顧朝軍，朱永清，黃立文，穆興民，孫 宇，孫奇石，陳逸方

(1.長江水利委員會長江流域水土保持監(jiān)測中心站，430012，武漢； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，712100，陜西楊凌)

南方紅壤區(qū)是我國五大水力侵蝕類型區(qū)之一。由于該區(qū)降雨量居各區(qū)之首，地形破碎、坡度大、土壤抗蝕力弱，土層薄，導(dǎo)致其水土流失程度僅次于黃土高原[1-2]。江西省屬于典型的南方紅壤區(qū)，其紅壤坡地水土流失面積超過全省土地總面積的20%[3-6]。江西省在全國水土保持監(jiān)測站網(wǎng)一、二期工程中建設(shè)了一批典型地區(qū)水土保持定位監(jiān)測站點(diǎn)，以推進(jìn)紅壤坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及水土保持措施效益等基礎(chǔ)性研究。胡實(shí)等[7]基于水土保持監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)，研究不同土地利用方式下紅壤坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征發(fā)現(xiàn)，徑流泥沙主要集中在4—8月，且農(nóng)作區(qū)的水土流失最為嚴(yán)重，并提出構(gòu)建合理農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)以進(jìn)一步防治南方水土流失。紅壤坡地柑橘(Citrusreticulata)園不同水土保持措施的效益分析表明，減流效益表現(xiàn)為工程措施<耕作措施<工程+植物措施<植物措施，而減沙效益表現(xiàn)為工程措施<耕作措施<植物措施<工程+植物措施[8]。水土流失監(jiān)測站點(diǎn)是獲取坡面及小流域水土流失狀況及其因子最直接、最基礎(chǔ)的地面定位觀測站點(diǎn)[9-11]，是土壤侵蝕規(guī)律研究、水土保持效益評價、區(qū)域土壤侵蝕模型參數(shù)率定以及水土保持率遠(yuǎn)景目標(biāo)計(jì)算等不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。2021年水利部提出要加強(qiáng)水土保持定位監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)據(jù)深度挖掘，提高水土保持監(jiān)測站點(diǎn)成果利用價值。鑒于此，筆者基于江西省泰和縣老虎山小流域綜合觀測站6個坡面小區(qū)2018—2020年野外實(shí)測產(chǎn)流產(chǎn)沙和降雨資料，研究紅壤坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及其與降雨、土地利用、水土保持措施的關(guān)系，以期為紅壤坡地土地利用管理和水土保持措施的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位于江西省泰和縣老虎山小流域綜合觀測站內(nèi)(E 114°53′03″，N 26°50′26″)。江西省泰和縣老虎山小流域綜合觀測站位于江西省吉安市泰和縣水土保持站內(nèi)，屬于江西省水土保持監(jiān)督監(jiān)測站站點(diǎn)之一。監(jiān)測點(diǎn)于2009年5月建成，2012年投入運(yùn)行。小流域?qū)匍L江流域贛江支流，南方紅壤區(qū)贛中低山丘陵土壤保持區(qū)，位于江西吉泰盆地中部，面積3.07 km2。小流域土地利用類型以林地、耕地和園地為主，分別約占流域總面積的55%、30%和10%。土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育來的紅壤和紅壤性土，巖石類型有變余碎屑巖類、板巖類和千枚巖類。小流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候，氣候溫和，光照充足，冬冷春寒，夏熱秋燥，春夏多雨，伏旱秋干，有霜期短，生長期長，年均約為降雨量1 400 mm，年平均氣溫18.6 ℃，無霜期288 d左右，年蒸發(fā)量為1 100 mm，全年日照時間平均1 800 h。流域內(nèi)植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林，現(xiàn)存植被以天然次生林和人工林為主，主要植被有杉木(Cunninghamialanceolata)、濕地松(Pinuselliottii)、杜鵑(Rhododendronsimsii)等喬木，以及毛竹(Phyllostachysheterocyclavar.pubescens)、百喜草(Paspalumnotatum)、狗尾草(Setariaviridi)等草本。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)

泰和老虎山小流域坡面徑流場共設(shè)置6個坡度為8°的長20 m、寬5 m(水平投影面積100 m2)徑流小區(qū)。其中全裸對照小區(qū)1個(植被覆蓋度小于5%)，措施小區(qū)5個。小區(qū)四邊為漿砌石圍埂，基礎(chǔ)深至巖石層，圍埂高出地面30 cm，防止外部徑流進(jìn)入小區(qū)。徑流小區(qū)采用二級分流，分流池、集流池均是長方體，長1.2 m、寬1 m，無加蓋，一級分流池分流高度1 m，二級分流池高度0.8 m，均采用5孔分流。觀測徑流小區(qū)位于坡中部，自動氣象站距徑流場15 m。小區(qū)編號及設(shè)置基本信息見表1。

2.2 徑流和泥沙觀測

徑流小區(qū)在降雨之后觀測降雨、小區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況。降雨采用翻斗式自記雨量器觀測，當(dāng)2場降雨時間間隔不超過6 h時，合并為1次降雨。降雨侵蝕力(R)采用Wischmeier等提出的以降雨動能(E)和最大30 min降雨強(qiáng)度(I30)的乘積計(jì)算[12]。

表1 泰和老虎山小流域坡面徑流場小區(qū)設(shè)置基本信息Tab.1 Basic information about the plot setting of slope runoff field in Taihe Tiger Mountain watershed

該指標(biāo)能較全面地表征降雨量、降雨歷時、降雨強(qiáng)度、降雨動能等各項(xiàng)降雨侵蝕特征，受到廣泛認(rèn)同。計(jì)算方法為：

e=11.897+8.73lgI；

(1)

(2)

R=EI30。

(3)

式中：e為i時段內(nèi)單位雨量的動能，J/(m2·mm)；I為i時段平均降雨強(qiáng)度，mm/h；P′為i時段的降雨量，mm；n為分段數(shù)。具體操作是將降雨過程分成若干降雨強(qiáng)度近似的時段，根據(jù)各時段I與e的統(tǒng)計(jì)關(guān)系計(jì)算各時段分段雨能，累加得次降雨的總動能E。

徑流采樣時，首先讀取集流池水面所在刻度值，根據(jù)集流池面積扣除地表降雨確定徑流量。之后用鐵鍬攪動集流池中泥水，使泥沙和水充分混合均勻，打開集流池邊攪邊采樣，保證取樣均勻，每個集流池內(nèi)取3次，每個取樣瓶取1 000 mL。采樣結(jié)束后，用清水將徑流池沖洗干凈。將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干(105 ℃)、稱量、計(jì)算相應(yīng)含沙量，根據(jù)泥沙量=徑流泥沙混合樣×含沙量計(jì)算出土壤侵蝕量[13-15]。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

2018—2020年坡面徑流場區(qū)域內(nèi)多年平均降雨量1 470.3 mm，年均降雨時間152 d，年均降雨侵蝕力9 366.3 MJ·mm/(hm2·h)，2020年大于2019和2018年(表2)。2018—2020年共發(fā)生侵蝕性降雨107次(年均36次)，其中2018年29次，2019和2020年各39次，對應(yīng)的侵蝕性降雨量分別為888.4、1 316.4和1 379.6 mm。共發(fā)生暴雨14 d(年均5 d)，其中2018、2019和2020年暴雨量分別為259.4、479.3和366.2 mm。

表2 泰和老虎山小流域坡面徑流場降雨指標(biāo)Tab.2 Rainfall indexes in the slope runoff field of Taihe Tiger Mountain watershed

對歷年107場次侵蝕性降雨特征分析表明，發(fā)生產(chǎn)流的降雨歷時平均值1 015 h，降雨量平均值33.5 mm，平均降雨強(qiáng)度平均值4.78 mm/h，I30平均值21.46 mm/h，降雨侵蝕力平均值263.5 MJ·mm/(hm2·h)。從各降雨指標(biāo)箱式圖(圖1)看，降雨侵蝕力波動最大，極差達(dá)8 997.93 MJ·mm/(hm2·h)，變差系數(shù)(coefficient of variation，CV)高達(dá)3.429，屬高度變異。

I30 is maximum rainfall intensity during 30 minutes. The same below.圖1 泰和老虎山小流域2018—2020年各降雨指標(biāo)箱式圖Fig.1 Box diagram of rainfall indexes in Taihe Tiger Mountain watershed from 2018 to 2020

3.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

各小區(qū)場次產(chǎn)流產(chǎn)沙特征差異明顯，裸地小區(qū)場次產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯大于措施小區(qū)。A號(裸地小區(qū))、B號(柑橘)和C號(油茶)小區(qū)產(chǎn)流107次，D號(百喜草)和E號(濕地松+樟樹)小區(qū)102次，F(xiàn)號(濕地松+杜鵑)小區(qū)僅94次，F(xiàn)號小區(qū)相比裸地小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)減少12.15%(表3)。從徑流深看，裸地小區(qū)的場次徑流深和土壤流失量平均值顯著高于其他措施小區(qū)，徑流深分別是柑橘小區(qū)的1.4倍、油茶小區(qū)的1.3倍、百喜草小區(qū)的2.4倍、濕地松+樟樹小區(qū)的3.3倍、濕地松+杜鵑小區(qū)的5.6倍；土壤流失量分別是柑橘小區(qū)的2.4倍、油茶小區(qū)的3.2倍、百喜草小區(qū)的6.4倍、濕地松+樟樹小區(qū)的52.0倍、濕地松+杜鵑小區(qū)的183.8倍。小區(qū)場次徑流深最大值介于124.1～193.1 mm之間，CV值介于1.725～4.333之間；場次土壤流失量最大值介于14.14～3 864.10 t/(km2·a)之間，CV值介于2.239～3.791之間，場次徑流泥沙波動劇烈。

表3 泰和老虎山小流域坡面徑流次徑流深和土壤流失量統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of slope runoff and individual runoff depths and soil loss in Taihe Tiger Mountain watershed

不同徑流小區(qū)的年內(nèi)分配趨勢基本一致。小區(qū)徑流深和土壤流失量主要集中在6月和7月，6—7月徑流深占年總徑流深的64.67%，土壤流失量占年總土壤流失量的73.37%(表4)。這是由于6—7月為該地區(qū)的主汛期，70%以上的侵蝕性降雨出現(xiàn)在6—7月。不同徑流小區(qū)間，裸地小區(qū)各月徑流深和土壤流失量大于措施小區(qū)(表4)。不同月份間，各小區(qū)1—6月徑流深和土壤流失量呈增加趨勢，7—12月呈減少趨勢，這與降雨量的變化有關(guān)。江西省屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，汛期早于長江中上游，5月進(jìn)入主汛期，8月汛期基本結(jié)束，雨量減少，各小區(qū)土壤流失量降低[3,6]。

表4 泰和老虎山小流域坡面小區(qū)各月徑流深和土壤流失量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of monthly runoff depth and soil loss on the slope plots of Taihe Tiger Mountain watershed

3.3 水土保持措施效益

如表5所示，裸地小區(qū)年均徑流深605.2 mm，年均土壤流失量3 987.9 t/km2，達(dá)中度侵蝕。柑橘小區(qū)年均土壤流失量1 655.6 t/km2，油茶小區(qū)年均土壤流失量1 282.4 t/km2，百喜草年均土壤流失量597.0 t/km2，為輕度侵蝕；濕地松+樟樹小區(qū)和濕地松+杜鵑年均土壤流失量分別為73.6和18.7 t/km2，為微度侵蝕。與裸地小區(qū)相比，柑橘小區(qū)年均減流效益28.16%，年均減沙效益58.48%；油茶小區(qū)年均減流效益20.6%，年均減沙效益67.84%；百喜草小區(qū)年均減流效益59.59%，年均減沙效益85.03%；濕地松+樟樹小區(qū)年均減流效益70%，年均減沙效益98.16%；濕地松+杜鵑年均減流效益83.99%，年均減沙效益99.53%。相比而言，人工混交林的保水保土能力高于其他措施?；旖涣至址纸Y(jié)構(gòu)層次明顯，冠層截流量大，林下蓋度高，植被截流保土能力強(qiáng)，水土流失少[1]。柑橘和油茶小區(qū)受摘果和采茶等人為活動的影響，整體覆蓋度不高，導(dǎo)致保水保土能力較差，水土流失依然較大[5]。

表5 泰和老虎山小流域坡面徑流小區(qū)水土保持措施2019—2020年平均減流減沙效益Tab.5 Effects of soil and water conservation measures on the runoff and sediment reduction on the slope runoff plots of Taihe Tiger Mountain watershed from 2019 to 2020

不同年份間，措施小區(qū)2018—2019年減流效益大于2020年，減沙效益小區(qū)小于2020年(圖2)。主要是降雨量和降雨侵蝕力差異引起。從不同年份措施小區(qū)水土保持效益變化看，各植被措施小區(qū)之間減流減沙效益變化基本一致，整體表現(xiàn)為F>E>D>C>B。

圖2 泰和老虎山小流域坡面徑流場水土保持措施坡面小區(qū)2018—2020年減流效益和減沙效益Fig.2 Runoff reduction benefits and sediment reduction benefits of slope plots with soil and water conservation measures in the slope runoff field of Taihe Tiger Mountain watershed from 2018 to 2020

3.4 產(chǎn)流產(chǎn)沙驅(qū)動因子分析

降雨量是產(chǎn)流量的主要驅(qū)動因子，而降雨侵蝕力是產(chǎn)沙量的主要驅(qū)動因子。徑流小區(qū)徑流深和土壤流失量與降雨因子相關(guān)系數(shù)見表6和表7。6個小區(qū)徑流深與降雨量相關(guān)性均達(dá)顯著性水平(P<0.01)，且有4個徑流小區(qū)(裸地、柑橘、茶園、百喜草小區(qū))的徑流深與降雨量相關(guān)系數(shù)在降雨指標(biāo)中排第一(表6)，表明降雨量是影響徑流深的主要因子。這與南方紅壤區(qū)蓄滿產(chǎn)流機(jī)制相符[16]。6個小區(qū)土壤流失量與降雨侵蝕力均呈顯著相關(guān)(P<0.01)，且同樣有4個小區(qū)(裸地、柑橘、)土壤流失量與降雨侵蝕力相關(guān)系數(shù)在降雨指標(biāo)中排第一(表7)，表明降雨侵蝕力是小區(qū)產(chǎn)沙的主要驅(qū)動因子。不同小區(qū)降雨因子和徑流深(土壤流失量)的相關(guān)性差異也表明，水土保持措施會影響降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙控制能力，甚至直接消除降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。這也側(cè)面反映出人類活動干擾會對產(chǎn)流產(chǎn)沙的產(chǎn)生極大影響，因此應(yīng)重視人為水土流失防治。

表6 泰和老虎山小流域坡面徑流小區(qū)徑流深與降雨因子相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient between runoff depth and rainfall factors in the slope runoff plots of Taihe Tiger Mountain watershed

表7 泰和老虎山小流域坡面徑流小區(qū)土壤流失量與降雨因子相關(guān)系數(shù)Tab.7 Correlation coefficient between soil loss and rainfall factors in the slop runoff plot of Taihe Tiger Mountain watershed

點(diǎn)繪徑流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蝕力關(guān)系(圖3)，可進(jìn)一步了解小區(qū)徑流深和土壤流失量變化原因。相同降雨量條件下，裸地徑流小區(qū)徑流深和土壤流失量均大于措施小區(qū)，說明合理的水土保持措施能有效降低小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量。不同措施小區(qū)間，濕地松+樟樹小區(qū)和濕地松+杜鵑小區(qū)的散點(diǎn)最靠近橫軸，表明相同降雨量和降雨侵蝕力條件下該小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量最小。

擬合各小區(qū)徑流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蝕力線性關(guān)系(表8)表明，措施小區(qū)方程斜率明顯低于裸地小區(qū)。方程斜率項(xiàng)可以看成單位降雨量的產(chǎn)流能力和單位降雨侵蝕力的產(chǎn)沙能力。對比各小區(qū)斜率項(xiàng)表明，措施小區(qū)單位降雨量產(chǎn)流能力低于裸地小區(qū)14.95%(油茶)～61.86%(濕地松+杜鵑)，單位降雨侵蝕力產(chǎn)沙能力低于裸地小區(qū)61.45%(柑橘)～99.73%(濕地松+杜鵑)。綜上表明，水土保持措施引起降雨對地表坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙能力降低是徑流泥沙減少的主要原因。

圖3 徑流小區(qū)2018—2020年徑流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蝕力關(guān)系Fig.3 Relationship between runoff depth and precipitation as well as soil loss and rainfall erosivity in the runoff plots from 2018 to 2020

表8 各徑流小區(qū)徑流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蝕力線性關(guān)系

4 結(jié)論與討論

與裸地小區(qū)相比，2018—2020年實(shí)驗(yàn)站采用的水土保持措施年均減流效益介于20.60%～83.99%之間，年均減沙效益介于58.48%～99.53%之間，減沙效益大于減流效益，結(jié)果與張杰等[8]研究一致。不同土地利用間，經(jīng)果林減流減沙效益<草地<林地，林地截流能力大，林下地表植被覆蓋度高是減流減沙效益大的主要原因。這結(jié)果與汪邦穩(wěn)等[9]基于人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果一致。因此，建議當(dāng)?shù)厮帘３稚鷳B(tài)建設(shè)過程中，應(yīng)以混交林措施為宜，同時注意單種林地林下植被的撫育管理，增大林下蓋度，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)，提高林地水土保持功能，減少水土流失[17-19]。不同月份間，5—6月小區(qū)水土流失量最大，占水土流失總量的60%以上，應(yīng)注意該時段的水土流失防治。

值得注意的是，由于國內(nèi)水土保持定位觀測起步晚，基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備薄弱，在線實(shí)時監(jiān)測能力低[20-21]。這導(dǎo)致土壤侵蝕過程研究缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，一定程度上限制了水土保持學(xué)科發(fā)展。建議有關(guān)部門加快推進(jìn)全國水土保持監(jiān)測站點(diǎn)優(yōu)化布局工程，建設(shè)功能完備的水土保持站網(wǎng)體系，支撐水土保持科學(xué)研究、水土保持效益評估、土壤侵蝕模型參數(shù)率定等。