丹江口库区是南水北调中线工程的重要水源地^[1]。水源区石漠化面积高达4万7 800 hm²，淅川县为2万9 870 hm^2[2]。丹江及其支流流域面积占淅川县总面积的93.50 %^[3]。淅川县是丹江口水库的56.00%水域所在地，是南水北调中线工程核心水源地、渠首所在地及重要生态屏障^[4]。淅川县石漠化地区基岩主要为石灰岩，土壤以紫色土为主，质地主要为壤土。河南省淅川县2010年《耕地地力评价技术报告》表明紫色土土壤面积为1万6 547.26 hm²，占全县土壤的7.73%，壤土面积占全县的88.53%。水源地先后进行了大规模封山育林、人工造林等综合治理措施^[4]，目前淅川县有林地面积达到12.06万hm²，疏林地0.23万hm²，灌木林地0.47万hm^2[3-4]，宜林荒山荒地和坡耕地0.50万hm²；但由于坡面水土流失仍然比较严重，急需对该地区不同植被类型的坡面产流产沙特征进行探索，为植被恢复提供科学指导。

研究表明，降雨是水土流失发生的先决条件，次降雨的降雨量、降雨强度、降雨历时、降雨侵蚀力等降雨因子对坡面水土流失产生影响^[5-6]，坡面产流产沙不仅取决于降雨因子，还受土地利用类型的影响^[7]，Cerdà^[8]认为植被类型对土壤侵蚀的影响占主导地位。蒋荣等^[9]发现贵州喀斯特地区的经济林减流减沙效益最优，人工草地由于没有林冠层的截留作用，减流减沙效益较差；陈洪松等^[10]在桂西北喀斯特地区的研究表明落叶乔木林地、常绿乔木林、落叶常绿混交林、草本饲料区的减流减沙效益较好；彭韬等^[11]研究表明喀斯特地区放牧的稀疏灌丛土壤侵蚀最严重，其次是坡耕地。目前对喀斯特地区坡面不同植减流减沙效益的研究较少且结论不一，主要集中在云贵高原和四川西南部，对于丹江口库区的喀斯特地区产流产沙特征研究较少。笔者选择南水北调中线工程渠首典型喀斯特地区河南省南阳市淅川县，以油桐疏林地、马尾松林地、坡耕地、荒草地、白刺花灌草地等5种淅川县分布广泛的植被覆盖类型为研究对象，进行自然降雨下标准径流小区水土流失监测试验，分析不同植被覆盖类型及降雨特征对坡面产流产沙的影响，以期为库区喀斯特地区的植被建设提供理论基础，结果对库区石漠化综合治理和水土流失防治具有重要的科学意义。

研究区位于河南南阳淅川县中国林科院荒漠生态系统定位观测研究站(E 111°16′48.26″ ~111°17′28.76″，N 33°03′24.25″ ~ 33°04′18.80″)。地处大石桥东沟小流域，位于豫宛西南秦巴山陲丹江水库上游，距县城39 km，面积为0.78 km²(图 1)。气候为北亚热带大陆性季风气候。年平均气温14 ℃，最高气温42 ℃，最低气温-14.20 ℃，多年平均日照时间1 396 h，无霜期236 d，≥10 ℃的积温4 500 ℃，太阳总辐射量110.80 J/cm²，年平均降水量804.3 mm，7—9月降水量约占年降水总量49%，多以暴雨形式出现。流域内基岩裸露度不等，平均值为16.42%。基岩为石灰岩，土壤为紫色土，坡面土层厚度较浅大致呈现10~30 cm不等，地表砾石(粒径>2 mm)体积分数10% ~40%，土壤pH值7.38~8.53，土壤质地为壤土。流域内植被类型包括荒草地、撂荒地、灌草地、疏林地、乔木林地5种植被类型，分布面积分别占流域总面积的68.11%、6.75%、15.15%、2.27%、7.72%。乔木主要有侧柏(Platycladus orientalis (L.) Franco)、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)、油桐(Vernicia fordii (Hemsl.) Airy Shaw)等，灌木主要有白刺花(Sophora davidii (Franch.) Skeels)、酸枣(Ziziphus jujuba Mill. var. spinosa (Bunge) Hu ex H. F. Chow)等，草本主要有龙须草(Juncus effusus)、白茅(Imperata cylindrica (L.) Beauv.)、小蓬草(Conyza canadensis (L.)Cronq.)、荩草(Arthraxon hispidus (Thunb.) Makino)等。

图 1(Fig. 1)

图 1 研究区位置 Fig. 1 Location of the study area

2015年在研究区内设置5个长20 m宽5 m，集水面积为100 m²的标准径流小区，坡度设置为25°(淅川县喀斯特地区坡度多为> 16°，坡度在25°时喀斯特面积最广^[12])。各径流小区周围设置水泥围梗，下部设置带盖的1 m×1 m的集流池，坡向为正东方向，土壤为紫色土。pH值为7.38~8.53，密度1.35~1.49 g/cm³，砾石体积分数10%~40%，黏粒0.28%、粉粒29.13%、砂粒71.04%，质地为壤土。各小区分别布设油桐疏林地、马尾松林地、坡耕地、荒草地、白刺花灌草地5种具有代表性的植被覆盖类型，其中：油桐疏林地、荒草地属于原生植被，乔木林以鱼鳞坑方式3 000株/hm²的造林密度栽植5年生马尾松)，存活率高达100%；灌草地以10 000株/hm²的造林密度栽植白刺花存活率高达40%；坡耕地种植玉米，每月进行1次除草。各径流小区的基本情况见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 标准径流小区基本情况 Tab. 1 Basic situation of the standard runoff plots  % 编号 No. 植被类型 Vegetation type 乔木覆盖度 Canopy density 灌木盖度 Shrub coverage 草本盖度 Herb coverage 总盖度 Total coverage 主要植物 Main plants Ⅰ 油桐疏林地 Sparse forest of Vernicia fordii (Hemsl.) Airy Shaw 10 5 15 30 油桐、酸枣、白茅 Vernicia fordii(Hemsl.) Airy Shaw, Ziziphus jujuba Mill. var. spinosa (Bunge) Hu ex H. F. Chow，Imperata cylindrica (L.) Beauv. Ⅱ 马尾松林地 Forest of Pinus massoniana Lamb. 40 — 15 50 马尾松、白茅 Pinus massoniana Lamb.，Imperata cylindrica (L.) Beauv. Ⅲ 坡耕地 Slope farmland — — — 25 玉米 Zea mays L. Ⅳ 荒草地 Grassland — — 75 75 小蓬草、白茅 Conyza canadensis(L.)Cronq.，Imperata cylindrica (L.) Beauv. Ⅴ 白刺花灌草地 Shrubs of Sophora davidii (Franch.) Skeels — 25 30 40 白刺花、小蓬草 Sophora davidii(Franch.) Skeels, Conyza canadensis (L.)Cronq

表 1 标准径流小区基本情况 Tab. 1 Basic situation of the standard runoff plots  %

3554 WD翻斗式自记雨量计监测次降雨的降雨过程，频率为1 min，统计次降雨的降雨量(P)、平均降雨强度(I)、最大10 min降雨强度(I₁₀)、最大30 min降雨强度(I₃₀)、最大60 min降雨强度(I₆₀)、降雨历时(T)等降雨特征。用钢尺测定集水池水深(h)，采用体积法计算各小区每场降雨的产流量(R)、径流深(H)。充分搅匀泥水，采集3瓶1 000 mL泥水混合样，将样品进行过滤、烘干、称量，计算各小区每场降雨的产沙量(E)和产沙模数(M_s)(表 2)。

表 2(Tab. 2)

表 2 次降雨的坡面产流产沙量 Tab. 2 Runoff and sediment yield in each raifall event 日期 Date 产流量Runoff/L 产沙量Sediment yield/g RⅠ RⅡ RⅢ RⅣ RⅤ EⅠ EⅡ EⅢ EⅣ EⅤ 2018-07-09 4.39 4.29 2.86 4.69 4.23 23.00 8.90 29.86 7.48 9.12 2018-07-28 6.01 3.89 4.41 4.86 8.01 12.78 3.03 7.97 2.90 28.75 2018-07-29 38.37 30.37 40.17 69.17 56.99 162.87 92.07 533.47 351.82 368.92 2018-08-02 87.17 84.17 46.57 83.27 58.17 420.00 340.09 768.03 217.46 279.21 2018-08-09 32.17 24.17 30.17 59.17 42.17 251.19 63.05 371.81 108.73 155.84 2018-08-15 8.30 7.95 7.32 7.44 10.42 14.12 7.39 17.76 2.80 9.77 2018-08-16 17.25 14.77 17.40 13.13 16.53 77.82 33.78 167.89 19.71 59.56 2018-09-01 6.87 5.57 5.25 4.27 4.75 7.86 5.63 15.18 1.64 4.79 2018-09-19 21.00 17.39 15.22 14.47 16.88 24.75 11.43 166.90 2.38 34.22 平均值Mean 24.61 21.40 18.82 28.94 24.24 110.49 62.82 230.98 79.44 105.58 标准偏差Standard error 24.86 23.85 15.45 30.15 20.81 134.90 102.22 256.05 118.59 126.39 注：1)RⅠ、RⅡ、RⅢ、RⅣ、RⅤ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的地表产流量。2) EⅠ、EⅡ、EⅢ、EⅣ、EⅤ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的地表产沙量。3)由于2018年6月18日小区集流池径流部分漏失，数据不用于产流产沙分析。下同。Notes: 1)RⅠ, RⅡ, RⅢ, RⅣ, and RⅤ is surface runoff of plot Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, and Ⅴ respectively. 2)EⅠ, EⅡ, EⅢ, EⅣ, and EⅤ are their surface erosions. 3) Because of the partial leakage of runoff in the collecting pool on June 18, 2018, the data are not used for the analysis of runoff and sediment yield. The same below.

表 2 次降雨的坡面产流产沙量 Tab. 2 Runoff and sediment yield in each raifall event

采集2018年降雨特征及产流产沙量监测数据，运用Excel 2013和SPSS 21软件进行数据分析处理。

侵蚀性降雨集中于2018年6—9月，据当地水文站2013—2018年气象数据表明6—9月期间≥10 mm(易引起侵蚀的降雨)的降雨场次占全年降雨场次的72.22%~94.12%，2018年6—9月≥10 mm的降雨场次占全年的90.00%，2018年的观测数据具有代表性。2018年侵蚀性降雨按降雨类型分级标准^[5]，包括1场小雨、5场中雨、3场大雨及1场大暴雨。降雨量为7.70 mm降雨强度为12.40 mm/h的降雨引发产流产沙，降雨量为14.20 mm降雨强度为0.36 mm/h的降雨未能引发产流产沙，说明该地区的水土流失情况不仅受降雨量的影响还受其他降雨特征的综合影响，短历时、高强度的降雨易引起产流产沙，长历时、低强度的降雨不易引起产流产沙。

选取次降雨的P、I、I₁₀、I₃₀、I₆₀、T与各径流小区产流产沙量进行相关性分析(表 3)。

表 3(Tab. 3)

表 3 产流产沙量与降雨特征的相关性 Tab. 3 Correlation between runoff, sediment yield and rainfall data 产流产沙量 Runoff and sediment yield 降雨量 Rainfall (P) 降雨历时 Duration of rainfall (T) 平均降雨强度 Mean rainfall intensity per 10 min(I) 最大10 min降雨强度 Maximum rainfall intensity per 10 min(I10) 最大30 min降雨强度 Maximum rainfall intensity per 30 min(I30) 最大60 min降雨强度 Maximum rainfall intensity per 60 min(I60) RⅠ 0.83** 0.04 0.07 0.57 0.71* 0.66 RⅡ 0.78* 0.01 0.04 0.52 0.66 0.60 RⅢ 0.96** 0.15 0.19 0.80** 0.85** 0.80** RⅣ 0.97** 0.09 0.19 0.77** 0.89** 0.86** RⅤ 0.97** 0.16 0.16 0.82** 0.87** 0.83** EⅠ 0.87** -0.15 0.31 0.60 0.86** 0.82** EⅡ 0.72* -0.08 0.02 0.51 0.64 0.60 EⅢ 0.92** 0.12 0.13 0.74 0.81* 0.77** EⅣ 0.86** 0.30 -0.06 0.90** 0.75* 0.72* EⅤ 0.91** 0.25 0.02 0.90** 0.80* 0.76** 注：*和**分别表示相关程度为显著(P < 0.05)和极显著水平(P < 0.01)。Notes: * and ** indicate that the degree of correlation is significant (P < 0.05) and extremely significant (P < 0.01).

表 3 产流产沙量与降雨特征的相关性 Tab. 3 Correlation between runoff, sediment yield and rainfall data

由表 3可知，产流产沙量与P、I₁₀、I₃₀、I₆₀均呈正相关关系。与P相关性系数最大且呈显著相关(P < 0.05)，与I、T相关性不显著(P>0.05)，说明丹江口库区喀斯特地区坡面产流产沙量主要受P影响，而受I、T影响较弱。由于喀斯特坡面砂粒含量较高入渗率大，产流多为蓄满产流^[13]，所以坡面产流产沙主要受P的影响。

对各小区径流深H(mm)与产沙模数M_s(t/km²)进行回归分析(表 4)，H与M_s拟合度较好(R²>0.5)，呈显著线性正相关关系，说明该地区次径流深均可较准确的预测次侵蚀量的多少。

表 4(Tab. 4)

表 4 径流深与产沙模数的回归分析 Tab. 4 Regression analysis of runoff depth and sediment modulus 编号 No. 回归方程 Regression equation R2 Sig F Ⅰ Ms=5.16H-0.167 0.95 0.00 65.09 Ⅱ Ms=4.353H-0.223 0.95 0.00 126.02 Ⅲ Ms=16.326H-0.762 0.97 0.00 233.55 Ⅳ Ms=3.489H-0.215 0.79 0.00 25.85 Ⅴ Ms=5.843H-0.36 0.93 0.00 86.83 注：1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分别表示油桐疏林地、马尾松林地、坡耕地、荒草地、白刺花灌草地；2)H为径流深，Ms为与产沙模数；3)拟合样本n=9。下同。Notes: 1)Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ are sparse forest of Vernicia fordii (Hemsl.) Airy Shaw，forest of Pinus massoniana Lamb.，slope farmland，grassland and shrubs of Sophora davidii (Franch.) Skeels. respectively. 2)H is the runoff depth, Ms is the modulus of sediment; 3) Fit samples n=9. The same below.

表 4 径流深与产沙模数的回归分析 Tab. 4 Regression analysis of runoff depth and sediment modulus

对不同植被覆盖类型的累积产流产沙量进行配对t检验，结果显示：除Ⅰ与Ⅴ累积产流产沙量差异性不显著(P>0.05)，其他植被覆盖类型间地表产流产沙量均有显著差异(P < 0.05)。绘制累积降雨量与累积产流量拟合曲线(图 2)，累积产流量呈Ⅳ>Ⅰ、Ⅴ>Ⅱ>Ⅲ。Ⅳ的累积产流量较大，主要是由于Ⅳ植被覆盖度较高，根系固结作用增加土壤团聚体，地表土壤形成生物结皮，导致表层土壤渗透性较弱，产流量较大。Ⅲ的累积产流量较小，坡耕地经过人工翻耕，增加地表孔隙和裂隙，且喀斯特地区基岩裸露及砾石含量较高，增强地表入渗率^[15]，使得地表水分漏失加剧，导致其产流量远低于其他植被覆盖类型。

图 2(Fig. 2)

图 2 不同植被覆盖类型的产流量差异 Fig. 2 Differences in runoff among different vegetation types

绘制累积降雨量与累积产沙量拟合曲线(图 3)：累积产沙量呈现Ⅲ>Ⅰ、Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ，表明Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ有明显的减沙效果。Ⅲ的产沙量较大，主要是由于Ⅲ土壤疏松地表，地表植被较少，根系固结作用较弱，即使产生的地表产流量较少也能够产生较大的侵蚀量；在不考虑的Ⅲ、Ⅳ条件下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ累计产流产沙量呈现Ⅰ>Ⅴ>Ⅱ趋势，Ⅰ、Ⅴ覆盖度较小地表裸露严重，抗雨水冲刷以及拦蓄水沙的能力都较差，Ⅱ的植被覆盖度高达50%，林冠截留作用能够减弱林下降雨冲刷作用减弱地表径流流速加快地表入渗从而减小地表产流产沙量，说明林地植被覆盖度越大，产流产沙量越小。

图 3(Fig. 3)

图 3 不同植被覆盖类型的产沙量差异 Fig. 3 Differences in sediment yield among different vegetation types

1) 不同植被覆盖类型产流产沙量与P呈显著正相关关系(P < 0.05)，产沙量与产流量呈显著线性正相关关系(P < 0.05)。与陈美淇等^[13]、许海超等^[14]研究结论一致，说明降雨量可较准确的预测次降雨条件下的产流产沙情况，坡面形成有效径流是坡面发生土壤侵蚀的前提，雨滴溅蚀使土壤颗粒脱离原始较稳定的土壤结构，其次分散的土壤颗粒随径流流动而迁移或损失引起土壤侵蚀，再一次验证了地表径流是坡面产沙的主要原动力之一。

2) 不同植被覆盖类型累积产流量呈现Ⅳ>Ⅰ、Ⅴ>Ⅱ>Ⅲ，累积产沙量呈现Ⅲ>Ⅰ、Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ，其中除Ⅰ与Ⅴ间无显著差异(P>0.05)，其他植被类型间的累积产流产沙量差异显著(P < 0.05)。坡耕地、疏幼林地、稀疏灌草地水土流失情况严重亟待治理，乔木林地有明显的水土保持效果。与张信宝等^[15]在西南喀斯特地区的研究结果一致，喀斯特地区经过人工翻耕的坡耕地漏水漏肥现象严重，不仅减弱土壤生产力而且严重污染河流水库。针对喀斯特地区地表水漏失严重问题，加强地表产流产沙的治理同时也需要增强地下水土流失规律的探索。为了加大该区域喀斯特地区治理强度，提高林地覆盖度可充分发挥植被恢复的水土保持效益。这对在南水北调中线工程水源地喀斯特地区的水土保持生态恢复植被重建具有重大启示意义。