植物篱对南方红壤低山丘陵坡面年径流深和土壤流失量的影响

陈海生，梅道亮

(1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.浙江省安吉县水利局，浙江 湖州 313300 )

退化红壤地的水土流失是我国南方红壤区典型的自然灾害,我国南方红壤丘陵区降雨量大，且分布不均，多以暴雨形式出现，单位时间内强大的降雨构成巨大的侵蚀动力，加上土壤的可蚀性较高的内在因子和剧烈的人类活动使得南方红壤区成为我国水土流失最广、程度最高的地区之一[1].我国南方红壤山地丘陵的年侵蚀量达3 000～10 000 t/km2,净侵蚀厚度达0.3～0.5 cm左右.最高时达1 cm.浙江省红壤山地丘陵面积约占全省土地面积的40%以上.目前水土流失面积已达全省土地面积的26.1%.而在坡面上利用植物措施来进行水土保持不但具有明显的挡水、挡土、防治水土流失的效果，而且具有改良土壤、抑制病虫害和杂草生长的作用.Paningbatan[2]研究表明在坡面上种植豆科灌木植物能够大幅度降低土壤侵蚀量.宇淑慧等[3]发现在坡耕地上种植草带可显著降低径流量和侵蚀量.谢庭生等[4]的研究表明香根草、芦竹栽植可迅速恢复紫色土侵蚀沟植被.本研究拟选择浙江省安吉县山湖塘综合观测场作为典型研究区，在分析野外径流小区降雨产流过程数据的基础上，研究不同植物篱措施对坡面径流深、土壤流失量的影响，以期为南方丘陵区红壤坡地的植物篱措施优化配置提供依据.

1 研究区概况

1.1 自然概况

安吉在东经119°14′～119°53′和北纬30°23′～30°53′之间，为浙江省湖州市下辖县，位于长三角腹地.天目山脉自西南入境，分东西两支环抱县境两侧，呈三面环山，中间凹陷，东北开口的“畚箕形”的辐聚状盆地地形，地势西南高、东北低.属亚热带海洋性季风气候.安吉县属亚热带海洋性季风气候，总特征是：光照充足、气候温和、雨量充沛、四季分明，适宜于各种植物的生长.全县常年年降雨量2 593.6 mm，常年日照时数1 792.5 h，常年平均气温160 ℃，年极端最高温度39.9 ℃，极端最低气温为-11.7 ℃.

安吉县山湖塘综合观测场属于太湖流域，地理位置为东经119°34′00″，北纬30°37′00″.观测场是建立在安吉水土保持科技示范园区内，位于递铺镇净土社区，距中心城区8 km.

观测场所在的水保园区地貌类型属低山丘陵，土壤以红壤为主，土层浅薄，较易风化，从而导致水土流失严重.该区域总土地面积57.88 hm2，土地利用状况为：有林地、疏林地和荒坡35.88 hm2，坡耕地20 hm2，水面2 hm2.原有水土流失面积31 hm2，占总土地面积的53.6%.

1.2 径流小区布设与监测内容

安吉县山湖塘综合观测场，共设标准径流小区9个，尺寸均为20 m×5 m(长×宽)，面积100 m2，坡度20°.每个径流小区下均设3级集流池，每个集流池尺寸为1 m×1 m×0.9 m(长×宽×高)，每级之间设置5个分流孔，4个分流孔分流到池外，1个分流孔分流道下一级，集流池均没有遮盖.

观测场各径流小区中，1号小区为梯地种植农作物，2号小区为顺坡种植农作物，3号小区为裸地，4小区为顺坡种植白茶.5号小区为梯田种植白茶.6号小区为落叶经济林全面抚育.7号小区为落叶经济林保留地被，8号小区为竹子全面抚育，9号小区为竹子保留地被.

用自记雨量计来记录2016年的雨量和降雨过程，记录每次降雨的起止时间和各阶段的雨强.小区地表径流通过集水槽和导水管流入径流收集池中，径流收集池容量按100年一遇暴雨设计.采用定位观测的方法，在降雨后测量径流深和泥沙量.径流深在量水池中用体积法求得,观测径流的同时，将量水池中的水搅拌均匀后取样，经过滤-烘干-称重，求算土壤流失量.

监测方法是在径流小区产流停止后，将集水槽中沉积的泥沙扫入径流池中，再用搅拌器将水池中所盛混合物搅匀后，用采样器在池中水位1/2处分别采集3瓶水沙样，每瓶所取水沙样约800～1 000 mL,用烘干法对所取水沙样含泥沙量进行测定，分别取平均值获得该次降雨各个径流池所采水沙样的含泥沙量，从而对比各个径流小区的土壤流失量[5].

植被盖度的测定采用样方法进行调查[6]，分别记录9个径流小区内的植被盖度和植株的平均高度.

径流深R指计算时段内的径流总量平铺在水文测站以上流域面积上所得的水层厚度，它的常用单位为毫米(mm).若时段为Δt(s)，平均流量为Q(m3/s)，流域面积为A(km2)，则径流深R(mm)由下式计算：R=QΔt/(1 000 A).

年径流系数的测定方法见参考文献[7].

2 结果与分析

2.1 不同植物篱的植被盖度和株高

南方红壤坡地中，寸草不生的纯粹裸地是比较少见的.但灌草生长数量极少的裸地，在坡面上还是常见的.在本实验条件下这些裸地的植被盖度一般都在5%左右(见表1).其他有植被覆盖的8个径流小区中，以竹子保留地被的植被盖度最大，为95%，其次是竹子全面抚育，其植被盖度为90%，这二个径流小区的的植株高度都为2.5 m.顺坡种植白茶和梯田种植白茶的植被盖度只有25%，为最低.它们的株高也只有0.2 m.其余各径流小区的植被盖度从高到低依次是落叶经济林保留地被、顺坡种植农作物和梯田种植农作物，其相应的植株高度也分别为1.8 m、0.5 m、 0.5 m.

表1 南方红壤区不同植物篱坡面的径流深和土壤流失量

2.2 植物篱措施对丘陵坡地径流深的影响

径流深是指在某一时段内通过河流上指定断面的径流总量除以该断面以上的流域面积所得的值.它是某一时段内从流域某断面流出的水量,折算成该断面上游的汇水面积内的平均水深.从表1可以看出，2016年研究区全年降水量为1 716 mm，降雨侵蚀力为7 085.72 MJ·mm/ha·h.在这样的条件下，各径流小区中，裸地的地表年径流深是所有小区中最大的，为1 411.5 mm.而在不同植被之中，则是落叶经济林全面抚育小区最大，地表年径流深为509.7 mm，地表年径流深最小的是竹子保留地被小区，只有17.2 mm，落叶经济林全面抚育小区的年径流深是竹子保留地被小区的29.63倍.其他各处理年径流深从高到低依次为顺坡种植农作物(81.2 mm)、梯田种植白茶(56.2 mm)、顺坡种植白茶(55.9 mm)、竹子全面抚育(43.2 mm)、落叶经济林保留地被(35.3 mm)、梯田种植农作物(28.9 mm).

2.3 植物篱措施对丘陵坡地地表年径流系数的影响

地表径流系数表示降水中有多少水变成了地表径流，它综合反映了一个地区内地质土壤和植被等地表状况对径流的影响[8].径流系数是一个综合反映降雨特征、前期土壤含水量和地表特征的变量规律的研究，是反映产流状况的重要指标[9-12].年径流系数表示从年降水到年径流的转化率，是一定汇水面积雨水量与降水量的比值，是任意时段内的径流深度与同时段内的降水深度的比值.该值说明了在降水量中有多少水变成了径流.它综合反映了流域内自然地理要素对径流的影响.安吉县山湖塘综合观测场各径流小区地质状况相同，可以很明显地观察植物在降低地表径流中的作用.如表1所示，裸地的地表年径流系数是所有小区中最大的，为82.26%.而在不同植被之中，则是落叶经济林全面抚育小区最大，地表年径流系数为29.70%，地表年径流系数最小的是竹子保留地被小区，只有1.00%,落叶经济林全面抚育小区的年径流系数是竹子保留地被小区的29.70倍.其他各处理地表年径流系数从高到低依次为顺坡种植农作物(4.73%)、梯田种植白茶(3.28%)、顺坡种植白茶(3.26%)、竹子全面抚育(2.52%)、落叶经济林保留地被(2.06%)、梯田种植农作物(1.68%).

2.4 植物篱措施对丘陵坡地土壤流失量的影响

在降雨过程中，雨滴击溅坡面产沙而造成表层土壤侵蚀.而植被能抑制坡面径流的形成.竹子等林冠及地表草本植物对雨水能产生截留作用，降低雨滴和水流造成的溅蚀和面蚀.植物的须根可以产生有机质作为土壤胶结剂，同时配合须根的穿插挤压和缠绕，可以提高土壤的抗侵蚀能力.所以灌木林、乔木林特别是与地被植物结合的径流小区比其他处理，特别是与对照裸地相比，其土壤流失量要少得多，产生了明显的保土抗蚀效果[13].

本研究通过对径流小区坡面水土流失状况的观测，在地貌、土壤、坡度等自然条件及降雨条件基本一致的9个陡坡面径流小区，裸地和有植被覆盖的径流小区土壤年流失量相差很大.裸地的土壤年流失量为22.00 t/hm2,比竹子保留地被小区的0.05 t/hm2要高440倍.而在各植被覆盖的径流小区中，以落叶经济林全面抚育小区土壤年流失量最大，为11.61 t/hm2,也就是说，各植物处理措施中，落叶经济林全面抚育控制土壤流失的效果最差.而竹子保留地被控制土壤流失的效果最好.其他各处理土壤年流失量从高到低依次为顺坡种植白茶(1.95 t/hm2)、竹子全面抚育(1.29 t/hm2)、顺坡种植农作物(1.11 t/hm2)、梯田种植白茶(1.07 t/hm2)、梯田种植农作物(0.44 t/hm2)、落叶经济林保留地被(0.21 t/hm2).因此，梯田种植农作物和落叶经济林保留地被这二种植物处理措施控制水土流失的效果也非常明显.

3 结论与讨论

(1)植物对坡面径流形成的阻抑作用，主要体现在植被茎叶对雨滴的消减作用、枯枝落叶层及植物茎对径流流速的缓减作用.还有植物根系能增加根系对土壤的抗蚀性和抗冲性.在本试验条件下，各植被小区中，地表径流系数最小的是竹子保留地被小区，而落叶经济林全面抚育小区的地表径流系数最大，是最小值的29.70倍.其地表年径流深是所有植物篱措施中最少的，只有17.2 mm.土壤年流失量也比较少，只有0.05 t/hm2.各种植物篱措施中，竹子保留地被小区的水土保持效果最好最稳定，其次是竹子全面抚育小区，最差的是落叶经济林全面抚育小区.

(2)毛竹林保留林下植被径流小区的植物措施植被盖度最高，为95%.是属于乔木林与地被植物相结合的类型.乔木林的林冠与地被植物的叶片对雨水的截留作用，加上深根与须根的相互穿插和缠绕，使其抗侵蚀能力大大得到提高.与其他植物篱措施相比，该植物篱措施控制土壤流失的效果最好.因此在建造植物篱时，应考虑怎样才能建立合适的乔灌草相结合的植物复层结构，以达到最佳的水土保持效果.