任柯蒙,衛(wèi) 偉,*,趙西寧,馮天驕,,陳 蝶,,于 洋,
1 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,楊凌 712100 4 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 5 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 6 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院泥沙研究所,北京 100048
黃土高原是我國(guó)土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)。隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略和退耕還林草政策的實(shí)施,生物措施在防治土壤侵蝕方面的作用愈加重要[1- 2]。植被通過(guò)地上覆蓋攔截降雨、地下根系固土促滲從而起到阻蝕減沙作用[3]。植被蓋度是減小濺蝕和沖刷作用的重要指標(biāo),是減少土壤侵蝕的第一道屏障[4]?;谖墨I(xiàn)分析,平均狀態(tài)下,干旱區(qū)的喬、灌、草植被降雨截留量總體上分別可達(dá)到23.6%、24.8%和38.4%[5-6]。攔截降雨的直接作用是減少坡面徑流泥沙量,且隨蓋度增加,阻流減蝕效果越好[7-8]。而對(duì)于植被的蓄水保土作用而言,起關(guān)鍵作用的是植被的有效覆蓋度,但由于研究角度和對(duì)象的不同,有效覆蓋度不一[9]。
在坡面尺度上,植被對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)沙的影響除與其數(shù)量和形態(tài)有關(guān)外,還決定于覆蓋的地形部位[10-11]。研究表明,相同數(shù)量和類型的植被分布于坡面下部時(shí),其侵蝕產(chǎn)沙量比植被其分布于坡中和上部要明顯減少[12]。對(duì)于黃土高原溝-坡系統(tǒng),丁文峰和李勉[13]研究發(fā)現(xiàn),植被分布位置對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響并非通過(guò)改變徑流來(lái)實(shí)現(xiàn),侵蝕強(qiáng)度呈現(xiàn)上部植被覆蓋>中部植被覆蓋>下部植被覆蓋。蘇遠(yuǎn)逸等[14]定量比較了距離坡頂不同位置處的蓄水保土效益,發(fā)現(xiàn)當(dāng)草本距離坡頂2 m時(shí),蓄水效益最好,其值可達(dá)19.07%;距坡頂6 m時(shí),減沙效益最大為69.02%。徐海燕等[15]考慮植被組合配置,研究坡耕地與草地組合方式為上坡是谷子下坡是草本時(shí),減沙效應(yīng)最好。
水蝕預(yù)報(bào)模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP),是基于物理過(guò)程模擬模型,可模擬侵蝕過(guò)程,土壤流失空間分布情況[16- 18]。國(guó)內(nèi)應(yīng)用WEPP模型模擬植被在坡面侵蝕空間分布[19]、植被蓋度模擬對(duì)土壤侵蝕的影響[20]、植物籬最佳配置模式[21]、土壤侵蝕對(duì)氣候變化響應(yīng)[22]、灌草植被生長(zhǎng)模擬[23]等均有涉及??v觀之前的研究,通常將植被蓋度和坡位二者分開(kāi)研究各自對(duì)土壤侵蝕的影響,忽略綜合分析這兩種因素的貢獻(xiàn)值。因此,本研究借助WEPP模型模擬有別于傳統(tǒng)徑流小區(qū)植被覆蓋均一的狀況,通過(guò)設(shè)置不同情境,來(lái)研究植被蓋度和坡位與土壤侵蝕的定量關(guān)系以及植被不同配比的土壤侵蝕效應(yīng),對(duì)于科學(xué)甄別土壤侵蝕的關(guān)鍵貢獻(xiàn)因子從而開(kāi)展行之有效的防治具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。
研究區(qū)位于甘肅省定西市龍灘流域(35°43′—35°46′N,104°27′—104°31′E),屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū),流域面積16.1 km2,海拔1800—2200 m。該區(qū)地處半干旱大陸性氣候區(qū),據(jù)長(zhǎng)期氣候數(shù)據(jù)(1958—2016年),年平均氣溫6.8℃,潛在蒸發(fā)量為1649.0 mm,年平均相對(duì)濕度72%,多年平均降水量386.3 mm,降雨量季節(jié)分配不均,主要集中在7—9月份,且多暴雨。該地區(qū)土質(zhì)均一,土壤以黃綿土為主。流域內(nèi)人工灌木以檸條(Caragana)為主,檸條屬錦雞兒屬,為豆科灌木類植物,具有較強(qiáng)的防風(fēng)固沙和水土保持能力,同時(shí)又是優(yōu)質(zhì)的灌木資源,具有較高的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值,在黃土高原地區(qū)有較大推廣應(yīng)用價(jià)值[24]。天然植被以多年生草本為主,主要包括長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus),其中長(zhǎng)芒草因其耐旱性強(qiáng)在黃土高原地區(qū)有廣泛的分布。因此本研究選擇人工植被檸條和天然生草本長(zhǎng)芒草為研究對(duì)象。
1.2.1 情景設(shè)計(jì)
在相同地區(qū)已利用龍灘坡面徑流小區(qū)2015—2016年的降雨數(shù)據(jù)及野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了檸條坡面驗(yàn)證和適用性評(píng)價(jià)[25]。基于此,為了揭示植被所處位置與土壤侵蝕的關(guān)系,進(jìn)行機(jī)理性分析和可比性,在WEPP模型的地形參數(shù)中將10 m小區(qū)坡面分為坡上、坡中和坡下,植被選擇之前研究已驗(yàn)證的檸條植被和通過(guò)植被調(diào)查、參考文獻(xiàn)或模型中同類植被獲取參數(shù)的長(zhǎng)芒草植被[26- 29],利用董榮萬(wàn)等[30]在定西得到的坡面尺度上侵蝕量和雨量的關(guān)系式,分析了長(zhǎng)芒草坡面的產(chǎn)沙量的模擬值與計(jì)算值的決定系數(shù)達(dá)到0.99,說(shuō)明WEPP模型可以良好模擬長(zhǎng)芒草植被侵蝕狀況。將小區(qū)進(jìn)行情景模擬,在管理措施中將蓋度分別設(shè)為20%、40%、60%、80%,另外,設(shè)置檸條和長(zhǎng)芒草蓋度0的坡面為對(duì)照。并根據(jù)檸條和長(zhǎng)芒草的不同配比(1∶1,1∶2和2∶1)及其在不同坡位(坡上、坡中、坡下)設(shè)置不同情景模式(圖1)。雨強(qiáng)根據(jù)黃土高原典型降雨特征[31]設(shè)為小雨強(qiáng)(0.5 mm/min)、中雨強(qiáng)(1.0 mm/min)、大雨強(qiáng)(1.5 mm/min),降雨歷時(shí)1 h。
圖1 植被分布及其配比示意圖Fig.1 Schematic diagram of vegetation distribution and configuration
1.2.2 指標(biāo)計(jì)算
為了區(qū)分不同坡位和植被蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響大小,本研究采用相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)方法來(lái)判定坡位和蓋度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)。選擇坡面休閑地為基準(zhǔn),植被在任一坡位X(坡上、坡中、坡下)引起的坡面產(chǎn)沙變化量按下列公式計(jì)算,并取其絕對(duì)值:
ISYsp=SYbl(X)-SYbl(fallow)
(1)
式中,ISYsp是坡位引起的產(chǎn)沙變化量(t/hm2),SYbl(fallow)是裸地產(chǎn)沙量(t/hm2)。
ISYvc=SYvc(X)-SYbl(fallow)
(2)
式中,ISYvc由植被蓋度引起的坡面產(chǎn)沙變化量(t/hm2),SYvc是植被蓋度產(chǎn)沙量(t/hm2)。
ISYt=ISYsp+ISYvc
(3)
(4)
(5)
式中,ISYt是總產(chǎn)沙量增量(t/hm2),RCIsp是坡位對(duì)產(chǎn)沙量影響的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù),RCIvc是指植被蓋度對(duì)產(chǎn)沙量影響的相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)。
1.2.3 數(shù)據(jù)分析
使用SPSS 24.0和Origin 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖,采用雙因素方差分析和相對(duì)貢獻(xiàn)指數(shù)探討坡位與植被蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響差異性,闡明坡位和植被蓋度交互作用對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的影響。
如圖2和圖3 所示,從坡面整體土壤流失情況可以看出在沒(méi)有植被覆蓋的坡段土壤流失量隨至坡頂距離和雨強(qiáng)增加呈上升趨勢(shì),有植被覆蓋的坡段可以明顯減少土壤流失量。在有植被覆蓋的坡位處,不同雨強(qiáng)下的土壤流失量差異不明顯,說(shuō)明植被是減少土壤流失的重要生物措施。植被分布在下坡位時(shí),坡面整體的土壤流失量最小,檸條和長(zhǎng)芒草在距離坡頂6 m和5 m處土壤流失量達(dá)到最大值,對(duì)應(yīng)植被保護(hù)坡面的長(zhǎng)度分別為2 m和3 m;植被位于坡中時(shí),檸條和長(zhǎng)芒草保護(hù)坡面長(zhǎng)度分別為2 m和1 m,且均在坡腳處達(dá)到最大土壤流失量;植被位于坡上時(shí),檸條和長(zhǎng)芒草保護(hù)坡段長(zhǎng)度均為3 m,且均在坡腳處土壤流失量達(dá)到最大值。
植被蓋度可以明顯減少產(chǎn)沙量。由圖4看出:不同雨強(qiáng)下,長(zhǎng)芒草坡面對(duì)泥沙的攔截率始終高于檸條坡面,攔截率范圍分別為57%—96%和36%—90%。小雨強(qiáng)時(shí),檸條和長(zhǎng)芒草隨蓋度增加對(duì)泥沙的攔截率從38%增加到90%,64%增加到96%。中雨強(qiáng)(1.0 mm/min)和大雨強(qiáng)(1.5 mm/min),植被蓋度小于20%時(shí),長(zhǎng)芒草坡面產(chǎn)沙量相比于檸條坡面產(chǎn)沙量高17.4%和46.5%,蓋度在40%—60%時(shí),長(zhǎng)芒草坡面產(chǎn)沙量小于檸條坡面;而在蓋度是80%時(shí),長(zhǎng)芒草坡面產(chǎn)沙量反超檸條坡面,增長(zhǎng)5.0%和31.5%。說(shuō)明在不同雨強(qiáng)下,植被種類對(duì)土壤侵蝕效應(yīng)有明顯不同,應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。
圖2 檸條在不同坡位下的土壤流失量變化Fig.2 Soil loss change at different slope positions of Caragana
圖3 長(zhǎng)芒草在不同坡位下的土壤流失量變化Fig.3 Soil loss change at different slope positions of Stipa bungeana
圖4 植被在不同蓋度下產(chǎn)沙對(duì)比Fig.4 Sediment yield under different vegetation cover
從圖5看出,檸條植被分布越靠下坡位,植被蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量的貢獻(xiàn)呈增加趨勢(shì),在坡下時(shí)貢獻(xiàn)達(dá)到最大值0.57。坡位對(duì)坡面的減沙作用呈上升趨勢(shì),在坡下的侵蝕產(chǎn)沙量貢獻(xiàn)值達(dá)到最小值0.43。
從圖5看出,長(zhǎng)芒草蓋度對(duì)減沙的貢獻(xiàn)作用隨坡位降低呈先降低后增加,坡位與蓋度有相反的關(guān)系,但整體來(lái)看,蓋度對(duì)阻沙的貢獻(xiàn)始終小于坡位。長(zhǎng)芒草分布在坡上部分時(shí),蓋度對(duì)減少產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)最小為0.77,坡位對(duì)阻沙作用貢獻(xiàn)最大為0.22;當(dāng)植被分布在坡中時(shí),蓋度的減沙貢獻(xiàn)作用達(dá)到最大值0.56。
圖5 坡位與蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)分析Fig.5 Contribution of slope position and vegetation cover on sediment yields
通過(guò)上述分析可知,植被蓋度和坡位對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的作用呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。這2個(gè)因素的交互作用使坡面水土流失現(xiàn)象更為復(fù)雜多變。通過(guò)對(duì)坡位和植被蓋度與坡面侵蝕產(chǎn)沙之間的多因素方差分析發(fā)現(xiàn)(表1),坡位和植被蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量有極顯著的影響(P< 0.001);植被是長(zhǎng)芒草時(shí)蓋度和坡位交互作用對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量有顯著影響(P< 0.01),而植被是檸條時(shí),蓋度和坡位交互作用對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙作用不顯著。
表1 坡位與植被蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙影響的雙因素方差分析結(jié)果
*P<0.05;**P<0.01;***P<0.001
由圖6可以看出,隨著雨強(qiáng)增大,坡面侵蝕都呈增加趨勢(shì)。A、B和C 3種情景是按照檸條和長(zhǎng)芒草不同配比及其在坡面所處不同位置上設(shè)計(jì)的,情景D是將長(zhǎng)芒草和檸條進(jìn)行隔行分布設(shè)置。當(dāng)長(zhǎng)芒草位于檸條上部時(shí),檸條和長(zhǎng)芒草隔行分布時(shí)的產(chǎn)沙量要小于植被按坡位時(shí)的產(chǎn)沙量。從減沙效果最明顯角度分析得到,長(zhǎng)芒草位于中、下坡位時(shí)的坡面產(chǎn)沙量始終小于長(zhǎng)芒草位于中上坡位,且當(dāng)長(zhǎng)芒草位于坡面靠下,檸條與長(zhǎng)芒草的配比為1∶2時(shí),在不同雨強(qiáng)(0.5、1.0、1.5 mm/min)下產(chǎn)沙量最小,分別為1.1、4.0、7.8 t/hm2。坡面土壤侵蝕量受雨強(qiáng)、植被配比及其分布共同作用影響,隨雨強(qiáng)增大,當(dāng)檸條在長(zhǎng)芒草上方,檸條:長(zhǎng)芒草為2∶1時(shí),產(chǎn)沙量最大,分別為1.3、4.6、8.2 t/hm2;長(zhǎng)芒草在檸條上方,長(zhǎng)芒草:檸條為2∶1時(shí),產(chǎn)沙量最小,分別為1.6、5.4、10.1 t/hm2。
圖6 不同配置格局的植被保護(hù)措施對(duì)產(chǎn)沙量的影響Fig.6 Different allocation patterns of protective measures on sediment yield
黃土高原的水資源極度匱乏,如何在有限水源下合理分布植被,實(shí)現(xiàn)土壤侵蝕最優(yōu)調(diào)控應(yīng)被重點(diǎn)關(guān)注[32]。本研究通過(guò)模擬植被在不同坡位處的土壤流失量發(fā)現(xiàn),坡面土壤流失量由小到大植被分布依次是坡下<坡中<坡上。考慮植被與地形的耦合作用對(duì)土壤侵蝕的影響,日降雨量是100 mm左右的大暴雨時(shí),上坡部植被通過(guò)削弱徑流侵蝕動(dòng)力,可減少下坡段侵蝕產(chǎn)沙80%以上[33]。減沙能力的差異與植被的特性有關(guān)。本研究中,降雨量為90 mm時(shí),檸條和長(zhǎng)芒草位于坡上時(shí)可減少坡下侵蝕產(chǎn)沙50%。除考慮上坡植被對(duì)下坡植被侵蝕影響外,還應(yīng)探討植被所處位置與鑲嵌格局對(duì)侵蝕的影響。Liu等[20]利用WEPP模型模擬草本在不同坡位下的侵蝕產(chǎn)沙情況發(fā)現(xiàn),草本種植在下坡位時(shí)產(chǎn)沙量最少。這與本研究中土壤流失量分布情況相一致。游珍等[34]在寧夏固原荒草坡面小區(qū)對(duì)侵蝕定量化得出坡下植被比坡上植被的保土作用高2.8倍。
植被蓋度是通過(guò)削弱雨滴動(dòng)能、攔截降雨從而達(dá)到防治土壤侵蝕的關(guān)鍵因素,對(duì)灌木、草本而言,消減降雨動(dòng)能可分為兩部分,第一部分是截留降雨所減少的降雨動(dòng)能,第二部分是由于降落高度較小,使雨滴落到地面時(shí)動(dòng)能被削弱[35]。長(zhǎng)芒草地上部分?jǐn)r沙機(jī)理是削減雨滴動(dòng)能,當(dāng)雨滴從冠層落到土壤表面時(shí),由于距離很短,大大削弱了對(duì)土壤的打擊作用,另一方面,長(zhǎng)芒草根系主要分布在0—50 cm內(nèi)且根系致密,對(duì)土壤有較強(qiáng)粘聚力,可防止泥沙流失。灌木檸條可攔截泥沙是由于枝葉茂盛,地上生物量大,枯落物豐富,可以有效攔截降水,吸收大量的地表徑流,從而減少泥沙的產(chǎn)出[29, 36-37]。吳卿等[6]通過(guò)研究灌草減沙能力發(fā)現(xiàn),由于草本植物根系致密,對(duì)土壤有較強(qiáng)粘聚力,所以特定條件下草地防治水土流失的能力可能高于灌木。本研究模擬不同雨強(qiáng)的檸條、長(zhǎng)芒草不同蓋度下攔截泥沙能力發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)芒草坡面對(duì)泥沙的攔截率略高于檸條坡面,攔截率分別為57%—96%和36%—90%。而對(duì)水土流失防治起作用的是植被的有效蓋度,有效蓋度指使土壤侵蝕量降低到土壤最大允許侵蝕量以內(nèi)所應(yīng)達(dá)到的植被覆蓋度[38]。本研究中,在中、大雨強(qiáng)下,植被蓋度在20%時(shí),長(zhǎng)芒草產(chǎn)沙量大于檸條,這是由于此時(shí)長(zhǎng)芒草蓋度未達(dá)到有效蓋度。而有研究已經(jīng)表明,黃土區(qū)草本植被蓄水保土的臨界蓋度為40%—60%,所以當(dāng)長(zhǎng)芒草蓋度為20%時(shí),攔沙效果不如灌木檸條[39]。當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí),植被蓋度達(dá)到80%,由于草本屬于柔性植被,莖葉對(duì)降雨的攔截作用減弱,增加了雨滴動(dòng)能,導(dǎo)致土壤侵蝕增加,而檸條屬于灌木,地上生物量大于草本,地上持水能力和地下部分固土能力要優(yōu)于草本,所以長(zhǎng)芒草坡面產(chǎn)沙量大于檸條坡面[40]。
考慮植被蓋度和坡位對(duì)土壤侵蝕的影響,Rey[41]研究指出坡底灌草蓋度達(dá)到20%時(shí)可有效攔截上坡泥沙。但不同植被在不同坡段間對(duì)土壤侵蝕的影響究竟如何?本研究對(duì)坡位和蓋度對(duì)產(chǎn)沙貢獻(xiàn)指數(shù)和多因素方差分析得到,坡位和植被蓋度對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量有極顯著的影響(P<0.001)。坡位和蓋度的交互作用因植被而異,植被是長(zhǎng)芒草時(shí)蓋度和坡位交互作用對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量有顯著影響(P<0.01),而植被是檸條時(shí),蓋度和坡位交互作用對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙作用不顯著。這是由于灌木檸條枯落物覆蓋較大,對(duì)雨滴打擊土壤起到緩沖作用,削弱土壤侵蝕能力,從而模糊了蓋度和坡位對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響[42]。
植被配置對(duì)土壤侵蝕有直接控制作用,突出表現(xiàn)在通過(guò)改變徑流和泥沙運(yùn)移路徑連通性來(lái)起到防控水土流失的作用[43]。蘇敏等基于草灌和草糧帶狀分布試驗(yàn),評(píng)價(jià)了黃土丘陵區(qū)不同植被結(jié)構(gòu)的水土保持效應(yīng),發(fā)現(xiàn)草灌配置的水保性優(yōu)于草糧配置[44]。傅伯杰等[45]在黃土丘陵區(qū)的研究印證了土壤侵蝕量受土地利用分布和坡位的共同影響?;诖?本研究通過(guò)WEPP模型模擬分析灌草植被分布及其配比結(jié)果表明,當(dāng)長(zhǎng)芒草位于坡下部位,且長(zhǎng)芒草與檸條之比為2∶1時(shí),坡面產(chǎn)沙量最小。這說(shuō)明植被不僅影響其所覆蓋段的侵蝕產(chǎn)沙,還通過(guò)其所處位置的徑流特性間接影響下坡侵蝕產(chǎn)沙。
(1)植被是減小土壤流失的重要舉措。通過(guò)比較檸條與長(zhǎng)芒草在不同坡位處的土壤流失,發(fā)現(xiàn)有植被覆蓋處的坡面土壤流失量變化差異不大,當(dāng)植被分布在下坡位時(shí)坡面土壤流失量最少。
(2)植被蓋度可以有效減少產(chǎn)沙量。不同雨強(qiáng)下,草本長(zhǎng)芒草坡面對(duì)泥沙的攔截率始終高于灌木檸條坡面,攔截率范圍分別為57%—96%和36%—90%。但在中雨強(qiáng)(1.0 mm/min)和大雨強(qiáng)(1.5 mm/min)條件下,當(dāng)植被蓋度小于20%或大于80%時(shí),長(zhǎng)芒草坡面產(chǎn)沙量高于檸條坡面產(chǎn)沙量;蓋度在40%—60%時(shí),長(zhǎng)芒草坡面產(chǎn)沙量小于檸條坡面。
(3)植被蓋度和坡位對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的作用呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)。坡位和植被蓋度分別對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙量有極顯著的影響(P<0.001);其交互作用對(duì)草本長(zhǎng)芒草坡面侵蝕產(chǎn)沙作用有顯著影響(P< 0.01),對(duì)灌木檸條坡面侵蝕產(chǎn)沙作用無(wú)顯著影響。
(4)植被配比可以有效控制土壤侵蝕。模擬結(jié)果顯示:長(zhǎng)芒草分布在坡面下部相較于分布在坡面上部產(chǎn)沙量較小,且當(dāng)檸條和長(zhǎng)芒草配比為1∶2時(shí)產(chǎn)沙量最小。