自然降雨对广西赤红壤坡地土壤侵蚀特征的影响

陈钊柱, 蔡卓杰, 谢福倩, 王坚桦, 李桂芳

(1.广西大学 农学院, 广西 南宁 530004; 2.广西壮族自治区水土保持监测站, 广西 南宁 530023)

水土资源是人类生存发展中重要的自然资源，水土流失问题更是成为了当今社会最受关注的环境问题之一[1]。降雨是导致水土流失的直接动力因子，是影响坡面土壤侵蚀的主要因素之一[2-3]。降雨特征不同，其对坡面土壤侵蚀的影响也不同[4]。降雨强度是影响土壤侵蚀最直接也是最主要的动力因素[5]，降雨强度越大，雨滴动能和终极速度就越大，对土壤的打击就越强[6]。自然降雨下，降雨量和I30(最大30 min降雨强度)均与坡地产流产沙呈显著或极显著的正相关关系[7]，整体上降雨量显著影响坡面径流，而I30对坡面侵蚀影响较大[8]。由于自然降雨的随机性和不确定性等因素，不同学者根据降雨量将降雨划分为不同等级，研究表明大雨和暴雨是引起紫色土区[9]、喀斯特黄壤区[10]和岩溶槽谷区[11]坡地发生侵蚀的主要降雨等级。胡伟等[12]对东北黑土区研究指出，坡面径流的贡献表现为：大雨>暴雨>中雨，坡面产沙的贡献则表现为：大雨>中雨>暴雨。郑江坤等[13]对川西丘陵区沙壤土的研究表明，坡耕地产流产沙量并未随降雨等级的增加而增加，作者指出不同降雨等级的降雨次数会对坡面土壤侵蚀产生影响。此外，自然降雨下降雨时空分布以及前期降雨等[14]因子均会对坡面侵蚀产生影响。我国不同区域降雨分布存在明显的时空差异，其必然导致各区域土壤侵蚀特征存在明显不同[15]。

对于坡耕地而言，作物类型及田间管理措施对坡耕地土壤侵蚀有重要的影响[16]。作物种植对坡耕地土壤侵蚀产生影响，一是通过植株对降雨的拦截及再分配，二是作物根系对坡面土壤抗侵蚀能力的作用[17]。整体而言，与裸坡相比，作物种植均不同程度地降低坡面产流产沙[18]，大豆整个生育期较裸地可减小61%的侵蚀量[19]，花生和红薯作物可降低约60%的坡面径流量，而坡面侵蚀量则分别降低68%和91%[20]。不同作物对坡面侵蚀的研究表明，作物地表覆盖度越高，坡面侵蚀量越小，同时作物高矮等植株形态也显著影响坡面侵蚀过程[21]。罗兴录等[22]指出广西地区3种作物(玉米、甘蔗、木薯)坡面侵蚀量表现为：玉米>木薯>甘蔗，但作者仅从年际的尺度探讨不同作物对坡面侵蚀的影响。甘蔗是中国最主要的糖料作物，与玉米等其他作物相比，其生长周期较长(>8个月)，在中国广西、云南和广东等地均有大量种植[23]。

此外，与其他研究区相比，南方红壤区，尤其是赤红壤分布区降雨特征具有年降雨量高、降雨侵蚀力强且年内分布分散等特征[15]。因此，基于径流小区的野外观测试验，本研究以赤红壤蔗地为例，以撂荒地和裸地为对照，通过测定2020年5—10月自然降雨下坡面产流产沙量，结合自然降雨年内分布及侵蚀性降雨特征参数进行分析，探讨自然降雨特征对赤红壤坡地土壤侵蚀特征的影响，以期为赤红壤地区水土保持综合治理提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西壮族自治区(以下简称“广西”)南宁市良庆区那马镇广西木棉麓小流域内的水土保持科技示范园，地理位置介于东经108°19′00″—108°19′24″E，北纬22°37′26″—22°37′55″N。该地区为南亚热带湿润季风气候，雨量充沛，年均降雨量1 232.2 mm；降雨集中，其中4—9月份降雨量占到全年降雨量的80%以上；气候炎热，年均气温21.8 ℃，年均日照时间1 687.6 h。研究区地貌类型是构造剥蚀低丘，南北长1 km，东西宽0.25～0.65 km，流域内高差45～90 m，坡度6°～30°。研究区处于广西南部南亚热带赤红壤地带内(22°～23.5°)，地带性土壤为赤红壤，其面积为485.1 km2，占广西土壤总面积的30.1%，是广西南亚热带地区的代表性土壤[24]。研究区赤红壤成土母质主要由砂质岩类风化物发育而成，该类成土母岩风化物形成的赤红壤占广西赤红壤的62.0%，由砂页岩成土母岩发育的赤红壤土壤质地从壤土至黏土均有[24]。研究区的土壤质地为壤黏土，土壤颗粒组成为砂粒占48.0%，粉粒占20.4%，黏粒占31.6%。土层厚度为100—150 cm，土壤pH值为4.5～5.5，有机质含量2%～3%，土壤容重为1.2～1.3 g/cm3。园区内现种有甘蔗、玉米和木薯等农作物，自然植被主要是荒草和灌丛，主要荒草类型为鬼针草(Bidensbipinnata)和狼把草(Bidenstripartita)。

1.2 试验设计

径流小区建于2012年，是根据《水土保持监测设施通用技术条件》(SL342-2006)[25]和《水土保持试验规程》(SL419-2007)[26]，同时参考国内相关行业标准，结合研究区域的实际情况进行统一布设。小区设在山坡中部，坡面平整，每个小区坡度、坡宽和土壤条件均一。小区周围均设有砖砌围埂和防护带，与周围环境进行隔离。小区下方均设有圆形集流桶和分流桶，用以承接次降雨下小区径流泥沙样。甘蔗是广西赤红壤分布区广泛种植的旱地作物[22-23]，野外调查表明，广西存在一定面积的耕地撂荒现象。因此，本试验研究设置蔗地、撂荒地和裸地3种处理。不同小区的处理、规格及管理措施等见表1。

表1 试验小区概况

1.3 研究方法

本研究采取径流小区野外水文观测法，观测时间为2020年5—10月。每次降雨结束后，选取3个不同位置，用水尺测定集流桶和分流桶深，用以计算地表径流量。桶内样品进行搅拌均匀后，用500 ml塑料瓶进行取样，每次取3个重复样，烘干后测定其泥沙含量，计算得到含沙浓度。参照《径流小区和小流域控制站监测手册》计算总径流量以及土壤流失量等参数。在径流小区附近配备有人工雨量站和数字气象站，用于收集气象资料。降雨资料的记录包括日降雨量、降雨过程摘录(5 min间隔)、次降雨起止时间、降雨历时、平均雨强、I30等参数。降雨过程中如果间歇时间连续超过6 h，则视为2次降水事件。

1.4 数据处理

利用SPSS 19.0进行数据的相关性分析，利用Origin 2018和Microsoft Office 2013进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 不同处理下赤红壤坡面产流特征

观测期内，不同处理间赤红壤坡面径流量差异明显，整体上表现为裸地(712.2 m3/hm2)>蔗地(255.6 m3/hm2)>撂荒地(165.6 m3/hm2)(图1)。2020年5—10月研究区共发生19场侵蚀性降雨，次降雨下蔗地的坡面径流量在2.4～62.8 m3/hm2之间，裸地的坡面径流量介于4.7～230.0 m3/hm2，撂荒地的坡面径流量则在2.4～44.0 m3/hm2范围内波动变化。由2020年5—10月各处理坡面径流量分布可知(图1)，不同处理下坡面径流量在5—10月分布表现为先上升后下降。蔗地、裸地和撂荒地的坡面径流量均主要集中在8月，分别为98.5，360.3，69.9 m3/hm2，占总径流量的38.5%，50.6%和42.2%。这主要是由于8月的降雨量最多，占观测期总降雨量的36.2%(237.0 mm)，其中侵蚀性降雨188.5 mm(图2)，说明坡面径流受降雨影响较大。刘洁等[27]研究结果指出，降雨是影响径流的重要因子，本文研究结果与其一致。不同处理间坡面径流量的差异，表明不同植被措施对坡面径流的消减程度存在明显不同[21]。杨任翔等[28]研究指出裸地的径流量为甘蔗地的3.2倍，与本文的研究结果(2.8倍)接近。此外，相较于蔗地，撂荒地坡面荒草密集，地表覆盖度更高，且人为扰动更少，因而其消减径流的作用更为明显[29]。

图1 研究区2020年5—10月各处理坡面径流量

图2 研究区2020年5—10月降雨量

对比其余月份不同处理坡面径流量变化可知，坡面月径流量与月降雨量无明显的正相关关系。例如，5月的侵蚀性降雨量(107.6 mm)，除低于8月外，均高于其余月份(图2)，但各处理坡面产流量均较低。原因主要是5月的侵蚀性降雨量主要集中在5月12日的1场降雨，占5月侵蚀性降雨总量的67.8%(73 mm)，且5月12日降雨前径流小区已接近15 d没有降雨(图3)，地表土壤较为干燥。前期土壤含水量较低时，红壤黏结力大且结构稳定，产流时间延长，土壤坡面入渗量增多[30]。其余月份降雨量均相对较为分散，尤其是9月的降雨量主要分散在9月19日至26日的几场降雨中，在此期间，总降雨天数为6 d(图3)，侵蚀性降雨4场。连续性的降雨导致土壤湿润，降雨前土壤含水量较高(>30%)，雨水入渗率降低，因而坡面产流量较大。张向炎等[31]对红壤裸地坡面产流产沙特征研究指出，前期土壤含水量越高，坡地累积入渗量越小，雨水转化为土壤水分的比率越小。结果也再次表明，坡面产流是降雨分布、降雨频次、前期降雨及下垫面条件等因子综合作用的结果。

图3 研究区2020年5—10月降雨分布

对比不同处理下坡面径流量分布可知，裸地处理分别是蔗地和撂荒地的2.8，4.3倍，而蔗地处理是撂荒地的1.5倍。表明与裸地相比，蔗地和撂荒地能够有效降低坡面径流量，且撂荒地的减流效果优于蔗地。此外，随着坡面植被的生长，蔗地和撂荒地处理坡面地表覆盖度越来越高，而裸地坡面长期保持裸露状态，因而其坡面径流量与蔗地和撂荒地间差异逐渐明显。对比不同处理下各月坡面径流量可知，2020年5—10月各月蔗地相较于裸地分别能减少14.6%～83.8%的径流量，尤其是降雨量较高的8月和9月，分别减少了72.6%和83.8%。甘蔗为一年一熟作物，其快速生长时期与雨季同步(6—9月)，生长期内有很长的一段时间植被覆盖度维持在60%以上(8—10月)，能够有效降低坡面径流量。表明，甘蔗的防蚀作用主要发挥在其中后期(8—10月)，对于南方甘蔗种植区而言，刚好处于雨季，降雨量大且降雨强度高，此时甘蔗能起到明显的减流效果。

2.2 不同处理下赤红壤坡面产沙特征

与坡面径流量相比，不同处理下坡面侵蚀量的差异更为明显(图4)。观测期内，裸地的坡面总侵蚀量最高，其次为蔗地和撂荒地，分别为9 570.5 kg/hm2，4 439.7 kg/hm2，143.8 kg/hm2(图4)。次降雨下蔗地坡面侵蚀量在0.2～3 667.8 kg/hm2之间，裸地的坡面侵蚀量介于0.7～7 248 kg/hm2，撂荒地的坡面侵蚀量则在0.1～73.0 kg/hm2范围内波动变化。整体上，蔗地和裸地处理坡面侵蚀量在5—8月逐渐增加，撂荒地处理坡面侵蚀量在各月变化相对较为平稳。与坡面径流分布特征相似，蔗地、裸地和撂荒地的侵蚀量均主要集中在8月，分别为4 078. 1 kg/hm2，9 101.5 kg/hm2，85.3 kg/hm2，但其占坡面总侵蚀量的比例高达91.9%，95.1%和59.3%。结果表明，与径流量相比，集中降雨对坡面侵蚀的影响更为明显，且不同下垫面条件其影响程度存在差异。对比9月和10月降雨分布及各处理坡面侵蚀量可知(图2和图4)，各处理下坡面侵蚀量均10月最低，分别为0.8 kg/hm2(蔗地)，3.6 kg/hm2(裸地)和0.1 kg/hm2(撂荒地)。10月降雨量(89.5 mm)及侵蚀性降雨量(76 mm)均高于9月，但9月坡面侵蚀量整体高于10月，尤其是裸地处理。主要原因是10月的次降雨较为分散(图3)，且侵蚀性降雨仅有2场，总降雨历时为32.7 h，此时蔗地和撂荒地处理下坡面地表覆盖度均较高(>80%)，因此未产生严重的土壤侵蚀。对比观测期内降雨分布可知(图2)，除8月外，其余月份不同处理坡面侵蚀量与降雨分布存在明显不同。研究表明，降雨量对坡面产沙的影响较为复杂，受下垫面和次降雨特征的综合作用。

图4 研究区2020年5—10月各处理坡面侵蚀量

对比不同处理下坡面侵蚀量可知，裸地处理是蔗地和撂荒地的2.2，66.5倍，蔗地处理是撂荒地的30.9倍。这表明与裸地相比，有植被覆盖的坡地能够显著降低坡面侵蚀。蔗地和裸地处理下，5—7月的坡面侵蚀量表现为：蔗地>裸地，而8—10月表现为裸地>蔗地。主要是因为前期蔗地的地表覆盖度低，且在种植甘蔗时，对土壤进行了翻动，导致地表土壤较为疏松，抗冲刷能力低，坡面易发生侵蚀。赵娅君等[32]研究了玉米作物对坡耕地的防蚀效果，指出玉米生长前期由于冠层较小，因而其抗侵蚀能力较弱，与本文中甘蔗作物的防蚀效应相一致。而到了后期，随着甘蔗的快速生长，蔗地的植被覆盖度迅速增加，其防蚀作用远大于裸地。因此，虽然甘蔗种植能够减少坡面侵蚀量，但其防蚀功能是随着甘蔗生长而不断增大，只有甘蔗生长达到一定的覆盖度以后，才能起到较好的保水固土作用[28]。

综合来看，蔗地、裸地和撂荒地处理下坡面产流产沙均主要发生在6—8月，分别占观测期内坡面总径流量和总侵蚀量的72.0%，71.4%，72.5%和98.4%，97.6%，83.9%。因此我们进行农业生产活动时，在水土流失高发期间，要注意加强防护，从而减少坡地水土流失。撂荒地相对于裸地和坡耕地有着更好的保水固土效果。

2.3 降雨特征与赤红壤坡面产流产沙特征相关分析

2020年5—10月研究区侵蚀性降雨共19场，降雨量变化范围为5.5～73.0 mm，平均雨强为1.4～219.0 mm/h，I30为3.0～147.0 mm/h。按照中国气象降雨等级划分标准[13]，研究区侵蚀性降雨划分为小雨、中雨、大雨和暴雨4个降雨等级(表2)。中雨降雨等级发生的频次最高，共12场，总降雨量220.0 mm，占总降雨场次和侵蚀性降雨总量的63.2%和39.6%。小雨、大雨和暴雨降雨等级分别为2，3，2场，分别占侵蚀性降雨总量的4.1%～31.3%不等。

表2 研究区2020年5—10月研究区侵蚀性降雨特征

为进一步探究坡面产流产沙的影响因素，对不同降雨特征参数与坡面水沙指标进行相关分析，结果见表3。

表3 各处理下研究区坡面水沙指标与降雨特征参数的相关分析

如表3所示，不同处理下，降雨量与坡面径流量和侵蚀量均呈极显著性正相关关系，且相关系数均大于0.7。表明降雨量是影响赤红壤坡地产流产沙最主要的因素。孙从建[7]、肖继兵等[8]在研究不同地区坡地土壤侵蚀时，同样指出降雨量与坡面产流产沙呈极显著的相关关系，与本文中研究结果一致。此外，李桂芳等[33]对该区域的研究表明，I30是影响坡耕地土壤侵蚀最重要的降雨特征参数，与侵蚀量、径流量均呈极显著的相关关系，且I30整体上数值较大且分布均匀(1.6～89.6 mm/h)。而本研究中I30与不同处理坡面径流量和侵蚀量均无显著相关关系，原因可能是本研究中除5月12日次降雨的I30(147 mm/h)较高外，其余处理下I30均低于40 mm/h。

不同处理下，坡面径流量和侵蚀量与降雨历时的相关性差异较大。降雨历时与蔗地和撂荒地处理的坡面径流量呈显著或极显著正相关关系，而与裸地则无显著性相关关系。降雨历时与裸地处理坡面侵蚀量表现为显著性相关关系，而与蔗地和撂荒地则无显著性相关关系。由此表明，降雨历时对蔗地与撂荒地处理产流影响较大，产沙影响较小；而对裸地产沙影响较大，产流影响较小。平均雨强仅仅反映的是某次降雨的总体特征，而不是降雨过程集中程度的差异，因而对坡面产流产沙影响较小[34]。周晗等[35]研究了晋西黄土区不同降雨因子对坡耕地土壤侵蚀的影响，同样指出平均雨强与坡面产流产沙相关性较低。

由图5a可知，不同处理下各降雨等级对坡面径流量的贡献率存在差异。蔗地、裸地和撂荒地处理下，中雨和暴雨是坡面径流的主要来源，其产生的径流量分别占观测期径流总量的36.1%，43.2%，33.2%和32.1%，35.4%，34.6%。而大雨和小雨产生的径流量分别占径流量的3.5%～26.1%不等。而任雨之等[9]对西南地区紫色土的研究指出，中雨降雨等级基本不造成侵蚀，坡面侵蚀主要来源是大雨和暴雨，本文研究结果与其存在明显不同。主要是因为观测期内降雨分布不同，本研究观测期内中雨降雨等级的降雨场次(12次)和降雨量均远高于大雨(3次)和暴雨(2次)降雨等级(表2)。除降雨总量外，降雨场次对坡地产流也有一定的影响[11,13]。

蔗地、裸地和撂荒地处理下坡面侵蚀量则主要来源于暴雨降雨等级(图5b)，分别占总侵蚀量的83.4%，76.0%和63.8%，其中8月6日的1场暴雨下，产生侵蚀量分别占总侵蚀量的82.6%(蔗地)，75.7%(裸地)和50.7%(撂荒地)，再次表明坡面产沙与高强度降雨关系密切。中雨或者大雨产生的侵蚀量则分别占总侵蚀量的5.3%～24.3%不等。此外，暴雨下裸地的坡面侵蚀量分别是蔗地和撂荒地的40.4倍和79.3倍，说明有植被覆盖的坡地能够有效抵御高强度的降雨，且整体上自然植被的水土保持效果要优于作物。

图5 广西壮族自治区不同降雨等级坡面径流量和侵蚀量比例

3 结 论

(1) 2020年5—10月，蔗地、裸地和撂荒地处理下坡面径流和侵蚀量整体上表现为先上升后下降的变化趋势，且主要集中在8月，分别占坡面总径流量和总侵蚀量的38.5%，50.6%，42.2%和91.9%，95.1%，59.3%。与裸地相比，蔗地和撂荒地能够有效降低坡面产流产沙量。裸地处理的坡面径流量分别为蔗地和撂荒地的2.8和4.3倍，侵蚀量分别为2.2和66.5倍。蔗地处理在前期(5—7月)抗侵蚀能力较弱，后期(8—10月)抗侵蚀能力较强，与地表覆盖关系密切。

(2) 坡面径流量和侵蚀量与侵蚀性降雨的分布特征密切相关。降雨量是影响坡面产流产沙最关键的因子，与坡面径流量和侵蚀量均呈极显著的正相关关系；其次是降雨历时因子，仅显著影响一定处理下的产流产沙。不同处理下，中雨和暴雨降雨等级是坡面径流的主要来源；坡面产沙则主要来源于暴雨，其次是中雨和大雨。