不同土地利用对江西红壤坡地产流产沙的影响

顾朝军，朱永清，黄立文，穆兴民，孙 宇，孙奇石，陈逸方

(1.长江水利委员会长江流域水土保持监测中心站，430012，武汉；

2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，712100，陕西杨凌)

南方红壤区是我国五大水力侵蚀类型区之一。由于该区降雨量居各区之首，地形破碎、坡度大、土壤抗蚀力弱，土层薄，导致其水土流失程度仅次于黄土高原[1-2]。江西省属于典型的南方红壤区，其红壤坡地水土流失面积超过全省土地总面积的20%[3-6]。江西省在全国水土保持监测站网一、二期工程中建设了一批典型地区水土保持定位监测站点，以推进红壤坡地产流产沙规律及水土保持措施效益等基础性研究。胡实等[7]基于水土保持监测站点数据，研究不同土地利用方式下红壤坡地产流产沙特征发现，径流泥沙主要集中在4—8月，且农作区的水土流失最为严重，并提出构建合理农林复合生态系统以进一步防治南方水土流失。红壤坡地柑橘(Citrusreticulata)园不同水土保持措施的效益分析表明，减流效益表现为工程措施<耕作措施<工程+植物措施<植物措施，而减沙效益表现为工程措施<耕作措施<植物措施<工程+植物措施[8]。水土流失监测站点是获取坡面及小流域水土流失状况及其因子最直接、最基础的地面定位观测站点[9-11]，是土壤侵蚀规律研究、水土保持效益评价、区域土壤侵蚀模型参数率定以及水土保持率远景目标计算等不可或缺的基础设施。2021年水利部提出要加强水土保持定位监测站点数据深度挖掘，提高水土保持监测站点成果利用价值。鉴于此，笔者基于江西省泰和县老虎山小流域综合观测站6个坡面小区2018—2020年野外实测产流产沙和降雨资料，研究红壤坡地产流产沙及其与降雨、土地利用、水土保持措施的关系，以期为红壤坡地土地利用管理和水土保持措施的实施提供科学依据。

实验点位于江西省泰和县老虎山小流域综合观测站内(E 114°53′03″，N 26°50′26″)。江西省泰和县老虎山小流域综合观测站位于江西省吉安市泰和县水土保持站内，属于江西省水土保持监督监测站站点之一。监测点于2009年5月建成，2012年投入运行。小流域属长江流域赣江支流，南方红壤区赣中低山丘陵土壤保持区，位于江西吉泰盆地中部，面积3.07 km2。小流域土地利用类型以林地、耕地和园地为主，分别约占流域总面积的55%、30%和10%。土壤为第四纪红黏土发育来的红壤和红壤性土，岩石类型有变余碎屑岩类、板岩类和千枚岩类。小流域属中亚热带季风湿润气候，气候温和，光照充足，冬冷春寒，夏热秋燥，春夏多雨，伏旱秋干，有霜期短，生长期长，年均约为降雨量1 400 mm，年平均气温18.6 ℃，无霜期288 d左右，年蒸发量为1 100 mm，全年日照时间平均1 800 h。流域内植被类型为中亚热带常绿阔叶林，现存植被以天然次生林和人工林为主，主要植被有杉木(Cunninghamialanceolata)、湿地松(Pinuselliottii)、杜鹃(Rhododendronsimsii)等乔木，以及毛竹(Phyllostachysheterocyclavar.pubescens)、百喜草(Paspalumnotatum)、狗尾草(Setariaviridi)等草本。

2.1 实验小区设计

泰和老虎山小流域坡面径流场共设置6个坡度为8°的长20 m、宽5 m(水平投影面积100 m2)径流小区。其中全裸对照小区1个(植被覆盖度小于5%)，措施小区5个。小区四边为浆砌石围埂，基础深至岩石层，围埂高出地面30 cm，防止外部径流进入小区。径流小区采用二级分流，分流池、集流池均是长方体，长1.2 m、宽1 m，无加盖，一级分流池分流高度1 m，二级分流池高度0.8 m，均采用5孔分流。观测径流小区位于坡中部，自动气象站距径流场15 m。小区编号及设置基本信息见表1。

2.2 径流和泥沙观测

径流小区在降雨之后观测降雨、小区产流和产沙情况。降雨采用翻斗式自记雨量器观测，当2场降雨时间间隔不超过6 h时，合并为1次降雨。降雨侵蚀力(R)采用Wischmeier等提出的以降雨动能(E)和最大30 min降雨强度(I30)的乘积计算[12]。

表1 泰和老虎山小流域坡面径流场小区设置基本信息Tab.1 Basic information about the plot setting of slope runoff field in Taihe Tiger Mountain watershed

该指标能较全面地表征降雨量、降雨历时、降雨强度、降雨动能等各项降雨侵蚀特征，受到广泛认同。计算方法为：

e=11.897+8.73lgI；

(1)

(2)

R=EI30。

(3)

式中：e为i时段内单位雨量的动能，J/(m2·mm)；
I为i时段平均降雨强度，mm/h；
P′为i时段的降雨量，mm；
n为分段数。具体操作是将降雨过程分成若干降雨强度近似的时段，根据各时段I与e的统计关系计算各时段分段雨能，累加得次降雨的总动能E。

径流采样时，首先读取集流池水面所在刻度值，根据集流池面积扣除地表降雨确定径流量。之后用铁锹搅动集流池中泥水，使泥沙和水充分混合均匀，打开集流池边搅边采样，保证取样均匀，每个集流池内取3次，每个取样瓶取1 000 mL。采样结束后，用清水将径流池冲洗干净。将样品带回实验室进行烘干(105 ℃)、称量、计算相应含沙量，根据泥沙量=径流泥沙混合样×含沙量计算出土壤侵蚀量[13-15]。

3.1 降雨特征

2018—2020年坡面径流场区域内多年平均降雨量1 470.3 mm，年均降雨时间152 d，年均降雨侵蚀力9 366.3 MJ·mm/(hm2·h)，2020年大于2019和2018年(表2)。2018—2020年共发生侵蚀性降雨107次(年均36次)，其中2018年29次，2019和2020年各39次，对应的侵蚀性降雨量分别为888.4、1 316.4和1 379.6 mm。共发生暴雨14 d(年均5 d)，其中2018、2019和2020年暴雨量分别为259.4、479.3和366.2 mm。

表2 泰和老虎山小流域坡面径流场降雨指标Tab.2 Rainfall indexes in the slope runoff field of Taihe Tiger Mountain watershed

对历年107场次侵蚀性降雨特征分析表明，发生产流的降雨历时平均值1 015 h，降雨量平均值33.5 mm，平均降雨强度平均值4.78 mm/h，I30平均值21.46 mm/h，降雨侵蚀力平均值263.5 MJ·mm/(hm2·h)。从各降雨指标箱式图(图1)看，降雨侵蚀力波动最大，极差达8 997.93 MJ·mm/(hm2·h)，变差系数(coefficient of variation，CV)高达3.429，属高度变异。

I30 is maximum rainfall intensity during 30 minutes. The same below.图1 泰和老虎山小流域2018—2020年各降雨指标箱式图Fig.1 Box diagram of rainfall indexes in Taihe Tiger Mountain watershed from 2018 to 2020

3.2 产流产沙特征

各小区场次产流产沙特征差异明显，裸地小区场次产流产沙量明显大于措施小区。A号(裸地小区)、B号(柑橘)和C号(油茶)小区产流107次，D号(百喜草)和E号(湿地松+樟树)小区102次，F号(湿地松+杜鹃)小区仅94次，F号小区相比裸地小区产流次数减少12.15%(表3)。从径流深看，裸地小区的场次径流深和土壤流失量平均值显著高于其他措施小区，径流深分别是柑橘小区的1.4倍、油茶小区的1.3倍、百喜草小区的2.4倍、湿地松+樟树小区的3.3倍、湿地松+杜鹃小区的5.6倍；
土壤流失量分别是柑橘小区的2.4倍、油茶小区的3.2倍、百喜草小区的6.4倍、湿地松+樟树小区的52.0倍、湿地松+杜鹃小区的183.8倍。小区场次径流深最大值介于124.1～193.1 mm之间，CV值介于1.725～4.333之间；
场次土壤流失量最大值介于14.14～3 864.10 t/(km2·a)之间，CV值介于2.239～3.791之间，场次径流泥沙波动剧烈。

表3 泰和老虎山小流域坡面径流次径流深和土壤流失量统计Tab.3 Statistics of slope runoff and individual runoff depths and soil loss in Taihe Tiger Mountain watershed

不同径流小区的年内分配趋势基本一致。小区径流深和土壤流失量主要集中在6月和7月，6—7月径流深占年总径流深的64.67%，土壤流失量占年总土壤流失量的73.37%(表4)。这是由于6—7月为该地区的主汛期，70%以上的侵蚀性降雨出现在6—7月。不同径流小区间，裸地小区各月径流深和土壤流失量大于措施小区(表4)。不同月份间，各小区1—6月径流深和土壤流失量呈增加趋势，7—12月呈减少趋势，这与降雨量的变化有关。江西省属于中亚热带湿润季风气候，汛期早于长江中上游，5月进入主汛期，8月汛期基本结束，雨量减少，各小区土壤流失量降低[3,6]。

表4 泰和老虎山小流域坡面小区各月径流深和土壤流失量统计Tab.4 Statistics of monthly runoff depth and soil loss on the slope plots of Taihe Tiger Mountain watershed

3.3 水土保持措施效益

如表5所示，裸地小区年均径流深605.2 mm，年均土壤流失量3 987.9 t/km2，达中度侵蚀。柑橘小区年均土壤流失量1 655.6 t/km2，油茶小区年均土壤流失量1 282.4 t/km2，百喜草年均土壤流失量597.0 t/km2，为轻度侵蚀；
湿地松+樟树小区和湿地松+杜鹃年均土壤流失量分别为73.6和18.7 t/km2，为微度侵蚀。与裸地小区相比，柑橘小区年均减流效益28.16%，年均减沙效益58.48%；
油茶小区年均减流效益20.6%，年均减沙效益67.84%；
百喜草小区年均减流效益59.59%，年均减沙效益85.03%；
湿地松+樟树小区年均减流效益70%，年均减沙效益98.16%；
湿地松+杜鹃年均减流效益83.99%，年均减沙效益99.53%。相比而言，人工混交林的保水保土能力高于其他措施。混交林林分结构层次明显，冠层截流量大，林下盖度高，植被截流保土能力强，水土流失少[1]。柑橘和油茶小区受摘果和采茶等人为活动的影响，整体覆盖度不高，导致保水保土能力较差，水土流失依然较大[5]。

表5 泰和老虎山小流域坡面径流小区水土保持措施2019—2020年平均减流减沙效益Tab.5 Effects of soil and water conservation measures on the runoff and sediment reduction on the slope runoff plots of Taihe Tiger Mountain watershed from 2019 to 2020

不同年份间，措施小区2018—2019年减流效益大于2020年，减沙效益小区小于2020年(图2)。主要是降雨量和降雨侵蚀力差异引起。从不同年份措施小区水土保持效益变化看，各植被措施小区之间减流减沙效益变化基本一致，整体表现为F>E>D>C>B。

图2 泰和老虎山小流域坡面径流场水土保持措施坡面小区2018—2020年减流效益和减沙效益Fig.2 Runoff reduction benefits and sediment reduction benefits of slope plots with soil and water conservation measures in the slope runoff field of Taihe Tiger Mountain watershed from 2018 to 2020

3.4 产流产沙驱动因子分析

降雨量是产流量的主要驱动因子，而降雨侵蚀力是产沙量的主要驱动因子。径流小区径流深和土壤流失量与降雨因子相关系数见表6和表7。6个小区径流深与降雨量相关性均达显著性水平(P<0.01)，且有4个径流小区(裸地、柑橘、茶园、百喜草小区)的径流深与降雨量相关系数在降雨指标中排第一(表6)，表明降雨量是影响径流深的主要因子。这与南方红壤区蓄满产流机制相符[16]。6个小区土壤流失量与降雨侵蚀力均呈显著相关(P<0.01)，且同样有4个小区(裸地、柑橘、)土壤流失量与降雨侵蚀力相关系数在降雨指标中排第一(表7)，表明降雨侵蚀力是小区产沙的主要驱动因子。不同小区降雨因子和径流深(土壤流失量)的相关性差异也表明，水土保持措施会影响降雨对产流产沙控制能力，甚至直接消除降雨对产流产沙的影响。这也侧面反映出人类活动干扰会对产流产沙的产生极大影响，因此应重视人为水土流失防治。

表6 泰和老虎山小流域坡面径流小区径流深与降雨因子相关系数Tab.6 Correlation coefficient between runoff depth and rainfall factors in the slope runoff plots of Taihe Tiger Mountain watershed

表7 泰和老虎山小流域坡面径流小区土壤流失量与降雨因子相关系数Tab.7 Correlation coefficient between soil loss and rainfall factors in the slop runoff plot of Taihe Tiger Mountain watershed

点绘径流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蚀力关系(图3)，可进一步了解小区径流深和土壤流失量变化原因。相同降雨量条件下，裸地径流小区径流深和土壤流失量均大于措施小区，说明合理的水土保持措施能有效降低小区产流产沙量。不同措施小区间，湿地松+樟树小区和湿地松+杜鹃小区的散点最靠近横轴，表明相同降雨量和降雨侵蚀力条件下该小区产流产沙量最小。

拟合各小区径流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蚀力线性关系(表8)表明，措施小区方程斜率明显低于裸地小区。方程斜率项可以看成单位降雨量的产流能力和单位降雨侵蚀力的产沙能力。对比各小区斜率项表明，措施小区单位降雨量产流能力低于裸地小区14.95%(油茶)～61.86%(湿地松+杜鹃)，单位降雨侵蚀力产沙能力低于裸地小区61.45%(柑橘)～99.73%(湿地松+杜鹃)。综上表明，水土保持措施引起降雨对地表坡面的产流产沙能力降低是径流泥沙减少的主要原因。

图3 径流小区2018—2020年径流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蚀力关系Fig.3 Relationship between runoff depth and precipitation as well as soil loss and rainfall erosivity in the runoff plots from 2018 to 2020

表8 各径流小区径流深和降雨量、土壤流失量和降雨侵蚀力线性关系

与裸地小区相比，2018—2020年实验站采用的水土保持措施年均减流效益介于20.60%～83.99%之间，年均减沙效益介于58.48%～99.53%之间，减沙效益大于减流效益，结果与张杰等[8]研究一致。不同土地利用间，经果林减流减沙效益<草地<林地，林地截流能力大，林下地表植被覆盖度高是减流减沙效益大的主要原因。这结果与汪邦稳等[9]基于人工模拟降雨实验的研究结果一致。因此，建议当地水土保持生态建设过程中，应以混交林措施为宜，同时注意单种林地林下植被的抚育管理，增大林下盖度，优化林分结构，提高林地水土保持功能，减少水土流失[17-19]。不同月份间，5—6月小区水土流失量最大，占水土流失总量的60%以上，应注意该时段的水土流失防治。

值得注意的是，由于国内水土保持定位观测起步晚，基础设施设备薄弱，在线实时监测能力低[20-21]。这导致土壤侵蚀过程研究缺乏实测数据，一定程度上限制了水土保持学科发展。建议有关部门加快推进全国水土保持监测站点优化布局工程，建设功能完备的水土保持站网体系，支撑水土保持科学研究、水土保持效益评估、土壤侵蚀模型参数率定等。

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