红壤坡地覆盖与敷盖径流调控特征研究

程冬兵，张平仓，杨 洁

(1.长江科学院水土保持研究所，武汉 430010;2.江西省水土保持科学研究所，南昌 330029)

红壤是我国重要的土壤资源，由于红壤区降雨量大而集中，低山和丘陵交错，地形破碎，坡度大，母岩抗蚀力弱，发育的红壤可蚀性高，加之人口密度大，人地矛盾突出，是我国水土流失最严重的区域之一［1］。

坡面径流是造成水土流失的主导因子，控制水土流失的关键是科学调控坡面径流。根据径流调控理论，如果能够合理地调配坡面径流，就能控制水土流失或将水土流失减少到最低限度［2］。

地表覆盖与敷盖是水土保持常用措施，能有效蓄水保土［3］。百喜草(Paspalum notatum Flugge)是禾本科雀稗属的一种多年生匍匐草本，原产于南美洲及墨西哥湾的墨西哥和古巴等地，是目前热带、亚热带一种优良的水土保持作物［4］。大量试验结果表明，百喜草覆盖与敷盖对土壤冲蚀控制效果良好，降低径流泥沙功效极为显著［5－9］。然而关于百喜草覆盖与敷盖对地下水文影响的研究较少。

本文选择南方红壤丘陵坡地，以简单而又代表性的水土保持作物百喜草及其敷盖物为研究对象，探讨其地表地下径流调配特征，为红壤丘陵区防治水土流失及水资源管理提供科学依据和技术支持。

1 研究区概况

试验布设在江西水土保持生态科技园内。科技园地处江西省北部的德安县燕沟小流域(115°23'至115°53'E，29°10'至 29°35'N)，属亚热带季风区，多年平均降雨量1 395.6mm以上，平均海拔 30～90 m。土壤为第四纪红壤，土层深0.5～1.5 m。植被属亚热带常绿阔叶林。科技园区位于我国红壤的中心区域，属全国土壤侵蚀二级类型区的南方红壤区，在江西省和南方红壤丘陵区具有典型代表性［10］。

2 试验设计

试验选择土壤水分渗漏装置(Drainage Lysimeter)，设3个标准处理小区，分别是百喜草覆盖(种植百喜草，覆盖度100%)、百喜草敷盖(将百喜草刈割后敷盖于地表，敷盖度100%，厚度约15cm)和对照处理(地表裸露)。每个处理小区面积为5 m×15 m=75 m2，坡度为14°。小区的周围及底部浇筑20cm厚的钢筋混凝土，坡脚修筑挡土墙，形成一个封闭排水式土壤入渗装置。小区坡底断面自上至下总共设置4个出水口，最上部为地表径流出水口，承接地表径流与泥沙，用塑胶管连接到地表径流池，其它3个出口分别承接地下30，60，105cm的壤中流和地下径流①为便于论述，本文中将地表以下渗漏和径流统称为地下径流，分别用塑胶管连接到各自径流池。地表径流池和地下径流池均配置HCJ1型自记水位计，全天候的记录径流和渗漏动态过程。此外，按照气象观测手册，在小区边上设置了一个16 m×12 m的气象观测站。

小区管理均按水利部颁发的《水土保持试验规范》(SD239－87)进行，观测项目主要包括:降雨、地表径流和地下径流。

3 结果与讨论

3.1 试验区降雨特征分析

观测期间(2002－2003年)降雨总量3 241.5mm，其中2002 年降雨1 808.5mm，2003 年降雨1 433.0mm。2003年降雨量较2002年减少375.5mm，其中前半年较 2002年同期增加113.9mm，但是后半年较 2002年同期减少489.4mm。根据水文学划分降雨等级标准，建立不同雨型月份堆栈如图1。

图1 试验区降雨等级分布Fig.1 Rainfall strength distribution in experiment zone

图1显示，各月份降雨量分布极不均匀，2002年、2003年月降雨量变异系数分别为0.77，0.90。汛期(4－9月)降雨较为集中，而且降雨强度大，属暴雨多发期，其它月份降雨偏少。2002年、2003年汛期降雨量分别占当年总降雨量的71.78%，69.60%，而汛期暴雨、大暴雨及特大暴雨占当年汛期降雨量的65.22%，70.79%。

3.2 总径流特征分析

2002－2003年渗漏小区各处理的总径流特征分布如表1。

由表1和图2可知，各处理不仅年总径流量存在差异，而且径流分配差异更明显。百喜草敷盖处理年总径流量最大，对照次之，百喜草覆盖最小。百喜草覆盖和百喜草敷盖处理之间的径流分配较为一致，但与对照处理的径流分配存在较大差异，具体体现在百喜草覆盖和百喜草敷盖处理的地表径流远小于对照处理，而地下径流量却超出对照处理许多。年均地表径流与地下径流调配比值百喜草覆盖、百喜草敷盖和对照处理分别为1/51.7，1/35.5和1/1.4。

图2 2002-2003年不同处理径流分配Fig.2 Runoff distribution in areas of three different treatments from 2002 to 2003

百喜草覆盖处理的活体百喜草地上部分的叶、匍匐茎可增加地表粗糙度，减缓地表径流流速，延长汇流时间，同时，百喜草腐烂的根系能增加土壤有机质含量，改善土壤结构，提高土壤孔隙度，从而增加入渗量，使得大部分降雨转化为地下径流，出现地表径流系数最小，但由于百喜草生长吸收及蒸腾作用需要消耗较多的水分，致使总径流系数也最小［4，9，11，12］;百喜草敷盖处理的敷盖材料能增加地表层的粗糙度，从而减缓水流速度，使降水缓慢渗透到土壤中，提高土壤的下渗率，变地表径流为地下径流，而且敷盖材料又能减少水分的蒸发［13，14］，致使其地下径流系数、总径流系数最大;而对照处理因地表裸露，由于雨滴击溅，使土壤表层团聚体遭到破坏，分散的颗粒填充了土壤表面的孔隙，土壤表面被压实形成结皮，使土壤的入渗能力急剧衰减，承接的降雨很大一部分以地表径流形式流出小区，造成其地表径流系数比百喜草覆盖处理、百喜草敷盖处理的显著增大，地下径流系数却显著减小，同时存在一定地表水分蒸发损失，使得总径流系数介于二者之间。

表1 2002-2003年不同处理径流分配Table 1 Runoff distribution in areas of three different treatments from 2002 to 2003

2002年与2003年相比，总体变化趋势相似。但因2003年降雨较2002年偏少，造成各处理的年总径流量、地表径流量和地下径流量比2002年都相应偏低。

3.3 地表径流

观测期(2002－2003年)内，各处理地表径流特征如图3。

图3 不同处理地表径流月际对比Fig.3 Monthly surface runoffs in areas of three different treatments from 2002 to 2003

图3显示，各处理的地表径流变化趋势与降雨升降变化较一致。随降雨量的增加(或减少)，各处理的地表径流量也相应增加(或减少)，降雨较为集中的汛期(4－9月)，地表径流量也是全年中最大的。对照处理因地表裸露，其地表径流对降雨变化尤其敏感，变化幅度也非常大。然而相对对照处理，百喜草覆盖和百喜草敷盖处理由于地被物覆盖，其地表径流是降雨与下垫面综合作用的产物［15］，所以对降雨变化要迟钝得多，变化幅度也小得多。

图3中，不同处理地表径流量差异非常明显。2年内，对照处理地表径流量各月份均远大于百喜草覆盖和百喜草敷盖处理，尤其是降雨较为集中的汛期，更为明显。同时也注意到，百喜草覆盖与百喜草敷盖处理之间的地表径流量差异不明显，在降雨量较大的情况下(如4，5，6月份)，百喜草覆盖处理地表径流量稍小于百喜草敷盖处理，其它月份相当。相对对照处理，百喜草覆盖和百喜草敷盖处理的减水率2002年分别为95.7%，91.4%，2003年分别为95.6%，95.1%。这充分体现了裸露地表的水土流失系统缓冲性能差，而有水土保持措施(覆盖和敷盖)的地块的水土流失系统缓冲性能强。

3.4 地下径流

观测期(2002－2003年)内，各处理地下径流特征如图4。

图4 不同处理地下径流月际对比Fig.4 Monthly groundwater flows in areas of three different treatments from 2002 to 2003

图4显示，各处理的地下径流变化趋势与降雨升降变化也较一致。随降雨量增加(或减少)，各处理的地下径流量也相应增加(或减少)，比如降雨较多的4－6月份，地下径流量相应也很大。与地表径流相比，各处理的地下径流都较大。2002－2003年百喜草覆盖、百喜草敷盖和对照处理的年均地下径流系数分别为0.673，0.746和0.429，均大于地表径流系数0.012，0.020和0.277，尤其是百喜草覆盖和百喜草敷盖处理的地下径流远大于地表径流。

图4中，不同处理地下径流特征存在较大差异。各月份百喜草敷盖处理的地下径流量基本保持最大，百喜草覆盖处理的地下径流量稍小于百喜草敷盖处理，而对照处理的地下径流量基本处于最小值，与百喜草覆盖和百喜草敷盖处理相差较大，特别是降雨较为集中的4－6月份，其差异更显著。百喜草覆盖与百喜草敷盖处理年均地下径流量分别是对照处理的1.57倍和1.74倍。这是因为百喜草覆盖和百喜草敷盖处理因地被物作用，截留的降雨大部分转化为地下径流，而对照处理因地表裸露，承接的降雨很大一部分以地表径流形式损失，造成地下径流量的大大削减。同时图中也反应出百喜草覆盖处理地表下径流量各月份变化幅度较大，如2002年12月和2003年2，5，6月4个月大于百喜草敷盖处理，而2002年6，7月两个月却小于对照处理，究其原因主要是由百喜草生长发育及蒸腾作用消耗大量水分所造成，也不排除人为统计误差，特别是月份过渡期间地下径流量的归属确定存在较大困难。

相对地表径流变化规律，地下径流似乎显得更为复杂。地表径流对降雨反应迅速，具有突然性和不稳定性，而地下径流除与当次降雨特征有关外，还与前次降雨及土壤初始状况、温度、湿度等因素有关，而且变化有明显的滞后现象，升降显得相对缓慢［16］。研究中发现，当次降雨的地下径流包含有前次降雨量的贡献，一次大的降雨可以把地下径流提高到相当水平，而相对较小的一次降雨，虽显示不出地下径流量的增幅，但可以保持这一地下径流量水平更长一段时间。

3.5 方差分析

为了进一步确定不同处理的地表(地下)径流是否存在差异性或差异性是否显著，对观测期间3个处理的地表(地下)径流系数做单因素方差分析(ANOVA)及多重比较(LSD)，结果见表2。

表2 不同处理径流系数多重比较结果Table 2 Results of multiple comparisons among the runoff coefficients of the three treatments

结果显示，对照处理与百喜草覆盖、百喜草敷盖处理差异显著，而百喜草覆盖与百喜草敷盖处理之间差异不显著，与前述分析结果一致。因此，百喜草覆盖与敷盖处理因地被物作用，截留降雨，增加土壤入渗，将大部分降雨转化为地下径流，径流调控效益非常理想。

4 结论

(1)不同处理不仅年总径流量存在差异，而且径流分配差异更明显。百喜草敷盖处理年总径流量最大，对照次之，百喜草覆盖最小。百喜草覆盖和百喜草敷盖处理的地表径流远小于对照处理，而地下径流量却超出对照处理许多。百喜草覆盖、百喜草敷盖和对照处理的年均地表径流与地下径流调配比值分别为1/51.7，1/35.5和1/1.4。

(2)不同处理地表径流量差异非常明显。各月份对照处理地表径流量均远大于百喜草覆盖和百喜草敷盖处理，尤其是降雨较为集中的汛期，更为明显。百喜草覆盖与百喜草敷盖处理之间的地表径流量差异不明显，在降雨量较大的情况下，百喜草覆盖处理地表径流量稍小于百喜草敷盖处理，其它月份相当。相对对照处理，百喜草覆盖和百喜草敷盖处理减水率(地表径流)在90%以上。

(3)不同处理地下径流特征存在较大差异。各月份百喜草敷盖处理的地下径流量基本保持最大，百喜草覆盖处理的地下径流量稍小于百喜草敷盖，但变化幅度最大，而对照处理地下径流量各月份基本处于最小值，与百喜草覆盖和百喜草敷盖处理相差较大。百喜草覆盖与百喜草敷盖处理年均地下径流量分别是对照处理的1.57倍和1.74倍。与地表径流相比，各处理的地下径流都较大，而且变化规律更复杂。

综上所述，建议加强水土保持生态建设，保护现有植被，积极实施退耕还林还草，增加地被物覆盖，变地表径流为地下径流，保持水土，促进水土资源的高效利用。

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