南方紅壤試驗小區喬灌草多年水土保持效應比較

彭紹云，顧祝軍，修 平

（1．福建省長汀縣水土保持監測站，福建 長汀366300；2．南京曉莊學院 生物化工與環境工程學院，南京211171）

由于自然條件和歷史原因，我國南方紅壤水蝕區已成為僅次于黃土高原的嚴重水土流失區［1］，直接威脅著區域生態環境的健康，并很大程度上阻礙了區域社會經濟的發展。植被是控制水土流失的關鍵因子［2－3］，植被恢復重建是治理水土流失的常用手段之一［4］，多年來，南方水蝕區的植被重建工作已廣泛開展［5－6］。而不同植被類型的水土保持效應，是水土保持工作中不可回避的問題。因此，植被水土保持效應的研究具有迫切的理論和現實意義。

近年來，植被水土保持效應研究廣泛開展，如楊春霞等［7］研究了裸地、紫花苜蓿（MedicagosativaLinn）草地和小葉女貞（LigustrumquihouiCarr．）林地的水土流失差異，結果表明，草地的減水減沙作用最明顯，與裸地相比減少產沙量97．24%～99．63%，減少徑流量62．04%～80．46%，而受栽植活動的影響，剛栽植的灌木林地沒有水土保持作用，且坡面上栽植密度越大水土流失越嚴重。左長清等［8］對百喜草 （PaspalumnatatuFliigge）、狗 牙 根 （Cynodon dactylon）和寬葉雀稗（PaspalumwettsteiniiHackel）三種草本的研究表明，植被的水土保持效應以百喜草最優，狗牙根居中，而寬葉雀稗最差，同時降雨量越大，各植被水土保持效應的差異越明顯。范淑英等［9］在紅壤坡地上進行了葛藤（Puerarialobata）和百喜草的水土保持和土壤改良效應對比研究，發現葛藤和百喜草能有效地提高土壤持水量，提高土壤pH值，增加土壤有機質和N，P，K含量，并大大減少徑流量和土壤侵蝕量，而且葛藤的綜合效果優于百喜草。吳大通等［10］的研究表明，2a生的胡枝子（LespedezabicolorTurcz）可減少土壤侵蝕74．2%，若與草類配合，即在條溝之間種植百喜草帶，當年就可有效地控制侵蝕。陳仁興等［11］則在馬尾松（Pinus massoniana）林地設立了套種胡枝子、合歡（Albizzia julibrissinDurazz）、刺槐（Robiniapseudoacacia）和黑荊（Acaciamearnsiide Wilde）的林地和對照5種小區，觀測結果表明，套種胡枝子的林地徑流系數比純林減少了12．1%，比未種植區減少了19．8%，同時土壤侵蝕量幾乎為零。其土壤侵蝕模數比未套種的純林小近5倍，比未種植區小11倍多，套種胡枝子的林地生長情況亦最好。

綜上所述，關于不同植被類型的水土保持效應研究已取得了豐碩成果。但現有研究多針對單一的喬木、灌木或草本植被，不同植被效應的比較以及與降雨的聯系報道較少。同時，現有研究多基于徑流和土壤侵蝕的絕對流失量，而這是影響水土流失諸因子綜合作用的結果，用以比較植被的水土保持效應存在一定的局限性。鑒于此，本文基于多年喬（乳源木蓮）、灌（胡枝子）、草（葛藤、百喜草、寬葉雀稗）和對照小區的徑流深度、土壤侵蝕量及對應的降雨數據，計算植被覆蓋小區和對照小區的逐月徑流深度比值和土壤侵蝕量比值分別作為植被小區的保水和保土效應值，用多重比較法分析不同植被小區水土保持效應的差異，并探討各植被小區水土流失量與降雨量的關系，以期為水土保持研究和管理提供參考依據。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

研究小區位于福建省長汀縣河田鎮（25°38′17．9″N，116°27′35．7″E），是福建省水土流失最嚴重的地區之一。屬中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫17～19．5℃，史上最高氣溫39．8℃，最低氣溫－4．6℃。年均降雨量1 621mm，但季節分配極不均勻，其中4—6月降雨量可占全年的50%，7月、8月的降雨多為午后短暫的暴雨，1月和10月的降雨量最少。地貌以風化層深厚的低山丘陵為主，主要分布于山地的邊緣和盆谷的周圍，坡面在自然力作用下易發生表土流失。土壤為花崗巖風化形成的山地紅壤，在年內“暴雨—干旱”的周期性作用下，風化作用十分強烈，易受侵蝕。本區地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林，主要樹種有甜櫧（Castanopsiseyrei）、青岡櫟（Quercusglauca）、石櫟屬（Lithocarpussp．）和中華杜英（Elaeocarchinensis）等。但由于歷史上嚴重的毀林開荒，闊葉林已破壞殆盡，現有重建植被主要是馬尾松（Pinusmassoniana）。林下植被主要有胡枝子（LespedezabicolorTurcz）、黃瑞木（Adinandra millettii）和芒萁（Dicranopterisdichotoma），還有少量小葉赤楠（Syzygiumgrijsii）和卡氏烏飯（Vacciniumcarlesii）等灌木。而在水土流失嚴重地段幾近為裸地，灌草覆蓋度極低。

1．2 小區建立

于2002年11月同時建立5個植被小區和1個裸地對照共6個土壤侵蝕試驗小區。所有小區分布于河田鎮露湖生態園東北坡，毗鄰小區間隔約3m。小區土壤皆為發育于花崗巖母質的山地紅壤，坡面平整，坡度統一為23°，投影大小5m×20m。所有小區設封閉徑流池用于收集地表徑流和泥沙。5個植被小區分別以小水平溝栽種葛藤（Puerarialobata）、胡枝子（LespedezabicolorTurcz）、乳源木蓮（ManglietiayuyuanensisLaw）、百喜草（PaspalumnatatuFliigge）和寬葉雀稗（PaspalumwettsteiniiHackel），對照小區無植被覆蓋（圖1），各小區蓋度在各年均保持一致。

圖1 試驗小區地理位置及布局示意圖

1．3 小區觀測和數據分析

試驗小區從2003年1月起每月觀測一次，歷次降雨數據從降雨自計曲線中讀取，該數據來自設在試驗小區附近的氣象觀測站。用每次測量得到的徑流池水位乘以水池底面積，再除以小區投影面積可得到歷次降雨產生的小區地表徑流深度，而每次用烘干法測得的小區泥沙量與懸移質之和，作為小區每月產生的土壤侵蝕量。2006年和2009年的百喜草和寬葉雀稗小區數據因故缺失。

參考USLE方程中植被控制與管理因子C值的定義［12］，用每月有植被小區與對照小區的地表徑流深度比值表征小區植被的保水效應（RE），用每月有植被小區與對照小區的土壤侵蝕量比值表征小區植被的保土效應（SE）。比較不同植被類型水土保持效應時，利用單因子方差分析法，以植被類型作為因素變量，RE和SE值為因變量，選擇Duncan多重比較法檢驗一致性子集［13］。在分析降雨與水土流失量之間的關系時，按月份統計7a的降雨量、徑流深度和土壤侵蝕量，然后以降雨量為自變量，徑流深度或土壤侵蝕量為因變量，分別建立降雨量與徑流深度及土壤侵蝕量之間的一元線性關系模型。統計與分析工作均借助SPSS 17．0完成。

2 結果與分析

2．1 保水效應

不同年度的試驗區徑流深度（圖2）說明，除2009年百喜草和寬葉雀稗數據未測外，7a間各小區徑流深度共為6 375．5mm。各小區徑流深度差異較大，對照小區（1 419．5mm）7a間徑流深度高于其他小區，乳源木蓮（935．1mm）和葛藤小區（904．7mm）最少且相當。

圖2 試驗小區7a徑流深度總和

徑流深度反映了小區地表徑流的絕對量，但由于植被保水負效應的存在［14］和降雨、地形和土壤等背景因素的影響［15］，用徑流深度表征區域植被的保水效應存在一定的不確定性。保水效應值RE能在一定程度上消除負效應和背景因素的影響，RE越小，說明保水效應越強。統計5種植被小區7a的RE均值和標準差，利用單因子方差分析中Duncan法對同年不同植被小區RE值進行多重比較（表1），發現各植被小區呈現出不同的保水效應。從7a平均RE來看，保水效應最好的植被類型是葛藤（0．63）和乳源木蓮（0．66），這一方面是因為二者均扎根深，根莖發達，利于疏松土壤，增加土壤的孔隙度、加大水分滲透［8，16］，另一方面由于枯枝落葉量大，對降雨的攔蓄能力強［17］，雨水也容易迅速下滲［18］，故二者減少地表徑流的效果優于其他植被。胡枝子和百喜草的保水效應值分別為0．70和0．77，這兩類植物的根系發達程度和枯落物量均不如葛藤和乳源木蓮，故保水效應稍差。而寬葉雀稗的RE為0．94，據觀測，寬葉雀稗在研究小區中生長緩慢且退化明顯，故與其它植被類型的保水效應差異明顯。總體來說，各小區的植被都起到了一定程度的保水作用，但保水效應存在顯著的組間差異，即葛藤和乳源木蓮最優，胡枝子和百喜草其次，而寬葉雀稗最差。

表1 各植被小區水土保持效應（RE／SE）統計及多重比較結果

2．2 保土效應

各年間試驗區逐月土壤侵蝕量（SL／kg）如圖3所示。2003—2010年間，各小區共產生土壤侵蝕量6 375．5kg，且各植被小區間土壤侵蝕量差異明顯，對照（578．5kg）和寬葉雀稗小區（578．0kg）7a的土壤侵蝕總量明顯高于其它小區，胡枝子（370．1kg）其次，乳源木蓮、百喜草和葛藤小區較低，所占比例都接近13%。類似于保水效應，保土效應值SE可在一定程度上消除植被保土負效應［19－20］和背景因素［15］的影響，SE越小，保土效應越好。由7a數據分析（表1）可得，除寬葉雀稗小區外各小區總體上都起到了減沙作用，各植被保土效應的排序與保水效應一致，其中保土效應最好的植被為葛藤（0．62）和乳源木蓮（0．70），二者發達的根系和大量的枯落物能很好地減少地表 徑 流 對 地 表 的 沖 刷［9，16－17］并 提 升 土 壤 滲 水性［21］。胡枝子（0．71）和百喜草（0．85）保土效應其次。葛藤、乳源木蓮、胡枝子和百喜草這4種植被之間并沒有明顯的差異，而寬葉雀稗（1．47）由于退化原因保土效應最差，且出現了保土負效應，從而明顯區別于其他植被。上述分析表明，各植被的保土效應差異不如保水效應明顯。另外，除寬葉雀稗的保土效應值明顯高于保水效應值外，其他植被保土效應值與保水效應值接近。

圖3 試驗小區歷年土壤侵蝕量總和

2．3 降雨量與水土流失量的關系

2003—2010年的7a間（2006年未觀測），年度和月份平均雨量分別為1 376．6m和114．7mm。7a中降雨量以2010年（1 709．0mm）最高（圖4a），2003年（996．0mm）最低。各年降雨量差異較小，離散系數為0．191，總體上降雨量處于增長趨勢，2003—2007年間持續增長，在2008年出現轉折，后2a則繼續增加。試驗區降雨主要集中在3—8月份（圖4b），占總體雨量的81．5%。其中6月是全年降雨最集中的月份，占總體雨量的22．8%。月份間降雨量差異尤其明顯，其離散系數達0．823。

圖4 年度和月份降雨量分布

由于降雨量在月份間差異顯著，故而選擇以月尺度分析水土流失量與降雨量之間的關系。建立水土流失量與降雨量之間的一元線性關系方程如表2所示，方程決定系數（R2）和顯著性水平（Sig．）均較好。方程斜率均為正值，顯示水土流失量與降雨量的正相關關系。各植被小區徑流深度與降雨量的關系方程決定系數在0．896（乳源木蓮）到0．925（百喜草）之間，彼此相差不大。而各植被小區土壤侵蝕量與降雨量的關系方程決定系數相對較低，除對照（0．802）和寬葉雀稗（0．742）小區決定系數較高外，其他均在0．357（葛藤）到0．581（百喜草）之間。由上述分析可知，降雨對徑流深度較對土壤侵蝕量的影響更為明顯，并且植被保土效應較差，該植被小區土壤侵蝕量與降雨的關系越密切。

在研究水土流失與降雨量關系過程中，本文也采用了水土保持效應值（RE／SE）代替水土流失量絕對值（RD／SL）建立方程，但方程擬合效果很差（R2＜0．2，p＞0．1）。可見，水土保持效應值不適于水土流失與降雨量關系的分析，而這正是因為水土保持效應值消除了包括降雨在內的背景因素，突出了植被對水土流失的影響。

表2 降雨量與不同植被小區水土流失量（RD／SL）的關系

3 結 論

基于福建省長汀縣河田鎮2003—2010年間葛藤、乳源木蓮、胡枝子、百喜草、寬葉雀稗和對照6個試驗小區的徑流深度、土壤侵蝕量及對應的降雨數據，分析了不同植被類型小區的水土保持效應以及降雨對水土流失的影響。結果表明，植被的保水和保土效應均以葛藤和乳源木蓮小區優于胡枝子和百喜草，而寬葉雀稗最差，并且各植被之間的保水效應差異較保土效應明顯。徑流深度主要受降雨的影響，不同植被小區徑流深度與降雨量的線性關系方程決定系數（R2）均在0．9以上且彼此接近。而土壤侵蝕量與降雨量的線性關系方程決定系數（R2＝0．3～0．8）則因各小區植被的不同存在較大差異，并且植被保土效應越差，該植被小區土壤侵蝕量與降雨的關系越密切。以上研究結果可為南方紅壤水蝕區植被恢復重建的理論研究和管理決策提供參考依據。

［1］ 趙其國．我國紅壤的退化問題［J］．土壤，1995，27（6）：281－286．

［2］ 王兮之，梁釗雄，周顯輝，等．黃河源區瑪曲縣植被覆蓋度及其氣候變化研究［J］．水土保持研究，2012，19（2）：57－65．

［3］ 程龍飛，李林燕．庫區坡面植被水土保持生態建設模式［J］．水土保持研究，2010，17（5）：251－260．

［4］ Yetemen O，Istanbulluoglu E，Vivoni E R．The implications of geology，soils，and vegetation on landscape morphology：inferences from semi－arid basins with complex vegetation patterns in Central New Mexico，USA［J］．Geomorphology，2010，116（3／4）：246－263．

［5］ 趙其國．我國南方當前水土流失與生態安全中值得重視的問題［J］．水土保持通報，2006，26（2）：1－8．

［6］ 冉大川，張志萍，羅全華，等．大理河流域1970—2002年水保措施減洪減沙效益深化分析［J］．水土保持研究，2011，18（1）：17－23．

［7］ 楊春霞，姚文藝，肖培青，等．不同立地條件下坡面水土流失的差異性試驗研究［J］．水土保持研究，2010，17（1）：222－224．

［8］ 左長清，馬良．幾個草種的水土保持效應研究［J］．江西農業大學學報，2004，26（4）：619－623．

［9］ 范淑英，吳才君．野葛對紅壤坡地水土保持和改良土壤效應的研究［J］．水土保持學報，2004，18（1）：141－143．

［10］ 吳大通，龔潔，王維明，等．侵蝕劣地胡枝子栽培技術及水土保持效應［J］．福建水土保持，2002，14（2）：27－29．

［11］ 陳仁興，王益和．胡枝子的水土保持效應分析［J］．福建水土保持，2002，14（3）：56－58．

［12］ Renard K G，Foster G R，Weeies G A，et al．Predicting Soil Erosion by Water：A Guide to Conservation Planning with the Revised Universal Soil Loss Equation（RUSLE）［C］∥United States Department of Agriculture，Agricultural Research Service．USDA Handbook No．703，Washington DC，USA．：United States Government Printing Office，1997．

［13］ 蘇均和．Duncan多重比較及數據補缺法及其應用［J］．上海統計，2003（3）：23－24．

［14］ Cantón Y，Solé－benet A，de Vente J，et al．A review of runoff generation and soil erosion across scales in semiarid south－eastern Spain［J］．Journal of Arid Environments，2011，75（12）：1254－1261．

［15］ 顧祝軍．水蝕區“林下流”發生機理與植被恢復度的遙感監測研究［D］．南京：中國科學院南京土壤研究所，2008．

［16］ 字淑慧，吳伯志，段青松，等．非洲狗尾草防治坡耕地水土流失效應的研究［J］．水土保持研究，2006，13（5）：183－185．

［17］ 楊吉華，武善舉，王彭，等．葛藤保持水土效益的研究［J］．山東林業科技，1990（4）：37－40．

［18］ 喻榮剛，左長清，楊潔，等．紅壤侵蝕區幾種水土保持林水文效應研究［J］．水土保持通報，2007，27（6）：194－198．

［19］ Kinnell P I A．Event soil loss，runoff and the Universal Soil Loss Equation family of models：a review［J］．Journal of Hydrology，2010，385（1／4）：384－397．

［20］ de Baets S，Poesen J，Knapen A，et al．Root characteristics of representative Mediterranean plant species and their erosion－reducing potential during concentrated runoff［J］．Plant and Soil，2007，294（1）：169－183．

［21］ 謝頌華，鄭海金，楊潔，等．南方丘陵區水土保持植物措施減流效應研究［J］．水土保持學報，2010，24（3）：35－38．