紅砂巖侵蝕區(qū)典型水土流失治理模式減流減沙效應(yīng)

段 劍， 王凌云， 肖勝生

(江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 江西 南昌 330029)

1 研究背景

水土流失是我國重要的環(huán)境問題[1]，不僅造成土壤地力下降，而且導(dǎo)致水體污染、河道淤積、河床抬升，加速侵蝕區(qū)生態(tài)系統(tǒng)功能失調(diào)[2-3]。紅砂巖是指侏羅紀(jì)到新近紀(jì)的陸相沉積巖系，巖性主要為泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖等。在我國，紅砂巖分布在長江以南地區(qū)，總面積約82.6×104km2，約占全國陸地總面積的8.6%，主要分布在華東、中南以及西南各省區(qū)[4]。在長期地質(zhì)作用的基礎(chǔ)上，由于不合理的開發(fā)和利用導(dǎo)致植被破壞嚴(yán)重，致使紅砂巖母質(zhì)地區(qū)長期以來遭受到強烈的土壤侵蝕，土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化。在紅砂巖嚴(yán)重侵蝕區(qū)，表土基本流失殆盡，地表呈現(xiàn)荒漠化景觀，生態(tài)環(huán)境惡化，土地資源利用率極低，成為水土流失治理迫切需要解決的問題[5]。探明紅砂巖侵蝕劣地的水土流失演變規(guī)律，采用最佳的治理模式是防治水土流失的關(guān)鍵問題。

目前對于侵蝕劣地的水土流失治理模式主要有生態(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式，實施不同水土流失治理模式的水土保持效益各有差異[6-8]，如汪邦穩(wěn)等(2012)[8]和王飛等(2013)[9]研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型下徑流泥沙流失差異明顯；梁娟珠(2015)[10]研究表明不同植被措施下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙分異規(guī)律明顯，草本模式與灌草組合模式分別減流70.24%和59.07%；謝頌華等(2010)[11]研究發(fā)現(xiàn)與裸露對照相比較，柑橘與闊葉雀稗模式減流效應(yīng)達(dá)90%以上，相比較順坡平作模式，減流效應(yīng)為39.9%～72.3%，減沙效應(yīng)為62.9%～82.0%[12]。以上研究主要集中在花崗巖、第四紀(jì)紅壤侵蝕區(qū)，且更多是基于人工模擬降雨、少場次自然降雨觀測手段的結(jié)果，對于紅砂巖侵蝕區(qū)的水土流失治理模式關(guān)注較少。同時降雨雨型是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的重要因素[13-16]，對不同治理模式下徑流侵蝕特征對降雨雨型的響應(yīng)規(guī)律也值得深入分析。研究徑流和泥沙流失對不同治理模式的響應(yīng)機制對于水土流失預(yù)防及治理具有重要的指導(dǎo)意義[6, 17-18]。

鑒于此，本文結(jié)合紅砂巖侵蝕區(qū)地形地貌、氣候、土壤、植被類型等因素，采用野外徑流小區(qū)長期定位試驗的手段，對該區(qū)自然降雨下典型水土流失治理模式的減流減沙效應(yīng)進(jìn)行評價，探明適宜紅砂巖侵蝕區(qū)的高效水土流失治理模式，研究結(jié)果可為當(dāng)?shù)厮亮魇е卫砉ぷ魈峁﹨⒖家罁?jù)，也對生態(tài)鄱陽湖流域建設(shè)具有重要意義。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗地位于江西省寧都縣水土保持科技示范園內(nèi)(116°02′40′′～116°02′55′′E， 26°37′03′′～26°37′34′′N)，園區(qū)位于贛江(鄱陽湖水系五大河流之一)的一級支流梅江流域中下游。屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和、光照充足、雨量充沛、四季分明、無霜期長等特點。多年平均氣溫為18.3℃，最高氣溫38.4℃，最低氣溫-6.2℃，多年平均降水量1 691 mm，年內(nèi)分配不均，集中在4-6月，占全年降水量的48%，多以暴雨形式出現(xiàn)，無霜期279 d。土壤主要為紅砂巖發(fā)育而來的紅壤，風(fēng)化顆粒較粗，對土壤的溶解和侵蝕能力大，加之降水量大集中、沖刷力大，在植被破壞區(qū)易發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。地貌類型主要為低山丘陵，最高海拔為253 m，最低海拔為220 m。地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，由于長期不合理的采伐利用，使原生植被不斷減少，現(xiàn)有植被主要為針葉林、荒草等。

2.2 試驗設(shè)計及方法

在研究區(qū)內(nèi)，選擇立地條件較為一致(坡度為8°、朝向西偏北11°)的開闊坡面，設(shè)置5個5 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)。為防止周圍對小區(qū)的水文干擾，小區(qū)四周采用漿砌磚圍成，高出地面20 cm，埋入地面30 cm，上方和左右兩側(cè)設(shè)置截排水溝，小區(qū)底部設(shè)置集流槽，將徑流導(dǎo)入徑流池，采用五孔分流法，收集次降雨過程中地表徑流和泥沙量。徑流小區(qū)于2011年建成，在小區(qū)周圍設(shè)置自計雨量筒記錄降水?dāng)?shù)據(jù)。

試驗小區(qū)具體設(shè)計詳見表1。2號和3號試驗小區(qū)為生態(tài)恢復(fù)治理模式，其中2號小區(qū)為針闊混交模式(楓香+濕地松)，3號小區(qū)為喬灌草植被恢復(fù)模式(楓香、木荷+胡枝子+八月草、百喜草、雀稗)，設(shè)置水平竹節(jié)溝(溝底寬0.4 m，溝深0.5 m，溝面寬度0.6 m),均為當(dāng)?shù)氐湫偷纳鷳B(tài)恢復(fù)治理模式。4號和5號試驗小區(qū)為經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式，為坡改梯+經(jīng)果林(蜜桔和臍橙)，由于紅砂巖低山丘陵地大量經(jīng)果林均為梯田種植，設(shè)置坡改梯符合當(dāng)?shù)氐姆N植習(xí)慣，且能達(dá)到保水保土保肥的目的。蜜桔和臍橙為贛南的特色經(jīng)濟(jì)林果，適宜當(dāng)?shù)氐臍夂蛲寥浪臈l件，栽植蜜桔和臍橙能兼顧生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。1號小區(qū)設(shè)置為地表裸露，作為對照，定期清除雜草，將其與實施水土保持措施的水土流失狀況進(jìn)行對比研究。

表1 試驗小區(qū)設(shè)計

每次降雨結(jié)束后，對小區(qū)徑流池內(nèi)的水深進(jìn)行測量，若泥沙含量較高，靜置半小時后，將卷尺插入池內(nèi)，以卷尺輕輕觸碰到池底泥沙時的高度為水體深度，多次多點測量取平均值。水深測量完后，將池內(nèi)泥水?dāng)嚋?，每個徑流池分別取500 mL的泥沙水樣。靜置6 h，倒去上層清水后(注意不能倒出泥沙)，將泥沙全部倒入鋁盒中，放入烘箱 105℃條件下烘干并稱重，測定計算泥沙流失量。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

本文降雨徑流泥沙數(shù)據(jù)的觀測時間為2016年4月26日至2017年6月28日，采用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Excel進(jìn)行圖表繪制。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

對試驗觀測期間自然降雨-產(chǎn)流資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生地表徑流的自然降雨共32場，對觀測期間降雨的降雨量、降雨歷時、雨強、場次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(見表2)，其平均降雨量、平均歷時、平均雨強分別為71.78 mm、38.86 h、3.67 mm/h，對應(yīng)的變異系數(shù)為0.71、0.79、1.49。

3.2 減流減沙效應(yīng)

對試驗觀測期間次降雨條件下不同治理模式徑流泥沙統(tǒng)計分析(圖1)，發(fā)現(xiàn)4種典型治理模式的地表徑流系數(shù)均小于0.23，次降雨間變異系數(shù)0.72～1.26，地表裸露下地表徑流系數(shù)為0.20～0.89，變異系數(shù)為0.34；4種典型治理模式的泥沙流失量為0.00～0.03 t/hm2，變異系數(shù)為1.03，地表裸露的泥沙流失量為0.00～0.31 t/hm2，變異系數(shù)為2.19～4.33。說明不同治理模式能有效降低降雨對地表徑流產(chǎn)流和土壤侵蝕量的影響。

對觀測期間次降雨徑流泥沙均值化后(圖2)，可知地表裸露的地表徑流系數(shù)為0.66，總地表徑流量為159.58 m3，泥沙流失量為23.57 kg；生態(tài)恢復(fù)模式地表徑流系數(shù)為0.03、0.04，總地表徑流量為10.48、10.28 m3，泥沙流失量為0.18、0.60 kg；經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式地表徑流系數(shù)0.04、0.05，總地表徑流量為14.26、15.19 m3，泥沙流失量為1.32、0.9 kg。因此，生態(tài)恢復(fù)治理與經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式的減流減沙效應(yīng)均能達(dá)90%以上。

3.3 坡面徑流泥沙對降雨要素的響應(yīng)

分析不同治理模式地表徑流泥沙與降雨特征相關(guān)性(表3)，發(fā)現(xiàn)地表裸露的地表徑流泥沙與降雨量、雨強呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05，下同)，相關(guān)系數(shù)為0.363～0.492，與降雨歷時呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，無顯著性差異。采取生態(tài)恢復(fù)治理模式后地表徑流泥沙與降雨量、雨強、降雨歷時均無顯著相關(guān)性；經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式的地表徑流泥沙與降雨量呈正顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.374～0.687，與降雨強度、降雨歷時無顯著相關(guān)性。說明地表裸露條件下紅砂巖侵蝕坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受降雨量、雨強影響顯著，生態(tài)恢復(fù)治理后降低了降雨要素對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，而經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式主要受降雨量影響顯著。

徑流是坡面泥沙撥離搬運的主要外營力，進(jìn)一步分析不同治理模式與泥沙流失量的相關(guān)性(表4)，發(fā)現(xiàn)次降雨條件下不同治理模式泥沙流失量對地表徑流量的響應(yīng)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.598、0.723、0.455、0.485、0.767。因此，不同治理模式泥沙流失量對地表徑流量的響應(yīng)呈正相關(guān)，但響應(yīng)程度呈現(xiàn)不同的差異。

表2 試驗觀測期間自然降雨特征

圖1 次降雨下不同治理模式徑流泥沙特征

圖2 不同治理模式徑流泥沙特征平均值

項目治理模式降雨量相關(guān)系數(shù)判定系數(shù)雨強相關(guān)系數(shù)判定系數(shù)降雨歷時相關(guān)系數(shù)判定系數(shù)地表裸露0.492*0.013 0.423*0.016-0.3010.095生態(tài)恢復(fù)模式10.1660.365-0.1690.3550.1380.451徑流系數(shù)生態(tài)恢復(fù)模式20.3480.051 0.0250.8930.0370.841經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式10.687**0.000-0.1760.3340.3000.095經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式20.562**0.000 0.0650.7220.0770.676地表裸露0.375*0.034 0.363*0.041-0.1050.568生態(tài)恢復(fù)模式10.3120.082-0.0320.8610.1760.335泥沙量生態(tài)恢復(fù)模式20.2360.194 0.354*0.047-0.0510.782經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式10.374*0.035 0.0270.885-0.0250.891經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式20.492**0.004 0.0160.9300.0780.671

注：*表示在0.05水平上顯著，**表示在0.01水平上極顯著，下同。

表4 不同治理模式徑流量與泥沙流失量皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣

3.4 徑流泥沙對降雨雨型的響應(yīng)

為進(jìn)一步探討不同治理模式的水土保持效應(yīng)，從不同降雨雨型的角度，分析典型治理模式的減流減沙效應(yīng)。以降雨量、雨強、降雨歷時3個降雨要素為基礎(chǔ)，采用K-均值聚類的方法對試驗觀測期間32場有效降雨場次(表2)進(jìn)行降雨雨型劃分，共劃分為雨型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大類(表5)。其中雨型Ⅰ的降雨特征為降雨量、雨強、降雨歷時大小適中，雨型Ⅱ的降雨特征是長歷時、小雨強、大降雨量，雨型Ⅲ的降雨特征為雨強大、歷時短、降雨量相對較小。

對不同降雨雨型的地表徑流量與侵蝕特征進(jìn)行分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)地表裸露的平均地表徑流量、侵蝕量均以雨型Ⅲ最大，分別為8.82 m3、1.62 t·hm-2；4種治理模式的平均地表徑流量、侵蝕量仍以雨型Ⅲ最大，平均地表徑流量分別為1.35、1.09、1.98、1.86 m3，平均侵蝕量分別為0.03、0.07、0.24、0.11 t/hm2。說明大雨強、短歷時的降雨雨型(雨型Ⅲ)是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要雨型。進(jìn)一步對不同降雨雨型的累積徑流量與侵蝕量分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)地表裸露下雨型Ⅲ的累積徑流量、累積侵蝕量分別為77.05 m3、11.33 t·hm-2，分別占總徑流量、侵蝕量的48.28%、48.08%；生態(tài)恢復(fù)治理模式雨型Ⅲ的累積徑流量為5.44 m3、6.74 m3、占總徑流量的52.91%、64.31%，累積侵蝕量為0.15 t·hm-2、0.33 t·hm-2，占總侵蝕量的86.81%、55.50%；經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式雨型Ⅲ的累積徑流量為9.31 m3、9.92 m3，占總徑流量的61.26%、69.58%，累積侵蝕量為0.90 t/hm2、1.32 t/hm2，占總侵蝕量的62.79%、91.84%。

表5 不同降雨雨型統(tǒng)計特征值

圖3 不同降雨雨型下典型治理模式徑流泥沙特征

4 討 論

坡面水土流失與降雨[19-20]、土壤[21-22]、水土流失治理模式[6, 23-24]和土壤整地方式[25-26]等因素有關(guān)。以往針對南方紅壤的侵蝕規(guī)律及防治技術(shù)模式研究更多集中在花崗巖母質(zhì)、第四紀(jì)風(fēng)化物紅壤上[27-28]，而紅砂巖作為紅壤發(fā)育的主要母質(zhì)，對其水土流失規(guī)律及防治模式探討較少。本文通過標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)探究了紅砂巖侵蝕區(qū)5 種典型水土流失治理模式徑流泥沙效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)紅砂巖裸露地表徑流系數(shù)為0.66，土壤侵蝕量為0.07 t/hm2，采取生態(tài)恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式治理5年后減流減沙效應(yīng)均能達(dá)90%以上。從長時間序列看，采取相應(yīng)的水土保持措施后，生態(tài)治理模式和經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式均能有效控制水土流失，且兩者間無明顯差異。

觀測期間篩選3場降雨量大的次降雨事件，分析不同治理模式的徑流侵蝕特征(表6)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式的地表徑流量要大于生態(tài)恢復(fù)模式，侵蝕量無顯著差異。說明生態(tài)恢復(fù)模式的水源涵養(yǎng)(截流)功能要大于經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式，這是由于生態(tài)恢復(fù)模式具有更好的垂直植被結(jié)構(gòu)[29]，如喬木層、灌草層、枯枝落葉層、根系層等。從短時間序列看，對于經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式，更應(yīng)注重經(jīng)濟(jì)果林開發(fā)初期的水土流失問題，需配套相應(yīng)的水土保持措施，如“前埂后溝+反坡臺地+梯壁植草”，并控制人為因素造成的破壞，能有效遏制水土流失。在經(jīng)濟(jì)果林園開發(fā)5年后，水土保持措施的減流減沙效應(yīng)能達(dá)到90%以上。

表6 次降雨條件下不同治理模式徑流侵蝕特征

因此，生態(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)開發(fā)均是有效紅砂巖治理的有效途徑?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本和治理目的功能等因素，應(yīng)針對不同侵蝕強度的紅砂巖，選擇相適應(yīng)的治理技術(shù)，優(yōu)化治理模式及布局等，做到因地制宜、合理規(guī)劃、統(tǒng)一布局。對紅砂巖侵蝕劣地的綜合治理工程的實施過程中，需要注重從以往綜合治理到生態(tài)調(diào)控，以提升生態(tài)功能為主[30]，充分發(fā)揮水土保持措施的生態(tài)服務(wù)價值。對于紅砂巖低山丘陵侵蝕區(qū)的恢復(fù)治理，治理措施及治理模式要以小流域為治理單元進(jìn)行規(guī)劃布局，充分結(jié)合“山水林田湖草”等治理理念，使水土流失治理模式不僅具有水土保持功能，同時提升生態(tài)服務(wù)功能，將生態(tài)恢復(fù)和經(jīng)濟(jì)治理相結(jié)合，促進(jìn)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。

5 結(jié) 論

本文以紅砂巖侵蝕劣地為研究對象，采用徑流小區(qū)觀測等方法，分析自然降雨條件下典型水土流失治理模式的減流減沙效應(yīng)及其對降雨要素、降雨雨型的響應(yīng)規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)試驗觀測期間，紅砂巖裸露地表徑流系數(shù)為0.66，土壤侵蝕量為0.07 t/hm2，采取生態(tài)恢復(fù)與經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式治理5年后減流減沙效應(yīng)均能達(dá)90%以上。

(2)地表裸露坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙受降雨量、雨強影響顯著，生態(tài)恢復(fù)治理模式降低了降雨要素對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響，而經(jīng)濟(jì)開發(fā)模式主要受降雨量影響顯著。

(3)大雨強、短歷時的降雨雨型(雨型Ⅲ)是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要雨型，地表裸露的累積徑流量與侵蝕量分別占總徑流量、侵蝕量的48.28%、48.08%；生態(tài)恢復(fù)治理模式累積徑流量占比提高至52.91%～64.31%，累積侵蝕量占比提高至55.50%～86.81%；經(jīng)濟(jì)開發(fā)治理模式累積徑流量占比提高至61.26%～69.58%，累積侵蝕量占比提高至62.79%～91.84%。

因此，在紅砂巖侵蝕區(qū)進(jìn)行水土流失治理時，相關(guān)技術(shù)參數(shù)應(yīng)根據(jù)降雨雨型Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，對發(fā)揮水土流失治理模式生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會綜合效益具有重要意義。