广东省坡面尺度降雨产流产沙特征分析

刘爱青，寇馨月

(1.广东省水利水电技术中心,广东广州 510610;2.珠江水利委员会珠江流域水土保持监测中心站，广东广州 510611)

坡面作为水土流失发源地，是土壤侵蚀的重要组成单元，研究坡面尺度降雨产流产沙特征具有十分重要的意义[1-5]。广东地形地貌复杂、降雨丰沛，水土流失十分严重。2020年全省有水土流失面积17 636.40 km2，占全省土地面积的9.88%，中度及以上侵蚀面积占水土流失总面积的18.63%。

张青青等[6]基于不同下垫面措施产流产沙观测数据，发现全坡面种草、封禁、低效马尾松施肥、乔灌草混交、人工补植马尾松5种水土保持措施的年均减流率和年均减沙率分别为65.41%～72.59%和81.54%～91.87%，具有良好的水土保持效应。姚冲等[7]研究暴雨条件下典型红壤区不同恢复方式侵蚀过程与特征，发现自然恢复、低效林改造、乔灌草混交林地在1.5 mm/min暴雨强度下径流率、侵蚀率和累积产沙量呈逐渐降低趋势。徐舟等[8]研究发现红壤区多个降雨强度下均表现为草地产流产沙量最小、林地次之、裸地最大，林草地减流减沙效应十分显著。余波等[9]研究了花岗岩红壤区不同生草措施果园产流产沙特征，发现“脐橙+白三叶”措施减流减沙效果最好，其产流量分别为“脐橙+艾蒿”“脐橙+马齿苋”“脐橙+草木樨”和“脐橙清耕”的54.09%、53.15%、58.07%、69.85%，产沙量分别为上述4种措施的61.53%、59.94%、68.88%、87.26%。黄俊等[10]基于五华县水土保持监测站点2014年观测数据，发现次降雨入渗量随降雨强度增加呈先增后减的变化趋势，存在入渗量达最大值的临界降雨强度；人工林及灌草地临界降雨强度为19.9～27.8 mm/h，均高于自然撂荒地。尽管有关红壤区坡面次降雨入渗、产流产沙特征相关研究成果丰硕，但有关红壤区不同土地利用方式、不同降雨尺度下产流产沙特征相关研究仍需要进一步深入。

降雨是坡面产流及土壤侵蚀源动力，是影响坡面土壤侵蚀关键因子[11-15]。笔者基于广东省6个野外定位观测站点，从年尺度和月尺度角度研究林草地、裸地2种土地利用方式下年降雨和月降雨坡面产流产沙特征，分析了林草措施水土保持效益，以期为广东省红壤区坡面水土流失防治及水土资源高效利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源观测数据来源于广东省6个野外水土保持监测站点，6个站点基本覆盖了广东省水土保持三级区，各站点基本信息：惠东县白盆珠坡面径流场属布心小流域典型红壤丘陵区，以红壤、黄壤为主，共有标准径流小区6个，其中林草措施径流小区5个、裸地对照小区1个，林草措施小区植被覆盖度为30%～70%，林草措施以松树、樟树、荷木、相思、台湾草等为主。五华县乌陂河小流域综合观测场属韩江上游典型红壤丘陵区，以红壤为主，共有标准径流小区8个，其中林草措施径流小区7个、裸地对照小区1个，林草措施小区植被覆盖度为40%～70%，林草措施以桉树、马尾松、木荷、百喜草等为主。东源县大坑坡面径流观测场属东江上游南方红壤丘陵区，以红壤为主，共有标准径流小区6个，其中林草措施径流小区5个、裸地对照小区1个，林草措施小区植被覆盖度为25%～60%，林草措施以马尾松、芒萁、羊毛草等为主。南雄市下洞水小流域坡面径流场位于下洞水流域中上游，以黄壤、红壤、紫色土为主，共有标准径流小区8个，其中林草措施径流小区6个、裸地对照小区2个，林草措施小区植被覆盖度为40%～80%，林草措施以桃树、龙舌兰、茅草、乔灌草等为主。罗定市素龙坡面径流观测场属西江干流南方红壤丘陵区，以红壤为主，共有标准径流小区6个，其中林草措施径流小区5个、裸地对照小区1个，林草措施小区植被覆盖度为30%～70%，林草措施以松树、樟树、绢毛相思等为主。茂名市山心小流域坡面径流场位于山心小流域中上游，以红壤为主，共有标准径流小区12个，其中林草措施径流小区10个、裸地对照小区2个，林草措施小区植被覆盖度为40%～70%，林草措施以火力楠、红荷木、黄花莉、台湾草等为主(图1)。

图1 6个水土保持监测站点空间分布

1.2 观测指标与方法观测指标包括降雨、产流、产沙、土壤含水量等，观测方法参照《径流小区和小流域水土保持监测手册》。日降雨量、次降雨量和降雨过程由雨量筒和自记雨量计连续监测，并使用RainRecord软件包计算得到次降雨侵蚀力数据。小区土壤含水量(0～15 cm)采用传统烘干法(105 ℃，不少于8 h)测定，地表植被盖度采用照相法和目估法相结合确定，土壤含水量及地表植被盖度均为每15 d左右测定一次。小区径流量通过集流池和分流池水位计算得到，泥沙浓度通过人工取样获得，并计算次降雨产沙量。

经筛选分析，使用6个水土保持监测站点2013—2021年共计9年的历史观测数据，其中东源、罗定、惠东、五华、茂名、南雄分别收集到次降雨事件有效数据分别为573、1 013、1 740、1 837、1 445、872组，所有数据均来源于自然降雨事件。使用Microsoft Excel 2013软件包进行数据处理与绘图。

坡面减流效益(rr)、减沙效益(sr)计算方法：

rr=(runoff裸地-runoff林草地)/runoff裸地

sr=(sediment裸地-sediment林草地)/sediment裸地

其中，runoff裸地和runoff林草地为年降雨或月降雨裸地坡面产流量和林草地坡面产流量，mm；sediment裸地和sediment林草地为年降雨或月降雨裸地坡面产沙量和林草地坡面产沙量， t/hm2。

2 结果与分析

2.1 年降雨产流产沙分析由图2可知，各站点多年降雨量平均值均超过1 000 mm，其中东源站点多年降雨量平均值最小为(1 013.5±151.8) mm，惠东站点多年降雨量平均值最大为(1 566.4±395.1)mm，其次分别为罗定(1 366.9±127.2)mm、五华(1 408.0±333.6)mm、茂名(1 432.9±318.7)mm和南雄(1 511.0±227.0)mm。各站点年内各月降雨量变异系数基本相当，由大到小依次为惠东1.009 0、茂名0.936 8、东源0.899 9、五华0.898 3、罗定0.796 6和南雄0.751 2。从变化趋势而言，东源2013—2021年年降雨总体呈显著递增趋势(y=19.92x-99 672，R2=0.810 9，P<0.05)，惠东呈总体下降趋势(y=-73.07x+148 942，R2=0.256 4，P<0.05)，罗定呈略微递增趋势(y=2.58x-384 3，R2=0.003 1，P>0.05)，南雄呈总体递增趋势(y=39.24x-77 630，R2=0.224 0，P<0.05)，五华呈显著下降趋势(y=-78.89x+160 519，R2=0.409 4，P<0.05)，茂名呈略微增加趋势(y=8.69x-16 088，R2=0.005 6，P>0.05)。

图2 2013—2021年各站点降雨量

由图3～8可知，总体而言，各站点年侵蚀性降雨量为50～2 100 mm，均值为(920.8±489.2) mm，裸地小区年侵蚀性降雨径流深为2～750 mm，均值为(227.2±82.42)mm，土壤流失量为1～190 t/hm2，均值为(48.21±25.84) t/hm2，林草地小区年侵蚀性降雨径流深为1～300 mm，均值为(91.84±47.11) mm，土壤流失量为0.2～50.0 t/hm2，均值为(9.97±5.71) t/hm2。各站点产流产沙量随侵蚀性降雨量增加而增加，且裸地小区的产流产沙量明显高于林草地小区。

图3 东源站点年侵蚀性降雨径流深和土壤流失量

一元线性函数可以较好地定量描述产流产沙与侵蚀性降雨的关系，各拟合方程决定系数R2均超过0.500 0，且各拟合方程均达显著水平(P<0.05)。裸地和林草地小区径流深和土壤流失量均随着年侵蚀性降雨增加而增大，且裸地小区拟合方程斜率和截距大于林草地小区，说明裸地小区产流产沙量受侵蚀性降雨量影响更大，且随着侵蚀性降雨增加而迅速变大。林草措施具有显著的减流减沙效应，一方面林冠层截留降雨、减少雨滴对地表打击作用而引起的溅蚀，同时林草措施地表良好覆被显著增加了入渗量而进一步降低坡面产流产沙量。

图4 罗定站点年侵蚀性降雨径流深和土壤流失量

图5 惠东站点年侵蚀性降雨径流深和土壤流失量

图6 五华站点年侵蚀性降雨径流深和土壤流失量

图7 茂名站点年侵蚀性降雨径流深和土壤流失量

图8 南雄站点年侵蚀性降雨径流深和土壤流失量

2.2 土壤流失量与径流深2019—2021年各站点观测数据土壤流失量与径流深散点图见图9。由图9可知，土壤流失量随径流深增加而逐渐变大。一般而言，径流深越大坡面水流速度越大，水流剥离表土和挟沙能力较强，引起的土壤侵蚀量和流失量均相对较大。土壤流失量与径流深动态变化关系总体上符合一元递增线性函数规律，各站点裸地、林草地小区二者拟合方程均达显著水平(P<0.05)，除五华林草地小区二者拟合方程决定系数R2小于0.500 0外，其余各站点不同措施小区二者拟合方程R2均不低于0.700 0。裸地小区二者拟合方程斜率(k)是林草地小区二者拟合方程k值的1.33～4.41倍，其中惠东裸地小区是林草地小区k值的4.41倍，五华裸地小区是林草地小区k值的1.33倍。侵蚀性降雨引起单位径流深增加，裸地小区土壤流失量增加为林地小区的1.33～4.41倍，林草措施具有显著的水土保持效应。

注：圆点、方块分别表示裸地、林草地小区观测数据

2.3 林草措施减流减沙效益分析6个站点分别利用月尺度观测数据和年尺度观测数据统计林草措施减流减沙效益，结果见表1。总体而言，各站点减流减沙效益随侵蚀性降雨增加而增大，这是因为随侵蚀性降雨增加，裸地小区产流产沙增加幅度较林草措施大，导致林草措施减流减沙效益增加。各站点月尺度减流减沙效益略大于年尺度减流减沙效益，月尺度减流效益为46.59%～58.61%，减沙效益为20.53%～65.40%；年尺度减流效益为51.13%～65.77%，减沙效益为24.88%～45.25%。五华月尺度和年尺度减流效益最大分别为58.61%和65.77%，茂名月尺度和年尺度减沙效益最大分别为65.40%和45.25%。

表1 林草措施减流减沙效益分析

3 结论

该研究基于广东省6个野外水土保持定位监测站点2013—2021年观测数据，分析了侵蚀性降雨与径流深、土壤流失量定量变化关系及林草措施减流减沙效益，结果表明，2013—2021年东源、南雄、茂名站点年降雨量呈略微递增趋势，罗定、五华及惠东站点年降雨量呈略微下降趋势，但均未达统计学显著水平(P>0.05)。各站点裸地、林草地小区年侵蚀性降雨径流深分别为2～750和1～300 mm，年侵蚀性降雨土壤流失量分别为1～190和0.2～50 t/hm2。径流深、土壤流失量均与侵蚀性降雨间呈显著正相关关系(P<0.05)。各站点裸地和林草地小区土壤流失量随径流深增加而显著性线性递增(P<0.05)，裸地小区单位径流深增加引起土壤流失量增加是林草地小区的1.33～4.41倍，林草措施水土保持效益显著。年尺度林草措施减流减沙效益与月尺度计算结果基本一致，林草措施减流效益为46.59%～65.77%，减沙效益为20.53%～65.40%。