南方紅壤區不同植被措施坡面的水土流失特征

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, 福州 350003)

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南方紅壤區不同植被措施坡面的水土流失特征

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, 福州 350003)

植被是南方紅壤區水土流失治理的主要措施，為了研究不同的植被措施對坡面產流產沙的影響，以及對坡面侵蝕的抑制效果，在福建省長汀縣選擇喬灌草、灌草、草本、農作物、喬灌、封山育林、經濟林等各植被措施下的標準徑流小區，通過觀測各種植被措施坡面的產流產沙情況，分析比較各小區的水土流失特征。結果表明植被能較好地調控坡面地表徑流和土壤侵蝕。不同植被措施下坡面產流產沙分異規律明顯，相對裸地，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出顯著的差異。因此，在未來南方紅壤植被恢復與生態環境建設過程中，通過各種植被治理措施的逐步實施，對改善當地的生態環境和水土流失的防治具有重要的意義。

南方紅壤區; 植被措施; 水土流失; 徑流量; 泥沙量

南方紅壤丘陵區降雨量大，且分布不均，多以暴雨形式出現，單位時間內強大的降雨構成巨大的侵蝕動力，加上土壤的可蝕性較高的內在因子和劇烈的人類活動使得南方紅壤區成為我國水土流失最廣、程度最高的地區之一[1-2]。福建省長汀縣是我國南方紅壤區水土流失最嚴重的縣份之一，水土流失面積廣，程度中，危害大。由于長期水土流失，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[3]。降雨是坡面產流產沙的先決條件，坡面產流產沙量的大小取決于降雨強度及降雨量，同時，坡面的植被覆蓋情況對其也有決定性的影響[4]。植被可以增加地面覆蓋、涵養水源、降低雨滴動能，通過物流機械作用阻擋水土流失[5-7]，對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坡面的產流量及產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抑制水土流失的效果，則需要對不同措施的水土保持效益進行分析評價。

本文選取南方紅壤區水土流失十分嚴重的福建省長汀縣，通過野外不同植被措施下的徑流小區觀測數據，研究不同植被措施降雨對坡面產流產沙的影響，揭示不同植被措施坡面水土流失的特征，為南方紅壤區水土保持與生態恢復提供理論依據。

1　研究區概況

試驗小區設于福建省長汀縣河田鎮內，東經116°38′45″—116°39′20″，北緯25°18′40″—26°02′05″，屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年均氣溫17.5～18.8℃，極端最高溫度達39.8℃，年均降雨量1 628.2 mm，降雨分布集中且強度大，其中4—6月降雨占全年的53%，該地區土壤主要為花崗巖風化發育的紅壤，土層深厚且松軟，抗蝕性差，是南方水土流失最嚴重的土壤類型。

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水土流失特征，河田鎮露湖科教園在2006年布設了12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，西南朝向，坡度15°，選取草本、傳統農作、封山育林、經濟林、喬灌、灌草、喬灌草等典型的紅壤植被治理措施，并設置2個空白小區作為對照。各小區的基本情況如表1所示。

表1　徑流小區情況

2.2測定方法

對每一場降雨產生的徑流和泥沙進行觀測，記錄其集水桶中的徑流深，并采用烘干法測定泥沙重量，每個月進行一次月徑流量與泥沙量的統計，本研究選擇了2009—2010年的月統計的徑流深(mm)與泥沙量(kg)數據進行分析研究。

降雨數據采取附近的水文觀測站的數據，主要為日降雨量。

2.3數據處理

本研究采用SPSS 19分析軟件進行數據分析，包括對徑流觀測月統計的各個小區的徑流量、土壤侵蝕量量進行單因子多因素方差分析；對各小區的徑流量、土壤侵蝕量與月降雨量進行相關分析和回歸分析；采用Excel 2010對觀測的統計數據進行合并分析、圖表輸出。

3　結果與分析

3.1不同植被措施坡面的徑流損失特征

2009—2010年共有19個月的統計數據，對各種植被措施下的月徑流量進行平均，得出圖如圖1所示的減少徑流損失情況。在自然降雨條件下，不同植被措施的小區徑流損失的比較結果(圖1)所示，表現為空白小區>經濟林>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>整畦農作物>條溝喬灌草。各種植被措施的徑流值與空白小區徑流值進行比較，得出經濟林、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%。數據顯示，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徑流損失的影響是不同的。蓋度高的灌草和農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，且地下根系不發達，抑制徑流的作用不如灌草措施。同時，不同耕作方式下的灌草措施對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，這是因為整地措施能夠增加土壤含水量，提高植物的生長量，具有減少水土流失的作用。

對所有不同植被措施下的各小區產流量采用S-N-K法單因素方差分析方法，進行均值多重比較，得到各措施下產流的均衡子集(表2)，發現不同的措施對徑流量的影響可以分為三組，A組：11號小區條溝喬灌草；10號小區條溝草本；4號小區農作物地瓜。

B組：7號小區小穴灌草；8號小區小穴喬灌草；3號小區全坡種草；12小區純馬尾松；6號小區封山育林；9號小區老頭松改造；C組：空白小區。分析結果顯示各個組內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坡面徑流的影響，即坡面徑流會因為采取林草治理措施而減少，但有時影響不顯著。只有因地制宜的選擇合理的植被類型和構造，才會對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

對各種植被措施下的月產沙量進行平均，得出不同措施下的土壤侵蝕產沙情況。在自然降雨條件下，不同植被措施的小區產沙量的比較表現為空白小區>經濟林>馬尾松>老頭松改造>整畦農作物>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。數據表明，植被治理措施在一定程度上能夠減少坡面土壤的侵蝕產沙量。但是不同的植被類型和耕作方式坡面產沙的影響是不同的。蓋度高的灌草和農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作措施下，植被蓋度高，土壤表層結構以及對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生土壤侵蝕。而喬木，如老頭松、馬尾松、經濟林等，林下無草本植物，蓋度低，地下根系不發達，土壤對降雨的入滲能力差，容易形成土壤侵蝕。可見，貼地面的覆蓋比其他覆蓋對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造，同樣對減少土壤侵蝕有重要的意義。

同樣的，對所有不同林草治理措施下的各小區產沙量進行單因素方差分析，得到各措施下產沙的均衡子集(如表3)。不同植被治理措施對土壤侵蝕產沙量的影響被分為3組：A組：11號小區條溝喬灌草；10號小區條溝草本；3號小區全坡草本；7號小區小穴灌草。B組：8號小區小穴喬灌草；6號小區封山育林；4號小區整畦農作物；9號小區老頭松改造；12小區純馬尾松；5號小區經濟林；C組：空白小區。分析結果顯示各個組內產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，與徑流量的比較結果一致?？梢娋哂匈N地面高覆蓋的草本治理措施，如喬灌草、灌草、全坡草本等，對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

植被保土作用系數和減沙效益2個指標通常被用來描述水土保持的功效[7]。植被保土作用系數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進行計算。

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，用C表示[8]。本研究的C表示植被措施抑制坡面徑流產沙作用的大小。C的值在0～1，具有概率概念的特性。當無植被覆蓋作用時，C=0；當植被覆蓋抑制土壤侵蝕作用達到最大時，C=1。根據C的定義，計算公示為：

C=T/N×100%

(1)

式中：C——保土作用系數(%)；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將C值轉化成(1-C)來預估坡面侵蝕量。

減沙效益通過計算減沙效益特征指標減沙率來體現，按照水土保法計算減沙效益(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——對照區產生的泥沙量(kg)。

根據公式(1—2) 對徑流小區觀測月統計數據進行計算，得出如圖2所示的不同植被措施下的保土作用系數與減沙效益，保土作用系數由于治理措施的采取，呈增大趨勢，其中11號小區的條溝喬灌草措施作用最大，與上文的分析結果相符。植被的減沙效益與保土作用系數具有相似的趨勢，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構最復雜，貼近地表的蓋度最高。

圖2　各小區的保土作用系數與減沙效益

3.4不同植被措施徑流泥沙與降雨的相關分析

各植被小區的地表徑流與土壤侵蝕產沙量雖然差別很大，但與降雨量的關系較密切，地表徑流、土壤侵蝕有與降雨量具有相似的規律，多發生在雨季。對各小區的地表徑流、土壤侵蝕量分別與月降雨量進行相關分析(表4—5)，結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性，徑流量與侵蝕量隨降雨量的增大而增大?？瞻仔^的徑流量、土壤侵蝕量對雨量響應強烈，植被措施下的小區徑流量、土壤侵蝕量對不同的雨量響應不明顯。

各措施的徑流量、土壤侵蝕量量的變化對降雨量的變化的響應存在差異。對地表徑流與土壤侵蝕量分別與降雨量進行回歸分析，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系斜率隨地表蓋度的增加而降低，即覆蓋度越高的小區降雨量對坡面產流產沙的影響越小，如條溝喬灌草、農作物、條溝草本等措施。其關系斜率最小，說明產流量、土壤侵蝕量對不同的雨量響應不明顯，能夠抑制坡面水土流失。

相對于降雨量對徑流量的影響，降雨量對土壤侵蝕量的影響更小，這是因為坡面徑流量、降雨強度、降雨歷時等其他影響因素的累積作用弱化了降雨量對徑流產沙的作用[9]。

表4　徑流量與降雨的回歸分析與相關分析

表5　土壤侵蝕量與降雨的回歸分析與相關分析

4　結 論

對南方紅壤區采取植被治理措施能夠降低水土流失，且各植被措施對土壤侵蝕的降低程度相對于對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理有關。各種植被措施對土壤侵蝕的作用比對徑流作用更有效。不同的植被措施對水土保持的效果表現不同，這與植被措施下的植物特性、結構有關。各植被措施中，條溝喬灌草、條溝草本、農作物、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茂盛，根系發達，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較低，不易形成喬灌草立體防護體系，其水土保持效果較差。因此，要根據各利用土地的水土流失特征，有針對性防治水土流失。

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雨量響應差異明顯，空白小區、喬木措施的土壤侵蝕量變化對雨量的變化響應大，而貼地面覆蓋度高的草本措施對雨量的響應不明顯。

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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)”

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