元謀干熱河谷優(yōu)勢鄉(xiāng)土草群落水土保持效益研究

張明忠, 何光熊, 方海東, 熊東紅, 冉 林, 張寶軍, 史亮濤

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所, 云南 元謀 651300; 2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041; 3.云南省元謀縣水土保持辦公室委員會, 云南 元謀 651300)

元謀干熱河谷優(yōu)勢鄉(xiāng)土草群落水土保持效益研究

張明忠1, 何光熊1, 方海東1, 熊東紅2, 冉 林3, 張寶軍2, 史亮濤1

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所, 云南 元謀 651300; 2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041; 3.云南省元謀縣水土保持辦公室委員會, 云南 元謀 651300)

通過在金沙江元謀干熱河谷不同坡度徑流小區(qū)內(nèi)人工構(gòu)建優(yōu)勢鄉(xiāng)土草群落，研究了自然降雨對不同坡度徑流小區(qū)產(chǎn)流量和泥沙量的影響。結(jié)果表明：不同徑流小區(qū)產(chǎn)流量和土壤侵蝕模數(shù)與降雨量呈正相關(guān)，與植被蓋度呈負(fù)相關(guān)；種植處理與對照CK差異顯著，且小區(qū)坡度越大越顯著；降雨利用率隨坡度增加而減少，而且鄉(xiāng)土草植被群落蓋度越大小區(qū)降雨利用率越高。通過構(gòu)建鄉(xiāng)土草群落能有效地降低水土流失，增加降雨利用率，且隨著坡度增大，水土流失治理效果越明顯。

干熱河谷; 鄉(xiāng)土草; 侵蝕模數(shù); 徑流量; 水土保持

金沙江干熱河谷區(qū)氣候炎熱干旱，水土流失強(qiáng)烈，土地退化嚴(yán)重，干熱少雨的氣候環(huán)境和復(fù)雜的土壤質(zhì)地造就了天下元謀土林奇觀的美譽(yù)。元謀干熱河谷面積67 hm2，氣候干旱，植被稀疏，降雨集中，高溫持續(xù)時(shí)間長，土壤質(zhì)地復(fù)雜等諸多因素是導(dǎo)致該區(qū)水土流失嚴(yán)重的主要原因。嚴(yán)重的坡地水土流失導(dǎo)致農(nóng)業(yè)資源遭到破壞，生態(tài)環(huán)境惡化，土壤退化嚴(yán)重，土地生產(chǎn)力降低，影響水資源的有效利用[1-2]，人工植被建植是一種常用且有效的生物防治水土流失措施[3]，大量研究表明，植被建植對水土流失具有很好的防治效果，可固土改土、明顯減少地表徑流和土壤侵蝕量[4-5]。為遏制該區(qū)的土壤流失，擬利用優(yōu)勢鄉(xiāng)土草植物資源攔截降雨，研究其對土壤的侵蝕的影響。鄉(xiāng)土草具有抗旱能力和適應(yīng)性強(qiáng)，生物量高，穩(wěn)定性好，管理簡便等優(yōu)勢，地下根系及種子具有“野火燒不盡，春風(fēng)吹又生”的效果。十五期間以來，紀(jì)中華[6]利用羅望子等喬灌木對水土保持效益研究評價(jià)，張映翠[7]利用鄉(xiāng)土草本植物與退化土壤間的相互作用為切入點(diǎn)對該區(qū)生態(tài)環(huán)境和效益及土壤修復(fù)改良做了大量研究，但對鄉(xiāng)土植被與地面水土流失方面沒有更多的闡述。本文重點(diǎn)利用鄉(xiāng)土草被對土壤退化區(qū)在不同坡度和蓋度條件下阻止水土流失及有效降雨利用率方面進(jìn)行相應(yīng)研究。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所苴林試驗(yàn)地內(nèi)，處于金沙江元謀干熱河谷區(qū)。該區(qū)氣候干旱燥熱，海拔1 088～1 167 m，土壤水分低于凋萎濕度的時(shí)期長達(dá)7～8個月。光熱充沛，氣候炎熱干燥，旱濕季分明，干熱少雨，蒸發(fā)量是降水量的6.4倍，年均氣溫21.9℃,極端最高溫42℃，極端最低溫-2℃，≥12℃的持續(xù)天數(shù)349 d，≥10℃積溫7 786℃，是典型的南亞熱帶季風(fēng)河谷干熱氣候；年降水量600～800 mm，集中在5—9月，土壤屬干熱燥紅土，土壤貧瘠，中性偏酸[8]。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

在野外試驗(yàn)地用磚切成高于地面規(guī)格(L×W×H)為2.5 m×25 m×1 m的徑流小區(qū)，每個徑流場彼此平行相鄰，供試土壤為清除雜質(zhì)的壓碎的紫色土壤，填平徑流場，并平整小區(qū)土壤表面，土壤表面低于徑流場隔埂10 cm以上，以防強(qiáng)降雨對相鄰小區(qū)的影響。試驗(yàn)坡度設(shè)置為5°，10°，20°三種，每個徑流小區(qū)坡底部的徑流池分別有大小各一個，規(guī)格(L×W×H)分別為1.0 m×1.0 m×1.0 m和1.0 m×1.0 m×0.5 m，分別用來收集地表徑流和地下壤中流。徑流場和徑流池及連接的徑流槽內(nèi)側(cè)均用水泥砂灰抹平，其間用PVC管鏈接產(chǎn)生的徑流到徑流池中。土壤底部保持與土面相同坡度收集壤中流于小區(qū)底部下端，用PVC管導(dǎo)出測定壤中流量。小區(qū)坡面下部用集流裝置收集地表徑流：底端土壤表面用管槽接入大徑流池，測定每次產(chǎn)生的徑流量和泥沙含量。在植被處理小區(qū)內(nèi)等量混播種植鄉(xiāng)土草種扭黃茅(HeteropogoncontoursL. Beauv.)和三芒草(Andropogonchinensis)，每個坡度設(shè)置一個對照CK(無植被種植)，種植處理區(qū)3個重復(fù)。定植當(dāng)年2013年開始連續(xù)3 a雨季測定降雨量和每次每個徑流場產(chǎn)生的徑流量，并充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，取?00～1 000 ml 進(jìn)行過濾，將泥沙烘干、稱量，把烘干樣放于干燥器保留，折算徑流量及土壤侵蝕量，同時(shí)把徑流池清理干凈以便承接下次徑流。采用虹吸式自計(jì)雨量計(jì)觀測降雨量。待雨季過后，完成全年取樣。加和計(jì)算各次數(shù)據(jù)，得到全年徑流量和土壤侵蝕量以及降雨利用率。降雨利用率=(當(dāng)年降雨量—徑流量)×100%/當(dāng)年降雨量，其中把徑流量按單位面積折換成降雨量，即徑流量/小區(qū)面積×1 000。

3 結(jié)果與分析

3.1 草本覆蓋下不同坡度對降雨產(chǎn)生的徑流和土壤侵蝕量的影響

降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)等降雨特征對降雨徑流輸沙的形成有重要影響[9-10]。降雨類型與水土流失的程度、分布規(guī)律、發(fā)生頻率等特征都存在著極為密切的關(guān)系[11-13]。2013—2015年連續(xù)三年各年降雨量分別為762.9，520.8，659.2 mm。在3種坡度的對照CK小區(qū)，所有侵蝕模數(shù)隨坡度增加而增大，坡度越大，侵蝕模數(shù)越大。2014年5°至20°CK從147.33 t/km2猛增加到2 358.15 t/km2，其中5°與10°坡度增幅不明顯，20°坡度增幅顯著。同等坡度下種植鄉(xiāng)土草的小區(qū)的侵蝕模數(shù)均較CK小，在未種植植被的CK小區(qū)5°與10°坡度土壤侵蝕模數(shù)隨時(shí)間而增加，20°坡度小區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)略有降低；而種植有鄉(xiāng)土草植被的小區(qū)土壤侵蝕模數(shù)均隨種植年限而減少，20°坡度小區(qū)在2015年增加降雨量的前提下減少量較大，從2014年的174.73 t/km2到次年的31.21 t/km2。數(shù)據(jù)表明：無植被的CK產(chǎn)生的徑流和泥沙均高于有植被的小區(qū)，而且產(chǎn)沙量隨坡度的增大而增多，5°與10°緩坡對水土流失具有一定的緩沖作用，水土流失明顯低于20°坡度的徑流及侵蝕模數(shù)，20°陡坡無植被對照區(qū)水土流失嚴(yán)重；而同等坡度下，植被覆蓋產(chǎn)生的徑流和侵蝕模數(shù)均高于無植被的CK小區(qū)，坡度越大，結(jié)果越明顯。種植3 a后2015年植被覆蓋區(qū)3個坡度下土壤侵蝕模數(shù)變化不顯著，均在30～40 t/km2范圍內(nèi)。而無植被的對照區(qū)坡度越大，水土流失越嚴(yán)重，說明該類鄉(xiāng)土草被對建植不同坡度群落具有較好的水土保持效應(yīng)。

3.2 草本植被對降雨產(chǎn)生的徑流和土壤侵蝕量的影響

植被定植當(dāng)年，植被的穩(wěn)定性和地面及地下的生物量都在逐年增加，特別是植被的蓋度對小區(qū)的徑流和土壤侵蝕模數(shù)影響較大。種植小區(qū)鄉(xiāng)土植被蓋度從種植當(dāng)年的70%～80%到第三年的90%～100%。植被覆蓋度的增加會攔截降雨，降低降雨能量，進(jìn)而減少降雨侵蝕力[14-15]，植被能夠改善流域表層土壤結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)和水文性質(zhì)以及微地形，這些性質(zhì)的改變會進(jìn)一步影響水土流失[16-17]。而增加植被覆蓋可以減緩降雨對坡面土壤侵蝕的影響[18]，且具有很好的水土保持效益，已被國內(nèi)外諸多學(xué)者證實(shí)[19-20]。Xu[21]等在對中國西南一個干熱河谷中的3種植物形態(tài)學(xué)特征對地表徑流和土壤流失的影響的研究中指出，隨著植物覆蓋度的增加，地表徑流量和土壤侵蝕量顯著降低。植被蓋度是影響水土流失的一項(xiàng)重要指標(biāo)，隨著植物總蓋度的增加，平均地表徑流量和土壤侵蝕量呈現(xiàn)減小趨勢[22]。植被覆蓋有效地防止了水土流失，隨著植物總覆蓋度的增加，平均地表徑流量和土壤侵蝕量呈現(xiàn)減小的趨勢[23]。表1中數(shù)據(jù)表明：20°的大坡度無植被區(qū)地表徑流量和土壤侵蝕量均明顯加劇，而有植被小區(qū)對地表徑流量和土壤侵蝕量具有較強(qiáng)的作用。20°坡度CK最高土壤侵蝕模數(shù)和地表徑流量分別達(dá)到2 358.15 t/km2，86 621 m3/km2，而植被區(qū)最低是2015年20°坡度，其蓋度從種植當(dāng)年的80%到第二年為90%，第三年后達(dá)到100%，產(chǎn)生的土壤侵蝕模數(shù)和地表徑流量為31.21 t/km2，15 668 m3/km2，高坡度植被區(qū)與CK兩者數(shù)據(jù)相差甚大，說明大坡度下建植鄉(xiāng)土植被具有明顯的水土保持效益。

表1 2013-2015年三種坡度的土壤侵蝕模數(shù)和產(chǎn)生的徑流量

注：小寫和大寫分別表示t測驗(yàn)在0.05，0.01水平上差異顯著。植被區(qū)數(shù)值均為平均值，2013年為試驗(yàn)初期，對低坡度當(dāng)時(shí)沒有考慮，在2014年第二年做試驗(yàn)過程中才開始完善補(bǔ)充5°坡度，所以2013年5°坡度沒有相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖12013-2015年四種坡度各小區(qū)的有效降雨利用率

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

降雨量是影響地表徑流量和土壤侵蝕量的一個重要因素但不是唯一因素，它與植被覆蓋、坡度等因素共同影響著地表徑流量和土壤侵蝕量，隨降雨量增加，植被對控制土壤侵蝕量產(chǎn)生的作用更加明顯。地表徑流和土壤侵蝕量不僅受降雨量的影響，同時(shí)受地上植被等其他因素的影響。在降雨量較小時(shí)，植被的截流效果更明顯，但是當(dāng)降雨量較大時(shí)植被覆蓋對控制土壤侵蝕量的效果更明顯[24]。降雨利用率的高低取同樣決于雨強(qiáng)、土壤性狀和地表植被覆蓋物等諸多因素，坡度對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響隨雨強(qiáng)的增大而增強(qiáng)[25]。對植被覆蓋的小區(qū)，地上生物量與地表的枯落物相對具有一定的緩解作用，正如一些學(xué)者[26-27]所述，地面植被對降雨與地表的沖刷有一定的防治效果。同時(shí)，地下根系吸附壤中流減少徑流損失，增加降雨利用率起到促進(jìn)作用。圖1表明：在降雨利用率方面，無論那個坡度，有植被處理的小區(qū)均比CK的降雨利用率高。降雨利用率最高的是2015年度10坡度植被覆蓋區(qū)達(dá)到98.29%，從數(shù)據(jù)表得知，CK小區(qū)坡度越大，降雨利用率越小，最低約在83%，而在平坡上的植被區(qū)降雨利用率達(dá)到98%。

4.2 結(jié) 論

(1) 該2種鄉(xiāng)土草被植物在陡坡下攔截泥沙和徑流量作用比緩坡明顯，草被種植3 a后坡度對水土保持效益不明顯。

(2) 同等坡度下植被種植小區(qū)徑流模數(shù)和徑流量均比CK低。

(3) 植被蓋度越大，徑流模數(shù)和徑流量越小。

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EffectsofDominantNativeGrassesConstructedCommunitiesonSoilandWaterConservationinDry-HotValleyofYuanmou

ZHANG Mingzhong1, HE Guangxiong1, FANG Haidong1,XIONG Donghong2, RAN Lin3, ZHANG Baojun2, SHI Liangtao1

(1.InstituteofTropicalEco-Agriculturalsciences,YunnanAcademyofAgricultureSciences,Yuanmou,Yunnan651300，China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChinaAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Chengdu610041，China; 3.SoilandWaterConservationOfficeCommitteeofYuanmoucounty,Yuanmou,Yunnan651300，China)

Dominant native grasses were assembled for constructing communities in different slope runoff monitoring sites, and their effects and efficiencies on water and soil loss were examined under Yuanmou dry-hot valley conditions. The observation results from 2013 to 2015 showed that runoff generations and soil erosion modulus were positively correlated with rainfall(p<0.05)； soil and water losses were significantly different between constructed native grasses community sites and CK sites, runoff generations and soil erosion modulus increased with the rise of slope gradients across all communities and CK sites; in contract, water utilization efficiencies of constructed native grass communities reduced with the increase of site slope gradients, and rose with increase of community coverage. The above results suggested that planted native grass communities significantly reduced water and soil loss and improved the reutilization of rainfall, and the reduction of soil and water loss was more obvious with the increase of slope gradient, which reveled that it could be more efficient when those communities were built in steep sloping lands in hilly.

dry-hot valley; native grass; soil erosion modulus; runoff generation; soil and water conservation

2016-06-22

：2016-07-01

中國科學(xué)院“西部之光”重點(diǎn)項(xiàng)目(Y4R2060060)

張明忠(1976—),男,云南元謀人,副研究員,主要從事熱區(qū)生態(tài)環(huán)境與草地農(nóng)業(yè)研究。E-Mail:ymzmz2002_621@sina.com

史亮濤(1978—),男,云南劍川人,副研究員,主要從事熱區(qū)生態(tài)環(huán)境與草地生態(tài)研究。E-Mail:ynymrjsslt@sina.com

S157.2

：A

：1005-3409(2017)02-0101-04