王堅樺, 邱 凡, 謝福倩, 韋 石, 梁志鑫, 李桂芳

(1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院, 南寧 530004; 2.廣西壯族自治區(qū)水土保持監(jiān)測站, 南寧 530023)

果樹是我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，種類眾多，分布廣泛，種植面積超過14萬km2，占世界果樹種植面積的18.1%，總產(chǎn)量達到2.8億t，占全球總產(chǎn)量的17.0%，位居世界第一位[1]。我國的果園普遍種植在山區(qū)坡地，坡面水土流失較為嚴(yán)重，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，不利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護[2]。植被是抑制果園坡面發(fā)生水土流失的因素之一[3]，果園坡面覆蓋植被可以有效減輕水土流失[4]。研究表明，果園生草技術(shù)可以有效減緩果園坡面水土流失，改善土壤的理化性狀[5-8]。但果園生草容易形成與果樹的養(yǎng)分、水分，尤其是氮素營養(yǎng)的競爭，一定程度上會抑制果樹的生長[9]，因此該措施在實際的果園生產(chǎn)中并未大面積推廣。清耕法對雜草進行徹底清理[10]，可以減少表面雜草與果樹爭水爭肥，利于果樹從土壤中汲取更多的養(yǎng)分，但長期清耕會導(dǎo)致土壤板結(jié)、肥力下降，破壞果園生態(tài)環(huán)境，加劇果園水土流失[11]。在南方紅壤區(qū)，清耕處理的坡面徑流量是植被覆蓋處理的4.4倍，侵蝕量是67.1倍[3]。刈割作為一種果園管理方式，要求每年不定期對果樹下植被進行刈割除草處理，再覆蓋于果樹下，達到提高土壤肥力和防治水土流失的效果[12]。

廣西地處南亞熱帶區(qū)域，氣候條件優(yōu)越，是我國種植熱帶水果的優(yōu)勢區(qū)域之一，具有良好的地域基礎(chǔ)，是我國水果總產(chǎn)量超過千萬噸的省區(qū)之一[13]。目前，廣西廣泛種植不同品種水果，因地制宜地發(fā)展多種水果種植業(yè)，比如金桔、香蕉、杧果等[14]。以杧果為例，杧果是廣西除香蕉外最大宗的熱帶水果，享有“熱帶水果之王”的美稱[15]。廣西是我國最大的杧果種植區(qū)，種植面積達6萬hm2，總產(chǎn)量達71.8萬t，栽培面積和產(chǎn)量均位居我國第一位[16]。廣西現(xiàn)有杧果園大多數(shù)建立在丘陵山地和坡地上，90%以上的果園依賴自然降雨以維持其生長與發(fā)育[17]，而果園的清耕除草等田間管理措施，會導(dǎo)致地表覆蓋狀態(tài)發(fā)生改變，遇到較強降雨時，將加劇坡面侵蝕[18]。但大規(guī)模坡地果園的水土流失問題目前尚未得到足夠的重視。

本研究以廣西杧果果園坡面為研究對象，基于野外原位徑流小區(qū)觀測試驗，通過測定2018—2019年次降雨下清耕和刈割處理果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量，分析清耕和刈割處理下果園坡面土壤侵蝕特征，結(jié)合降雨等級和降雨特征參數(shù)等指標(biāo)，探討降雨特征對果園坡面侵蝕的影響。研究結(jié)果可為南方紅壤丘陵區(qū)果園坡面水土流失的防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地在廣西木棉麓水土保持科技示范園，位于廣西壯族自治區(qū)南寧市良慶區(qū)那馬鎮(zhèn)(108°19′00″—108°19′24″E，22°37′26″—22°37′55″N)。園區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，氣候炎熱，雨量充沛，年均降雨量1 232.2 mm，年均氣溫21.8℃，降雨集中且較多暴雨，80%以上的降雨集中在5—9月[19]。研究區(qū)土壤類型是赤紅壤，成土母巖以沉積巖為主，多為砂質(zhì)巖，土層厚度范圍是100～150 cm，土壤pH 4.5～5.5，有機質(zhì)含量2～3%，土壤容重為1.2～1.3 g/cm3。園區(qū)內(nèi)現(xiàn)有自然植被主要是荒草和灌叢，主要荒草類型為鬼針草(Bidensbipinnata)和狼把草(Bidenstripartita)。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 試驗小區(qū)布設(shè) 本試驗樣地采用廣西木棉麓水土保持科技示范園的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，小區(qū)布設(shè)在山坡中部，小區(qū)內(nèi)坡面橫向平整，坡度為16.5°，坡長20 m、寬5 m，土壤條件一致。試驗采用6年生杧果為供試對象，一共設(shè)置2個處理，刈割和清耕處理，刈割處理是2018年1月和2019年5月、7月對果園雜草進行刈割，用鐮刀清除坡地表面雜草，留茬3～5 cm；清耕處理是使果園坡面長期保持無雜草狀態(tài)，坡面雜草高于1 cm時，用鋤頭鏟除雜草，不保留雜草根系。

1.2.2 試驗方法 采用野外徑流小區(qū)水文觀測法。降雨觀測時間為2018年1月1日至2019年12月31日。徑流小區(qū)下方設(shè)有集流桶和分流桶，用于承接并測定降雨產(chǎn)生的徑流小區(qū)徑流泥沙量。每次降雨結(jié)束后，利用標(biāo)尺測定集流桶和分流桶水深，確定小區(qū)水土流失體積后，將樣品充分混勻并收集起來，每個小區(qū)收集3個重復(fù)樣品，每個重復(fù)樣品采集1 000 ml，烘干后測定其中泥沙含量，計算徑流量和土壤流失量參數(shù)。在研究區(qū)附近布設(shè)有氣象站，用以收集氣象資料，降雨資料的收集包括降雨量、降雨過程、降雨歷時等降雨參數(shù)，根據(jù)降雨參數(shù)計算出I30(最大30 min降雨強度)。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

研究區(qū)2018—2019年1—12月降雨量見圖1。2018年總降雨量為1 211.5 mm，降雨主要集中在5—9月，共計1 017.6 mm，占全年總降雨量的84.0%，其中7月的降雨量最大，占全年總降雨量的26.1%。2019年總降雨量為928.6 mm，降雨主要集中在3—8月，達到793.8 mm，占全年總降雨量的85.5%，其中4月和8月的降雨量最大，分別占全年總降雨量的17.5%和24.0%。整體而言，2018年降雨量比2019年增加了30.5%，且2018年降雨相對較為集中(主要集中在5—9月)，2019年降雨在全年分布較為分散。

圖1 研究區(qū)2018年、2019年降雨分布特征

本研究把能夠引起徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨均視為侵蝕性降雨。由表1可知，2018年有21場侵蝕性降雨(3月1日至9月16日)，侵蝕性降雨總量達到992.4 mm，占全年總降雨量的81.9%。21場侵蝕性降雨的降雨量2.0～125.8 mm，平均雨強0.9～76.8 mm/h，I301.6～89.8 mm/h，有10場降雨的I30超過30 mm/h，占總降雨場次的47.6%。按照中國氣象降雨等級劃分[20]，暴雨及大暴雨降雨等級的降雨量占侵蝕性降雨總量的72.8%(722.8 mm)，表明2018年研究區(qū)的侵蝕性降雨類型主要為暴雨及大暴雨。

2019年有22場侵蝕性降雨(2月17日至10月7日)，侵蝕性降雨總量為772.6 mm，占全年降雨量的83.6%。22場侵蝕性降雨的降雨量4.0～145.0 mm，平均雨強0.3～78.0 mm/h，I304.4～184.1 mm/h，有9場降雨的I30超過30.0 mm/h(40.9%)，其中4月16日大暴雨的I30達到184.1 mm/h。大雨、暴雨和大暴雨的降雨量分別占侵蝕性降雨總量的27.3%，14.8%和36.6%，可知2019年研究區(qū)的侵蝕性降雨類型主要是大雨和大暴雨(63.9%)。由上可知，2018年、2019年研究區(qū)80%以上的降雨是侵蝕性降雨，且40%以上的侵蝕性降雨I30超過30 mm/h。

表1 2018年、2019年研究區(qū)侵蝕性降雨特征

2.2 赤紅壤果園坡面土壤侵蝕特征

由表2可知，2018年、2019年不同處理下赤紅壤果園坡面年徑流量和侵蝕量均表現(xiàn)為清耕>刈割。對于年徑流量，2018年、2019年清耕小區(qū)坡面年徑流量分別是刈割小區(qū)的2.4，1.7倍，且坡面徑流系數(shù)也存在明顯差異。對于年侵蝕量，2018年、2019年清耕小區(qū)坡面年侵蝕量分別是刈割小區(qū)的52.2，9.2倍。表明清耕處理會導(dǎo)致果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著增加，其中對坡面侵蝕量的增加效果更為明顯，這與Pan等[21]、朱冰冰等[22]和張銳波等[23]的研究結(jié)果一致。

與2019年相比，刈割與清耕處理下，2018年坡面徑流量分別增加0.5倍和1.2倍；2018年刈割處理下坡面侵蝕量減少0.5倍，清耕處理下坡面侵蝕量增加1.7倍。清耕小區(qū)在2018年的坡面徑流量顯著高于2019年，主要是因為2018年、2019年的降雨分布，尤其是侵蝕性降雨特征存在明顯不同(表1)。

表2 不同處理下果園徑流小區(qū)年徑流量與侵蝕量

2.3 次降雨下赤紅壤果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

為進一步探究清耕對赤紅壤果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響，對2018—2019年次降雨條件下果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行分析(圖2)。次降雨條件下，2018年果園清耕與刈割處理下坡面徑流量變化范圍是1.1～384.7，2.4～71.7 m3/hm2，整體上均表現(xiàn)為清耕小區(qū)徑流量大于刈割小區(qū)，且二者隨次降雨的變化趨勢基本一致。次降雨下，不同處理下3—4月果園坡面徑流量較低(<7.46 m3/hm2)且變化較平穩(wěn)，同時二者差異較??；而5—9月出現(xiàn)了不同程度的波動，且二者差異有所增大。對于2019年，次降雨條件下清耕與刈割處理下果園坡面徑流量介于2.0～174.0 m3/hm2，2.0～46.3 m3/hm2，同時在年內(nèi)存在明顯的波動特征，主要表現(xiàn)在2—3月和7—9月波動較大，且存在明顯差異；4—7月中旬變化趨于平緩，二者的差異較小。

圖2 2018年、2019年次降雨條件下赤紅壤果園坡面產(chǎn)流特征

次降雨下，2018—2019年不同處理下果園坡面侵蝕量的變化趨勢與徑流量相似(圖3)，整體上，清耕小區(qū)的侵蝕量均大于刈割小區(qū)，且二者變化趨勢基本一致。2018年清耕與刈割處理下果園坡面侵蝕量變化范圍是0.1～6 375.6，0.2～34.0 m3/hm2，次降雨下坡面侵蝕量在3—4月波動小(0.1～8.5 m3/hm2)，且二者差異較??；5—9月清耕處理的侵蝕量波動較大(2.7～6 375.6 m3/hm2)，刈割處理波動幅度小，且二者的侵蝕量存在明顯差異。對于2019年，清耕和刈割處理下果園坡面侵蝕量介于0.3～2 446.7 kg/hm2，0.3～103.3 kg/hm2，次降雨下，坡面侵蝕量除在9—10月較小且變化平穩(wěn)外，其余時段下果園坡面侵蝕量呈現(xiàn)明顯的波動性，且清耕處理下果園坡面侵蝕量波動明顯大于刈割處理。同時結(jié)果還表明，坡面侵蝕量主要由一場或幾場侵蝕性降雨導(dǎo)致的，例如，2019年3月31日降雨產(chǎn)生的侵蝕量(2 446.6 kg/hm2)占清耕處理下年侵蝕量的79.2%，這與李桂芳[18]，Pan[21]等的研究結(jié)果一致。

圖3 2018年、2019年次降雨條件下赤紅壤果園坡面輸沙特征

通過對2018年、2019年果園坡面徑流泥沙量進行分析可知，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，除受果園清耕及刈割管理措施影響外，也受降雨分布、降雨量、降雨等級、降雨強度等[24]因素影響。由圖1可知，2018年的降雨量大且集中，2019年的降雨量小且分散，對于清耕小區(qū)，2018年坡面的徑流泥沙量顯著大于2019年，說明降雨的年內(nèi)分布不同會影響清耕與刈割處理下果園坡面侵蝕特征，與王昭艷等[25]的研究結(jié)果一致。2018年5月前的侵蝕性降雨主要以小雨和中雨為主，降雨量較小，所以果園坡面3—5月的徑流量較小且平穩(wěn)；5—8月的降雨普遍是大雨及以上等級的降雨，降雨量較大，所以坡面徑流量波動上升。

此外，由2019年果園坡面輸沙特征可知，與清耕處理相比，8月1日的大暴雨下刈割處理下坡面侵蝕量較大(45.5 kg/hm2>20.7 kg/hm2)，可能的原因是(1) 本文的清耕處理是對坡面不定期的除草，而7月、8月是地表植被生長較為旺盛時期，刈割處理下7月上旬剛進行了刈割除草，此時清耕和刈割處理下二者坡面植被覆蓋度差異較小；(2) 7月下旬研究區(qū)降雨較少，坡面土壤較為干燥；(3) 8月1日大暴雨雖降雨量大，但降雨歷時長，平均降雨強度和瞬時降雨強度較小。坡面土壤侵蝕過程受降雨特征、下墊面條件及土壤狀況等因素的綜合作用，自然降雨下野外徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙是這些因子耦合作用的結(jié)果。

2.4 不同處理下果園坡面土壤侵蝕對降雨等級的響應(yīng)

由2018年不同降雨等級下刈割與清耕處理果園坡面產(chǎn)流量可知(圖4A)，清耕處理下暴雨和大暴雨產(chǎn)生的坡面徑流量分別占坡面年徑流量的63.6%和24.2%；刈割處理下則分別占42.8%和36.6%。對于2019年(圖4A)，清耕處理下坡面徑流量主要由暴雨和中雨導(dǎo)致的，分別占年徑流量的41.1%和26.6%；刈割處理下則主要由中雨、大雨和暴雨產(chǎn)生的，分別占年徑流量的34.5%，22.1%和21.9%。對比不同處理下果園坡面產(chǎn)流對降雨等級的響應(yīng)可知，中雨和大雨降雨等級下，2018年清耕比刈割處理下坡面徑流量高8.1%和82.2%，2019年則分別高28.5%和17.0%。暴雨和大暴雨降雨等級下，2018年清耕比刈割處理下坡面徑流量高2.6，0.6倍，2019年高2.1，0.8倍。由2018年、2019年不同降雨等級下坡面徑流量占比可知，由于降雨的年內(nèi)分布不同，2018年清耕和刈割處理下坡面徑流主要來自暴雨和大暴雨降雨等級，2019年則主要源于中雨和暴雨降雨等級。同時，與清耕處理相比，由于地表覆蓋度不同，刈割處理下可以減少暴雨和大暴雨降雨等級下果園坡面產(chǎn)流量，且在暴雨下的降低作用最顯著[26]。

對不同降雨等級下坡面侵蝕量而言(圖4B)，2018年清耕處理下坡面侵蝕量主要來源于暴雨(占比89.5%)，而刈割處理下主要是由大雨、暴雨和大暴雨(占比16.2%，49.3%和22.5%)產(chǎn)生；2019年清耕處理下暴雨降雨等級下侵蝕量占年總侵蝕量的82.7%，刈割處理下主要由中雨和暴雨導(dǎo)致，分別占比43.8%和29.1%。小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨下，2018年清耕比刈割處理下坡面侵蝕量高0.2～93.7倍不等，2019年高0.5～26.8倍不等。與清耕處理相比，刈割處理在中雨、大雨和暴雨降雨等級下均能顯著降低坡面侵蝕量，且對暴雨降雨等級下的降低作用最為明顯，這與Lenka等[27]的研究結(jié)果一致。同時，對比2018年、2019年不同降雨等級下果園坡面徑流量和侵蝕量可以看出，清耕和刈割處理下果園坡面徑流量和侵蝕量對降雨等級的響應(yīng)存在明顯不同。表明自然降雨條件下，除降雨量和降雨強度外，降雨時間、降雨年內(nèi)分布等均會影響坡面土壤侵蝕特征。因此，在后續(xù)的研究中需要綜合考慮觀測時間序列及區(qū)域降雨特征等因素對坡面侵蝕的綜合影響。

圖4 不同降雨等級下坡面徑流量和侵蝕泥沙量占比

2.5 不同處理下影響赤紅壤果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨特征參數(shù)

為了進一步分析不同處理下果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響因素，對果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降雨特征參數(shù)進行相關(guān)分析，見表3?？芍赘詈颓甯幚硐掠绊懫旅娈a(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨特征不同。對刈割處理下，坡面徑流量與降雨歷時和I30均表現(xiàn)為顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨量呈極顯著相關(guān)關(guān)系；清耕處理下坡面徑流量與降雨歷時呈顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨量表現(xiàn)出極顯著相關(guān)關(guān)系。而坡面侵蝕量僅在清耕處理下與降雨歷時呈顯著相關(guān)關(guān)系，與其他降雨參數(shù)均無顯著相關(guān)關(guān)系。這與Pan等[21]的研究結(jié)果一致。

表3 不同處理下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征參數(shù)的相關(guān)分析

3 結(jié) 論

(1) 2018年研究區(qū)的總降雨量是1 211.5 mm，主要集中在5—9月(占年降雨量的84.0%)；2019年是928.6 mm，主要集中在3—8月(占年降雨量的85.5%)。2018—2019年研究區(qū)80%以上降雨是侵蝕性降雨。

(2) 2018年、2019年果園坡面年徑流量、年侵蝕量及次降雨下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為清耕小區(qū)>刈割小區(qū)，且侵蝕量差異更為明顯。次降雨下，2018年不同處理下坡面徑流泥沙量在3—4月變化平穩(wěn)，5—9月出現(xiàn)波動，且清耕處理波動幅度大；2019年不同處理下坡面徑流量在4—7月變化平緩，侵蝕量在年內(nèi)整體波動較大。

(3) 刈割和清耕處理下徑流量和侵蝕量的差異主要是由幾場侵蝕性降雨產(chǎn)生的。暴雨是果園坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素之一，與清耕處理相比，刈割處理可以減少暴雨和大暴雨降雨等級下果園坡面徑流量，中雨、大雨和暴雨降雨等級下果園坡面侵蝕量，且對暴雨的降低作用尤為明顯。刈割和清耕處理下坡面徑流量與降雨歷時呈顯著相關(guān)關(guān)系，與降雨量呈極顯著相關(guān)關(guān)系。