廣東省坡面尺度降雨產流產沙特征分析

劉愛青，寇馨月

(1.廣東省水利水電技術中心,廣東廣州 510610;2.珠江水利委員會珠江流域水土保持監(jiān)測中心站，廣東廣州 510611)

坡面作為水土流失發(fā)源地，是土壤侵蝕的重要組成單元，研究坡面尺度降雨產流產沙特征具有十分重要的意義[1-5]。廣東地形地貌復雜、降雨豐沛，水土流失十分嚴重。2020年全省有水土流失面積17 636.40 km2，占全省土地面積的9.88%，中度及以上侵蝕面積占水土流失總面積的18.63%。

張青青等[6]基于不同下墊面措施產流產沙觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全坡面種草、封禁、低效馬尾松施肥、喬灌草混交、人工補植馬尾松5種水土保持措施的年均減流率和年均減沙率分別為65.41%～72.59%和81.54%～91.87%，具有良好的水土保持效應。姚沖等[7]研究暴雨條件下典型紅壤區(qū)不同恢復方式侵蝕過程與特征，發(fā)現(xiàn)自然恢復、低效林改造、喬灌草混交林地在1.5 mm/min暴雨強度下徑流率、侵蝕率和累積產沙量呈逐漸降低趨勢。徐舟等[8]研究發(fā)現(xiàn)紅壤區(qū)多個降雨強度下均表現(xiàn)為草地產流產沙量最小、林地次之、裸地最大，林草地減流減沙效應十分顯著。余波等[9]研究了花崗巖紅壤區(qū)不同生草措施果園產流產沙特征，發(fā)現(xiàn)“臍橙+白三葉”措施減流減沙效果最好，其產流量分別為“臍橙+艾蒿”“臍橙+馬齒莧”“臍橙+草木樨”和“臍橙清耕”的54.09%、53.15%、58.07%、69.85%，產沙量分別為上述4種措施的61.53%、59.94%、68.88%、87.26%。黃俊等[10]基于五華縣水土保持監(jiān)測站點2014年觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)次降雨入滲量隨降雨強度增加呈先增后減的變化趨勢，存在入滲量達最大值的臨界降雨強度；人工林及灌草地臨界降雨強度為19.9～27.8 mm/h，均高于自然撂荒地。盡管有關紅壤區(qū)坡面次降雨入滲、產流產沙特征相關研究成果豐碩，但有關紅壤區(qū)不同土地利用方式、不同降雨尺度下產流產沙特征相關研究仍需要進一步深入。

降雨是坡面產流及土壤侵蝕源動力，是影響坡面土壤侵蝕關鍵因子[11-15]。筆者基于廣東省6個野外定位觀測站點，從年尺度和月尺度角度研究林草地、裸地2種土地利用方式下年降雨和月降雨坡面產流產沙特征，分析了林草措施水土保持效益，以期為廣東省紅壤區(qū)坡面水土流失防治及水土資源高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源觀測數(shù)據(jù)來源于廣東省6個野外水土保持監(jiān)測站點，6個站點基本覆蓋了廣東省水土保持三級區(qū)，各站點基本信息：惠東縣白盆珠坡面徑流場屬布心小流域典型紅壤丘陵區(qū)，以紅壤、黃壤為主，共有標準徑流小區(qū)6個，其中林草措施徑流小區(qū)5個、裸地對照小區(qū)1個，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為30%～70%，林草措施以松樹、樟樹、荷木、相思、臺灣草等為主。五華縣烏陂河小流域綜合觀測場屬韓江上游典型紅壤丘陵區(qū)，以紅壤為主，共有標準徑流小區(qū)8個，其中林草措施徑流小區(qū)7個、裸地對照小區(qū)1個，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為40%～70%，林草措施以桉樹、馬尾松、木荷、百喜草等為主。東源縣大坑坡面徑流觀測場屬東江上游南方紅壤丘陵區(qū)，以紅壤為主，共有標準徑流小區(qū)6個，其中林草措施徑流小區(qū)5個、裸地對照小區(qū)1個，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為25%～60%，林草措施以馬尾松、芒萁、羊毛草等為主。南雄市下洞水小流域坡面徑流場位于下洞水流域中上游，以黃壤、紅壤、紫色土為主，共有標準徑流小區(qū)8個，其中林草措施徑流小區(qū)6個、裸地對照小區(qū)2個，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為40%～80%，林草措施以桃樹、龍舌蘭、茅草、喬灌草等為主。羅定市素龍坡面徑流觀測場屬西江干流南方紅壤丘陵區(qū)，以紅壤為主，共有標準徑流小區(qū)6個，其中林草措施徑流小區(qū)5個、裸地對照小區(qū)1個，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為30%～70%，林草措施以松樹、樟樹、絹毛相思等為主。茂名市山心小流域坡面徑流場位于山心小流域中上游，以紅壤為主，共有標準徑流小區(qū)12個，其中林草措施徑流小區(qū)10個、裸地對照小區(qū)2個，林草措施小區(qū)植被覆蓋度為40%～70%，林草措施以火力楠、紅荷木、黃花莉、臺灣草等為主(圖1)。

圖1 6個水土保持監(jiān)測站點空間分布

1.2 觀測指標與方法觀測指標包括降雨、產流、產沙、土壤含水量等，觀測方法參照《徑流小區(qū)和小流域水土保持監(jiān)測手冊》。日降雨量、次降雨量和降雨過程由雨量筒和自記雨量計連續(xù)監(jiān)測，并使用RainRecord軟件包計算得到次降雨侵蝕力數(shù)據(jù)。小區(qū)土壤含水量(0～15 cm)采用傳統(tǒng)烘干法(105 ℃，不少于8 h)測定，地表植被蓋度采用照相法和目估法相結合確定，土壤含水量及地表植被蓋度均為每15 d左右測定一次。小區(qū)徑流量通過集流池和分流池水位計算得到，泥沙濃度通過人工取樣獲得，并計算次降雨產沙量。

經篩選分析，使用6個水土保持監(jiān)測站點2013—2021年共計9年的歷史觀測數(shù)據(jù)，其中東源、羅定、惠東、五華、茂名、南雄分別收集到次降雨事件有效數(shù)據(jù)分別為573、1 013、1 740、1 837、1 445、872組，所有數(shù)據(jù)均來源于自然降雨事件。使用Microsoft Excel 2013軟件包進行數(shù)據(jù)處理與繪圖。

坡面減流效益(rr)、減沙效益(sr)計算方法：

rr=(runoff裸地-runoff林草地)/runoff裸地

sr=(sediment裸地-sediment林草地)/sediment裸地

其中，runoff裸地和runoff林草地為年降雨或月降雨裸地坡面產流量和林草地坡面產流量，mm；sediment裸地和sediment林草地為年降雨或月降雨裸地坡面產沙量和林草地坡面產沙量， t/hm2。

2 結果與分析

2.1 年降雨產流產沙分析由圖2可知，各站點多年降雨量平均值均超過1 000 mm，其中東源站點多年降雨量平均值最小為(1 013.5±151.8) mm，惠東站點多年降雨量平均值最大為(1 566.4±395.1)mm，其次分別為羅定(1 366.9±127.2)mm、五華(1 408.0±333.6)mm、茂名(1 432.9±318.7)mm和南雄(1 511.0±227.0)mm。各站點年內各月降雨量變異系數(shù)基本相當，由大到小依次為惠東1.009 0、茂名0.936 8、東源0.899 9、五華0.898 3、羅定0.796 6和南雄0.751 2。從變化趨勢而言，東源2013—2021年年降雨總體呈顯著遞增趨勢(y=19.92x-99 672，R2=0.810 9，P<0.05)，惠東呈總體下降趨勢(y=-73.07x+148 942，R2=0.256 4，P<0.05)，羅定呈略微遞增趨勢(y=2.58x-384 3，R2=0.003 1，P>0.05)，南雄呈總體遞增趨勢(y=39.24x-77 630，R2=0.224 0，P<0.05)，五華呈顯著下降趨勢(y=-78.89x+160 519，R2=0.409 4，P<0.05)，茂名呈略微增加趨勢(y=8.69x-16 088，R2=0.005 6，P>0.05)。

圖2 2013—2021年各站點降雨量

由圖3～8可知，總體而言，各站點年侵蝕性降雨量為50～2 100 mm，均值為(920.8±489.2) mm，裸地小區(qū)年侵蝕性降雨徑流深為2～750 mm，均值為(227.2±82.42)mm，土壤流失量為1～190 t/hm2，均值為(48.21±25.84) t/hm2，林草地小區(qū)年侵蝕性降雨徑流深為1～300 mm，均值為(91.84±47.11) mm，土壤流失量為0.2～50.0 t/hm2，均值為(9.97±5.71) t/hm2。各站點產流產沙量隨侵蝕性降雨量增加而增加，且裸地小區(qū)的產流產沙量明顯高于林草地小區(qū)。

圖3 東源站點年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

一元線性函數(shù)可以較好地定量描述產流產沙與侵蝕性降雨的關系，各擬合方程決定系數(shù)R2均超過0.500 0，且各擬合方程均達顯著水平(P<0.05)。裸地和林草地小區(qū)徑流深和土壤流失量均隨著年侵蝕性降雨增加而增大，且裸地小區(qū)擬合方程斜率和截距大于林草地小區(qū)，說明裸地小區(qū)產流產沙量受侵蝕性降雨量影響更大，且隨著侵蝕性降雨增加而迅速變大。林草措施具有顯著的減流減沙效應，一方面林冠層截留降雨、減少雨滴對地表打擊作用而引起的濺蝕，同時林草措施地表良好覆被顯著增加了入滲量而進一步降低坡面產流產沙量。

圖4 羅定站點年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖5 惠東站點年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖6 五華站點年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖7 茂名站點年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

圖8 南雄站點年侵蝕性降雨徑流深和土壤流失量

2.2 土壤流失量與徑流深2019—2021年各站點觀測數(shù)據(jù)土壤流失量與徑流深散點圖見圖9。由圖9可知，土壤流失量隨徑流深增加而逐漸變大。一般而言，徑流深越大坡面水流速度越大，水流剝離表土和挾沙能力較強，引起的土壤侵蝕量和流失量均相對較大。土壤流失量與徑流深動態(tài)變化關系總體上符合一元遞增線性函數(shù)規(guī)律，各站點裸地、林草地小區(qū)二者擬合方程均達顯著水平(P<0.05)，除五華林草地小區(qū)二者擬合方程決定系數(shù)R2小于0.500 0外，其余各站點不同措施小區(qū)二者擬合方程R2均不低于0.700 0。裸地小區(qū)二者擬合方程斜率(k)是林草地小區(qū)二者擬合方程k值的1.33～4.41倍，其中惠東裸地小區(qū)是林草地小區(qū)k值的4.41倍，五華裸地小區(qū)是林草地小區(qū)k值的1.33倍。侵蝕性降雨引起單位徑流深增加，裸地小區(qū)土壤流失量增加為林地小區(qū)的1.33～4.41倍，林草措施具有顯著的水土保持效應。

注：圓點、方塊分別表示裸地、林草地小區(qū)觀測數(shù)據(jù)

2.3 林草措施減流減沙效益分析6個站點分別利用月尺度觀測數(shù)據(jù)和年尺度觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計林草措施減流減沙效益，結果見表1。總體而言，各站點減流減沙效益隨侵蝕性降雨增加而增大，這是因為隨侵蝕性降雨增加，裸地小區(qū)產流產沙增加幅度較林草措施大，導致林草措施減流減沙效益增加。各站點月尺度減流減沙效益略大于年尺度減流減沙效益，月尺度減流效益為46.59%～58.61%，減沙效益為20.53%～65.40%；年尺度減流效益為51.13%～65.77%，減沙效益為24.88%～45.25%。五華月尺度和年尺度減流效益最大分別為58.61%和65.77%，茂名月尺度和年尺度減沙效益最大分別為65.40%和45.25%。

表1 林草措施減流減沙效益分析

3 結論

該研究基于廣東省6個野外水土保持定位監(jiān)測站點2013—2021年觀測數(shù)據(jù)，分析了侵蝕性降雨與徑流深、土壤流失量定量變化關系及林草措施減流減沙效益，結果表明，2013—2021年東源、南雄、茂名站點年降雨量呈略微遞增趨勢，羅定、五華及惠東站點年降雨量呈略微下降趨勢，但均未達統(tǒng)計學顯著水平(P>0.05)。各站點裸地、林草地小區(qū)年侵蝕性降雨徑流深分別為2～750和1～300 mm，年侵蝕性降雨土壤流失量分別為1～190和0.2～50 t/hm2。徑流深、土壤流失量均與侵蝕性降雨間呈顯著正相關關系(P<0.05)。各站點裸地和林草地小區(qū)土壤流失量隨徑流深增加而顯著性線性遞增(P<0.05)，裸地小區(qū)單位徑流深增加引起土壤流失量增加是林草地小區(qū)的1.33～4.41倍，林草措施水土保持效益顯著。年尺度林草措施減流減沙效益與月尺度計算結果基本一致，林草措施減流效益為46.59%～65.77%，減沙效益為20.53%～65.40%。