黔中喀斯特山區(qū)坡耕地產流產沙對無籽刺梨種植的響應

殷清慧, 謝世友

(1.西南大學地理科學學院,重慶 400715; 2.安順學院,貴州 安順 561000； 3.西南大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室,重慶 400715)

水土流失危害極大，嚴重的水土流失將導致石漠化大面積的發(fā)生。西南地區(qū)6°～25°石漠化發(fā)生面積最大，貴州省流失的泥沙90%來自于坡耕地，坡耕地主要以坡地為主。降雨強度和坡度是影響坡面產流產沙的主要因素，目前喀斯特山區(qū)水土流失治理措施上生物治理方式占很大比重。不同植被類型對坡地減流減沙作用差異明顯，經濟林(楊梅、桃樹、梨樹、樹莓)在貴州喀斯特地區(qū)減流減沙效果最優(yōu)，減流率可達52.5%～64.3%，減沙率可達99.3%，在坡度15°～25°及以上種植蓄水截流效果較好，能有效防治石漠化的產生。抗旱耐瘠薄、喜鈣、石生、適用范圍廣的鄉(xiāng)土植物是喀斯特地區(qū)經濟林的極優(yōu)選種。

無籽刺梨，別名“金刺梨”，屬多年生落葉灌木，富含多種維生素和藥用價值，具有石生性、耐旱抗瘠、根系發(fā)達的適生性，是貴州省的特有種。能在貧瘠的石山山地上茁壯成長，與野生刺梨相比，品質口感更好，產量更高。目前，無籽刺梨在貴州省得到廣泛種植，并成為安順市重點打造的特色農產業(yè)，近年無籽刺梨相關研究也開始關注到環(huán)境方面，但研究成果不多，主要集中在無籽刺梨對土壤環(huán)境、土壤質量的影響及評價等方面，已有研究表明，無籽刺梨隨著種植年限的增加對土壤理化性質和生物影響明顯，能促進土壤酶的活力，改善土壤的質量,可作為喀斯特區(qū)域中度、輕度和潛在石漠化生態(tài)修復的經濟樹種；前人研究中未涉及山地坡度因素研究，雖提出了無籽刺梨種植的生態(tài)價值及水土保持作用，但并未對此作深入定量的研究，在水土保持減流減沙方面也還未見相關報道。目前學界在坡面產流產沙試驗研究方法也多以室內人工模擬降雨試驗為主，野外天然降雨坡面定位觀測試驗甚少。為此本文采用天然野外自然坡面徑流小區(qū)定位觀測法，通過對喀斯特山區(qū)坡耕地坡度15°和25°條件下無籽刺梨種植模式與次降雨產流產沙特征進行分析，為貴州喀斯特山區(qū)坡耕地生態(tài)高質量綠色發(fā)展和樹種選擇提供理論支撐和借鑒。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省安順市普定縣龍場鄉(xiāng)大橋村(105°41′04″—105°43′41″E，26°18′37″—26°19′57″N)，海拔1 167～1 258 m，主要以巖溶山地和洼地為主。巖層構成為中生界三迭系下統(tǒng)永寧組第1段、第2段構成。永寧組第1段厚度為363～482 m，石灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖和砂質頁巖為主。第2段厚度為43～235 m，以白云巖為主，表層有角礫巖的分布。形成的土壤以石灰土為主，主要有黃壤，棕色石灰土，土壤土層薄，pH為6.2～7.3。年平均氣溫15.1 ℃，年平均日照時間1 165 h，無霜期301天，年平均降水量1 335 mm，主要集中在5—9月，而研究區(qū)土層極薄,厚處僅40 cm。據熊康寧等不同石漠化等級的劃分標準，研究區(qū)主要為輕度石漠化區(qū)。

2 材料與方法

2.1 降雨監(jiān)測

應用雨量計SM-1進行降雨量實地測定和氣象站測定數據校核。按照氣象學雨量劃分方法，降雨類型分為：小雨(<10 mm)、中雨(10 mm<<25 mm)、大雨(25 mm<<50 mm)、暴雨(50 mm<<100 mm)和大暴雨(≥10 mm)5個等級。本文數據采集時段為2016年6月26日至8月28日雨季期間次降雨參數數據[降雨量()和30 min最大降雨強度()]，監(jiān)測期徑流小區(qū)共產流15次。次降雨總量為491.9 mm，小雨2場，中雨7場，大雨3場，暴雨2場，大暴雨1場；7月份小雨2場，中雨5場；8月份中雨2場，大雨3場，暴雨2場，大暴雨1場。

2.2 徑流小區(qū)野外定位觀測法

貴州省坡耕地以坡地為主，梯田比重小，其中15°～25°和25°以上的坡地面積分別占所在坡度范圍坡耕地總面積的80.92%和87.82%。為此本文選擇研究的坡耕地是針對坡度為15°以上的坡地，土地貧瘠，跑水跑肥嚴重。試驗區(qū)普定縣龍場鄉(xiāng)大橋村的無籽刺梨種植坡耕地，同一坡面同坡段分布有黃壤和棕色石灰土。本試驗共布設了6個徑流小區(qū)(表1)，采用2 m×5 m規(guī)格(研究區(qū)坡耕地破碎，橫坡土埂不規(guī)則，因土埂的阻隔，縱坡地塊坡長小于10 m,無籽刺梨為灌木，2 m×5 m規(guī)格徑流小區(qū)已滿足監(jiān)測產流產沙值的需求)。1號和4號為對照小區(qū)，為“自然恢復地徑流小區(qū)”，本文研究對象為坡耕地中的坡地，本小區(qū)設置可定量分析比較坡耕地自然撂荒或生態(tài)退耕與應用無籽刺梨進行生態(tài)修復之間產流產沙的差異。2號和5號小區(qū)為無籽刺梨+自然荒草地，形成灌草混種模式，自然荒草地為自然生長植被，適生性強且可增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經實地調查，目前無籽刺梨主要種植水熱條件較好的耕地上，為避免其他草本植物搶肥，主要采用無籽刺梨單種模式，農戶常使用除草劑清除地表草本植物，筆者對此并不認同，尤其是坡地上，采用無籽刺梨單種模式會使大面積土壤表層裸露，從而降低了地表的抗蝕能力，筆者采用無籽刺梨+自然荒草地試圖從產流產沙監(jiān)測水土保持視角詮釋套種模式的生態(tài)功能；3號和6號為無籽刺梨單種模式，與自然恢復地和無籽刺梨+自然荒草地進行對比，探討無籽刺梨水土保持生態(tài)功能。

表1 普定縣龍場鄉(xiāng)大橋村樣點概況

坡面降雨土壤侵蝕采用徑流小區(qū)法測定產流產沙量。次降雨結束后6 h內,采用水尺觀測集流池水位,再換算為總產流量；產沙量采用取樣測試法,用1 000 mL廣口瓶將徑流池中的水和泥沙攪拌均勻，并采集水樣1 000 mL，帶回實驗室放置24 h，待泥沙完全沉淀后倒掉上層液，將剩余泥沙樣倒入鋁盒內，放入105 ℃烘箱中烘干24 h后用天平(精度0.001 g)稱重，再次放入烘箱烘干后再稱重，直到泥沙質量恒定后記錄數據，并計算徑流量。推算集流池中的泥沙總量,計算公式為：

(1)

(2)

式中:為坡面徑流深(mm);為坡面產流總量(m);為徑流小區(qū)面積(km);為產沙量(t/km);為產沙總量(t)。

運用SPSS 24.0軟件統(tǒng)計分析徑流小區(qū)次降雨量()、最大30 min雨強()、徑流深、產沙量等指標，指標間進行相關性和顯著性分析，徑流小區(qū)間進行不同尺度的對比分析。

3 結果與分析

3.1 坡耕地坡面產流對侵蝕性降雨的響應

通過對樣地產流量與降雨參數(、)相關性進行分析，結果(表2)表明，徑流量與降雨參數呈極顯著正相關(<0.01)。從坡度看，徑流量與次降雨參數相關系數均表現為高度相關，相關系數最高值為0.984，最低值為0.872,相關程度為坡度15°>坡度25°；從植被種植模式上看，坡度15°時徑流量與降雨量相關系數排序為無籽刺梨+自然荒草地>無籽刺梨>自然恢復地。

表2 產流產沙與次降雨參數相關性

本文以降雨量大小及雨型進行排序，1，2場為小雨，3～9場為中雨，10～12場為大雨，13，14場為暴雨，15場為大暴雨。由圖1可知，總體上看，在相同降雨量和降雨強度下，徑流深表現為自然恢復地>無籽刺梨地>無籽刺梨+自然荒草地；從不同雨型來看，無籽刺梨地和無籽刺梨+自然荒草地模式在小雨型、中雨型差異不明顯，而在大雨型、暴雨型和大暴雨型條件下各徑流小區(qū)差異較明顯，無籽刺梨+自然荒草地徑流深顯著低于無籽刺梨地和自然恢復地，產流量呈現最小，治理效果最好。

圖1 坡面徑流對坡面降雨侵蝕的響應

通過曲線擬合發(fā)現，徑流深與降雨參數、之間存在多項式、幕函數和指數正相關，坡度為15°時，呈多項式和幕函數關系；而坡度為25°時，呈指數和多項式相關。

3.2 坡耕地坡面產沙對侵蝕性降雨的響應

對徑流小區(qū)產沙量與降雨參數(、)相關性進行分析，結果(表2)顯示，產沙量與呈正相關，相關系數介于0.385～0.963；產沙量與也呈正相關，相關系數介于0.345～0.910。從坡度看，產沙量與次降雨參數相關系數為顯著相關，相關系數最高值為0.963，最低值為0.345,無籽刺梨+自然荒草地和無籽刺梨地相關程度為坡度15°>坡度25°；自然恢復地在坡度15°時相關性不強，坡度25°時表現為極顯著相關，相關系數最大為0.963。

對各徑流小區(qū)產沙量和降雨參數之間的關系進行曲線擬合(圖2)發(fā)現，產沙量與、呈指數、冪函數和多項式相關性。

圖2 無籽刺梨不同種植模式與對照小區(qū)產沙關系

3.3 無籽刺梨不同配套種植模式對坡面產流產沙的治理作用

3.3.1 無籽刺梨不同配套種植模式減流作用 由表3可知，無籽刺梨+自然荒草地和無籽刺梨單種模式在同坡度和不同坡度下的減流作用均具有差異性。相同坡度無籽刺梨不同配套種植模式較自然恢復地減流效果明顯，表現為無籽刺梨+自然荒草地>無籽刺梨地。小雨、中雨之間減流作用最好，隨降雨量由大雨轉變成為暴雨時，其減流效果又逐漸減弱，由暴雨轉大暴雨時，減流作用又有所增加。從坡度來看，中雨、大雨條件下坡度25°減流作用較坡度15°明顯，較自然恢復地，坡度15°時，無籽刺梨+自然荒草地、無籽刺梨地在小雨條件下分別平均減流59.08%和64.65%；中雨條件下分別平均減流65.23%和57.11%；大雨條件下分別平均減流56.96%和50.83%；暴雨條件下分別平均減流54.87%和47.79%；坡度25°時，無籽刺梨+草地、無籽刺梨地在小雨條件下分別平均減流53.11%和73.39%；中雨條件下分別平均減流76.09%和67.21%；大雨條件下分別平均減流76.72%和57.31%；暴雨條件下分別平均減流46.12%和37.76%。

3.3.2 無籽刺梨不同配套種植模式減沙作用 由表3可知，無籽刺梨不同配套種植模式減沙效果明顯，總體上來看，以無籽刺梨+自然荒草地減沙效果最為理想。相同坡度減沙效果順序為無籽刺梨+自然荒草地>無籽刺梨。不同坡度減沙的作用并不是隨降雨量的增大呈直線上升趨勢，有一定波動。小雨、中雨之間減沙作用最好，中雨至大雨之后減沙效果波動較大，呈先減后升再減的趨勢。從坡度來看，無籽刺梨不同配套種植模式對坡耕地坡度25°減沙作用優(yōu)于坡度15°，小雨、中雨時減沙作用穩(wěn)定。較自然恢復地，坡度15°時，無籽刺梨+自然荒草地、無籽刺梨地在小雨條件下分別平均減沙87.32%和83.21%；中雨條件下分別平均減沙71.64%和69.13%；大雨條件下分別平均減沙51.10%和52.80%；暴雨條件下分別平均減沙74.69%和67.30%。坡度25°時，在小雨條件下無籽刺梨+自然荒草地、無籽刺梨地分別較自然恢復地平均減沙85.40%和81.18%；中雨條件下分別較自然恢復地平均減沙86.87%和81.49%；大雨條件下分別平均減沙71.55%和66.47%；暴雨條件下分別平均減沙73.99%和64.11%。

表3 野外觀測無籽刺梨不同種植模式減流減沙作用

4 討 論

坡耕地坡面產流產沙與降雨量、降雨強度相關系數呈顯著相關。反映出該區(qū)降雨量和最大30 min雨強是坡面徑流形成的主導因素,與前人研究結果相一致。坡耕地產流產沙隨降雨量、降雨強度的增大而增大，但并未呈現直線上升，有一定的波動，尤其是暴雨和大暴雨的影響極大，大暴雨產流產沙量最大，這與前人研究相一致。由表4可知，研究區(qū)監(jiān)測期大雨、暴雨和大暴雨雖不多但侵蝕力極強，尤其是后2種雨型。在暴雨、大暴雨條件下自然恢復地、無籽刺梨+自然荒草地和無籽刺梨地平均徑流深分別占其總平均徑流深的63.13%，70.96%，74.92%，平均產沙量分別占其總平均產沙量的70.27%，69.75%，65.96%。由此可見，黔中山區(qū)坡耕地水土保持工作必須重點關注大雨、暴雨和大暴雨這3種雨型的侵蝕，尤其是后2種雨型。

表4 徑流小區(qū)平均產流產沙

研究區(qū)在減流減沙作用中坡度25°較坡度15°效果明顯，其原因可能與土壤和植被相關。坡度15°的1，2，3號徑流小區(qū)土壤為棕色石灰土，含砂量高，土粒較粗，土壤表層孔隙度較大，未形成明顯的結皮現象，當降雨時，降水隨著土壤孔隙很快入滲，所以相對于4，5，6號小區(qū)來說，土壤限制條件差異不太明顯；而坡度25°的4，5，6號徑流小區(qū)土壤為黃壤，土壤較黏重性，土粒細，土壤孔隙度較小，當降雨時，尤其是暴雨、大暴雨，降水還未及時下滲就形成了徑流量，通過在暴雨、大暴雨后小區(qū)降雨滲入深度檢查，4號徑流小區(qū)雨水下滲深度小于20 cm，主要原因：一方面，黃壤黏重，孔隙度小，降雨難以下滲；另一方面，自然恢復地植被為草本，其根系主要在0—20 cm深度范圍內，限制了根系對雨水的引流，因此產流產沙量最大；5，6號小區(qū)下滲深度可達母質層或巖層，深達40 cm，這與無籽刺梨發(fā)達的根系相關，無籽刺梨為淺根植物，根系主要分布在0—40 cm的土層中，根系改變了黃壤的通透性，當降雨時，雨水隨著根系伸展的方向入滲，因而無籽刺梨種植小區(qū)蓄水保水較好，與4號小區(qū)對比具有明顯差異。

相同降雨量、降雨強度下無籽刺梨種植模式減流減沙效果優(yōu)于自然恢復地。無籽刺梨+自然荒草地的減流減沙效果最優(yōu)，主要原因是：(1)無籽刺梨是根系發(fā)達的淺根植物，根系生長旺盛，主要盤踞在土壤表層0—40 cm深度范圍內，根系有較強的蓄水和抗旱能力，另其落葉停留在地表能形成豐富的腐殖質，從而增加土壤的抗侵蝕能力。同時其根系分泌物可改善土壤的理化性質，能促進土壤酶的活力，從而改善土壤的質量，提升抗蝕能力。(2)隨著種植年限的增加，無籽刺梨的土壤培肥作用不斷增強，土壤質量綜合指數也會逐漸提高。本文選擇的均為3年生樹，樹冠已伸展開，根系已發(fā)育壯大，已具有蓄水保肥的能力。(3)經濟林+草地的措施可有效緩解缺水問題，同時有利于增強土壤結構穩(wěn)定性和減少水土流失，自然荒草地侵蝕產沙量極少，起著重要的固沙作用。無籽刺梨+自然荒草地種植模式可進一步提高土壤表層植被的蓋度。無籽刺梨為多年生落葉灌木，枝葉生長旺盛，雖非闊葉林樹種，小葉更適應區(qū)域缺水干旱的自然環(huán)境，當降雨時，其樹冠茂盛的枝葉起到了截流的作用，減緩了雨滴對地表的侵蝕力；而自然荒草地可再一次減緩從樹冠滴落雨水的侵蝕，因此“灌草”模式形成了立體空間的截流屏障，有效減緩了對土壤的侵蝕。無籽刺梨單作模式較與自然荒草地配套種植產流產沙高是因為人為剔除土壤表層植被，土壤表層失去了草地的截流屏障，降雨從無籽刺梨樹葉直接打在土壤上，加重了土壤的濺蝕，從而加大了水土流失?？梢姡瑹o籽刺梨+草地配套種植模式優(yōu)于單作模式。自然恢復地蓄水保水弱于無籽刺梨原因：自然恢復地植被主要是草本。從地表空間上看，無較高植物對降雨進行截流；從地表以下看，其根系沒有無籽刺梨發(fā)達且根徑較細，多數植被根系伸展范圍均在0—15 cm以內，對20 cm深度以下土壤影響能力較弱，草被雖具有蓄水保肥能力，但在治理水土流失上遠不及灌木無籽刺梨。

本研究表明，無籽刺梨在黔中喀斯特區(qū)坡耕地上種植具有很好的水土保持效果，據其生態(tài)適生性可在貴州省坡耕地、石漠化區(qū)域進行廣泛種植。已有研究證實，坡改梯可有效減少產沙量，鑒于貴州省坡耕地面積較大，涉及面廣，有條件的區(qū)域可實施坡改梯進行無籽刺梨的種植，能進一步減少水土流失。目前無籽刺梨作為區(qū)域特色農產業(yè)，已形成了成熟的產業(yè)加工鏈條，僅安順市就擁有12家無籽刺梨深加工企業(yè)，已形成了規(guī)模化生產，無籽刺梨的種植具有廣闊的前景。本研究中無籽刺梨均已生長3年，在無籽刺梨幼苗期(1～2年)，因其樹冠冠幅和樹高還未形成明顯的頂端優(yōu)勢，在這期間適合無籽刺梨單作模式，以提升植株對養(yǎng)分的攝入。3年以上植株形成了明顯的頂端優(yōu)勢，可實施無籽刺梨+自然荒草地種植模式，定期修剪過高的草本植物，形成良好的土地生態(tài)系統(tǒng)，以實現坡耕地的生態(tài)和經濟的最大綜合利用效益。本文采用的是自然荒草地，在具體實施時也可改用人工草地配套種植，草地不僅蓄水保肥效果好，而且還可為畜牧業(yè)提供飼料。貴州省屬生態(tài)脆弱區(qū)，山地地形復雜，土層據巖溶山地微地貌微地形具有差異性，在生態(tài)修復中可據山地立體空間特征，選用山地石生性強的桃樹、梅樹、李樹等與無籽刺梨配套種植，構建“喬灌草”種植模式，加強土地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現山地坡耕地生態(tài)、社會、經濟協同發(fā)展。

5 結 論

(1)降雨量和降雨強度是研究區(qū)域坡耕地坡面徑流和產沙形成的主導因素之一。進行曲線擬合發(fā)現，徑流深、產沙量與降雨參數(、)高度正相關(<0.01)，徑流深、產沙量和降雨參呈指數、冪函數、多項式的相關性。

(2)無籽刺梨種植地減流減沙特征：小雨、中雨之間減流作用最好，大雨、暴雨、大暴雨3種雨型土壤侵蝕最為嚴重，尤其是后2種雨型，侵蝕力極強，必須重點關注。

(3)無籽刺梨不同配套種植模式在不同坡度條件下坡面減流減沙具有差異，減流減沙效果坡度25°優(yōu)于坡度15°，減沙效果優(yōu)于減流效果，且不同雨型條件下呈現明顯差異?？傮w上看，無籽刺梨+自然荒草地減流減沙效果最優(yōu)。坡度15°度時較自然恢復地，無籽刺梨+自然荒草地在小雨、中雨、大雨、暴雨4種雨型下分別平均減流59.08%，65.23%，56.96%，54.87%，分別平均減沙87.32%，71.64%，51.10%，74.69%；坡度25°度時較自然恢復地，無籽刺梨地+自然荒草地在小雨、中雨、大雨、暴雨4種雨型下分別平均減流53.11%，76.09%，76.72%，46.12%，分別平均減沙85.40%，86.87%，71.55%，73.99%。

(4)研究區(qū)無籽刺梨對各種雨型均有很好的水土保持治理效果，可作為貴州省喀斯特山區(qū)石漠化區(qū)域生態(tài)修復的極優(yōu)經濟選種。