大别山区板栗林地水土流失特性研究

杨 伟, 李 璐, 欧阳曙光, 余 冰, 聂斌斌

(1.湖北省水利水电科学研究院， 湖北 武汉 430070; 2.黄冈市农田水利与水土保持研究所， 湖北 黄冈 438021; 3.湖北省水土保持工程技术研究中心， 湖北 武汉 430070)

林地通过林冠、灌草以及地表枯枝落叶层、腐殖质层等有效削弱降雨对土壤的溅击侵蚀力，减少地表径流、滞缓流速，降低径流的冲蚀力，是防止水土流失的有效措施[1]。但在南方红壤丘陵区，许多林地下土壤被覆匮乏、植物群落结构单一，导致林地成为水土流失的重要策源地之一[2-4]。以福建长汀县为例，2014年长汀县林下水土流失面积312 km2，占总林地面积的1/8[3]。林下水土流失可分为两大类，一类是马尾松[5]、桉树等[6]人工生态林，由于林种单一、林下盖度低，易发生水土流失；另一类是茶园、果园等经果林，由于翻耕、施肥、除草等导致林下植被减少和土壤结构破坏，从而产生水土流失[7]。

板栗是中国分布较广的一种经果林种。在北方板栗主要产区之一的燕山地区，15°以上板栗林土壤侵蚀模数达3 500～5 000 t/(km2·a)[8-9]，>25°土壤侵蚀模数甚至高达到12 160.9 t/(km2·a)[10]，达到极强烈侵蚀程度。板栗林占河北省兴隆县全县水土流失总面积的1/4，该县每年因板栗林形成的土壤流失总量达1.40×106t。因为带来的水土流失范围广、面积大、侵蚀强度高、危害严重，板栗林已成为燕山山区水土流失的主要策源地之一[4]。此外，根据对浙江省几种典型坡地经济林水土流失的研究，板栗林坡地水土流失最为严重[8]。

大别山区位于湖北、安徽、河南三省交界处，是中国中部地区的重要生态功能区和长江中下游地区的重要生态屏障，也是3省水土流失严重的区域之一[11]，同时也是全国重要的板栗产地，仅麻城、罗田、红安3个县市的板栗种植面积就达到1.33×105hm2。因此，研究掌握大别山区板栗林下水土流失情况，对深入开展大别山区水土流失综合防治，保障大别山区生态安全具有重要意义。为此，本研究以黄冈市罗田县龙井河小流域板栗径流小区为对象，对大别山区板栗林下水土流失特性进行研究。

1 试验设计

1.1 研究区概况

研究区域位于大别山区中部湖北省黄冈市罗田县南部白莲河乡，长江一级支流浠水河上游龙井河小流域。罗田县是全国板栗第一县，其面积、产量全国第一，罗田板栗是国家地理标志产品。龙井河小流域面积3.36 km2，多年平均降水量1 447 mm，最大年降水量2 615 mm，最小年降水量796 mm，年均径流深730 mm，多年平均温度17 ℃，≥10 ℃积温4 919 ℃，年无霜期243 d。小流域土壤主要为花岗片麻岩发育的黄棕壤，土层浅薄，土体中抗风化的石英、长石砂砾含量高，黏结能力极差，养分贫瘠，当地又称为“麻骨土”[12]。

1.2 径流小区布设

径流小区观测试验在罗田县龙井河水土保持观测站进行(东经115°26′57″，北纬30°40′39″)，观测站建于2009年，设有坡面径流场、小流域控制站、气象观测站等设施，其地质土壤、气候条件及地表状况基本代表大别山区南麓特征。2014—2018年选取10°，15°和20°板栗小区开展水土流失定位观测，为对比板栗林对水土流失的影响，同时选取10°，15°撂荒小区作为对照。小区均为标准径流小区，水平投影坡长20 m，宽5 m，板栗林栽植于2010年，栽植密度2 m×2 m。各小区每年3月和7月各人工锄草1次。径流小区情况详见图1和表1。

图1 龙井河监测点(摄于2016年)

1.3 指标观测与计算

径流小区底部设置集流桶，每次降雨后测量集流桶水深，搅拌均匀后用1 L取样瓶取样带回实验室。实验室内用量筒测量样品体积，过滤、烘干后计算样品泥沙含量。根据样品泥沙含量、集流桶水深换算本次降雨总径流量、泥沙量。

表1 径流试验小区基本情况

本研究以次降雨为单位，对2014—2018年侵蚀性降雨特征进行研究。次降雨侵蚀模数根据每个小区次降雨总泥沙量、小区面积和降雨历时计算，并根据《土壤侵蚀强度分类分级标准》将其划分为微度、轻度、中度、强烈、剧烈、极强烈6个等级。植被覆盖度每次降雨后采用目估法观测，并分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级，植被覆盖度分别为0%～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%[13]。降雨由自动气象站观测获取。降雨侵蚀力因子(R)采用EI30法计算[14]。

2 结果与分析

2.1 降雨特征

2014—2018年龙井河观测站5 a所有侵蚀性降雨场次，平均降雨量62.95 mm/d，平均最大30 min雨强为26.85 mm，平均最大60 min雨强为19.64 mm，平均降雨侵蚀力252.26 MJ·mm/(hm2·h)。降雨量和降雨强度变异相对较小，降雨侵蚀力变异幅度较大。说明即使相同的降雨量和平均雨强下，由于降雨过程的不均匀性，降雨侵蚀力也并不相同(表2)。

表2 观测站2014-2018年平均次降雨参数及降雨侵蚀力统计

2014—2018年龙井河侵蚀性降雨的年平均次降雨量、年平均次降雨强度、年平均最大30 min雨强和年平均次降雨侵蚀力变化如图2所示。

图2 降雨参数与降雨侵蚀力年际变化

从年际变化来看，年平均次降雨量、年平均最大30 min雨强和年平均次降雨侵蚀力最高值均出现在2017年，年平均降雨强度最高值则出现在2015年。年平均降雨量和年平均降雨侵蚀力最低值出现在2018年，年平均最大30 min雨强最低值出现在2015年，年平均次降雨强度最高值则出现在2014年。一般认为降雨侵蚀力主要受断点雨强、降雨量和最大时间段雨强影响，且与这3个因子正相关[15-16]。本研究降雨侵蚀力变化趋势与降雨量的变化趋势较为接近，与降雨强度变化趋势差异较大。

2.2 植被覆盖度特征

相同坡度下，板栗小区植被覆盖度高于撂荒小区，但由于10°小区部分板栗植株长势较差，因此15°板栗小区和撂荒小区植被覆盖度差异更加明显。板栗小区有Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ这4个植被覆盖度等级，其平均植被覆盖度分别为35.24%，60.00%，72.06%和89.39%，撂荒小区有Ⅰ，Ⅳ，Ⅴ这3个植被覆盖度等级，其平均植被覆盖度分别为6.53%，75.00%，86.15%。比较不同坡度的植被覆盖度(图3)，不同坡度撂荒小区植被覆盖度变化不大，15°撂荒小区植被覆盖度略高于10°撂荒小区，但差异不明显；不同坡度板栗林小区植被覆盖度差异较大，植被覆盖度随坡度增加而增大，15°板栗小区植被覆盖度显著高于10°板栗小区，20°板栗小区植被覆盖度高于15°板栗小区，但差距相对较小。

2.3 径流泥沙特征

分析不同小区2014—2018年历次侵蚀性降雨的平均泥沙含量、径流量和侵蚀量。比较板栗和撂荒2种土地利用(图4)，10°，15°板栗小区径流量和侵蚀量均值均高于撂荒小区，说明在这两种坡度条件下，板栗林土壤侵蚀较撂荒地更加严重。10°板栗小区与撂荒小区的泥沙含量、径流量和侵蚀量之间的差距均比15°小区要低，可能是由于10°板栗林小区与撂荒小区的泥沙含量、径流量和侵蚀量较低。

图3 径流小区植被覆盖度

15°撂荒小区的平均含沙量和侵蚀量高于10°撂荒小区，平均径流量两种坡度则较为接近。板栗小区的平均泥沙含量、径流量和侵蚀量均为15°最大，20°最小。板栗小区植被覆盖度随坡度增加而增加，但是由于板栗争夺养分和遮挡光照等因素，林下盖度反而降低。20°小区虽然林下盖度小于10°小区，但由于其板栗林郁闭度高，整体植被覆盖度明显高于10°小区，林冠对降雨侵蚀的削弱作用大于林下盖度降低和坡度增加对降雨侵蚀的促进作用，因此20°板栗小区泥沙含量、径流量和侵蚀量均小于10°板栗小区。15°板栗小区林下盖度和总体植被覆盖度介于10°和20°板栗小区之间，林冠对降雨侵蚀的削弱作用小于林下盖度降低和坡度增加对降雨侵蚀的促进作用，因此15°板栗小区泥沙含量、径流量和侵蚀量均大于10°板栗小区。

板栗小区泥沙含量、径流量和侵蚀量最大值出现在15°，说明板栗林水土流失并非随着坡度增加而增加，在大别山的降雨、土壤条件下，其土壤侵蚀峰值(即临界坡度)在15°左右。国内对北方黄土地区的土壤侵蚀坡度进行了较多研究，陈法扬[17]、郑粉莉[18]、王玉宽等[19]认为黄土地区的土壤侵蚀临界坡度在25°或26°左右，与本研究结果存在一定差异，说明临界坡度并不是固定值。在不同区域，由于土壤性质的不同，其临界坡度有所不同。对于林地，由于林、灌、草的复杂结构，以及郁闭度、林下盖度相互影响并随时间的变化，其临界坡度更为复杂。

图4 不同径流小区主要侵蚀参数变化

分析不同植被覆盖度的平均泥沙含量、径流量和侵蚀量(表3)。10°小区4种不同植被覆盖度的平均含沙量大小顺序表现为：Ⅰ>Ⅱ> Ⅳ>Ⅴ> Ⅲ；平均径流量表现为：Ⅰ > Ⅳ > Ⅲ > Ⅱ > Ⅴ；平均侵蚀量表现为：Ⅰ > Ⅳ> Ⅱ > Ⅴ > Ⅲ。平均含沙量、径流量和侵蚀量均为Ⅰ级植被覆盖度最高，含沙量和侵蚀量Ⅲ级植被覆盖度最低，径流量Ⅱ级植被覆盖度最低。15°小区Ⅰ，Ⅲ，Ⅴ这3个植被覆盖等级平均含沙量关系表现为：Ⅰ> Ⅲ> Ⅴ；平均径流量表现为：Ⅰ> Ⅴ> Ⅲ；侵蚀量表现为：Ⅰ> Ⅴ> Ⅲ，其结果与10°小区较类似，平均含沙量、径流量和侵蚀量在Ⅰ级植被覆盖度时最高，径流量和侵蚀量在Ⅲ级植被覆盖度时最低，平均含沙量则在Ⅴ级植被覆盖度时最低。该结果表明在植被覆盖度较低时土壤侵蚀严重，含沙量、径流量和侵蚀量较高；随着植被覆盖度的增加，土壤侵蚀程度减弱。但由于林下水土流失的存在，植被覆盖率最高时(Ⅳ级、Ⅴ级)，土壤侵蚀程度并未达到最低，径流量和侵蚀量最低值常常出现在中等植被覆盖度(Ⅲ)级。李宗勋等[20]对马尾松林下水土流失研究也发现类似结果，郁闭度0.2，0.8的马尾松林产流产沙量均高于郁闭度0.4，0.6的马尾松林。

表3 龙井河不同土地利用植被覆盖分布特征

2.4 侵蚀强度

板栗林小区侵蚀性次降雨微度、轻度、中度、强烈、极强烈、剧烈侵蚀6种侵蚀强度等级均存在，所占比例分别为24.56%，42.98%，5.26%，7.89%，7.89%和11.40%。撂荒小区只有微度、轻度、中度和强烈4种侵蚀强度等级，未发生极强烈侵蚀和剧烈侵蚀，4种侵蚀等级所占比例分别为19.74%，57.89%，1.32%和21.05%。撂荒小区发生轻度及以下土壤侵蚀的频率高于板栗林小区，且板栗小区的微度、轻度和强烈侵蚀的侵蚀模数平均值均大于撂荒小区，仅有中度侵蚀的侵蚀模数小于撂荒小区。整体上也说明撂荒地土壤侵蚀程度弱于板栗林小区(图5)。比较不同小区土壤流失量、侵蚀模数和降雨侵蚀力及植被覆盖的关系，仅有个别小区存在明显的线性关系。

图5 不同径流小区侵蚀强度及频数

3 结 论

本研究以次降雨为研究对象，对2014—2018年大别山区不同坡度板栗林及对照撂荒小区的径流、泥沙、侵蚀模数、植被覆盖度等进行了分析。发现在同等降雨条件下，虽然板栗林植被覆盖度更高，但由于林下盖度较低，板栗林土壤侵蚀程度较撂荒地更加严重，存在较明显的林下水土流失现象。植被覆盖度越低土壤侵蚀越严重，但植被覆盖度最高时土壤侵蚀程度并不一定最弱，说明在相同降雨、土壤条件下，植被覆盖度不能作为反映土壤侵蚀程度的唯一指标，必须考虑植被林分结构。板栗林水土流失并非随坡度的增大而不断增加，其侵蚀峰值(临界坡度)在15°左右。与茶园、果园等经果林相比，板栗林翻耕、除草、施肥等频次较低，人为活动对土壤结构破坏相对较弱。板栗林下水土流失主要是由于板栗林通过争夺养分、影响光照等抑制林下植被生长，降低林下盖度，从而引起林下水土流失。