茶園集中開發區水土流失特征研究
——以槐植卡口站為例

王義祥，楊冬雪，張　燕，林金溝，李翠萍，陳錦輝

(1.福建省農業科學院 農業生態研究所，福建 福州 350013； 2.福建省環境監測中心站，福建 福州 350003；3.安溪縣環境監測站，福建 泉州 362000)

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茶園集中開發區水土流失特征研究
——以槐植卡口站為例

王義祥1，楊冬雪2，張燕2，林金溝3，李翠萍2，陳錦輝2

(1.福建省農業科學院 農業生態研究所，福建 福州 350013； 2.福建省環境監測中心站，福建 福州 350003；3.安溪縣環境監測站，福建 泉州 362000)

茶園集水區；水土流失；卡口站；徑流；泥沙；福建

以福建安溪縣感德鎮茶園集水區為單元，在雙岐支毛溝出口處設立卡口站，定量研究了茶園水土流失特征。結果表明，茶園集水區年徑流總量約為15 567.60 m3/km2，年產沙量約為58.62 t/km2，降雨量、降雨強度和雨型對泥沙和徑流的產生具有重要影響，典型性大降雨對徑流和泥沙的產生起著決定性作用。對泥沙機械組成的分析結果表明，泥沙顆粒以砂粒(2～0.05 mm)為主，石礫(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均較低。

福建是我國茶葉生產的主要省份，全省共有茶園17.33萬hm2，占全國茶園總面積的10.5%，居全國第二位。近年來，福建開墾坡地種茶力度不斷加大，一些地區農民水土保持意識薄弱，高坡度開墾，有些甚至一開到頂，“四面光”的現象屢見不鮮，全省茶園特別是新開墾茶園水土流失比較嚴重。據遙感調查顯示[1]，2006年底，福建省有6.35萬hm2的茶園存在水土流失，占全省茶園面積的近50%。這樣不僅破壞生態環境，而且直接影響和制約茶產業的可持續發展。茶園水土流失問題已引起社會的廣泛關注，許多學者也對山地茶園水土流失特征、成因和防治措施進行了大量研究[1-3]，如陳小英等[3]利用坡面徑流小區方法對不同耕作方式下茶園土壤侵蝕量的監測結果表明，裸露坡地茶園的年土壤侵蝕量為40 147.9 t/km2，清耕梯田茶園為2 213.5 t/km2，梯壁種百喜草的梯田茶園為951.3 t/km2，梯壁種香根草的梯田茶園為672.9 t/km2。

集水區是紅壤丘陵景觀中相對獨立且整體性強的最基本的地理生態單元，以集水區為單元研究土地利用變化與水土流失關系是較為有效的方法，因為在該尺度上的研究既保持了天然狀況下的徑流流動，又能避免徑流小區觀測放大侵蝕量的不足，通過測定集水區出口處的徑流和泥沙，能有效評價流域土地利用類型、水土保持措施變化對水土流失的影響，這是坡面徑流小區方法無法與之匹敵的[4]。但目前還少見利用集水區方法研究山地茶園水土流失特征的報道。故此，本研究以福建省安溪縣感德鎮代表性茶園集中開發區為對象，以集水區為單元，定量研究感德茶園集中開發區水土流失特征，旨在為紅壤丘陵區茶園水土流失預測和綜合防治提供科學參考。

1　研究區概況與研究方法

1.1研究區概況

研究區位于福建省安溪縣感德鎮，該鎮有茶園面積3 567 hm2，茶葉收入是當地的主要經濟來源，有“中國茶葉第一鎮”之稱。本研究所選感德鎮槐植村，位于北緯25°18′、東經117°51′，屬于亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫18.5 ℃，年均降水量1 600 mm，降水的季節分配不均勻，每年的3—6月份為梅雨季節，7—9月份受臺風影響大暴雨增多。平均日照時數1 907.6 h，無霜期350～365 d，氣候溫和濕潤，春夏之間經常云霧繚繞。境內多山,大多數地區海拔500 m左右，十分適合茶樹生長。

1.2卡口站概況

卡口站位于感德鎮槐植村雙岐支毛溝出口處，由安溪縣水利水電工程勘察設計有限公司設計，福建省環境監測中心站、福建省農科院生態研究所、感德鎮鎮政府共同建設，于2014年4月正式啟用。卡口站安裝了一臺雨量計、一臺水位計和一套水質自動監測系統，可以自動監測水質中pH值、電導率、濁度、氨氮、總磷和總氮等指標。卡口站集水面積0.79 km2，集水區內茶園面積占土地總面積的95%以上，無人居住。由于歷史原因，集水區內茶園坡度多在15°～35°，最大可達60°。

1.3降雨量和水位監測

降雨量和水位分別利用自記雨量計(型號JDZ05-1)和水位計(型號WFH-2A)監測，監測頻次均為5 min一次。

1.4徑流量監測

徑流量采用矩形薄壁堰監測，堰寬4 m、高1.5 m。薄壁堰流量計算公式為

(1)

式中：Q為流量，m3/s；CD為流量系數；g為重力加速度，m/s2；be為薄壁堰寬度，m；he為薄壁堰水頭高，m。

1.5泥沙量監測

根據卡口站實際泥沙的累積情況，分別于2014年6月19日、10月17日和2015年3月4日進行三次清沙處理。泥沙量的測定采用體積法。

1.6顆粒組成分析

每次清理泥沙之前，將柱形PVC管垂直打入泥沙底部，根據泥沙堆積的厚度和長度，確定PVC管的數量。將裝有泥沙的PVC管整個帶回實驗室，晾干、混勻。其中，粒徑>0.25 mm的土粒采用篩分法[5]，粒徑<0.25 mm的土粒采用粒度儀分析，設備為丹東百特儀器有限公司生產的BT-9300ST激光粒度分布儀。

2　結果與分析

2.1徑流量

2.1.1徑流量和降雨量的關系

利用2014年4月至2015年3月卡口站的降雨量和徑流量的實際監測數據，以月降雨量為橫坐標、月徑流量為縱坐標做散點圖，見圖1。由圖1可以看出，徑流量和降雨量呈現正相關，降雨量越大，產生的徑流越多，尤其是暴雨較多的6—9月份。潘杰[6]對中田河小流域的徑流和降雨關系進行分析，也得出了二者呈正相關的結論。根據多元統計回歸分析，得到月徑流量和月降雨量的回歸方程為

(2)

式中：X為月降雨量，mm；Y為月徑流量，m3。

圖1　槐植卡口站月徑流量和月降雨量關系

2.1.2流量和降雨強度的關系

降雨強度對徑流的形成具有重要影響，在實際降雨過程中，降雨強度總是不斷發生變化。用來描述降雨強度的變量有平均降雨強度和時段降雨強度，本研究按照國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準(內陸部分)[7]將本研究區降雨劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨，并采用平均降雨強度代表當天降雨強度來分析集水區出口處流量與降雨強度的關系。

通過分析槐植卡口站2014年4月到2015年3月降雨強度和集水區出口處流量發現，降雨強度對徑流的產生具有重要影響。從本研究區域2014年全年的降雨情況看，8月份降雨量占全年降雨總量的17.5%，其中最小雨強為1.2 mm/d，最大雨強為54 mm/d，小雨、中雨、大雨和暴雨天數分別占當月天數的25.8%、9.7%、12.9%和3.2%，是全年降雨分布較為集中的月份之一。故此，本研究以2014年8月份為例，分析了槐植卡口站集水區出口處流量和降雨強度的關系。

圖2是2014年8月份集水區出口處流量隨降雨強度的變化情況。可以看出，集水區出口處流量隨著降雨強度的變化而變化，二者基本呈正相關。8月8日降雨強度達到37 mm/d，為大雨，流量只有0.1 m3/s，8月9日降雨強度為19 mm/d，為中雨，流量為0.45 m3/s，這是因為從7月28日到8月7日連續11 d沒有降雨，土壤含水量低，大部分雨水滲入土壤，較少形成徑流；此后連續降雨，以中到大雨為主，流量不斷增大，到8月12日，降雨強度達到暴雨級別，為54 mm/d，流量也達到最大，為13.82 m3/s；此后流量基本隨著降雨強度而上下波動，但8月20日和21日無雨，流量也分別達到了9.54和3.81 m3/s，這可能是因為前期連續的大暴雨使茶園土壤水分趨于飽和，支毛溝中上游水量增多，導致泄水期延長。嚴風碩等[8]對不同土地利用方式下紫色土水土流失特征進行了研究，得出三峽庫區大部分水土流失可能是由幾次典型降雨所決定的結論，本研究結論與其具有一致性。

圖2　集水區出口處流量隨降雨強度的變化情況

2.2產沙量

茶園土壤在降水、徑流的作用下遭受侵蝕，隨徑流流入河道。2014年4月到2015年3月共對槐植卡口站進行了三次泥沙清理：第一次泥沙積累時間從2014年4月1日開始 ，清理泥沙時間為6月19日，產沙量為35.95 t/km2；第二次泥沙積累時間從6月20日開始，清理泥沙時間為10月17日，產沙量為22.15 t/km2；第三次泥沙積累時間從10月18日開始，清理泥沙時間為2015年2月28日，產沙量為0.52 t/km2。三次泥沙積累期間降雨情況見表1。第一次泥沙積累時間為80 d，第二次為90 d，第一次降雨量比第二次少了73 mm，徑流量比第二次少了1 366.7 m3/km2，但產沙量比第二次多了13.80 t/km2，這是因為4月1日—6月19日正值福建梅雨期，持續不斷的降水使土壤中水分飽和，土壤結構松散，土壤顆粒之間的摩擦力減小，再加上間斷性較強降雨，使土壤侵蝕極易發生；第三次泥沙積累時間為155 d，其降雨量和徑流量分別比第一次低73.2%和99.3%，產沙量也少了98.6%。這表明，當降雨量相差較大時，降雨量對泥沙量的多少起著決定性作用，當降雨量相當時，雨型對泥沙量具有重要影響，在連續的小型降雨夾雜大到暴雨的情況下，土壤侵蝕更容易發生。

表1　2014年4月到2015年3月期間降雨和徑流情況統計

2.3顆粒組成分析

圖3是6月19日和10月17日卡口站清理的泥沙顆粒組成情況。由圖3可以看出，泥沙中不同粒級顆粒所占質量百分比的大小順序為粗砂粒(1～0.5 mm)>中砂粒(0.5～0.25 mm)>極粗砂粒(2～1 mm)>石礫(>2 mm)>極細砂粒(0.1～0.05 mm)>細砂粒(0.25～0.1 mm)>粗粉粒(0.05～0.02 mm)>細粉粒(0.02～0.002 mm)>黏粒(<0.002 mm)。支毛溝流失泥沙中以砂粒含量(2～0.05 mm)最高，在兩次清理的泥沙中砂粒含量分別達到93.38%、88.08%，其中又以粗砂粒(1～0.5 mm)和中砂粒(0.5～0.25 mm)為主，其次是極粗砂粒(2～1 mm)，石礫(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均較低。這是因為試驗區茶園被長期墾殖，土壤養分含量較低，團聚性較差，加之陡坡開墾，在雨水的沖刷下，極易造成水土流失，且侵蝕泥沙隨徑流流入河道后在流動的過程中不斷被分選和沉積，造成石礫含量和黏粒含量較少，砂粒含量較多，這與黃麗等[9]對侵蝕紫色土土壤顆粒流失規律的研究結果相一致。

圖3　支毛溝泥沙顆粒組成

3　結論與討論

小集水區測流技術是進行生態-水文試驗和生物地球化學研究的一種實用方法，該方法能較準確地測定集水區生態系統的水分輸入和輸出，由此可獲得整個集水區水土流失的主要參數。本研究對槐植卡口站一年的監測結果表明，茶園集水區年徑流總量約為15 563.8 m3/km2。江淼華等[10]運用徑流小區法得出閩北杉木林、錐栗林、柑橘園和裸露地年均水土流失量分別為20 000、28 000、37 000和43 7000 m3/km2。本研究區域茶園年均水土流失量均小于閩北杉木林、錐栗林、柑橘園和裸地的年均水土流失量，但由于兩個研究區的尺度、土地利用方式和區域氣候特點等存在一定差異，導致數據的可比性較差。另外，通過集水區測流堰和水位計自記水位，然后換算成集水區徑流量，其精度與換算公式的精度有關，今后還要通過實測試驗進行對比，以進一步提高測流的精度。

劉海等[11]對元謀干熱河谷不同土地利用類型集水區的研究表明，2010年雨季林地、農地集水區的產沙量分別為218.04、354.08 t/km2，林地因較高的植被覆蓋度而具有較好的調節徑流、保水與抗侵蝕作用，表現為林地集水區產沙量低于農地。茶園作為南方紅壤丘陵區重要的土地利用方式之一，區別于林地和農地。本研究結果表明，茶園集水區的產沙量與降雨關系密切，尤其是連續性降雨的影響較為明顯；茶園集水區年產沙量約為58.62 t/km2，遠低于陳小英[3]等對安溪茶園土壤流失量的監測結果(2 213. 5 t/km2)。盡管立地條件有所差異，但也反映了徑流小區方法放大了土壤侵蝕的結果。茶園開發區沉積泥沙粒徑組成分析表明，泥沙顆粒以砂粒(2～0.05 mm)為主，石礫(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均較低。而張翔等[12]對東柳河小流域的泥沙粒徑分析結果表明，丘陵區的沉積泥沙主要由粗砂構成，而農田區以細砂為主，表明侵蝕泥沙顆粒的分布和搬運與土壤類型密切相關。

[1] 陳文祥,游文芝,陳明華,等.福建省茶園水土流失現狀及防治對策[J].亞熱帶水土保持,2006,18(4):22-25.

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[12] 張翔,李鵬,張洋,等.東柳溝沉積泥沙粒徑空間分布與特征[J].水土保持學報,2015,29(1):75-78.

(責任編輯徐素霞)

福建省科技計劃項目(2014R1017-3，2014Y0048,2016R1016-4)；農業部福州農業環境科學觀測實驗站項目

S157.1

A

1000-0941(2016)08-0063-04

王義祥(1978—)，男，山東泰安市人，副研究員，博士，主要從事恢復生態與紅壤保育研究；通信作者楊冬雪(1962—)，女，福建廈門市人，教授級高級工程師，學士，主要從事環境監測質量管理工作。

2015-05-13