喀斯特地區不同降雨和植被覆蓋的坡面產流產沙特征

楊 青， 楊廣斌， 趙青松， 戴 麗

(1.貴州師范大學 地理與環境科學學院， 貴州 貴陽 550025；2.貴州省山地資源與環境遙感應用重點實驗室， 貴州 貴陽 550025)

由于喀斯特環境特殊性和復雜性,中國有關喀斯特環境土壤侵蝕的研究工作較為薄弱。并且缺少連續高精度監測資料,在涉及喀斯特山區水土流失時,仍沿襲非喀斯特區的侵蝕分級標準,給喀斯特山區的水土保持和生態恢復工作造成極為不利的影響[1-2]。而坡面徑流主要受降雨特征和下墊面變化影響，而下墊面特征與地形、土壤、地表覆蓋等因素相關[3-5]。有相關研究對不同土地利用與土壤侵蝕之間的關系進行報道[6-9]。一般認為降雨量、雨強、雨型、歷時等都與土壤侵蝕量及其侵蝕過程密切相關[10-12]。近年來，有研究利用不同土地利用的坡面徑流小區5 a的觀測數據，探究研究區不同降雨條件下坡面產流產沙的特征，為黃壤的侵蝕預報提供了相關理論依據[13]。李瑞等[14]研究了喀斯特地區降雨與坡面土壤侵蝕的關系，得出降雨量與產沙量相關性較高，并且呈正相關。陳偉等[15]通過對徑流小區監測數據的分析得出，有效的水土保持綜合技術集成模式可顯著減少地表徑流。張文安等[16]對黔中黃壤丘陵旱坡地的水土流失進行研究，結果表明研究區土壤侵蝕與降水徑流同步發生。紀啟芳[17]研究貴州遵義滸洋水小流域得出不同地類坡面徑流深和產沙量與降雨量之間有良好的冪函數關系。另有研究通過劃分為不同次降雨類型，研究旱坡地降雨侵蝕過程，最終得出土壤侵蝕與坡度、徑流量與產沙量之間的關系[18-19]。陳洪松等[20]對桂西北喀斯特峰叢不同土地利用方式坡面產流產沙特征進行研究。鮮有使用長時間序列的徑流小區數據對喀斯特地區，黃壤坡面不同降雨及植被類型的坡面產流產沙量進行分析。

貴州省是西南地區喀斯特地貌的典型代表省份之一，全省黃壤所占比例為41.2%[21]，黃壤是廣泛分布于貴州和四川省等地的地帶性土壤，可發育于各種母質之上，以花崗巖、砂頁巖為主(龍里沒有花崗巖出露)，此外還有第四紀紅色黏土及石灰巖風化物，以貴州高原較有代表性。龍里監測站是經長江水利委員會長江流域水土保持監測中心站于2013年實地考察后，被列為全國水土流失動態監測與公告項目的典型小流域。本研究利用貴州省水土保持監測中心建立的龍里羊雞沖小流域2014—2018年徑流小區觀測數據，重點探討不同降雨類型下各植被類型、覆蓋度對坡面產流輸沙的影響，分析植被、降雨、產流和產沙量變化的動態規律，以期更為全面地揭示喀斯特地區黔中山地水土流失的特征，以及真實地反映黃壤區降雨、植被類型、覆蓋度與坡面產流產沙之間的響應，為喀斯特地區黃壤坡面不同降雨和植被類型產流和產沙的動態特征研究提供理論基礎。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

龍里羊雞沖水土保持監測站位于貴州省黔南州龍里縣東城郊，地處東經107°00′53″，北緯26°26′58″，位于國家級黔南巖溶石漠化水土流失重點治理區，流域屬于烏江水系三沅河支流的上游的羊雞沖小流域。小流域面積為11.89 km2，水土流失面積7.41 km2。龍里縣屬北亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量1 100 mm，多年平均氣溫14.8 ℃；主要植被類型為亞熱帶石灰巖常綠櫪林及常綠落葉闊葉混交林；土壤類型主要有石灰土、黃壤、黃棕土和水稻土4種。

研究區監測點始建于2004年，坡面徑流小區共18個，土壤類型均為黃壤，其中作為對照組的裸土土層厚度為50 cm，其余小區均為80 cm；并且設置不同的土地利用類型，其中1#和2#小區為闊葉林，植被類型為楊樹；3#和4#小區為針葉林，植被類型為墨西哥柏；5#和6#小區為針闊混交林，植被類型為楊樹×墨西哥柏；7#和8#小區為耕地，主要耕種玉米；9#和10#小區為自然草地；11#和12#小區為裸土；13#—18#小區為經果林，植被類型為楊梅、桃樹、梨樹、樹莓。其中7#—12#小區坡度為25°，其余徑流小區均為20°。

1.2 研究方法

本次研究采用的是監測站18個徑流小區2014—2018次降雨、徑流、泥沙等實測數據。參照相關研究[19]最終選取的參數有：降雨特征包括次降雨量(P)、降雨歷時(D)、平均雨強(I)；產沙量(M)、徑流深(Q)；以及植被覆蓋度(C)，該參數是指在每次降雨后，對徑流泥沙進行監測時相應的林下植被(草)在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比，對于耕地而言是指農作物的枝葉的垂直投影面積占統計區總面積的百分比。

首先，對選取的試驗數據進行數理統計分析，運用SPSS對數據進行統計描述，并且對離群值和極端值進行檢驗，剔除異常值。基于K均值分類法對次降雨事件進行分類，分類結果的顯著性差異(p<0.05)即分類合理[22]。為了進一步分析各降雨條件下不同植被類型，坡面產流量與產沙量的相關性是否顯著，利用SPSS軟件對各指標之間進行Pearson相關性分析，得出4種降雨條件下產流產沙的相關性。運用多元回歸分析各降雨類型下產沙量(M)與平均雨強(I)、徑流深(Q)以及植被覆蓋度(C)的關系。并進一步分析各植被覆蓋度下徑流、產沙量的指數函數關系。

2 結果與分析

2.1 降雨類型劃分

根據徑流小區監測的次降雨、徑流、泥沙等相關資料，選取降雨歷時、雨量、平均雨強作為降雨特征指標，在SPSS軟件中采用K均值聚類將975次降雨分為4類，分別為A型降雨、B型降雨、C型降雨、D型降雨，分類結果如表1所示，經檢驗各類指標sig.=0.000，即顯著性p值小于0.001，滿足分類要求。

表1 降雨類型分類指標

注：D為降雨歷時；P為次降雨量；I為平均雨強。

參照分類指標對4類降雨進行排序，降雨歷時：C>D>A>B；次降雨量：A>D >B>C；平均雨強為：A>D>B>C；說明在各降雨指標中，降雨量與雨強具有一致性，即雨量與雨強之間呈正相關[19]。據此，各類降雨類型特征為：A型降雨由極強雨強，極大降雨量、中等降雨歷時的低頻次降雨事件組成；B型降雨由強雨強，中等降雨量、短降雨歷時的高頻次降雨事件組成；C型降雨由弱雨強，小降雨量，長降雨歷時的低頻次降雨事件組成；D型降雨由較強雨強，中等降雨量，中等降雨歷時的高頻次降雨事件組成。

由表1可知，A型降雨發生頻次占總場次的3.5%，累積降雨量為2 839.3 mm，累積徑流深為123 mm，累積產沙量為31.3 kg；B型降雨發生頻次占總場次的49.4%，累積降雨量為10 570.9 mm，累積徑流深最大，為799.5 mm，累積產沙量最大，為378 kg；C型降雨發生頻次占總場次的19.5%，累積降雨量為5 118.2 mm，累積徑流深為151.8 mm，累積產沙量為48.6 kg；D型降雨發生頻次占總場次的27.6%，累積降雨量最大，為11 518.6 mm，累積徑流深為552.4 mm，累積產沙量為215 kg；根據頻次計算，用累積產沙量與發生頻次的比值表示單次降雨條件下的土壤侵蝕量的多少，得出的值可用來比較各降雨類型對產沙量的影響，結果顯示：A型降雨單次產沙量為0.9 kg，B型降雨單次產沙量為0.8 kg，C型降雨單次產沙量為0.3 kg，D型降雨單次產沙量為0.8 kg，就其發生頻次而言，A型降雨對該地區土壤侵蝕帶來最嚴重的影響影響；其次為D型降雨，結合其降雨特點可知，短時強降雨會對該地區的土壤侵蝕帶來一定的負面影響。

2.2 不同植被和降雨類型條件下坡面產流和產沙特征

如圖1所示，4種雨型引起7類坡面產流與產沙的總量特征，結果表明不同植被類型的坡面產流和產沙特征之間存在差異。

圖1 喀斯特地區不同植被和降雨坡面產流產沙量

如圖1所示，除作為對照組的裸土小區，在A雨型情況下：產流總量最大的是經果林，其次是耕地、闊葉林、草地、針葉林和混交林；產沙量最大的是耕地，其次是經果林、闊葉林、針葉林、混交林和草地。在B雨型情況下：產流量最大的是闊葉林，其次是經果林、耕地、草地、針葉林和混交林；產沙量最大的是耕地，其次是經果林、闊葉林、草地、針葉林、混交林。在C雨型情況下：產流量最大的是經果林，其次是耕地、闊葉林、草地、針葉林和混交林；產沙量最大的是耕地，其次是闊葉林、經果林、草地、針葉林、混交林。在D雨型情況下：產流量最大的是經果林，其次是耕地、闊葉林、草地、針葉林和混交林；產沙量最大的是耕地，其次是經果林、闊葉林、針葉林、草地、混交林。

經果林、闊葉林、針葉林、混交林、草地的產流量與產沙量明顯低于耕地和裸土。在所有降雨事件中，作為對照組的裸土產流總量位居第一，耕地和裸土的產沙量遠高于其他植被覆蓋類型。說明降雨后有植被覆蓋的小區的植被根系或枯落物等能很好的涵養住雨水，減緩地表徑流，并且很好的控制了水土流失。

在所有降雨事件中，經果林、闊葉林、針葉林、混交林、草地的產沙量明顯低于耕地和裸土，產沙量分別是耕地的18.1%，6.0%，0.6%，0.2%，3.5%；是裸土的15.7%，5.2%，0.5%，0.2%，3.1%。闊葉林、針葉林、混交林、草地的產流量分別是耕地的76.3%，30.4%，14.9%，45.4%；是裸土的40.8%，16.3%，7.9%，24.3%，經果林的產流量是裸土的57.2%，其產流量高于其他林地和耕地，但是產沙量遠低于耕地和裸土。混交林表現出了極好的水土保持效果，在各降雨事件發生后，其坡面產流量和產沙量總量都處于較低的范圍；經實地考察，該地混交林主要種植楊樹和墨西哥柏樹，植被覆蓋度大于80%。

2.3 不同植被覆被與雨型總徑流產沙發生率

在4種降雨類型中，用各土地利用類型的徑流、產沙量與總量的比值表示不同植被覆被在總徑流產沙所占的比率，表示其發生概率的大小，結果如圖2所示，Q代表徑流深，M代表產沙量，A，B，C，D分別代表4種降雨類型。作為對照組的裸土、耕地產流量所占比例均居于高位；而有林地降雨產流量較小，植被調蓄降雨產流的效果也會日益顯著，結果顯示混交林調節徑流的效果最好，其他林地均在不同程度上調節了地表徑流。

注：QA，QB，QC，QD分別代表4種降雨類型下徑流占總徑流的比例；MA，MB，MC，MD分別代表4種降雨類型下產沙占總產沙量的比例。

圖2 喀斯特地區各降雨條件下不同植被產流、產沙發生率

由圖2可知，裸土的產沙量在A，B型降雨條件下所占的比例最大，耕地在C，D型降雨條件下所占比例最大，對比在相同降雨條件下其他林地的產沙量，耕地和裸土降雨后的產沙量最多，相應的土壤侵蝕也最嚴重。并且如表2所示：除C雨型，其他雨型條件下的坡面產流和產沙量的相關性達到顯著性水平，A雨型最高達到0.95。QA(A雨型下徑流的發生率)情況下：除裸土外，經果林產流量排第二，第三為裸土；但是MA(A雨型下產沙量的發生率)中經果林的發生率占比很小，說明在A雨型下經果林水土保持效果最好，但是根據相關性分析以及各植被類型徑流小區的產沙量的發生率,得出經果林在B雨型下的水土保持效果稍弱于在其他降雨類型。混交林和針葉林在MB(B雨型下產沙量的發生率)，MC(C雨型下產沙量的發生率)，MD(D雨型下產沙量的發生率)均為0.1%，產沙量所占比例十分小。

表2 喀斯特地區各降雨類型產流、產沙量相關性

注：*在0.05水平(雙側)上顯著相關；**在0.01水平(雙側)顯著相關。

2.4 降雨和植被對產流產沙的綜合影響

為研究降雨及其產生的徑流，以及植被和植被覆蓋度等對該地區坡耕地產沙量的綜合影響，在4類降雨類型下分析因變量(產沙量)，與自變量(平均雨強、徑流量以及植被覆蓋度)的關系，結果如表3所示。

由表3可知，產沙量與雨強、徑流深正相關，和植被覆蓋度負相關，對產沙量的影響為：徑流深>平均雨強>植被覆蓋度。B型降雨為強雨強，中等降雨量、短降雨歷時的高頻次降雨事件組成，此時坡面產流量與植被覆蓋度對產沙量的影響相對增加，是4種降雨條件下影響最大的一類降雨。植被的存在能緩解降雨徑流對坡面的產沙量，二者呈負相關，說明增加植被覆蓋對防治坡耕地土壤侵蝕能起到積極的作用。并且喀斯特地區地勢起伏較大，隨著耕地坡度的增加，更需要重視農作物的田間管理[23]。

表3 喀斯特地區產沙量與平均雨強、徑流量、植被覆蓋度的回歸分析

注：公式中M為產沙量；I為平均雨強；Q為徑流量；C為植被覆蓋度；F為檢驗值；sig為顯著性，sig<0.05在0.05水平顯著，sig<0.01在0.01水平顯著。

對同一個徑流小區而言，在地形、土壤條件一致的情況下，降雨后，植被對坡面產流產沙量的影響很大，造成差異的主要原因是植被類型以及植被覆蓋度的多少。而植被覆蓋度是地表植被生長的直觀表現，更是研究植被與土壤侵蝕的一個重要參數。由于降雨量和降雨強度是水土流失的最基本降雨特征，因此本次分析次降雨量與降雨強度明顯偏大的數據未加入，結果如圖3—6所示。

注：擬合方程中M為產沙量； Q為徑流深； C為植被覆蓋度。下同。

圖4 B雨型徑流、產沙量與植被覆蓋度的關系

圖5 C雨型徑流、產沙量與植被覆蓋度的關系

圖6 D雨型徑流、產沙量與植被覆蓋度的關系

由圖3—6可知徑流、產沙量與植被覆蓋度均呈負指數關系。其中產沙量與植被覆蓋度的R2值大于徑流量與植被覆蓋度的值，在A雨型下植被覆蓋度和產沙的相關性最高R2達到0.82，D雨型下植被覆蓋度和徑流深的相關性最高R2=0.652；說明坡面產沙量與植被覆蓋度的關系更密切，在徑流和產沙的過程中，植被覆蓋度對坡面減沙起到的作用更強。并且，在各類降雨條件下，當植被覆蓋度達到80%左右，A，C，D 雨型減沙的效果處于穩定的狀態，B，C，D雨型下植被覆蓋度大于80%后其削減徑流以及減沙處于較穩定狀態。

3 討 論

A型降雨對該地區土壤侵蝕的負面影響更大，更容易對該地區造成侵蝕性的傷害。在喀斯特地區即使是低頻次的強降雨事件，也會對該地區土壤侵蝕造成比較大的影響。總體而言，該地區的降雨還是以B型為主，發生頻次占總場次的49.4%。表2結果顯示，在極強雨強以及強雨強的條件下，徑流越大，產沙量就越大，這是由于該地區坡耕地以超滲產流為主，在雨強較強的情況下，同期的降水量大于同期植物截留量、填洼量等，地表徑流會增多，表層土壤的穩定性會遭到破壞[23-24]，所以在植被的選擇時更需要注重植被的水源涵養能力。C雨型下，產流產沙量的相關性最弱，說明雨型對該地區產流產沙的影響程度是不同的，不同的降雨條件對該區域的坡面土壤侵蝕情況的相關性也不同，但是它們之間的變化趨勢及規律一致。混交林在所有次降雨類型中，坡面產流產沙量均處于較低水平，是因為其林分郁閉度高，地下根系發達，土壤的入滲能力強。而相比于其他徑流小區，如耕地、裸土、經果林地，因需要定期去除一些雜草，導致表層土壤頻繁受到擾動。相關研究表明，人工干擾較多的坡面植被組合土壤侵蝕模數較高，故產流輸沙量較大，水土保持效果不佳[25]。根據小區田間管理操作，會對研究區進行培土、施肥、除草等操作，其中對耕地小區的土壤擾動深度最高達到30 cm，裸土和經果林最高為20 cm。所以，降雨后耕地因受人為擾動較大，產流產沙量比較大；裸土因為其作為對照組，幾乎沒有植被覆蓋，并且會定期對其進行除草，因此固持土壤的效果不如林地，當外界對其進行農業活動時，更容易破壞土壤的穩定性，導致降雨后的產沙量更多；在經果林中，為了使果樹吸收更多土壤的營養及光照等，需要定期對其土地進行管理，以保證果林的產量及質量，從而達到相應的經濟效益，所以對該類土地造成的影響也比較大。

植被覆蓋度與坡面產流產沙量為負指數相關，并且植被覆蓋度與產沙量的相關系數比產流量的更大。說明隨著植被覆蓋度的增加，植被截留的部分降雨只占總降雨量的一小部分，場降雨總量受到的影響不大；隨著植被的生長植被覆蓋度會增加，此時植被的地下根系會隨著植被的生長而增大，根系的量也會增多，使得土壤的入滲功能變強；植被覆蓋增加，會使林冠截留雨量增加，加之地表枯落物對雨水的截留作用，從而會使植被減緩，攔截徑流，涵養水源的能力大大提高，進而降低超滲產流，減少地表徑流對泥沙的輸送能力，因此植被覆蓋度與產沙量的相關性比其與產流量相關程度更高，并且植被覆蓋度越高，地表徑流輸送泥沙能力越弱，產沙量越少，二者呈負相關。

喀斯特地區土層薄，降雨后，土壤表層及其母質極易被沖刷、剝蝕，從而引發土壤侵蝕，進而導致水土流失，加劇石漠化問題的發生；所以應采取退耕還林、還草，封山育林，利用植被恢復來控制水土流失，以改善當地生態環境[26]。石漠化和土壤侵蝕一直是喀斯特地區最主要的生態問題，增加地面植被覆蓋度是最基礎的水土保持農業工程措施，培育適合于當地的植被類型是關鍵，不同的植被覆被以及覆蓋度對土壤侵蝕的響應也有所不同。貴州省的土壤侵蝕多以水力侵蝕為主，防治土壤侵蝕關鍵需要結合其區域地理特征。而貴州省地形地貌特殊，典型的喀斯特地貌造成了脆弱的生態環境，并且當前通用的土壤侵蝕模型應用于喀斯特地區具有一定的局限性，不能真實地反映出貴州省喀斯特山區的土壤侵蝕情況。為構建屬于該地區的土壤侵蝕參數，需要進行更深入的研究以獲取更科學的依據和土壤侵蝕發生規律。本文重點分析討論了降雨、植被類型、植被覆蓋度和產流產沙之間的關系，對坡度、雨前(后)土壤含水量、以及具體的耕作措施等因子沒有進行深入分析，今后應加強對這些因子的研究，更有利于總結出符合區域特點的產流產沙、土壤侵蝕、水土流失等規律，為完善該地區的土壤侵蝕研究提供更多理論基礎。

4 結 論

喀斯特地區山高坡陡、地形破碎，水土流失嚴重。貴州省是西南喀斯特地貌較為典型的代表省份之一，而使用長時間序列的坡面徑流小區對該地區的研究較少，因此對該地區產流產沙規律開展相應的研究可以填補區域空白。本文通過長時間序列的坡面徑流小區觀測數據初步探明區域不同降雨和植被覆蓋對黃壤坡面產流產沙的影響，進一步揭示其中的關系，進而調整土地利用結構。

(1) 該地區在劃分降雨類型時，降雨量與雨強之間呈正相關。根據劃分出的降雨類型分析得出，在A型降雨條件下(極強雨強，極大降雨量、中等降雨歷時的低頻次降雨事件)，經果林表現出極好的水土保持效果，并且該林地在B雨型下(強雨強，中等降雨量、短降雨歷時的高頻次降雨事件)的效果比在其他3種類型稍弱一些；該雨型下經果林地產流與產沙量的相關性顯著。混交林和針葉林在B，C(弱雨強，小降雨量，長降雨歷時的低頻次降雨事件)，D(較強雨強，中等降雨量，中等降雨歷時的高頻次降雨事件)降雨條件下的減流固沙能力更強。并且在各雨型條件下產流與產沙量顯著正相關，所以在雨季采取適當的截留措施能使降雨入滲量增加，對減少該地區黃壤坡耕地產沙量具有一定的實踐意義。

(2) 該地區主要的降雨類型為B型降雨，此時的產流產沙相關性不如A雨型。總體而言，結合不同植被和降雨類型條件下坡面產流和土壤侵蝕特征,以及不同植被覆被在各雨型總徑流產沙發生率，在所有降雨事件下混交林的水土保持效果優于其他，坡面產流量和產沙量的值都比較低。

(3) 坡耕地產流量、產沙量與植被覆蓋度均呈負指數相關，坡面產沙量與植被覆蓋度的關系更密切，植被覆蓋度的增加對減弱地表徑流的作用更強。因此地表覆蓋度的增加是產沙量減少的基礎條件，更是防治水土流失的關鍵因素。

致謝：感謝貴州省水土保持監測站提供的徑流小區監測數據。