典型喀斯特区侵蚀性降雨特征及坡面生物措施水土流失防控效应

2021-03-09杨坪坪李勇宋涛覃莉刘忠仙李瑞

生态环境学报 2021年1期

杨坪坪，李勇，宋涛，覃莉，刘忠仙，李瑞 *

1.贵州师范大学喀斯特研究院，贵州贵阳 550001；2.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心，贵州贵阳 550001；3.贵州省水土保持监测站，贵州贵阳 550002

土壤侵蚀已成为世界上严重的社会和生态环境问题。在坡面尺度上，降雨特性和措施类型是影响水土流失的重要因素（Peng et al.，2012）。坡面溅蚀、产流与降雨特性关系密切。一般而言，短历时强降雨会对地表产生较大的打击力，分散土壤，且产生较多的地表径流从而引起较强的水土流失（Wei et al.，2007；Wei et al.，2009）。此外，坡面不同的措施类型改变了地表微地貌、地表糙率、地表覆盖度等，改变入渗、地表径流流速、径流剪切力等，从而影响坡面产流产沙（Luetzenburg et al.，2020）。因此，研究降雨特性和措施类型共同对坡面产流产沙的影响有利于指导坡面水土保持工作。

中国西南喀斯特地区是世界上面积最大、喀斯特发育最典型的喀斯特连续分布带（Peng et al.，2012）。该地区的气候属于亚热带季风气候，雨量充沛，研究表明在该区域的降雨具有较大的侵蚀力（Zhou et al.，2019；谭顺菊等，2016；杜波等，2017），因此主要侵蚀类型为水力侵蚀，侵蚀面积占我国水土流失总面积的27.93%（马芊红等，2018）。受可溶性碳酸岩的影响，喀斯特区形成地下裂隙、管道等通道，因此具有地表和地下“二元”侵蚀的特点（Yan et al.，2018；张信宝等，2010）。目前，该地区为防治坡面水土流失，常用生物措施（Yuan，1997；Tong et al.，2017），包括自然修复、营建水土保持林（水保林）、种植经济果木林（经果林）等。基于径流小区、小流域卡口站点的水沙分析，普遍认为生物措施能够带来显著的保水保土效果，水保林、草地、经果林等生物措施可有效降低水土流失量，其土壤侵蚀模数总体小于100 t·km−2·a−1（陈洪松等，2012；李瑞等，2012；蒋荣等，2013），相较于全省 279.47 t·km−2·a−1的平均土壤侵蚀模数（李瑞等，2019），减少率高达64%，水土保持作用明显（Feng et al.，2016）。此外，针对不同降雨类型及土地利用方式的水土保持效应，Peng et al.（2012）基于自然坡面径流泥沙的观测，将降雨类型划分为5类，并研究了6种土地利用类型，结果表明大暴雨（降雨量超过40 mm，最大30 min雨强超过 30 mm·h−1）产生了较大的水土流失，且牧草地的产流产沙量最大。目前的研究已证实生物措施是防治水土流失的有效手段，但是研究喀斯特区降雨类型与生物措施共同作用对坡面产流产沙的影响较少，仍需要更多的实测资料研究其规律，以指导实际生产。

鉴于此，本文基于长期野外径流小区定位观测试验，利用贵州省蚂蟥田小流域水土保持监测站2014—2018年的径流小区观测数据，挑选出产生土壤侵蚀的侵蚀性降雨场次，分析侵蚀性降雨特征并对其进行分类，并探讨不同侵蚀性降雨类型下喀斯特坡面不同生物措施的产流产沙量。本文旨在研究降雨类型与生物措施影响下的坡面产流产沙规律，以期为喀斯特地区坡面开展生物措施防治水土流失提供参考。

1 试验与方法

1.1 研究区概况

关岭县蚂蝗田小流域综合观测站位于贵州省关岭县东南部的花江镇养元村，属珠江流域北盘江水系蚂蝗田小流域。流域总面积为16.26 km2，土地利用类型为耕地、林地及自然恢复的草地，分别占总面积的40.1%，46.2%和13.7%。蚂蝗田小流域是典型的水力侵蚀类型区，水土流失以面蚀为主，流域内水土流失面积为10 km2，占流域面积的61.5%。流域内以中、低强度的土壤侵蚀为主，两者占总侵蚀面积的43.2%，高强度侵蚀面积仅占8.8%（刘超群等，2016）。对水土流失的治理主要以生物措施为主，包括营建水保林、经果林和自然恢复草地。其中水保林占总面积的31.5%，经果林占总面积的14.7%。该小流域属亚热带湿润季风气候，多年平均降雨量为1236 mm，多年平均气温为19.2 ℃，土壤为黄壤。流域内主要植被有：柳杉（Cryptomeriafortunei）、杉木（Cunninghamialanceolata）、马尾松（Pinusmassoniana），女贞（Ligustrumlucidum）、滇柏（Cipressusduclouxiana）等。

径流小区于2008年建立，并设置6种不同的生物措施（详见表1），其中1、4、5号小区的生物措施为经果林，树种为皇冠梨（Pyrusbretschneideri），是研究区常种植的经济树种，参照当地的经营措施，每年会对经果林林下除草及修枝、摘果等人工干扰；2、3号小区生物措施为水保林，树种为女贞，为水土保持林常用树种，水保林自种植之后不再进行任何人工干扰；6号小区不施加任何干扰，为自然恢复草地。自建站开始水土保持监测站就对坡面径流小区进行观测，截止至2018年底，种植及恢复期为 10年。每个小区的坡度都设置为 25°，因蚂蟥田小流域中坡度＞25°的占33.7%，占比最大，加之25°坡是禁止开垦的临界坡度。小区的土壤皆为黄壤，各小区坡向一致。6个小区的长度为20 m，但宽度有所区别，其中1、3、5、6号小区宽度都为5 m，而2、4号径流小区宽度为10 m。

表1 径流小区基本情况Table 1 Runoff plot information

1.2 监测方法及指标计算

本研究在2014年1月—2018年12月对研究区进行连续观测。6个小区的主要监测内容为：降雨、径流、土壤侵蚀量。径流小区旁布设1个自记雨量计，以采集降雨过程，可获取降雨量、降雨历时、最大雨强、平均雨强等。降雨侵蚀力采用式（1）公式组计算（缪驰远等，2005）：

式中：R为降雨侵蚀力，MJ·mm·hm−2·h−1·a−1；P为降雨量，mm；I30为次降雨过程中连续30 min最大雨强，mm·h−1；E为一次降雨中某时段降雨产生的动能，MJ·hm−2；E0为次降雨中某时段单位面积每 mm 降雨产生的能量，MJ·hm−2·mm−1；Ii为次降雨过程中某时段的降雨量，mm；Ij为次降雨过程中某时段降雨强度，mm·h−1。

径流深是将径流量平铺至整个小区得到深度，计算如式（2）所示：

式中：h为水深，m；S为集流池的底面积，m2；H为径流深，m；A为坡面径流小区面积，m2。本研究以径流深来描述产流量的大小。

泥沙量的观测方法为使用1 L的取样瓶采集集流池水样，每次降雨采集一次，每个小区分别采集3个水样和泥沙样品，然后对样品进行实验室过滤、烘干、称重。此外，加上从集流槽采集的泥沙量，从而获次降雨下该小区的产沙量。一年内单位面积的总产沙量为侵蚀模数，计算如式（3）所示。

式中：M为土壤侵蚀模数，t·km−2·a−1；T为小区年产沙总量，t。

为计算水保林、经果林相较于自然恢复草地的减沙率，计算公式如式（4）所示：

式中：D为相对于自然恢复草地的减沙率；MNG为自然恢复草地的产沙量或侵蚀模数；MSWF/EF为水保林或经果林的产沙量或侵蚀模数。

1.3 数据处理及分析方法

研究区2014—2018年共发生744次降雨，其中侵蚀性降雨次数为120次，占比16.1%。然而，2015年6—7月发生的8次侵蚀性降雨由于仪器故障未能获取降雨特征参数，因而不对其分类。本文采用SPSS中系统聚类和快速聚类的方法对侵蚀性降雨进行分类，以降雨历时、平均雨强、降雨量为特征指标，样本数为112。图1所示为聚类的谱系图，表明可将112次降雨分为三类。本研究将通过各指标 25%和 75%分位数（即将各指标从小到大排列，挑选 25%和 75%分位点的数值）作为对应降雨类型的指标取值范围，以此分析雨型特征（谭顺菊等，2016；邬铃莉等，2017）。本文利用SPSS中的单因素方差分析方法对差异性进行检验，置信水平为95%。

图1 快速聚类谱系图Fig.1 Tree diagram of fast clustering

2 结果与分析

2.1 侵蚀性次降雨特征

雨型是次降雨过程中不同降雨强度的组合方式，是影响土壤侵蚀的主要降雨参数之一（邬铃莉等，2017）。为了更准确地研究不同措施对侵蚀性降雨的响应，以及探究不同侵蚀性降雨类型的侵蚀能力，根据降雨历时、雨量和平均雨强对研究区112次侵蚀性降雨进行聚类分析，结果如表2所示，可分为3类，分别对其命名为A、B、C 3种雨型。本研究采用3个聚类指标的25%和75%分位数来描述各雨型所具有的特征，A雨型所具有的降雨特征为长历时（1066—1357 min）、中雨量（21.30—34.75 mm）、小雨强（1.12—2.33 mm·h−1）；B 雨型所具有的降雨特征为中历时（514—691 min）、大雨量（19.9—56.2 mm）、中雨强（2.50—10.37 mm·h−1）；C 雨型所具有的降雨特征为短历时（129—300 min）、小雨量（13.5—28.1 mm）、大雨强（4.6—16.4 mm·h−1）。其中A、B、C各有18，37，57场，分别占到16%、33%、51%，从所占比例表明该地区侵蚀性次降雨以C雨型为主，即短历时、小雨量、大雨强。就降雨侵蚀力的指标而言，B雨型的侵蚀力最强（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 不同侵蚀性降雨类型特征指标统计Table 2 Statistics of characteristic index of different erosive rainfall patterns

将 2014—2018年每月发生的侵蚀性降雨量和各类型侵蚀性降雨发生次数的占比平均得到图2所示的研究区月降雨特征，由图可见，侵蚀性降雨集中发生在 5—10月，占全年总侵蚀性降雨量的93.3%，主要发生的侵蚀性降雨类型为B雨型和C雨型，占5—10月侵蚀性降雨量的44.1%和40.1%，在5—10月发生B和C雨型次数的占比为28.6%和47.3%。而其他月份产生的侵蚀性降雨较少，3种雨型均有产生。

图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产流产沙分析

将不同生物措施在不同侵蚀性降雨类型下的产流量和产沙量平均，产流量用径流深表示，结果如图3所示。总体而言，与上述不同雨型的降雨侵蚀力大小结果相符，产流产沙量的大小顺序依次为：B雨型＞C雨型＞A雨型。晏清洪等（2014）和邬铃莉等（2017）研究了北方地区不同降雨类型对水土流失的影响，结果表明产流产沙量与降雨量呈正相关关系。在本研究中，B雨型雨量最大，其产流产沙量最大。然而，A雨型虽然雨量中等，其产流产沙却是最小的，小于雨量最少的C雨型。原因是A雨型虽然雨量中等，但是雨强最小，且历时最长，导致降雨更容易入渗从而产生较少的径流。此外，A雨型雨滴对土壤的击溅能力较小（表1所示A雨型降雨侵蚀力小于C雨型），产生可搬运的土壤颗粒较小，最终表现出 A雨型的产流产沙量最小。而晏清洪等（2014）和邬铃莉等（2017）研究的降雨特点多为较强的降雨伴随较大的降雨量，能产生足够的土壤颗粒以及搬运土壤颗粒的径流。

图3 不同雨型下不同生物措施的平均侵蚀量和径流深Fig.3 Mean erosion and runoff depth for different biological measurements affected by rainfall pattern

从图3中也能分析得到同一生物措施在不同雨型下的产流产沙量。在3种雨型下，自然恢复草地的产流产沙量均是最大的，保水保土效果最差。在3种生物措施中，水保林和经果林的冠层能够有效截留降雨，减少动能，且叶面积较大，截留量较多，能有效保护地表从而避免溅蚀，因此水保林和经果林的保水保土效果较好。在实际中，自然恢复的草地分布不均，降雨对草被稀疏的部位直接击溅，从而产生较大的侵蚀，因此需对自然恢复的草地优化调整以更好地发挥水土保持效益。相较于自然恢复的草地，水保林分别在A、B、C 3种雨型下能够减少93.4%、81.0%、89.0%的产沙量和减少78.2%、70.9%、75.3%的产流量；经果林在A、B、C 3种雨型下能够减少88.8%、73.0%、78.4%的产沙量和减少65.6%、63.8%、69.7%的产流量。该结果表明，相较于自然恢复的草地，水保林和经果林在不同雨型下削减产沙的能力为：A雨型＞C雨型＞B雨型。

2.3 不同生物措施下产流产沙的时间特征

2.3.1 不同生物措施月产流产沙特征

为得到不同生物措施的月平均产流产沙特征，将 2014—2018年对应月份不同生物措施的产流产沙量平均，得到图4所示的结果。结果表明侵蚀性降雨集中发生在5—10月的丰水季，占全年总产流量的93.2%，产沙量也集中发生在丰水季，占全年总产沙量的92.6%。而对于11月至次年4月份的枯水季，产流产沙量相当小，占全年总产流量的6.8%和总产沙量的7.4%。在丰水季中5—8月的产流产沙量较大，占全年总总产流量的72.8%和产沙量的75.0%，这4个月是一年之中水土流失量最大的季节，因此应重点防范。在各月份中，不同生物措施下的产流产沙量皆表现出：自然修复草地＞经果林＞水保林。在丰水季，产流产沙量主要来源于自然修复草地，其产流量为18.99 mm、产沙量为9.94 g·m−2，分别占丰水季总产流量的 62.5%和总产沙量的71.9%。而在枯水季，自然修复草地的产流量为1.15 mm、产沙量为0.79 g·m−2，分别占枯水季总产流量的52.1%和总产沙量的63.2%。结果表明随着降雨量的增加，自然恢复草地的保水保土效果变差。相较于自然恢复草地，水保林和经果林在丰水季能够削减产流量 85.2%和 75.3%（计算如式4），在枯水季削减产流量66.7%和41.4%；在丰水季能够削减产沙量85.2%和75.3%，在枯水季削减产沙量87.0%和54.7%，因此随着雨量越多，水保林和经果林的保水保土效果越好，其中水保林的效果最佳。

图4 2014—2018年不同生物措施月均产流产沙量Fig.4 Monthly average sediment yield and runoff for different biological measurements from 2014 to 2018

图4中5月和7月的降雨量差异不显著，但是5月不同生物措施下的产流产沙量却显著高于7月（P＜0.05）。结合图2中各侵蚀性降雨类型发生占比结果，5月 A、B、C雨型分别占 5.9%，17.6%和76.5%，侵蚀性较强的B、C雨型共占了94.1%；7月A、B、C雨型分别占22.3%，33.3%，44.4%，侵蚀性较强的B、C雨型仅占了77.7%，5月侵蚀性较强的B、C雨型高于7月，导致5月的产流产沙量较高，该结果表明当降雨量相近时，坡面产流产沙量取决于降雨类型，若发生侵蚀性较强的B和C雨型雨量较多，则产流产沙量较大。

2.3.2 不同生物措施年产流产沙特征

图5所示为研究区2014—2018年的总产流产沙量，同时也绘制了年总侵蚀性降雨量及其雨型组成。由图可见，2014—2018年间侵蚀性降雨量总量增加，且以B和C雨型为主，两种雨型总计雨量在每年均达到了70%以上，其中2014年达到了95%。不同年份间的产流产沙规律表现出与侵蚀性降雨量呈正相关。对于侵蚀性降雨量相近的2014—2015年（分别为 556.4、546.9 mm），两年间产流产沙量差异较为显著（P＜0.05），其原因是虽然侵蚀性降雨量相同，但2014年B和C雨型合计雨量为530 mm，该值大于2015年的468.6 mm，导致2014年的产流产沙大于2015年，再次证明当侵蚀性降雨量相近时，坡面产流产沙取决于侵蚀性较强的 B和 C雨型占比。

图5 不同生物措施的年总侵蚀量及径流深Fig.5 Total erosion and runoff depth for different biological measurements in a year

对于不同措施下的产流产沙量，自然恢复草地每年的产流产沙量皆是最大，其保水保土效益最差。表3所示为2014—2018年3种措施下土壤侵蚀模数，同时通过式（4）计算出水保林和经果林相对于自然恢复的草地的减沙率。自然恢复草地的侵蚀模数在 5.59—8.80 t·km−2·a−1，而水保林和经果林的侵蚀模数变化范围为 0.35—1.90 t·km−2·a−1和0.36—2.73 t·km−2·a−1，水保林和经果林具有较佳的保水保土效益。在产沙量较大的 2014—2016年，相较于自然恢复的草地，水保林的减沙效果能达到75%以上。

表3 不同生物措施侵蚀模数及林地相对自然恢复草地的减沙效果Table 3 Erosion modulus for different biological measurements and reduction rate for forest compared with natural grassland

3 讨论

在以往的研究中以单个指标对雨型进行划分不能很好的反映降雨特性（秦伟等，2015），往往忽略了雨量与雨强存在的不一致性（温磊磊等，2012；郑粉莉等，2016）。在本次研究中通过对降雨历时、降雨量及平均雨强作为划分依据，将研究区发生的侵蚀性降雨划分为A、B、C 3种雨型，更加符合实际情况，划分的结果与谭顺菊等（2016）在贵州喀斯特区羊鸡冲小流域的结果类同，但是与北方地区具有差异（邬铃莉等，2017；晏清洪等，2014），主要体现在本研究区具有绵绵小雨的A雨型，其历时较长（1066—1357 min），雨强较小，雨量中等，而北方地区往往长历时伴随着最大的雨量，中等雨强，对土壤具有较大的侵蚀力。在本研究区域，A雨型因其降雨侵蚀力最小，对土壤的打击有限，使得对土壤的分离能力较小，因而虽然其具有中等的雨量，但是其产流产沙能力是3种雨型中最小的（降雨侵蚀力多年平均为 85.28 MJ·mm·hm−2·h−1·a−1）。B 雨型具有最大的降雨侵蚀力，但从实际的产流产沙来看，B、C雨型对坡面的侵蚀能力相当，且B、C雨型的发生频率非常高，两者在每年的发生频率均达到了70%以上，应当对这两种降雨进行重点防范。

在本研究中自然恢复草地、水保林和经果林2014—2018年平均侵蚀模数分别为7.25，1.09，1.59 t·km−2·a−1，相较于贵州喀斯特区多年平均土壤模数为 279.47 t·km−2·a−1（李瑞等，2019），3 种措施均发挥了不同程度的水土保持效益，土壤侵蚀分别减少了97.40%，99.61%和99.43%。本研究中3种生物措施的土壤侵蚀模数远小于贵州喀斯特区多年平均土壤模数的原因有两方面，一者是植被的拦蓄效果，另一方面是喀斯特区坡面尺度的土壤流失量小于小流域尺度的土壤流失。表 4所示为喀斯特区坡面和流域尺度得到的土壤侵蚀模数，在坡面尺度得到的土壤侵蚀模数为 0—86.17 t·km−2·a−1，而流域尺度得到的土壤侵蚀模数为64.3—476.66 t·km−2·a−1，结果表明流域尺度的土壤侵蚀模数显著大于坡面尺度（P＜0.05）。主要原因是在喀斯特地区由于可溶性碳酸岩的影响，地下会形成裂隙、溶洞等通道（Dai et al.，2017a），从而土壤和径流会沿地下裂隙运动，通过地下汇入河网（Dai et al.，2017b），而坡面尺度的径流小区仅能观测地表的水土流失，因此导致流域尺度观测到的土壤侵蚀高于坡面尺度。

表4 喀斯特区坡面和流域尺度的土壤侵蚀模数Table 4 Soil erosion modulus on slope and watershed scale in karst region

在本研究中的3种生物措施均能较好的发挥保水保土功能，但是对于不同生物措施的产流产沙量，本研究中的大小顺序为：自然修复草地＞水保林＞经果林。该研究结果与刘凤仙（2007），张文源（2015），柏勇等（2018）在喀斯特地区的研究结果一致。相较于林地，自然修复草地缺少林冠层的截留以及裸地的零星分布，致使雨滴击溅地表，产流产沙量较大。就本研究而言，水保林的产流产沙量小于经果林，但是差异并不显著（P＜0.05）。水保林的林下具有草被，而经果林会定期除草，林下的草被能截留部分降雨及保护地表；另外，经果林的人为干预也会造成一定量的水土流失，致使水保林的保水保土效果优于经果林。根据本研究结果，后续应当着重关注自然恢复的草地，优化草被格局，从而更好地提升其水土保持效果。对于宜发展经果林的坡面应当考虑种植经果林，虽然其水土保持效益稍小于水保林，但是经果林具有较大的经济效益，能够缓解当地的人地矛盾问题。