王玉霞,劉國彬,2,王國梁,2,袁子成,曲秋玲,張昌勝

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西楊陵 712100;2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100）

黃土丘陵區(qū)是中國乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2],降水和植被是影響該區(qū)水土流失的重要因子。關(guān)于植被防止土壤侵蝕的機(jī)理問題,許多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究[3-9],而對不同植被搭配組合及植被與裸地斑塊的組合對影響水土流失效益的研究相對較少。坡面植被與裸地斑塊的不同組合,使得降雨等外營力對坡面地形及其下墊面狀況的作用發(fā)生改變,從而使得坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征產(chǎn)生差異。Valentin等人[10]研究表明,帶狀格局下的生物量往往高于點(diǎn)狀或單一散亂分布格局,植被條帶成為自然屏障更好地限制了土壤侵蝕。模型模擬顯示,裸地表面和稠密植被格局都可以演替發(fā)展成帶狀格局。J.A.Ludwig等人[11]的研究表明,條紋狀和線狀灌木地的鑲嵌格局比點(diǎn)狀鑲嵌格局截流的能力高8%。游珍等人[12]通過模擬降雨試驗(yàn)證明植被在坡面不同位置配置格局具有不同的水保效應(yīng)。由此可見,裸地與植被鑲嵌構(gòu)筑成水土流失的源-匯格局,合理的設(shè)計(jì)植被空間分布格局,可以保持水分、養(yǎng)分和植物種子,有利于植被的生長,進(jìn)一步增強(qiáng)水土流失控制能力,加速植被恢復(fù),改善生態(tài)環(huán)境。本文基于野外模擬降雨實(shí)驗(yàn),探討茵陳蒿群落分布格局對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響,旨在為黃土高原植被恢復(fù)重建和植被結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在中國科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站,位于陜西省安塞縣(東經(jīng) 108°51′44″-109°26′18″,北緯 36°30′45″-37°39′31″),屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候,年日照時(shí)數(shù)2 415.5 h,輻射總量480.06 kJ/cm2,平均氣溫 8.8℃,≥10℃活動積溫3 177.4℃;降水分布不均勻,雨量多集中在7-9月;多年平均降水量492.4 mm,年蒸發(fā)量1 645.4 mm。本區(qū)地形主要為梁峁?fàn)铧S土丘陵,溝谷發(fā)育,土壤侵蝕作用十分強(qiáng)烈。土壤母質(zhì)為典型的黃綿土,保水性差,疏松易碎,易受水蝕和風(fēng)蝕。該區(qū)退耕地上先鋒植物群落主要有茵陳蒿(Artemisiacapillaries)群落、狗尾草(Setaria yiridis(1.)beauv)群落和阿爾泰狗哇花(Asteraltaicus)群落等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 模擬降雨裝置 野外模擬降雨采用中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的組合側(cè)噴式人工降雨裝置。降雨器由噴頭體、降雨支架、進(jìn)水出水體、壓力表等部分組成。更換不同直徑的孔板,調(diào)整壓力表讀數(shù),可獲得不同的降雨強(qiáng)度。噴頭體安裝在由三角架固定的降雨支架頂端,支架高5 m,噴頭出水高度為1.5 m,使降雨雨滴終點(diǎn)速度近似天然降雨的速度,降雨均勻系數(shù)均能達(dá)到85%以上。

1.2.2 試驗(yàn)小區(qū) 在野外人工模擬試驗(yàn)徑流場內(nèi)(建于2003年)選取3個(gè)具有代表性的小區(qū),小區(qū)面積8.5 m×2.5 m,坡度均為15°,坡向、坡長相同,填充土壤均為同一黃綿土。按圖1所示,于春季在相應(yīng)斑塊上種植茵陳蒿。降雨前對茵陳蒿群落進(jìn)行調(diào)查表明,群落內(nèi)主要伴生植物有紫花苜蓿(Medicago sativa L)、草木犀(Mmelilotus of f icinalis)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)、狗尾草(Setaria yiridis(1.)beauv)、茭蒿(Artemisia giraldiivulgaris)、艾蒿(Artemisia giraldii(vulgaris))、野蔥(Allium lolidum)等。一般認(rèn)為植被對土壤侵蝕作用的臨界面積在50%以上[13-14],為表現(xiàn)出比較明顯的差異,本試驗(yàn)中有植被面積占總面積的50%(見圖1)。試驗(yàn)前用數(shù)碼相機(jī)對試驗(yàn)小區(qū)不同位置垂直拍照,利用軟件分析照片以確定其植被蓋度。對蓋度不同的植被斑塊,貼地面剪除部分植被以控制相應(yīng)植被斑塊蓋度基本相同。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)茵陳蒿群落分布格局圖

1.2.3 試驗(yàn)處理 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)植被格局,同時(shí)設(shè)置裸地為對照,各個(gè)處理設(shè)置三次降雨侵蝕演替過程和三次重復(fù),雨強(qiáng)設(shè)為2.0 mm/min,降雨歷時(shí)為60 min。降雨時(shí)在小區(qū)均勻布設(shè)8個(gè)率定桶測定降雨量及降雨均勻系數(shù)。為降低自然因素的影響,降雨時(shí)間段選擇在4:00-8:00進(jìn)行。各小區(qū)次降雨間隔根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,控制土壤前期含水量基本保持一致。遇自然降雨時(shí)及時(shí)遮蓋測定小區(qū),之后充分晾曬再進(jìn)行人工降雨。降雨開始后即計(jì)時(shí),記錄開始產(chǎn)流時(shí)間;產(chǎn)流發(fā)生后,在產(chǎn)流前16 min內(nèi)每間隔1 min收集徑流樣,以后每間隔2 min收集徑流樣;降雨結(jié)束后,記錄結(jié)束產(chǎn)流時(shí)間,用稱重法測定徑流量,待泥沙沉淀后取徑流水樣。倒掉上層清水用洗耳球吸干水放置陰涼處自然風(fēng)干,待水分完全蒸發(fā)后稱重測定泥沙含量。按時(shí)間段選取泥沙樣帶回實(shí)驗(yàn)室供養(yǎng)分分析。降雨試驗(yàn)于2009年6月份開始。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種格局下產(chǎn)流特征比較

圖2表明,同一雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)(2.43 mm/min,1 h)下,有植被小區(qū)(格局B和格局C)開始產(chǎn)流時(shí)間和延后時(shí)間均大于裸地,說明坡面植被可顯著影響坡面產(chǎn)流過程。圖3中裸地、格局C、格局B徑流量分別為 1 293.58 kg、1 170.24 kg和1 103.75 kg,相比裸地小區(qū),格局B、C減流效應(yīng)均顯著(p＜0.05),分別減少徑流量14.7%和9.5%。不同格局坡面產(chǎn)流速率隨時(shí)間變化呈相同規(guī)律(圖4),產(chǎn)流初期徑流速率劇增,僅在8～10 min內(nèi)接近最高值的85%,隨時(shí)間延續(xù)徑流速率增幅減小逐漸趨于穩(wěn)定。開始產(chǎn)流10 min內(nèi),產(chǎn)流速率表現(xiàn)為CK＞格局C＞格局B。不同格局坡面產(chǎn)流速率與降雨歷時(shí)呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系(表1)。

圖2 不同格局坡面產(chǎn)流和延后時(shí)間變化

圖3 不同植被格局坡面產(chǎn)流總量變化

圖4 不同植被格局下產(chǎn)流速率與降雨歷時(shí)的關(guān)系

兩種格局的坡面產(chǎn)流過程差異顯著(p＜0.05),格局B開始產(chǎn)流時(shí)間和延后時(shí)間分別為50 s和125 s,大于格局C 43 s和116 s,而產(chǎn)流量小于格局C。整個(gè)產(chǎn)流過程中格局B的平均徑流速率較穩(wěn)定,產(chǎn)流后13 min達(dá)到穩(wěn)定速率為28.37 L/min,格局C產(chǎn)流后10 min達(dá)穩(wěn)定速率31.23 L/min。格局B、C的累計(jì)產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)擬合方程(表1)分別為 QW=29.786t-86.307(R2=0.999,p＜0.01)、QW=30.755t+67.301(R2=0.999,p ＜0.01),格局B的斜率與截距均小于格局C,可見小斑塊格局B具有更佳減流蓄流效應(yīng)。原因在于,降雨前各小區(qū)表土初始含水量控制在同一水平且很低,土壤吸力較大,故降雨初期各小區(qū)的土壤入滲率差別不大,徑流速率差異較小,隨時(shí)間延續(xù),表土水分飽和,入滲率減小,徑流速率和產(chǎn)流量的差異取決于坡面植被不同分布。坡面植被截留降雨,消減雨滴動能,阻攔徑流,同時(shí)可分散或消除上方襲來的股流,增加坡面徑流運(yùn)動阻力,削弱徑流侵蝕力。而小斑塊(格局B)植被破碎化程度高于大斑塊(格局C),植被在坡面分布較分散,坡面水流被層層阻攔分散,減緩流速延長流程,入滲幾率加大,故而格局B的產(chǎn)流時(shí)間、延后時(shí)間,累計(jì)產(chǎn)流量以及穩(wěn)定產(chǎn)流速率均小于大斑塊格局C。

2.2 兩種格局下侵蝕產(chǎn)沙特征比較

圖5表明,同一雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)(2.43 mm/min,1 h)下,裸地產(chǎn)沙量最大,為36.95 kg,有植被小區(qū)(格局B和格局C)產(chǎn)沙量分別為23.59 kg、13.35 kg。與對照相比,格局B、C減沙量分別為36.14%和63.86%,減沙效益極其顯著(p＜0.01)。圖6可知,坡面產(chǎn)沙并不平穩(wěn),整個(gè)降雨歷程中根據(jù)含沙量變率的大小可將侵蝕產(chǎn)沙過程分為降雨初期0～20 min的含沙量高強(qiáng)度變化期、20～45 min的微弱變化期和45～60 min含沙量穩(wěn)定期三個(gè)階段。徑流泥沙含量總體呈現(xiàn)下降趨勢,這與吳欽孝[15]、李勉[16]等在室內(nèi)、野外研究結(jié)果相似,產(chǎn)流初期含沙量較高,裸地為0.046 kg/L,格局B為0.039 kg/L,格局C為0.026 kg/L;隨產(chǎn)流的持續(xù),各格局徑流含沙量逐漸降低,之后維持在較低的水平。其原因在于徑流選擇性搬運(yùn)細(xì)顆粒,降雨初期可被徑流搬運(yùn)的細(xì)顆粒土壤較多,隨降雨歷時(shí)的延長細(xì)顆粒土壤減少,到后期主要因雨滴打擊剝離分散土壤大團(tuán)聚體,而在大團(tuán)聚體被剝離分散的瞬間會有相對較多的泥沙隨徑流流失,因此含沙量曲線圖雖達(dá)到穩(wěn)定但仍有一定程度波動。不同植被格局含沙量隨降雨歷時(shí)變化符合指數(shù)函數(shù)方程(表1)。

圖7表明,不同格局下坡面累計(jì)產(chǎn)沙量都有隨降雨歷時(shí)延長先增加后減少趨勢,其可能與坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生過程有關(guān)。整個(gè)降雨過程中各格局累計(jì)產(chǎn)沙增幅表現(xiàn)為CK＞格局B＞格局C,不同植被格局下的累計(jì)產(chǎn)沙量隨著時(shí)間的變化可以用二次函數(shù)表示。

圖5 不同植被格局的產(chǎn)沙總量對比

圖6 不同植被格局下徑流含沙量隨降雨歷時(shí)變化趨勢

許多學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)沙量隨著徑流量變化而變化[16-17],而本試驗(yàn)中產(chǎn)沙量與徑流量不成正比。由前面分析可知大斑塊格局C的徑流量大于小斑塊格局B的徑流量,而圖5-7顯示格局B的產(chǎn)沙量和泥沙濃度均大于格局C,且格局B的累計(jì)產(chǎn)沙量增幅也高于格局C。其一可說明格局C相比格局B具有更佳的減沙效益;其二是由于格局B、C坡下部植被密度差異較大。一般認(rèn)為[11],坡下植被減沙作用強(qiáng)于坡中、坡上植被。坡下部植被不但通過自身機(jī)械作用阻擋泥沙流失,還可以通過泥沙沉積改變坡面地貌形態(tài),減緩坡度從而減少土壤侵蝕。本實(shí)驗(yàn)中兩種格局的植被總面積總蓋度基本相同,但受自然條件的影響,格局C坡下植被生長旺盛,植被密度大于格局B,因而格局C比格局B具有更好攔截泥沙作用。

圖7 不同植被格局下坡面累計(jì)產(chǎn)沙隨降雨歷時(shí)變化

表1 不同植被格局下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與降雨歷時(shí)的關(guān)系

2.3 兩種格局坡面徑流量與產(chǎn)沙量的關(guān)系

坡面侵蝕過程中產(chǎn)流與產(chǎn)沙的動態(tài)變化可通過累計(jì)徑流量與累計(jì)產(chǎn)沙量的相關(guān)關(guān)系來反映,通過回歸分析可知累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量符合二次函數(shù)關(guān)系(表2),二者相關(guān)關(guān)系曲線呈拋物線型,即隨著徑流量的增加,累計(jì)產(chǎn)沙量先增大后減少。

對表2中不同植被格局經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行分析,在2.43 mm/h雨強(qiáng)下有植被(格局B、C)小區(qū)具有顯著減沙效益(p＜0.01),且格局 C的 b0系數(shù)-8.5E-6,即曲線斜率小于格局 B的斜率-1.8E-5。說明格局C比格局B對泥沙的攔截效果高于對徑流的攔蓄效果。表2中三個(gè)模擬二次方程均很好解釋土壤侵蝕過程中泥沙隨坡面徑流的變化過程,產(chǎn)流初期坡面水流動能小,沖刷力微弱,僅攜帶表土松散微顆粒物;隨徑流量和流速的不斷增加,水流沖刷能力增大,引起土壤的崩塌、分散和搬移使得徑流含沙量增大,隨之累計(jì)產(chǎn)沙量上升;當(dāng)?shù)乇碇饾u飽和,坡面水流挾沙量飽和,累計(jì)泥沙量達(dá)到極大值;此后,盡管徑流還是繼續(xù)攜帶泥沙,但坡面水層緩沖雨滴對地表的擊濺分散,一定程度上消減了徑流攜沙,故而累計(jì)產(chǎn)沙量逐漸下降。

表2 不同植被格局下累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)產(chǎn)流量的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)在2.43 mm/min雨強(qiáng)下,相同蓋度的茵陳蒿群落不同分布格局產(chǎn)流具有差異性。開始產(chǎn)流和延后時(shí)間表現(xiàn)為:格局B＞格局C＞裸地;產(chǎn)流特征曲線表明:兩種格局坡面產(chǎn)流速率隨時(shí)間增加而遞增,遞增速率漸小并維持在最大值。產(chǎn)流速率與降雨歷時(shí)呈對數(shù)顯著相關(guān);不同格局坡面產(chǎn)流量為:裸地＞格局C＞格局B,格局B具有更佳的蓄流減流效應(yīng);累計(jì)徑流量與降雨歷時(shí)呈非常顯著的線性相關(guān)(p＜0.01),相關(guān)系數(shù)達(dá)到99%以上。

(2)在降雨和土壤條件相對一致的條件下,不同格局的侵蝕產(chǎn)沙量差異明顯,裸地產(chǎn)沙量最大,格局B次之,格局C產(chǎn)沙量最小,格局B和C減沙量分別為36.14%、63.86%;徑流含沙量隨降雨歷時(shí)總體呈下降趨勢,根據(jù)含沙量變率的大小可分為含沙量高強(qiáng)度變化期、微弱變化期和含沙量穩(wěn)定期三個(gè)階段。不同格局累計(jì)產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)先增大后減小,二者呈二次函數(shù)相關(guān)。

(3)茵陳蒿不同分布格局的坡面累計(jì)產(chǎn)流和累計(jì)產(chǎn)沙動態(tài)變化不完全一致,累計(jì)徑流量與累計(jì)產(chǎn)沙量的關(guān)系可用多項(xiàng)式表示,相關(guān)曲線為拋物線型,即產(chǎn)流初期累計(jì)產(chǎn)沙量隨徑流量增加而增加,隨降雨歷時(shí)延續(xù)產(chǎn)沙量減小。同一雨強(qiáng)下格局B、C具有顯著的減沙效益,大斑塊格局C比小斑塊格局B對泥沙的攔截效果高于對徑流的攔蓄效果。

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