基于降雨-徑流試驗(yàn)的高寒草甸產(chǎn)流機(jī)制研究

魏健美，李常斌，謝旭紅，武 磊，呂佳南，張 媛

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué) 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

1 研究背景

產(chǎn)流是降雨-徑流過程的核心環(huán)節(jié)，產(chǎn)流機(jī)制研究是水文學(xué)基礎(chǔ)理論研究的重要組成部分[1-2]。增溫背景下，極端氣候事件出現(xiàn)的頻次明顯提高，特別是降水的變異度提升，導(dǎo)致產(chǎn)流機(jī)制發(fā)生改變[3]，坡地蓄存、土壤侵蝕和河湖水質(zhì)等都相應(yīng)地發(fā)生變化，給區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水資源合理開發(fā)利用帶來新的挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外學(xué)者在降雨-入滲-產(chǎn)流過程方面已做了許多研究[4-9]，奠定了一定的基礎(chǔ)。歷經(jīng)多年發(fā)展，包括蓄滿、超滲和混合產(chǎn)流等在內(nèi)的產(chǎn)流機(jī)制理論體系已較為成熟和完善[10]。一般地，土壤構(gòu)成基本一致時(shí)，坡度與坡長、降雨強(qiáng)度與歷時(shí)、前期土壤含水量、植被覆蓋等對坡地產(chǎn)流具有重要的影響[11]。朱永杰等[12]就坡度和降雨對狗牙根草地產(chǎn)流的影響進(jìn)行研究，提出了坡度、雨強(qiáng)與產(chǎn)流之間的定性關(guān)系；王輝等[13]通過研究發(fā)現(xiàn)在雨強(qiáng)和坡度較大的情況下，前期土壤含水量對塿土坡面入滲及產(chǎn)流過程的影響不明顯，但對沙黃土坡面產(chǎn)流時(shí)刻的影響較大，通過計(jì)算得出2種土壤坡面最小水土流失量對應(yīng)的前期土壤含水量；趙夢杰等[14]研究了植被覆蓋變化對土壤含水量、坡面入滲及產(chǎn)流的影響，發(fā)現(xiàn)土壤含水量與植被覆蓋關(guān)系密切，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大，達(dá)到穩(wěn)滲時(shí)間越短，植被覆蓋度較大時(shí)地表產(chǎn)流存在滯后效應(yīng)，等等。由于降水和下墊面情形的復(fù)雜多樣，產(chǎn)流機(jī)制存在很強(qiáng)的時(shí)空異質(zhì)性，關(guān)于坡地入滲、產(chǎn)流與環(huán)境因子之間的定量關(guān)系，不同地域和不同研究者得到的結(jié)論不盡相同[15]，相關(guān)理論的應(yīng)用和推廣面臨諸多挑戰(zhàn)，對科學(xué)合理地開發(fā)利用水資源形成阻礙。特別是在缺乏觀測的高寒草甸區(qū)，生態(tài)水文過程研究還相對薄弱，已有研究主要集中在環(huán)境變化對流域或樣方尺度水文過程或植被生態(tài)的影響方面[16-17]，基于野外原位試驗(yàn)的降雨、地形、植被覆蓋等多因子影響下的坡地產(chǎn)流機(jī)制的綜合研究較少見于報(bào)道。

河源區(qū)高寒草甸具有改善水質(zhì)、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、固碳釋氧等多種自然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，也具有為人類提供放牧、旅游等社會(huì)經(jīng)濟(jì)服務(wù)功能[18-19]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類對自然資源的需求日益增加，放牧、工業(yè)化和城市化中存在不可持續(xù)的資源利用模式，導(dǎo)致高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化，出現(xiàn)水土流失、土地荒漠化、草場退化、物種多樣性受損等一系列環(huán)境問題[20-21]，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能退減，反過來影響到區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。涵養(yǎng)水源是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)極其重要的服務(wù)功能[22]，氣候變化和人類活動(dòng)導(dǎo)致高寒草甸水文調(diào)節(jié)功能發(fā)生變異，水源涵養(yǎng)功能發(fā)生退減，區(qū)域水資源的形成演替的不確定性提升。研究變化環(huán)境下的高寒草甸產(chǎn)流機(jī)制，有助于河源區(qū)水文循環(huán)和水資源研究的深入，可為高寒草甸區(qū)水分高效利用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供基本理論依據(jù)。

作為黃河上游重要的水源涵養(yǎng)和補(bǔ)給區(qū)，瑪曲縣以“黃河首曲”知名，域內(nèi)水資源的形成、分布和轉(zhuǎn)化對黃河上游徑流演化、環(huán)境健康和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用[23]。從黃河全流域來看，該區(qū)為中下游地區(qū)提供生態(tài)溢出，生態(tài)保障功能十分顯著?，斍h地處高寒地帶，獨(dú)特的地理、生態(tài)和氣候條件，加之人類活動(dòng)影響，使該區(qū)高寒生態(tài)系統(tǒng)敏感而脆弱[24-26]，極易受環(huán)境變化的影響。氣候變化和人類活動(dòng)影響下，瑪曲高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，重度退化草甸和次生裸地面積增加，牧草比例減少，植被覆蓋度下降，草地退化嚴(yán)重[27-29]，加之沼澤濕地發(fā)生萎縮，區(qū)域水源涵養(yǎng)功能和產(chǎn)水能力退減，河川徑流量自1980年代以來顯著減少[30-31]?，斍h高寒草甸占地最廣，是域內(nèi)最為重要的植被生態(tài)系統(tǒng)。一方面，高寒草甸對該區(qū)降水的二次分配，特別是地表產(chǎn)匯流過程起重要調(diào)節(jié)作用；另一方面，高寒草甸與區(qū)內(nèi)自然生態(tài)系統(tǒng)健康和牧業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展密切相關(guān)。以該區(qū)為例，探究高寒草甸坡面產(chǎn)流機(jī)制，對評估河源區(qū)草甸生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力及研究區(qū)域水資源形成演替具有重要意義。

本研究依托蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，基于野外降雨-徑流試驗(yàn)，對河源區(qū)高寒草甸坡地產(chǎn)流與植被覆蓋、坡度和降雨之間的關(guān)系進(jìn)行定量研究，以期為高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和河源區(qū)水資源合理規(guī)劃利用提供理論和數(shù)據(jù)方法支撐。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河首曲段瑪曲縣境內(nèi)(100°45′45″E—102°29′00″E，33°06′30″N—34°30′15″N)。瑪曲縣地處甘肅省南部，青藏高原東北部，毗鄰四川省若爾蓋與青海省河南蒙古族自治縣，全縣總土地面積10 190.8 km2?，斍h境內(nèi)整體地勢呈西高東低態(tài)勢，黃河從該縣西部流入，經(jīng)南、東、北三向環(huán)繞，形成“第一灣”，境內(nèi)流程約為433 km；域內(nèi)地勢相對平緩，支流縱橫分布，形成大面積的灘涂濕地景觀，是黃河上游重要的水源涵養(yǎng)和補(bǔ)給區(qū)[32-34]。區(qū)內(nèi)海拔多在3 000 m以上，多年平均氣溫1.2 ℃，7月份氣溫最高，2月份最低；多年平均降水616 mm，多集中在5—9月份，屬典型的高原大陸性氣候。

區(qū)內(nèi)土壤以亞高山草甸土和泥炭土為主；土地利用/覆被類型主要包括林地、草地、水域、沼澤濕地、建設(shè)用地和未利用地6類，其中以中覆蓋草地面積最大，占比40.96%；高、中、低覆草地面積總占比達(dá)72.65%(圖1)；各類草地中，又以高寒草甸為主，類型包括草原化草甸、沼澤化草甸、亞高山草甸、灌叢草甸、高山草甸等，是區(qū)內(nèi)最重要的覆被類型，多為品質(zhì)優(yōu)良的牧場。區(qū)內(nèi)人口以藏族為主，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以畜牧業(yè)為主，屬甘肅、青海兩省的重要牧區(qū)。

圖1 瑪曲縣土地利用/覆被類型及面積占比Fig.1 Land use/cover types and area ratio in Maqu County

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

3.1 樣區(qū)布設(shè)及數(shù)據(jù)收集

依托蘭州大學(xué)高寒草甸與濕地生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，分別于2018年和2019年暑期(7—8月份)開展試驗(yàn)，共在4個(gè)樣區(qū)(101°52′20.48″ E，33°40′28.18″N;101°51′54.26″ E,33°40′6.89″N;102°3′46.49″ E,33°57′21.74″N;102°3′46.59″ E，33°57′21.96″N)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1.1 樣 地

瑪曲縣海拔介于3 264～4 780 m之間，絕大多數(shù)地域坡度在30°以下(面積占比約90%)；樣地區(qū)海拔在3 400～3 600 m之間，根據(jù)立地條件，以蓋度和坡度為控制要素選取樣地，面積大小為1 m×1 m。試驗(yàn)采用0.12～0.30 mm/min(中小雨)和0.3～6.0 mm/min(暴雨)2種模式設(shè)計(jì)雨強(qiáng)，含18°、20°和23°共3種坡度，兼顧高(蓋度>50%)、中(蓋度20%～50%)、低(蓋度5%～20%)3種植被覆蓋類型。

3.1.2 試驗(yàn)材料

降雨-徑流試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)的人工降雨裝置進(jìn)行，該裝置主要由抽水裝置、降雨發(fā)生裝置、撐架、自計(jì)雨量筒和地面集水裝置構(gòu)成；有效降雨面積1 m2，通過抽水裝置閥門控制水壓進(jìn)行雨強(qiáng)調(diào)節(jié)，以雨量筒記錄為準(zhǔn)，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)雨滴降落效果良好，降雨均勻系數(shù)在79%以上；集水裝置四周設(shè)置嵌入地下30 cm鋼板，避免試驗(yàn)場內(nèi)的地表產(chǎn)流量與場外產(chǎn)流混淆，下方放置帶刻度的量筒接水。設(shè)計(jì)雨強(qiáng)總體介于0.12～6.00 mm/min之間。

3.1.3 試驗(yàn)記錄

記錄內(nèi)容包括試驗(yàn)日期、降雨開始和結(jié)束時(shí)刻、地表產(chǎn)流開始和結(jié)束時(shí)刻、樣地坡度、蓋度、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index, LAI)、雨強(qiáng)、土壤含水量等。從雨滴下落至地面時(shí)開始計(jì)時(shí)，記為該場次降雨開始時(shí)刻；坡度由地質(zhì)羅盤測量，蓋度目測；LAI采用LI-3000便攜式葉面積儀測定，雨強(qiáng)由翻斗式自計(jì)雨量筒記錄，土壤水分由便攜式土壤水分測定儀(TZS-2X-G)測量，測定深度25 cm，測定時(shí)間待示數(shù)穩(wěn)定后結(jié)束；地表產(chǎn)流由帶刻度的量筒進(jìn)行觀測，每隔1 min對帶刻度的量筒進(jìn)行一次讀數(shù)，記錄每隔1 min產(chǎn)流量變化，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，分析計(jì)算數(shù)據(jù)采用3次試驗(yàn)平均值。各時(shí)段對應(yīng)時(shí)間由秒表讀出。

3.2 數(shù)據(jù)處理與方法

3.2.1 歸一化植被指數(shù)

基于野外試驗(yàn)觀測，研究高寒草甸降雨-產(chǎn)流機(jī)制，擬將所構(gòu)建模式應(yīng)用于區(qū)域尺度草甸變化的產(chǎn)水效應(yīng)評估。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的一個(gè)前提是下墊面因素的型-值轉(zhuǎn)換及應(yīng)用，需要表征下墊面植被覆蓋狀況的因子滿足區(qū)域尺度容易獲取且時(shí)效性較好2個(gè)條件。相較而言，歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)數(shù)據(jù)來源豐富，時(shí)序性好，是最為常見的生態(tài)學(xué)代用指標(biāo)，被廣泛應(yīng)用于地學(xué)、環(huán)境及生態(tài)等領(lǐng)域相關(guān)研究。針對瑪曲縣地理-生態(tài)空間分布格局及該區(qū)高寒草甸植被屬性特征，選用Sun等[35]提出的方法，實(shí)現(xiàn)LAI與NDVI之間的互算，即

(1)

3.2.2 多元回歸

坡面產(chǎn)流是降雨和下墊面共同作用的結(jié)果，降雨因子主要包括累積降雨量、雨強(qiáng)、降雨歷時(shí)等；下墊面因子主要包括坡度、覆被類型、初始土壤含水量、土壤質(zhì)地等。結(jié)合野外試驗(yàn)，經(jīng)分析遴選，以累計(jì)降雨、坡度和NDVI 3個(gè)關(guān)鍵影響因素(環(huán)境變量)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)流(目標(biāo)變量)，構(gòu)建高寒草甸地表產(chǎn)流多元回歸驅(qū)動(dòng)模式，基于模式的應(yīng)用探討不同環(huán)境因子影響下的高寒草甸產(chǎn)流及入滲特征。

4 結(jié)果與分析

4.1 產(chǎn)流特征

4.1.1 不同降雨模式下的產(chǎn)流

高寒河源區(qū)天然降水多具長歷時(shí)、低強(qiáng)度特點(diǎn)，降雨中心地帶累積雨量一般不超過50 mm[36-37]；高寒草甸區(qū)地表覆被較好，多見蓄滿產(chǎn)流模式，特別是植被覆蓋良好、土層較厚地帶土壤蓄容量大，地表產(chǎn)流量很小。以平均雨強(qiáng)為0.12 mm/min(圖2(a))和1.11 mm/min(圖2(b))、植被覆蓋度均在50%以上的2場試驗(yàn)觀測為例，兩者對應(yīng)的小時(shí)雨量分別為7.20 mm/h和66.60 mm/h，分別代表低強(qiáng)度降雨(中小雨模式)和高強(qiáng)度降雨(暴雨模式)。中小雨模式下，高寒草甸區(qū)地表產(chǎn)流時(shí)刻相對滯后，降雨發(fā)生60 min后地表開始產(chǎn)流，地表徑流系數(shù)均值為0.06(圖2中r值)，產(chǎn)流量很低；暴雨模式下，降雨發(fā)生3 min內(nèi)地面即開始產(chǎn)流，平均徑流系數(shù)為0.24。2種模式下，降雨二次分配都以入滲為主，中小雨入滲占比超過90%，暴雨入滲占比超過70%；表明高寒草甸下墊面土-植體系具有較強(qiáng)的降雨蓄容能力。

圖2 2種降雨模式下高寒草甸坡地產(chǎn)流過程Fig.2 Runoff yield processes of alpine meadow slope under two rainfall patterns

4.1.2 地形和雨強(qiáng)對產(chǎn)流的影響

由上述分析可知，高寒草甸系統(tǒng)對降雨的截留和蓄容能力較強(qiáng)，中小雨模式入滲占比超過90%，降雨絕大多數(shù)入滲至土壤層，產(chǎn)流對坡度、雨強(qiáng)的響應(yīng)甚微。暴雨模式下，雨強(qiáng)越大，坡度越陡，地表覆被越差，地表產(chǎn)流發(fā)生的時(shí)刻越提前。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)在3～6 mm/min時(shí)，高寒草甸系統(tǒng)在數(shù)分鐘內(nèi)即可發(fā)生地表產(chǎn)流(見圖3，R2表示決定系數(shù))，坡度較陡和覆蓋稀疏地域(如坡度23°的樣區(qū)，LAI=0.07)，地表幾乎瞬時(shí)起水。相同坡度條件下(以坡度18°的樣區(qū)為例)，產(chǎn)流時(shí)刻與雨強(qiáng)關(guān)系呈現(xiàn)冪函數(shù)倒數(shù)形式，也即隨著雨強(qiáng)減小，產(chǎn)流時(shí)刻發(fā)生明顯的滯后性延長。

圖3 暴雨模式下產(chǎn)流時(shí)刻與雨強(qiáng)和坡度的關(guān)系Fig.3 Relationship between runoff yield time and rainfall intensity under different slope gradients in rainstorm mode

4.1.3 植被覆蓋與初始土壤含水量對產(chǎn)流的影響

下墊面因子對坡面產(chǎn)流過程有重要影響。研究區(qū)草地植被類型占覆被類型總面積的72.65%(圖1)，生長茂盛草甸區(qū)形成致密緊實(shí)的草皮層，下部土質(zhì)較為疏松，降雨截流量大，可有效降低坡面產(chǎn)流。本文以100%蓋度(圖4(a))和40%蓋度(圖4(b))代表未退化草甸和中度退化草甸，取高初始土壤含水量(SMC=80%)和低初始土壤含水量(SMC=40%)共4組試驗(yàn)方案，就不同植被覆蓋與初始土壤含水量組合下的高寒草甸產(chǎn)流特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:不同蓋度情形下，產(chǎn)流發(fā)生時(shí)刻對初始土壤含水量的響應(yīng)有所不同；對未退化高覆蓋草甸而言，不同初始含水量下產(chǎn)流發(fā)生時(shí)刻相近，初始土壤含水量低的樣區(qū)產(chǎn)流時(shí)刻有所滯后，相差較小(圖4(a))；從低蓋度退化草甸的產(chǎn)流時(shí)刻來看，初始土壤含水量較低時(shí)對應(yīng)的產(chǎn)流時(shí)刻有較為明顯的滯后(圖4(b))；土壤初始含水量對不同覆被情形草甸的累積產(chǎn)流量影響明顯；2種植被覆蓋情形下，初始土壤含水量越高，對應(yīng)的地表累積產(chǎn)流量也越大。總體來看，不同初始土壤含水量情形下，高蓋度草甸對應(yīng)累積產(chǎn)流量較低，低蓋度退化草甸的累積產(chǎn)流量較大。

圖4 不同植被蓋度和初始含水量下的地表產(chǎn)流過程Fig.4 Surface runoff yield processes under varied vegetation coverage and initial water content

圖5 植被蓋度與土壤含 水量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between vegetation coverage and soil moisture content

4.2 產(chǎn)流機(jī)制

瑪曲縣地處高寒河源區(qū)，氣溫較低，降水較豐，坡地多，坡面產(chǎn)流機(jī)制的研究較為重要。結(jié)合野外觀測，發(fā)現(xiàn)植被蓋度或LAI/NDVI大的草甸區(qū)，土壤含水量一般也較高，陸表覆被狀況與前期土壤含水量之間相關(guān)性良好(R2=0.82)(見圖5)。為降低統(tǒng)計(jì)回歸中因子之間的互關(guān)效應(yīng)，研究以植被綠度即NDVI作為高寒草甸降雨-產(chǎn)流機(jī)制分析的代表性覆被因子。

4.2.1 回歸模型構(gòu)建

在各種規(guī)范和文獻(xiàn)資料查證的基礎(chǔ)上[38]，根據(jù)野外試驗(yàn)觀測和研究區(qū)降雨屬性特征，按0.3 mm/min雨強(qiáng)進(jìn)行分級，將試驗(yàn)降雨數(shù)據(jù)分為高雨強(qiáng)和中小雨強(qiáng)2種類型，結(jié)合各環(huán)境因子對地表產(chǎn)流進(jìn)行回歸模式擬合。暴雨模式和中小雨模式下地表產(chǎn)流的最佳擬合公式分別為：

(2)

R=0.026P-3.194NDVI+0.017Slope+3.64 ，

R2=0.84 。

(3)

式中：R為地表產(chǎn)流量(mm)；P為累積降雨量(mm)；Slope為坡度(°)；NDVI為歸一化植被指數(shù)，反映地表覆被情況。式(2)中Slope取弧度，式(3)中取坡度。上述公式的率定及驗(yàn)證基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

從所構(gòu)建的回歸模式來看，不同降雨模式下，高寒草甸地表產(chǎn)流機(jī)制有所不同。高強(qiáng)度暴雨模式下(式(2))，坡度和覆被因子對地表產(chǎn)流分別具正向和負(fù)向驅(qū)動(dòng)效應(yīng)，特別是隨著覆被變差(NDVI變小)，地表產(chǎn)流率增高；該模式的缺點(diǎn)在于低NDVI和坡度較大情景下，地表產(chǎn)流率可能>100%，反映了其統(tǒng)計(jì)局限性(有偽產(chǎn)流存在)；從決定系數(shù)來看，所構(gòu)建模式能解釋79%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，說明模式能夠較好地反映覆被退化對高強(qiáng)度降水模式下的地表產(chǎn)流的影響機(jī)制。中小雨強(qiáng)下(式(3))，有約2.6%的降雨轉(zhuǎn)為地面凈雨，覆被狀況對地表產(chǎn)流有負(fù)向消減作用，而坡度具正向驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。因常數(shù)項(xiàng)的存在，即便無降水發(fā)生，該模式也會(huì)輸出一定數(shù)量的“偽地表產(chǎn)流”，這當(dāng)然不符合實(shí)際情況；從決定系數(shù)來看，所構(gòu)建模式能夠解釋84%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總體反映了中小雨模式下高寒草甸區(qū)難以發(fā)生地表產(chǎn)流的基本事實(shí)。

4.2.2 環(huán)境因子對地表產(chǎn)流的影響

暴雨模式下，坡度和地表覆被對地表產(chǎn)流具有顯著影響。以100 mm降水為例，驅(qū)動(dòng)模式輸出的地表產(chǎn)流在覆被較差時(shí)，存在 “偽產(chǎn)流量”(圖6(a)中藍(lán)色陰影區(qū))。NDVI=0.2時(shí)(約對應(yīng)25%蓋度)，45°及以上坡地的降雨全部轉(zhuǎn)化為坡面流(圖6(a)中藍(lán)色實(shí)心橢圓)；NDVI=0.4時(shí)(約對應(yīng)45%蓋度)，55°及以上坡地的降雨全部轉(zhuǎn)化為坡面流(圖6(a)中橙色實(shí)心橢圓)；NDVI=0.6時(shí)(約對應(yīng)70%蓋度)，65°及以上坡地發(fā)生完全地表產(chǎn)流(圖6(a)中灰色實(shí)心橢圓)；隨著覆被情形好轉(zhuǎn)，當(dāng)NDVI≥0.8時(shí)(約對應(yīng)90%及以上蓋度)，所有坡度條件下均有入滲發(fā)生。上述情形表明暴雨模式下，隨著地表覆被情形的不同，高寒草甸區(qū)的產(chǎn)流機(jī)制也不盡相同，地表覆被稀疏區(qū)域趨向于超滲，地表覆被良好的區(qū)域趨向于蓄滿或混合產(chǎn)流。偽產(chǎn)流量的存在是因?yàn)槟Ｊ捷敵龅恼`差。從研究區(qū)歷史降雨觀測資料來看，單次降水達(dá)100 mm的情形相對少見；據(jù)分析，瑪曲縣30°以下坡地占比90%以上，地表覆被情形通常較好，地表產(chǎn)流對應(yīng)圖6(a)中的藍(lán)色虛線橢圓，徑流系數(shù)大致在0.1～0.6之間，意味著相當(dāng)數(shù)量的降雨入滲到土壤層中，符合暴雨條件下高寒草甸區(qū)降雨-徑流過程實(shí)際?？傮w來看，藍(lán)色虛線橢圓能夠較好地刻畫坡度和植被覆蓋對暴雨模式下高寒草甸產(chǎn)流的影響機(jī)制。

圖6 不同降雨模式下高寒草甸產(chǎn)流Fig.6 Runoff yield in alpine meadow under different rainfall patterns

中小雨模式下，仍然存在坡度越緩、覆被越好，地表產(chǎn)流越小的總體特征。以20 mm累積降水為例，各種坡度下，高覆蓋草甸(如NDVI=1)比低覆蓋草甸(如NDVI=0.2)的地表產(chǎn)流量小。從研究區(qū)實(shí)際來看，絕大多數(shù)地域坡度<30°，因此，坡度對高寒草甸區(qū)降雨-徑流過程的調(diào)節(jié)效應(yīng)較低。如圖6(b)中藍(lán)色虛線橢圓所示，受陸表覆被情形和地形因素共同控制，中小雨模式下，高寒草甸區(qū)地表徑流系數(shù)總體介于0.05～0.20之間。

4.2.3 覆被變化對土壤蓄容量的影響

土壤蓄容是生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)力水分支持的主要來源，而降雨入滲是土壤蓄容的前提。忽略可能發(fā)生的土壤側(cè)向流，以降雨入滲作為土壤蓄容的上限，就不同覆被狀況下的高寒草甸的水源涵養(yǎng)能力進(jìn)行初步研究。因研究區(qū)90%以上地域坡度<30°，以20°坡為例進(jìn)行分析。假設(shè)忽略降雨期間可能的蒸發(fā)損失，按水量平衡原理，由降雨減去地表產(chǎn)流得到入滲量。圖7顯示，暴雨模式下，不同覆被情形的土壤入滲比介于46%～63%之間；中小雨模式下，介于88%～93%之間；降雨模式和覆被情形對土壤入滲或蓄容量的影響較為顯著。

圖7 不同降雨模式和蓋度情形下土壤入滲比Fig.7 Soil infiltration ratio under different rainfall patterns and cover conditions

以蓋度90%以上代表高覆蓋草甸，以蓋度30%以下代表退化草甸或重度退化草甸，經(jīng)計(jì)算可知，暴雨模式下，重度退化草甸入滲量比高覆蓋草甸減少約12%；中小雨模式下，減少量降為3%?？梢?，退化草甸的土壤容蓄即涵養(yǎng)能力在暴雨情形下退減顯著，中小雨模式下也發(fā)生降低，但退化所致的負(fù)向效應(yīng)低于暴雨模式。前述分析基于20°坡地開展，適用于前文所構(gòu)建的降雨-產(chǎn)流回歸模式，當(dāng)?shù)匦胃富蚋鼮槠骄彆r(shí)，退化所致的入滲減少量相應(yīng)地發(fā)生增加或減少。

5 討 論

河源區(qū)草甸生態(tài)系統(tǒng)是青藏高原生態(tài)屏障體系的重要組成部分，對黃河上游乃至全流域的生物多樣性保育、水資源涵養(yǎng)、水土保持等發(fā)揮著不可替代的作用。氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生退化，主要表現(xiàn)為高覆被類型向其他類型的轉(zhuǎn)化[39]，由此導(dǎo)致的區(qū)域生態(tài)水文系統(tǒng)異動(dòng)及其效應(yīng)，涉及環(huán)境、生態(tài)和水資源等多個(gè)領(lǐng)域，但相關(guān)研究很少見諸報(bào)道。本文從降雨、覆被、地形等關(guān)鍵因素入手，基于野外試驗(yàn)和模型回歸研究高寒草甸坡面產(chǎn)流機(jī)制，有利于高寒生態(tài)水文研究體系的豐富和發(fā)展。野外調(diào)查、試驗(yàn)觀測和模型分析中發(fā)現(xiàn)，高寒草甸覆被與土壤含水量之間存在正相關(guān)關(guān)系，表明良好的下墊面覆被對應(yīng)較高的土壤蓄容能力，其所能支撐的植被水分消耗即水源涵養(yǎng)功能較強(qiáng)，對河源區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)構(gòu)成正向激勵(lì)，從一個(gè)側(cè)面反映了高寒草甸恢復(fù)與保護(hù)的重要性[40]。

高寒河源區(qū)野外原位降雨-徑流試驗(yàn)開展得較少，本次工作針對瑪曲高寒草甸產(chǎn)流機(jī)制研究開展試驗(yàn)。地表產(chǎn)流影響因素眾多，本文以累積降雨代表降水因子，以坡度代表地形因子，以歸一化植被指數(shù)代表草甸土-植體系生態(tài)因子，對其余如草甸類型、土壤性質(zhì)、坡長等因素的影響未能考慮，所構(gòu)建回歸模型雖然基于試驗(yàn)觀測的經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定，缺乏嚴(yán)格的水文物理學(xué)基礎(chǔ)，但所構(gòu)建模型能夠較好地刻畫高寒草甸區(qū)不同雨強(qiáng)坡面產(chǎn)流機(jī)制，可為具物理意義的流域水文模型的參變量體系構(gòu)建提供數(shù)據(jù)和方法支撐。

6 結(jié) 論

基于野外原位試驗(yàn)分析高寒草甸降雨-產(chǎn)流特征，通過構(gòu)建不同降雨模式下的多因子回歸關(guān)系式，對高寒草甸產(chǎn)流機(jī)制進(jìn)行研究。得出以下主要結(jié)論。

(1)暴雨模式下，產(chǎn)流時(shí)刻與雨強(qiáng)呈倒冪函數(shù)關(guān)系，隨著雨強(qiáng)減小，產(chǎn)流時(shí)刻發(fā)生滯后性延長；中小雨模式下降雨以下滲為主，地表產(chǎn)流很少，坡度、雨強(qiáng)和覆被狀況等環(huán)境因素對其影響較小。

(2)構(gòu)建了2種降雨模式下的地表產(chǎn)流多因子回歸關(guān)系式，暴雨產(chǎn)流回歸模式的決定系數(shù)為0.79。中小雨產(chǎn)流回歸模式的決定系數(shù)為0.84?；貧w模式能夠較好地反映高寒草甸區(qū)不同降雨模式下地表產(chǎn)流機(jī)制。

(3)暴雨模式下高寒草甸地表徑流系數(shù)在0.1～0.6之間，中小雨模式下地表徑流系數(shù)在0.05～0.20之間；地表覆被退化對土壤入滲有負(fù)向影響，植被覆蓋越低，土壤入滲量越??；對比2種降雨類型，退化草甸在暴雨模式下其土壤入滲減少更明顯。