模擬降雨下黃土坡面水沙過程對3種灌草植被垂直結構變化的響應

趙炯昌, 衛(wèi) 偉, 段興武

1 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085 2 云南大學國際河流與生態(tài)安全研究院,昆明 650591 3 中國科學院大學,北京 100049

植被恢復與建設是干旱半干旱地區(qū)防治水土流失的重要措施[1- 2]。植被對土壤侵蝕的影響主要取決于植被類型[3- 4]、植被覆蓋度[5]、植被格局[6- 8]以及植被地上部分的冠層(葉和莖)、枯落物[9- 10]和地下部分的根系[11]等方面。冠層和枯落物能夠有效截留降雨、消減雨滴動能和延緩產流時間[12- 13]；根系能夠促進土壤團聚體穩(wěn)定性及其有機碳固定,改善土壤結構[14- 16]。植被垂直結構指植被從冠層葉、莖到地表枯落物再到地下根系的垂直分布與配置[17],植被垂直結構不同組分均直接或間接影響降雨再分配、土壤水分入滲、產流匯流和產沙輸沙等水文過程。

植被與水土流失之間的研究以往多集中在植被全株或地上部分,而且許多相關研究并未對根系采取相應的處理,僅以地上部分來代表植被整體狀況,這在不同程度上忽略或低估了根系在水沙過程中發(fā)揮的作用。Zhao等[18]發(fā)現(xiàn)沙打旺通過根系和冠層的共同作用來控制土壤侵蝕,而且根系的作用大于冠層。不同的植被由于其分層結構和形態(tài)特征(如植被高度、葉面積、根直徑等)之間差異顯著,對水土流失的影響也不同[19]。通常認為草本植物的地上部分在減少徑流方面發(fā)揮較大作用,而根系則在控制侵蝕方面發(fā)揮著較大作用[20- 23]。然而,也有研究認為草地地上部分和根系在減少徑流方面的貢獻基本相同,森林根系對減流和減沙的相對貢獻均大于地上部分[24]。目前,關于植被垂直結構不同組分對減流減沙效益相對貢獻方面的研究并沒有形成較為一致的結論。

黃土高原是世界上水土流失最嚴重的地區(qū)之一,也是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[25]。退耕還林還草工程實施以來,植被生態(tài)系統(tǒng)結構和功能明顯提升,并且驅動著土壤近地表特性發(fā)生相應的變化,主要體現(xiàn)在植被莖稈覆蓋、枯落物、結皮和植物根系系統(tǒng)等方面[26]。草本和灌木是黃土高原地區(qū)分布最典型的生態(tài)系統(tǒng)類型?；诖?本研究選取該地區(qū)典型人工草灌植被(沙棘、檸條、苜蓿),從上至下逐層去除近地表因子(葉、莖、枯落物、根系),定量分析植被垂直結構各組分減流減沙效益的相對貢獻,探究植被地上和地下各部分調控坡面侵蝕的機理。本研究能夠更好地理解植被及其垂直結構組分在坡面水沙過程中發(fā)揮的作用,為定量評價黃土丘陵區(qū)植被水土保持效益和選擇適宜的水土保持物種提供相應的科學依據(jù)和理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of study area

研究區(qū)位于甘肅省定西市安家溝小流域(35°33′—35°36′N, 104°38′—104°41′E),地處黃土高原西南緣,屬于黃河流域祖厲河水系,流域面積8.54 km2,海拔1917—2234 m(圖1)。流域內年均溫6.8℃,多年平均降雨量421 mm,降雨主要集中在7—9月,并且多以暴雨形式發(fā)生。流域地貌主要包括梁峁坡、溝谷及階坪地三大類型,地形支離破碎,溝壑縱橫。流域土壤質地單一,有機質含量低,抗蝕抗沖性差,易發(fā)生水土流失。流域內現(xiàn)有植被以人工種植為主,主要包括油松(Pinustabulaeformis)、側柏(Platycladusorientalis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、檸條(Caraganakorshinskii)、苜蓿(Medicagosativa)等。

1.2 試驗設計

根據(jù)坡地形態(tài)和模擬降雨裝置,試驗小區(qū)設置為長3 m、寬1.5 m,共4.5 m2,坡度為黃土高原常見退耕坡度15°,共設四個試驗小區(qū),地表植被分別為沙棘、檸條、苜蓿以及裸地作為對照參考,不同試驗小區(qū)的表層(0—20 cm)土壤屬性見表1。小區(qū)邊界由30 cm鐵皮圍成,入土深度為10 cm。為避免土壤性質和坡向對試驗結果的影響,小區(qū)布設在同一坡面,并且在小區(qū)建立之前,進行人工平整以減少微地形變化對試驗的影響。

沙棘、檸條和苜蓿均從上至下依次去除葉、莖和枯落物,具體分為:全株、除葉、除莖葉、僅留根系四種處理。試驗開始前調查植被參數(shù),并分別收集去除的葉、莖和枯落物,帶回實驗室稱重,不同試驗小區(qū)地表植被參數(shù)見表2。

表1 不同試驗小區(qū)表層(0—20 cm)土壤屬性

表2 不同試驗小區(qū)地表植被參數(shù)

1.3 試驗過程

模擬降雨系統(tǒng)由美國農業(yè)部國家土壤侵蝕研究實驗室研發(fā),采用先進的振蕩式原理模擬自然降雨過程,其主要組成部件包括噴頭、控制器、水閥、水泵和腳架[27]。噴頭離地面4 m,以保證系統(tǒng)產生的雨滴分布和動能近似自然降雨。通過水閥調節(jié)水壓及控制器調整噴嘴轉動頻率,從而改變降雨強度。根據(jù)黃土高原侵蝕性降雨標準并結合當?shù)貧庀筚Y料分析,雨強設定為典型暴雨雨強90 mm/h。

模擬降雨試驗于2020年7—8月晴朗無風的白天開展,每個處理均進行兩次重復,共計26場降雨。每次降雨之前進行降雨強度和降雨均勻度的率定,保證雨強達到(90±3) mm/h且降雨均勻度大于85%,保證試驗過程中降雨的均勻性和穩(wěn)定性。與此同時,采用便攜式TDR—Uni1000土壤水分速測儀在試驗小區(qū)的上、中、下三個部位測定土壤含水量,控制前期土壤含水量在(15±1)%,從而消除其對產流產沙過程的影響。每次試驗自坡面開始產流后持續(xù)60 min,每隔2 min接取1次地表徑流泥沙樣品,每次接取30 s,共接取30個樣品,靜置一段時間后將所取樣品在室內進行稱重、烘干,計算產流產沙量。每隔0.5 m設置一個斷面,自產流開始后,每10 min使用KMnO4溶液測定每個斷面的流速。為比較不同產流時期水土流失過程的變化,將產流后0—20 min、20—40 min、40—60 min分別定義為產流初期、中期、后期。

1.4 指標測算

研究認為染色示蹤法測定的流速為坡面流表層優(yōu)勢流速,實際中通常乘校正系數(shù)得到坡面流平均流速[20],計算公式如下:

V=α×VS

(1)

式中,V為坡面流平均流速(cm/s)；Vs為坡面表層優(yōu)勢流速,即本研究KMnO4溶液測定的流速(cm/s)；α為校正系數(shù),其中0<α≤1,實際中根據(jù)坡面流流態(tài)α取不同值,層流為0.67,過渡流為0.7,紊流為0.8,本研究α取0.67。

由于坡面水層極薄以及下墊面條件等方面的限制,難以直接測量水深,研究中常假定水流在坡面上均勻分布,計算公式如下:

(2)

式中,h為水深(cm)；q為單寬流量(cm3/s)；V為坡面流平均流速(cm/s)；Q為t時間段內的徑流量(mL)；B為過水斷面寬度(cm)；t為徑流取樣歷時(s)。

3種植被(i=沙棘、檸條、苜蓿)四種不同垂直結構(j=全株、除葉、除莖葉、根系)的減流效益計算公式如下:

(3)

式中,CSij為植被不同垂直結構的減流效益；Sij為植被不同垂直結構的產流量；Sb為裸地的產流量。同理,可推導出不同植被垂直結構的減沙效益和降低流速效益。

不同植被垂直結構組分減流效益的相對貢獻,其計算公式如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,RC葉、RC莖、RC枯落物、RC根系分別為葉、莖、凋落物、根系減流效益的相對貢獻；CSi(全株)、CSi(除葉)、CSi(除莖葉)、CSi(根系)分別為全株、去葉、去莖葉、根系的減流效益。同理,可推導出不同植被垂直結構減沙效益和降低流速效益的相對貢獻。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P=0.05)。使用Origin 2018軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同植被垂直結構產流過程

沙棘、檸條和苜蓿不同植被垂直結構及裸地產流率隨產流時間的變化如圖2所示。在滿足前期土壤含水量和試驗雨強基本一致的條件下,3種植被不同垂直結構及裸地的坡面產流過程存在明顯差異,總體上均呈現(xiàn)出產流率在產流初期迅速上升、中后期緩慢增加趨于穩(wěn)定的變化趨勢,而且裸地產流率的增加速度高于植被小區(qū)。相較于沙棘和苜蓿,檸條的產流過程變化更加平穩(wěn)。以裸地作為對照,沙棘、檸條和苜蓿全株均顯著降低了徑流量(P<0.05),分別降低了35.15%、32.49%和44.86%(表3)。沙棘、檸條和苜蓿的減流效益在產流初期為73.04%、70.91%和82.71%,產流中期為48.06%、32.89%和60.43%,產流后期為37.61%、26.11%和48.62%。3種植被的減流效益均在產流初期最高,且隨著產流時間的增加,減流效益逐漸降低(表4)。

圖2 不同植被垂直結構產流率變化Fig.2 Runoff rate under different vegetation vertical structure

流速和徑流深是坡面流最重要的兩個水動力學參數(shù),也是計算其他水動力學參數(shù)的基礎。坡面徑流的流速直接關系到坡面侵蝕的土壤分離、泥沙輸移和沉積過程。如表3所示,裸地的流速和徑流深分別為0.24 mm/s和0.24 mm,而沙棘、檸條和苜蓿的流速分別為0.18、0.18、0.13 mm/s,徑流深分別0.21、0.19、0.16 mm,3種植被的流速和徑流深均顯著低于裸地(P<0.05)。沙棘、檸條和苜蓿全株、除葉、除莖葉及僅留根系四種處理的流速和徑流深平均分別為0.16、0.17、0.20、0.21 mm/s和0.17、0.21、0.22、0.23 mm,流速和徑流深均著葉、莖及枯落物的依次去除而增加。

2.2 不同植被垂直結構產沙過程

沙棘、檸條和苜蓿不同植被垂直結構及裸地產沙率隨產流時間的變化如圖3所示。產沙過程相較于產流過程比較復雜,波動起伏變化更加劇烈。其中,裸地產沙過程的波動最為強烈,波動范圍為22.14—78.30 g m-1min-1,產沙率也一直處于較高水平。如圖4所示,相較于裸地對照,沙棘、檸條和苜蓿均顯著降低了侵蝕量(P<0.05),減沙效益分別為72.99%、80.63%和75.25%,且3種植被全株的減沙效益均高于減流效益(表3)。不同于沙棘、檸條和苜蓿在不同產流時期的減流效益變化的一致性,3種植被在不同產流時期的減沙效益有所差異,沙棘在產流初期、中期及后期的減沙效益逐漸降低,分別為80.00%、70.49%和61.42%,苜蓿在產流初期、中期及后期的減沙效益先增加后降低,分別為75.05%、79.74%、69.35%,而檸條在產流初期、中期及后期的減沙效益沒有明顯變化,分別為80.70%、80.00%和81.36%(表4)。

表3 不同植被垂直結構的坡面徑流侵蝕相關參數(shù)

表4 不同產流時期植被減流減沙效益

圖3 不同植被垂直結構產沙率變化Fig.3 Sediment yield rate under different vegetation vertical structure

如表3所示,坡面徑流含沙量由降雨期間的徑流量和侵蝕量共同決定。裸地的徑流含沙量最高,為35.134 g/L,徑流含沙量從高到低為檸條(15.076 g/L)、沙棘(11.286 g/L)和苜蓿(22.422 g/L),相較于裸地對照,3種植被均顯著降低(P<0.05),而苜蓿的徑流含沙量顯著高于沙棘和檸條(P<0.05)。

圖4 不同植被垂直結構徑流量和侵蝕量Fig.4 Runoff and sediment under different vegetation vertical structure不同字母表示相同植被不同垂直結構間差異顯著(P<0.05)

2.3 不同植被垂直結構的相對貢獻

沙棘、檸條及苜蓿不同植被垂直結構對于減流和減沙的相對貢獻如圖5所示。沙棘、檸條和苜蓿地上部分減流的相對貢獻分別為75%、67%和84%,根系的相對貢獻為25%、33%和16%；而對于減沙效益而言,地上部分的相對貢獻為13%、32%和21%,根系的相對貢獻為87%、68%和79%?？傮w來說,植被地上部分對徑流的減少發(fā)揮更重要的作用,平均相對貢獻度為75%；而根系對侵蝕量減少的貢獻更大,平均相對貢獻度為78%。對于植被地上部分不同組分(葉、莖和枯落物)而言,沙棘、檸條和苜蓿對于減流相對貢獻具有一定的差異,沙棘和檸條的枯落物相對貢獻較大,而苜蓿的莖則發(fā)揮更大的作用；而對于減沙效益的相對貢獻而言,葉、莖和枯落物的相對貢獻均較小。

圖5 不同植被垂直結構減流和減沙的相對貢獻Fig.5 Relative contributions of different vegetation vertical structure in runoff reduction and erosion reduction

3 討論

相較于裸地,沙棘、檸條和苜蓿3種植被類型下的坡面徑流量、流速和侵蝕量均顯著減少,一方面是由于裸地缺乏植被地上部分的保護作用,使得降雨直接沖擊地表,較大的雨滴動能易造成土壤孔隙堵塞,進而導致坡面入滲減少、產流增加；另一方面,植被冠層及其根系對徑流和泥沙具有一定的攔截作用,能夠延緩地表徑流,降低坡面徑流速率、防止土壤濺蝕[28- 29]。此外,植被改善了土壤的孔隙度、團粒結構和有機質含量等方面,從而提高了土壤對于徑流侵蝕的抵抗力[15]。

沙棘、檸條和苜蓿在不同產流時期的產流過程變化趨勢基本一致,而且減流效益均在產流初期、中期和后期逐漸下降。分析認為在產流初期,受植被冠層截留降雨作用的影響,各處理產流率均較小,隨降雨歷時的增加,各處理產流率迅速增加。3種植被類型的坡面產沙過程均有不同程度的變化,但總體呈現(xiàn)侵蝕峰值基本出現(xiàn)在產流初期,之后迅速降低,產流中后期趨于波動穩(wěn)定的趨勢。這可能是由于降雨開始前地表表層疏松或結皮的影響使得產流初期出現(xiàn)峰值,隨后在雨滴的持續(xù)打擊下,土壤表面被壓實以及出現(xiàn)薄層水流,使得侵蝕速率逐漸減小或趨于穩(wěn)定[30]。裸地產沙過程的波動最大,且出現(xiàn)有更多的局部極值。試驗過程中觀察到裸地發(fā)育有大量的細溝,強度高、歷時長的降雨導致溝頭塌陷、邊壁滑塌,細溝內會發(fā)生短暫的沉積-侵蝕交替現(xiàn)象[31],從而導致產沙過程發(fā)生較大的起伏。

研究發(fā)現(xiàn)植被地上部分和根系都在減少水土流失方面都發(fā)揮著重要作用,但是它們各自的相對貢獻度不同,地上部分對于減少徑流的相對貢獻較大,而根系對于減少侵蝕的相對貢獻較大,這與許多學者的研究結果較為一致。張冠華[20]通過剪除不同格局分布的茵陳蒿地上部分,發(fā)現(xiàn)其地上部分減流貢獻率較大,而地下部分減沙貢獻率較大。張思毅等[21]研究發(fā)現(xiàn)白三葉根系減沙效益顯著高于冠層。甘卓亭等[32]通過研究黑麥草和紅豆草不同生長階段的產流產沙過程,對比分析二者根系和冠層對于減流減沙的相對貢獻,發(fā)現(xiàn)二者的根系都對減少侵蝕產沙有較大的貢獻,但二者對坡面徑流的調控途徑不同。然而,Li等認為草本冠層和根系在減沙方面發(fā)揮的作用幾乎是相等的[22]。秦東遠等[33]認為植被覆蓋結構減流減沙能力從大到小依次為地表結皮層>地下根系層>植被冠層。坡面產流產沙過程受降雨條件、坡面特征、植被冠層、地表結皮、根系特征和土壤理化性狀等因素影響,植被垂直結構不同組分對于坡面的減流、減沙作用不同。

沙棘、檸條和苜蓿隨著葉、莖和枯落物的依次去除,減流減沙效益也隨之降低。植被垂直結構越完整,植被的減流減沙效益越顯著[34- 35],植被垂直結構的缺失往往會導致植被的水土保持效益降低[36]。3種植被類型的垂直結構不同組分的減流減沙效益相對貢獻不同。沙棘、檸條和苜蓿根系對于減沙效益的相對貢獻度均較高,分析認為這3種植被類型作為干旱半干旱地區(qū)典型生態(tài)系統(tǒng),為有效地利用土壤水分,在地下形成廣大的根系網絡,這顯著地改善了土壤結構,減少了土壤流失[37]。韓勇等[38]以2013年陜北富縣“7·21”特大暴雨為例,分析了子午嶺林區(qū)淺層滑坡侵蝕與植被的關系,認為植被根系是影響暴雨滑坡侵蝕強度的主控因素。沙棘和檸條葉的減流效益相對貢獻較高,分析認為沙棘和檸條的冠層為倒圓錐形,枝干由冠層中心向外輻射分布,冠幅較大[39],這使得沙棘和檸條的葉片能夠在降雨過程中發(fā)揮更大的截留作用。苜蓿的莖在3種植被中的減流效益相對貢獻最大,這是由于苜蓿的莖為直立生長、分布密集,能夠有效攔截徑流、延緩徑流流速。3種植被的枯落物均對減流效益均具有一定的貢獻,沙棘、檸條和苜蓿之間枯落物相對貢獻的差異可能是枯落物生物量的差異。當雨滴到達地面時,枯落物能夠減少防止土壤濺蝕、攔蓄滲透降水、補充土壤水分,其截留降雨的能力主要取決于枯落物的厚度、濕潤狀況和和持水能力等因素[40- 41]。植被垂直結構不同組分對于減流減沙效益的相對貢獻與其形態(tài)特征以及其空間分布方式有著密切的關系。

4 結論

植被垂直結構可顯著影響坡面產流產沙過程,本文通過人工模擬降雨試驗,系統(tǒng)研究了沙棘、檸條和苜蓿垂直結構不同組分對坡面產流、產沙過程的影響,主要結論為:

(1)相比裸地對照,沙棘、檸條和苜蓿使徑流量、侵蝕量和流速平均減少37.50%、76.29%和32.11%。3種植被的減流效益在不同產流時期差異顯著,產流初期、中期和后期逐漸減少；減沙效益在不同產流時期則沒有明顯變化。

(2) 3種植被中苜蓿的減流效益最佳,檸條的減沙效益最佳。苜蓿的莖通過延緩徑流,沙棘和檸條的葉通過有效截留降雨對徑流減少發(fā)揮較大作用,而3種植被的枯落物也對于減流效益有不同程度的貢獻。

(3)植被地上部分和根系對水土流速的控制均有一定的作用,但是二者對于減流減沙的相對貢獻具有差異。冠層對于減少徑流方面發(fā)生較大作用,而根系對于控制侵蝕方面發(fā)揮較大作用。植被垂直結構越完整,減流減沙效益越顯著。