茶园集中开发区水土流失特征研究<br/>——以槐植卡口站为例

茶园集中开发区水土流失特征研究
——以槐植卡口站为例

2016-08-15王义祥杨冬雪林金沟李翠萍陈锦辉

中国水土保持 2016年8期

关键词：砂粒卡口泥沙

王义祥，杨冬雪，张　燕，林金沟，李翠萍，陈锦辉

(1.福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州 350013； 2.福建省环境监测中心站，福建福州 350003；3.安溪县环境监测站，福建泉州 362000)

茶园集中开发区水土流失特征研究
——以槐植卡口站为例

王义祥1，杨冬雪2，张燕2，林金沟3，李翠萍2，陈锦辉2

(1.福建省农业科学院农业生态研究所，福建福州 350013； 2.福建省环境监测中心站，福建福州 350003；3.安溪县环境监测站，福建泉州 362000)

茶园集水区；水土流失；卡口站；径流；泥沙；福建

以福建安溪县感德镇茶园集水区为单元，在双岐支毛沟出口处设立卡口站，定量研究了茶园水土流失特征。结果表明，茶园集水区年径流总量约为15 567.60 m3/km2，年产沙量约为58.62 t/km2，降雨量、降雨强度和雨型对泥沙和径流的产生具有重要影响，典型性大降雨对径流和泥沙的产生起着决定性作用。对泥沙机械组成的分析结果表明，泥沙颗粒以砂粒(2～0.05 mm)为主，石砾(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均较低。

福建是我国茶叶生产的主要省份，全省共有茶园17.33万hm2，占全国茶园总面积的10.5%，居全国第二位。近年来，福建开垦坡地种茶力度不断加大，一些地区农民水土保持意识薄弱，高坡度开垦，有些甚至一开到顶，“四面光”的现象屡见不鲜，全省茶园特别是新开垦茶园水土流失比较严重。据遥感调查显示[1]，2006年底，福建省有6.35万hm2的茶园存在水土流失，占全省茶园面积的近50%。这样不仅破坏生态环境，而且直接影响和制约茶产业的可持续发展。茶园水土流失问题已引起社会的广泛关注，许多学者也对山地茶园水土流失特征、成因和防治措施进行了大量研究[1-3]，如陈小英等[3]利用坡面径流小区方法对不同耕作方式下茶园土壤侵蚀量的监测结果表明，裸露坡地茶园的年土壤侵蚀量为40 147.9 t/km2，清耕梯田茶园为2 213.5 t/km2，梯壁种百喜草的梯田茶园为951.3 t/km2，梯壁种香根草的梯田茶园为672.9 t/km2。

集水区是红壤丘陵景观中相对独立且整体性强的最基本的地理生态单元，以集水区为单元研究土地利用变化与水土流失关系是较为有效的方法，因为在该尺度上的研究既保持了天然状况下的径流流动，又能避免径流小区观测放大侵蚀量的不足，通过测定集水区出口处的径流和泥沙，能有效评价流域土地利用类型、水土保持措施变化对水土流失的影响，这是坡面径流小区方法无法与之匹敌的[4]。但目前还少见利用集水区方法研究山地茶园水土流失特征的报道。故此，本研究以福建省安溪县感德镇代表性茶园集中开发区为对象，以集水区为单元，定量研究感德茶园集中开发区水土流失特征，旨在为红壤丘陵区茶园水土流失预测和综合防治提供科学参考。

1　研究区概况与研究方法

1.1研究区概况

研究区位于福建省安溪县感德镇，该镇有茶园面积3 567 hm2，茶叶收入是当地的主要经济来源，有“中国茶叶第一镇”之称。本研究所选感德镇槐植村，位于北纬25°18′、东经117°51′，属于亚热带季风性气候，年平均气温18.5 ℃，年均降水量1 600 mm，降水的季节分配不均匀，每年的3—6月份为梅雨季节，7—9月份受台风影响大暴雨增多。平均日照时数1 907.6 h，无霜期350～365 d，气候温和湿润，春夏之间经常云雾缭绕。境内多山,大多数地区海拔500 m左右，十分适合茶树生长。

1.2卡口站概况

卡口站位于感德镇槐植村双岐支毛沟出口处，由安溪县水利水电工程勘察设计有限公司设计，福建省环境监测中心站、福建省农科院生态研究所、感德镇镇政府共同建设，于2014年4月正式启用。卡口站安装了一台雨量计、一台水位计和一套水质自动监测系统，可以自动监测水质中pH值、电导率、浊度、氨氮、总磷和总氮等指标。卡口站集水面积0.79 km2，集水区内茶园面积占土地总面积的95%以上，无人居住。由于历史原因，集水区内茶园坡度多在15°～35°，最大可达60°。

1.3降雨量和水位监测

降雨量和水位分别利用自记雨量计(型号JDZ05-1)和水位计(型号WFH-2A)监测，监测频次均为5 min一次。

1.4径流量监测

径流量采用矩形薄壁堰监测，堰宽4 m、高1.5 m。薄壁堰流量计算公式为

(1)

式中：Q为流量，m3/s；CD为流量系数；g为重力加速度，m/s2；be为薄壁堰宽度，m；he为薄壁堰水头高，m。

1.5泥沙量监测

根据卡口站实际泥沙的累积情况，分别于2014年6月19日、10月17日和2015年3月4日进行三次清沙处理。泥沙量的测定采用体积法。

1.6颗粒组成分析

每次清理泥沙之前，将柱形PVC管垂直打入泥沙底部，根据泥沙堆积的厚度和长度，确定PVC管的数量。将装有泥沙的PVC管整个带回实验室，晾干、混匀。其中，粒径>0.25 mm的土粒采用筛分法[5]，粒径<0.25 mm的土粒采用粒度仪分析，设备为丹东百特仪器有限公司生产的BT-9300ST激光粒度分布仪。

2　结果与分析

2.1径流量

2.1.1径流量和降雨量的关系

利用2014年4月至2015年3月卡口站的降雨量和径流量的实际监测数据，以月降雨量为横坐标、月径流量为纵坐标做散点图，见图1。由图1可以看出，径流量和降雨量呈现正相关，降雨量越大，产生的径流越多，尤其是暴雨较多的6—9月份。潘杰[6]对中田河小流域的径流和降雨关系进行分析，也得出了二者呈正相关的结论。根据多元统计回归分析，得到月径流量和月降雨量的回归方程为

(2)

式中：X为月降雨量，mm；Y为月径流量，m3。

图1　槐植卡口站月径流量和月降雨量关系

2.1.2流量和降雨强度的关系

降雨强度对径流的形成具有重要影响，在实际降雨过程中，降雨强度总是不断发生变化。用来描述降雨强度的变量有平均降雨强度和时段降雨强度，本研究按照国家气象局颁布的降水强度等级划分标准(内陆部分)[7]将本研究区降雨划分为小雨、中雨、大雨、暴雨，并采用平均降雨强度代表当天降雨强度来分析集水区出口处流量与降雨强度的关系。

通过分析槐植卡口站2014年4月到2015年3月降雨强度和集水区出口处流量发现，降雨强度对径流的产生具有重要影响。从本研究区域2014年全年的降雨情况看，8月份降雨量占全年降雨总量的17.5%，其中最小雨强为1.2 mm/d，最大雨强为54 mm/d，小雨、中雨、大雨和暴雨天数分别占当月天数的25.8%、9.7%、12.9%和3.2%，是全年降雨分布较为集中的月份之一。故此，本研究以2014年8月份为例，分析了槐植卡口站集水区出口处流量和降雨强度的关系。

图2是2014年8月份集水区出口处流量随降雨强度的变化情况。可以看出，集水区出口处流量随着降雨强度的变化而变化，二者基本呈正相关。8月8日降雨强度达到37 mm/d，为大雨，流量只有0.1 m3/s，8月9日降雨强度为19 mm/d，为中雨，流量为0.45 m3/s，这是因为从7月28日到8月7日连续11 d没有降雨，土壤含水量低，大部分雨水渗入土壤，较少形成径流；此后连续降雨，以中到大雨为主，流量不断增大，到8月12日，降雨强度达到暴雨级别，为54 mm/d，流量也达到最大，为13.82 m3/s；此后流量基本随着降雨强度而上下波动，但8月20日和21日无雨，流量也分别达到了9.54和3.81 m3/s，这可能是因为前期连续的大暴雨使茶园土壤水分趋于饱和，支毛沟中上游水量增多，导致泄水期延长。严风硕等[8]对不同土地利用方式下紫色土水土流失特征进行了研究，得出三峡库区大部分水土流失可能是由几次典型降雨所决定的结论，本研究结论与其具有一致性。

图2　集水区出口处流量随降雨强度的变化情况

2.2产沙量

茶园土壤在降水、径流的作用下遭受侵蚀，随径流流入河道。2014年4月到2015年3月共对槐植卡口站进行了三次泥沙清理：第一次泥沙积累时间从2014年4月1日开始，清理泥沙时间为6月19日，产沙量为35.95 t/km2；第二次泥沙积累时间从6月20日开始，清理泥沙时间为10月17日，产沙量为22.15 t/km2；第三次泥沙积累时间从10月18日开始，清理泥沙时间为2015年2月28日，产沙量为0.52 t/km2。三次泥沙积累期间降雨情况见表1。第一次泥沙积累时间为80 d，第二次为90 d，第一次降雨量比第二次少了73 mm，径流量比第二次少了1 366.7 m3/km2，但产沙量比第二次多了13.80 t/km2，这是因为4月1日—6月19日正值福建梅雨期，持续不断的降水使土壤中水分饱和，土壤结构松散，土壤颗粒之间的摩擦力减小，再加上间断性较强降雨，使土壤侵蚀极易发生；第三次泥沙积累时间为155 d，其降雨量和径流量分别比第一次低73.2%和99.3%，产沙量也少了98.6%。这表明，当降雨量相差较大时，降雨量对泥沙量的多少起着决定性作用，当降雨量相当时，雨型对泥沙量具有重要影响，在连续的小型降雨夹杂大到暴雨的情况下，土壤侵蚀更容易发生。

表1　2014年4月到2015年3月期间降雨和径流情况统计

2.3颗粒组成分析

图3是6月19日和10月17日卡口站清理的泥沙颗粒组成情况。由图3可以看出，泥沙中不同粒级颗粒所占质量百分比的大小顺序为粗砂粒(1～0.5 mm)>中砂粒(0.5～0.25 mm)>极粗砂粒(2～1 mm)>石砾(>2 mm)>极细砂粒(0.1～0.05 mm)>细砂粒(0.25～0.1 mm)>粗粉粒(0.05～0.02 mm)>细粉粒(0.02～0.002 mm)>黏粒(<0.002 mm)。支毛沟流失泥沙中以砂粒含量(2～0.05 mm)最高，在两次清理的泥沙中砂粒含量分别达到93.38%、88.08%，其中又以粗砂粒(1～0.5 mm)和中砂粒(0.5～0.25 mm)为主，其次是极粗砂粒(2～1 mm)，石砾(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均较低。这是因为试验区茶园被长期垦殖，土壤养分含量较低，团聚性较差，加之陡坡开垦，在雨水的冲刷下，极易造成水土流失，且侵蚀泥沙随径流流入河道后在流动的过程中不断被分选和沉积，造成石砾含量和黏粒含量较少，砂粒含量较多，这与黄丽等[9]对侵蚀紫色土土壤颗粒流失规律的研究结果相一致。

图3　支毛沟泥沙颗粒组成

3　结论与讨论

小集水区测流技术是进行生态-水文试验和生物地球化学研究的一种实用方法，该方法能较准确地测定集水区生态系统的水分输入和输出，由此可获得整个集水区水土流失的主要参数。本研究对槐植卡口站一年的监测结果表明，茶园集水区年径流总量约为15 563.8 m3/km2。江淼华等[10]运用径流小区法得出闽北杉木林、锥栗林、柑橘园和裸露地年均水土流失量分别为20 000、28 000、37 000和43 7000 m3/km2。本研究区域茶园年均水土流失量均小于闽北杉木林、锥栗林、柑橘园和裸地的年均水土流失量，但由于两个研究区的尺度、土地利用方式和区域气候特点等存在一定差异，导致数据的可比性较差。另外，通过集水区测流堰和水位计自记水位，然后换算成集水区径流量，其精度与换算公式的精度有关，今后还要通过实测试验进行对比，以进一步提高测流的精度。

刘海等[11]对元谋干热河谷不同土地利用类型集水区的研究表明，2010年雨季林地、农地集水区的产沙量分别为218.04、354.08 t/km2，林地因较高的植被覆盖度而具有较好的调节径流、保水与抗侵蚀作用，表现为林地集水区产沙量低于农地。茶园作为南方红壤丘陵区重要的土地利用方式之一，区别于林地和农地。本研究结果表明，茶园集水区的产沙量与降雨关系密切，尤其是连续性降雨的影响较为明显；茶园集水区年产沙量约为58.62 t/km2，远低于陈小英[3]等对安溪茶园土壤流失量的监测结果(2 213. 5 t/km2)。尽管立地条件有所差异，但也反映了径流小区方法放大了土壤侵蚀的结果。茶园开发区沉积泥沙粒径组成分析表明，泥沙颗粒以砂粒(2～0.05 mm)为主，石砾(>2 mm)、粉粒(0.05～0.002 mm)和黏粒(<0.002 mm)含量均较低。而张翔等[12]对东柳河小流域的泥沙粒径分析结果表明，丘陵区的沉积泥沙主要由粗砂构成，而农田区以细砂为主，表明侵蚀泥沙颗粒的分布和搬运与土壤类型密切相关。

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