紅壤坡地覆蓋與敷蓋徑流調控特征研究

程冬兵，張平倉，楊 潔

(1.長江科學院水土保持研究所，武漢 430010;2.江西省水土保持科學研究所，南昌 330029)

紅壤是我國重要的土壤資源，由于紅壤區(qū)降雨量大而集中，低山和丘陵交錯，地形破碎，坡度大，母巖抗蝕力弱，發(fā)育的紅壤可蝕性高，加之人口密度大，人地矛盾突出，是我國水土流失最嚴重的區(qū)域之一［1］。

坡面徑流是造成水土流失的主導因子，控制水土流失的關鍵是科學調控坡面徑流。根據徑流調控理論，如果能夠合理地調配坡面徑流，就能控制水土流失或將水土流失減少到最低限度［2］。

地表覆蓋與敷蓋是水土保持常用措施，能有效蓄水保土［3］。百喜草(Paspalum notatum Flugge)是禾本科雀稗屬的一種多年生匍匐草本，原產于南美洲及墨西哥灣的墨西哥和古巴等地，是目前熱帶、亞熱帶一種優(yōu)良的水土保持作物［4］。大量試驗結果表明，百喜草覆蓋與敷蓋對土壤沖蝕控制效果良好，降低徑流泥沙功效極為顯著［5－9］。然而關于百喜草覆蓋與敷蓋對地下水文影響的研究較少。

本文選擇南方紅壤丘陵坡地，以簡單而又代表性的水土保持作物百喜草及其敷蓋物為研究對象，探討其地表地下徑流調配特征，為紅壤丘陵區(qū)防治水土流失及水資源管理提供科學依據和技術支持。

1 研究區(qū)概況

試驗布設在江西水土保持生態(tài)科技園內。科技園地處江西省北部的德安縣燕溝小流域(115°23'至115°53'E，29°10'至 29°35'N)，屬亞熱帶季風區(qū)，多年平均降雨量1 395.6mm以上，平均海拔 30～90 m。土壤為第四紀紅壤，土層深0.5～1.5 m。植被屬亞熱帶常綠闊葉林。科技園區(qū)位于我國紅壤的中心區(qū)域，屬全國土壤侵蝕二級類型區(qū)的南方紅壤區(qū)，在江西省和南方紅壤丘陵區(qū)具有典型代表性［10］。

2 試驗設計

試驗選擇土壤水分滲漏裝置(Drainage Lysimeter)，設3個標準處理小區(qū)，分別是百喜草覆蓋(種植百喜草，覆蓋度100%)、百喜草敷蓋(將百喜草刈割后敷蓋于地表，敷蓋度100%，厚度約15cm)和對照處理(地表裸露)。每個處理小區(qū)面積為5 m×15 m=75 m2，坡度為14°。小區(qū)的周圍及底部澆筑20cm厚的鋼筋混凝土，坡腳修筑擋土墻，形成一個封閉排水式土壤入滲裝置。小區(qū)坡底斷面自上至下總共設置4個出水口，最上部為地表徑流出水口，承接地表徑流與泥沙，用塑膠管連接到地表徑流池，其它3個出口分別承接地下30，60，105cm的壤中流和地下徑流①為便于論述，本文中將地表以下滲漏和徑流統(tǒng)稱為地下徑流，分別用塑膠管連接到各自徑流池。地表徑流池和地下徑流池均配置HCJ1型自記水位計，全天候的記錄徑流和滲漏動態(tài)過程。此外，按照氣象觀測手冊，在小區(qū)邊上設置了一個16 m×12 m的氣象觀測站。

小區(qū)管理均按水利部頒發(fā)的《水土保持試驗規(guī)范》(SD239－87)進行，觀測項目主要包括:降雨、地表徑流和地下徑流。

3 結果與討論

3.1 試驗區(qū)降雨特征分析

觀測期間(2002－2003年)降雨總量3 241.5mm，其中2002 年降雨1 808.5mm，2003 年降雨1 433.0mm。2003年降雨量較2002年減少375.5mm，其中前半年較 2002年同期增加113.9mm，但是后半年較 2002年同期減少489.4mm。根據水文學劃分降雨等級標準，建立不同雨型月份堆棧如圖1。

圖1 試驗區(qū)降雨等級分布Fig.1 Rainfall strength distribution in experiment zone

圖1顯示，各月份降雨量分布極不均勻，2002年、2003年月降雨量變異系數分別為0.77，0.90。汛期(4－9月)降雨較為集中，而且降雨強度大，屬暴雨多發(fā)期，其它月份降雨偏少。2002年、2003年汛期降雨量分別占當年總降雨量的71.78%，69.60%，而汛期暴雨、大暴雨及特大暴雨占當年汛期降雨量的65.22%，70.79%。

3.2 總徑流特征分析

2002－2003年滲漏小區(qū)各處理的總徑流特征分布如表1。

由表1和圖2可知，各處理不僅年總徑流量存在差異，而且徑流分配差異更明顯。百喜草敷蓋處理年總徑流量最大，對照次之，百喜草覆蓋最小。百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理之間的徑流分配較為一致，但與對照處理的徑流分配存在較大差異，具體體現在百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理的地表徑流遠小于對照處理，而地下徑流量卻超出對照處理許多。年均地表徑流與地下徑流調配比值百喜草覆蓋、百喜草敷蓋和對照處理分別為1/51.7，1/35.5和1/1.4。

圖2 2002-2003年不同處理徑流分配Fig.2 Runoff distribution in areas of three different treatments from 2002 to 2003

百喜草覆蓋處理的活體百喜草地上部分的葉、匍匐莖可增加地表粗糙度，減緩地表徑流流速，延長匯流時間，同時，百喜草腐爛的根系能增加土壤有機質含量，改善土壤結構，提高土壤孔隙度，從而增加入滲量，使得大部分降雨轉化為地下徑流，出現地表徑流系數最小，但由于百喜草生長吸收及蒸騰作用需要消耗較多的水分，致使總徑流系數也最小［4，9，11，12］;百喜草敷蓋處理的敷蓋材料能增加地表層的粗糙度，從而減緩水流速度，使降水緩慢滲透到土壤中，提高土壤的下滲率，變地表徑流為地下徑流，而且敷蓋材料又能減少水分的蒸發(fā)［13，14］，致使其地下徑流系數、總徑流系數最大;而對照處理因地表裸露，由于雨滴擊濺，使土壤表層團聚體遭到破壞，分散的顆粒填充了土壤表面的孔隙，土壤表面被壓實形成結皮，使土壤的入滲能力急劇衰減，承接的降雨很大一部分以地表徑流形式流出小區(qū)，造成其地表徑流系數比百喜草覆蓋處理、百喜草敷蓋處理的顯著增大，地下徑流系數卻顯著減小，同時存在一定地表水分蒸發(fā)損失，使得總徑流系數介于二者之間。

表1 2002-2003年不同處理徑流分配Table 1 Runoff distribution in areas of three different treatments from 2002 to 2003

2002年與2003年相比，總體變化趨勢相似。但因2003年降雨較2002年偏少，造成各處理的年總徑流量、地表徑流量和地下徑流量比2002年都相應偏低。

3.3 地表徑流

觀測期(2002－2003年)內，各處理地表徑流特征如圖3。

圖3 不同處理地表徑流月際對比Fig.3 Monthly surface runoffs in areas of three different treatments from 2002 to 2003

圖3顯示，各處理的地表徑流變化趨勢與降雨升降變化較一致。隨降雨量的增加(或減少)，各處理的地表徑流量也相應增加(或減少)，降雨較為集中的汛期(4－9月)，地表徑流量也是全年中最大的。對照處理因地表裸露，其地表徑流對降雨變化尤其敏感，變化幅度也非常大。然而相對對照處理，百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理由于地被物覆蓋，其地表徑流是降雨與下墊面綜合作用的產物［15］，所以對降雨變化要遲鈍得多，變化幅度也小得多。

圖3中，不同處理地表徑流量差異非常明顯。2年內，對照處理地表徑流量各月份均遠大于百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理，尤其是降雨較為集中的汛期，更為明顯。同時也注意到，百喜草覆蓋與百喜草敷蓋處理之間的地表徑流量差異不明顯，在降雨量較大的情況下(如4，5，6月份)，百喜草覆蓋處理地表徑流量稍小于百喜草敷蓋處理，其它月份相當。相對對照處理，百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理的減水率2002年分別為95.7%，91.4%，2003年分別為95.6%，95.1%。這充分體現了裸露地表的水土流失系統(tǒng)緩沖性能差，而有水土保持措施(覆蓋和敷蓋)的地塊的水土流失系統(tǒng)緩沖性能強。

3.4 地下徑流

觀測期(2002－2003年)內，各處理地下徑流特征如圖4。

圖4 不同處理地下徑流月際對比Fig.4 Monthly groundwater flows in areas of three different treatments from 2002 to 2003

圖4顯示，各處理的地下徑流變化趨勢與降雨升降變化也較一致。隨降雨量增加(或減少)，各處理的地下徑流量也相應增加(或減少)，比如降雨較多的4－6月份，地下徑流量相應也很大。與地表徑流相比，各處理的地下徑流都較大。2002－2003年百喜草覆蓋、百喜草敷蓋和對照處理的年均地下徑流系數分別為0.673，0.746和0.429，均大于地表徑流系數0.012，0.020和0.277，尤其是百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理的地下徑流遠大于地表徑流。

圖4中，不同處理地下徑流特征存在較大差異。各月份百喜草敷蓋處理的地下徑流量基本保持最大，百喜草覆蓋處理的地下徑流量稍小于百喜草敷蓋處理，而對照處理的地下徑流量基本處于最小值，與百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理相差較大，特別是降雨較為集中的4－6月份，其差異更顯著。百喜草覆蓋與百喜草敷蓋處理年均地下徑流量分別是對照處理的1.57倍和1.74倍。這是因為百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理因地被物作用，截留的降雨大部分轉化為地下徑流，而對照處理因地表裸露，承接的降雨很大一部分以地表徑流形式損失，造成地下徑流量的大大削減。同時圖中也反應出百喜草覆蓋處理地表下徑流量各月份變化幅度較大，如2002年12月和2003年2，5，6月4個月大于百喜草敷蓋處理，而2002年6，7月兩個月卻小于對照處理，究其原因主要是由百喜草生長發(fā)育及蒸騰作用消耗大量水分所造成，也不排除人為統(tǒng)計誤差，特別是月份過渡期間地下徑流量的歸屬確定存在較大困難。

相對地表徑流變化規(guī)律，地下徑流似乎顯得更為復雜。地表徑流對降雨反應迅速，具有突然性和不穩(wěn)定性，而地下徑流除與當次降雨特征有關外，還與前次降雨及土壤初始狀況、溫度、濕度等因素有關，而且變化有明顯的滯后現象，升降顯得相對緩慢［16］。研究中發(fā)現，當次降雨的地下徑流包含有前次降雨量的貢獻，一次大的降雨可以把地下徑流提高到相當水平，而相對較小的一次降雨，雖顯示不出地下徑流量的增幅，但可以保持這一地下徑流量水平更長一段時間。

3.5 方差分析

為了進一步確定不同處理的地表(地下)徑流是否存在差異性或差異性是否顯著，對觀測期間3個處理的地表(地下)徑流系數做單因素方差分析(ANOVA)及多重比較(LSD)，結果見表2。

表2 不同處理徑流系數多重比較結果Table 2 Results of multiple comparisons among the runoff coefficients of the three treatments

結果顯示，對照處理與百喜草覆蓋、百喜草敷蓋處理差異顯著，而百喜草覆蓋與百喜草敷蓋處理之間差異不顯著，與前述分析結果一致。因此，百喜草覆蓋與敷蓋處理因地被物作用，截留降雨，增加土壤入滲，將大部分降雨轉化為地下徑流，徑流調控效益非常理想。

4 結論

(1)不同處理不僅年總徑流量存在差異，而且徑流分配差異更明顯。百喜草敷蓋處理年總徑流量最大，對照次之，百喜草覆蓋最小。百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理的地表徑流遠小于對照處理，而地下徑流量卻超出對照處理許多。百喜草覆蓋、百喜草敷蓋和對照處理的年均地表徑流與地下徑流調配比值分別為1/51.7，1/35.5和1/1.4。

(2)不同處理地表徑流量差異非常明顯。各月份對照處理地表徑流量均遠大于百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理，尤其是降雨較為集中的汛期，更為明顯。百喜草覆蓋與百喜草敷蓋處理之間的地表徑流量差異不明顯，在降雨量較大的情況下，百喜草覆蓋處理地表徑流量稍小于百喜草敷蓋處理，其它月份相當。相對對照處理，百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理減水率(地表徑流)在90%以上。

(3)不同處理地下徑流特征存在較大差異。各月份百喜草敷蓋處理的地下徑流量基本保持最大，百喜草覆蓋處理的地下徑流量稍小于百喜草敷蓋，但變化幅度最大，而對照處理地下徑流量各月份基本處于最小值，與百喜草覆蓋和百喜草敷蓋處理相差較大。百喜草覆蓋與百喜草敷蓋處理年均地下徑流量分別是對照處理的1.57倍和1.74倍。與地表徑流相比，各處理的地下徑流都較大，而且變化規(guī)律更復雜。

綜上所述，建議加強水土保持生態(tài)建設，保護現有植被，積極實施退耕還林還草，增加地被物覆蓋，變地表徑流為地下徑流，保持水土，促進水土資源的高效利用。

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