0.   引言

【研究意义】降雨是导致土壤侵蚀的主要动力因素，通过产流冲刷的方式使坡面产生径流并携带泥沙，其中降雨引起的土壤侵蚀的潜在能力由降雨侵蚀力决定^[1-2]。土壤流失量是土壤侵蚀量的一部分，土壤流失程度直接影响了土壤生产力和土壤肥力，反映了土壤侵蚀强烈程度^[3]。降雨强度直接影响径流生成和土壤侵蚀速率，且随着降雨持续进行，地表径流和受侵蚀泥沙不断增加^[4]。南方红壤区降雨量大且降雨频繁，年降雨侵蚀力高；红壤坡面产流时间随降雨强度的提高而缩短^[5]。同时南方山地丘陵地形破碎且坡度较大，降雨引起的坡面产流产沙量大，加上人为的坡地资源不合理开发利用，土壤侵蚀问题严重^[6-8]。【前人研究进展】黄炎和等^[9]对福建侵蚀坡地的调查发现，侵蚀坡地的开垦过程中存在工程措施不规范、园面裸露等问题，水土流失问题严重，同时坡面产流过程还造成氮、钾等元素的流失^[10-11]。赵其国^[12]对南方水土流失现状进行考察发现，水土流失面积虽有所减少，但长期的水土流失治理任务依然艰巨。林金石等^[13]对南方花岗岩红壤侵蚀区的肥力质量进行研究，认为侵蚀区土壤质量的恢复是一个长期的过程，而提高植物覆盖度能够有效降低土壤流失量和直接影响径流的形成和发展过程^[14-16]。寇馨月等^[17]研究了红壤区不同的下垫面的产流和产沙，证实植被覆盖度能够在降雨过程阻碍径流的形成，减少土壤侵蚀，Hou等^[18]和Zhuang等^[19]的研究也得出类似的结果。【本研究切入点】坡耕地是南方山地丘陵地区重要的土地资源，同时也是备受关注的水土流失治理重点，选择恰当的水土保持措施是合理配置南方典型山地丘陵土地资源和治理土壤侵蚀的重要手段。【拟解决的关键问题】本研究选择位于福建闽北的低山地丘陵地貌作为研究区域，布设9个不同处理的径流小区，获取2018–2020年详细降雨数据和各径流小区地表径流和土壤侵蚀信息，探讨不同水土保持措施下径流小区土壤侵蚀特征差异，评价不同水土保持措施的水土流失防治效果，为南方典型山地丘陵地区建立适宜的水土保持措施、合理开发利用坡地资源提供理论依据。

1.   材料与方法

1.1   研究区概况

福建省建瓯市建安坡面径流观测场监测点地处闽北水土保持科教园内（东经118°20′40″，北纬27°03′52″），该监测区位于中亚热带湿润气候区，属于典型南方低山丘陵地貌，海拔125~350 m，年降雨量1600~1800 mm，年均气温14~20 ℃，坡度5°~29°。基岩为变质片麻岩、变粒岩，土壤为黄红壤，土层厚2 m以上。园区内各土地利用类型和立地条件在福建南方红壤区具有典型性。

1.2   小区布设

选择在闽北具代表性的毛竹、锥栗、果园和茶园小区，共9个5 m×20 m的径流小区布设在中坡地段。9个小区坡度均为15°。所有小区设有径流池和7孔分流池，小区间隔墙为100 cm（长）×50 cm（宽）×3 cm（厚） 的水泥板，埋深30 cm，露出地面20 cm，具体布设如表1所示。

表  1  2018–2020年各径流小区概况

Table  1.  Overview of runoff communities in 2018–2020

小区编号 Treatments	坡度 Gradient/(°)	坡长 Slope length/m	坡宽 Slope width/m	土地利用类型 Land utilization models	水土保持措施 Water and soil conservation measures
T1	15	20	5	裸地 Bare soil	顺坡 Down slope
T2	15	20	5	裸地 Bare soil	顺坡（松土） Down slope（Loosen soil）
T3	15	20	5	茶园 Tea garden	水平台地梯壁种百喜草 Horizontal platform planting Paspalum notatum on the ladder wall
T4	15	20	5	茶园 Tea garden	水平台地 Horizontal platform
T5	15	20	5	锥栗园 Chinquapin garden	山边沟 Hillside ditches
T6	15	20	5	锥栗园 Chinquapin garden	顺坡 Down slope
T7	15	20	5	毛竹园 Bamboo Garden	顺坡（劈草） Down slope（brush cutting）
T8	15	20	5	毛竹园 Bamboo Garden	顺坡（垦复） Down slope（reclamation）
T9	15	20	5	果园 Orchard	水平台地梯壁种百喜草 Horizontal platform planting Paspalum notatum on the ladder wall

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1.3   数据来源与计算方法

雨量计获取研究期间的降雨数据，按照《水土保持试验规程》^[20]观测降雨量和产流降雨次数，记录每次自然降雨后集流池内水准尺读数，作为地表径流量；径流深＝径流量/径流小区面积；径流系数=径流量/降雨量；用全剖面取样器取集流池中水样，搅匀后取样200 mL，选择用烘干法测定土壤质量。同时用人工称重法抽样校核，测定土壤含水量，计算土壤侵蚀量，并与取样的结果比较、校验；利用Wischmeier^[21]公式结合福建省降雨情况计算降雨侵蚀力（R）^[22-23]，其表达式为：

式中，R表示降雨侵蚀力（MJ·mm·hm⁻²·h⁻¹）；E表示某次完整降雨的总动能（MJ·hm⁻²）; I₃₀表示某次降雨过程中最大30 min的降雨强度（mm·h⁻¹）。

式中，E_i表示某时段雨量的动能（MJ·hm⁻²·mm⁻¹）；P表示某时段的降雨量（mm）。

式中，I表示某时段的降雨强度（mm·h⁻¹）。数据通过Excel 2016和SPSS 25.0整理分析，通过TBtools 6.85和GraphPad Prism 7.0绘制图表。

2.   结果与分析

2.1   2018–2020年径流小区降雨特征分析

针对坡面径流观测场监测点收集的自然降雨数据（表2）进行统计分析发现：试验小区2018–2020年降雨量分别为1423.8、1388.8、1415.0 mm，低于当地平均年降雨量，均属于偏旱年。2018年降雨天数在3年内最高，为156 d，2020年降雨日数最少，仅为131 d；产生径流的降雨次数同降雨天数趋势一致。值得一提的是，2020年降雨侵蚀力在所有年份中最大，为1463.37 MJ·mm·hm⁻²·h⁻¹，2018年最小，为848.94 MJ·mm·hm⁻²·h⁻¹。2018年6月出现最大月降雨量，占当年降雨量的31.42%；2019年最大月降雨量为205.2 mm；2020年最大月降雨量为286.2 mm。

表  2  2018–2020年各试验小区降雨概况

Table  2.  Overview of rainfall at test areas from 2018–2020

年份 Year	降雨 日数 Rainfall days/d	产流 次数 Runoff times	最大月 降雨量 Maximum monthly rainfall/mm	降雨 总量 Annual rainfall/mm	降雨侵蚀力 Rainfall erosivity /(MJ·mm·hm−2·h−1)
2018	140	27	447.4 (6月)	1423.8	848.94
2019	156	35	205.2 (5月)	1388.8	921.15
2020	131	26	286.2 (3月)	1415.0	1463.37

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2.2   降雨量和降雨侵蚀力的月变化趋势

降雨侵蚀力反映了降雨引起的土壤侵蚀的潜在能力。为了表现2018–2020年月降雨量和降雨侵蚀力的变化，将3年内不同月份的降雨量和降雨侵蚀力数据进行标准化处理，选择绘图软件TBtools进行热图绘制。结果如图1所示：3–6月是最主要的降雨月份，2018年中70.91%的降雨集中在3–6月，2019年为47.28%，2020年达到59.85%；4月和6月是2018年降雨侵蚀力最大的两个月份，占当年降雨侵蚀力的61.27%；其中，6月降雨量和月降雨侵蚀力均为当年最高；2019年则集中在5月和8月；2020年的3月、5月和9月是当年降雨侵蚀力最大的3个月份，分别为23.54%、19.09%、17.67%。

图  1  2018–2020年月降雨量和月降雨侵蚀力

图中数据均在不改变数据分布的情况下，按比例缩放进行标准化处理，突显出降雨量和降雨侵蚀力在月份间的变化。图中纵坐标轴表示月份，横坐标表示年份；颜色越红，表明降雨量或者降雨侵蚀力越大；反之越小。

Figure  1.  Monthly precipitation and rainfall erosivity from 2018-2020

Data are standardized by scaling without changing their distribution; monthly changes of precipitation and rainfall erosivity are highlighted; horizontal axis represents year, and vertical axis month; greater precipitation or rainfall erosivity are shown in brighter red color.

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2.3   不同坡地利用模式下径流深、径流系数和土壤流失量差异分析

图2是不同水土保持措施对土壤流失量及径流深的影响，从图中可以发现：T1与T2处理下土壤流失量及径流深均显著高于其他处理下的径流小区；茶园处理（T3和T4）、毛竹处理（T7和T8）以及果园处理（T9）下土壤流失量和径流深均显著低于锥栗（T5和T6）以及裸土处理（T1和T2）。T1的径流深达到520.74 mm，显著高于其他水保措施的径流深；T3处理降低小区径流深效果最佳，为73.30 mm，比T1降低447.44 mm，达到显著水平；T4、T7、T8和T9的径流深分别为T1的24.16%、18.48%、22.78%和19.44%，对径流深的降低效果较好；锥栗园（T6）相对T1有效降低了径流深352.42 mm，但同竹园和果园相比，锥栗园处理下水土保持效果较差。

图  2  2018–2020年不同坡地利用模式下平均径流深、径流系数和土壤流失量对比

不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05）。

Figure  2.  Average runoff depth, runoff coefficient, and soil loss under land use models from 2018 to 2020

Different letters indicate significant difference between treatments (P<0.05).

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裸地（T1）径流系数在所有水土保持措施中最大，为0.39%，T3径流系数最小，仅为0.06%，其他径流小区径流系数表现为T7=T9<T8<T4<T5<T6的趋势，径流系数分别为0.08%、0.08%、0.09%、0.10%、0.13%和0.17%。除T7处理外，小区径流深、径流系数以及土壤流失量皆表现为设置水平台地梯壁种百喜草的茶园和果园对水土保持的效果要优于其他径流小区。除此之外，植被覆盖度高径流小区的年径流深和径流系数均显著低于无植被覆盖的径流小区。

T2处理土壤流失量在所有处理中最高，为143.01 t·hm⁻²。T3能最大程度降低土壤流失量，其土壤流失量为4.63 t·hm⁻²，仅为T2的3.24%，T7、T8和T9土壤流失量均显著低于T2；T6处理较T1能够减少83.21 t·hm⁻²的土壤流失量，降低效率达到58.18%。水土保持措施通过提高径流小区的植被覆盖度，径流小区径流深、径流系数和土壤流失量皆显著低于裸地（T1、T2）。

2.4   最大降雨量月份和最大降雨侵蚀力月份下水土保持措施的效果

将所有月份的降雨量和降雨侵蚀力进行排列，分别找出最大降雨量月份（2018年6月，447.4 mm），最大降雨侵蚀力月份（2020年5月，576.51 MJ·mm·hm⁻²·h⁻¹），进一步分析不同水土保持措施在极端降雨条件下的水土保持效果（图3），结果表明：在最大降雨量月份，T3对土壤流失的缓解效果最佳，土壤流失量仅为T1的4.44%，T7处理下的径流深和径流系数最低，仅为T1的13.75%和14.32%；在所有水土保持措施中T6水土保持效果稍差，仅优于裸土（T1和T2）。

图  3  不同水土保持措施在最大降雨月份和最大降雨侵蚀力月份的效果对比

A为最大降雨量月份；B为最大降雨侵蚀力月份。T_i/T1表示以T1为空白对照，将所有径流小区分别同T1处理的径流深、径流系数和土壤流失量进行比较。

Figure  3.  Effects of different conservation measures on soil erosion in months of maximum precipitation or rainfall erosivity

A: the maximun rainfall month; B: the maximum rainfall erosivity month. T_i/T1 indicates T1 as control for comparisons on runoff depth, runoff coefficient, and soil loss among test lots.

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在最大降雨侵蚀力月份下，T9处理下土壤流失量最低，而径流深和径流系数则在T3小区中呈现最低，值得注意的是，T7处理在最大降雨侵蚀力月份效果要低于水平台地梯壁种百喜草的茶园和果园。所有水土保持措施中，T6处理的水土流失防治效果较差，但依旧能够降低60%以上的径流深以及径流系数。结果表明，植被覆盖可以是一种有效的水土保持措施，能有效提高极端月份下土壤侵蚀防治效果。此外，水平台地的工程措施配合茶园或果园的水土保持措施则是适宜的水土保持措施。

3.   讨论与结论

降雨侵蚀力反映了降雨引起的土壤侵蚀的潜在能力，Wischmeier等^[21]最早提出用最大30 min雨强和降雨总动能乘积作为降雨侵蚀力因子这个指标。降雨总动能由降雨量和单位降雨强度下的降雨动能共同决定，可以作为一种简便的降雨动能的简易估算式^[24]，因此降雨侵蚀力与降雨量存在一定的正相关性；孙丽丽等^[25]对福州降雨侵蚀力的分析同样基于此简易估算式，认为降雨量和降雨侵蚀力月份变化趋势一致。本文结果同前人结果基本一致，但部分月份降雨量同降雨侵蚀力的匹配程度较低。这可能是因为2019年8月和2020年9月的场均降雨强度高，在有限的时间内降雨动能较大，降雨侵蚀力也相对更高，然而月降雨天数和降雨历时短，因此总降雨量同降雨侵蚀力并不匹配。

每年固定的翻耕处理，导致裸土的土壤流失量变大，而径流深和径流系数降低。这可能是由于翻耕后表面土层更为疏松，降雨初期对土壤的侵蚀作用加强，客观增加了土壤流失量；其次，翻耕后土壤结构发生了变化，土体孔隙结构得到改善，提高了饱和导水率，入渗水量增加，降低了径流深。杨倩等研究发现翻耕可显著提高土壤结构，有助于土壤对于水分的蓄存^[26]。其余水土保持措施提高了径流小区的植被覆盖度，降雨过程中径流深和土壤流失量皆显著低于裸地（T1、T2），这是由于坡面种植有一定的植被，降雨过程中冠层及地表覆盖物达到了缓冲效果，减缓了水的运动，降低了泥沙和径流量，达到固土防蚀的目的^[27]。

面对极端降雨条件，水土保持措施的防治效果显得尤为重要^[28]。在最大降雨量月份和最大降雨侵蚀力月份的两种极端月份下，茶园、毛竹园和果园的水土流失防治效果均高于锥栗园。一方面茶园和果园修建了台地等有效的措施，有研究表明水平台地下的工程措施最大程度抑制地表径流的产生^[29]，另一方面顺坡种植锥栗的径流小区，虽然植被覆盖度高，但由于除草等管理措施，林下植被覆盖度较低，赵其国指出，林下植被覆盖度低是土壤流失依然存在的重要原因^[12]。范建荣等^[30]比较了东北地区不同水土保持措施，发现水平台地下的工程措施能最大程度抑制地表径流的产生，顺坡种植模式水土保持效果则较水平台地差。

综上所述，在自然降雨下水平台地梯壁种植百喜草的工程措施配合茶园或果园的种植模式是比较适宜的水土保持措施，即便在极端降雨条件下也能有效减缓土壤侵蚀。