川东丘陵区柏木林水土保持措施径流调控效果对比

尹婧， 康必均， 李菲， 查同刚， 齐实， 何凡*， 张爽， 张俊洁， 何欢

(1.中国水利水电科学研究院， 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京 100038； 2.华蓥市天池国有林场， 华蓥 638600； 3.北京林业大学水土保持学院， 北京 100083； 4.北京市水土保持工程技术研究中心(北京林业大学)， 北京 100083)

川东地区处于中国地形阶梯的过渡带上，地形起伏，坡度变化较大，其特殊的地理位置和环流条件使得该区域高温和暴雨等极端气候事件高发[1]。大强度的极端气候事件易于造成严重的水土流失，甚至诱发山洪、泥石流等地质灾害，严重危及当地人民的生命安全、社会经济的发展，成为影响当地国民经济持续发展的主要障碍、危害区域生态安全的重要因素，特别是川东盆地人口密集区[2-5]。有研究发现近54年来川东盆地暴雨发生强度增加了1.66%[1]，生态安全面临更加严峻的挑战。

如何修复和改善该区域的生态环境和减少水土流失，一直受到社会各界的广泛关注。在长期的水土保持科学研究和治理实践中，产生了诸多水土流失治理措施，成了控制水土流失的主要手段，这些治理措施总体可以分为林草措施(植被措施)、耕作措施和工程措施[6-7]。学者们在中国不同区域，围绕水土保持措施的治理效果，开展了大量的对比试验研究。

黄土高原区是中国水土流失最严重的地区，许多学者对水土保持措施效果和防治机理开展了广泛的研究。蒋定生等[8]在高原丘陵沟壑区的研究认为植被是防止土壤侵蚀的重要途径，当植被覆盖度小于40%时，减沙效益明显降低；耕作措施在保持水土中发挥重要作用，在坡耕地上推行水平沟种植和草粮等高带状间作等水土保持耕作措施，可减少侵蚀模数37%～56%。穆兴民[9]从机理上研究了黄土高原区水土保持工程措施对土壤水分的影响，水土保持工程通过改变地形而缩短径流线，提高入渗和减少径流量等加强降水的就地拦蓄和入渗，从而有效提高了土壤含水率，有效解决了黄土高原水土流失区普遍存在的土壤干旱和水分的径流损失、土壤瘠薄和耕层土壤流失的矛盾。而深根系人工林草植被使土壤含水率降低，甚至造成利用性土壤干层，影响人工植被的永续发展。孙从建等[10]对比了黄土塬区林地、灌木、撂荒地、人工种草和耕地5种植被措施在不同侵蚀性降雨下减沙率和减流率的变化规律，5种植被措施在不同降雨类型下均有明显的水土保持效应，在不同类型降雨下不同植物措施减沙率和减流率变化规律不同。

东北黑土区是中国重要的粮食生产基地，长期的开垦使得坡耕地水土流失加剧。学者们围绕水土保持耕作、工程措施效果开展了广泛的对比研究。在典型侵蚀区，张少良等[11]对免耕、少耕、传统耕作和横坡垄作4种耕作措施，许晓鸿等[12]对坡耕地留茬、轮作和秸秆还田3种耕作措施的保水保土功效进行了对比研究。在低山丘陵区，韩富伟等[13]对顺垄、地埂植物带、荒山灌木梗、水平台田4种水土保持耕作措施的侵蚀模数进行了对比研究。

南方红壤区多暴雨，加之强人类活动的干扰，使得该区域成为中国水土流失最广、程度最高的区域之一。降雨是南方红壤区土壤侵蚀的主要动力因素，植被是水土流失治理的主要措施，为此学者们针对不同降雨条件下的植被措施效果开展了大量的对比研究。陈洋等[14]对典型侵蚀降雨模式下灌草混交林、草地、低灌林、乔木林、高灌林5种不同植被结构类型的水土保持功能进行了对比研究。姚冲等[15]对暴雨条件下林下乔灌草结构、低效林改造、自然恢复3种水土保持植被恢复措施的初始入渗率、累积入渗量、减流减沙效益进行了比较研究。李桂静等[16]对施肥改良、封育、人工补植3种林下植被措施的年均减流减沙效益进行了对比研究。

以上研究多是围绕研究区施用最广泛的水土保持措施开展的效果对比研究，这些研究成果对于当地的水土保持工作具有重要的应用价值和实践指导意义。整体来看，研究对象主要针对坡耕地的水土保持耕作措施和工程措施，林地的水土保持植被措施，而针对林地的水土保持工程措施效果的研究较少，尤其是基于小区域或坡面尺度的人工纯林[7]。客观上，小区域或坡面尺度的试验研究将水土保持措施对水资源的影响由点到面、由小区域推到大区奠定了坚实的理论基础，也对大区域或大流域范围的减水效益评价发挥了重要作用[17]。

川东地区是中国重要的生态功能区，生态多样性保护的关键区，人工林更是在长江中上游生态安全屏障中发挥着涵养水源、防治水土流失的关键性作用。为此，本研究以地处川东丘陵山地区的华蓥山柏木林(Cupressusfunebris)为研究对象，基于野外径流小区降雨径流原位观测试验，对比分析了不同雨型下柏木林水土保持工程措施的径流调控效果，以期为川东地区人工林坡面水土流失工程防治技术的研发、流域综合治理中水土保持措施的空间配置提供试验依据和理论参考。

1 研究区概况

研究区位于四川省华蓥市(30°25′21″N， 106°50′2″E)，属于亚热带湿润季风气候区，多年平均降水量为1 200 mm，降雨主要集中在5—8月，占全年降雨量的70%。年平均气温为18 ℃，气温变化范围为-2～42 ℃。试验地为一个完整的陡坡坡面，平均坡度为33°，海拔565～600 m。坡面由单一的柏木树种和稀疏的杂草构成，见图1。柏木林是21世纪初退耕还林工程，在原始植被退化坡面进行的飞播造林。柏木作为川东地区主要的造林树种，被广泛应用于土层瘠薄、植被恢复困难的陡坡坡面。

研究区喀斯特地貌突出，土质为石灰岩土质，黄壤，土层薄，肥力低，局部地区呈现石漠化。严重的水土流失，导致柏木林生长发育状况差，树种冠幅较小，平均冠幅0.89 m2，平均树高2.60 m，平均胸径2.78 cm。地表植被覆盖度(除柏木以外的杂草)56.10%，林分整体未达到郁闭，不具备更新能力，保持水土、涵养水源的生态服务功能不断下降。

图1 径流小区柏木概况Fig.1 Overview of Cypresses in runoff plots

2 试验方案

基于试验区样地调查取样的试验分析结果，以及实际地形特征的探测，在柏木林试验区一个完整坡面上建立了9个径流小区，径流小区的基本情况见表1。径流小区长宽：10 m×5 m，每个径流小区下部均建有一个径流池，径流池长宽高：2 m×1 m×1 m，用于收集每场降雨中径流小区所有坡面产流。每个径流小区的径流池底部均放置了一个美国onset生产的U20-001-04压力式水位记录仪，用于精确记录每场降雨中径流小区的坡面产流量(试验设置每10 min记录一次径流池内的水压力数据，扣除掉大气压力后，将水压力数据转换成径流数据)。安置在柏木林试验区坡面的小型气象站用于观测记录试验区内每场降雨的降雨量、气温、气压、风速等气象因素。

根据降雨等级划分标准[18]，对2019年研究区观测到的降雨进行了雨型的划分：降雨量<5.0 mm/12 h(<10.0 mm/24 h)为小雨；降雨量5.0～15.0 mm/12 h(10.1～25.0 mm/24 h)为中雨；15.1～30.0 mm/12 h(25.1～50.0 mm/24 h)为大雨；30.1～70.0 mm/12 h(51.0～100.0 mm/24 h)为暴雨。

在2019年5—10月的降雨观测过程中，共收集降雨63场，降雨总量为774.3 mm，降雨总历时达到了268.26 h，平均雨强2.89 mm/ h。观测到的降雨共包含了小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨这5种降雨类型。其中，小雨和中雨共48场，占降雨总场次的76.19%，大雨、暴雨、大暴雨共15场，占降雨总场次的23.81%。虽然大雨、暴雨、大暴雨这三种类型降雨的场次较少，但是它们的总雨量达到了518.8 mm，占总降雨量的67.00%，远远超过了小雨、中雨的雨量之和255.5 mm，见表2。

表1 柏木林径流小区基本情况Table 1 The runoff plots basic information of cypresses plantation

2019年5—10月，共收集到有坡面产流的降雨20场，其中，水土保持措施(简称“措施”)布设前(6月26日)有7场降雨，措施布设后有13场降雨。措施布设前7场降雨径流观测数据用于径流小区降雨-产流特性的本底值分析，作为措施径流小区(简称“措施小区”)和非措施径流小区(简称“对照小区”)的划分依据。措施布设后的13场降雨径流观测数据用于措施小区和对照小区坡面产流试验的对比分析。

为选出与措施小区产、汇流条件最为相似的对照小区，本研究采用SPSS工具，对径流小区未采取措施前(6月26日前)的7场降雨径流系数进行了单因素方差分析和多重比较检验。方差分析表明，显著性sig.=0.239，P>0.05，9个样地的径流系数之间的差别没有显著意义(P﹥0.05)。基于方差分析结果，依据措施小区和对照小区坡向一致、坡度相近、空间位置尽可能毗邻的原则，最终确定措施小区和对照小区，各径流小区水土保持措施布设情况见表3。

表2 2019年5—10月试验区降雨情况Table 2 Rainfall of the test area between June and October in 2019

表3 柏木林径流小区水土保持措施布设情况Table 3 Layout of soil and water conservation measures in runoff plots of cupressus plantation

3 结果与分析

3.1 径流系数变化

径流系数代表径流和降雨之间关系的系数，是表征流域降雨产流多少的重要参数，它综合反映了一个地区或流域内地质、土壤和植被等地表状况对降水形成径流过程的影响，即降雨条件下的坡面产汇流能力[19]。由于其过程的复杂性导致径流系数受降雨过程、土壤性质、流域坡度、土地利用类型以及先前湿润状况等因素综合影响[20-21]。在概率统计中，标准差能反映一个数据集的离散程度，标准差越大，表明数据集中数据的离散程度越大[22]。水土保持措施布设后，将场降雨下9个径流小区的径流系数作为一个数据集，对比了20场降雨下(13场措施后，7场措施前)径流小区径流系数的标准差，见表4。

总体来看，措施布设前后，观测降雨按照雨量、雨强从小到大排序，径流小区的径流系数平均值随着雨量逐渐增大、雨强逐渐增强而增大，即随着雨量逐渐增大、雨强逐渐增强，径流小区的产流量随之逐渐增大。但排在最后面场降雨，径流系数标准差却是最小的，即雨量小、雨强弱的降雨和雨量大、雨强强的降雨，径流小区径流系数均差异小，虽然两种雨型下径流小区的产流能力差异很大。措施布设前的6月5日降雨和措施布设后的8月8日降雨均是大雨强暴雨，径流系数平均值分别在措施前、后的降雨序列中最大，达到了0.55和0.70，产流能力最强，但这两场降雨的径流系数标准差却都仅有0.05，与措施前小雨量、低雨强的9月19日、9月17日、9月6日、7月4日降雨和措施后的6月9日、6月25日降雨径流系数标准差接近。可见，降雨在一定的雨量、雨强范围内，径流小区之间产流具有一定差异性。

试验表明，在一定的雨量、雨强范围内，径流小区的径流系数的标准差随着雨量增加、雨强增强而增大，即径流小区之间产流的差异逐渐增大。由于水土保持措施的径流调控作用，措施小区坡面径流量不断减少，随着雨量的增加，与对照小区的径流系数差异随之增加。 措施布设前，对照小区(3#、4#、7#)的平均径流系数是措施小区(1#、2#、5#、6#、8#、9#)的 0.7～1.1倍，措施布设后比值达到了0.9～1.8 倍， 8月6日、8月3日这两场大雨和暴雨，比值达到了1.8、1.5倍，经过8月8日这场短历时、强降雨后，坡面土壤含水量已接近饱和，8月9日与8月8日降雨间隔较短，仅差12 h 10 min。8月9日的降雨雨量、平均雨强均大于7月4日降雨，但其径流小区的径流系数标准差却与7月4日降雨的径流系数标准差相同，仅有0.03，可见8月9日降雨中水土保持措施径流调控能力受到了一定的影响。连续几场大雨或暴雨，水土保持措施含蓄水源、减少坡面产流的效果会受到一定程度的影响，这与已有的一些相关研究结论相一致[23-25]。

综上分析，在一定的雨量、雨强范围内，研究区水土保持措施发挥了径流调控的效果，随着雨量增大、雨强增强，水土保持措施减少坡面产流的效果逐渐增强。

表4 柏木林径流小区径流系数Table 4 The runoff coefficients in runoff plots of Cupressus plantation

3.2 径流入渗变化

不同植被类型和降雨对坡面产流产沙的影响有差别， 即使同一类型的土壤， 由于其利用类型不同、覆被层的植被种类不同，都会导致土壤入渗性能有一定的差异[26-28]。总的来说，凡是对土壤物理性质有影响的措施因子，都对土壤的入渗能力有重要影响[29-33]。对水土保持措施布设后的13场降雨进行了入渗率变化的对比分析。排除受8月8日场降雨影响较大的8月9日降雨后，整体来看，径流小区平均入渗率随着场降雨10 min最大雨强的增加而降低，见图2。当10 min最大雨强在一定阈值内3.6～17.2 mm时，措施小区的平均入渗率高于对照小区的平均入渗率，当10 min最大雨强达7.4 mm时，措施小区平均入渗率最大可达到对照小区平均入渗率的3.6倍(6月27日降雨)。

图2 不同雨强下措施小区与对照小区平均入渗率变化Fig.2 The variation in average infiltration rate of measures and non-measures runoff plots under different rainfall intensity

3.3 径流量及峰值流量变化

将水土保持措施布设后13场降雨下，措施小区与其对照小区的径流量、径流峰值流量的水土保持效果进行了对比研究。两个相同措施小区的径流量、峰值流量求平均值后，与对照小区的径流量、径流峰值流量进行对比分析。减流效果、径流峰值的消峰效果计算公式分别为

(1)

(2)

式中：W0、Wi分别为对照小区与措施小区坡面的产流量，m3；P0、Pi分别为对照小区与措施小区坡面径流的峰值流量，m3。

试验观测数据表明，当降雨在一定阈值内：总雨量9.6～51.0 mm，平均雨强3.4～31.9 mm/h时，水平阶、垒穴/培土和综合措施均发挥了减少坡面产流、消减径流峰值的作用，见表5。

消减降雨径流峰值方面，水平阶、垒穴/培土和综合措施最大可消减降雨径流峰值的54%、46%和55%。整体来看，在水土保持措施发挥效果的降雨阈值内，随着雨量增大、雨强增强，水土保持措施消减径流峰值的作用逐渐增大。中雨时，垒穴/培土和综合措施效果优于水平阶；大到暴雨时，水平阶效果优于垒穴/培土措施和综合措施。

大到暴雨时，由于水土保持措施消减了径流峰值，降低了坡面径流峰值流速，避免了坡面径流量的陡涨陡落，从而在一定程度上减弱了径流的水力侵蚀力。8月3日、8月8日两场短历时、强降雨，与对照小区相比，措施小区的径流过程线相对平缓，径流过程曲线坦化明显，特别是峰值阶段，见图3、图4，尤其是水平阶措施小区，见图3(a)、图4(a)。8月3日降雨中，4#对照小区径流峰值流速分别是1#、2#水平阶措施小区的2.3倍和2.1倍；8月8日降雨中，4#对照小区是1#、2#径流小区的1.4倍。

但对比8月3日和8月8日降雨，雨量、平均雨强均相近，均是短历时强降雨， 8月8日降雨10 min最大雨强大于8月3日降雨，但8月8日降雨中水平阶和垒穴/培土措施消减径流峰值的效果均低于8月3日降雨的效果。8月8日与8月3日降雨下消减径流峰值的效果对比：水平阶措施小区平均下降了24%(8月3日降雨，与对照小区的径流峰值相比， 1#、2#水平阶措施小区分别消减径流峰值57%、51%；8月8日降雨，1#、2#措施小区均消减径流峰值30%)；垒穴/培土措施小区平均下降了7%(8月3日降雨，8#、9#垒穴/培土措施小区分别消减径流峰值的15%、24%；8月8日降雨，8#、9#措施小区分别消减径流峰值的8%、19%)。可见，雨量、平均雨强相似的暴雨，最大10 min雨强也是影响水土保持效果的关键因素。

减少坡面径流方面，水平阶、垒穴/培土和综合措施最大可减少坡面径流总量的59%、39%和38%。中雨时，垒穴/培土措施和综合措施减少坡面径流的效果优于水平阶；随着雨量增大、雨强增强，大雨、暴雨时，水平阶减少坡面径流的效果优于垒穴/培土措施和综合措施，尤其是8月3日、8月6日这两场短历时、强降雨，水平阶措施减少坡面产流的效果尤为突出。8月3日降雨下，与对照小区的径流总量相比，1#、2#水平阶措施小区，8#、9#垒穴/培土措施小区，5#、6#综合措施小区平均减少坡面径流总量59%、7%和19%，水平阶措施减少坡面径流总量的效果分别是垒穴/培土和综合措施8.4倍和3.1倍。8月6日降雨下，与对照小区的径流总量相比，1#、2#水平阶措施小区，8#、9#垒穴/培土措施小区，5#、6#综合措施小区分别平均减少坡面径流总量的53%、39%和36%，水平阶措施减少坡面径流总量的效果分别是垒穴/培土和综合措施1.4倍和1.5倍。

从径流发展过程来看，在降雨前期，与垒穴/培土和综合措施相比较，水平阶减少径流的作用有限，但随着雨量的不断累积，水平阶减少坡面产流的效果逐渐优于垒穴/培土和综合措施，特别是雨量增加最快的阶段，见图5、图6。8月3日、8月6日降雨过程中，在降雨前期，水平阶措施小区的降雨-径流深双累积曲线(简称“曲线”)增长速率快于对照小区，当雨量累积到一定程度时，水平阶对照小区的曲线增长速率快于措施小区，见图5(a)、图6(a)。垒穴/培土、综合措施小区的曲线增长速率的增长趋势与对照小区相似，整体来看，曲线增长速率始终小于对照小区，见图5(b)、图5(c)和图6(b)、图6(c)。

表5 柏木林径流小区水土保持措施径流调控效果Table 5 The runoff regulation effect of soil and water conservation measures in runoff plots of Cupressus plantation

图3 8月3日降雨水土保持措施消减径流峰值效果对比 Fig.3 Comparison the effect of runoff peak value reduction induced by soil and water conservation measures on August 3

图4 8月8日降雨水土保持措施消减径流峰值效果对比 Fig.4 Comparison the effect of runoff peak value reduction induced by soil and water conservation measures on August 8

与垒穴/培土、综合措施相比，短历时暴雨过程中，随着降雨的持续、累积雨量的不断增加，水平阶措施小区减少坡面径流的作用更突出，特别是雨量增加最快的阶段。

8月3日降雨，累积降雨量从16.6 mm累积到41.0 mm的阶段是整个降雨过程中雨量增长最快的阶段，4#水平阶对照小区的曲线与累积降雨量变化趋势相一致，也进入最快的增长阶段，累积径流深由0.24 mm增加到22.87 mm，增长了95倍。而1#、2#水平阶措施小区的曲线变化则相对平缓，1#水平阶措施小区累计径流深由0.27 mm增加到7.87 mm，2#水平阶措施小区累计径流深由0.52 mm增加到11.74 mm，分别增长了29倍和23倍，远小于对照小区的增长倍数。8月6日降雨，累积降雨量从6.8 mm累积到17.4 mm的阶段是整个降雨过程中雨量增长最快的阶段，4#水平阶对照小区曲线的变化与之相一致，累计径流深由0.26 mm增加到8.05 mm，增长了31倍。而1#、2#水平阶措施小区的曲线变化则相对平缓，1#水平阶措施小区累积径流深由1.46 mm增加到8.07 mm，2#水平阶措施小区累计径流深由0.24 mm增加到4.08 mm，分别增长了6倍和17倍，远小于对照小区的增长倍数。短历时、强降雨中雨量增加最快的阶段，措施小区累积径流深的增加值远小于对照小区，尤其是水平阶措施小区。从8月3日、8月6日这两场降雨来看，在雨量增加最快的阶段，对照小区累积径流深最大可达水平阶措施小区的5.2倍。

从场降雨产生的累积径流量来看，水平阶在减少坡面总产流量的作用也优于垒穴/培土和综合措施。8月3日降雨过程中，4#水平阶对照小区的累积径流深38 mm，分别是1#、2#水平阶措施小区的2.9倍和2.2倍；7#垒穴/培土对照小区的累积径流深达38 mm，是8#、9#垒穴/培土措施小区的1.1倍和1.0倍；3#综合措施对照小区的累计径流深达31 mm，分别是综合措施小区5#、6#径流深的1.1倍和1.5倍。三种措施里，水平阶对照小区与措施小区累积径流深的倍数最大，达到了2.9倍。8月6日降雨过程中， 4#水平阶对照小区累计径流深达19 mm，是1#、2#水平阶措施小区径流深的1.9倍和2.7倍； 7#垒穴/培土对照小区累积径流深达16 mm，是8#、9#垒穴/培土措施小区径流深的1.6倍和1.8倍；3#综合措施对照小区累积径流深达13 mm，是5#、6#综合措施小区累积径流深的1.3倍和1.9倍。三种措施里，水平阶对照小区与措施小区累积径流深的倍数最大，达到了2.7倍。

图5 8月3日降雨水土保持措施降雨-径流深双累积曲线对比 Fig.5 Comparison the rainfall-runoff double accumulative curves of soil and water conservation measures on August 3

图6 8月6日降雨水土保持措施降雨-径流深双累积曲线对比Fig.6 Comparison the rainfall-runoff double accumulative curves of soil and water conservation measures on August 3

4 结论与讨论

川东丘陵区低效柏木林天然降雨下，措施小区与对照小区坡面径流调控的效果对比研究结果表明：

(1)在一定的降雨阈值内：总雨量9.6～51.0 mm，平均雨强3.4～31.9 mm/h，水平阶、垒穴/培土和综合措施在川东地区均发挥了减少坡面径流、涵养水源的水土保持效果。措施小区与对照小区相比，措施小区径流系数低，平均入渗率高。对照径流小区的平均径流系数最大可达措施小区的 1.8倍，措施小区平均入渗率达到了对照小区平均入渗率的3.6倍。即，与对照小区相比较，措施小区具有较高的径流入渗能力，较低的产流能力，因此具有较好的保持水土、涵养水源的能力。

(2)在观测的雨量、雨强阈值内，水平阶、垒穴/培土和综合措施最大可消减径流峰值的54%、46%和55%，最大可减少坡面径流总量的59%、39%和38%。暴雨时，水平阶措施减少坡面径流量、消减径流峰值的效果最优; 中雨、大雨时，垒穴/培土措施消减径流峰值的效果最优，综合措施减少坡面径流总量的效果最优。川东地区雨季，大雨、暴雨、大暴雨这三种降雨的雨型虽然场次少，但总雨量在整个年降雨中的占比最多。在2019年5—10月，大雨、暴雨、大暴雨次数仅占总降雨次数的23.8%，但雨量却占5—10月总降雨量的67.0%。可见，在川东地区，对大雨、暴雨、大暴雨径流调控效果最优的措施，能够发挥更理想的水土保持效果。综合水平阶、垒穴/培土和综合措施在不同雨型下的水土保持效果来看，水平阶在川东雨季多短历时、暴雨的气候特点下能够发挥最优的径流调控效果。

(3)短历时暴雨过中，随着降雨过程的持续、雨量的不断累积，水平阶措施拦蓄径流的效果显著优于垒穴/培土、综合措施，特别是雨量增加最快的阶段。观测的降雨试验中，雨量增加最快的阶段，对照小区累积径流深最大可达水平阶措施小区的5.2倍。水平阶对于短历时、强降雨产生的瞬时快速增长径流量具有较好的调控能力，从而减少了径流进一步的聚集、加速，降低了径流产生更大的土壤侵蚀能力。同时，减少短历时暴雨累积径流量方面，水平阶措施也优于垒穴/培土和综合措施，观测的降雨试验中，水平阶对照小区的累积径流深最大可达措施小区的2.7倍。

(4)本研究发现雨量、平均雨强相似的暴雨，最大10 min雨强亦是影响水土保持效果的关键因素。当最大10 min雨强超过一定的阈值，水土保持措施径流调控的效果反而降低，这方面的研究仍需要更多的场降雨观测数据支持，是未来需要进一步开展研究的内容。