黔中喀斯特山区坡耕地产流产沙对无籽刺梨种植的响应

殷清慧, 谢世友

(1.西南大学地理科学学院,重庆 400715; 2.安顺学院,贵州 安顺 561000； 3.西南大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400715)

水土流失危害极大，严重的水土流失将导致石漠化大面积的发生。西南地区6°～25°石漠化发生面积最大，贵州省流失的泥沙90%来自于坡耕地，坡耕地主要以坡地为主。降雨强度和坡度是影响坡面产流产沙的主要因素，目前喀斯特山区水土流失治理措施上生物治理方式占很大比重。不同植被类型对坡地减流减沙作用差异明显，经济林(杨梅、桃树、梨树、树莓)在贵州喀斯特地区减流减沙效果最优，减流率可达52.5%～64.3%，减沙率可达99.3%，在坡度15°～25°及以上种植蓄水截流效果较好，能有效防治石漠化的产生。抗旱耐瘠薄、喜钙、石生、适用范围广的乡土植物是喀斯特地区经济林的极优选种。

无籽刺梨，别名“金刺梨”，属多年生落叶灌木，富含多种维生素和药用价值，具有石生性、耐旱抗瘠、根系发达的适生性，是贵州省的特有种。能在贫瘠的石山山地上茁壮成长，与野生刺梨相比，品质口感更好，产量更高。目前，无籽刺梨在贵州省得到广泛种植，并成为安顺市重点打造的特色农产业，近年无籽刺梨相关研究也开始关注到环境方面，但研究成果不多，主要集中在无籽刺梨对土壤环境、土壤质量的影响及评价等方面，已有研究表明，无籽刺梨随着种植年限的增加对土壤理化性质和生物影响明显，能促进土壤酶的活力，改善土壤的质量,可作为喀斯特区域中度、轻度和潜在石漠化生态修复的经济树种；前人研究中未涉及山地坡度因素研究，虽提出了无籽刺梨种植的生态价值及水土保持作用，但并未对此作深入定量的研究，在水土保持减流减沙方面也还未见相关报道。目前学界在坡面产流产沙试验研究方法也多以室内人工模拟降雨试验为主，野外天然降雨坡面定位观测试验甚少。为此本文采用天然野外自然坡面径流小区定位观测法，通过对喀斯特山区坡耕地坡度15°和25°条件下无籽刺梨种植模式与次降雨产流产沙特征进行分析，为贵州喀斯特山区坡耕地生态高质量绿色发展和树种选择提供理论支撑和借鉴。

1 研究区概况

研究区位于贵州省安顺市普定县龙场乡大桥村(105°41′04″—105°43′41″E，26°18′37″—26°19′57″N)，海拔1 167～1 258 m，主要以岩溶山地和洼地为主。岩层构成为中生界三迭系下统永宁组第1段、第2段构成。永宁组第1段厚度为363～482 m，石灰岩、泥灰岩、白云岩和砂质页岩为主。第2段厚度为43～235 m，以白云岩为主，表层有角砾岩的分布。形成的土壤以石灰土为主，主要有黄壤，棕色石灰土，土壤土层薄，pH为6.2～7.3。年平均气温15.1 ℃，年平均日照时间1 165 h，无霜期301天，年平均降水量1 335 mm，主要集中在5—9月，而研究区土层极薄,厚处仅40 cm。据熊康宁等不同石漠化等级的划分标准，研究区主要为轻度石漠化区。

2 材料与方法

2.1 降雨监测

应用雨量计SM-1进行降雨量实地测定和气象站测定数据校核。按照气象学雨量划分方法，降雨类型分为：小雨(<10 mm)、中雨(10 mm<<25 mm)、大雨(25 mm<<50 mm)、暴雨(50 mm<<100 mm)和大暴雨(≥10 mm)5个等级。本文数据采集时段为2016年6月26日至8月28日雨季期间次降雨参数数据[降雨量()和30 min最大降雨强度()]，监测期径流小区共产流15次。次降雨总量为491.9 mm，小雨2场，中雨7场，大雨3场，暴雨2场，大暴雨1场；7月份小雨2场，中雨5场；8月份中雨2场，大雨3场，暴雨2场，大暴雨1场。

2.2 径流小区野外定位观测法

贵州省坡耕地以坡地为主，梯田比重小，其中15°～25°和25°以上的坡地面积分别占所在坡度范围坡耕地总面积的80.92%和87.82%。为此本文选择研究的坡耕地是针对坡度为15°以上的坡地，土地贫瘠，跑水跑肥严重。试验区普定县龙场乡大桥村的无籽刺梨种植坡耕地，同一坡面同坡段分布有黄壤和棕色石灰土。本试验共布设了6个径流小区(表1)，采用2 m×5 m规格(研究区坡耕地破碎，横坡土埂不规则，因土埂的阻隔，纵坡地块坡长小于10 m,无籽刺梨为灌木，2 m×5 m规格径流小区已满足监测产流产沙值的需求)。1号和4号为对照小区，为“自然恢复地径流小区”，本文研究对象为坡耕地中的坡地，本小区设置可定量分析比较坡耕地自然撂荒或生态退耕与应用无籽刺梨进行生态修复之间产流产沙的差异。2号和5号小区为无籽刺梨+自然荒草地，形成灌草混种模式，自然荒草地为自然生长植被，适生性强且可增强生态系统的稳定性，经实地调查，目前无籽刺梨主要种植水热条件较好的耕地上，为避免其他草本植物抢肥，主要采用无籽刺梨单种模式，农户常使用除草剂清除地表草本植物，笔者对此并不认同，尤其是坡地上，采用无籽刺梨单种模式会使大面积土壤表层裸露，从而降低了地表的抗蚀能力，笔者采用无籽刺梨+自然荒草地试图从产流产沙监测水土保持视角诠释套种模式的生态功能；3号和6号为无籽刺梨单种模式，与自然恢复地和无籽刺梨+自然荒草地进行对比，探讨无籽刺梨水土保持生态功能。

表1 普定县龙场乡大桥村样点概况

坡面降雨土壤侵蚀采用径流小区法测定产流产沙量。次降雨结束后6 h内,采用水尺观测集流池水位,再换算为总产流量；产沙量采用取样测试法,用1 000 mL广口瓶将径流池中的水和泥沙搅拌均匀，并采集水样1 000 mL，带回实验室放置24 h，待泥沙完全沉淀后倒掉上层液，将剩余泥沙样倒入铝盒内，放入105 ℃烘箱中烘干24 h后用天平(精度0.001 g)称重，再次放入烘箱烘干后再称重，直到泥沙质量恒定后记录数据，并计算径流量。推算集流池中的泥沙总量,计算公式为：

(1)

(2)

式中:为坡面径流深(mm);为坡面产流总量(m);为径流小区面积(km);为产沙量(t/km);为产沙总量(t)。

运用SPSS 24.0软件统计分析径流小区次降雨量()、最大30 min雨强()、径流深、产沙量等指标，指标间进行相关性和显著性分析，径流小区间进行不同尺度的对比分析。

3 结果与分析

3.1 坡耕地坡面产流对侵蚀性降雨的响应

通过对样地产流量与降雨参数(、)相关性进行分析，结果(表2)表明，径流量与降雨参数呈极显著正相关(<0.01)。从坡度看，径流量与次降雨参数相关系数均表现为高度相关，相关系数最高值为0.984，最低值为0.872,相关程度为坡度15°>坡度25°；从植被种植模式上看，坡度15°时径流量与降雨量相关系数排序为无籽刺梨+自然荒草地>无籽刺梨>自然恢复地。

表2 产流产沙与次降雨参数相关性

本文以降雨量大小及雨型进行排序，1，2场为小雨，3～9场为中雨，10～12场为大雨，13，14场为暴雨，15场为大暴雨。由图1可知，总体上看，在相同降雨量和降雨强度下，径流深表现为自然恢复地>无籽刺梨地>无籽刺梨+自然荒草地；从不同雨型来看，无籽刺梨地和无籽刺梨+自然荒草地模式在小雨型、中雨型差异不明显，而在大雨型、暴雨型和大暴雨型条件下各径流小区差异较明显，无籽刺梨+自然荒草地径流深显著低于无籽刺梨地和自然恢复地，产流量呈现最小，治理效果最好。

图1 坡面径流对坡面降雨侵蚀的响应

通过曲线拟合发现，径流深与降雨参数、之间存在多项式、幕函数和指数正相关，坡度为15°时，呈多项式和幕函数关系；而坡度为25°时，呈指数和多项式相关。

3.2 坡耕地坡面产沙对侵蚀性降雨的响应

对径流小区产沙量与降雨参数(、)相关性进行分析，结果(表2)显示，产沙量与呈正相关，相关系数介于0.385～0.963；产沙量与也呈正相关，相关系数介于0.345～0.910。从坡度看，产沙量与次降雨参数相关系数为显著相关，相关系数最高值为0.963，最低值为0.345,无籽刺梨+自然荒草地和无籽刺梨地相关程度为坡度15°>坡度25°；自然恢复地在坡度15°时相关性不强，坡度25°时表现为极显著相关，相关系数最大为0.963。

对各径流小区产沙量和降雨参数之间的关系进行曲线拟合(图2)发现，产沙量与、呈指数、幂函数和多项式相关性。

图2 无籽刺梨不同种植模式与对照小区产沙关系

3.3 无籽刺梨不同配套种植模式对坡面产流产沙的治理作用

3.3.1 无籽刺梨不同配套种植模式减流作用 由表3可知，无籽刺梨+自然荒草地和无籽刺梨单种模式在同坡度和不同坡度下的减流作用均具有差异性。相同坡度无籽刺梨不同配套种植模式较自然恢复地减流效果明显，表现为无籽刺梨+自然荒草地>无籽刺梨地。小雨、中雨之间减流作用最好，随降雨量由大雨转变成为暴雨时，其减流效果又逐渐减弱，由暴雨转大暴雨时，减流作用又有所增加。从坡度来看，中雨、大雨条件下坡度25°减流作用较坡度15°明显，较自然恢复地，坡度15°时，无籽刺梨+自然荒草地、无籽刺梨地在小雨条件下分别平均减流59.08%和64.65%；中雨条件下分别平均减流65.23%和57.11%；大雨条件下分别平均减流56.96%和50.83%；暴雨条件下分别平均减流54.87%和47.79%；坡度25°时，无籽刺梨+草地、无籽刺梨地在小雨条件下分别平均减流53.11%和73.39%；中雨条件下分别平均减流76.09%和67.21%；大雨条件下分别平均减流76.72%和57.31%；暴雨条件下分别平均减流46.12%和37.76%。

3.3.2 无籽刺梨不同配套种植模式减沙作用 由表3可知，无籽刺梨不同配套种植模式减沙效果明显，总体上来看，以无籽刺梨+自然荒草地减沙效果最为理想。相同坡度减沙效果顺序为无籽刺梨+自然荒草地>无籽刺梨。不同坡度减沙的作用并不是随降雨量的增大呈直线上升趋势，有一定波动。小雨、中雨之间减沙作用最好，中雨至大雨之后减沙效果波动较大，呈先减后升再减的趋势。从坡度来看，无籽刺梨不同配套种植模式对坡耕地坡度25°减沙作用优于坡度15°，小雨、中雨时减沙作用稳定。较自然恢复地，坡度15°时，无籽刺梨+自然荒草地、无籽刺梨地在小雨条件下分别平均减沙87.32%和83.21%；中雨条件下分别平均减沙71.64%和69.13%；大雨条件下分别平均减沙51.10%和52.80%；暴雨条件下分别平均减沙74.69%和67.30%。坡度25°时，在小雨条件下无籽刺梨+自然荒草地、无籽刺梨地分别较自然恢复地平均减沙85.40%和81.18%；中雨条件下分别较自然恢复地平均减沙86.87%和81.49%；大雨条件下分别平均减沙71.55%和66.47%；暴雨条件下分别平均减沙73.99%和64.11%。

表3 野外观测无籽刺梨不同种植模式减流减沙作用

4 讨 论

坡耕地坡面产流产沙与降雨量、降雨强度相关系数呈显著相关。反映出该区降雨量和最大30 min雨强是坡面径流形成的主导因素,与前人研究结果相一致。坡耕地产流产沙随降雨量、降雨强度的增大而增大，但并未呈现直线上升，有一定的波动，尤其是暴雨和大暴雨的影响极大，大暴雨产流产沙量最大，这与前人研究相一致。由表4可知，研究区监测期大雨、暴雨和大暴雨虽不多但侵蚀力极强，尤其是后2种雨型。在暴雨、大暴雨条件下自然恢复地、无籽刺梨+自然荒草地和无籽刺梨地平均径流深分别占其总平均径流深的63.13%，70.96%，74.92%，平均产沙量分别占其总平均产沙量的70.27%，69.75%，65.96%。由此可见，黔中山区坡耕地水土保持工作必须重点关注大雨、暴雨和大暴雨这3种雨型的侵蚀，尤其是后2种雨型。

表4 径流小区平均产流产沙

研究区在减流减沙作用中坡度25°较坡度15°效果明显，其原因可能与土壤和植被相关。坡度15°的1，2，3号径流小区土壤为棕色石灰土，含砂量高，土粒较粗，土壤表层孔隙度较大，未形成明显的结皮现象，当降雨时，降水随着土壤孔隙很快入渗，所以相对于4，5，6号小区来说，土壤限制条件差异不太明显；而坡度25°的4，5，6号径流小区土壤为黄壤，土壤较黏重性，土粒细，土壤孔隙度较小，当降雨时，尤其是暴雨、大暴雨，降水还未及时下渗就形成了径流量，通过在暴雨、大暴雨后小区降雨渗入深度检查，4号径流小区雨水下渗深度小于20 cm，主要原因：一方面，黄壤黏重，孔隙度小，降雨难以下渗；另一方面，自然恢复地植被为草本，其根系主要在0—20 cm深度范围内，限制了根系对雨水的引流，因此产流产沙量最大；5，6号小区下渗深度可达母质层或岩层，深达40 cm，这与无籽刺梨发达的根系相关，无籽刺梨为浅根植物，根系主要分布在0—40 cm的土层中，根系改变了黄壤的通透性，当降雨时，雨水随着根系伸展的方向入渗，因而无籽刺梨种植小区蓄水保水较好，与4号小区对比具有明显差异。

相同降雨量、降雨强度下无籽刺梨种植模式减流减沙效果优于自然恢复地。无籽刺梨+自然荒草地的减流减沙效果最优，主要原因是：(1)无籽刺梨是根系发达的浅根植物，根系生长旺盛，主要盘踞在土壤表层0—40 cm深度范围内，根系有较强的蓄水和抗旱能力，另其落叶停留在地表能形成丰富的腐殖质，从而增加土壤的抗侵蚀能力。同时其根系分泌物可改善土壤的理化性质，能促进土壤酶的活力，从而改善土壤的质量，提升抗蚀能力。(2)随着种植年限的增加，无籽刺梨的土壤培肥作用不断增强，土壤质量综合指数也会逐渐提高。本文选择的均为3年生树，树冠已伸展开，根系已发育壮大，已具有蓄水保肥的能力。(3)经济林+草地的措施可有效缓解缺水问题，同时有利于增强土壤结构稳定性和减少水土流失，自然荒草地侵蚀产沙量极少，起着重要的固沙作用。无籽刺梨+自然荒草地种植模式可进一步提高土壤表层植被的盖度。无籽刺梨为多年生落叶灌木，枝叶生长旺盛，虽非阔叶林树种，小叶更适应区域缺水干旱的自然环境，当降雨时，其树冠茂盛的枝叶起到了截流的作用，减缓了雨滴对地表的侵蚀力；而自然荒草地可再一次减缓从树冠滴落雨水的侵蚀，因此“灌草”模式形成了立体空间的截流屏障，有效减缓了对土壤的侵蚀。无籽刺梨单作模式较与自然荒草地配套种植产流产沙高是因为人为剔除土壤表层植被，土壤表层失去了草地的截流屏障，降雨从无籽刺梨树叶直接打在土壤上，加重了土壤的溅蚀，从而加大了水土流失。可见，无籽刺梨+草地配套种植模式优于单作模式。自然恢复地蓄水保水弱于无籽刺梨原因：自然恢复地植被主要是草本。从地表空间上看，无较高植物对降雨进行截流；从地表以下看，其根系没有无籽刺梨发达且根径较细，多数植被根系伸展范围均在0—15 cm以内，对20 cm深度以下土壤影响能力较弱，草被虽具有蓄水保肥能力，但在治理水土流失上远不及灌木无籽刺梨。

本研究表明，无籽刺梨在黔中喀斯特区坡耕地上种植具有很好的水土保持效果，据其生态适生性可在贵州省坡耕地、石漠化区域进行广泛种植。已有研究证实，坡改梯可有效减少产沙量，鉴于贵州省坡耕地面积较大，涉及面广，有条件的区域可实施坡改梯进行无籽刺梨的种植，能进一步减少水土流失。目前无籽刺梨作为区域特色农产业，已形成了成熟的产业加工链条，仅安顺市就拥有12家无籽刺梨深加工企业，已形成了规模化生产，无籽刺梨的种植具有广阔的前景。本研究中无籽刺梨均已生长3年，在无籽刺梨幼苗期(1～2年)，因其树冠冠幅和树高还未形成明显的顶端优势，在这期间适合无籽刺梨单作模式，以提升植株对养分的摄入。3年以上植株形成了明显的顶端优势，可实施无籽刺梨+自然荒草地种植模式，定期修剪过高的草本植物，形成良好的土地生态系统，以实现坡耕地的生态和经济的最大综合利用效益。本文采用的是自然荒草地，在具体实施时也可改用人工草地配套种植，草地不仅蓄水保肥效果好，而且还可为畜牧业提供饲料。贵州省属生态脆弱区，山地地形复杂，土层据岩溶山地微地貌微地形具有差异性，在生态修复中可据山地立体空间特征，选用山地石生性强的桃树、梅树、李树等与无籽刺梨配套种植，构建“乔灌草”种植模式，加强土地生态系统的稳定性，实现山地坡耕地生态、社会、经济协同发展。

5 结 论

(1)降雨量和降雨强度是研究区域坡耕地坡面径流和产沙形成的主导因素之一。进行曲线拟合发现，径流深、产沙量与降雨参数(、)高度正相关(<0.01)，径流深、产沙量和降雨参呈指数、幂函数、多项式的相关性。

(2)无籽刺梨种植地减流减沙特征：小雨、中雨之间减流作用最好，大雨、暴雨、大暴雨3种雨型土壤侵蚀最为严重，尤其是后2种雨型，侵蚀力极强，必须重点关注。

(3)无籽刺梨不同配套种植模式在不同坡度条件下坡面减流减沙具有差异，减流减沙效果坡度25°优于坡度15°，减沙效果优于减流效果，且不同雨型条件下呈现明显差异。总体上看，无籽刺梨+自然荒草地减流减沙效果最优。坡度15°度时较自然恢复地，无籽刺梨+自然荒草地在小雨、中雨、大雨、暴雨4种雨型下分别平均减流59.08%，65.23%，56.96%，54.87%，分别平均减沙87.32%，71.64%，51.10%，74.69%；坡度25°度时较自然恢复地，无籽刺梨地+自然荒草地在小雨、中雨、大雨、暴雨4种雨型下分别平均减流53.11%，76.09%，76.72%，46.12%，分别平均减沙85.40%，86.87%，71.55%，73.99%。

(4)研究区无籽刺梨对各种雨型均有很好的水土保持治理效果，可作为贵州省喀斯特山区石漠化区域生态修复的极优经济选种。