南方紅壤區(qū)不同管理模式下的馬尾松林水沙特征與植被作用

胡丹陽

(福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院；地理學(xué)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，福州 350007)

南方紅壤區(qū)是我國潛在水土流失發(fā)生的重點(diǎn)區(qū)域，馬尾松作為我國南方地區(qū)的代表林型之一，林下水土流失嚴(yán)重[1]。如何根據(jù)區(qū)域環(huán)境特點(diǎn)，研究林區(qū)水沙過程并尋找高效管理措施，已成為防治水土流失和進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的重點(diǎn)問題。

通用水土流失方程(USLE)表明[2]，地表水沙過程受降雨特征、土壤性質(zhì)、坡地條件、植被管理和土地利用等多種因素影響。其中降雨是引起水土流失的主要動力，通常認(rèn)為降雨量和降雨強(qiáng)度是徑流侵蝕產(chǎn)生的主因[3]，植被則通過影響動能、截留降雨等減輕坡面侵蝕，而成為重要的水土保持措施。當(dāng)前，有眾多學(xué)者利用人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)和野外觀測數(shù)據(jù)，在坡面尺度和小流域上對裸地、農(nóng)耕地、林地的產(chǎn)流產(chǎn)沙及泥沙遷移進(jìn)行對比[4-5]，同時徑流長度指數(shù)、景觀滲透性等方法在對植被產(chǎn)流特征研究中逐漸得到重視[6-7]，但有關(guān)水土流失發(fā)生發(fā)展過程及其演變規(guī)律的討論依然不足，目前針對紅壤區(qū)馬尾松林地的研究多集中于生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)和土壤退化方面[8]，然而對于馬尾松林下水土流失的特征和形成機(jī)理仍未得到系統(tǒng)性解釋。本研究以福建省長汀縣坡面徑流小區(qū)的觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析小區(qū)內(nèi)不同管理措施的減流減沙效應(yīng)，基于水文連通性原理和灰色關(guān)聯(lián)法比較主要植被特征對水沙過程的影響，為馬尾松林水保措施優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

福建省長汀縣水土保持科教園(116°38′45″～116°39′20″E，25°18′40″～26°02′05″N)地處福建省西南部，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年平均氣溫17.0～19.5℃，年平均降雨量 1 700 mm，土壤類型主要為粗晶花崗巖風(fēng)化發(fā)育的山地丘陵紅壤。

1.2 徑流小區(qū)設(shè)置

本研究采用坡面徑流小區(qū)法。徑流小區(qū)建立于2006年5月，地點(diǎn)位于河田鎮(zhèn)露湖村，土壤類型為紅壤，基巖種類為花崗巖。各小區(qū)長寬20 m×5 m，均設(shè)置于坡向270°、坡度15°的中坡位置，各類型小區(qū)樣本數(shù)量1個，主要觀測項(xiàng)目為徑流量和泥沙量。表1為各徑流小區(qū)基本管理情況，表2為各小區(qū)植被相關(guān)群落學(xué)信息，其中以“林下流”模式小區(qū)作為對照。

表1徑流小區(qū)特征情況

Tab.1 Characteristics of runoff plots

表2小區(qū)植被群落學(xué)信息

Tab.2 Vegetation coenology information in plots

1.3 產(chǎn)流產(chǎn)沙參數(shù)測定

通過測量小區(qū)徑流池水深和泥沙量計(jì)算地表徑流量和土壤流失量，可以分析坡面基本水沙過程。根據(jù)《水土保持綜合治理效益計(jì)算方法》(GB/T15774-2008)計(jì)算減流率和減沙率，可以分析措施對產(chǎn)流產(chǎn)沙的控制效應(yīng)。

徑流量Li=h×S1/S2

(1)

流失量Si=m×S1/S2

(2)

減流率Jl=(Ld-Ln)/Ld

(3)

減沙率Js=(Sd-Sn)/Sd

(4)

式中：h為徑流池水深；m為泥沙量；S1和S2分別為徑流池和徑流小區(qū)的表面積；Ld和Ln分別為對照小區(qū)和各措施小區(qū)的產(chǎn)流量；Sd和Sn分別為對照小區(qū)與各措施小區(qū)的產(chǎn)沙量。

1.4 坡面水文參數(shù)測定

Antoine等提出[9]，在降雨時空均勻，忽略匯流時間和水分入滲的前提下，降雨過程可簡化為徑流填洼過程，因此可利用徑流系數(shù)與地表蓄水量(即累積降雨量與累積產(chǎn)流量之差)的函數(shù)描述地表洼地存儲水量的動態(tài)變化過程[10]。本次試驗(yàn)采用這種相對地表連接函數(shù)表征水文功能連通性，并利用減流減沙效益來確定植被作用的權(quán)重。

此外，徑流系數(shù)可以表征一定區(qū)域內(nèi)環(huán)境要素對降水-徑流的影響。

徑流系數(shù)α=R/P

(5)

式中：R為任意時段內(nèi)徑流深度，P為同時段內(nèi)降水深度。

試驗(yàn)對2015年的降雨數(shù)據(jù)及不同馬尾松管理措施小區(qū)的徑流泥沙量進(jìn)行研究。根據(jù)GB/T 28592-2012的降水量等級標(biāo)準(zhǔn)，將全年56場降雨劃分為小雨(0.1 mm～10 mm)、中雨(10 mm～25 mm)、大雨(25 mm～50 mm)和暴雨(≥50 mm)。

1.5 植被和土壤特征參數(shù)調(diào)查

參考WEPP模型中依靠植被覆蓋及其高度反映植被因子對土壤侵蝕的影響，而通過氣候和土壤模塊輸入來模擬植物生長過程，取植被水平方向蓋度和垂直方向高度作為代表性植被結(jié)構(gòu)參數(shù)。在2015年全年各月的1日和15日，測量小區(qū)植被蓋度、平均高度，以及小區(qū)8 cm土層深度處的雨前土壤含水量、雨后土壤含水量與兩測次間降水，同時采樣測定土壤有機(jī)質(zhì)含量。

1.6 部分參數(shù)與水沙情況的灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰關(guān)聯(lián)分析的目的是對信息不完全系統(tǒng)作因子間的量化和序化，理論創(chuàng)始人鄧聚龍教授提出如下方法度量灰關(guān)聯(lián)度[11]：

設(shè)參考序列為X0=(x0(1),x0(2),……,x0(n))，比較序列為Xi=(xi(1),xi(2),……,xi(n))，則曲線x0(k),xi(k)分別為x0和xi在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(6)

故曲線Xi和參考曲線X0的關(guān)聯(lián)度：

(7)

其中，ρ為分辨系數(shù)，且ρ∈[0,1]，一般取值為0.5。

研究時段內(nèi)徑流小區(qū)植被生長情況隨季節(jié)變化，且雨量與土壤侵蝕的分析中也隱含植被群落結(jié)構(gòu)、植被空間配置等因子作用，因此考慮使用灰色關(guān)聯(lián)法分析土壤含水量、植被蓋度、植被高度、有機(jī)質(zhì)含量分別與徑流量、土壤流失量的相關(guān)性大小，進(jìn)而推知植被在坡面水沙過程中的作用。

1.7 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Microsoft Excel 2016和SPSS 24進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Origin 2017進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 措施小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙動態(tài)

2.1.1 不同管理措施的水土流失量

不同管理措施的水土流失量具有很大差異。一年中，各徑流小區(qū)徑流量的大小順序?yàn)門G(26.1 mm)

2.1.2 次降雨對小區(qū)產(chǎn)流和產(chǎn)沙的影響

根據(jù)GB/T 28592-2012的降水量等級標(biāo)準(zhǔn)，將全年56場降雨劃分為小雨(0.1 mm～10 mm)、中雨(10 mm～25 mm)、大雨(25 mm～50 mm)和暴雨(≥50 mm)。

圖1為措施小區(qū)在不同雨量的徑流情況和減流特征，可知小區(qū)徑流量在各雨量水平均表現(xiàn)為TG

圖1 不同雨量條件馬尾松管理措施的徑流情況和減流特征Fig.1 Runoff and flow reduction in pine plots under different rainfall

圖2 不同雨量條件馬尾松管理措施的土壤流失情況和減沙特征Fig.2 Soil loss and sediment reduction in pine plots under different rainfall

2.2 馬尾松林下水沙過程植被作用

2.2.1 地上植被結(jié)構(gòu)與水沙過程

次降雨條件下，植被結(jié)構(gòu)指標(biāo)與植被水土保持效應(yīng)的關(guān)系模型難以建立[12]。假設(shè)坡地、土壤等條件均相同，圖3可近似反映植被特征與坡面水文連通性之間的聯(lián)系。可知植被特征對地表連接函數(shù)起負(fù)向作用，植被結(jié)構(gòu)不同程度地改變坡面儲水性能，體現(xiàn)了植被對坡面水沙過程的阻抗[13]。

圖3 小區(qū)尺度上功能連通性對植被結(jié)構(gòu)的響應(yīng)Fig.3 Response of functional connectivity to vegetation structure on a plot scale

2.2.2 地下水分狀況與水沙過程

圖4為各小區(qū)不同測次間降水與土壤體積含水率變化散點(diǎn)關(guān)系圖，可見各小區(qū)土壤體積含水量隨測次間雨量增大的增加趨勢明顯，說明降雨量對土壤水分入滲具有促進(jìn)作用，尤其是經(jīng)過造林整地處理后的小區(qū)體現(xiàn)出較好的改善土壤物理?xiàng)l件的能力。此外，體積含水量變化與次降雨時間相關(guān)聯(lián)，說明水分入滲還會受到植物生長狀況的影響。

圖4 測次間降水與土壤體積含水率變化散點(diǎn)關(guān)系Fig.4 Scatter relationships between precipitation and soil volumetric moisture

2.2.3 植被和土壤參數(shù)與水沙過程

結(jié)合試驗(yàn)中所有小區(qū)的數(shù)據(jù)做灰色關(guān)聯(lián)分析，表2為主要植被和土壤指標(biāo)與徑流量、土壤流失量的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)表，可見各指標(biāo)對徑流量和土壤流失量的影響均表現(xiàn)為土壤含水量<植被蓋度<植被高度<有機(jī)質(zhì)含量。

表2植被和土壤參數(shù)與產(chǎn)流產(chǎn)沙的灰色關(guān)聯(lián)度

Tab.2 Greycorrelationbetweenvegetationandsoilparametersandsedimentyield

土壤含水量植被蓋度植被高度有機(jī)質(zhì)含量徑流量0.57550.58270.60920.6218土壤流失量0.60620.61260.63680.6485

3 討論

3.1 “林下流”影響因子及其機(jī)理作用

南方紅壤區(qū)土壤可蝕性較高，同時花崗巖基巖土體結(jié)構(gòu)松散、酸性較重，土壤的組成和結(jié)構(gòu)劣化也將進(jìn)一步制約持水性[14]，更加惡化馬尾松生境，這是林下水土流失的主要內(nèi)因。同時，區(qū)內(nèi)徑流受極鋒雨帶影響明顯，集中于5—9月的大雨暴雨常構(gòu)成較大的侵蝕動力，郝芳華等對黃河流域的研究指出雨量增大能弱化下墊面對產(chǎn)流量的影響[15]，本試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)較大雨量對徑流減少的作用顯著，從雨量角度討論坡面水沙過程具有意義。

一般認(rèn)為在水力侵蝕區(qū)，森林林冠、枯落物和根系構(gòu)成獨(dú)特的水土流失防護(hù)體系[16]。從試驗(yàn)中的坡面水沙過程看，植被能夠有效增加對徑流的阻力，減弱水文連通性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水土保持，但試驗(yàn)的小區(qū)設(shè)計(jì)上造林整地同時改變了立地條件，無法從景觀破碎程度等對水土等物質(zhì)的空間分配及水土保持效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，同時所設(shè)置小區(qū)的數(shù)量較少，難以檢查坡面源匯和產(chǎn)流產(chǎn)沙是否存在閾值關(guān)系。從小區(qū)8cm土層深度處含水量看，灌草類植被極可能加強(qiáng)土壤的持水、滲透性能，這與恢復(fù)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域大量研究相一致[17]。結(jié)合水文循環(huán)過程發(fā)現(xiàn)，雖然長時間尺度的產(chǎn)流過程主要受蒸散發(fā)影響，但從月尺度看來土壤含水量的變化不可忽略。

植被在水土保持工作中起關(guān)鍵作用，但小區(qū)尺度上影響徑流和泥沙生成的主導(dǎo)因子仍存在爭議。歐洲葡萄園有研究發(fā)現(xiàn)引起徑流和侵蝕的最重要因素是植被覆蓋和土壤濕度[18]，而鄭明國等認(rèn)為植被措施不會改變流域水沙關(guān)系，植被的減沙效應(yīng)僅通過減水來實(shí)現(xiàn)[19]。本研究認(rèn)為水沙過程均會受到植被特征的影響，土壤和地形條件極有可能幫助解釋這種差異[20]。

3.2 不同管理措施的減流減沙效益

林下植被稀少或缺失是馬尾松林水土流失的重要原因，對照小區(qū)人為清除林下灌草和枯枝落葉，加大土壤裸露面積，使得雨滴直接濺蝕在土壤表層，導(dǎo)致延緩徑流、抵抗沖刷的能力較弱[21]。

相較于“林下流”模式，本研究中其他馬尾松林管理模式均體現(xiàn)出較好的水土保持效益。一方面喬灌草模式中的造林整地改變了成土母質(zhì)堆積形式和土壤物理性狀，調(diào)節(jié)土層厚度及水分養(yǎng)分的重新分配，提升地力，并增強(qiáng)馬尾松抗逆性，另一方面馬尾松林下常見有芒萁、茅草、胡枝子等，調(diào)整并優(yōu)化了群落結(jié)構(gòu)，所形成的小氣候也對調(diào)水保土能力起作用。

結(jié)合各小區(qū)的植被特征，以及水文功能連通性與土壤體積含水率變化發(fā)現(xiàn)，封禁能減少外界干擾且植物立體結(jié)構(gòu)良好，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)尤其在大雨暴雨時其減沙效能有明顯提高，補(bǔ)植馬尾松通過增加林下植被多樣性和草本坡面覆蓋增強(qiáng)植物對土壤的固持和水分入滲，但封禁草本層的恢復(fù)速度較慢，補(bǔ)植馬尾松還缺乏灌木根系對深層次土壤的穿插[22]，二者在阻抗坡面徑流與水分下滲方面能力較弱。喬灌草混交則可以形成相對獨(dú)立的冠層立體結(jié)構(gòu)網(wǎng)[23]，降低雨滴的沖刷力，同時林下植被根系還可加強(qiáng)土壤顆粒聚合并提供大量有機(jī)質(zhì)[24]，因此也體現(xiàn)出較好的降低坡面徑流流速、延長徑流歷時和增加土壤入滲能力。此外，本研究中局部整地主要通過改變地表徑流匯集、增強(qiáng)土壤滲透性等方面影響坡面水流下滲[25]，試驗(yàn)中小區(qū)減流率在各雨量條件均表現(xiàn)為條溝與穴狀整地<穴狀整地<條溝整地，體現(xiàn)了條溝整地?cái)r蓄大量水分的功能，而穴狀整地改善立地條件方面相對較差，兩種整地方式的結(jié)合很可能受到小氣候和造林條件的綜合影響，使工程措施不能充分發(fā)揮作用。

4 結(jié)論

(1)2015年，徑流小區(qū)所產(chǎn)徑流量的大小順序?yàn)門G

(2)不同降雨水平下各管理措施小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征表現(xiàn)不同，小區(qū)的年徑流量在不同雨量下均為TG

(3)不同馬尾松林管理措施對坡面水沙情況及其相關(guān)性變化的貢獻(xiàn)率都存在差異。植被特征通過提升地力、加強(qiáng)植被結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、影響生物生長和根系穿插作用等，從降低坡面徑流流速、延長徑流歷時和增加土壤入滲等方面改變坡面水文功能連通特征，對水沙過程起作用。主要相關(guān)指標(biāo)的影響程度表現(xiàn)為土壤含水量<植被蓋度<植被高度<有機(jī)質(zhì)含量。

致謝感謝長汀縣水土保持事業(yè)局提供數(shù)據(jù)。