香樟林地枯落物的截流減沙效應分析

許洪嬌， 胡海波， 初 磊， 燕 超， 王超騏

(南京林業大學南方現代林業協同創新中心，江蘇省水土保持與生態修復重點實驗室，210037，南京)

近年來，南方紅壤區水土流失狀況雖整體好轉，但局部惡化，減少的幅度與治理面積不相稱，每年人為新增水土流失面積達到2 256 km2，水土流失治理任務仍然十分艱巨[1]。降雨是產生土壤侵蝕的主要自然因素[2-4]，主要包括降雨強度、降雨量、降雨歷時等因子。枯落物層是森林生態系統的重要組成部分，在攔蓄降雨、保護地表土壤等方面都具有重要意義[5-6]。國內外學者對不同森林類型枯落物的水文特征和生態效應進行了大量研究，取得了許多重要成果，但有關林下枯落物覆蓋程度對于土壤侵蝕的影響研究較少。張楨堯等[7]對栓皮櫟林枯落物減流減沙效應研究發現，枯落物層能延長坡面徑流產生的時間，降低坡面流流速，同時還能有效地減少坡面的產流量(6.60%～8.17%)和產沙量(11.08%～65.08%)。張芝萍等[8]對北亞熱帶毛竹林枯落物水土保持功能進行研究，發現室內人工模擬降雨條件下，降雨強度為10～50 mm/h時，有枯落物覆蓋的土壤侵蝕量比裸露坡面減少35.58～256.16 g/m2。

目前，國內外學者對于枯落物層能夠調節水文功能的研究，大多是采用浸泡法或通過室內人工模擬降雨試驗測定枯落物的最大持水量、持水率和持水過程[9-10]，而涉及枯落物減蝕能力以及不同枯落物覆蓋對土壤水蝕過程影響的研究較少[11-12]。筆者主要研究在不同降雨強度時香樟(Cinnamomumcamphora)枯落物量的減流減沙功能, 能夠揭示枯落物覆蓋的坡面侵蝕機制，加深人們對水土保持和土壤侵蝕的理解。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

實驗于2018年6月在南京林業大學溧水白馬基地進行，白馬基地位于南方紅壤區，多年平均降雨量(1967—2017年)為1 072.90 mm(南京站)，汛期為5—9月。試驗地開闊空曠，便于安裝器材及開展試驗。香樟為南方地區常見樹種，因此選取它作為研究對象。試驗所用模擬降水裝置為南京南林電子科技有限公司研制的NLJY- 10型人工模擬降雨控制系統，本次實驗每次設置3個重復，以減少實驗誤差。準備4個1 m×2 m×0.5 m的長方形鋼槽作為降水試驗小區。本試驗用土均來自于南京林業大學溧水白馬基地，以南京林業大學校園內的香樟林枯落物(枝葉比例2：8)作為研究材料。為減少葉片表面攜帶泥沙、水分，導致試驗誤差，將枯落物用清水洗凈,在65 ℃下烘干至恒質量，分成50、150和250 g分別編號、裝袋，備用。

1.2 實驗設計與測定

本試驗在4個徑流小區分層填土，每10 cm一層，共分3層，每層填裝完畢充分壓實，保持土壤密度為1.34 g/cm左右。填土前，在土槽的底部平鋪17 cm細沙，保證良好的透水性。填土時，注意坡面保持平整，每層填裝完壓實后刮毛，制造一定的地表糙度，防止土層間滑動。通過不同量枯落物覆蓋設置各處理組，共設計4種枯落物覆蓋量，分別為0、50、100和250 g/m2；設計3個降雨強度，分別為30、60、90 mm/h，坡度均為5°，降雨均勻度超過90%。每次降雨結束后，土槽需要被靜置至土壤含水率與上一次實驗相一致時再重新開始實驗。為保證試驗精度，每個處理均進行重復試驗取平均值分析(表1)。

表1 枯落物覆蓋量及降雨強度設計Tab.1 Litter coverage and rainfall intensity design

降雨前，將枯落物均勻鋪在試驗土體上，保證厚度均勻。實驗時間為產流開始后的1 h，由于試驗初期產流率變化較大，因此前10 min每2 min取1次徑流泥沙樣，產流10 min以后每 5 min取1次徑流泥沙樣，用聚乙烯塑料桶取徑流水樣，用量筒來測量徑流的體積，然后將徑流靜置12 h，倒掉上層清液，先用烘干法測定泥沙質量，然后稱量測得產沙量。試驗小區設置4個雨量筒，以便測定實際降雨量。測定指標包括降水量、降水強度、降水歷時、徑流量和產沙量等。

1.3 數據處理與分析

水動力學參數采用Microsoft Excel軟件進行數據統計及繪圖，采用SPSS進行顯著性分析。徑流減少率為枯落物覆蓋條件下的產流量相比裸坡的減少量與裸坡產流量的比值，計算公式[12]為：

Lp=((Sf-Sp)/Sf)×100%。

(1)

式中：Lp為徑流減少率，%；Sf為裸地產流量，L/(min·m2)；Sp為覆蓋坡面產流量，L/(min·m2)。

產沙減少率為枯落物覆蓋條件下坡面產沙率相比裸坡的減少值與裸坡產沙率的比值,計算公式[13]為：

Np=((Rf-Rp)/Rf)×100%。

(2)

式中：Np為產沙減少率，%；Rf為裸地產沙量，g/(min·m2)；Rp為覆蓋坡面產沙量，g/(min·m2)。

2 結果與分析

2.1 枯落物覆蓋下坡面產流過程特征

2.1.1 枯落物覆蓋的產流過程 從圖1～3可以看出，產流率均是隨著降雨強度的增大而增大，隨著枯落物的生物量增大而減小，產流率在前5 min迅速提高，在第20～25 min達到穩定。當降雨強度為30 mm/h時，達到穩定時的裸坡徑流量為0.605 L/(min·m2)。枯落物覆蓋的生物量為50、100和250 g/m2時，達到穩定時的產流率分別為0.469、0.387和0.326 L/(min·m2)。相比于裸坡，枯落物覆蓋量為50、100和250 g/m2時，達到穩定時的產流率分別減少22.48%、36.03%和46.12%。當降雨強度增大到60 mm/L時，徑流達到穩定時，枯落物覆蓋量增多，減少的產流率依次7.70%、7.65%和15.83%。當降雨強度達到90 mm/h時，產流率則分別減少0.70%、2.30%和12.45%。可以看出隨著降雨強度增大，枯落物對產流率的影響程度逐漸降低，降雨強度在30和60 mm/h時枯落物對于徑流量的影響大于90 mm/h。

圖1 降雨強度為30 mm/h時不同枯落物覆蓋量 產流率隨降雨歷時的變化Fig.1 Changes in runoff yield rate with different litter coverage under rainfall intensity of 30 mm/h

圖2 降雨強度為60 mm/h時不同枯落物覆蓋程度 下產流率隨降雨歷時的變化Fig.2 Changes in runoff yield rate with different litter coverage under rainfall intensity of 60 mm/h

圖3 降雨強度為90 mm/h時不同枯落物覆蓋程度下 產流率隨降雨歷時的變化Fig.3 Changes in runoff yield rate with different litter coverage under rainfall intensity of 90 mm/h

2.1.2 枯落物覆蓋的產流特征 如圖4所示，隨著降雨強度增大，徑流量減少率逐漸降低。在同等的降雨強度下，隨著枯落物量的增大，對坡面的減流作用逐漸增強。當降雨強度為30 mm/h時，枯落物量在250 g/m2時，平均產流率僅為0.29 L/(min·m2)；而降雨強度達到90 mm/h時，產流率可以達到1.13 L/(min·m2)。徑流量隨著降雨強度的增大不斷增大，枯落物的減流作用逐漸下降。而在相同枯落物量的覆蓋下，當降雨強度為30 mm/h時，枯落物對于徑流量的減少最為明顯，徑流量的減少率可以達到34.21%，當降雨強度增加到90 mm/h、枯落物量為250 g/m2時，徑流量的減少率僅為18.23%。

圖4 不同降雨強度時枯落物量對徑流量的影響Fig.4 Effects of litter coverage on runoff reduction rate under different rainfall intensity

以降雨強度I和枯落物量G為自變量，覆蓋枯落物的坡面徑流量Q為因變量，運用SPSS 18.0軟件進行回歸分析，得到如下多元回歸方程式：

Q=0.980I-0.186G-0.977(I>30，0

(3)

式中：I為降雨強度，mm/h；G為枯落物量，g/m2；Q為坡面徑流量，L/(min·m2)。從式(3)可以看出，坡面徑流量與降雨強度和枯落物量呈線性相關關系，通過對比系數可以得知，降雨強度對坡面徑流量的影響高于枯落物對徑流量的影響。

2.2 枯落物覆蓋下坡面產沙過程特征

2.2.1 枯落物覆蓋的產沙過程 從圖5～7可以看出，產沙率-降雨歷時的變化曲線在不同量的枯落物覆蓋下相似，從坡面產沙開始，短時間內產沙率迅速提高，在保持平穩后下降，最終趨于穩定。產沙率同時受降雨強度和枯落物量的制約，當降雨強度在30 mm/h時，枯落物覆蓋量達到50 g/m2就可以起到良好的防蝕效果，最終產沙率穩定在0.078 4 g/(min·m2)。當枯落物覆蓋量達到250 g/m2時，產沙率穩定時僅為0.019 g/(min·m2)。隨著降雨強度增大，枯落物對產沙率的影響逐漸減小。當降雨強度為30 mm/h，枯落物量分別在50、100和250 g/m2時，產沙率分別降低59.57%、86.35%和97.58%。當降雨強度上升到60 mm/h，枯落物量分別在50、100和250 g/m2時，產沙率分別降低51.32%、56.56%和68.10%。當降雨強度達到90 mm/h，達到穩定后的產沙率分別降低21.59%、42.38%和66.45%。

圖5 降雨強度為30 mm/h時枯落物量對產沙率的影響Fig.5 Effects of litter coverage on sediment yield rate under rainfall intensity of 30 mm/h

圖6 降雨強度為60 mm/h時枯落物量對產沙率的影響Fig.6 Effects of litter coverage on sediment yield rate under rainfall intensity of 60 mm/h

圖7 降雨強度為90 mm/h時枯落物量對產沙率的影響Fig.7 Effects of litter coverage on sediment yield rate under rainfall intensity of 90 mm/h

2.2.2 枯落物覆蓋的產沙特征 從實驗結果可以看出，產沙量隨著降雨強度的增大而增大，枯落物對于降低產沙量有明顯作用。當降雨強度為30 mm/h時，裸坡的總產沙量為69.55 g，而當枯落物的生物量增加到250 g/m2時，總產沙量僅為2.273 g。在同等降雨強度下，產沙率隨著枯落物生物量的增加而降低；在枯落物的生物量相同時，產沙率隨著降雨強度的增加而不斷增加。枯落物對于產沙量的減小作用隨著降雨強度的不斷增加而減弱，當降雨強度為30 mm/h，枯落物的生物量達到250 g/m2時，相比較于裸坡，產沙量可降低96.73%；當降雨強度為90 mm/h時，枯落物的生物量為250 g/m2，產沙量僅降低49.51%。

以降雨強度I和枯落物量G為自變量，覆蓋枯落物坡面的總產沙量S為因變量，運用SPSS18.0軟件進行回歸分析，得到如下多元回歸方程式：

S=3.969I-0.572G-50.137 (I>30，0

(4)

從式(4)可以看出，隨著枯落物量的增大，產沙量逐漸減小；隨著降雨強度的增大，產沙量增大。通過斜率比較發現，降雨強度對產沙量的影響明顯高于枯落量對產沙量的影響。

2.3 坡面產沙和產流的關系

根據統計分析可以得到，無論裸坡還是有枯落物覆蓋的坡面，產沙量和產流量呈顯著相關關系。使用Matlab軟件進行擬合分析，從圖8可以看出，在裸坡和有枯落物覆蓋的坡面上，產沙量和產流量均呈現二次函數關系。以產流量x為自變量,以產沙量Y為因變量，在裸坡的條件下R2=1，在有枯落物覆蓋的情況下R2=0.935 8。

圖8 產沙量與產流量的關系Fig.8 Relationship between sediment yield and runoff yield

在裸坡的情況下，擬合出的曲線方程為：

Y=78.45-2.29x+0.069 83x2。

(5)

在有枯落物覆蓋的情況下，擬合出的曲線方程為：

Y=36.34-2.531x+0.062 3x2。

(6)

從上列方程可以看出，隨著產流量的增大，產沙量逐漸增多。且隨著產流量的增大，產沙量增加的速度也隨之增加。

3 結論與討論

1)在一定的坡度和降雨強度下，產流率在短時間內迅速升高，隨后保持穩定；產沙則在短時間內迅速升高，隨后降低到一定的速率后保持穩定。在一定的坡度和降雨強度條件下，坡面徑流量隨枯落物量的增大而減小，30～90 mm/h降雨強度下徑流量減少率為4.06%～34.21%，降雨強度越小，徑流量減少率越高。在一定的坡度和降雨強度條件下，坡面產沙量隨枯落物量的增大而減小，30～90 mm/h降雨強度下產沙減少率為25.78%～96.73%，降雨強度越小，產沙減少率越高。因此，枯落物對降低產沙率可以起到良好的效果，這是因為枯落物層削弱了降雨動能，防止雨滴直接打擊土壤，且大大減輕了徑流沖刷作用。隨著降雨強度的增大，枯落物對產沙率的影響逐漸減小，這主要是因為降雨強度是影響侵蝕過程最主要的因素，當降雨強度增大時，徑流增多、侵蝕能力增強，相對而言枯落物的影響減小。

2)枯落物的減沙效應高于枯落物的減少徑流作用。產沙量與產流量呈二次函數關系；在枯落物量較大的情況下，降雨強度較強時依然可以起到良好的減沙作用。在裸坡條件與有覆蓋的條件下，產流量均與產沙量呈二次函數關系，這對于水土流失量具有很好的預測作用。在何玉廣等[13]對于模擬降雨條件下側柏林地枯落物對坡面產流產沙的影響中得出，在裸坡條件下，產沙量和產流量呈指函數關系；在有枯落物覆蓋的條件下，產沙率和產流量呈線性相關關系，與本研究結果不同。這可能是因為在何玉廣等實驗中，采用的是野外側柏人工林，與本試驗人造徑流小區不同所致。