干熱河谷雨養坡地劍麻和番麻的徑流分配作用及水土保持效應①

何光熊 易克賢 陳何龍 陳 濤 王艷丹 張夢寅 岳學文 金 杰 史亮濤 ③

(1云南省農業科學院熱區生態農業研究所 云南元謀 651300；2元謀干熱河谷植物園 云南元謀 651300；3云南元謀金雷水土保持科技示范園 云南元謀 651300；4中國熱帶農業科學院環境與植物保護研究所 海南海口 570100；5廣西壯族自治區亞熱帶作物研究所 廣西南寧 530001)

金沙江干熱河谷位于長江上游，氣候干燥，水熱矛盾突出，植被覆蓋率低，水土流失嚴重，是我國典型的生態脆弱區之一[1-3]。該地區土壤結構性較差，地表土壤板結嚴重，且雨季降水較集中，水土流失極為嚴重，地表徑流、壤中流和地下徑流作為坡面徑流的重要組成部分，其對土壤養分流失、土地生產力退化有著不容忽視的影響[4-7]。番麻(Agave sisalana，寬葉龍舌蘭)和劍麻(Agave americana，H.11648)主要應用于西南干熱河谷及石漠化等生態脆弱地區的水土保持及生態治理，具有良好的抗旱和抗貧瘠的能力，為熱帶亞熱帶麻類經濟作物，是干熱河谷地區植被恢復的優勢物種[8-9]。目前，對番麻和劍麻的水土保持效益研究僅限于其對地表徑流的消減作用，而對自然降雨條件下其調控土壤徑流的垂向分層輸出特征仍有待探究[10]。鑒于此，本實驗在金沙江上游典型干熱河谷生態脆弱區設置標準小區種植番麻、劍麻，并設裸地標準小區進行對照試驗，通過比較在不同整地方式和劍麻種類條件下，小區地表徑流、壤中流及土壤侵蝕量的差異，探究影響金沙江干熱河谷產流產沙的因素及番麻、劍麻的水土保持作用，以期為金沙江干熱河谷地區的植被重建和生態恢復提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

研究區設在云南省元謀金雷水土保持示范園內(101°35′～102°06′E， 25°23′～26°06′N)。 該園區地處云南省西北部金沙江流域龍川江水系的土林風景區附近，是我國橫斷山區尤其是金沙江干熱河谷的典型代表區，土林獨特的地貌景觀就是由于該地區嚴重的水土流失造成。元謀縣屬南亞熱帶干熱季風氣候，氣候干旱炎熱，年平均氣溫21.9℃，最高氣溫42.0℃，最低氣溫-0.8℃，最冷月均溫高于12.0℃，最暖月均溫 28.2℃，≥10℃年積溫 7 996.0℃；平均海拔1 210 m，年均日照2 670.4 h；干熱河谷降水少而蒸發量大，年均降雨量613.8 mm，年均潛在蒸發量為3 847.8 mm，達降雨量的6～10倍，全年降雨集中于6～10月，3～5月為全年最干、最熱的時期。無霜期350 d。土壤為燥紅土，發育于第四紀元謀組紅色風化殼母質，土壤酸性強，質地粘重，干季板結、堅硬，有機質、磷等養分含量較低，土壤全氮含量0.29～0.6 g/kg，全磷含量 0.08～0.30 g/kg，全鉀含量 11.8～26.0 g/kg，為中度或嚴重貧瘠土壤。區域為典型的河谷薩瓦納(Valley-Savanna)植被，以草本植物與零星中小型灌木為主要植被類型。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

本試驗設置6個坡度為10°，投影面積為2.5 m×10 m的標準小區，小區相鄰且坡向一致，將小區分為兩組，一組采用魚鱗坑整地模式，另一組則采用隔坡水平溝的整地模式，對每組3個小區分別進行番麻、劍麻覆蓋和對照處理。

為準確監測降雨過程中地表徑流和壤中流的流量問題，按劉剛才法[11]設置建造標準小區。小區底部與四周圍埂均以10 cm厚鋼筋混凝土澆筑，形成收集降雨入滲的密閉型滲漏裝置，并在坡底設置擋土墻，圍埂高出坡面35 cm，為防止周圍雨滴打擊圍埂濺落進入小區，造成數據誤差，圍埂頂部向外一側為斜切面。本研究小區斷面自上至下設置3個徑流出水口，分別為地表徑流出水口(0 cm)，壤中流出水口(50、100 cm)。在小區坡腳隔墻內壁50及100 cm處與母巖平行修筑壤中流收集槽，且50 cm處壤中流收集槽位置上筑有其外側復蓋有尼龍網的粗砂礫石墻，100 cm處壤中流收集槽內填裝粗砂礫石，其上復蓋尼龍網；坡腳隔墻外修筑有表面徑流收集槽，以及相應差別的表面流收集池、50 cm處壤中流收集池、100 cm處壤中流收集池，且3個收集池與對應的收集槽分別采用導管連通，分別收集表面徑流、50 cm處壤中流及100 cm處壤中流。將米尺垂直放入集流桶中至桶底，讀取水面所在刻度值，填入表中，重復3次，得到徑流深，采用攪拌舀水取樣法及烘干法對泥沙含量進行測定[12]。小區建成后，在元謀干熱河谷選擇典型燥紅土，經混凝土攪拌機混勻后裝填入小區。為了減少填充過程中擾動土壤帶來的誤差，保證土壤結構、特性與本區域坡地相同，小區建成后按照實驗所需的種植模式種植3年后再進行實驗數據的采集。

設置6個坡度為10°，2.5 m×10 m的標準小區，選擇當地典型燥紅土，攪拌機混勻后裝填標準徑流小區，將小區分為兩組，分別采用魚鱗坑和隔坡水平溝的整地方式，每組3個標準小區分別以番麻、劍麻和裸地的種植模式進行布設。番麻和劍麻小區內株行距50 cm×50 cm，植被覆蓋度達到60%～70%，平均高度為70～80 cm，裸地小區則不種植任何作物，定期清理植被，保證其植被覆蓋率小于5%。番麻和劍麻于2013年開始種植，2017年觀測自然降雨不同整地和種植模式下小區的地表徑流、壤中流以及泥沙含量，綜合評價不同品種劍麻的水土保持效果。

1.2.2 數據處理

采用SPSS 19.0進行多元回歸分析，采用Excel 2016進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 年降雨特征

2017年于試驗區共監測到78次降雨，年降雨量為715.8 mm，降雨總歷時為540.5 h，年最大單場降雨量出現在7月1日的降雨事件中，降雨量為76.4 mm，其中，5～9月降雨量占全年降雨量的86.81%。根據國家氣象局降水強度等級劃分標準（內陸版），可將降雨劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨4個等級，其對應小時降雨量為：p≤2.5；2.5＜p≤8.0； 8.0＜p≤15.0； p≥16.0。 試驗區降雨極不均勻，多集中在5～9月，呈現旱、雨季分明的特點，降雨以小雨、中雨為主，另外，短歷時強降雨引起的土壤侵蝕也是干熱河谷地區水土流失的重要原因之一[12]，因此在開展研究的過程中，雨強對徑流量和泥沙量的影響不可忽視。見表1。

表1 研究區2017年降雨情況

2.2 不同植被覆蓋和整地條件下徑流的分配特征

2.2.1 坡面徑流垂向分層輸出占比特征

坡地不同下墊面及整地措施對坡面徑流垂向分層輸出的過程及土壤流失量有不同程度的影響。對研究區一年內監測到的20次徑流進行分析，徑流特征見圖1。

圖1 各小區土壤徑流年輸出比例

總體上看，垂向輸出的徑流量組成特征相似：無論有無植被覆蓋措施，3個實驗小區均以地表徑流為主，地表徑流量占總徑流量的比例均超過75%。番麻、劍麻小區的地表徑流量與裸地相比分別減少了71.09%、84.21%，而50 cm處壤中流量則減少了19.33%、32.77%，100 cm處壤中流量增加80.26%、36.84%。

不同整地措施對徑流的調控作用也比較明顯。總體上看，相同植被覆蓋條件下，魚鱗坑整地小區徑流量與隔坡水平溝相比減流作用不明顯，但在50 cm處壤中流和100 cm處壤中流所占總徑流量比例上，與隔坡水平溝整地模式相比有一定優勢，魚鱗坑整地在番麻、劍麻、裸地小區內50 cm處壤中流和100 cm處壤中流占總徑流量的比例分別為16.95%、23.58%、4.68%，比隔坡水平溝增加了1.74%， 3.99%、 0.46%。

從上面的分析中可以得出，在徑流小區內種植番麻、劍麻能夠顯著減少地表徑流并增加50 cm處壤中流和100 cm處壤中流，同時，不同的整地措施對降水下滲的調控有一定差異，其中魚鱗坑對水分的蓄滯和垂直入滲方面有積極的作用。

2.2.2 不同植被覆蓋和整地條件下坡面徑流垂向分層輸出特征

與裸地相比，番麻與劍麻均表現出一定程度降低地表徑流的效果，如圖2-A所示，裸地小區地表徑流量顯著高于番麻，劍麻小區(p＜0.05)，分別為番麻、劍麻小區的345.94%、633.35%，說明采取植被覆蓋措施對減少地表徑流有顯著效果；在番麻與劍麻兩種不同植被覆蓋的小區中，劍麻對地表徑流的消減作用與番麻相比存在明顯優勢，劍麻小區地表徑流量為番麻小區的56.04%。造成差異的原因可能是其植株形態對降水的調控分配作用的差異性。

當土壤水分達到飽和時，由于土層中土壤水勢發生變化，土壤水分能夠向下層或橫向運動[13]。由圖2-B可以看出，在隔坡水平溝整地條件下，3種處理小區平均每場降雨50cm處壤中流排序為番麻(0.34 mm)＞裸地(0.3 mm)＞劍麻(0.16 mm)，在魚鱗坑整地條件下50 cm處壤中流排序為劍麻(0.45 mm)＞裸地(0.275 mm)＞番麻(0.2 mm)。整地與植被覆蓋二者的共同作用造成了裸地、番麻和劍麻小區50 cm處壤中流量的差異。

由圖2-C知，在同一整地條件下，100 cm處壤中流量大小依次為番麻＞劍麻＞裸地，兩種整地條件下番麻小區100 cm處壤中流量分別為裸地小區的160%、193.48%；而在相同植被覆蓋條件下，魚鱗坑整地更有利于降雨徑流向更深層的土壤層中傳遞，同一植被覆蓋不同整地方式下100 cm處壤中流可相差16.67%～53.33%。說明整地方式對土壤100 cm處壤中流也有一定程度的影響，對整個產流過程的調控應將植被覆蓋與整地方式結合起來。

如圖2-D所示，在同一整地條件下，裸地小區徑流系數和土壤侵蝕模數均顯著大于有植被覆蓋的小區，劍麻小區徑流系數最小；番麻與劍麻能夠攔蓄減少地表徑流，達到降低徑流系數的效果，其中劍麻減少徑流效果最佳。在兩種整地條件下，番麻平均徑流系數分別為0.22、0.23；劍麻為0.16、0.18；裸地為0.60、0.44；番麻徑流系數與裸地相較減少了63.33%、47.73%，劍麻徑流系數與裸地相較減少了73.33%、59.09%。

總體來看，各土壤層徑流的變化表現出植物對降水調控分配的動態過程，對于地表徑流，裸地小區與番麻、劍麻小區差異顯著，番麻、劍麻小區差異不顯著；而對于50 cm處壤中流和100 cm處壤中流，3種處理小區差異均不顯著。從整地活動上看，魚鱗坑更利于水分的垂向運輸；從植被覆蓋上看，番麻、劍麻小區50 cm處壤中流和100 cm處壤中流占總徑流量比例均大于裸地小區，其中劍麻減少地表徑流的效果最為明顯，而番麻則更利于水分向深層運輸。

圖2 徑流小區垂向輸出徑流特征

2.3 降雨特征與產流產沙間關系

2.3.1 雨強對徑流小區產流產沙的影響

不同雨強等級下徑流小區產流產沙情況見表2。從表2可知，不同雨強下地表徑流、50 cm處壤中流和100 cm處壤中流均存在差異，隨著雨強的增大，地表徑流、50 cm處壤中流與100 cm處壤中流逐漸增大，徑流系數與泥沙含量也逐漸增大。其中大雨條件下單場降雨的地表徑流、50 cm處壤中流、100 cm處壤中流分別為小雨的 17.21、17.27、25.58倍，為中雨的2.23、1.12、2.64倍；徑流系數與泥沙含量則為小雨的3.44、3.96倍。大雨強下降雨場次雖然只占總降雨場次的3.85%，但地表徑流、50 cm處壤中流、100 cm處壤中流分別占總徑流量的24.94%、17.29%、19.97%。說明雨強對坡面徑流存在一定程度的影響，在全年降雨過程中，短歷時強降雨所占比例雖然不高，但對坡地的徑流影響較大。

表2 不同雨強等級下坡地產流產沙情況

2.3.2 坡地產流產沙的影響因素分析

干熱河谷地區坡地產流產沙過程較為復雜，提取降雨量(p)、平均雨強(I)、降雨歷時(t)3個對徑流產生影響較大的因素，擬合得出徑流深與它們之間的關系，結果如表3所示，番麻小區與裸地小區徑流深均與降雨量呈顯著正相關關系(p＜0.05)，而劍麻小區徑流深則與平均雨強存在顯著正相關性。另外，裸地小區徑流深與平均雨強存在極顯著正相關關系(p＜0.01)，其回歸系數大于降雨量，說明平均雨強對裸地小區的產流影響較降雨量大。提取徑流量(R)、降雨量(p)、平均雨強(I)、降雨歷時(t)4個影響泥沙產量的因素，擬合得出泥沙含量與它們之間的關系，結果如表4所示，番麻小區、劍麻小區與裸地小區泥沙含量均與徑流深關系最為密切，呈極顯著正相關關系。

表3 徑流深多元線性回歸系數

表4 泥沙含量多元線性回歸系數

3 討論與結論

試驗區3種處理小區的徑流垂直分層特征相似，均以地表徑流為主，地表徑流占總徑流量的76.42%～95.32%，與陳曉安、張杰等[14-15]在江西紅壤區的研究結果差異較大，這可能是由于干熱河谷的降雨特征和土壤條件造成的。紅壤孔隙度大，下滲能力較強，將地表徑流轉化為地下水效率較高，因此50 cm處壤中流與地表徑流在總徑流量占比較大，而干熱河谷地區土壤退化嚴重，地表土壤板結，土壤滲水能力較差，導致地表徑流不易轉化為50 cm處壤中流，造成嚴重的水土流失[16-17]。

番麻、劍麻小區與裸地相比具有很好的降低地表徑流的效果，50 cm處壤中流、100 cm處壤中流占總徑流量比例大于裸地小區，為裸地小區的3.61～5.04倍，裸地小區地表徑流量最大而100 cm處壤中流量最小，50 cm處壤中流量處于番麻與劍麻中間，100 cm處壤中流則明顯小于有植被覆蓋的小區。從地表徑流到100 cm處壤中流，隨著土層深度的增加，裸地小區與番麻、劍麻小區各層級徑流量呈現出此消彼長的趨勢，這體現出植物對坡面徑流垂向輸出的調控機制。有植被覆蓋的徑流小區地表徑流量遠小于裸地小區，說明采取植被覆蓋措施可通過改變地表下墊面性狀，增加其粗糙程度，降低降雨動能，改變徑流方式，為降水入滲創造有利條件，使得地表徑流量減小。而裸地小區由于直接受到雨滴的擊打，使地表板結，雨滴擊濺還能使地表的土壤團聚體被沖散進而堵塞土壤表層孔隙，使土壤入滲能力下降，承接的降雨在地表裹挾泥沙形成徑流直接流走。50 cm處壤中流在兩種整地條件下差異不大，而番麻、劍麻小區則有較大差異，這是由于整地活動有利于攔蓄坡面降水，增強裸地將地面徑流轉化為50 cm處壤中流的能力，因此兩種整地條件下的裸地小區50 cm處壤中流量均處于中間位置，而番麻、劍麻小區除受到整地作用的影響外，植物覆蓋對50 cm處壤中流也有一定影響，植物對降水入滲具有調節作用，一方面植物根系向下層土壤輸送水分，另一方面植物各項生理機能和蒸騰作用也會造成一定量的水分損失，尤其在熱量充足，蒸發量較大的干熱河谷地區，植物對水分的需求更大，對50 cm處壤中流的損耗也越大[9]。番麻、劍麻根系主要分布在地表以下30～50 cm處，因此對50 cm處壤中流有一定消耗作用。謝頌華等[18]在江西北部鄱陽湖流域對植被覆蓋、敷蓋、裸露處理小區壤中流進行對比分析得出，敷蓋處理下土壤對水分的調控分配效果最好，壤中流占總徑流量比例最高，涵養水源和水土保持效果較好，究其原因是由于覆蓋方式下，植物對土壤水分有一定損耗，而敷蓋處理能夠增加枯落物含量，阻滯土壤水分蒸發，更有利于土壤對水分的再分配。

許多研究表明，降雨量對土壤各層徑流的產生有及其顯著的影響[19-22]，區域內的降雨輸入量與徑流量顯著相關，但由于干熱河谷地區的特殊性，全年降雨量小，短歷時強降雨貢獻的徑流量占全年徑流量的24.84%，因此雨強也是水土流失過程中不可忽視的因素。本研究選取雨強作為影響徑流量的因子之一，結果顯示，除番麻小區徑流深與降雨量顯著相關且相關程度在3個因子里最高外，劍麻小區與裸地小區徑流深則與雨強相關程度最高，且裸地小區徑流深與雨強呈極顯著相關關系，這說明在干熱河谷區，無植被覆蓋的裸地因缺少植株對雨滴的攔蓄及根系對降水的調控作用，在大雨強的條件下極易產生超滲徑流，因此產流受雨強的干擾極大。植被覆蓋對泥沙有較好的調節作用，番麻、劍麻小區的泥沙含量為裸地小區的7.71%、3.71%，說明植被覆蓋對防治坡面土壤流失有著顯著的積極作用，且產沙量與產流量有極顯著的關系。在擬合方程中也可以看出，3種處理下徑流小區泥沙含量均與徑流深極顯著相關，說明產流是影響坡面徑流泥沙含量的重要因素。程東兵等[23]研究了紅壤區不同下墊面降雨產流產沙特征，結果顯示，降雨量是影響產流量最重要的因素，而影響產沙量最重要的因素則為降雨強度，這與本次研究結果有一定差異，這可能是由于降雨特征和土壤性質不同所引起。

金沙江干熱河谷地區坡地比重較大，降雨集中，坡地對降雨入滲分配關系到土壤養分的流失及坡面自然災害的防治，本實驗對干熱河谷區番麻、劍麻兩種經濟作物對自然降雨的分配特征進行了初步研究，植物對降雨的分配還體現在其對土壤水分的固持等方面，另外，土壤容重、土壤初始含水率等也是影響地表徑流和50 cm處壤中流的重要因素。為了進一步研究植物對降水的分配特征及水土保持效益，已在研究區布設土壤水分含量監測系統，后續將會通過監測土壤水分變化及養分流失情況進一步闡明干熱河谷地區番麻、劍麻的水土保持效益。