楊 瑞,吳朝明,朱 驪,胡海波*

(1.南京林業(yè)大學(xué)林草學(xué)院、水土保持學(xué)院,江蘇 南京 210037;2. 江蘇省水文水資源勘測(cè)局無錫分局,江蘇 無錫 214100)

土壤侵蝕是全球范圍內(nèi)廣受關(guān)注的環(huán)境問題。據(jù)2021年全國水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,全國水土流失面積267.42萬km2,占國土面積(未含港澳臺(tái)地區(qū))的27.96%,其中水力侵蝕面積為110.58萬km2,占水土流失總面積的41.35%[1]。坡面是土壤侵蝕發(fā)生的主要場(chǎng)所,深入探討坡面經(jīng)濟(jì)林土壤侵蝕規(guī)律,對(duì)有效防治水土流失,提高經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[2-4]。朱元皓[5]發(fā)現(xiàn)不同經(jīng)濟(jì)林坡面的土壤抗蝕性指數(shù)不一,茶園(88.00%) >針闊混交林(85.33%)>臍橙林(76.44%)>竹林(53.78%)>荒地(21.78%);張文源等[6]研究了喀斯特黃壤區(qū)坡面土壤侵蝕特征,指出坡面產(chǎn)沙量年內(nèi)分布極為不均, 5—8 月的產(chǎn)沙量年內(nèi)占比最大,且少數(shù)暴雨貢獻(xiàn)了絕大部分產(chǎn)沙量。Adimassu等[7]研究指出,植被覆蓋度對(duì)土壤侵蝕量有顯著影響,秋冬季落葉闊葉林覆蓋度減少,土壤侵蝕加劇;而春夏時(shí)期林木枝葉繁茂,即使降雨量增大但土壤侵蝕量反而降低?？傮w而言,影響經(jīng)濟(jì)林坡面土壤侵蝕的因素眾多,林分類型、降雨特征與經(jīng)營管理方式等均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不同程度的影響,且不同影響因子互相制約,導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)林坡面土壤侵蝕差異明顯[8-10]。

蘇南丘陵區(qū)位于我國東部區(qū)域,經(jīng)濟(jì)林種植范圍廣、種類(品種)多,主要有桃園、茶園和毛竹林等。由于經(jīng)濟(jì)林坡地獨(dú)特的地形條件,短時(shí)高強(qiáng)度降雨、不合理的管理措施以及人為活動(dòng)的破壞等,使得該地區(qū)水土流失問題日益嚴(yán)重,造成土壤質(zhì)量逐步降低,進(jìn)而制約當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)安全與林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[11-12]。蘇南丘陵區(qū)經(jīng)濟(jì)林地人為活動(dòng)頻繁,改變小地形和降低植被覆蓋度,常導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤侵蝕,但該區(qū)域坡地土壤侵蝕規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。因此,本研究在無錫宜興市張渚鎮(zhèn)建立水土流失徑流小區(qū)及其配套觀測(cè)設(shè)備,通過野外徑流小區(qū)觀測(cè)試驗(yàn),比較不同種經(jīng)濟(jì)林坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征,結(jié)合降雨特征、徑流特征與地表覆蓋等參數(shù),探討除草措施和種植方式對(duì)經(jīng)濟(jì)林坡地土壤侵蝕的影響,以揭示蘇南丘陵區(qū)經(jīng)濟(jì)林地土壤侵蝕特征及其影響機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于江蘇宜興水土保持科技示范園區(qū)(119°33′～120°38′ E,31°07′～32°02′ N),園區(qū)地處宜興市張渚小流域,毗鄰太湖水系,是蘇南地區(qū)典型的經(jīng)濟(jì)林坡地分布地帶。區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)林種類繁多,主要林種有桃林、茶園、板栗林與毛竹林等,各林分分布面積均達(dá)135 hm2以上;土壤主要為第四紀(jì)下蜀黃土母質(zhì)發(fā)育而成的黃棕壤,質(zhì)地多呈壤土、黏壤土,土層厚度50～150 cm,表層(0～20 cm)土壤容重為1.32 g/cm3,pH 6.80～7.42,呈中性至弱堿性;氣候類型為北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同期,多年平均降雨1 127.7 mm,其中5—10月降水占全年降水量的80%以上,多年平均氣溫16.2 ℃,年平均日照1 924.3 h,日照率43%,無霜期249 d,年蒸發(fā)量在1 400～1 800 mm;地貌多為淺丘低崗,坡地廣布,丘陵坡地面積達(dá)681 km2,坡度主要介于5°～25°、海拔30～100 m;現(xiàn)存植被多以人工經(jīng)濟(jì)林和天然次生林為主,植被類型為北亞熱帶常綠闊葉混交林,主要樹種有桃樹(Prunuspersica)、茶樹(Camelliasinensis)、板栗(Castaneamollissima)與毛竹(Phyllostachysheterocycla)等喬灌木,以及矮牽牛(Petuniahybidavilm)、芭茅(Miscanthusfloridulus)和狗尾草(Setariaviridis)等草本植物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究中水文泥沙數(shù)據(jù)來源于2019年建設(shè)的江蘇宜興水土保持科技示范園區(qū)的徑流小區(qū)觀測(cè)站。站內(nèi)設(shè)有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)(坡度10°),長(zhǎng)20 m(與等高線垂直)、寬5 m(與等高線平行),投影面積為100 m2。徑流小區(qū)的土地利用方式、林分生長(zhǎng)狀況及管理措施以當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)林現(xiàn)狀為依據(jù)(表1)。

表1 徑流小區(qū)概況

設(shè)置5個(gè)類型的徑流小區(qū),分別為Ⅰ-桃林(有草)、Ⅱ-桃林(無草)、Ⅲ-裸地、Ⅳ-茶園(順坡)和Ⅴ-茶園(橫坡)。不同徑流小區(qū)內(nèi)的坡度和土壤條件均保持一致,四周修筑圍埂,高出地表30 cm、埋深45 cm;徑流小區(qū)下方根據(jù)試驗(yàn)區(qū)50年一遇、歷時(shí)24 h暴雨對(duì)應(yīng)最大產(chǎn)流,設(shè)計(jì)圓形集流槽和分流桶,承接小區(qū)徑流泥沙。管理措施主要包括每月定期2次對(duì)經(jīng)濟(jì)林生長(zhǎng)狀況進(jìn)行調(diào)查,記錄樹高、郁閉度和林下植被覆蓋度等指標(biāo),并依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)林種植栽培和經(jīng)營管理習(xí)慣進(jìn)行除草、修枝和施肥等。

1.3 指標(biāo)觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析

觀測(cè)時(shí)間為2021年1—12月,在徑流小區(qū)旁設(shè)有虹吸式自計(jì)雨量計(jì),測(cè)定指標(biāo)包括降雨量、降雨歷時(shí)、平均降雨強(qiáng)度、最大30 min降雨強(qiáng)度(I30,maximun rainfall intenstiy of 30 min)等參數(shù);設(shè)置土壤含水量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀(TH-TS 400,云境天合,中國),測(cè)定雨前土壤含水量和雨后土壤含水量。徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)以自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工測(cè)量相結(jié)合,記錄每次降雨的產(chǎn)流、產(chǎn)沙數(shù)據(jù),且在降雨產(chǎn)流后人工測(cè)量沉砂池中的徑流總量,并攪拌均勻、采樣并測(cè)定泥沙含量,產(chǎn)沙量為含沙量與徑流總量的乘積。土壤侵蝕量為每次降雨后產(chǎn)沙量與小區(qū)投影面積(100 m2)的比值,并將單位轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)單位 t/km2。

用Excel 2010和SPSS 26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以O(shè)rigin 2018完成圖表繪制。

圖1 不同類型徑流小區(qū)的月徑流量和土壤侵蝕量分布Fig. 1 Distribution of monthly runoff and soil erosion for each plot

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型經(jīng)濟(jì)林土壤侵蝕特征

2.1.1 年徑流量和土壤侵蝕量變化

不同類型經(jīng)濟(jì)林徑流小區(qū)年徑流量為1 252.35～6 016.2 m3/km2,即Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(無草),Ⅴ-茶園(橫坡)<Ⅳ-茶園(順坡),Ⅲ-裸坡(空白)最大(表2)。其中,未采取除草措施的桃林Ⅰ較無草措施的桃林Ⅱ年減流效益達(dá)156.3%;橫坡種植的茶園Ⅴ較順坡種植的茶園Ⅳ年減流效益達(dá)57.0%;而不同種植管理下的經(jīng)濟(jì)林坡面較裸坡(空白)減少徑流50.6%～380.4%。坡面年徑流系數(shù)介于8.4%～40.3%,不同類型徑流小區(qū)年徑流系數(shù)變化與年徑流量相同。

經(jīng)濟(jì)林坡面年土壤侵蝕量為106.3～651.74 t/km2,具體表現(xiàn)為:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(無草),Ⅴ-茶園(橫坡)<Ⅳ-茶園(順坡),Ⅲ-裸坡(空白)最大,與徑流量對(duì)比變化一致。其中,與除草的桃林相比,保留草本植物的桃林減沙效益達(dá)156.3%;橫坡茶園較順坡茶園減沙效益達(dá)41.5%,而不同種植管理下的經(jīng)濟(jì)林坡面較裸坡(空白)減少土壤侵蝕155.3%～513.1%。綜上,不同類型經(jīng)濟(jì)林徑流小區(qū)年產(chǎn)流、產(chǎn)沙變化趨勢(shì)一致,年徑流量和徑流系數(shù)越大,年土壤侵蝕量也越大;除草措施大大加劇了桃林的土壤侵蝕,而茶園采取橫坡種植較順坡減沙效益更為明顯。

表2 不同類型經(jīng)濟(jì)林徑流小區(qū)年徑流量和土壤侵蝕量

2.1.2 月徑流量和土壤侵蝕量變化

2021年不同類型經(jīng)濟(jì)林小區(qū)土壤侵蝕均發(fā)生在1—11月(圖1),各徑流小區(qū)月徑流量、土壤侵蝕量均表現(xiàn)為:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(無草)、Ⅴ-茶園(橫坡)<Ⅳ-茶園(順坡)、Ⅲ-裸坡(空白)最大。

由圖1a可知,所有徑流小區(qū)月徑流量均集中在5—8月,7月徑流量>8月徑流量>6月徑流量>5月徑流量,5個(gè)徑流小區(qū)5—8月徑流量為907.90～4 476.30 m3/km2,分別占全年徑流量的72.5%、74.9%、74.4%、73.0%和77.9%。與坡面徑流量分布不同,5個(gè)徑流小區(qū)土壤侵蝕量集中在5—8月,但7月土壤侵蝕量>8月土壤侵蝕量>5月土壤侵蝕量>6月土壤侵蝕量(圖1b),不同小區(qū)5—8月土壤侵蝕量在80.50～477.59 t/km2之間,分別占全年侵蝕量的75.70%、70.00%、68.70%、73.64%和74.80%。綜上,不同種植管理方式徑流小區(qū)徑流量與土壤侵蝕量主要發(fā)生在5—8月,期間徑流量占全年72.50%以上,侵蝕量占全年68.70%以上,但兩者月變化趨勢(shì)略有不同。

2.1.3 次降雨徑流量和土壤侵蝕量變化

2021年1—11月研究區(qū)共發(fā)生侵蝕性降雨38場(chǎng)(圖2),不同類型徑流小區(qū)次降雨徑流量、侵蝕量均表現(xiàn)為:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(無草)、Ⅴ-茶園(橫坡)<Ⅳ-茶園(順坡)、Ⅲ-裸坡(空白)最大。

圖2 不同徑流小區(qū)次降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙量分布Fig. 2 Distribution of runoff and soil erosion yield of every rain for each plot

由圖2a可知,Ⅰ—Ⅴ小區(qū)次降雨徑流量分別為10.35～191.85、16.00～466.30、25.30～648.00、17.70～499.0和13.70～365.00 m3/km2,1—4月的12場(chǎng)降雨徑流量波動(dòng)較小且均小于100.00 m3/km2,而5—11月波動(dòng)幅度明顯,且整體大于1—4月。Ⅰ—Ⅴ小區(qū)徑流量均在7月24日達(dá)到峰值,分別為191.85、466.30、648.00、499.00和365.00 m3/km2,占年總徑流量的15.3%、14.5%、10.8%、12.5%與14.4%。與徑流量不同,Ⅰ—Ⅴ 小區(qū)次降雨土壤侵蝕量分別為0.40～8.40、0.70～21.20、6.40～55.75、1.20～18.5和0.60～14.80 t/km2。Ⅰ—Ⅳ 小區(qū)次降雨土壤侵蝕量波動(dòng)范圍主要體現(xiàn)在6—10月的18場(chǎng)侵蝕性降雨,其余各月份相對(duì)平穩(wěn),全年80%土壤侵蝕量小于10.00 t/km2,而V-裸坡(空白)全年變化幅度大,且80%的土壤侵蝕量大于10.00 t/km2。Ⅱ-桃林(無草)在1—2月的4場(chǎng)侵蝕降雨土壤侵蝕量變化也較為明顯,且侵蝕量增幅明顯,大大高于其他覆被坡面。Ⅰ-桃林(有草)次降雨土壤侵蝕量在8月24日達(dá)到峰值,為8.40 t/km2,占總侵蝕量7.9%,而Ⅱ～Ⅴ 小區(qū)均在7月24日達(dá)到峰值,分別為21.20、55.75、18.50和14.80 t/km2,分別占年總侵蝕量的6.3%、4.5%、7.1%和8.0%。

2.2 土壤侵蝕影響因素分析

2.2.1 單因素相關(guān)分析

對(duì)Ⅰ—Ⅴ徑流小區(qū)土壤侵蝕量及其影響因素進(jìn)行單因素相關(guān)分析,分析因素包括降雨特征參數(shù)(降雨歷時(shí)、降雨量、平均雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)(I30)、坡面特征參數(shù)(徑流深、徑流系數(shù)、雨前土壤含水量(W1)、雨后土壤含水量(W2)。由表3可知,Ⅰ-桃林(有草)徑流小區(qū)土壤侵蝕量與降雨量、平均雨強(qiáng)、I30、徑流深和雨后土壤含水量(W2)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),以降雨量相關(guān)系數(shù)最高(0.639),與其他影響因素相關(guān)性不顯著(P>0.05);Ⅱ-桃林(無草)小區(qū)與降雨量、平均雨強(qiáng)、130、徑流深、呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),以徑流深相關(guān)系數(shù)最高(0.695),與其他影響因素相關(guān)性不顯著(P>0.05);Ⅲ-裸坡(空白)小區(qū)與降雨量、平均雨強(qiáng)、I30和徑流深呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),以降雨量相關(guān)系數(shù)最高(0.825),與其他影響因素相關(guān)性不顯著(P>0.05);Ⅳ-茶園(順坡)小區(qū)與降雨量、平均雨強(qiáng)、I30、徑流深和雨后土壤含水量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),以徑流深相關(guān)系數(shù)最高(0.725),與徑流系數(shù)、雨前土壤含水量顯著相關(guān)(P<0.05),與其他影響因素相關(guān)性不顯著(P>0.05);Ⅴ-茶園(橫坡)與降雨量、平均雨強(qiáng)、I30和徑流深呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),以徑流深相關(guān)系數(shù)最高(0.757),與徑流系數(shù)顯著相關(guān)(P<0.05),與其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著(P>0.05)。綜上,不同經(jīng)濟(jì)林坡面土壤侵蝕量均與降雨量、平均雨強(qiáng)、I30和徑流深顯著正相關(guān)(P<0.01),與降雨歷時(shí)相關(guān)性均不顯著(P>0.05),與雨前土壤含水量、雨后土壤含水量關(guān)系相對(duì)復(fù)雜。

表3 不同類型徑流小區(qū)土壤侵蝕與影響因素Pearson相關(guān)分析

2.2.2 多元回歸分析

由單因素相關(guān)分析可知,不同類型經(jīng)濟(jì)林小區(qū)土壤侵蝕量與多種因素均存在相關(guān)性,且這些因子之間大多也密切相關(guān)。根據(jù)5個(gè)徑流小區(qū)的土壤侵蝕量和坡面特征參數(shù),將地表覆蓋度因子納入進(jìn)行多元逐步回歸分析(表4)。從模型標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)來看,徑流深的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)為0.744,并隨著模型不斷納入新的變量,權(quán)重逐步降低;與其他影響因素相比,徑流深對(duì)土壤侵蝕量的影響最大。分析結(jié)果表明,徑流深能夠單獨(dú)解釋土壤侵蝕量變異的55.3%,而徑流深、地表覆蓋度、I30、雨前土壤含水量(W1)和雨后土壤含水量(W2)只能解釋土壤侵蝕量變異的74.1%,最優(yōu)模型為SE=0.499D-0.445C+ 0.221I30-0.139W1+ 0.101W2,表明經(jīng)濟(jì)林坡面土壤侵蝕受徑流深、地表覆蓋度、I30、雨前土壤含水量和雨后土壤含水量的影響較大。

表4 土壤侵蝕與影響因素多元回歸分析

3 討 論

本研究結(jié)果表明,不同類型經(jīng)濟(jì)林徑流小區(qū)土壤侵蝕量與降雨量、平均雨強(qiáng)、I30以及徑流深均呈顯著正相關(guān),與雨前土壤含水量等因素相關(guān)性較為復(fù)雜,其中坡面土壤侵蝕量與徑流深關(guān)系最為密切(R2=0.553)。 在研究區(qū)具體表現(xiàn)為:

1)2021年蘇南丘陵經(jīng)濟(jì)林坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙主要發(fā)生在5—8月,期間各徑流小區(qū)土壤徑流量占比大于72.5%、侵蝕量占比大于68.7%。其中,不同徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙均體現(xiàn)為:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(無草)、Ⅴ-茶園(橫坡)<Ⅳ-茶園(順坡),Ⅲ-裸坡最大。

2)次降雨下,高強(qiáng)度降雨對(duì)坡面侵蝕具有重要影響影響,Ⅰ—Ⅴ徑流小區(qū)最大徑流量達(dá)15.3%、14.5%、10.8%、12.5%、14.4%,侵蝕量達(dá)7.9%、6.3%、4.5%、7.1%、8.0%。

土壤侵蝕模數(shù)反映了區(qū)域內(nèi)不同影響因素(降雨、地形、植被、土壤和人為管理等)對(duì)土壤侵蝕的綜合影響狀況,是研究區(qū)域土壤侵蝕特征和程度的基礎(chǔ)[13-15]。本研究發(fā)現(xiàn),除草明顯加劇了桃林的土壤侵蝕,原因在于清除雜草降低了地表覆蓋度,增大了地表徑流的侵蝕動(dòng)能;橫坡種植的茶園減沙效益優(yōu)于順坡種植,原因在于橫坡種植減緩了坡面產(chǎn)流,起到防治土壤侵蝕的作用;裸坡遭受侵蝕的時(shí)間最長(zhǎng),且土壤破壞不斷加劇,導(dǎo)致土壤侵蝕量明顯高于其他經(jīng)濟(jì)林坡地,這與林代杰等[16]、張祖蓮等[17]和Huang等[18]研究結(jié)果一致。不同類型徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙均集中在5—8月,徑流量、侵蝕量分別占全年68%和72%以上,原因在于雨季(5—8月降雨量占全年67.7%)土壤遭受多次蓄滿、超滲產(chǎn)流,土壤入滲速率下降,地表徑流加大,導(dǎo)致坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙加劇,這與前人研究結(jié)果一致[19-21]。相關(guān)研究表明,由于不同時(shí)期的作物生長(zhǎng)狀態(tài)不同,地表覆蓋狀況等坡面特征參數(shù)在不同月份也明顯不同,加之降雨分布差異,導(dǎo)致坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙差異明顯[22-24]。如本研究6月較5月徑流量增加,但坡面侵蝕量卻減小(圖2),可能原因是6月坡面覆蓋度逐漸升高,降低了降雨擊濺侵蝕力等作用,從而坡面侵蝕較5月降低[25];Ⅱ-桃林(無草)在1—2月份土壤侵蝕量明顯高于其他覆被小區(qū), 可能原因?yàn)樘伊中^(qū)1—2月仍處于落葉狀態(tài),且枯落物被人為清理坡面,導(dǎo)致地被覆蓋度大大減少(<20%),從而水力侵蝕作用顯著增加[26]。

在土壤侵蝕影響因素分析中,多數(shù)研究發(fā)現(xiàn),土壤侵蝕與降雨歷時(shí)、降雨量和降雨強(qiáng)度等均密切相關(guān),且不同區(qū)域、不同時(shí)段土壤侵蝕的主要影響因素存在差異[27-29]。本研究結(jié)果表明,降雨特征對(duì)土壤侵蝕量的影響最大,降雨量、平均雨強(qiáng)與I30與土壤侵蝕量均呈極顯著相關(guān)關(guān)系,而降雨歷時(shí)與土壤侵蝕量無顯著相關(guān),可能原因在于研究區(qū)降雨分布不均勻,多以短時(shí)、強(qiáng)降雨為主,因而坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙主要受到I30(R為0.593～0.661)和降雨量(R為0.639～0.825)的影響[30]。進(jìn)一步的多元回歸分析也表明,徑流深與土壤侵蝕的關(guān)系最為密切(R2=0.553),而徑流深受降雨、坡面特征等共同影響,再次驗(yàn)證了單因素相關(guān)分析中降雨特征與坡面侵蝕的極顯著相關(guān)關(guān)系。多元回歸的最優(yōu)模型為徑流深、地表覆蓋度、I30、雨前土壤含水量和雨后土壤含水量等多因素對(duì)坡面侵蝕量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式(R2=0.757),高于單一因子對(duì)于土壤侵蝕量變化的解釋率,但模型精度仍有待提高。相關(guān)研究表明[31],坡面侵蝕量在年際間存在巨大差異,同時(shí)坡長(zhǎng)對(duì)土壤侵蝕也有顯著影響。因此,在后續(xù)的研究中應(yīng)加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間,并進(jìn)一步探討坡面土壤侵蝕年際變化特征以及坡長(zhǎng)等因素對(duì)土壤侵蝕的影響。