苏南丘陵区坡面经济林土壤侵蚀特征

杨 瑞,吴朝明,朱 骊,胡海波*

(1.南京林业大学林草学院、水土保持学院,江苏 南京 210037;2. 江苏省水文水资源勘测局无锡分局,江苏 无锡 214100)

土壤侵蚀是全球范围内广受关注的环境问题。据2021年全国水土流失动态监测结果显示,全国水土流失面积267.42万km2,占国土面积(未含港澳台地区)的27.96%,其中水力侵蚀面积为110.58万km2,占水土流失总面积的41.35%[1]。坡面是土壤侵蚀发生的主要场所,深入探讨坡面经济林土壤侵蚀规律,对有效防治水土流失,提高经济林产量和经济效益具有重要意义[2-4]。朱元皓[5]发现不同经济林坡面的土壤抗蚀性指数不一,茶园(88.00%) >针阔混交林(85.33%)>脐橙林(76.44%)>竹林(53.78%)>荒地(21.78%);张文源等[6]研究了喀斯特黄壤区坡面土壤侵蚀特征,指出坡面产沙量年内分布极为不均, 5—8 月的产沙量年内占比最大,且少数暴雨贡献了绝大部分产沙量。Adimassu等[7]研究指出,植被覆盖度对土壤侵蚀量有显著影响,秋冬季落叶阔叶林覆盖度减少,土壤侵蚀加剧;而春夏时期林木枝叶繁茂,即使降雨量增大但土壤侵蚀量反而降低。总体而言,影响经济林坡面土壤侵蚀的因素众多,林分类型、降雨特征与经营管理方式等均会对其产生不同程度的影响,且不同影响因子互相制约,导致经济林坡面土壤侵蚀差异明显[8-10]。

苏南丘陵区位于我国东部区域,经济林种植范围广、种类(品种)多,主要有桃园、茶园和毛竹林等。由于经济林坡地独特的地形条件,短时高强度降雨、不合理的管理措施以及人为活动的破坏等,使得该地区水土流失问题日益严重,造成土壤质量逐步降低,进而制约当地生态安全与林业的可持续发展[11-12]。苏南丘陵区经济林地人为活动频繁,改变小地形和降低植被覆盖度,常导致严重的土壤侵蚀,但该区域坡地土壤侵蚀规律的研究鲜有报道。因此,本研究在无锡宜兴市张渚镇建立水土流失径流小区及其配套观测设备,通过野外径流小区观测试验,比较不同种经济林坡面产流产沙特征,结合降雨特征、径流特征与地表覆盖等参数,探讨除草措施和种植方式对经济林坡地土壤侵蚀的影响,以揭示苏南丘陵区经济林地土壤侵蚀特征及其影响机制。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江苏宜兴水土保持科技示范园区(119°33′～120°38′ E,31°07′～32°02′ N),园区地处宜兴市张渚小流域,毗邻太湖水系,是苏南地区典型的经济林坡地分布地带。区内经济林种类繁多,主要林种有桃林、茶园、板栗林与毛竹林等,各林分分布面积均达135 hm2以上;土壤主要为第四纪下蜀黄土母质发育而成的黄棕壤,质地多呈壤土、黏壤土,土层厚度50～150 cm,表层(0～20 cm)土壤容重为1.32 g/cm3,pH 6.80～7.42,呈中性至弱碱性;气候类型为北亚热带湿润季风气候,四季分明,雨热同期,多年平均降雨1 127.7 mm,其中5—10月降水占全年降水量的80%以上,多年平均气温16.2 ℃,年平均日照1 924.3 h,日照率43%,无霜期249 d,年蒸发量在1 400～1 800 mm;地貌多为浅丘低岗,坡地广布,丘陵坡地面积达681 km2,坡度主要介于5°～25°、海拔30～100 m;现存植被多以人工经济林和天然次生林为主,植被类型为北亚热带常绿阔叶混交林,主要树种有桃树(Prunuspersica)、茶树(Camelliasinensis)、板栗(Castaneamollissima)与毛竹(Phyllostachysheterocycla)等乔灌木,以及矮牵牛(Petuniahybidavilm)、芭茅(Miscanthusfloridulus)和狗尾草(Setariaviridis)等草本植物。

1.2 试验设计

本研究中水文泥沙数据来源于2019年建设的江苏宜兴水土保持科技示范园区的径流小区观测站。站内设有5个标准径流小区(坡度10°),长20 m(与等高线垂直)、宽5 m(与等高线平行),投影面积为100 m2。径流小区的土地利用方式、林分生长状况及管理措施以当地主要经济林现状为依据(表1)。

表1 径流小区概况

设置5个类型的径流小区,分别为Ⅰ-桃林(有草)、Ⅱ-桃林(无草)、Ⅲ-裸地、Ⅳ-茶园(顺坡)和Ⅴ-茶园(横坡)。不同径流小区内的坡度和土壤条件均保持一致,四周修筑围埂,高出地表30 cm、埋深45 cm;径流小区下方根据试验区50年一遇、历时24 h暴雨对应最大产流,设计圆形集流槽和分流桶,承接小区径流泥沙。管理措施主要包括每月定期2次对经济林生长状况进行调查,记录树高、郁闭度和林下植被覆盖度等指标,并依据当地经济林种植栽培和经营管理习惯进行除草、修枝和施肥等。

1.3 指标观测及数据分析

观测时间为2021年1—12月,在径流小区旁设有虹吸式自计雨量计,测定指标包括降雨量、降雨历时、平均降雨强度、最大30 min降雨强度(I30,maximun rainfall intenstiy of 30 min)等参数;设置土壤含水量自动监测仪(TH-TS 400,云境天合,中国),测定雨前土壤含水量和雨后土壤含水量。径流小区产流产沙数据以自动监测和人工测量相结合,记录每次降雨的产流、产沙数据,且在降雨产流后人工测量沉砂池中的径流总量,并搅拌均匀、采样并测定泥沙含量,产沙量为含沙量与径流总量的乘积。土壤侵蚀量为每次降雨后产沙量与小区投影面积(100 m2)的比值,并将单位转化为标准单位 t/km2。

用Excel 2010和SPSS 26.0进行数据分析,以Origin 2018完成图表绘制。

图1 不同类型径流小区的月径流量和土壤侵蚀量分布Fig. 1 Distribution of monthly runoff and soil erosion for each plot

2 结果与分析

2.1 不同类型经济林土壤侵蚀特征

2.1.1 年径流量和土壤侵蚀量变化

不同类型经济林径流小区年径流量为1 252.35～6 016.2 m3/km2,即Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(无草),Ⅴ-茶园(横坡)<Ⅳ-茶园(顺坡),Ⅲ-裸坡(空白)最大(表2)。其中,未采取除草措施的桃林Ⅰ较无草措施的桃林Ⅱ年减流效益达156.3%;横坡种植的茶园Ⅴ较顺坡种植的茶园Ⅳ年减流效益达57.0%;而不同种植管理下的经济林坡面较裸坡(空白)减少径流50.6%～380.4%。坡面年径流系数介于8.4%～40.3%,不同类型径流小区年径流系数变化与年径流量相同。

经济林坡面年土壤侵蚀量为106.3～651.74 t/km2,具体表现为:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(无草),Ⅴ-茶园(横坡)<Ⅳ-茶园(顺坡),Ⅲ-裸坡(空白)最大,与径流量对比变化一致。其中,与除草的桃林相比,保留草本植物的桃林减沙效益达156.3%;横坡茶园较顺坡茶园减沙效益达41.5%,而不同种植管理下的经济林坡面较裸坡(空白)减少土壤侵蚀155.3%～513.1%。综上,不同类型经济林径流小区年产流、产沙变化趋势一致,年径流量和径流系数越大,年土壤侵蚀量也越大;除草措施大大加剧了桃林的土壤侵蚀,而茶园采取横坡种植较顺坡减沙效益更为明显。

表2 不同类型经济林径流小区年径流量和土壤侵蚀量

2.1.2 月径流量和土壤侵蚀量变化

2021年不同类型经济林小区土壤侵蚀均发生在1—11月(图1),各径流小区月径流量、土壤侵蚀量均表现为:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(无草)、Ⅴ-茶园(横坡)<Ⅳ-茶园(顺坡)、Ⅲ-裸坡(空白)最大。

由图1a可知,所有径流小区月径流量均集中在5—8月,7月径流量>8月径流量>6月径流量>5月径流量,5个径流小区5—8月径流量为907.90～4 476.30 m3/km2,分别占全年径流量的72.5%、74.9%、74.4%、73.0%和77.9%。与坡面径流量分布不同,5个径流小区土壤侵蚀量集中在5—8月,但7月土壤侵蚀量>8月土壤侵蚀量>5月土壤侵蚀量>6月土壤侵蚀量(图1b),不同小区5—8月土壤侵蚀量在80.50～477.59 t/km2之间,分别占全年侵蚀量的75.70%、70.00%、68.70%、73.64%和74.80%。综上,不同种植管理方式径流小区径流量与土壤侵蚀量主要发生在5—8月,期间径流量占全年72.50%以上,侵蚀量占全年68.70%以上,但两者月变化趋势略有不同。

2.1.3 次降雨径流量和土壤侵蚀量变化

2021年1—11月研究区共发生侵蚀性降雨38场(图2),不同类型径流小区次降雨径流量、侵蚀量均表现为:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(无草)、Ⅴ-茶园(横坡)<Ⅳ-茶园(顺坡)、Ⅲ-裸坡(空白)最大。

图2 不同径流小区次降雨的产流产沙量分布Fig. 2 Distribution of runoff and soil erosion yield of every rain for each plot

由图2a可知,Ⅰ—Ⅴ小区次降雨径流量分别为10.35～191.85、16.00～466.30、25.30～648.00、17.70～499.0和13.70～365.00 m3/km2,1—4月的12场降雨径流量波动较小且均小于100.00 m3/km2,而5—11月波动幅度明显,且整体大于1—4月。Ⅰ—Ⅴ小区径流量均在7月24日达到峰值,分别为191.85、466.30、648.00、499.00和365.00 m3/km2,占年总径流量的15.3%、14.5%、10.8%、12.5%与14.4%。与径流量不同,Ⅰ—Ⅴ 小区次降雨土壤侵蚀量分别为0.40～8.40、0.70～21.20、6.40～55.75、1.20～18.5和0.60～14.80 t/km2。Ⅰ—Ⅳ 小区次降雨土壤侵蚀量波动范围主要体现在6—10月的18场侵蚀性降雨,其余各月份相对平稳,全年80%土壤侵蚀量小于10.00 t/km2,而V-裸坡(空白)全年变化幅度大,且80%的土壤侵蚀量大于10.00 t/km2。Ⅱ-桃林(无草)在1—2月的4场侵蚀降雨土壤侵蚀量变化也较为明显,且侵蚀量增幅明显,大大高于其他覆被坡面。Ⅰ-桃林(有草)次降雨土壤侵蚀量在8月24日达到峰值,为8.40 t/km2,占总侵蚀量7.9%,而Ⅱ～Ⅴ 小区均在7月24日达到峰值,分别为21.20、55.75、18.50和14.80 t/km2,分别占年总侵蚀量的6.3%、4.5%、7.1%和8.0%。

2.2 土壤侵蚀影响因素分析

2.2.1 单因素相关分析

对Ⅰ—Ⅴ径流小区土壤侵蚀量及其影响因素进行单因素相关分析,分析因素包括降雨特征参数(降雨历时、降雨量、平均雨强、最大30 min雨强(I30)、坡面特征参数(径流深、径流系数、雨前土壤含水量(W1)、雨后土壤含水量(W2)。由表3可知,Ⅰ-桃林(有草)径流小区土壤侵蚀量与降雨量、平均雨强、I30、径流深和雨后土壤含水量(W2)呈极显著正相关(P<0.01),以降雨量相关系数最高(0.639),与其他影响因素相关性不显著(P>0.05);Ⅱ-桃林(无草)小区与降雨量、平均雨强、130、径流深、呈极显著正相关(P<0.01),以径流深相关系数最高(0.695),与其他影响因素相关性不显著(P>0.05);Ⅲ-裸坡(空白)小区与降雨量、平均雨强、I30和径流深呈极显著正相关(P<0.01),以降雨量相关系数最高(0.825),与其他影响因素相关性不显著(P>0.05);Ⅳ-茶园(顺坡)小区与降雨量、平均雨强、I30、径流深和雨后土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01),以径流深相关系数最高(0.725),与径流系数、雨前土壤含水量显著相关(P<0.05),与其他影响因素相关性不显著(P>0.05);Ⅴ-茶园(横坡)与降雨量、平均雨强、I30和径流深呈极显著正相关(P<0.01),以径流深相关系数最高(0.757),与径流系数显著相关(P<0.05),与其他指标相关性不显著(P>0.05)。综上,不同经济林坡面土壤侵蚀量均与降雨量、平均雨强、I30和径流深显著正相关(P<0.01),与降雨历时相关性均不显著(P>0.05),与雨前土壤含水量、雨后土壤含水量关系相对复杂。

表3 不同类型径流小区土壤侵蚀与影响因素Pearson相关分析

2.2.2 多元回归分析

由单因素相关分析可知,不同类型经济林小区土壤侵蚀量与多种因素均存在相关性,且这些因子之间大多也密切相关。根据5个径流小区的土壤侵蚀量和坡面特征参数,将地表覆盖度因子纳入进行多元逐步回归分析(表4)。从模型标准系数来看,径流深的标准系数为0.744,并随着模型不断纳入新的变量,权重逐步降低;与其他影响因素相比,径流深对土壤侵蚀量的影响最大。分析结果表明,径流深能够单独解释土壤侵蚀量变异的55.3%,而径流深、地表覆盖度、I30、雨前土壤含水量(W1)和雨后土壤含水量(W2)只能解释土壤侵蚀量变异的74.1%,最优模型为SE=0.499D-0.445C+ 0.221I30-0.139W1+ 0.101W2,表明经济林坡面土壤侵蚀受径流深、地表覆盖度、I30、雨前土壤含水量和雨后土壤含水量的影响较大。

表4 土壤侵蚀与影响因素多元回归分析

3 讨 论

本研究结果表明,不同类型经济林径流小区土壤侵蚀量与降雨量、平均雨强、I30以及径流深均呈显著正相关,与雨前土壤含水量等因素相关性较为复杂,其中坡面土壤侵蚀量与径流深关系最为密切(R2=0.553)。 在研究区具体表现为:

1)2021年苏南丘陵经济林坡地产流产沙主要发生在5—8月,期间各径流小区土壤径流量占比大于72.5%、侵蚀量占比大于68.7%。其中,不同径流小区坡面产流产沙均体现为:Ⅰ-桃林(有草)<Ⅱ-桃林(无草)、Ⅴ-茶园(横坡)<Ⅳ-茶园(顺坡),Ⅲ-裸坡最大。

2)次降雨下,高强度降雨对坡面侵蚀具有重要影响影响,Ⅰ—Ⅴ径流小区最大径流量达15.3%、14.5%、10.8%、12.5%、14.4%,侵蚀量达7.9%、6.3%、4.5%、7.1%、8.0%。

土壤侵蚀模数反映了区域内不同影响因素(降雨、地形、植被、土壤和人为管理等)对土壤侵蚀的综合影响状况,是研究区域土壤侵蚀特征和程度的基础[13-15]。本研究发现,除草明显加剧了桃林的土壤侵蚀,原因在于清除杂草降低了地表覆盖度,增大了地表径流的侵蚀动能;横坡种植的茶园减沙效益优于顺坡种植,原因在于横坡种植减缓了坡面产流,起到防治土壤侵蚀的作用;裸坡遭受侵蚀的时间最长,且土壤破坏不断加剧,导致土壤侵蚀量明显高于其他经济林坡地,这与林代杰等[16]、张祖莲等[17]和Huang等[18]研究结果一致。不同类型径流小区产流产沙均集中在5—8月,径流量、侵蚀量分别占全年68%和72%以上,原因在于雨季(5—8月降雨量占全年67.7%)土壤遭受多次蓄满、超渗产流,土壤入渗速率下降,地表径流加大,导致坡面产流产沙加剧,这与前人研究结果一致[19-21]。相关研究表明,由于不同时期的作物生长状态不同,地表覆盖状况等坡面特征参数在不同月份也明显不同,加之降雨分布差异,导致坡面产流产沙差异明显[22-24]。如本研究6月较5月径流量增加,但坡面侵蚀量却减小(图2),可能原因是6月坡面覆盖度逐渐升高,降低了降雨击溅侵蚀力等作用,从而坡面侵蚀较5月降低[25];Ⅱ-桃林(无草)在1—2月份土壤侵蚀量明显高于其他覆被小区, 可能原因为桃林小区1—2月仍处于落叶状态,且枯落物被人为清理坡面,导致地被覆盖度大大减少(<20%),从而水力侵蚀作用显著增加[26]。

在土壤侵蚀影响因素分析中,多数研究发现,土壤侵蚀与降雨历时、降雨量和降雨强度等均密切相关,且不同区域、不同时段土壤侵蚀的主要影响因素存在差异[27-29]。本研究结果表明,降雨特征对土壤侵蚀量的影响最大,降雨量、平均雨强与I30与土壤侵蚀量均呈极显著相关关系,而降雨历时与土壤侵蚀量无显著相关,可能原因在于研究区降雨分布不均匀,多以短时、强降雨为主,因而坡面产流产沙主要受到I30(R为0.593～0.661)和降雨量(R为0.639～0.825)的影响[30]。进一步的多元回归分析也表明,径流深与土壤侵蚀的关系最为密切(R2=0.553),而径流深受降雨、坡面特征等共同影响,再次验证了单因素相关分析中降雨特征与坡面侵蚀的极显著相关关系。多元回归的最优模型为径流深、地表覆盖度、I30、雨前土壤含水量和雨后土壤含水量等多因素对坡面侵蚀量的统计关系式(R2=0.757),高于单一因子对于土壤侵蚀量变化的解释率,但模型精度仍有待提高。相关研究表明[31],坡面侵蚀量在年际间存在巨大差异,同时坡长对土壤侵蚀也有显著影响。因此,在后续的研究中应加长观测时间,并进一步探讨坡面土壤侵蚀年际变化特征以及坡长等因素对土壤侵蚀的影响。