不同植被措施下紅壤坡面徑流變化特征

梁 娟 珠

(福州大學 福建省空間信息工程研究中心 數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室, 福建 福州 350003)

不同植被措施下紅壤坡面徑流變化特征

梁 娟 珠

(福州大學 福建省空間信息工程研究中心 數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室, 福建 福州 350003)

摘要：[目的] 研究不同植被措施對坡面徑流的影響，為南方紅壤水土保持與生態恢復實踐提供科學依據。 [方法] 以福建省長汀縣2001—2010年香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等植被措施下的徑流小區逐月徑流量和降雨數據為基礎進行分析研究。 [結果] 植被能很好地調控坡面地表徑流，但由于植被的結構、根系以及地表枯落物的差異，各種植被的保水效益存在差異，觀測期，各小區年均徑流量的大小趨勢表現為：空白對照區>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子，胡枝子的保水效益最佳。 [結論] 香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等植被均能有效地抑制坡面徑流，減少水土流失，均可以作為水土保持措施的優良灌草在南方紅壤區進行推廣應用，尤其是要加大胡枝子的推廣力度。

關鍵詞：紅壤坡面； 植被措施； 水土流失； 坡面徑流

福建省長汀縣是我國典型的花崗巖紅壤侵蝕區之一，長期的水土流失導致生態環境惡化，山地植被稀疏，土壤侵蝕嚴重，植被難以自然恢復，嚴重制約著當地生態環境的可持續發展，已稱為當前亟需解決的環境問題[1-3]。植被可以增加地表覆蓋、降低雨滴侵蝕動力、蓄水保土，對防治水土流失具有重要的作用，各項植被措施的采取可從根本上改善生態環境，也因此成為了研究熱點[4-9]，但目前治理中缺乏科學指導，存在很大的盲目性，鑒于此，本研究通過野外不同植被措施下的徑流小區觀測數據，研究不同植被坡面徑流的變化規律，揭示不同植被下坡面水土流失的特征，以期為此類地區的水土保持與生態恢復實踐提供有益的借鑒。

1研究區概況

試驗地設于福建省長汀縣，東經116°00′45″—116°39′20″，北緯25°18′40″—26°02′05″之間，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，降雨豐沛，年均氣溫17.5～18.8 ℃，極端最高溫度達39.8 ℃，無霜期平均260 d，平均日照時數1 924.6 h。該地區地貌以低山、丘陵為主，土壤主要為花崗巖風化發育的紅壤，土層深厚且松軟，抗蝕性能差。

2研究方法

2.1　試驗小區布設

為了研究不同植被治理措施的坡面徑流動態特征，2001年5月在長汀縣三洲鎮石官坳布設了5個徑流小區的水土流失監測點，各徑流小區的規格為長20 m，寬5 m，坡度12°，選取香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等4種植被進行水平溝整地種植，并設置1個未采取生物措施的裸地作為對照，對照區下墊面土層深厚且松軟，為花崗巖風華發育的紅壤。各徑流小區的基本情況詳見表1。

表1　研究區徑流小區基本情況

2.2　測定方法

采用雨量計測定次降雨量，并對其產生的徑流量進行觀測，記錄其集水桶中的徑流深，每個月進行1次月徑流量與泥沙量的統計，本研究選擇了2001—2010年的月統計的徑流深(mm)數據進行分析研究，坡面徑流量用徑流深(mm)表示。

2.3　數據處理

本研究采用SPSS 19軟件進行數據分析，包括對徑流觀測月統計的各個小區的徑流量與降雨量進行方差分析、S-N-K多重比較分析、相關分析和回歸分析；采用Excel軟件對觀測的統計數據進行分析和圖表輸出。

3結果與分析

3.1　觀測期坡面年均產流特征

對觀測數據進行徑流量與徑流系數統計分析(表2)可得，空白對照區裸地年均產生的徑流深為764.36 mm，年均徑流系數為0.579是其他小區均值的3.20倍，說明香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等植被都能顯著地降低地表徑流系數。由表2可以看出，凡是有實施植被措施的小區的年均徑流量與徑流系數都遠小于裸地，年均徑流量減少59.81%～76.16%。對不同植被措施下的徑流量進行方差分析，結果顯示空白對照區與其他的小區的徑流量具有顯著的差異。說明了植被治理措施的實施，在降雨過程中通過截流、滲透等形式對降雨進行再分配，延緩了坡面徑流的形成，能夠有效地降低坡面徑流，起到良好的保水作用。但不同的植被坡面的年均徑流量還是有所區別，各小區的年均徑流量按從大到小的排序為：對照區>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。水平溝種植胡枝子的小區保水效應最顯著，觀測期間年均減少徑流量582.1 mm，這是因為，胡枝子枝多葉茂，根系發達，在種植4 a后覆蓋度達100%，其冠叢承雨率達11%~25%，可有效防止雨滴直接打擊地表起到護水保的作用；每年大量的枯枝落葉覆蓋地表能有效地改善土壤結構，減小土壤容重，增加土壤孔隙度，有效減少水分蒸發，使土壤貯水能力明顯增強；其發達的根系相互交錯，盤結土壤，又可大大提高土壤的抗蝕能力[10]?？梢妼τ跍p少總徑流量來說，灌木措施效果優于草本措施。

表2　各小區的徑流深及徑流系數

3.2　月降雨量及植被坡面產流月動態變化

降雨是水土流失的源動力，是產生徑流的先決條件，與坡面徑流有密切的關系。對2001—2010年的月降雨數據進行統計平均得出，試驗區降雨量豐富，但在年內分布不均，多集中在4—6月，約占全年降雨量48.8%，且在6月份達到最大值。而在1—2月，9—12月份為試驗區的枯水期，降雨量相對較小。

對各小區的月均徑流量分布情況進行研究分析，可以得出不同植被小區坡面月均徑流的變化特征(圖1)。由圖1可以看出，發現坡面徑流動態變化與月均降雨量動態變化基本一致，主要集中在3—8月。坡面徑流月動態變化成明顯的單峰式分配，以4—6月份最大，這是由于研究區長汀縣內降雨多集中在該段時期內，且降雨量大，這3個月降雨量占全年降雨量的48.8%，因此各小區的坡面徑流損失較高；而1—2月，9—12月份為旱季，降雨量少，所以各小區的坡面徑流損失相對較低。以上分析說明該試驗小區的坡面徑流具有明顯的季節分布規律，主要分布在3—8月份，特別是4—6月份的傳統雨季。這與相關的研究具有相似的結論[10]。從圖1中可以看出，4種不同的植被措施的月均徑流量分布曲線較為相似，都在4—6月份呈現出較大的坡面徑流，在旱季呈現出較小的徑流量。這跟不同月份的降雨量密切相關。同時4種不同的植被措施的徑流量也占到了年徑流量的50%以上。各小區的月均徑流量均在6月份達到最大值，將各小區的6月份徑流量與對照區相比，最大的徑流量減少了約128 mm，說明植被在雨季的水土保持作用。

圖1　研究區各小區月均徑流量分布曲線

3.3　不同植被措坡面徑流年動態變化特征

對2001—2010年中不同徑流小區的年徑流量進行了計算，由于2001，2004，2005年只有部分月份的數據，所以沒有統計其年總徑流量，結果如表3所示。各植被小區的年徑流總量具有明顯的規律，與對照區相比，各種植被措施下的小區徑流大都逐年減少。說明各種植被都能減少坡面地表徑流，且隨著時間的推移，坡面產生的地表徑流越來越少，這是因為隨著時間的推移及香根草、胡枝子、類蘆、香根草等各種植被的生長和新陳代謝，大量的枯枝落葉覆蓋地表，增加了地表粗糙度，減緩了徑流的速度，延長了降雨徑流的入滲時間；同時隨著時間推移，植被的根系逐漸發的，改善土壤的團聚體結構，從而增加了徑流的滲透量，使地表徑流逐漸較少[11-13]。但不同的植被小區在不同的時期，其徑流量也存在差異。2002年是植被剛恢復階段，植被的水保功能還沒有完全發揮，與對照區相比，各小區的徑流量減少不明顯，該階段百喜草小區的坡面徑流最小，說明百喜草在初期的保水功能最好，這是因為水保措施初期主要通過減小雨滴擊濺、削減大部分降雨動能來削弱降雨強度對徑流的影響，而百喜草生長迅速，在種植1 a覆蓋率就可100%，覆蓋度最高，因此在初期其徑流量減少最多。隨著時間的推移，香根草與胡枝子的徑流量顯著減少，特別是后期，其坡面徑流量驟減，到2010年，香根草與胡枝子小區的坡面徑流最小，與對照區相比，幾乎沒有產生坡面徑流，其入滲系數達0.97以上。這是因為香根草與胡枝子萌芽更新能力好，隨著時間的推移，坡面生物大量增加，且根系越來越發達，吸收能力強，極大提高土壤入滲率[14-15]，從而大幅減少坡面地表徑流量。

表3　研究區各小區的年徑流量及降雨量　mm

多年生的灌草，根須密集，具有良好的覆蓋度，莖葉枯落物和衰老退化的根系腐爛后可有效改善土壤的物理性狀，使土壤蓄水保水能力增強，極大降低和削弱坡面徑流的產生，具有良好的保水效益。由圖2各小區的保水效益分析結果可知，香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等灌草植物的生長需要一定的時間，在徑流小區設置初期，植物還在成長期，各小區水保功能還沒有完全發揮出來，其保水效益不是太好。隨著年份的增加，灌草植物莖葉逐漸茂盛，可減少水分蒸發，提高土壤含水量，地表枯落物增多，根系量增大，部分衰老退化的根系腐爛后，改良了土壤結構，從而提高了土壤的出水量和蓄水保水能力，保水效益也隨之增長，到后期趨于穩定狀態，達到最高的保水效益，最高達97.69%，即天然降水幾乎都入滲到土壤中。但是，不同的灌草植物，在不同的時期其保水效益存在差異，百喜草小區在植被恢復初期保水效益較其他植物小區最為明顯，這是因為百喜草生長迅速地上部分的葉、匍匐莖及其枯落物覆蓋具有減小雨滴擊濺，削減大部分降雨動能的功能，因此削弱了降雨強度對徑流的影響；同時，百喜草及其枯落物增加了地表粗糙度，從而阻緩了地表徑流的產生、延長了徑流的匯流和入滲時間。但是，到后期，由于植被退化，其保水效益不如其他的植被。胡枝子與香根草后期的水保效果最好，這是因為隨著年份的增加，這兩種植物地上的生物量越來越大，每年產生的地表枯落物越來越多，極大改良了土壤質地，地下根系越來越發達，植物根系的盤繞作用及植物本身對水流的抵抗作用，增加了水流運動的阻力，減緩了水流的流速，同時阻止地表結皮的形成，增加了入滲，提高了其保水效益[14-15]。

圖2　研究區各小區的保水效益

3.4　不同植被坡面徑流量與降雨量的關系

對各小區的月產流量與月降雨量進行相關分析可得，香根草小區(R=0.446， sig.=0.000)，胡枝子小區(R=0.385， sig.=0.000)，類蘆小區(R=0.599, sig.=0.000)，百喜草小區(R=0.834, sig.=0.000)，對照小區(R=0.863, sig.=0.000)，說明各小區的月產流量與降雨量都存在正相關關系，即各小區坡面月產流量隨著月降雨量的增大而增加，與前文的研究結果相同。其中裸地、百喜草、類蘆小區的月徑流量與月降雨量具有顯著相關關系，而香根草小區與胡枝子小區的月徑流量與月降雨量相關性不顯著。各小區的月產流量與越降雨量的相關性排序為：裸地>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。胡枝子的月產流量與月降雨量的相關性最小，說明該植被措施對保水作用最顯著。已有的研究[16-18]表明，次降雨量以及降雨強度對坡面產流具有直接的影響，但從月尺度的徑流量來看，降雨量對坡面產流的影響減弱，這是因為地表覆蓋、降雨歷時、降雨強度等其他影響因素的累積作用弱化了月降雨量對坡面產流的影響。

對每個小區的月的徑流量與降雨量進行線性回歸分析可得，每個線性回歸方程的sig.均為0.000，說明回歸系數有顯著意義，月徑流量總體趨勢是隨著月降雨量的增大而增加，其相關性均達到正相關。有植被覆蓋的小區線性方差進行擬合的效果相對于空白小區效果不明顯，說明有植被覆蓋的小區中，由于灌草的蓋度對降雨的截流、吸收和下滲作用，降低了坡面徑流的產生，坡面產流并不隨著降雨量的增大而線性增加?？瞻仔^由于缺少植被的覆蓋，降雨除了土壤吸收部分，大多數以坡面徑流的形式流失，坡面徑流幾乎是隨著降雨量的增大呈線性增長。從各回歸方程的系數可以看出，當降雨量增加時，各種植被措施的徑流量增大趨勢為：裸地>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。

4小 結

(1) 植被措施的采取能有效地降低坡面徑流，但不同的植被措施形成不同的下墊面性狀，在降雨的作用下會表現出不同的坡面徑流規律。在本研究中，不同的措施下年均徑流量與對照相比都具有顯著的差異，胡枝子小區最小，觀測期各小區的總徑流量從大到小依次為：空白對照區>百喜草>類蘆>香根草>胡枝子。

(2) 各小區的徑流量季節特征明顯，各小區月均徑流量的年內分布與月降雨量的分布相似，主要分布在雨季4—6月，占年徑流量的50%以上。而在降雨量小的旱季，月均徑流量較小。說明各小區的徑流量與降雨量密切相關。

(3) 植被措施的實施，其保水效益不隨著年份的增加而增長，到后期趨于穩定狀態，保水效益最高(97.69%)。百喜草小區在植被恢復初期保水效益最明顯，到后期不如其他的植被。胡枝子除了初始的成長階段，其保水效益始終高于其他植被，其保水效益最好。

(4) 各個小區的月徑流量與月降雨量的關系呈正相關關系，但而香根草小區與胡枝子小區的相關性不顯著，說明其徑流量受降雨量的影響較??；空白小區相關性最顯著。有植被覆蓋的小區線性回歸擬合的效果相對于空白小區效果不明顯，說明有植被覆蓋的小區中，由于灌草的蓋度對降雨的截流、吸收和下滲作用，降低了坡面徑流的產生，坡面產流并不隨著降雨量的增大而線性增加。

(5) 香根草、胡枝子、類蘆、百喜草等均能有效地抑制坡面徑流，減少水土流失，因此，都可以作為水保的優良灌草，在南方紅壤區進行推廣應用，尤其是要加大胡枝子的推廣力度。

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Runoff Changes on Slope with Different Vegetation Measures in Red Soil Region

LIANG Juanzhu

(KeyLaboratoryofSpatialDataMining&InformationSharingofMinistryofEducation,SpatialInformationResearchCenterofFujianProvince,FuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350003,China)

Abstract：[Objective] Effects of different vegetation measures on red soil slope runoff were researched to provide a scientific basis for soil and water conservation and ecological restoration in the southern red soil region of China. [Methods] Monthly runoff and rainfall data from plots planted with Vetiver, Lespedeza, Neyraudia, Bahiasgrass during 2001 to 2010 were collected to analyze the above mentioned effects using statistical method. The plots were located at Changting County in Fujian Province.[Results] Vegetation measures could control slope runoff well, but due to the differences among vegetation structure, root and litter amount of the above measures, soil and water conservation benefits from the above measures were different. In the period of observation, the rank of annual runoff was: control plot with no vegetation measure>Bahiagrass>Neyraudia>Vetiver>Lespedeza. Water conservation benefit from Lespedeza measure performed best. [Conclusion] Vetiver, Lespedeza, Neyraudia, Bahiasgrass et al. vegetation could control slope runoff effectively and reduce soil erosion. Therefore, they can all be used as the excellent shrub/grass for soil and water conservation; and can be applied in the red soil region of Southern China, especially Lespedeza measure is recommended.

Keywords:red soil region of Southern China; vegetation measure; soil and water loss; slope runoff

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0159-05

中圖分類號：S157.1

收稿日期：2014-08-19修回日期：2014-10-14

資助項目：國家科技支撐計劃項目“南方紅壤水土流失治理技術研究與示范”(2013BAC08B00)

第一作者：梁娟珠(1978—),女(漢族),福建省福清市人，博士,助理研究員,主要從事水土保持決策支持方面的研究。E-mail:liangjuanzhu@163.com。