不同植被種植模式對紅壤坡面侵蝕影響試驗研究

康佩佩, 查 軒, 劉家明, 陳世發, 王 庚

(1.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地, 福州 350007; 2.福建師范大學 地理科學研究所, 福州 350007)

?

不同植被種植模式對紅壤坡面侵蝕影響試驗研究

康佩佩1,2, 查 軒1,2, 劉家明1,2, 陳世發1,2, 王 庚1,2

(1.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地, 福州 350007; 2.福建師范大學 地理科學研究所, 福州 350007)

采用天然降雨試驗，研究南方典型花崗巖紅壤坡面土壤侵蝕過程及不同植被種植模式、降雨量和降雨強度對紅壤坡面產流、產沙的影響，定量研究了不同種植模式的攔沙蓄水效益，并建立了天然降雨試驗下土壤侵蝕模型。結果表明：(1) 相同降雨條件下，不同植被種植模式土壤侵蝕量的大小關系為：全裸露>條帶播草>全覆蓋>條溝播草；(2) 當平均雨強為0.3 mm/min時，全覆蓋種植模式優于條溝播草種植模式；當平均雨強為0.6 mm/min時，條溝播草種植模式的蓄水能力更顯著；(3) 土壤侵蝕量的粒徑大小主要集中于<0.25 mm，是形成土壤侵蝕的主要原因，不同植被種植模式各個粒徑泥沙含量集中在<0.25 mm，泥沙顆粒量大小總量的變化規律為：裸露模式>全覆蓋種植模式>條帶種植模式>條溝種植模式。通過對比得出條溝播草種植模式的攔沙蓄水效果最佳，以期為南方丘陵區治理水土流失提供參考。

花崗巖紅壤; 土壤侵蝕; 天然降雨; 植被覆蓋度

水土流失是人類生存和發展所面臨的最嚴重問題，嚴重的水土流失導致土壤肥力下降、植被覆蓋減少、農業生產受到限制[1-2]。實施水土保持措施可以有效的提高土壤肥力、攔蓄泥沙、增加植被覆蓋，促進農業生產[3]。紅壤是我國重要的土壤資源，廣泛分布于福建、江西、廣東、湖南等南方地區。雨熱同期的氣候特征，適宜農作物的生長，但由于自然以及人為因素的干擾，導致南方花崗巖紅壤區已成為我國侵蝕嚴重、范圍最廣的地區，僅次于黃土高原[4-5]。植被覆蓋于地表，通過葉片和根系的作用，有效的減輕地表侵蝕、蓄水攔沙，減少水土流失，從而改善生態環境[6]。徐大兵等[7]定量研究了自然降雨條件下不同覆蓋措施對鄂西土地整治區水土流失的影響，得出有效的措施治理區域水土流失；陳小強等[8]采用田間徑流小區試驗研究了不同種植模式對云南省中部坡耕地水土保持的影響，得出了能夠減少水土流失的耕作模式。馮秀等[9]采取人工降雨的方法，對南方花崗巖紅壤坡面的侵蝕過程進行研究表明徑流量隨著雨強和坡度的增大而增大，并且都表現在產流初期。目前，國內對于紅壤區土壤侵蝕的研究較多，但運用天然降雨試驗方法研究不同植被種植模式對紅壤侵蝕量影響的研究較少。本文以長汀縣的花崗巖嚴重侵蝕退化紅壤為基礎土樣，采用天然降雨試驗的方法，測定不同植被種植模式下紅壤的徑流產沙量，分析不同種植模式對土壤蓄水攔沙的效益，以期為水土保持治理工程提供有效的治理防護措施。

1　試驗設計與研究方法

1.1試驗設計

試驗土壤來自長汀縣河田鎮，為了保證樣本的典型性和代表性，結合區域考察并遵循均勻分布、隨機抽樣的原則，選擇水土流失較為嚴重的坡面采集土壤樣本[10-11]。通過稱量控制土壤容重(1.35～1.42 g/cm3)，不同粒徑顆粒組成為：>3.0 mm顆粒34.77%，2～3 mm顆粒13.93%，1～2 mm顆粒8.27%，0.5～1 mm顆粒23.14%，0.25～0.5 mm顆粒10.05%，<0.25 mm顆粒9.84%。本研究采用天然降雨試驗方法，試驗地點為福建省濕潤亞熱帶山地生態重點實驗室。設置4個試驗小區，分別為全裸露試驗小區(無植被覆蓋)、全部覆蓋試驗小區、條帶種草試驗小區和條溝播草試驗小區，試驗所用的草種為寬葉雀稗。其中試驗用的土槽自行設計，尺寸規格為：長1.5 m、寬0.5 m、深0.3 m，坡度為15°。為了使土壤具有良好的透水性，于土槽的底部均勻鉆孔，共5排，每排5個孔，土槽前部下端設置集流槽，用于收集徑流和泥沙。

1.2試驗過程

試驗槽首先要進行填土裝箱，在填土裝箱前先將土壤過10 mm篩，在槽底鋪上透水紗布，然后分層裝填30 cm厚的供試土壤。試驗土槽分層裝土，每5 cm為一層，每層都邊填充、邊壓實，之后撒播草籽。播草籽后，為保證發芽生長，需要定期澆水，同時也需要對試驗小區進行防曬覆蓋，使其溫度控制在合理的范圍內(28℃左右)，其植被格局分別為：全裸試驗小區、全覆蓋試驗小區、條帶種草試驗小區和條溝播草試驗小區。采用HOBO-RG3雨量觀測計觀測每日雨情，記錄每時刻的降雨情況。天然降雨試驗中降雨具有不確定性，采用日降雨量收集和次降雨量收集兩種方式收集徑流泥沙。

團聚體分離方法采用濕篩法，土壤容重采用環刀法測定，土壤水分用105℃烘箱烘干法。試驗開始至坡面上完全產流后，記錄產流時間，同時開始采集坡面出口的徑流泥沙樣。采集來的泥沙用容量瓶置換法測定。

2　結果與分析

2.1降雨特征

天然降雨往往具有不確定性。在試驗期間(2014年4月—2014年9月)共降雨24次，選取3次具有福州典型性特征的次降雨量進行分析，分別為5月4日(1A)，6月2日(2B)和7月18日(3C)。根據3次次降雨量的變化，繪制出雨強變化曲線。根據圖1可得，每次降雨雨強波動變化，在峰值出現后逐漸降低。

圖1　降雨雨強變化

2.2不同植被種植模式對產流的影響

植被對坡面土壤侵蝕具有重要的影響[12-14]。從圖2A中可看出全裸露試驗小區坡面產流時間開始于21:03，而有植被覆蓋小區產流時間開始于21:04。這是由于在降雨不斷增加的這一過程中，植被有效的攔截了一部分雨水，植物通過葉片降低雨滴動能，同時也降低了對地表的濺蝕力，減少了降雨侵蝕，植物的根系具有蓄水攔沙的作用，有植被覆蓋的小區通過植被根系作用阻擋了坡面徑流，削減了徑流對土壤的侵蝕，防止水土流失。裸地沒有植物的保護，蓄水能力低，徑流量大。

不同的植被種植方式嚴重影響著坡面土壤侵蝕量的大小，降雨過程中，隨著降雨強度的不斷增加，產流率越高，不同植被種植方式的產流量差別顯著。就產流總量而言，累積產流量隨產流時間和降雨量的變化而變化。5月4日(圖2A)條溝播草的累積產流量為10.58 L，分別比全裸露、條帶播草和全覆蓋的累積產流量減少了7.2%，4.9%和1.8%，條溝播草和全覆蓋的產流量差異較小；6月2日(圖2B)條溝播草占產流總產量的24.8%；7月18日(圖2C)降雨過程中，產流量表現為：裸地產流量>條帶產流量>全覆蓋產流量>條溝播草產流量。當平均雨強為0.3 mm/min時，全覆蓋種植模式優于條溝播草種植模式；當平均雨強為0.6 mm/min時，條溝播草種植模式的蓄水能力更顯著。條帶播草、全覆蓋和全裸露三種種植模式的產流量與降雨量趨勢相同，條溝播草的產流量也是隨著降雨量的增加而增長，總量較其他三種模式較少。

2.3不同植被種植模式對土壤流失量的影響

由圖3可知，裸地的產沙時間早于植被覆蓋的小區，植被覆蓋對于坡面產沙時間也具有重要的影響。通過試驗對比分析，不同的植草方式對坡面土壤攔沙能力的次序為：條溝播草試驗小區>條帶播草試驗小區>全覆蓋試驗小區>裸露地試驗小區。條溝播草試驗小區的產沙量低，坡面徑流量低。合理的植草能夠發揮更好的蓄水攔沙效益，降低坡面侵蝕，預防水土流失。坡面產流產沙的外動力是自然降雨和地表徑流，在自然降雨的作用下，通過雨滴濺蝕和坡面徑流，土壤表層被搬運和剝離，形成坡面土壤侵蝕、流失[11]。從表1中不同植被種植模式下降雨量與產沙量的回歸分析中來看，降雨量與產沙量的相關性呈顯著相關。線性回歸的相關系數r2值最大為0.785，最小為0.407，平均為0.537；冪函數回歸的相關系數r2值最大為0.853，最小為0.158，平均為0.357。經過兩者對比，可以得出全裸露、條溝播草、條帶播草和全覆蓋種植模式下，降雨與土壤產沙量的關系都更為接近線性關系，產沙量隨著雨強的增加而增加。

圖2　降雨過程中不同種植方式徑流過程表1　不同植被種植模式下產沙量與降雨量的相關回歸統計分析

小區類型產沙量與降雨量回歸分析回歸方程r2全裸露試驗小區Y=-12.745+14.319XY=2.117X2.5590.7850.853條溝播草試驗小區Y=-3.381+4.696XY=1.438X0.7460.4850.158條帶播草試驗小區Y=-2.503+3.920XY=1.555X0.7100.4070.222全覆蓋試驗小區Y=-4.337+5.813XY=1.663X0.7430.4690.193

植被覆蓋度是影響坡面土壤徑流產沙的主要因素[12-15]。降雨2～3 min后坡面才開始產沙。裸露地產沙時間始于21:03,其他種植模式的產沙時間始于21:04這是由于降雨初期坡面未能生成徑流，降雨使得土壤水分飽和產生徑流之后，坡面才開始產沙。圖3中可以發現，從5月4日到7月18日條溝播草試驗小區、條帶播草試驗小區、全覆蓋試驗小區產沙量發生較大的變化，隨著時間的推移，植被生長迅速，植被覆蓋度越來越高，植物的根系對坡面土壤的流失具有一定的阻攔作用，發揮了較大的截流截沙效益，坡面土壤的產沙量呈現出逐漸減少的趨勢。

5月4日(圖3A)降雨中降雨強度出現兩個峰值，分別為0.93 mm/min和0.6 mm/min，6月2日(圖3B)和7月18日(圖3C)降雨中分別有一個最大值在各種種植模式中，條溝播草的產沙量最少，得益于條溝播草是在雨水沖打的條溝上種植草種，可以發揮較大的保土效益。

圖3　降雨過程中不同植被種植模式下坡面產沙動態變化過程

2.4不同植被種植模式對土壤團粒遷移的影響

通過3場降雨坡面土壤泥沙侵蝕顆粒粒徑組成總量發現，4種種植模式下各個粒級范圍的侵蝕泥沙含量主要集中于<0.25 mm。>3 mm的土壤顆粒為0，而<0.25 mm的土壤顆粒主要為全裸露種植模式，占其總侵蝕量的26.35%，其他三個試驗小區相比較裸露小區侵蝕量較少。各個粒徑泥沙含量集中于<0.25 mm泥沙顆粒量比重為：裸露模式∶全覆蓋種植模式∶條帶種植模式∶條溝種植模式=1.9∶1.07∶1.01∶1。可以看出條溝播草種植模式攔沙效果最佳(圖4)。

圖4　3場降雨坡面土壤侵蝕泥沙總量粒徑分級

3　結 論

(1) 相同降雨條件下，不同植被種植模式的坡面產流和產沙量不同，條溝播草的累積產流量明顯小于其他種植模式的累積產流量。4種植被種植模式產沙量呈線性關系：全裸露試驗小區的回歸方程為：Y=-12.745+14.319X；條溝播草試驗小區的回歸方程為：Y=-3.381+4.696X；條帶播草試驗小區的回歸方程為：Y=-2.503+3.920X；全覆蓋試驗小區的回歸方程為：Y=-4.337+5.813X。

(2)坡面土壤泥沙侵蝕量顆粒的大小主要集中于<0.25 mm，變化規律為裸露模式∶全覆蓋種植模式∶條帶種植模式∶條溝種植模式=1.9∶1.07∶1.01∶1，條溝播草種植模式的比例最小。

(3)不同植被種植模式對土壤坡面侵蝕具有重要的影響。條溝播草作為最佳種植模式，減少了徑流和產沙量，提高了植被的蓄水保土能力。

[1]劉寶元,張科利,焦菊英.土壤可蝕性性及其在侵蝕預報中的應用[J].自然資源學報,1999,14(4):345-350.

[2]傅伯杰,陳利頂,馬克明.黃土丘陵區小流域土地利用變化對生態環境的影響[J].地理學報,1999,54(3):241-246.

[3]史德明.土壤侵蝕對生態環境的影響及防治對策[J].水土保持學報,1991,5(3):1-8.

[4]何圣嘉,謝錦升,楊智杰,等.南方紅壤丘陵區馬尾松林下水土流失現狀、成因及防治[J].中國水土保持科學,2011,9(6):65-70.

[5]謝錦升,楊玉盛,解明曙,等.亞熱帶花崗巖侵蝕紅壤的生態退化與恢復技術[J].水土保持研究,2004,11(3):154-156.

[6]查軒,唐克麗,張科利,等.植被對土壤特性及土壤侵蝕的影響研究[J].水土保持學報,1992,6(2):52-58.

[7]徐大兵,鄧建強,上官力,等.不同覆蓋措施對鄂西土地整治區水土流失的影響[J].水土保持學報,2015,29(4):53-56.

[8]陳小強,范茂攀,王自林,等.不同種植模式對云南省中部坡耕地水土保持的影響[J].水土保持學報,2015,29(4):49-52.

[9]馮秀,查軒,黃少燕.人工模擬降雨條件下花崗巖紅壤坡面侵蝕過程與特征分析[J].中國水土保持科學,2014,12(1):19-23.

[10]耿曉東,鄭粉莉,劉力.降雨強度和坡度雙因子對紫色土坡面侵蝕產沙的影響[J].泥沙研究,2010,12(6):48-53.

[11]余長洪,李就好,陳凱,等.強降雨條件下磚紅壤坡面產流產沙過程研究[J].水土保持學報,2015,29(2):7-10.

[12]黃少燕.紅壤侵蝕退化地不同生態恢復措施對土壤養分影響研究[J].水土保持研究,2009,16(3):38-42.

[13]孫佳佳,于東升,史學正,等.植被葉面積指數與覆蓋度定量表征紅壤區土壤侵蝕關系的對比研究[J].土壤學報,2010,47(6):1060-1066.

[14]劉紀根,張昕川,李力,等.紫色土坡面植被覆蓋度對水土流失影響研究[J].水土保持研究,2015,22(3):16-27.

[15]查軒,黃少燕.植被破壞對黃土高原加速侵蝕及土地退化過程的影響[J].山地學報,2001,19(2):109-114.

Analysis of Influence of Different Vegetation Planting Patterns on Soil Erosion on the Red Soil Slope

KANG Peipei1,2, ZHA Xuan1,2, LIU Jiaming1,2, CHEN Shifa1,2, WANG Geng1,2

(1.StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcologyFundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince,Fuzhou350007,China; 2.InstituteofGeography,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

Through natural rainfall experiment, soil erosion process on the the typical granite red soil slope and influences of different vegetation planting patterns, rainfall and rainfall intensity on red soil slope surface runoff and sediment yield were analyzed, the effect of different planting patterns on the sediment and water storage efficiency and soil erosion were quantitatively examined under natural rainfall, and the test model was developed. The results show that: (1) under the same rainfall condition, different vegetation planting patterns of relationship between the size of the soil erosion is: the naked model>full cover planting patterns>strip planting patterns> ditch planting patterns; (2) when the average rainfall intensity is 0.3 mm/min, the whole cover planting pattern is superior to the furrow sowing grass planting patterns; when the average rainfall intensity is 0.6 mm/min, a trench planting grass planting patterns of water storage capacity is more significant; (3) the particle size of eroded soil is mainly focused on the less than 0.25 mm, it is the main cause of soil erosion and land degradation, particle sizes of sediment under different vegetation planting patterns are dominated by the sizes<0.25 mm, the changing rule of the total amount of sediment particle size is as follows: the naked model>full cover planting patterns>strip planting patterns >ditch planting patterns. The effect of furrow sowing grass planting patterns on sediment reduction is the best, which can provide example for management of soil and water loss in the southern area.

granite red soil; soil and water loss; natural rainfall; vegetation coverage

2015-08-03

2015-09-13

國家科技支撐計劃項目“強度侵蝕區退化生態系統修復關鍵技術的集成與示范”(2014BAD15B02)

康佩佩(1992—),女,陜西榆林人,在讀碩士研究生，主要研究方向:土壤侵蝕和水土保持。E-mail:kpp_666@163.com

查軒(1961—),男,陜西咸陽人,研究員,博士生導師，主要研究方向:水土保持與生態恢復。E-mail:xzha@fjnu.edu.cn

S157.1

A

1005-3409(2016)04-0015-04