凱掌喀斯特小流域不同植被措施的減沙功能

李華林，高華端，楊 濤，高儒學，孫泉忠

（1.貴州大學 林 學院，貴州 貴 陽550025；2.貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴 陽550002）

凱掌喀斯特小流域不同植被措施的減沙功能

李華林1，高華端1，楊 濤1，高儒學1，孫泉忠2

（1.貴州大學 林 學院，貴州 貴 陽550025；2.貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴 陽550002）

貴州位于中國西南喀斯特地區的中心，是全國水土流失最為嚴重的省份之一，而喀斯特地區生態環境脆弱，土層淺薄，極容易發生水土流失。為了揭示喀斯特小流域不同植被措施減沙功能，在貴州省平壩縣典型喀斯特區凱掌小流域野外徑流小區定位監測的基礎上，根據小流域2010－2012年4個坡面徑流小區的定位觀測資料，采用單因素完全隨機設計方法研究在水土保持林（柏樹Cupressus funebris），經濟林（茶樹Camellia sinensis），坡耕地（玉米Zeamays）和撂荒草地4種不同植被措施下徑流小區的產沙特性，探索不同植被措施下徑流小區產沙量的差異。結果表明：水土保持林與經濟林差異不顯著（P=0.754＞0.05），與坡耕地差異顯著（P=0.022＜0.05），與撂荒地差異顯著（P=0.008＜0.05）；經濟林與坡耕地差異顯著（P=0.046＜0.05），撂荒地差異顯著（P=0.003＜0.05）；坡耕地與撂荒地差異顯著（P=0.000＜0.05）。年平均產沙量最少為撂荒地29.57 g·a－1；最多為坡耕地 1 436.59 g·a－1；水土保持林與經濟林相差不大，分別為789.12 g·a－1和876.55 g·a－1。不同措施減沙功能排序為：撂荒地＞水土保持林＞經濟林＞坡耕地。在喀斯特地區，撂荒地減沙功能最好，而坡耕地是水土流失嚴重。圖3表3參20

水土保持學；喀斯特；小流域；植被措施；減沙

喀斯特地貌是一種具有特殊物質、能量、結構和功能的生態系統［1］，其生態敏感度高，環境容量低，抗干擾能力弱，穩定性差，極易造成水土流失，基巖裸露，干旱災害頻繁發生［2］。喀斯特地區石多山多，溝坡復雜交錯，生態環境差，土層薄，水土流失易發生且難治理，使喀斯特地區人地矛盾越來越嚴重，嚴重影響到當地居民的日常生活。植被是影響水土流失重要的因子［3］，進一步研究植被對喀斯特地區水土流失的影響具有重要的價值和意義。植被可以通過根系來改善土壤理化性質，從而增加土壤的抗沖性和抗蝕性，減輕土壤侵蝕；通過林冠層減少雨滴大小和動能，對降雨進行再分配，從而減輕降雨對土壤的濺蝕作用；通過枯枝落葉層阻隔降雨直接擊打土壤，增加土壤表面的粗糙度，增加土壤滲透力，從而減少地表徑流，減少產沙量。不同的植被措施減沙功能不同，在喀斯特地區，合理的植物措施配置對減少地表徑流，減少產沙量有著重要的意義。中國于20世紀90年代才開始研究喀斯特地區水土流失，起步較晚，多以貴州喀斯特地區為研究對象。貴州省位于西南喀斯特地區的核心地帶，山區坡度大，成土速度極低，土地利用方式不合理，人口的增長與經濟的不協調發展，迫使居民毀林開荒，導致嚴重的水土流失，成為了中國水土流失最為嚴重的地區之一［4－7］，具有代表性。喀斯特地區水土流失具有特殊性［8］，通常以坡面為重要地表單元，并在喀斯特徑流小區中進行模擬研究。影響喀斯特地區水土流失的因素主要有地質、地貌、植被、土壤、氣候等［9］，但對這些因子的研究比較少，且研究深度較淺。2008年，胡順光［10］在貴州喀斯特生態治理區試驗，利用徑流小區監測方法得出：不同的植被配置方式可以得出不同的水土保持效果，其中以喬灌草三者結合最好；植被類型不同，凋落物的種類以及持水量也不同。2013年，蔣榮等［4］和紀啟芳［11］對喀斯特地區不同植被的減流減沙功能研究表明：植被的減流減沙作用是一個循序漸進的過程，且林草植被配置方式對植被的減沙作用很大，林冠和地被物在減流方面發揮主要作用，植被根系在減沙方面發揮主要作用。總體上，不同植被減流減沙作用表現為經濟林＞人工草地＞水土保持林。周素萍等［9］和劉鳳仙［12］通過龍里縣羊雞沖小流域徑流小區不同時期的監測資料，研究貴州喀斯特地區不同植被措施對水土保持的影響，研究結果卻不同。劉鳳仙［12］研究表明：水土保持林的保持水土效果比經濟林強，周素萍等［9］卻得出相反的結果。綜上表明：不同植被措施和配置方式對減沙功能有極顯著影響，喬、灌、草三者結合的配置方式使減沙功能達到最佳。以上研究都具有一定的局限性。野外徑流小區與自然情況最相近，但是難以控制試驗的變量，加深了試驗難度；研究區的徑流小區泥沙資料年限較短；缺少對喀斯特地區退耕的撂荒地減沙功能的進行研究。本研究選擇貴州省平壩縣碳酸鹽巖石發育土壤，以典型喀斯特地區自然的植被措施為基礎，利用控制變量法，通過30次侵蝕性降水資料以及徑流小區的泥沙資料，對不同植被措施減沙功能的研究，掌握喀斯特小流域不同植被措施減沙功能的差異，彌補了前人對撂荒地的研究空白，為喀斯特小流域水土流失的治理提供理論依據。

1 研究區概況

平壩縣境內大部分為碳酸巖石，地勢西高東低，裸巖出露、土壤稀薄貧瘠、地下溶洞較多，地勢平坦，地層主要為三疊系（T1a）和第四系（Q），是貴州喀斯特地貌的代表之一，屬亞熱帶濕潤季風氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，氣候溫和。平壩縣水土保持監測點位于安順市平壩縣馬場鎮境內凱掌水庫，26°22′00″N，106°30′00″E，距馬場鎮12 km，交通便利。該監測點是貴州省水土保持監測中心建立，凱掌水庫流域面積為8.8 km2，水土流失面積3.6 km2，屬長江流域烏江水系，位于國家水土流失重點防治區——烏江赤水河上中游治理區，同時也屬于貴州省人民政府公布的水土流失重點治理區。小流域屬中亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降水量為1 298.0mm。多年平均氣溫為13.0~14.2℃；主要植被類型為常綠闊葉林，喬木樹種以馬尾松Pinusmassoniana，柳杉Cryptomeria fortunei等為主，土壤為碳酸鹽巖石發育而來的黃壤。該監測點始建于2008年。主要檢測設施有簡易氣象觀測場1個，坡面徑流小區6個，觀測房30 m2及觀測便道150 m等；主要設備有HOBO小型氣象站，自記雨量計，烘箱，電子天平，取樣瓶，鋁盒等。主要監測內容為降水、徑流、泥沙等。

2 數據來源

試驗的數據為2010－2012年侵蝕性降水發生后，在各試驗徑流小區采用攪拌法對泥沙進行采集，用烘干法測定產沙量；降水過程由設置在小區的自記雨量計記錄。根據野外調查，1號標準徑流小區為水土保持林，栽植2年生的柏樹Cupressus funebris，植被蓋度為30%，柏樹長勢良好，林下植被單一，雜草逐年茂盛；2號標準徑流小區為經濟林，栽植經濟作物為2年生的茶樹Camellia sinensis，植被蓋度為40%，茶樹長勢良好，經營管理較好，林下植被稀疏；3號標準徑流小區為坡耕地，栽植玉米Zeamays，植被蓋度為10%，每年耕作；4號標準徑流小區為撂荒地，坡耕地退耕4 a后，雜草和稀疏的小灌木長滿徑流小區，植被蓋度為80%；徑流小區林分年齡均為2 a。利用野外不同植被措施徑流小區1，小區2，小區3，小區4對應水土保持林、經濟林、坡耕地、撂荒地的產沙量進行研究，分析不同植被類型的減沙作用。各徑流小區的土壤都是由石灰巖發育而來的黃壤，土壤為團粒結構，土壤全磷為0.61 g·kg－1，有效磷12.30mg·kg－1，全氮0.72 g·kg－1，全鉀11.23 g·kg－1，速效鉀86.30mg·kg－1，pH 6.0。小區的基本情況如表1。

表1 凱掌小流域徑流小區基本情況Table 1 Runoff plots of the Kaizhang smallwatershed

經過數據整理篩選，得出2010－2012年期間30次侵蝕性降水產沙量數據（表2），其中水土保持林、經濟林、坡耕地均發生土壤侵蝕，而撂荒地僅發生4次土壤侵蝕。

3 研究方法

通過監測站的泥沙數據和降水資料，對實驗觀測數據進行深入挖掘和全面分析處理。主要通過徑流小區侵蝕性降水最大30 min雨強、侵蝕性降水量和產沙量數據研究分析不同植被措施減沙功能差異，用SPSS 18.0軟件對2010－2012侵蝕性降水水土流失量進行差異性比較，并用2010－2012年發生的侵蝕性降水量與徑流小區產沙量做軸線圖觀察分析。

4 結果與分析

圖1 不同措施泥沙量均值Figure 1 Average of sediment yield in differentmeasures

由圖1可知：平均產沙量最少為撂荒地29.57 g·a－1，最多為坡耕地 1 436.59 g·a－1；水土保持林與經濟林相差不大，分別為789.12 g·a－1和876.55 g·a－1。撂荒地減沙效果最佳。撂荒地退耕多年，土壤未擾動，雜草種類多，枯枝落葉層較厚，植被覆蓋度較高，可減少雨滴直接擊打地表土層，減弱雨滴動能，減少濺蝕發生和地表徑流產生，減沙效果明顯。坡耕地人為擾動地表土壤，破壞土壤結構，且植被覆蓋度較低，導致坡耕地徑流小區表層土壤裸露于地表，降水直接擊打裸露地表，地表徑流產生頻率較高，泥沙量增加，水土流失加劇。水土保持林和經濟林減沙功能相似，水土保持林與經濟林樹種正處于生長期，水土保持效益還沒有完全發揮。與撂荒地相比，其根系還沒有真正發揮改良固結土壤的作用；植被覆蓋度也不高、枯枝落葉層較薄、植被的截留作用較差，因而容易形成地表徑流產生水土流失；但與坡耕地相比，水土保持林與經濟林對降水有一定的攔截作用，樹木根系對土壤也有一定的固結作用［13］，能夠改善土壤結構，發揮植被保水土保持土功能，減輕水土流失。總體而言不同措施減沙功能為撂荒地＞水土保持林＞經濟林＞坡耕地。

表2 2010－2012不同措施徑流小區產沙量Table 2 Differentmeasures of runoff sediment yield from 2010 to 2012

由圖2可知：侵蝕性降水在31.3mm以下時，不同植被措施下的產沙量變化幅度較小，不同植被措施下的產沙量相差較小，產沙量也較少。降水量大于31.3mm時，除了撂荒地以外，其他措施類型的產沙量變化幅度較大，坡耕地對侵蝕性降水量的變化較為敏感，變化幅度最大；經濟林和水土保持林變化幅度較小，且變化差異較小。總體上，不同的植被措施產沙量對侵蝕性降水量的變化程度不一樣，而同一次侵蝕性降水量下，坡耕地產沙量相對于水土保持林、經濟林、撂荒地變化最大；撂荒地產生水土流失次數較少。不同植被類型產沙量都有隨侵蝕性降水量增大而增大的趨勢，因每一個徑流小區影響產沙的因素復雜，不同場次的侵蝕性降水所產沙量呈階梯性增長不明顯。隨著侵蝕性降水量的增加，4種不同植被類型的產沙量變化趨勢一致，這與年際氣候環境，每一場侵蝕性降水有很大的關系，也可得出野外徑流小區監測法與室內模擬侵蝕性降水產沙規律有一定的差距。在室內設計模擬水土流失實驗時，應考慮實際情況，盡量與實際環境，地形地貌、氣候、人為條件一致，增加實驗的真實性。

圖2 侵蝕性降水量徑流小區泥沙產量Figure 2 Erosive rainfall runoff sediment yield

貴州省 “天無三日晴，地無三里平”。貴州省降水歷時較長，降水多，雨量大，常為綿綿細雨，侵蝕性降水少。王萬中等［14］對全國各地區的降水徑流資料進行綜合分析之后，得出中國降水侵蝕力指標采用EI30（E為降水動能；I30為最大30min雨強）相對最好。結合貴州氣候和水文資料，I30與產沙量的關系更符合實際。由圖3可知：I30在18mm·h－1以下時，不同植被類型下的產沙量較小，變化幅度較小，幾乎不變化；不同植被類型之間產沙量差異較小，隨著I30的增大而產沙量幾乎不變。I30在18 mm·h－1以上時，不同植被類型（除撂荒地）隨著I30的增大而增大，且變化幅度較大，坡耕地最為敏感。總體而言，產沙量隨著I30的增加而增大，不同植被類型（除撂荒地）的變化趨勢基本一致。因每次降水的地面情況復雜，年際氣候條件的不同，產沙量隨I30的增加而增大線性關系不明顯，同時得出侵蝕性降水量與I30對產沙量的影響趨勢基本一致，說明侵蝕性降水量與最大30min雨強對水土流失都有密切的關系，也證明了王萬中等的研究。撂荒地幾乎都沒有產生水土流失，說明撂荒地的水土保持效果最好，坡耕地最差。

圖3 最大30min雨強徑流小區泥沙產量Figure 3 I30runoff sediment yield

利用SPSS軟件對2010－2011年不同措施侵蝕性降水徑流小區產沙量進行差異性分析。多重比較（表3）結果表明：不同措施之間泥沙流失量存在差異性。水土保持林與經濟林差異不顯著（P=0.754＞0.05），與坡耕地差異顯著（P=0.022＜0.05），與撂荒地差異顯著（P=0.008＜0.05）；經濟林與坡耕地差異顯著（P=0.046＜0.05），撂荒地差異顯著（P=0.003＜0.05）；坡耕地與撂荒地差異顯著（P=0.000＜0.05）。由此看出：水土保持林和經濟林的侵蝕性降水產沙量沒有明顯的差別，減沙功能相近，在防治水土流失工程中，可以優先選擇經濟林，既可以達到生態效益，又可以獲取經濟效益。經濟林與坡耕地、撂荒地的侵蝕性降水產沙量有明顯的差別，減沙功能有差異，坡耕地減沙功能最弱，容易造成水土流失；撂荒地減沙功能最強，水土保持功能較好，因此，建議坡耕地應盡量退耕免耕，逐漸恢復植被，發揮水土保持功能，減少水土流失。坡耕地與水土保持林、撂荒地的侵蝕性降水產沙量有明顯的差別，減沙功能有差異。撂荒地與經濟林的侵蝕性降水產沙量有明顯的差別，減沙功能有差異。由此可見：坡耕地產沙量最多，也是泥沙來源的主要土地利用類型之一，而且坡耕地農業產量不高，經濟效率不高，收入低。因此，可以通過退耕還林、退耕還草的方式減少泥沙量，同時改變傳統經濟模式，在坡耕地上種植經濟樹種，既可以增加經濟收益，提高農民的經濟收入，也可以減少水土流失達到雙贏的目的。

表3 侵蝕性降水水土流失多重比較結果Table 3 Multiple comparsions of erosive rainfall

5 結論與討論

5.1 結論

水土保持林、經濟林、坡耕地、撂荒地這4種不同措施下，撂荒地的減沙功能優于水土保持林、經濟林、坡耕地。總體而言不同措施的減沙功能從大到小依次為撂荒地＞水土保持林＞經濟林＞坡耕地。

不同的植被措施的產沙量對侵蝕性降水量的變化程度不一樣。不同植被類型產沙量都隨侵蝕性降水量增大而增大，不同場次的侵蝕性降水所產沙量增長不明顯。總體可以看到同一次侵蝕性降水量下，坡耕地產沙量相對于水土保持林、經濟林、撂荒地變化較大，而撂荒地很多次都沒有產生水土流失。這也表現出撂荒地的減沙功能優于水土保持林、經濟林、坡耕地，而坡耕地的減沙功能低于經濟林、水土保持林。

不同植被措施下的產沙量對I30的變化程度不相同。總體而言，產沙量隨著I30的變大而變大，每次降水下地面情況復雜，年際氣候條件不同，產沙量隨I30的增加而增大，線性關系不明顯。撂荒地幾乎都沒有產生水土流失，說明撂荒地的水土保持效果最好，最差為坡耕地。

5.2 討論

本研究在自然條件下的徑流小區中進行，反映了真實的自然環境，為喀斯特小流域的治理提供一定的理論依據。本研究的結論適用于典型喀斯特小流域不同植被類型的減沙效果研究。本試驗中的撂荒地退耕年限較長，植被覆蓋度較高，能起到很好的減沙效果；經濟林與水土保持林減沙效果的體現，與哪些因素直接相關還有待下一步研究，因素之間怎樣最優配置才能達到最佳水土保持功能也待研究。

西南喀斯特地區與黃土高原地區植被減沙功能研究［15－20］對比可知：黃土高原地區研究內容全面且豐富，且定量研究較多，而喀斯特地區研究得出結論單一，定性研究較多；黃土高原區植被可以減少結皮現象的發生，而喀斯特基本上沒有結皮現象；黃土高原研究尺度較全，而喀斯特地區研究尺度小；兩者都得出植被類型不同蓄水減沙效益不同，覆蓋度極顯著地影響產沙量的結論；撂荒隨年限延長，蓄水減沙功能明顯增強。因此，在以后的研究中，應該以小流域為單元進行大尺度的產沙定量研究，同時豐富研究內容，研究不同因素對產沙產生的影響。

本次試驗由于受地形和實際條件的限制，徑流小區每種類型沒有設置重復。實測資料只有3 a，數據量不夠，觀察時間序較短。不同類型植被措施下的減沙功能，是否與樹種、栽植密度、栽植方式有關？還應增加不同植被類型下的重復來進一步深入研究。本研究方法采用傳統的研究方法，無法提供長時期土壤侵蝕數據。下一步應該嘗試在喀斯特區采用新型監測手段（如測針法、放射性核素示蹤法、模型估算等），對泥沙的流失和運移過程進行監測。研究的尺度較小，無法宏觀掌控整個流域的水土流失情況，應該擴大研究尺度，掌握喀斯特區水土流失動態。

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Sediment reduction with different vegetation types for the Kaizhang smallwatershed in a karst area

LIHualin1,GAO Huaduan1,YANG Tao1,GAO Ruxue1,SUN Quanzhong2
（1.Forestry College,Guizhou University,Guiyang 550025,Guizhou,China;2.Soil and Water Conservation Technical Consulting and Research Center of Guizhou Province,Guiyang 550002,Guizhou,China）

Located in the center of the karst area in southwest China,Guizhou is one of the most serious soil erosion provinces in the westward,while ecological environment of karst area is fragile,shallow soil layer,extremely prone to soil erosion.Therefore,to reveal the function of sediment reduction with different vegetation measures for a small watershed in a karst area,fixed runoff plots for outdoor use were monitored in the Kaizhang small watershed of Pingba County,Guizhou Province.Experiment had adopted one-factor completely random design,according to fixed observations,data in four slope runoff plots of four different vegetation types [water conservation forest（cypress:Cupressus funebris）,economic forest（tea tree:Camellia sinensis）,sloping farmland （corn:Zeamays）,and abandoned grassland]in the smallwatershed were studied from 2010 to 2012 to determine the effect of runoff on sediment characteristics as well as the sediment yield differences.Results showed significant differences for the water conservation forest and sloping farm land （P=0.022＜0.05）,the water conservation forest and abandoned farmland （P=0.008＜0.05）,the economic forest and sloping farmland（P=0.046＜0.05）,the economic forest and abandoned farmland（P=0.003＜0.05）,and sloping farmland and abandoned farm land（P=0.000＜0.05）,but there are no significant difference between the conserva-tion forest and economic forest（P=0.754＞0.05）.The average annual sediment yield was least on abandoned farmland（29.57 g·a－1）and greatest on sloping farmland（1 436.59 g·a－1;the average annual sediment yield in the water conservation forest（789.12 g·a－1）and the economic forest（876.55 g·a－1）were similar.The ranking of differentmeasures for the sediment reduction function was:abandoned land＞water conservation forest＞economic forest＞sloping farmland.The sediment reduction function of the abandoned grassland is best,but the soil erosion of sloping farmland is serious.［Ch,3 fig.3 tab.20 ref.］

soil and water conservation;karst area;smallwatershed;vegetationmeasures;sediment reduction

S775

A

2095-0756（2017）04-0687-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.04.015

2016-06-21；

2016-09-19

貴州省專業學位研究生工作站項目（黔教研合JYSZ字［2014］003）；貴州省水利廳水利科技專項經費項目（KT201311）

李華林，從事區域水土保持與環境研究。E-mail:664380773@qq.com。通信作者：高華端，教授，博士，從事區域水土保持與環境研究。E-mail:gdghd110@163.com