黃博文，查瑞波，毛蘭花，吳潔玲，劉家明

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007；2.福建師范大學(xué)旅游學(xué)院，福州 350007；3.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州350007)

南方紅壤區(qū)人口稠密，人均耕地面積少，農(nóng)業(yè)開發(fā)強度大，人地矛盾突出，加之其降雨集中、地形起伏較大等特殊自然地理條件，極易發(fā)生水土流失，已成為僅次于黃土高原的嚴重水土流失區(qū)域。水土流失使得紅壤表土被沖刷殆盡，砂礫滿坡，養(yǎng)分大量流失，土壤生產(chǎn)力低下，形成大面積的侵蝕退化劣地，嚴重影響著該區(qū)的人民生活和經(jīng)濟發(fā)展。

造成水土流失的因素包括自然因素與人為因素兩大類。自然因素中的植被因素具有重要的作用，陳妙金等在確定6個水土流失因子的重要性時，得出了植被因子最為重要的結(jié)論。植被恢復(fù)對于改善侵蝕退化地的水土保持效益具有重要意義。植被具有削弱雨滴能量、防止濺蝕、增加地表粗糙程度、減緩徑流流速、改善土壤條件、提升土壤的抗蝕性和抗沖性等作用?；谥脖坏南嚓P(guān)研究較多，主要集中于植被覆蓋度、植被結(jié)構(gòu)以及植被格局等方面，例如，戴金梅等通過人工模擬降雨試驗，研究了植被覆蓋度對紫色土坡面侵蝕過程的影響，結(jié)果表明坡面的徑流泥沙量隨植被覆蓋度的增大而減?。魂愌蟮妊芯苛四戏郊t壤區(qū)的植被結(jié)構(gòu)類型對林下水土流失的影響，得到了灌草混交結(jié)構(gòu)的水土保持效益最好的研究結(jié)果；趙明等通過野外人工模擬降雨試驗研究不同連通方式下的產(chǎn)流產(chǎn)沙變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，橫路徑、隨機斑塊路徑比豎路徑、“S”路徑表現(xiàn)出更強的水力傳輸阻力；王恒星等通過模擬降雨試驗得出了5種植被格局中，塊狀鑲嵌格局的水土保持效果最佳的結(jié)論。

目前已有的植被水土保持效益研究中基于植被生長過程的動態(tài)研究較少，且研究方法主要采用人工模擬降雨試驗，無法完全模擬天然降雨。將天然降雨與植被生長結(jié)合進行綜合分析的研究較少。因此，本研究聚焦于花崗巖侵蝕退化紅壤坡面植草措施的整個植被生長過程，歷時4個多月，實測26場天然降雨下各植草格局的產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、植被生長指標(biāo)等數(shù)據(jù)，共獲取312組數(shù)據(jù)。分雨型分析各植草格局在植被生長前、中、后期各個子階段以及在整個植被生長過程大階段下的水土保持效益的差異，為南方紅壤區(qū)嚴重侵蝕退化地植被恢復(fù)過程中水土保持效益變化規(guī)律以及不同植被格局減流減沙效益差異研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗設(shè)計

試驗土壤采集于福建省長汀縣河田鎮(zhèn)，長汀縣是南方典型的花崗巖紅壤侵蝕退化區(qū)。土壤的顆粒組成為：>3.0 mm占比34.77%，2.0～3.0 mm占比13.93%，1.0～2.0 mm占比8.27%，0.5～1.0 mm占比23.14%，0.25～0.5 mm占比10.05，<0.25 mm占比9.84%。試驗采用自主設(shè)計的移動式土槽，土槽規(guī)格為長2 m，寬0.5 m，深0.35 m，坡度15°，底部鉆有5×5個分布均勻的直徑1 cm的排水孔。裝土之前，先在土槽底部裝填2 cm厚的天然細沙，鋪上透水紗布，以確保土槽在試驗過程中排水良好。以5 cm為1層，填裝30 cm厚的土壤。每層填裝時將各部分的土壤壓實，表面刮平，以減少邊壁效應(yīng)以及微地形對產(chǎn)流產(chǎn)沙等的影響。通過稱重使土壤容重保持在1.35～1.42 g/cm。試驗于2019年4—8月在福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院試驗場(26°04′N，119°30′E)進行，四周無遮擋和人為因素的干擾。

本試驗設(shè)置4種植被格局，每種格局設(shè)置3個重復(fù)，共12個試驗小區(qū)。各植被坡面播撒優(yōu)質(zhì)飽滿且相同重量的13 g寬葉雀稗()草籽，草籽千粒重約200 g，前期預(yù)試驗發(fā)芽率達90%，發(fā)芽率較高。在播種后進行澆水、防曬等養(yǎng)護處理，以確保草籽正常發(fā)芽，由此保證植被坡面的植株數(shù)基本一致。各小區(qū)具體布設(shè)操作為：(1)條帶型(D1)，草籽稱重分為大致均勻的4份，均勻播撒在4個植被條帶上(圖1)；(2)隨機型(D2)，通過手動方式將草籽從上到下無目的地播撒在整個坡面；(3)斑塊型(D3)，將草籽稱重分為大致均勻的12份，均勻地播撒在植被斑塊上(圖1)；(4)對照(CK)，未播撒草籽。隨機格局由于播撒面積較廣，植株密度較稀疏。條帶格局與斑塊格局為規(guī)則的植被—裸地鑲嵌格局，播種面積較集中，植株密度較緊密。

圖1 不同植草格局示意

1.2 數(shù)據(jù)采集

降雨信息的收集采用HOGO-RG3雨量計，能精確收集每分鐘的降雨信息。分蘗數(shù)據(jù)的采集方法為：D1格局每條植被帶采集3棵植株分蘗信息；D2格局分別在上、中、下坡位采集4棵植株信息；D3格局分別在每一植被斑塊采集1棵植株信息。每種格局3個重復(fù)，皆收集12×3棵植株分蘗數(shù)信息，取眾數(shù)。株高信息的采集方法與分蘗數(shù)據(jù)的采集方法相同，測量植株的最高值，36棵植株株高信息取平均值。蓋度數(shù)據(jù)利用相機垂直正對小區(qū)拍攝照片，通過ENVI軟件解譯獲得，3個重復(fù)取均值。三者的采集時間間隔為7天左右。日產(chǎn)流產(chǎn)沙信息于每日8：00定點收集，將收集的樣品靜置24 h，記錄其徑流數(shù)據(jù)，底部泥沙沖入鋁盒，放入105 ℃的烘箱，烘干稱重，獲得產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。減流效益和減沙效益的計算公式分別為：

(1)

(2)

式中：、分別為減流率和減沙率(%)；、分別為對照小區(qū)與各植被覆蓋小區(qū)的徑流深(mm)，徑流深是徑流量鋪滿整個小區(qū)所得到的深度，本文采用徑流深來代表徑流量；、分別為對照小區(qū)與各植被覆蓋小區(qū)的產(chǎn)沙量(g)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。借鑒相關(guān)研究，利用SPSS軟件采用K-means聚類分析的方法，將試驗期間的日降雨數(shù)據(jù)依據(jù)降雨時長、降雨量、最大10 min降雨強度()進行分類。采用偏相關(guān)分析的方法對植被生長指標(biāo)、降雨數(shù)據(jù)和產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量之間進行相關(guān)性分析。利用Origin 2018軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生長特征

圖2為隨著時間的變化，各植草坡面植被生長指標(biāo)(分蘗、覆蓋度、株高)的變化圖。由于寬葉雀稗匍匐生長的草本植物，所以各土槽存在一定面積的未播種區(qū)域，通過照片所解譯出的蓋度數(shù)據(jù)仍能夠達到100%。由圖2可知，植被的生長速度較快，80天時植被蓋度已達峰值，且生長過程具有明顯的階段變化特征。因此，按生長時間及植被變化特征將植被生長分為3個階段：0～40天為前期，各項指標(biāo)增長緩慢；40～70天為中期，各項指標(biāo)快速增長；70天之后為后期，即成熟期，各項指標(biāo)達到較高水平，增速減緩，最終趨于平穩(wěn)。由于植被中期各指標(biāo)前后變化較大，可將中期進一步細化平分為前中期(40～55天)和中后期(55～70天)2個時期。

圖2 植被生長指標(biāo)隨時間變化

2.2 植被不同生長階段對減流效益的影響

日降雨數(shù)據(jù)通過K-means聚類分析的具體結(jié)果見表1。分類結(jié)果通過多變量方差分析檢驗，差異顯著(<0.05)。由于Ⅰ雨型皆集中于植被生長的前期，此時植被的作用較小，對本文所探討的主題意義不大，且Ⅰ雨型所造成的侵蝕量較小，在所有降雨中所占的比例較低，故本研究不做具體探討。

表1 日降雨數(shù)據(jù)K-means聚類結(jié)果

為了更直觀表達各雨型下減流、減沙效益隨植被生長的演變規(guī)律，按照盡量靠近各時期中心的原則，每一時期選取1場降雨代表這一時期的平均水平，Ⅲ雨型選取植被生長第26，46，65，105天的降雨，Ⅳ雨型選取第17，51，62，117天的降雨來分別探究植被生長的前期、前中期、中后期、后期減流、減沙效益的變化。因Ⅱ雨型降雨場次較少，只選取植被生長第25，61，123天時的降雨，分別代表植被生長的前期、中期、后期來探究植被生長對減流、減沙效益的影響。

從圖3可以看出，總體上隨著植被分蘗數(shù)、蓋度、株高的增長，植被覆蓋坡面的徑流深呈下降趨勢，Ⅱ雨型下，植被生長前期的徑流深為后期的5.63～8.02倍，Ⅲ雨型為1.56～1.66倍，Ⅳ雨型為1.63～1.66倍。這是由于植被生長使得土壤的入滲條件改善，同時小區(qū)地表覆蓋的粗糙度加大，攔截降雨，減緩徑流流速的能力增強，有利于降雨的下滲。但在不同雨型下，減流效益的變化具有差異，在Ⅱ雨型條件下，減流效益在植被每個生長階段均有較大幅度的提升，并最終達到較高水平(73.79%～79.03%)，這與Ⅱ雨型雨強、雨量較小的降雨特性有關(guān)。在Ⅲ雨型，雨強較大的條件下，植被的減流效益雖隨著植被生長階段的推進而逐漸上升，但最終只達到較低水平(19.68%～20.74%)，這是由于在較大的雨強下，降雨來不及下滲，易形成徑流。在Ⅳ雨型，雨量較大的條件下，植被生長后期的減流效益出現(xiàn)低于中后期的情況，證明植被的減流效益存在一定限度，Ⅳ雨型較大的雨量超過這一限度。Ⅲ雨型、Ⅳ雨型植被生長前期的減流效益出現(xiàn)負值，這可能與坡面徑流的水動力過程有關(guān)，此時植株較小，攔截降雨、增加入滲的能力較差，但植株的存在可能產(chǎn)生匯集徑流的作用，使得徑流更為集中，流速加快。

注：徑流深為柱狀；減流率為點線。

2.3 植被不同生長階段對減沙效益的影響

由圖4可知，在各雨型下，植被覆蓋坡面的產(chǎn)沙量皆隨著植被生長階段的推進而逐漸降低。Ⅱ雨型下，植被生長前期的產(chǎn)沙量為植被生長后期的25.18～42.97倍，Ⅲ雨型為30.88～107.92倍，Ⅳ雨型為70.08～94.43倍。這是由于植被生長使得植被攔截泥沙的能力增強，并且植被根系的發(fā)育逐漸提升了土壤的抗蝕和抗沖性。植被減沙效益的增長速度明顯快于減流效益，證明植被對于減弱土壤侵蝕的作用效果較為迅速，減流效益相對于減沙效益具有滯后性。不同雨型下，植被的減沙效益變化不同。在Ⅱ雨型條件下，植被生長前期具有較好的減沙效益。在Ⅲ、Ⅳ雨型條件下，植被的減沙效益隨著植被生長階段的推進而逐漸提升，最終接近不產(chǎn)沙(97.42%～99.16%)。Ⅲ雨型下植被的減流效益最終只達到較低水平，證明在此雨型下，植被生長雖不能很好地攔截徑流，但能較好地攔截徑流中的泥沙。在Ⅲ、Ⅳ雨型下，植被前期的減沙效益較差，出現(xiàn)負值，這可能與植被生長前期對徑流流速有促進作用有關(guān)，因此在植被恢復(fù)的前期可結(jié)合一些其他工程措施來削弱水土流失的發(fā)生。

注：產(chǎn)沙量為柱狀；減沙率為點線。

2.4 植被生長條件下降雨因素與減流減沙效益間的關(guān)系

試驗期間所有降雨下各植被格局的減流率、減沙率的分布見圖5。減沙率隨植被生長趨于穩(wěn)定、聚攏。標(biāo)準(zhǔn)差能反映數(shù)據(jù)偏離平均值的程度。在植被生長前期、前中期、中后期、后期降雨下，坡面減沙率的標(biāo)準(zhǔn)差越來越小(表2)。表明隨著植被的生長，不同雨型所造成的減沙效益的差異逐漸減小，植被生長能逐漸削弱雨強、雨量等降雨因素的影響，使減沙率穩(wěn)定保持在較高水平。各時期降雨下，坡面減流率的標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值皆較大，表明植被生長雖能提升坡面的減流效益，但不同雨型下所造成的坡面減流效益的差異在植被生長各時期皆較大。將減沙率、減流率與植被生長天數(shù)進行擬合，因減沙率后期幾乎沒有變化，此時擬合曲線為1條直線，為提高擬合精度，只擬合前期、中期的數(shù)據(jù)，得到的函數(shù)見表2，皆符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系。其中減沙率與植被生長天數(shù)間的擬合度較高，≥0.792。

表2 不同植草格局減沙率、減流率(y)和植被生長時間(x)的函數(shù)以及各時期標(biāo)準(zhǔn)差

圖5 植被坡面減沙率、減流率隨植被生長時間的變化

2.5 徑流產(chǎn)沙量與植被生長指標(biāo)、降雨數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析及線性擬合

將植被生長數(shù)據(jù)(分蘗數(shù)、蓋度、株高)、降雨數(shù)據(jù)(雨長、雨量、)與徑流深和產(chǎn)沙量數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析。降雨當(dāng)天植被的分蘗、蓋度、株高信息憑借其臨近的2個觀測值通過內(nèi)插法所得。從表3可以看出，植被生長指標(biāo)與徑流深和產(chǎn)沙量之間均呈顯著負相關(guān)或極顯著負相關(guān)關(guān)系，表明3種指標(biāo)的生長對徑流產(chǎn)沙皆具有抑制作用。比較相關(guān)性系數(shù)可知，植被生長指標(biāo)對產(chǎn)沙的影響高于徑流。降雨因子與徑流深呈顯著正相關(guān)或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與產(chǎn)沙量呈正相關(guān)關(guān)系，但統(tǒng)計學(xué)意義上關(guān)系不顯著，降雨因素對坡面產(chǎn)流的影響較大。將植被生長數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)先通過主成分分析消除變量之間的相關(guān)性，再與徑流深、產(chǎn)沙量之間進行多元線性回歸分析，得到的函數(shù)表達式見表4。產(chǎn)沙量與植被生長指標(biāo)間的擬合關(guān)系較好，為0.564～0.619。徑流深與植被生長指標(biāo)間的擬合關(guān)系較差，為0.161～0.224，但將降雨指標(biāo)引入后，提高到0.743～0.783，再次驗證坡面徑流受雨量、雨強等降雨因素的影響較大。降雨指標(biāo)引入后，產(chǎn)沙量擬合方程的值變化不大。

表3 植被生長指標(biāo)、降雨因子與徑流產(chǎn)沙量的相關(guān)系數(shù)

表4 各植被格局徑流深、產(chǎn)沙量與植被生長指標(biāo)、降雨因子的關(guān)系

2.6 各植草格局在整個植被生長過程下的平均減流減沙效益

由表5可知，從減流率來看，D1小區(qū)在Ⅱ、Ⅲ雨型下減流效益最佳，D3小區(qū)在Ⅳ雨型下減流效益最佳。綜合所有降雨來看，各植草格局減流效益排序依次為D1>D3>D2。從減沙率來看，在各雨型條件下，皆為D1小區(qū)的減沙效益最好，D3小區(qū)次之，D2小區(qū)最差。因此可知，3種植草格局水土保持效益大小次序為D1>D3>D2。還可以看出，植被的減沙效益明顯強于減流效益。

表5 不同雨型下各小區(qū)在整個植被生長過程下的平均減流率與減沙率 單位：%

3 討 論

3.1 植被不同生長階段的水土保持效益

植被生長使得坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量下降，減流減沙效益逐漸提高，植被的分蘗數(shù)、蓋度、株高變化與坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量呈顯著負相關(guān)關(guān)系。張平等通過人工降雨試驗得出，植被生長132天較58天時，減流、減沙效益分別提升27.43%，40.22%；甘卓亭等通過試驗得出，從植被生長12～27周，紅豆草的減流、減沙效益分別由10.83%增到43.17%，24.45%增到99.84%。以上試驗研究多為人工降雨試驗，本研究在天然降雨條件下進行，試驗時間長，降雨次數(shù)多，能更好觀測植被生長下減流減沙效益的演變情況。結(jié)果表明，減流效益、減沙效益與植被生長時間二者之間存在=ln()+型的函數(shù)關(guān)系，植被的生長先引起坡面減流、減沙率的迅速上升，之后增長速度趨緩，趨于穩(wěn)定。關(guān)于植被相關(guān)指標(biāo)與坡面侵蝕之間的關(guān)系，研究者得出較多結(jié)論。趙躍中等研究認為，植被減流、減沙效益與植被恢復(fù)年限呈三次函數(shù)關(guān)系，林草植被在一定恢復(fù)年限后植被減流、減沙效益保持基本穩(wěn)定；吳蕾等研究認為，植被減流、減沙效益與植被蓋度之間符合=ln()+型的對數(shù)關(guān)系；劉曉燕等研究認為，產(chǎn)沙指數(shù)隨林草有效蓋度的增加呈指數(shù)函數(shù)遞減。盡管表達方式多種多樣，但皆表達了植被的水土保持效益隨植被生長先快速增長再趨于穩(wěn)定的變化趨勢。郭忠升提出臨界蓋度的概念認為，當(dāng)群落蓋度大于臨界蓋度時，植被水土保持功能幾乎不隨蓋度的增加而增強。相關(guān)學(xué)者通過研究得出，在紫色土地區(qū)50%的植被覆蓋度能有效控制泥沙侵蝕。黃土高原地區(qū)達到70%～80%植被覆蓋度后，植被保持水土的作用幾乎不再隨植被蓋度的增加而增加。不同學(xué)者由于試驗條件以及試驗方法等差異，所得到的臨界蓋度值具有差異，一般集中于50%～80%。

3.2 不同降雨條件下植被的水沙響應(yīng)

植被在不同降雨條件下的徑流泥沙響應(yīng)也不盡相同。在Ⅱ雨型條件下，各植被坡面的減流減沙表現(xiàn)最好，在植被生長的前期階段也能很好攔截泥沙，減少徑流；在Ⅲ雨型條件下，植被生長前期以及前中期水土保持效益較弱，表明在南方紅壤區(qū)，雨強較大的降雨是易發(fā)生水土流失的降雨類型，這與孫從建等的研究結(jié)果相似。在Ⅲ雨型、Ⅳ雨型條件下，植被生長前期，減流減沙效益為負值，與常規(guī)結(jié)論相矛盾，但也有相關(guān)學(xué)者試驗得出在低植被覆蓋度下可能會產(chǎn)生比裸坡更嚴重的土壤侵蝕的結(jié)論。本文分析了此現(xiàn)象可能與徑流匯集、流速加快有關(guān)。Ⅱ雨型由于雨強較小，坡面徑流難以匯集，所以沒有產(chǎn)生此種情況。隨著植被的生長，不同雨型間坡面減沙率的差異逐漸減小，安晨等研究發(fā)現(xiàn)，增加植被蓋度能削弱雨強對坡面產(chǎn)沙的影響，這主要是由于植被生長演進對于強降雨下坡面產(chǎn)沙的抑制作用增強所導(dǎo)致；寇萌等研究表明，演替中、后期的長芒草、白羊草群落，在暴雨年份也能很好地控制土壤侵蝕。

3.3 不同植被格局的減流減沙效益

本研究中試驗小區(qū)均以植被—裸地的鑲嵌形態(tài)設(shè)置，在植被生長后期皆具有較高的水土保持效益。由圖3和圖4可知，各植草格局主要在植被生長的前期、前中期具有差異，這是由于條帶小區(qū)和條溝小區(qū)在這一時期雖植株較小，但較密集的植株排列能更好地作為粗糙元攔截降雨，減緩徑流。在試驗期間的觀察中，較緊密的植株周圍有泥沙淤積，證明植被有效地攔截了泥沙。其中條帶小區(qū)因形成了作用于整個坡面的緊密植株帶，所以防止坡面侵蝕的能力更強。戴矜君通過野外放水沖刷試驗得出，草被覆蓋坡面植株行緊密的排列方式較隨機排列方式減沙效果更顯著，與本文結(jié)果一致。在植被—裸地鑲嵌格局中，植被需要達到一定的面積和密度才能有良好的減流減沙效益。高光耀等通過國內(nèi)外相關(guān)研究，總結(jié)分析了植被斑塊、坡面覆被格局對水土流失的影響，認為植被、枯落物和裸地等的空間分布和數(shù)量結(jié)構(gòu)對坡面水土流失具有直接的控制作用。在沈中原的試驗中，由于草地斑塊面積較小，增加的入滲十分有限，對坡面產(chǎn)流的削弱作用不明顯。Bautista等進行試驗發(fā)現(xiàn)，植被斑塊密度越大，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量越小。

4 結(jié) 論

(1)植被覆蓋坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨植被生長明顯下降，植被生長后期坡面徑流量較前期減少36.00%～87.52%，產(chǎn)沙量較前期減少96.02%～99.07%。相較于對照坡面，植被生長后期減流效益達20.74%～79.03%，減沙效益達97.42%～99.40%，接近于不產(chǎn)沙。隨著植被的生長，紅壤侵蝕退化坡面的水土保持能力逐漸增強，但不同雨型下坡面減流減沙效益的遞增變化規(guī)律具有差異。

(2)坡面減流率、減沙率隨著植被生長時間的推進呈對數(shù)函數(shù)變化，植被的生長先引起坡面減流減沙效益的迅速上升，之后增長速度趨緩。不同雨型所造成的坡面減沙率的差異隨植被生長逐漸減小，減沙率趨于穩(wěn)定在一個較高水平，但不同雨型所造成的坡面減流率的差異在植被生長的各個時期皆較大。植被生長指標(biāo)(分蘗數(shù)、蓋度、株高)與坡面的徑流產(chǎn)沙量呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，經(jīng)多元線性回歸，產(chǎn)沙量與植被生長指標(biāo)間的擬合度較高，≥0.564。降雨因素(雨長、雨量、)與坡面徑流深呈顯著正相關(guān)關(guān)系，將徑流深與植被生長指標(biāo)、降雨因素進行擬合，≥0.743，坡面產(chǎn)流受降雨因素的影響較大。

(3)不同植草格局在植被生長的前期、前中期水土保持效益差異較大，此時植株較小，緊密的植株布局結(jié)構(gòu)更能防止土壤侵蝕，之后差異趨于減小。