花崗巖紅壤區(qū)不同生草措施果園產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

余 波，湯崇軍，段 劍

（1.江西省水利科學(xué)院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌，330029；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京，210098）

0 引言

我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一[1-3]，水土流失已成為我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要的障礙之一。我國南方紅壤地區(qū)由于豐富降水、山地丘陵地貌、高強(qiáng)度土地利用、單一林分結(jié)構(gòu)，是水土流失的嚴(yán)重區(qū)域[4，5]。果園作為南方紅壤地區(qū)主要的土地利用形式，一般采用林下清耕（裸露）的方式進(jìn)行管理，但由于南方地區(qū)充沛的降雨量使得果園存在著嚴(yán)重的水土流失現(xiàn)象，故探明在南方地區(qū)如何減少由于降雨帶來的果園水土流失是一個值得關(guān)注的問題。

目前國內(nèi)外學(xué)者對采用生草措施控制果園水土流失開展了一定的研究。有學(xué)者[6，7]認(rèn)為采用果園生草模式能夠改善土壤的理化指標(biāo)，提高土壤肥力，有效的防止水土流失。果園生草也被稱為“果園生草覆蓋”，它是對果園進(jìn)行全園或行間生草覆蓋，是一項(xiàng)先進(jìn)、實(shí)用、高效的土壤管理辦法。果園生草已成為歐美及日本等果業(yè)生產(chǎn)和先進(jìn)國家生態(tài)果園建設(shè)的主流模式。黃炎和[8]等認(rèn)為果園生草能有效控制土壤侵蝕，有改良土壤肥力、提高土壤養(yǎng)分含量、防止土壤流失的效果；鄭海金[9]等認(rèn)為果園草本植物具有較好的調(diào)控徑流泥沙、控制面源污染、涵養(yǎng)水源、保育土壤的能力；李曉陽[10]等發(fā)現(xiàn)果園生草覆蓋可在蓄積利用天然降雨攔蓄坡面徑流的同時，改善果園土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力、抗蝕性，從而有效防止水土流失。鑒于此，本文通過在花崗巖紅壤區(qū)果園林下種植不同鄉(xiāng)土草本植物，研究生草措施對果園產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，進(jìn)而篩選出既有水土保持功能又具有一定附加經(jīng)濟(jì)價值的草本植物。研究結(jié)果可為花崗巖紅壤區(qū)果園的水土流失防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塘背小流域位于江西省贛州市興國縣南部，地處北緯 26°12′～26°17′，東經(jīng) 115°13′～115°19′；跨龍口、永豐兩個鄉(xiāng)，包括中嶺、文苑、都田、來溪、蘆溪六個行政村，流域面積16.38km2，屬贛江上游貢水二級支流平江的一條支流，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(diǎn)，年平均氣溫為18.8℃，最高溫度40.4℃，最低氣溫-6.3℃，年平均降水量1 371.2mm，年平均蒸發(fā)量1 552.1mm，無霜期280d，年日照時數(shù)1 790.8h，小流域內(nèi)災(zāi)害性天氣有低溫陰雨、高溫低濕、寒露風(fēng)和秋旱等。土壤類型為花崗巖發(fā)育成的紅壤，流域海拔高度131～469m，最高海拔為468.5m，最低海拔位于流域出口處，地面坡度25°～35°呈東北與西南走向。塘背小流域地區(qū)的地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林，植物區(qū)系成分主要由殼斗科（Fagaceae）、樟科（Lauraceae）、山茶科（Theaceae）、厚皮香科（Ternstroemia）、金縷梅科（Hamamelidaceae）、冬青科（Aquifoliaceae）和杜英科（Elaeocarpaceae）等常綠闊葉樹組成。

2 研究方法

2.1 徑流小區(qū)設(shè)置

在研究區(qū)域內(nèi)，選擇坡度、坡向、土壤理化性質(zhì)等立地條件較為一致的開闊坡面，建立5個大小分別為20m×5m，坡度為15°，面積為100m2的野外徑流小區(qū)。為防止徑流小區(qū)周邊環(huán)境水文因素的影響，在小區(qū)邊界設(shè)置漿砌磚圍墻，圍墻埋入地面20cm，高出地表30cm，并在小區(qū)上方和左右設(shè)置截水溝，小區(qū)下方設(shè)置集水槽，將地表徑流匯集到徑流池，觀測徑流池為底面1m×1m的正方形，高度為1.1m，收集每次降雨產(chǎn)生的地表徑流和侵蝕泥沙。地表徑流池內(nèi)壁正面安裝有刻度尺，能直接獲取地表徑流量。

野外徑流小區(qū)建設(shè)完成后，分別在每個徑流小區(qū)內(nèi)種植12株兩年生的臍橙苗（Citrussinensis Osbeck），6行2列，每行間距3m，每列間距2.5m。5個野外徑流小區(qū)的生草措施試驗(yàn)設(shè)計如表1所示。其中2號小區(qū)為對照組，僅種植臍橙，果園林下地表保持裸露；1號、3號、4號和5號為試驗(yàn)組，除種植臍橙外，林下分別種植相應(yīng)草本植物艾蒿、馬齒莧、白三葉和草木犀，帶狀栽種，帶寬1m，帶間距3m，臍橙行間和小區(qū)上下邊界各種植一行，臍橙與草本植物均在2019年6月種植。徑流小區(qū)概況詳見表1。

表1 徑流小區(qū)概況

2.2 指標(biāo)觀測與計算

降雨量及降雨過程通過自記式雨量器進(jìn)行觀測，通過觀測記錄2020年6月至9月11次侵蝕降雨過程及數(shù)據(jù)，統(tǒng)計并計算每次降雨的累計雨量、累計時間、每次時段降雨的雨量、歷時、雨強(qiáng)、最大30min雨強(qiáng)（I30）及降雨侵蝕力（EI30）等指標(biāo)描述次降雨特征，其中EI30由下列公式計算[11]而出：

式中：EI30為降雨侵蝕力，MJ·mm-2·h-1；E 為降雨總動能，MJ·hm-2；I30為最大 30min 雨強(qiáng)，mm·h-1；e 為單位降雨動能，MJ·hm-2·h-1；I為某時段平均降雨強(qiáng)度，mm·h-1；P為對應(yīng)時段的降雨量，mm。

（1）徑流量測定：每次降雨后，記錄觀測池內(nèi)的水位尺讀數(shù)，然后根據(jù)觀測池水位與降雨量相減得出的水位差與觀測池底面積相乘計算出每場降雨的各小區(qū)的徑流量。采用次降雨徑流深（mm）指標(biāo)來描述降雨產(chǎn)流規(guī)律。公式為：

式中：H 為坡面徑流深，mm；V為徑流量，m3；A為徑流小區(qū)投影面積，m2。

（2）泥沙流失量的測定：每次降雨后將徑流池內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?，?個1L的混勻水樣帶回實(shí)驗(yàn)室，烘干測定所取水樣中的平均泥沙含量。采用產(chǎn)沙量來描述降雨產(chǎn)沙特征。公式為：

式中：W為泥沙總質(zhì)量，g；m為1L水樣平均泥沙質(zhì)量，g；h為觀測池中水樣標(biāo)高，m。

由降雨引起的侵蝕泥沙粒徑組成采用比重法測定，共測定6次數(shù)據(jù)，分析結(jié)果取6次測定的平均值。

2.3 數(shù)據(jù)分析

本次實(shí)驗(yàn)共采集到55組（11次侵蝕降雨5個徑流小區(qū)）的觀測數(shù)據(jù)，采用徑流深、產(chǎn)沙量、降雨量和降雨侵蝕力等指標(biāo)，分析不同生草措施的果園產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，同時對侵蝕泥沙顆粒粒徑組成進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 觀測期降雨特征

觀測期月份總降雨量為620.5mm。其中發(fā)生侵蝕降雨事件11次，占總降雨事件的30.55%，侵蝕降雨量382.5mm，占觀測期降雨量的61.6%，觀測期內(nèi)11次侵蝕性降雨特征如表2所示。參考《降水量等級》（GB/28592-2012）降雨量等級劃分為4個等級，分別為小雨（＜10mm/d）、中雨（10.00～24.9mm/d）、大雨（25.00～49.90mm/d）、暴雨（＞50.00mm/d）。分析結(jié)果表明該地區(qū)引起侵蝕的降雨為中雨、大雨和暴雨，而小雨未能引起研究區(qū)坡面產(chǎn)流與侵蝕，說明次降雨引起坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要原因是中雨等級或中雨以上等級的降雨，這與寇馨月[12]研究結(jié)果一致。其中中雨為4次，大雨為6次，暴雨為1次，對應(yīng)降雨量分別為60.5mm，221.5mm，100.5mm，分別占降雨侵蝕量的比例為15.8%、57.9%、26.3%。

表2 觀測期內(nèi)侵蝕降雨事件

3.2 不同生草措施的果園產(chǎn)流特征

通過對11次引起坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的侵蝕降雨的分析，繪制不同生草措施過地表徑流深如圖1。

從圖1中可以看出，總體上徑流深隨著降雨量的增大（減?。┒龃螅p?。?，但1次降雨與11次降雨的徑流深隨降雨量的變化不明顯，這是因?yàn)閺搅魃畹拇笮〔粌H與降雨量有關(guān)，還與降雨前土壤含水量、降雨強(qiáng)度密切相關(guān)[13]，由于1次降雨雨強(qiáng)小，11次降雨記錄時間長，導(dǎo)致降雨可能會被植物和土壤利用吸收，因此收集到的降雨徑流偏少，從而導(dǎo)致徑流深偏小。從圖表可以看出，采用白三葉（B）生草措施的徑流深最小，說明白三葉生草措施在幾種生草措施中保水效果最好，能夠較好的攔蓄降雨徑流，有效的固結(jié)土壤，減少地表水分流失。同時采用（Q）清耕（林下裸露）對照組處理下地表徑流深最大，說明沒有任何林下的種植情況下土壤的保水能力最差。同時觀察到其他三組（A）、（M）和（C）措施下徑流深曲線相似，從而可以說明三組生草措施條件下它們的保水能力相近。

圖1 不同生草措施過地表徑流深

3.3 不同生草措施的果園產(chǎn)沙特征

降雨與產(chǎn)沙的關(guān)系表現(xiàn)采用不同生草措施果園侵蝕產(chǎn)沙特征見圖2。

圖2 不同生草措施果園侵蝕產(chǎn)沙特征

從圖2中可以看出，徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量隨著降雨侵蝕力的變化而變化，這是由于降雨強(qiáng)度的增加，降雨的侵蝕力隨之增加，從而降雨對土壤的侵蝕能力增大，進(jìn)而使土壤產(chǎn)出更多的泥沙量。從圖2中可以看出第4次、第7次、第8次降雨的降雨侵蝕力相對較大，從而第4次、第7次、第8次降雨的產(chǎn)沙量也相對最多，而第5次降雨的降雨侵蝕力較小，從而第5次降雨產(chǎn)沙量也較小，唯有臍橙果園清耕（Q）措施下產(chǎn)沙量明顯增大，這說明即使在降雨侵蝕力不大的條件下，降雨依然能使裸露的土壤產(chǎn)生較多徑流。同時可以看出，采用白三葉（B）生草措施固沙能力相對最好，能夠顯著的減少由于降雨帶來的侵蝕泥沙量。同時在圖1中也表明，該生草措施能夠明顯增加土壤的保水能力，從而防止土壤流失。采用臍橙清耕措施（Q）下果園土壤固沙能力最差，可能是因?yàn)樵谕寥缆懵兜臈l件下，由于降雨對土壤的不斷沖刷，土壤表層沒有其他植物能夠攔蓄泥沙，導(dǎo)致產(chǎn)出大量侵蝕泥沙。同時可以看出，其他三組固沙能力相近，這與上述3.2中結(jié)論相關(guān)，即他們的保水能力相近，從而固沙能力也相近。

3.4 侵蝕泥沙的粒徑組成

通過收集到2020年6月28日至9月30日6次侵蝕泥沙土壤粒徑，采用比重法進(jìn)行測定，由于每次測定時土壤水分含量、植物生長狀況不同，故每次測定時土壤粒徑有所差別，因此將每組土壤粒徑含量作平均化處理得到結(jié)果如表3。

從表3中可以看出：采用白三葉（B）措施處理的侵蝕泥沙粒徑組粘粒和粘（砂）粒平均含量最多，砂粒含量最少。由于土壤的顆粒組成狀況是影響土壤抗蝕性的重要因素，顆粒組成越細(xì)的土壤，它的土壤顆粒越小，越容易形成粘結(jié)，在一定程度上形成土壤團(tuán)聚體，從而增強(qiáng)土壤的抗蝕性。邱陸旸[14]、劉文利[15]等也發(fā)現(xiàn)了土壤團(tuán)聚體的形成能夠增強(qiáng)土壤的抗蝕性，提高土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而減少水土流失。但幾種不同生草措施果園侵蝕泥沙粒徑組成并沒有顯著差別，這可能是由于實(shí)驗(yàn)開展時間的限制，草本植物僅生長了一年左右，植物還沒有充分的改良土壤理化性質(zhì)，所以導(dǎo)致測定數(shù)據(jù)差別不大，同時也可能是所取土壤樣本不夠?qū)е碌膶?shí)驗(yàn)誤差所致，故實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要進(jìn)一步完善探究，以得到更為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 不同生草措施果園侵蝕泥沙粒徑組成 %

4 討論

在5組不同生草條件下果園的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析中可以發(fā)現(xiàn)，沒有任何生草措施的果園，即果園清耕條件下其產(chǎn)流產(chǎn)沙量最多、水土保持能力最差，其它生草措施均比清耕果園水土保持效果好，這說明果園生草措施能夠有效的減少降雨帶來的產(chǎn)流產(chǎn)沙，有效防止水土流失。其中采用白三葉生草措施的果園水土保持效果最好，而其他三組生草條件下水土保持效果相近，其原因可能與不同草本植物的蓋度、高度、根系特點(diǎn)等有關(guān)。植被蓋度是影響水土流失的關(guān)鍵因素，張光輝[16]等研究表明植被覆蓋度的增加會加強(qiáng)對降雨的攔截，降低雨滴動能，從而減弱降雨侵蝕力；不同植物的植被高度也會顯著影響降雨對土壤侵蝕的程度，徐憲立、張志強(qiáng)等[17，18]研究表明只有在一定高度下，植被覆蓋才能有效地降低雨滴動能，植被過高其冠層匯集的雨滴能量可能更大，對地表的濺蝕反而會更強(qiáng)；植物根系結(jié)構(gòu)也對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，劉定輝[19]等的研究表明，植物根系在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤抗沖性、防治土壤侵蝕方面具有不可忽視的作用。而白三葉這一草本植物在上述影響因子中的表現(xiàn)最好：白三葉的植物蓋度很高，葉片茂密，能夠有效的保護(hù)土壤不受降雨的侵蝕；它的植被高度很低，能夠有效的降低降雨動能；同時它的根系繁多，有較好的固結(jié)土壤能力。其他幾種草本植物和白三葉對比均有不同程度的缺點(diǎn)，如植株較高，不能有效的降低降雨動能；或是植被蓋度小，不能較好的攔蓄降雨等。林修焰[20]等的研究表明種植白三葉草后的水土流失量與前期差異顯著，較種植前減少了66.67%；宋亞倩[21]等研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)：草本植被覆蓋深刻影響降雨侵蝕動力，具有顯著減流減沙效應(yīng)，白三葉在結(jié)實(shí)期減流效益和減沙效益達(dá)到最大，分別為63.9%、98.4%。這些研究結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果較為一致。故白三葉在本文幾種草本植物中有較好的減流減沙功能，能有效控制水土流失。

由于條件所限，本文研究內(nèi)容均以同一坡度、覆蓋度的草本植物進(jìn)行研究，且研究年限較短，在后續(xù)的研究中，可以通過設(shè)置不同坡度和覆蓋度進(jìn)行研究，增加實(shí)驗(yàn)?zāi)晗蓿治銎錅p流減沙效果，為南方紅壤區(qū)果園水土保持提供更為可靠的科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）不同生草措施果園的產(chǎn)流產(chǎn)沙量具有顯著差異，且隨降雨量和降雨侵蝕力的增加而增加。

（2）不同生草措施果園的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，以臍橙+白三葉最小，產(chǎn)流量比臍橙+艾蒿、臍橙+馬齒莧、臍橙+草木犀和臍橙清耕，分別減少54.09%、53.15%、58.07%、69.85%，產(chǎn)沙量分別減少61.53%、59.94%、68.88%、87.26%，具有較好的減流減沙效果。

（3）不同生草措施對果園侵蝕泥沙的粒徑組成具有一定影響，但區(qū)別不明顯。其中臍橙+白三葉措施的侵蝕泥沙粒徑組成中，砂粒平均含量最少，粘粒平均含量最多。

Characteristics of runoff and sediment yield of orchards with different grass growing measures in red soil region with granite

YU bo1,2,TANG Chongjun1,DUAN Jian1

（1.Jiangxi Academy of Water Science and Engineering,Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention,Nanchang 330029,China；2.College of Agricultural Science and Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Abstract：Orchards in granite red soil region of South China are generally faced with serious soil and water loss.Grass planting under forest can effectively reduce runoff and sediment yield and soil and water loss of orchards.Taking Tangbei small watershed in Xingguo county of Jiangxi province as the research area,this paper studies the runoff and sediment characteristics of orchards with different grass growing measures under natural rainfall by setting five orchard runoff plots with different grass growing measures.The results showed that：（1）the runoff and sediment yield of orchards with different grass planting measures were significantly different,and increased with the increase of rainfall and rainfall erosivity；（2）compared with navel orange+Artemisia argyi,navel orange+purslane,navel orange+Melilotus and navel orange clear tillage,the runoff and sediment yield of navel orange+white clover decreased by 54.09%,53.15%,58.07%,69.85%,61.53%,59.94%,68.88%,87.26%,respectively,which had good effect of reducing runoff and sediment；（3）different grass planting measures had a certain effect on the grain size composition of orchard erosion sediment,but the difference was not obvious.Among them,the average content of sand is the least,and the average content of clay is the most.Therefore,grass mulching can effectively reduce soil and water loss under orchard forest in red soil region with granite in Southern China.

Key words：Soil erosion；Grass growing measures；Rainfall erosivity；Natural rainfall；Orchard；Red soil region in Southern China