干热河谷雨养坡地剑麻和番麻的径流分配作用及水土保持效应①

何光熊 易克贤 陈何龙 陈 涛 王艳丹 张梦寅 岳学文 金 杰 史亮涛 ③

(1云南省农业科学院热区生态农业研究所 云南元谋 651300；2元谋干热河谷植物园 云南元谋 651300；3云南元谋金雷水土保持科技示范园 云南元谋 651300；4中国热带农业科学院环境与植物保护研究所 海南海口 570100；5广西壮族自治区亚热带作物研究所 广西南宁 530001)

金沙江干热河谷位于长江上游，气候干燥，水热矛盾突出，植被覆盖率低，水土流失严重，是我国典型的生态脆弱区之一[1-3]。该地区土壤结构性较差，地表土壤板结严重，且雨季降水较集中，水土流失极为严重，地表径流、壤中流和地下径流作为坡面径流的重要组成部分，其对土壤养分流失、土地生产力退化有着不容忽视的影响[4-7]。番麻(Agave sisalana，宽叶龙舌兰)和剑麻(Agave americana，H.11648)主要应用于西南干热河谷及石漠化等生态脆弱地区的水土保持及生态治理，具有良好的抗旱和抗贫瘠的能力，为热带亚热带麻类经济作物，是干热河谷地区植被恢复的优势物种[8-9]。目前，对番麻和剑麻的水土保持效益研究仅限于其对地表径流的消减作用，而对自然降雨条件下其调控土壤径流的垂向分层输出特征仍有待探究[10]。鉴于此，本实验在金沙江上游典型干热河谷生态脆弱区设置标准小区种植番麻、剑麻，并设裸地标准小区进行对照试验，通过比较在不同整地方式和剑麻种类条件下，小区地表径流、壤中流及土壤侵蚀量的差异，探究影响金沙江干热河谷产流产沙的因素及番麻、剑麻的水土保持作用，以期为金沙江干热河谷地区的植被重建和生态恢复提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

研究区设在云南省元谋金雷水土保持示范园内(101°35′～102°06′E， 25°23′～26°06′N)。 该园区地处云南省西北部金沙江流域龙川江水系的土林风景区附近，是我国横断山区尤其是金沙江干热河谷的典型代表区，土林独特的地貌景观就是由于该地区严重的水土流失造成。元谋县属南亚热带干热季风气候，气候干旱炎热，年平均气温21.9℃，最高气温42.0℃，最低气温-0.8℃，最冷月均温高于12.0℃，最暖月均温 28.2℃，≥10℃年积温 7 996.0℃；平均海拔1 210 m，年均日照2 670.4 h；干热河谷降水少而蒸发量大，年均降雨量613.8 mm，年均潜在蒸发量为3 847.8 mm，达降雨量的6～10倍，全年降雨集中于6～10月，3～5月为全年最干、最热的时期。无霜期350 d。土壤为燥红土，发育于第四纪元谋组红色风化壳母质，土壤酸性强，质地粘重，干季板结、坚硬，有机质、磷等养分含量较低，土壤全氮含量0.29～0.6 g/kg，全磷含量 0.08～0.30 g/kg，全钾含量 11.8～26.0 g/kg，为中度或严重贫瘠土壤。区域为典型的河谷萨瓦纳(Valley-Savanna)植被，以草本植物与零星中小型灌木为主要植被类型。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

本试验设置6个坡度为10°，投影面积为2.5 m×10 m的标准小区，小区相邻且坡向一致，将小区分为两组，一组采用鱼鳞坑整地模式，另一组则采用隔坡水平沟的整地模式，对每组3个小区分别进行番麻、剑麻覆盖和对照处理。

为准确监测降雨过程中地表径流和壤中流的流量问题，按刘刚才法[11]设置建造标准小区。小区底部与四周围埂均以10 cm厚钢筋混凝土浇筑，形成收集降雨入渗的密闭型渗漏装置，并在坡底设置挡土墙，围埂高出坡面35 cm，为防止周围雨滴打击围埂溅落进入小区，造成数据误差，围埂顶部向外一侧为斜切面。本研究小区断面自上至下设置3个径流出水口，分别为地表径流出水口(0 cm)，壤中流出水口(50、100 cm)。在小区坡脚隔墙内壁50及100 cm处与母岩平行修筑壤中流收集槽，且50 cm处壤中流收集槽位置上筑有其外侧复盖有尼龙网的粗砂砾石墙，100 cm处壤中流收集槽内填装粗砂砾石，其上复盖尼龙网；坡脚隔墙外修筑有表面径流收集槽，以及相应差别的表面流收集池、50 cm处壤中流收集池、100 cm处壤中流收集池，且3个收集池与对应的收集槽分别采用导管连通，分别收集表面径流、50 cm处壤中流及100 cm处壤中流。将米尺垂直放入集流桶中至桶底，读取水面所在刻度值，填入表中，重复3次，得到径流深，采用搅拌舀水取样法及烘干法对泥沙含量进行测定[12]。小区建成后，在元谋干热河谷选择典型燥红土，经混凝土搅拌机混匀后装填入小区。为了减少填充过程中扰动土壤带来的误差，保证土壤结构、特性与本区域坡地相同，小区建成后按照实验所需的种植模式种植3年后再进行实验数据的采集。

设置6个坡度为10°，2.5 m×10 m的标准小区，选择当地典型燥红土，搅拌机混匀后装填标准径流小区，将小区分为两组，分别采用鱼鳞坑和隔坡水平沟的整地方式，每组3个标准小区分别以番麻、剑麻和裸地的种植模式进行布设。番麻和剑麻小区内株行距50 cm×50 cm，植被覆盖度达到60%～70%，平均高度为70～80 cm，裸地小区则不种植任何作物，定期清理植被，保证其植被覆盖率小于5%。番麻和剑麻于2013年开始种植，2017年观测自然降雨不同整地和种植模式下小区的地表径流、壤中流以及泥沙含量，综合评价不同品种剑麻的水土保持效果。

1.2.2 数据处理

采用SPSS 19.0进行多元回归分析，采用Excel 2016进行绘图。

2 结果与分析

2.1 年降雨特征

2017年于试验区共监测到78次降雨，年降雨量为715.8 mm，降雨总历时为540.5 h，年最大单场降雨量出现在7月1日的降雨事件中，降雨量为76.4 mm，其中，5～9月降雨量占全年降雨量的86.81%。根据国家气象局降水强度等级划分标准（内陆版），可将降雨划分为小雨、中雨、大雨、暴雨4个等级，其对应小时降雨量为：p≤2.5；2.5＜p≤8.0； 8.0＜p≤15.0； p≥16.0。 试验区降雨极不均匀，多集中在5～9月，呈现旱、雨季分明的特点，降雨以小雨、中雨为主，另外，短历时强降雨引起的土壤侵蚀也是干热河谷地区水土流失的重要原因之一[12]，因此在开展研究的过程中，雨强对径流量和泥沙量的影响不可忽视。见表1。

表1 研究区2017年降雨情况

2.2 不同植被覆盖和整地条件下径流的分配特征

2.2.1 坡面径流垂向分层输出占比特征

坡地不同下垫面及整地措施对坡面径流垂向分层输出的过程及土壤流失量有不同程度的影响。对研究区一年内监测到的20次径流进行分析，径流特征见图1。

图1 各小区土壤径流年输出比例

总体上看，垂向输出的径流量组成特征相似：无论有无植被覆盖措施，3个实验小区均以地表径流为主，地表径流量占总径流量的比例均超过75%。番麻、剑麻小区的地表径流量与裸地相比分别减少了71.09%、84.21%，而50 cm处壤中流量则减少了19.33%、32.77%，100 cm处壤中流量增加80.26%、36.84%。

不同整地措施对径流的调控作用也比较明显。总体上看，相同植被覆盖条件下，鱼鳞坑整地小区径流量与隔坡水平沟相比减流作用不明显，但在50 cm处壤中流和100 cm处壤中流所占总径流量比例上，与隔坡水平沟整地模式相比有一定优势，鱼鳞坑整地在番麻、剑麻、裸地小区内50 cm处壤中流和100 cm处壤中流占总径流量的比例分别为16.95%、23.58%、4.68%，比隔坡水平沟增加了1.74%， 3.99%、 0.46%。

从上面的分析中可以得出，在径流小区内种植番麻、剑麻能够显著减少地表径流并增加50 cm处壤中流和100 cm处壤中流，同时，不同的整地措施对降水下渗的调控有一定差异，其中鱼鳞坑对水分的蓄滞和垂直入渗方面有积极的作用。

2.2.2 不同植被覆盖和整地条件下坡面径流垂向分层输出特征

与裸地相比，番麻与剑麻均表现出一定程度降低地表径流的效果，如图2-A所示，裸地小区地表径流量显著高于番麻，剑麻小区(p＜0.05)，分别为番麻、剑麻小区的345.94%、633.35%，说明采取植被覆盖措施对减少地表径流有显著效果；在番麻与剑麻两种不同植被覆盖的小区中，剑麻对地表径流的消减作用与番麻相比存在明显优势，剑麻小区地表径流量为番麻小区的56.04%。造成差异的原因可能是其植株形态对降水的调控分配作用的差异性。

当土壤水分达到饱和时，由于土层中土壤水势发生变化，土壤水分能够向下层或横向运动[13]。由图2-B可以看出，在隔坡水平沟整地条件下，3种处理小区平均每场降雨50cm处壤中流排序为番麻(0.34 mm)＞裸地(0.3 mm)＞剑麻(0.16 mm)，在鱼鳞坑整地条件下50 cm处壤中流排序为剑麻(0.45 mm)＞裸地(0.275 mm)＞番麻(0.2 mm)。整地与植被覆盖二者的共同作用造成了裸地、番麻和剑麻小区50 cm处壤中流量的差异。

由图2-C知，在同一整地条件下，100 cm处壤中流量大小依次为番麻＞剑麻＞裸地，两种整地条件下番麻小区100 cm处壤中流量分别为裸地小区的160%、193.48%；而在相同植被覆盖条件下，鱼鳞坑整地更有利于降雨径流向更深层的土壤层中传递，同一植被覆盖不同整地方式下100 cm处壤中流可相差16.67%～53.33%。说明整地方式对土壤100 cm处壤中流也有一定程度的影响，对整个产流过程的调控应将植被覆盖与整地方式结合起来。

如图2-D所示，在同一整地条件下，裸地小区径流系数和土壤侵蚀模数均显著大于有植被覆盖的小区，剑麻小区径流系数最小；番麻与剑麻能够拦蓄减少地表径流，达到降低径流系数的效果，其中剑麻减少径流效果最佳。在两种整地条件下，番麻平均径流系数分别为0.22、0.23；剑麻为0.16、0.18；裸地为0.60、0.44；番麻径流系数与裸地相较减少了63.33%、47.73%，剑麻径流系数与裸地相较减少了73.33%、59.09%。

总体来看，各土壤层径流的变化表现出植物对降水调控分配的动态过程，对于地表径流，裸地小区与番麻、剑麻小区差异显著，番麻、剑麻小区差异不显著；而对于50 cm处壤中流和100 cm处壤中流，3种处理小区差异均不显著。从整地活动上看，鱼鳞坑更利于水分的垂向运输；从植被覆盖上看，番麻、剑麻小区50 cm处壤中流和100 cm处壤中流占总径流量比例均大于裸地小区，其中剑麻减少地表径流的效果最为明显，而番麻则更利于水分向深层运输。

图2 径流小区垂向输出径流特征

2.3 降雨特征与产流产沙间关系

2.3.1 雨强对径流小区产流产沙的影响

不同雨强等级下径流小区产流产沙情况见表2。从表2可知，不同雨强下地表径流、50 cm处壤中流和100 cm处壤中流均存在差异，随着雨强的增大，地表径流、50 cm处壤中流与100 cm处壤中流逐渐增大，径流系数与泥沙含量也逐渐增大。其中大雨条件下单场降雨的地表径流、50 cm处壤中流、100 cm处壤中流分别为小雨的 17.21、17.27、25.58倍，为中雨的2.23、1.12、2.64倍；径流系数与泥沙含量则为小雨的3.44、3.96倍。大雨强下降雨场次虽然只占总降雨场次的3.85%，但地表径流、50 cm处壤中流、100 cm处壤中流分别占总径流量的24.94%、17.29%、19.97%。说明雨强对坡面径流存在一定程度的影响，在全年降雨过程中，短历时强降雨所占比例虽然不高，但对坡地的径流影响较大。

表2 不同雨强等级下坡地产流产沙情况

2.3.2 坡地产流产沙的影响因素分析

干热河谷地区坡地产流产沙过程较为复杂，提取降雨量(p)、平均雨强(I)、降雨历时(t)3个对径流产生影响较大的因素，拟合得出径流深与它们之间的关系，结果如表3所示，番麻小区与裸地小区径流深均与降雨量呈显著正相关关系(p＜0.05)，而剑麻小区径流深则与平均雨强存在显著正相关性。另外，裸地小区径流深与平均雨强存在极显著正相关关系(p＜0.01)，其回归系数大于降雨量，说明平均雨强对裸地小区的产流影响较降雨量大。提取径流量(R)、降雨量(p)、平均雨强(I)、降雨历时(t)4个影响泥沙产量的因素，拟合得出泥沙含量与它们之间的关系，结果如表4所示，番麻小区、剑麻小区与裸地小区泥沙含量均与径流深关系最为密切，呈极显著正相关关系。

表3 径流深多元线性回归系数

表4 泥沙含量多元线性回归系数

3 讨论与结论

试验区3种处理小区的径流垂直分层特征相似，均以地表径流为主，地表径流占总径流量的76.42%～95.32%，与陈晓安、张杰等[14-15]在江西红壤区的研究结果差异较大，这可能是由于干热河谷的降雨特征和土壤条件造成的。红壤孔隙度大，下渗能力较强，将地表径流转化为地下水效率较高，因此50 cm处壤中流与地表径流在总径流量占比较大，而干热河谷地区土壤退化严重，地表土壤板结，土壤渗水能力较差，导致地表径流不易转化为50 cm处壤中流，造成严重的水土流失[16-17]。

番麻、剑麻小区与裸地相比具有很好的降低地表径流的效果，50 cm处壤中流、100 cm处壤中流占总径流量比例大于裸地小区，为裸地小区的3.61～5.04倍，裸地小区地表径流量最大而100 cm处壤中流量最小，50 cm处壤中流量处于番麻与剑麻中间，100 cm处壤中流则明显小于有植被覆盖的小区。从地表径流到100 cm处壤中流，随着土层深度的增加，裸地小区与番麻、剑麻小区各层级径流量呈现出此消彼长的趋势，这体现出植物对坡面径流垂向输出的调控机制。有植被覆盖的径流小区地表径流量远小于裸地小区，说明采取植被覆盖措施可通过改变地表下垫面性状，增加其粗糙程度，降低降雨动能，改变径流方式，为降水入渗创造有利条件，使得地表径流量减小。而裸地小区由于直接受到雨滴的击打，使地表板结，雨滴击溅还能使地表的土壤团聚体被冲散进而堵塞土壤表层孔隙，使土壤入渗能力下降，承接的降雨在地表裹挟泥沙形成径流直接流走。50 cm处壤中流在两种整地条件下差异不大，而番麻、剑麻小区则有较大差异，这是由于整地活动有利于拦蓄坡面降水，增强裸地将地面径流转化为50 cm处壤中流的能力，因此两种整地条件下的裸地小区50 cm处壤中流量均处于中间位置，而番麻、剑麻小区除受到整地作用的影响外，植物覆盖对50 cm处壤中流也有一定影响，植物对降水入渗具有调节作用，一方面植物根系向下层土壤输送水分，另一方面植物各项生理机能和蒸腾作用也会造成一定量的水分损失，尤其在热量充足，蒸发量较大的干热河谷地区，植物对水分的需求更大，对50 cm处壤中流的损耗也越大[9]。番麻、剑麻根系主要分布在地表以下30～50 cm处，因此对50 cm处壤中流有一定消耗作用。谢颂华等[18]在江西北部鄱阳湖流域对植被覆盖、敷盖、裸露处理小区壤中流进行对比分析得出，敷盖处理下土壤对水分的调控分配效果最好，壤中流占总径流量比例最高，涵养水源和水土保持效果较好，究其原因是由于覆盖方式下，植物对土壤水分有一定损耗，而敷盖处理能够增加枯落物含量，阻滞土壤水分蒸发，更有利于土壤对水分的再分配。

许多研究表明，降雨量对土壤各层径流的产生有及其显著的影响[19-22]，区域内的降雨输入量与径流量显著相关，但由于干热河谷地区的特殊性，全年降雨量小，短历时强降雨贡献的径流量占全年径流量的24.84%，因此雨强也是水土流失过程中不可忽视的因素。本研究选取雨强作为影响径流量的因子之一，结果显示，除番麻小区径流深与降雨量显著相关且相关程度在3个因子里最高外，剑麻小区与裸地小区径流深则与雨强相关程度最高，且裸地小区径流深与雨强呈极显著相关关系，这说明在干热河谷区，无植被覆盖的裸地因缺少植株对雨滴的拦蓄及根系对降水的调控作用，在大雨强的条件下极易产生超渗径流，因此产流受雨强的干扰极大。植被覆盖对泥沙有较好的调节作用，番麻、剑麻小区的泥沙含量为裸地小区的7.71%、3.71%，说明植被覆盖对防治坡面土壤流失有着显著的积极作用，且产沙量与产流量有极显著的关系。在拟合方程中也可以看出，3种处理下径流小区泥沙含量均与径流深极显著相关，说明产流是影响坡面径流泥沙含量的重要因素。程东兵等[23]研究了红壤区不同下垫面降雨产流产沙特征，结果显示，降雨量是影响产流量最重要的因素，而影响产沙量最重要的因素则为降雨强度，这与本次研究结果有一定差异，这可能是由于降雨特征和土壤性质不同所引起。

金沙江干热河谷地区坡地比重较大，降雨集中，坡地对降雨入渗分配关系到土壤养分的流失及坡面自然灾害的防治，本实验对干热河谷区番麻、剑麻两种经济作物对自然降雨的分配特征进行了初步研究，植物对降雨的分配还体现在其对土壤水分的固持等方面，另外，土壤容重、土壤初始含水率等也是影响地表径流和50 cm处壤中流的重要因素。为了进一步研究植物对降水的分配特征及水土保持效益，已在研究区布设土壤水分含量监测系统，后续将会通过监测土壤水分变化及养分流失情况进一步阐明干热河谷地区番麻、剑麻的水土保持效益。