典型喀斯特區侵蝕性降雨特征及坡面生物措施水土流失防控效應

楊坪坪 ，李勇，宋濤，覃莉，劉忠仙，李瑞 *

1.貴州師范大學喀斯特研究院，貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心，貴州 貴陽 550001；3.貴州省水土保持監測站，貴州 貴陽 550002

土壤侵蝕已成為世界上嚴重的社會和生態環境問題。在坡面尺度上，降雨特性和措施類型是影響水土流失的重要因素（Peng et al.，2012）。坡面濺蝕、產流與降雨特性關系密切。一般而言，短歷時強降雨會對地表產生較大的打擊力，分散土壤，且產生較多的地表徑流從而引起較強的水土流失（Wei et al.，2007；Wei et al.，2009）。此外，坡面不同的措施類型改變了地表微地貌、地表糙率、地表覆蓋度等，改變入滲、地表徑流流速、徑流剪切力等，從而影響坡面產流產沙（Luetzenburg et al.，2020）。因此，研究降雨特性和措施類型共同對坡面產流產沙的影響有利于指導坡面水土保持工作。

中國西南喀斯特地區是世界上面積最大、喀斯特發育最典型的喀斯特連續分布帶（Peng et al.，2012）。該地區的氣候屬于亞熱帶季風氣候，雨量充沛，研究表明在該區域的降雨具有較大的侵蝕力（Zhou et al.，2019；譚順菊等，2016；杜波等，2017），因此主要侵蝕類型為水力侵蝕，侵蝕面積占我國水土流失總面積的27.93%（馬芊紅等，2018）。受可溶性碳酸巖的影響，喀斯特區形成地下裂隙、管道等通道，因此具有地表和地下“二元”侵蝕的特點（Yan et al.，2018；張信寶等，2010）。目前，該地區為防治坡面水土流失，常用生物措施（Yuan，1997；Tong et al.，2017），包括自然修復、營建水土保持林（水保林）、種植經濟果木林（經果林）等?；趶搅餍^、小流域卡口站點的水沙分析，普遍認為生物措施能夠帶來顯著的保水保土效果，水保林、草地、經果林等生物措施可有效降低水土流失量，其土壤侵蝕模數總體小于100 t·km?2·a?1（陳洪松等，2012；李瑞等，2012；蔣榮等，2013），相較于全省 279.47 t·km?2·a?1的平均土壤侵蝕模數（李瑞等，2019），減少率高達64%，水土保持作用明顯（Feng et al.，2016）。此外，針對不同降雨類型及土地利用方式的水土保持效應，Peng et al.（2012）基于自然坡面徑流泥沙的觀測，將降雨類型劃分為5類，并研究了6種土地利用類型，結果表明大暴雨（降雨量超過40 mm，最大30 min雨強超過 30 mm·h?1）產生了較大的水土流失，且牧草地的產流產沙量最大。目前的研究已證實生物措施是防治水土流失的有效手段，但是研究喀斯特區降雨類型與生物措施共同作用對坡面產流產沙的影響較少，仍需要更多的實測資料研究其規律，以指導實際生產。

鑒于此，本文基于長期野外徑流小區定位觀測試驗，利用貴州省螞蟥田小流域水土保持監測站2014—2018年的徑流小區觀測數據，挑選出產生土壤侵蝕的侵蝕性降雨場次，分析侵蝕性降雨特征并對其進行分類，并探討不同侵蝕性降雨類型下喀斯特坡面不同生物措施的產流產沙量。本文旨在研究降雨類型與生物措施影響下的坡面產流產沙規律，以期為喀斯特地區坡面開展生物措施防治水土流失提供參考。

1 試驗與方法

1.1 研究區概況

關嶺縣螞蝗田小流域綜合觀測站位于貴州省關嶺縣東南部的花江鎮養元村，屬珠江流域北盤江水系螞蝗田小流域。流域總面積為16.26 km2，土地利用類型為耕地、林地及自然恢復的草地，分別占總面積的40.1%，46.2%和13.7%。螞蝗田小流域是典型的水力侵蝕類型區，水土流失以面蝕為主，流域內水土流失面積為10 km2，占流域面積的61.5%。流域內以中、低強度的土壤侵蝕為主，兩者占總侵蝕面積的43.2%，高強度侵蝕面積僅占8.8%（劉超群等，2016）。對水土流失的治理主要以生物措施為主，包括營建水保林、經果林和自然恢復草地。其中水保林占總面積的31.5%，經果林占總面積的14.7%。該小流域屬亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量為1236 mm，多年平均氣溫為19.2 ℃，土壤為黃壤。流域內主要植被有：柳杉（Cryptomeriafortunei）、杉木（Cunninghamialanceolata）、馬尾松（Pinusmassoniana），女貞（Ligustrumlucidum）、滇柏（Cipressusduclouxiana）等。

徑流小區于2008年建立，并設置6種不同的生物措施（詳見表1），其中1、4、5號小區的生物措施為經果林，樹種為皇冠梨（Pyrusbretschneideri），是研究區常種植的經濟樹種，參照當地的經營措施，每年會對經果林林下除草及修枝、摘果等人工干擾；2、3號小區生物措施為水保林，樹種為女貞，為水土保持林常用樹種，水保林自種植之后不再進行任何人工干擾；6號小區不施加任何干擾，為自然恢復草地。自建站開始水土保持監測站就對坡面徑流小區進行觀測，截止至2018年底，種植及恢復期為 10年。每個小區的坡度都設置為 25°，因螞蟥田小流域中坡度＞25°的占33.7%，占比最大，加之25°坡是禁止開墾的臨界坡度。小區的土壤皆為黃壤，各小區坡向一致。6個小區的長度為20 m，但寬度有所區別，其中1、3、5、6號小區寬度都為5 m，而2、4號徑流小區寬度為10 m。

表1 徑流小區基本情況Table 1 Runoff plot information

1.2 監測方法及指標計算

本研究在2014年1月—2018年12月對研究區進行連續觀測。6個小區的主要監測內容為：降雨、徑流、土壤侵蝕量。徑流小區旁布設1個自記雨量計，以采集降雨過程，可獲取降雨量、降雨歷時、最大雨強、平均雨強等。降雨侵蝕力采用式（1）公式組計算（繆馳遠等，2005）：

式中：R為降雨侵蝕力，MJ·mm·hm?2·h?1·a?1；P為降雨量，mm；I30為次降雨過程中連續30 min最大雨強，mm·h?1；E為一次降雨中某時段降雨產生的動能，MJ·hm?2；E0為次降雨中某時段單位面積每 mm 降雨產生的能量，MJ·hm?2·mm?1；Ii為次降雨過程中某時段的降雨量，mm；Ij為次降雨過程中某時段降雨強度，mm·h?1。

徑流深是將徑流量平鋪至整個小區得到深度，計算如式（2）所示：

式中：h為水深，m；S為集流池的底面積，m2；H為徑流深，m；A為坡面徑流小區面積，m2。本研究以徑流深來描述產流量的大小。

泥沙量的觀測方法為使用1 L的取樣瓶采集集流池水樣，每次降雨采集一次，每個小區分別采集3個水樣和泥沙樣品，然后對樣品進行實驗室過濾、烘干、稱重。此外，加上從集流槽采集的泥沙量，從而獲次降雨下該小區的產沙量。一年內單位面積的總產沙量為侵蝕模數，計算如式（3）所示。

式中：M為土壤侵蝕模數，t·km?2·a?1；T為小區年產沙總量，t。

為計算水保林、經果林相較于自然恢復草地的減沙率，計算公式如式（4）所示：

式中：D為相對于自然恢復草地的減沙率；MNG為自然恢復草地的產沙量或侵蝕模數；MSWF/EF為水保林或經果林的產沙量或侵蝕模數。

1.3 數據處理及分析方法

研究區2014—2018年共發生744次降雨，其中侵蝕性降雨次數為120次，占比16.1%。然而，2015年6—7月發生的8次侵蝕性降雨由于儀器故障未能獲取降雨特征參數，因而不對其分類。本文采用SPSS中系統聚類和快速聚類的方法對侵蝕性降雨進行分類，以降雨歷時、平均雨強、降雨量為特征指標，樣本數為112。圖1所示為聚類的譜系圖，表明可將112次降雨分為三類。本研究將通過各指標 25%和 75%分位數（即將各指標從小到大排列，挑選 25%和 75%分位點的數值）作為對應降雨類型的指標取值范圍，以此分析雨型特征（譚順菊等，2016；鄔鈴莉等，2017）。本文利用SPSS中的單因素方差分析方法對差異性進行檢驗，置信水平為95%。

圖1 快速聚類譜系圖Fig.1 Tree diagram of fast clustering

2 結果與分析

2.1 侵蝕性次降雨特征

雨型是次降雨過程中不同降雨強度的組合方式，是影響土壤侵蝕的主要降雨參數之一（鄔鈴莉等，2017）。為了更準確地研究不同措施對侵蝕性降雨的響應，以及探究不同侵蝕性降雨類型的侵蝕能力，根據降雨歷時、雨量和平均雨強對研究區112次侵蝕性降雨進行聚類分析，結果如表2所示，可分為3類，分別對其命名為A、B、C 3種雨型。本研究采用3個聚類指標的25%和75%分位數來描述各雨型所具有的特征，A雨型所具有的降雨特征為長歷時（1066—1357 min）、中雨量（21.30—34.75 mm）、小雨強（1.12—2.33 mm·h?1）；B 雨型所具有的降雨特征為中歷時（514—691 min）、大雨量（19.9—56.2 mm）、中雨強（2.50—10.37 mm·h?1）；C 雨型所具有的降雨特征為短歷時（129—300 min）、小雨量（13.5—28.1 mm）、大雨強（4.6—16.4 mm·h?1）。其中A、B、C各有18，37，57場，分別占到16%、33%、51%，從所占比例表明該地區侵蝕性次降雨以C雨型為主，即短歷時、小雨量、大雨強。就降雨侵蝕力的指標而言，B雨型的侵蝕力最強（63.2—353.33 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1），C 雨型次之（37.9—202.9 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1），A 雨型最小（18.58—80.14 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1）。

表2 不同侵蝕性降雨類型特征指標統計Table 2 Statistics of characteristic index of different erosive rainfall patterns

將 2014—2018年每月發生的侵蝕性降雨量和各類型侵蝕性降雨發生次數的占比平均得到圖2所示的研究區月降雨特征，由圖可見，侵蝕性降雨集中發生在 5—10月，占全年總侵蝕性降雨量的93.3%，主要發生的侵蝕性降雨類型為B雨型和C雨型，占5—10月侵蝕性降雨量的44.1%和40.1%，在5—10月發生B和C雨型次數的占比為28.6%和47.3%。而其他月份產生的侵蝕性降雨較少，3種雨型均有產生。

圖2 月平均降雨特征Fig.2 Monthly average rainfall characteristics

2.2 不同生物措施在不同雨型下的產流產沙分析

將不同生物措施在不同侵蝕性降雨類型下的產流量和產沙量平均，產流量用徑流深表示，結果如圖3所示?？傮w而言，與上述不同雨型的降雨侵蝕力大小結果相符，產流產沙量的大小順序依次為：B雨型＞C雨型＞A雨型。晏清洪等（2014）和鄔鈴莉等（2017）研究了北方地區不同降雨類型對水土流失的影響，結果表明產流產沙量與降雨量呈正相關關系。在本研究中，B雨型雨量最大，其產流產沙量最大。然而，A雨型雖然雨量中等，其產流產沙卻是最小的，小于雨量最少的C雨型。原因是A雨型雖然雨量中等，但是雨強最小，且歷時最長，導致降雨更容易入滲從而產生較少的徑流。此外，A雨型雨滴對土壤的擊濺能力較?。ū?所示A雨型降雨侵蝕力小于C雨型），產生可搬運的土壤顆粒較小，最終表現出 A雨型的產流產沙量最小。而晏清洪等（2014）和鄔鈴莉等（2017）研究的降雨特點多為較強的降雨伴隨較大的降雨量，能產生足夠的土壤顆粒以及搬運土壤顆粒的徑流。

圖3 不同雨型下不同生物措施的平均侵蝕量和徑流深Fig.3 Mean erosion and runoff depth for different biological measurements affected by rainfall pattern

從圖3中也能分析得到同一生物措施在不同雨型下的產流產沙量。在3種雨型下，自然恢復草地的產流產沙量均是最大的，保水保土效果最差。在3種生物措施中，水保林和經果林的冠層能夠有效截留降雨，減少動能，且葉面積較大，截留量較多，能有效保護地表從而避免濺蝕，因此水保林和經果林的保水保土效果較好。在實際中，自然恢復的草地分布不均，降雨對草被稀疏的部位直接擊濺，從而產生較大的侵蝕，因此需對自然恢復的草地優化調整以更好地發揮水土保持效益。相較于自然恢復的草地，水保林分別在A、B、C 3種雨型下能夠減少93.4%、81.0%、89.0%的產沙量和減少78.2%、70.9%、75.3%的產流量；經果林在A、B、C 3種雨型下能夠減少88.8%、73.0%、78.4%的產沙量和減少65.6%、63.8%、69.7%的產流量。該結果表明，相較于自然恢復的草地，水保林和經果林在不同雨型下削減產沙的能力為：A雨型＞C雨型＞B雨型。

2.3 不同生物措施下產流產沙的時間特征

2.3.1 不同生物措施月產流產沙特征

為得到不同生物措施的月平均產流產沙特征，將 2014—2018年對應月份不同生物措施的產流產沙量平均，得到圖4所示的結果。結果表明侵蝕性降雨集中發生在5—10月的豐水季，占全年總產流量的93.2%，產沙量也集中發生在豐水季，占全年總產沙量的92.6%。而對于11月至次年4月份的枯水季，產流產沙量相當小，占全年總產流量的6.8%和總產沙量的7.4%。在豐水季中5—8月的產流產沙量較大，占全年總總產流量的72.8%和產沙量的75.0%，這4個月是一年之中水土流失量最大的季節，因此應重點防范。在各月份中，不同生物措施下的產流產沙量皆表現出：自然修復草地＞經果林＞水保林。在豐水季，產流產沙量主要來源于自然修復草地，其產流量為18.99 mm、產沙量為9.94 g·m?2，分別占豐水季總產流量的 62.5%和總產沙量的71.9%。而在枯水季，自然修復草地的產流量為1.15 mm、產沙量為0.79 g·m?2，分別占枯水季總產流量的52.1%和總產沙量的63.2%。結果表明隨著降雨量的增加，自然恢復草地的保水保土效果變差。相較于自然恢復草地，水保林和經果林在豐水季能夠削減產流量 85.2%和 75.3%（計算如式4），在枯水季削減產流量66.7%和41.4%；在豐水季能夠削減產沙量85.2%和75.3%，在枯水季削減產沙量87.0%和54.7%，因此隨著雨量越多，水保林和經果林的保水保土效果越好，其中水保林的效果最佳。

圖4 2014—2018年不同生物措施月均產流產沙量Fig.4 Monthly average sediment yield and runoff for different biological measurements from 2014 to 2018

圖4中5月和7月的降雨量差異不顯著，但是5月不同生物措施下的產流產沙量卻顯著高于7月（P＜0.05）。結合圖2中各侵蝕性降雨類型發生占比結果，5月 A、B、C雨型分別占 5.9%，17.6%和76.5%，侵蝕性較強的B、C雨型共占了94.1%；7月A、B、C雨型分別占22.3%，33.3%，44.4%，侵蝕性較強的B、C雨型僅占了77.7%，5月侵蝕性較強的B、C雨型高于7月，導致5月的產流產沙量較高，該結果表明當降雨量相近時，坡面產流產沙量取決于降雨類型，若發生侵蝕性較強的B和C雨型雨量較多，則產流產沙量較大。

2.3.2 不同生物措施年產流產沙特征

圖5所示為研究區2014—2018年的總產流產沙量，同時也繪制了年總侵蝕性降雨量及其雨型組成。由圖可見，2014—2018年間侵蝕性降雨量總量增加，且以B和C雨型為主，兩種雨型總計雨量在每年均達到了70%以上，其中2014年達到了95%。不同年份間的產流產沙規律表現出與侵蝕性降雨量呈正相關。對于侵蝕性降雨量相近的2014—2015年（分別為 556.4、546.9 mm），兩年間產流產沙量差異較為顯著（P＜0.05），其原因是雖然侵蝕性降雨量相同，但2014年B和C雨型合計雨量為530 mm，該值大于2015年的468.6 mm，導致2014年的產流產沙大于2015年，再次證明當侵蝕性降雨量相近時，坡面產流產沙取決于侵蝕性較強的 B和 C雨型占比。

圖5 不同生物措施的年總侵蝕量及徑流深Fig.5 Total erosion and runoff depth for different biological measurements in a year

對于不同措施下的產流產沙量，自然恢復草地每年的產流產沙量皆是最大，其保水保土效益最差。表3所示為2014—2018年3種措施下土壤侵蝕模數，同時通過式（4）計算出水保林和經果林相對于自然恢復的草地的減沙率。自然恢復草地的侵蝕模數在 5.59—8.80 t·km?2·a?1，而水保林和經果林的侵蝕模數變化范圍為 0.35—1.90 t·km?2·a?1和0.36—2.73 t·km?2·a?1，水保林和經果林具有較佳的保水保土效益。在產沙量較大的 2014—2016年，相較于自然恢復的草地，水保林的減沙效果能達到75%以上。

表3 不同生物措施侵蝕模數及林地相對自然恢復草地的減沙效果Table 3 Erosion modulus for different biological measurements and reduction rate for forest compared with natural grassland

3 討論

在以往的研究中以單個指標對雨型進行劃分不能很好的反映降雨特性（秦偉等，2015），往往忽略了雨量與雨強存在的不一致性（溫磊磊等，2012；鄭粉莉等，2016）。在本次研究中通過對降雨歷時、降雨量及平均雨強作為劃分依據，將研究區發生的侵蝕性降雨劃分為A、B、C 3種雨型，更加符合實際情況，劃分的結果與譚順菊等（2016）在貴州喀斯特區羊雞沖小流域的結果類同，但是與北方地區具有差異（鄔鈴莉等，2017；晏清洪等，2014），主要體現在本研究區具有綿綿小雨的A雨型，其歷時較長（1066—1357 min），雨強較小，雨量中等，而北方地區往往長歷時伴隨著最大的雨量，中等雨強，對土壤具有較大的侵蝕力。在本研究區域，A雨型因其降雨侵蝕力最小，對土壤的打擊有限，使得對土壤的分離能力較小，因而雖然其具有中等的雨量，但是其產流產沙能力是3種雨型中最小的（降雨侵蝕力多年平均為 85.28 MJ·mm·hm?2·h?1·a?1）。B 雨型具有最大的降雨侵蝕力，但從實際的產流產沙來看，B、C雨型對坡面的侵蝕能力相當，且B、C雨型的發生頻率非常高，兩者在每年的發生頻率均達到了70%以上，應當對這兩種降雨進行重點防范。

在本研究中自然恢復草地、水保林和經果林2014—2018年平均侵蝕模數分別為7.25，1.09，1.59 t·km?2·a?1，相較于貴州喀斯特區多年平均土壤模數為 279.47 t·km?2·a?1（李瑞等，2019），3 種措施均發揮了不同程度的水土保持效益，土壤侵蝕分別減少了97.40%，99.61%和99.43%。本研究中3種生物措施的土壤侵蝕模數遠小于貴州喀斯特區多年平均土壤模數的原因有兩方面，一者是植被的攔蓄效果，另一方面是喀斯特區坡面尺度的土壤流失量小于小流域尺度的土壤流失。表 4所示為喀斯特區坡面和流域尺度得到的土壤侵蝕模數，在坡面尺度得到的土壤侵蝕模數為 0—86.17 t·km?2·a?1，而流域尺度得到的土壤侵蝕模數為64.3—476.66 t·km?2·a?1，結果表明流域尺度的土壤侵蝕模數顯著大于坡面尺度（P＜0.05）。主要原因是在喀斯特地區由于可溶性碳酸巖的影響，地下會形成裂隙、溶洞等通道（Dai et al.，2017a），從而土壤和徑流會沿地下裂隙運動，通過地下匯入河網（Dai et al.，2017b），而坡面尺度的徑流小區僅能觀測地表的水土流失，因此導致流域尺度觀測到的土壤侵蝕高于坡面尺度。

表4 喀斯特區坡面和流域尺度的土壤侵蝕模數Table 4 Soil erosion modulus on slope and watershed scale in karst region

在本研究中的3種生物措施均能較好的發揮保水保土功能，但是對于不同生物措施的產流產沙量，本研究中的大小順序為：自然修復草地＞水保林＞經果林。該研究結果與劉鳳仙（2007），張文源（2015），柏勇等（2018）在喀斯特地區的研究結果一致。相較于林地，自然修復草地缺少林冠層的截留以及裸地的零星分布，致使雨滴擊濺地表，產流產沙量較大。就本研究而言，水保林的產流產沙量小于經果林，但是差異并不顯著（P＜0.05）。水保林的林下具有草被，而經果林會定期除草，林下的草被能截留部分降雨及保護地表；另外，經果林的人為干預也會造成一定量的水土流失，致使水保林的保水保土效果優于經果林。根據本研究結果，后續應當著重關注自然恢復的草地，優化草被格局，從而更好地提升其水土保持效果。對于宜發展經果林的坡面應當考慮種植經果林，雖然其水土保持效益稍小于水保林，但是經果林具有較大的經濟效益，能夠緩解當地的人地矛盾問題。

4 結論

（1）研究區侵蝕性降雨雨型主要分為3大類：A雨型為長歷時、中雨量、小雨強；B雨型為中歷時、大雨量、中雨強；C雨型為短歷時、小雨量、大雨強。B和C雨型是引起研究區水土流失的主要雨型。

（2）3種不同生物措施在不同侵蝕性降雨類型的產流產沙量大小順序為：B雨型＞C雨型＞A雨型。

（3）降雨高峰區在5—10月，占全年總侵蝕降雨量的93.3%，以B、C雨型為主。同時5—10月也是產流產沙的高峰區，占全年總產流量的93.2%，占全年總產沙量的92.6%。

（4）當降雨量相同時，坡面產流產沙量取決于降雨類型，若發生較多場次的B和C侵蝕性降雨雨型，則產流產沙量較大。

（5）3種坡面生物措施中的產流產沙量大小順序為：自然恢復草地＞水保林＞經果林，水保林和經果林的侵蝕產流量差異不顯著。相較于自然恢復草地，水保林和經果林能夠減少產沙量達50%以上。在不同雨型下兩種林地削減產沙的效果也不同，其減沙能力大小為：A雨型＞C雨型＞B雨型。