同措施徑流變化對(duì)雨量響應(yīng)差異明顯，空白小區(qū)、喬木措施的土壤侵蝕量變化對(duì)雨量的變化響應(yīng)大，而貼地面覆蓋度高的草本措施對(duì)雨量的響應(yīng)不明顯。

[1]楊學(xué)震,鐘炳林,謝小東,等.丘陵紅壤的土壤侵蝕與治理[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005.

[2]趙其國(guó).我國(guó)紅壤的退化問題[J].土壤,1995,27(6):281-285.

[3]蔡麗平,劉明新,侯曉龍,等.長(zhǎng)汀縣崩崗侵蝕區(qū)不同治理模式植物多樣性的比較[J].福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,41(4):524-528.

[4]史東梅,盧喜平,蔣光毅.紫色丘陵區(qū)降雨侵蝕力簡(jiǎn)易算法的模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010，26(2):116-122.

[5]朱冰冰,李占斌,李鵬,等.草本植被覆蓋對(duì)坡面降雨徑流侵蝕影響的試驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2010，47(3):401-407.

[6]蔣芳市,黃炎和,鐘炳林,等.不同治理措施對(duì)侵蝕紅壤群落生物量及生產(chǎn)力的影響[J].水土保持通報(bào),2009,29(5):12-16.

[7]伍紅琳,張輝,孫慶業(yè).坡面人工植物群落修復(fù)對(duì)水土流失及控磷的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2011,25(3):26-30.

[8]趙護(hù)兵,劉國(guó)彬,曹清玉.黃土丘陵區(qū)不同植被類型對(duì)水土流失的影響[J].水土保持研究,2004,11(2):153-155.

[9]張曉明,余新曉,武思宏,等.黃土區(qū)森林植被對(duì)坡面徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2005,16(9):1613-1617.

[10]韓永剛,王維明,楊玉盛.閩北不同土地利用方式徑流量動(dòng)態(tài)變化特征[J].水土保持研究,2006,13(5):262-266.

[11]李鋼,梁音,曹龍熹.次生馬尾松林下植被恢復(fù)措施的水土保持效益[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2012,10(6):25-31.

[12]黃茹,黃林,何丙輝,等.三峽庫(kù)區(qū)坡地林草植被阻止降雨徑流侵蝕[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(9):70-76.

Characteristics of Soil and Water Erosion on the Slopes with Different Vegetation Patterns in Red Soil Region of Southern China

LIANG Juanzhu

(Key Laboratory of Spatial Data Mining & Information Sharing of Ministry of Education, SpatialInformationResearchCenterofFujianProvince,FuzhouUniversity,Fuzhou350003,China)

Vegetation is the main measure to control soil and water losses in red soil region of southern China. In order to study effect of different vegetation measures on he runoff and sediment yield, and the effect of inhibition erosion on the slope, in Changting County of Fujian Province, the standard runoff plots were built on natural slopes with different vegetable patterns for observing the runoff and sediment generation under these slope vegetable patterns (arbor+shrub+herb, shrub+herb, herb, arbor+shrub, closing hillsides to facilitate afforestation, economic forest). The results showed that vegetation patterns can control runoff and soil erosion effectively on the slope surface. Water loss and soil erosion in the plots of arbor+shrub+herb, shrub+herb and herb were the slightest, and effect of soil and water conservation is the most obvious. In different rainfall conditions, water loss and soil erosion on the slopes wiht different vegetation patterns also showed significant difference. Therefore, a variety of vegetation control measures will be implemented gradually in the process of vegetation restoration and ecological environment construction in the red soil region of southern China, which is of great significance to improve the local ecological environment and control the soil erosion and water losses.

red soil region of southern China; vegetation measure; soil and water losses; runoff; sediment yield

2014-08-26

2014-09-18

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“南方紅壤水土流失治理技術(shù)研究與示范(2013BAC08B00)”

梁娟珠(1978—),女,福建福清人，博士,助理研究員,從事水土保持決策支持研究。E-mail：liangjuanzhu@163.com

S157.2

A

1005-3409(2015)04-0095-05