劉愛(ài)青，寇馨月

(1.廣東省水利水電技術(shù)中心,廣東廣州 510610;2.珠江水利委員會(huì)珠江流域水土保持監(jiān)測(cè)中心站，廣東廣州 510611)

坡面作為水土流失發(fā)源地，是土壤侵蝕的重要組成單元，研究坡面尺度降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征具有十分重要的意義[1-5]。廣東地形地貌復(fù)雜、降雨豐沛，水土流失十分嚴(yán)重。2020年全省有水土流失面積17 636.40 km2，占全省土地面積的9.88%，中度及以上侵蝕面積占水土流失總面積的18.63%。

張青青等[6]基于不同下墊面措施產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全坡面種草、封禁、低效馬尾松施肥、喬灌草混交、人工補(bǔ)植馬尾松5種水土保持措施的年均減流率和年均減沙率分別為65.41%～72.59%和81.54%～91.87%，具有良好的水土保持效應(yīng)。姚沖等[7]研究暴雨條件下典型紅壤區(qū)不同恢復(fù)方式侵蝕過(guò)程與特征，發(fā)現(xiàn)自然恢復(fù)、低效林改造、喬灌草混交林地在1.5 mm/min暴雨強(qiáng)度下徑流率、侵蝕率和累積產(chǎn)沙量呈逐漸降低趨勢(shì)。徐舟等[8]研究發(fā)現(xiàn)紅壤區(qū)多個(gè)降雨強(qiáng)度下均表現(xiàn)為草地產(chǎn)流產(chǎn)沙量最小、林地次之、裸地最大，林草地減流減沙效應(yīng)十分顯著。余波等[9]研究了花崗巖紅壤區(qū)不同生草措施果園產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，發(fā)現(xiàn)“臍橙+白三葉”措施減流減沙效果最好，其產(chǎn)流量分別為“臍橙+艾蒿”“臍橙+馬齒莧”“臍橙+草木樨”和“臍橙清耕”的54.09%、53.15%、58.07%、69.85%，產(chǎn)沙量分別為上述4種措施的61.53%、59.94%、68.88%、87.26%。黃俊等[10]基于五華縣水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2014年觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)次降雨入滲量隨降雨強(qiáng)度增加呈先增后減的變化趨勢(shì)，存在入滲量達(dá)最大值的臨界降雨強(qiáng)度；人工林及灌草地臨界降雨強(qiáng)度為19.9～27.8 mm/h，均高于自然撂荒地。盡管有關(guān)紅壤區(qū)坡面次降雨入滲、產(chǎn)流產(chǎn)沙特征相關(guān)研究成果豐碩，但有關(guān)紅壤區(qū)不同土地利用方式、不同降雨尺度下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征相關(guān)研究仍需要進(jìn)一步深入。

降雨是坡面產(chǎn)流及土壤侵蝕源動(dòng)力，是影響坡面土壤侵蝕關(guān)鍵因子[11-15]。筆者基于廣東省6個(gè)野外定位觀測(cè)站點(diǎn)，從年尺度和月尺度角度研究林草地、裸地2種土地利用方式下年降雨和月降雨坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，分析了林草措施水土保持效益，以期為廣東省紅壤區(qū)坡面水土流失防治及水土資源高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省6個(gè)野外水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，6個(gè)站點(diǎn)基本覆蓋了廣東省水土保持三級(jí)區(qū)，各站點(diǎn)基本信息：惠東縣白盆珠坡面徑流場(chǎng)屬布心小流域典型紅壤丘陵區(qū)，以紅壤、黃壤為主，共有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)6個(gè)，其中林草措施徑流小區(qū)5個(gè)、裸地對(duì)照小區(qū)1個(gè)，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為30%～70%，林草措施以松樹、樟樹、荷木、相思、臺(tái)灣草等為主。五華縣烏陂河小流域綜合觀測(cè)場(chǎng)屬韓江上游典型紅壤丘陵區(qū)，以紅壤為主，共有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)8個(gè)，其中林草措施徑流小區(qū)7個(gè)、裸地對(duì)照小區(qū)1個(gè)，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為40%～70%，林草措施以桉樹、馬尾松、木荷、百喜草等為主。東源縣大坑坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)屬東江上游南方紅壤丘陵區(qū)，以紅壤為主，共有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)6個(gè)，其中林草措施徑流小區(qū)5個(gè)、裸地對(duì)照小區(qū)1個(gè)，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為25%～60%，林草措施以馬尾松、芒萁、羊毛草等為主。南雄市下洞水小流域坡面徑流場(chǎng)位于下洞水流域中上游，以黃壤、紅壤、紫色土為主，共有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)8個(gè)，其中林草措施徑流小區(qū)6個(gè)、裸地對(duì)照小區(qū)2個(gè)，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為40%～80%，林草措施以桃樹、龍舌蘭、茅草、喬灌草等為主。羅定市素龍坡面徑流觀測(cè)場(chǎng)屬西江干流南方紅壤丘陵區(qū)，以紅壤為主，共有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)6個(gè)，其中林草措施徑流小區(qū)5個(gè)、裸地對(duì)照小區(qū)1個(gè)，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為30%～70%，林草措施以松樹、樟樹、絹毛相思等為主。茂名市山心小流域坡面徑流場(chǎng)位于山心小流域中上游，以紅壤為主，共有標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)12個(gè)，其中林草措施徑流小區(qū)10個(gè)、裸地對(duì)照小區(qū)2個(gè)，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為40%～70%，林草措施以火力楠、紅荷木、黃花莉、臺(tái)灣草等為主(圖1)。

圖1 6個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)空間分布

1.2 觀測(cè)指標(biāo)與方法觀測(cè)指標(biāo)包括降雨、產(chǎn)流、產(chǎn)沙、土壤含水量等，觀測(cè)方法參照《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測(cè)手冊(cè)》。日降雨量、次降雨量和降雨過(guò)程由雨量筒和自記雨量計(jì)連續(xù)監(jiān)測(cè)，并使用RainRecord軟件包計(jì)算得到次降雨侵蝕力數(shù)據(jù)。小區(qū)土壤含水量(0～15 cm)采用傳統(tǒng)烘干法(105 ℃，不少于8 h)測(cè)定，地表植被蓋度采用照相法和目估法相結(jié)合確定，土壤含水量及地表植被蓋度均為每15 d左右測(cè)定一次。小區(qū)徑流量通過(guò)集流池和分流池水位計(jì)算得到，泥沙濃度通過(guò)人工取樣獲得，并計(jì)算次降雨產(chǎn)沙量。

經(jīng)篩選分析，使用6個(gè)水土保持監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2013—2021年共計(jì)9年的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中東源、羅定、惠東、五華、茂名、南雄分別收集到次降雨事件有效數(shù)據(jù)分別為573、1 013、1 740、1 837、1 445、872組，所有數(shù)據(jù)均來(lái)源于自然降雨事件。使用Microsoft Excel 2013軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

坡面減流效益(rr)、減沙效益(sr)計(jì)算方法：

rr=(runoff裸地-runoff林草地)/runoff裸地

sr=(sediment裸地-sediment林草地)/sediment裸地

其中，runoff裸地和runoff林草地為年降雨或月降雨裸地坡面產(chǎn)流量和林草地坡面產(chǎn)流量，mm；sediment裸地和sediment林草地為年降雨或月降雨裸地坡面產(chǎn)沙量和林草地坡面產(chǎn)沙量， t/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 年降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙分析由圖2可知，各站點(diǎn)多年降雨量平均值均超過(guò)1 000 mm，其中東源站點(diǎn)多年降雨量平均值最小為(1 013.5±151.8) mm，惠東站點(diǎn)多年降雨量平均值最大為(1 566.4±395.1)mm，其次分別為羅定(1 366.9±127.2)mm、五華(1 408.0±333.6)mm、茂名(1 432.9±318.7)mm和南雄(1 511.0±227.0)mm。各站點(diǎn)年內(nèi)各月降雨量變異系數(shù)基本相當(dāng)，由大到小依次為惠東1.009 0、茂名0.936 8、東源0.899 9、五華0.898 3、羅定0.796 6和南雄0.751 2。從變化趨勢(shì)而言，東源2013—2021年年降雨總體呈顯著遞增趨勢(shì)(y=19.92x-99 672，R2=0.810 9，P<0.05)，惠東呈總體下降趨勢(shì)(y=-73.07x+148 942，R2=0.256 4，P<0.05)，羅定呈略微遞增趨勢(shì)(y=2.58x-384 3，R2=0.003 1，P>0.05)，南雄呈總體遞增趨勢(shì)(y=39.24x-77 630，R2=0.224 0，P<0.05)，五華呈顯著下降趨勢(shì)(y=-78.89x+160 519，R2=0.409 4，P<0.05)，茂名呈略微增加趨勢(shì)(y=8.69x-16 088，R2=0.005 6，P>0.05)。

圖2 2013—2021年各站點(diǎn)降雨量

由圖3～8可知，總體而言，各站點(diǎn)年侵蝕性降雨量為50～2 100 mm，均值為(920.8±489.2) mm，裸地小區(qū)年侵蝕性降雨徑流深為2～750 mm，均值為(227.2±82.42)mm，土壤流失量為1～190 t/hm2，均值為(48.21±25.84) t/hm2，林草地小區(qū)年侵蝕性降雨徑流深為1～300 mm，均值為(91.84±47.11) mm，土壤流失量為0.2～50.0 t/hm2，均值為(9.97±5.71) t/hm2。各站點(diǎn)產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨侵蝕性降雨量增加而增加，且裸地小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙量明顯高于林草地小區(qū)。

圖3 東源站點(diǎn)年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

一元線性函數(shù)可以較好地定量描述產(chǎn)流產(chǎn)沙與侵蝕性降雨的關(guān)系，各擬合方程決定系數(shù)R2均超過(guò)0.500 0，且各擬合方程均達(dá)顯著水平(P<0.05)。裸地和林草地小區(qū)徑流深和土壤流失量均隨著年侵蝕性降雨增加而增大，且裸地小區(qū)擬合方程斜率和截距大于林草地小區(qū)，說(shuō)明裸地小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙量受侵蝕性降雨量影響更大，且隨著侵蝕性降雨增加而迅速變大。林草措施具有顯著的減流減沙效應(yīng)，一方面林冠層截留降雨、減少雨滴對(duì)地表打擊作用而引起的濺蝕，同時(shí)林草措施地表良好覆被顯著增加了入滲量而進(jìn)一步降低坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

圖4 羅定站點(diǎn)年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖5 惠東站點(diǎn)年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖6 五華站點(diǎn)年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖7 茂名站點(diǎn)年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖8 南雄站點(diǎn)年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

2.2 土壤流失量與徑流深2019—2021年各站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)土壤流失量與徑流深散點(diǎn)圖見(jiàn)圖9。由圖9可知，土壤流失量隨徑流深增加而逐漸變大。一般而言，徑流深越大坡面水流速度越大，水流剝離表土和挾沙能力較強(qiáng)，引起的土壤侵蝕量和流失量均相對(duì)較大。土壤流失量與徑流深動(dòng)態(tài)變化關(guān)系總體上符合一元遞增線性函數(shù)規(guī)律，各站點(diǎn)裸地、林草地小區(qū)二者擬合方程均達(dá)顯著水平(P<0.05)，除五華林草地小區(qū)二者擬合方程決定系數(shù)R2小于0.500 0外，其余各站點(diǎn)不同措施小區(qū)二者擬合方程R2均不低于0.700 0。裸地小區(qū)二者擬合方程斜率(k)是林草地小區(qū)二者擬合方程k值的1.33～4.41倍，其中惠東裸地小區(qū)是林草地小區(qū)k值的4.41倍，五華裸地小區(qū)是林草地小區(qū)k值的1.33倍。侵蝕性降雨引起單位徑流深增加，裸地小區(qū)土壤流失量增加為林地小區(qū)的1.33～4.41倍，林草措施具有顯著的水土保持效應(yīng)。

注：圓點(diǎn)、方塊分別表示裸地、林草地小區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)

2.3 林草措施減流減沙效益分析6個(gè)站點(diǎn)分別利用月尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)和年尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)林草措施減流減沙效益，結(jié)果見(jiàn)表1。總體而言，各站點(diǎn)減流減沙效益隨侵蝕性降雨增加而增大，這是因?yàn)殡S侵蝕性降雨增加，裸地小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙增加幅度較林草措施大，導(dǎo)致林草措施減流減沙效益增加。各站點(diǎn)月尺度減流減沙效益略大于年尺度減流減沙效益，月尺度減流效益為46.59%～58.61%，減沙效益為20.53%～65.40%；年尺度減流效益為51.13%～65.77%，減沙效益為24.88%～45.25%。五華月尺度和年尺度減流效益最大分別為58.61%和65.77%，茂名月尺度和年尺度減沙效益最大分別為65.40%和45.25%。

表1 林草措施減流減沙效益分析

3 結(jié)論

該研究基于廣東省6個(gè)野外水土保持定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)2013—2021年觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了侵蝕性降雨與徑流深、土壤流失量定量變化關(guān)系及林草措施減流減沙效益，結(jié)果表明，2013—2021年?yáng)|源、南雄、茂名站點(diǎn)年降雨量呈略微遞增趨勢(shì)，羅定、五華及惠東站點(diǎn)年降雨量呈略微下降趨勢(shì)，但均未達(dá)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平(P>0.05)。各站點(diǎn)裸地、林草地小區(qū)年侵蝕性降雨徑流深分別為2～750和1～300 mm，年侵蝕性降雨土壤流失量分別為1～190和0.2～50 t/hm2。徑流深、土壤流失量均與侵蝕性降雨間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。各站點(diǎn)裸地和林草地小區(qū)土壤流失量隨徑流深增加而顯著性線性遞增(P<0.05)，裸地小區(qū)單位徑流深增加引起土壤流失量增加是林草地小區(qū)的1.33～4.41倍，林草措施水土保持效益顯著。年尺度林草措施減流減沙效益與月尺度計(jì)算結(jié)果基本一致，林草措施減流效益為46.59%～65.77%，減沙效益為20.53%～65.40%。