馬海霞，張德罡, 陳 瑾，常軍霞，董永平，劉文峰，杜 凱，康玉坤，李 強，周會程，姚玉嬌，陳建綱，徐長林

(1.甘肅農業(yè)大學草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070； 2.定西市水土保持科學研究所，甘肅 定西 743000；3.全國畜牧總站，北京 100125)

土壤抗蝕性是評定土壤抵抗外力侵蝕能力的重要參數之一，反映了土壤抵抗分散能力的大小，受土壤物理和化學特性、植被覆蓋和土地管理等人為活動的影響[1-2]。研究土壤的抗蝕性對防治土壤侵蝕有著十分關鍵的作用，幾十年來國內外研究者一直關注著土壤抗蝕性研究的進展[3-6]。草原生態(tài)系統(tǒng)是地球上面積僅次于森林的第二大綠色覆被層，約占全球植被生物量的36%，陸地面積的24%[7]。我國草地資源豐富，可利用面積達3.9億hm2以上，居世界第二位，占全國國土面積的41.7%，天然草地資源總量的84.27%[8]，是我國陸地面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型。祁連山位于青藏、蒙新、黃土3大高原的交匯處，是我國三大內陸河石羊河、黑河、疏勒河的發(fā)源地．受青藏高原的影響，山地生態(tài)系統(tǒng)呈現出高寒生態(tài)系統(tǒng)的特征，是我國中西部典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地帶[9]，在寒區(qū)旱區(qū)山地及內陸河流域的水土保持中占據重要地位。2006年中國草地生態(tài)系統(tǒng)破壞造成的水源涵養(yǎng)損失量為6.23×109m3[10]，植被對控制水土流失具有良好的作用，植被破壞土壤侵蝕將急劇增加，過度放牧是造成草原區(qū)土壤侵蝕加劇的主要原因，由于過度放牧首先增加土壤緊實度和土壤容重，減少了雨水的下滲，有利于徑流的形成，引發(fā)水土流失[11-12]，直接影響到我國草地生態(tài)良性循環(huán)及區(qū)域社會經濟的發(fā)展。許多科學工作者已在這方面做了觀測、研究等工作，但對祁連山高寒草甸水土保持功能的定量研究報道較少，尤其缺乏人工模擬降雨對高寒草甸土壤侵蝕的研究[13]，因此，本文在人工模擬降雨條件下，研究不同模擬放牧強度下的高寒草甸坡面產流產沙過程，旨在為研究區(qū)草地的水源涵養(yǎng)功能評價以及以防止水土流失為前提的草地合理利用提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

本試驗位于青藏高原邊緣祁連山東段天祝藏族自治縣金強河河谷附近的抓喜秀龍鄉(xiāng)上八刺溝陰坡高寒草甸封禁區(qū)域(37°10′46″ N，102°47′11″ E，海拔2 960 m)，坡度25°，距甘肅農業(yè)大學高山草原試驗站約2 km。該區(qū)屬大陸性高原季風氣候，氣候寒冷潮濕，據天?？h烏鞘嶺氣象站(海拔高度3 045 m)近60年(1951-2010年)資料和甘肅農業(yè)大學草原站(海拔2 960 m)約30年的氣象資料記錄，年平均降水量為410.5 mm，年均潛在蒸發(fā)量(1 592 mm)，為年降水量的3.8倍，年平均降水量自1951年以來呈減少趨勢，變化率為—1.4%/10a；1961年是天祝縣近60年來降水最多的年份，降水量為555.2 mm，比常年偏多35%，1962年是降水最少的年份，降水量僅有231.3 mm，比常年偏少44%，夏季降水量占全年的59%。天?？h5-9月降水集中，該時段降水量是全年降水量的70%左右，暴雨發(fā)生頻率較大，多年平均暴雨日數0.43 d，夏季6-8月最集中，占全年暴雨日數的90%左右。區(qū)域年均溫-0.1℃，月平均溫度—18.3℃(1月)，最高溫度12.7℃(7月)，≥0℃積溫1 380℃，年日照時數2 600 h，水熱同期，氣溫變化大，無絕對無霜期，僅分冷熱兩季[14-17]。

區(qū)內土壤pH值為7.75～8.06；有機質含量高，約為87 g· kg-1～117 g· kg-1；含水量13.08%～25.98%；容重0.700～0.797 g· cm-3。該區(qū)植被以線葉嵩草(Carexcapillifolia)，珠芽蓼(Polygonumviviparum)，球花蒿(Artemisiaannua)，拉拉藤(Galiumaparinevar.echinospermum)，線葉龍膽(Gentianafarreri)，肋柱花(Lomatogoniumrotatum)，長毛風毛菊(Saussureahieracioides)，藏異燕麥(Helictotrichontibeticum)，翻白委陵菜(Potentilladiscolor)，羊茅(Festucaovina)，細叉梅花草(Parnassiaoreophila)，零零香青(Anaphalishancockii)，小米草(Euphrasiapectinata)等為主，草層高度10 cm，蓋度達90%左右，地上生物量干重500 g·m-2。

1.2 樣地設置與測定方法

1.2.1樣地設置 試驗于2016年8月在金強河高寒草甸封禁區(qū)域進行。設置對照未放牧、輕度放牧、中度放牧、重度放牧共4個處理，采用刈割方式模擬放牧，刈割強度分齊地面刈割(重度放牧)、留茬高度2 cm(中度放牧)、留茬高度7 cm(輕度放牧)和自然高度(未放牧)[18-19]，各處理盡量選擇植被、環(huán)境相對一致的區(qū)域布設0.5 m×1 m樣方。

1.2.2測定方法 試驗采用下噴式模擬降雨系統(tǒng)，根據不同的降雨強度選擇不同型號的噴頭，有效降雨覆蓋面積約為4.5 m×4.5 m，降雨高度為5.2 m，降雨強度變化范圍為0.5～2.0 mm· min-1，降雨均勻度均在85%以上[20]。按照氣象學原理，設計4個降雨強度：0.5 mm· min-1，0.67 mm· min-1，1.67 mm·min-1，2.00 mm·min-1，降雨時間為30 min[21]。每一種降雨強度設3次重復，共計48個樣地，隨機分布。

降雨前后測定土壤水分，降雨開始后即計時；記錄開始產流時間，用塑料桶收集徑流，間隔一定時間(根據流量大小調整)更換塑料桶；降雨結束后記錄降雨歷時及結束產流時間；稱量每個桶的徑流泥沙總量(mL)，沉淀后的上清液，即為凈水量(mL)，將泥沙帶回實驗室，在105℃下烘干沉重，即為凈泥量(g)，最后計算出單位面積產沙量(g· m-2)，入滲量由降雨前后土壤含水量計算，具體計算方法如下[22-23]：

凈水率(g· mL-1)=(泥水量-干泥重)/泥水樣體

(1)

凈水量(g· mL-1)=凈水率×泥水總量

(2)

徑流量(mm)=凈水量/徑流小區(qū)面積

(3)

徑流系數(%)=徑流量/降雨量×100

(4)

凈泥率(g· mL-1)=干泥重/泥水樣體積

(5)

凈泥量(g)=凈泥率×泥水總量

(6)

產沙量(g·m-2)=凈泥量×2

(7)

水源涵養(yǎng)量(kg·m-2)=(降雨量-徑流量)/徑流小區(qū)面積

(8)

保水效益(%)=(重度放牧徑流量-其他放牧徑流量)/重度放牧徑流×100

(9)

固土效益(%)=(重度放牧產沙量-其他放牧產沙量)/重度放牧產沙量×100

(10)

1.3 數據處理

使用Excel進行數據基本處理和整合，SPSS19.0數據統(tǒng)計分析軟件做了單因素方差分析和Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同模擬放牧強度下徑流產生的時間變化

在植物生長良好的草地，一般都有一層枯枝落葉增加地面的糙率，起到阻擋徑流、分散徑流和減緩流速的作用，并像海綿一樣吸收水分，使水分慢慢入滲，減少徑流的產生。隨模擬放牧強度的不同，坡面徑流出現的時間各不相同，從未放牧到重度放牧徑流出現的時間逐漸縮短，平均產流時間分別為5.60 min，4.34 min，3.79 min和3.05 min。在未放牧條件下，雨強為0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1時，30 min降雨歷時內均不產生徑流，因此，在小降水強度情況下，產生徑流較困難；1.67 mm· min-1和2.00 mm· min-1的雨強下出現徑流的時間為降雨開始后的1 min。在輕度放牧和中度放牧條件下，0.5 mm· min-1雨強下，不產生徑流；0.67 mm· min-1雨強下，徑流出現的時間約為降雨開始后的5 min；1.67 mm· min-1雨強下，徑流出現的時間為降雨開始后的1.5 min；2.00 mm· min-1雨強下，徑流出現的時間為降雨開始后的0.5 min。在重度放牧條件下，0.5 mm· min-1雨強下，產流時間為8 min，0.67 mm· min-1雨強下，產流時間為3 min，1.67 mm· min-1雨強條件下，產流時間為1 min，2.00 mm· min-1狀況下約0.5 min(見圖1)，其中，重度放牧和中度放牧模擬條件下，不同雨強之間的徑流出現的時間均有顯著差異(P<0.05)，輕度放牧和未放牧條件下，1.67 mm· min-1和2.00 mm· min-1雨強下，徑流出現的時間無顯著差異。放牧強度越小，草地抵抗大降水的能力就越強，徑流截留優(yōu)勢就越明顯，水土流失量就越少。

在同一降雨強度下，隨放牧強度由輕到重的變化，徑流量、產沙量、徑流系數均出現增加的趨勢，其中在雨強為0.50 mm· min-1，放牧強度為未放牧和輕度放牧時，在降雨歷時30 min內均無水土流失。在各種雨強下，未放牧、輕度放牧和中度放牧強度，徑流量的變化無明顯差異，但遠小于重度放牧條件下的徑流量，且均與重度放牧強度之間差異顯著(P<0.05)。產沙量在雨強為0.50 mm· min-1和0.67 mm· min-1時，不同放牧強度間差異不顯著；當雨強為1.67 mm· min-1時，產沙量之間差異顯著(P<0.05)，雨強為2.00 mm· min-1時，未放牧、輕度放牧和中度放牧之間產沙量無差異顯著性，但均與重度放牧之間差異顯著(P<0.05)。就徑流量而言，輕度放牧、中度放牧和重度放牧在4種雨強下的平均徑流量均比未放牧增加150.00%，600.00%和2200.00%；平均產沙量比未放牧增加170.59%，535.29%和694.12%。就徑流系數而言，放牧強度越大，徑流系數越大，降雨強度越大，徑流系數也越大。隨雨強和放牧強度的增加，徑流系數的變化范圍在0～1.19之間，且降雨強度增大時，徑流系數增加更為緩慢，截流效果更為顯著。

圖1 不同放牧強度下不同降雨強度開始產流時間

雨強Rainfallintensity/mm·min-1放牧強度Grazingintensity徑流量Runoff/mm產沙量Soilerosion/g·m-2徑流系數Runoffcoefficient/%0.50未放牧0±0.00a0.00±0.01a0.00±0.00a輕度放牧0±0.00a0.00±0.00a0.00±0.00a中度放牧0.02±0.09b0.10±0.07a1.03±0.05b重度放牧1.09±0.07c0.10±0.08a1.09±0.08c0.67未放牧0.03±0.01a0.09±0.08a0.34±0.00a輕度放牧0.17±0.05a0.17±0.17a0.66±0.05a中度放牧0.55±0.15a0.28±0.23a1.09±0.83a重度放牧1.18±0.06b0.35±0.23a1.18±1.02b1.67未放牧0.08±0.02a0.03±0.04a0.60±0.12a輕度放牧0.13±0.01a0.15±0.14a1.06+0.08a中度放牧0.53±0.04a0.15±0.13a1.06±1.31a重度放牧1.13±0.10b0.54±0.43b1.13±2.72b2.00未放牧0.11±0.01a0.19±0.21a1.10±0.84a輕度放牧0.28±0.03a1.04±0.91a1.10±1.13a中度放牧0.58±0.03b0.36±0.24b1.16±1.85a重度放牧1.19±0.04c0.54±0.51b1.19±0.26a

注：不同小寫字母表示同一降雨強度下不同放牧處理間差異顯著(P<0.05)

Note:Different small letters between different grazing treatments under the same rainfall intensity represent significant differences at the 0.05 level

2.2 相較于重度放牧強度下的保水固土效益分析

植被覆蓋度良好的草地，草本植物根系多集中分布于土壤表層，植物根系與土壤密集交織在一起，形成緊密的根系網，固持土壤，減少土壤受沖刷的可能性。相較于重度放牧，未放牧、輕度放牧和中度放牧3種放牧強度的平均保水效益依次減小，分別為67.06%，46.04%，28.08%，且在中度放牧條件下，不同降雨強度之間的保水效益有顯著差異(P<0.05)；3種模擬放牧強度的平均固土效益也依次減小，分別為88.54%，70.23%，38.73%，且在中度放牧強度下，不同雨強之間的固土效益也有顯著差異(P<0.05)，其余差異不顯著?？梢钥闯鼋涤陱姸葘搅髁康挠绊懜哂趯Ξa沙量的影響，即在中度放牧強度下，保水效益和固土效益隨降雨強度的增加遞減幅度較大，而輕度放牧和未放牧強度下，保水效益和固土效益的變化幅度相對緩慢，出現這一現象的主要原因是植被葉面對雨滴起截留緩沖作用以及根系的固土護坡作用，使降雨和徑流的侵蝕強度削弱，進而減少草地土壤的流失，起到保護土壤表層的作用[24-25]。其中未放牧草地在0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1降雨強度下的保水固土效益達100%，輕度放牧草地的保水固土效益在0.5 mm· min-1強度下也達到100%(見圖2)，說明在未放牧和輕度放牧這兩種模擬放牧強度下，降雨強度為0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1時，坡面基本不產生水土流失，草地的保水固土效益良好。從表2可以看出，高寒草地的減水減沙效益與雨型具有密切關系，相關系數分別為0.967和0.961，保水效益和固土效益有極顯著的相關性，相關系數為0.995，但是相同雨型下減水減沙效益并非同步。

圖2 不同放牧強度下的保水固土效益

保水效益Waterconservationefficiency固土效益Soilconservationefficiency降雨強度Rainfallintensity保水效益WaterconservationefficiencyPearson相關性Pearsoncorrelation1 顯著性(雙側)Significant(2-tailed)平方與叉積的和Thesumofsquareandcrossproduct2639.835 協(xié)方差Covariance879.945固土效益SoilconservationefficiencyPearson相關性Pearsoncorrelation0.995**1顯著性(雙側)Significant(2-tailed)0.005平方與叉積的和Thesumofsquareandcrossproduct1794.8921233.451協(xié)方差Covariance598.297411.150降雨強度RainfallintensityPearson相關性Pearsoncorrelation-0.967* -0.961*1顯著性(雙側)Significant(2-tailed)0.0330.039平方與叉積的和Thesumofsquareandcrossproduct-63.443 -43.1031.631協(xié)方差Covariance-21.148-14.3680.544

注：**表示在0.01水平(雙側)上顯著相關；* 表示在0.05水平(雙側)上顯著相關

Note:** indicate significant correlation at 0.01 level(2-tailed)；* indicate significant correlation at 0.05 levels(2-tailed)

2.3 不同放牧強度下的水源涵養(yǎng)功能評價

水源涵養(yǎng)是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要服務功能之一，它具有截留降水、抑制蒸發(fā)、涵蓄增加土壤水分、緩和地表徑流、補充地下水和調節(jié)河川流量等功能[26-27]。圖3中，對于不同放牧強度的草地，土壤入滲率均較高，約在83%～99%之間，隨模擬降雨強度的增強入滲率均呈現先減小再增大再減小的變化趨勢，各模擬放牧強度下，降雨為0.67 mm· min-1時的入滲率最小，其次是2.00 mm· min-1。且模擬放牧強度由重度放牧到未放牧各個雨強下在30 min降雨歷時內的水源涵養(yǎng)量之和分別為658.4 kg·m-2，716.2 kg·m-2，746.3 kg·m-2及757 kg·m-2，因此，隨放牧強度的增強，草地水源涵養(yǎng)量減小。隨降雨強度的不斷加強，不同放牧強度下單位面積水源涵養(yǎng)量明顯升高，在各個放牧強度下，降雨強度從0.5 mm· min-1到2.00 mm· min-1時，高寒草甸的水源涵養(yǎng)量平均值分別為9.7 kg·m-2，18.1 kg·m-2，230.2 kg·m-2和461.6 kg·m-2，這主要與30 min降雨歷時內總的降雨量有關，降雨量越大，水源涵養(yǎng)量越高，各降雨強度下，放牧強度由未放牧到重度放牧的水源涵養(yǎng)量呈減小趨勢，且在中度以下減小趨勢平緩，中度以上減小趨勢坡度變陡(見圖4)，說明從維持水源涵養(yǎng)功能的角度來說，中度以下的放牧強度是相對安全的。

圖3 不同放牧強度下的水源涵養(yǎng)量

圖4 不同降雨強度下的水源涵養(yǎng)量

3 討論

地表徑流是草地上一種最普遍的徑流形式。賈恒義等[28]分析了草地覆蓋對地表徑流的影響后指出，草地的徑流量較林地大，但隨著草地覆蓋率的提高，徑流量減少。有研究指出：在干旱半干旱草原地區(qū)，由于土壤貧瘠、植被稀少，這種地表面只能貯存少量的降水，這時發(fā)生徑流的速度是很快的，并且與濕潤地區(qū)相比徑流很少受到限制[29]。本研究中，隨模擬放牧強度的不同，坡面徑流出現的時間各不相同，從未放牧到重度放牧徑流出現的時間逐漸縮短，且在未放牧條件下，在0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1雨強下，30 min降雨歷時內均不產生徑流，從未放牧到重度放牧，不同雨強下的平均產流時間分別為5.60 min，4.34 min，3.79 min和3.05 min，該結果與李國榮等[30]的研究結果基本一致。就徑流系數而言，放牧強度越大，徑流系數越大，降雨強度越大，徑流系數也越大，說明：徑流系數小的草地，其坡面產流相應較少；徑流系數較大的草地，坡面產流也較大，這與楊春霞[29]、劉小平[31]等的坡面產流產沙試驗的結果一致。原因是植被對降水的影響主要表現為冠層截留及莖干流對降水的重新分配作用，通過截留降低雨水到達地面的數量和速度，放牧強度增強，草地的植被覆蓋度下降，從而縮短了雨水到達地面和產生徑流的時間。

草地凋落物通過對降水的吸納，使地表徑流減少，并增加對土壤水的補給。研究表明，降雨量、植被冠層覆蓋度和先前的土壤濕度分別占到徑流量影響因素的72%，3%，0.5%，這表明在同一場暴雨中，不同植被覆蓋地區(qū)所發(fā)生的徑流是不相同的，且植被覆蓋度的影響較大[32-33]，隨降雨強度的增加，徑流量增大，降雨強度和產流量、產沙量之間的相關性極顯著[34-35]，該結果與本研究結果一致?，F場試驗發(fā)現，降雨強度越大，表層松散顆粒流失的速度越快，野外坡面并非十分平整，因此隨著徑流量的增加，坡面局部范圍內有徑流匯集和沖蝕現象，坡面出現侵蝕細溝，土層破壞較嚴重，這也是降雨強度增加后土壤流失量急劇增加的主要原因[30]。由于放牧降低了地表植被的覆蓋度，因此，放牧對徑流和土壤侵蝕的影響比較明顯。研究表明，多數徑流發(fā)生在重度放牧的小區(qū)，而受保護的小區(qū)徑流最少，徑流量和產沙量都隨放牧強度的增加而增加，沒有放牧的流域，其植被變化對土壤侵蝕的影響非常小，但在放牧情況下，在裸地和巖石為基質的表面，土壤侵蝕會稍有增加，而在地面覆蓋條件下，土壤侵蝕會稍有減少；適度放牧(每月每頭牛4英畝)對侵蝕沒有明顯影響，而在重度放牧條件下，侵蝕程度加劇[36]，該結果與本研究結果一致，即從維持水源涵養(yǎng)功能的角度來說，中度以下的放牧強度是相對安全的。這些研究說明，由于放牧特別是重度放牧降低了地表植被的覆蓋度，高強度踐踏土壤是造成土壤侵蝕的重要原因。

多年來，研究者對水土流失嚴重地區(qū)開展的生物措施進行了大量水土保持效益研究，研究結果均表明，生物措施具有較高的保水固土效益[37-38]，本研究中，相較于重度放牧，隨放牧強度的增強，在4種不同雨強下的平均保水效益隨雨強的增強依次減小，平均固土效益隨雨強的增強也依次減小，降雨強度對徑流量的影響高于對土壤流失量的影響。因此，封禁處理可以強化草地土壤抗侵蝕能力，增加土壤蓄水容量，能夠發(fā)揮一定的保水固土效益，而超載率和草原退化率嚴重影響了牧區(qū)草原的生態(tài)安全壓力，且不同降雨類型由于其降雨因子(降雨量、降雨歷時、降雨強度等)的不同，會對草地的保水固土效益產生影響[39-40]。

本文中，土壤入滲率均較高，約在83%～99%之間，土壤入滲率越高，水土流失量越小，進而水源涵養(yǎng)量越高。且隨放牧強度的增強，高寒草甸水源涵養(yǎng)量減小。趙同謙等[41]將草地生態(tài)系統(tǒng)的內涵界定為截留降水，涵養(yǎng)水分的作用，這種作用是相對于裸地而言的，受到降雨強度、降雨量變化特征以及草地具體的類型影響，于格等[42]也認為草地相對于空礦裸地具有更高的水分滲透性與保水功能，能夠截留降水，發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。植被蓋度可消減降雨的動能，植被通過其枝葉、樹冠等層層攔截，進而減弱降雨對植被土壤的擊打侵蝕，是保持土壤的重要因素，因此，植被的垂直結構，形態(tài)結構是影響土壤侵蝕的重要因素[43]。

4 結論

在人工模擬降雨條件下，隨模擬放牧強度的不同，高寒草甸坡面徑流出現的時間各不相同，從未放牧到重度放牧徑流出現的時間逐漸縮短，徑流量和產沙量隨放牧強度的增強而增加，且降雨強度對徑流量的影響高于對產沙量的影響。隨降雨強度的增強，高寒草甸的保水固土效益減弱。對于不同放牧強度的高寒草甸，土壤入滲率均較高，約在83%～99%之間，高寒草甸的減水減沙效益與雨型具有密切關系，相關系數分別為0.967和0.961，保水效益和固土效益之間有極顯著的相關性，相關系數為0.995。隨放牧強度的增強，草地水源涵養(yǎng)量減小。從維持水源涵養(yǎng)功能的角度來說，中度以下的放牧強度是相對安全的，建議祁連山高寒草甸的放牧強度不要超過中等放牧。