广西桂林漓江滨岸带植被对地表产流产沙的影响

张丹丹,王冬梅,汪西林

(北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

广西桂林漓江滨岸带植被对地表产流产沙的影响

张丹丹,王冬梅†,汪西林

(北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室,100083,北京)

降雨及其产生的地表径流是造成水土流失的主要原因之一,水土流失所带来的河床抬高、水质污染等环境问题亟待解决。本文通过广西桂林漓江滨岸带内建立的7个试验小区,在汛期内观测自然降水条件下各小区的产流产沙情况,研究漓江滨岸带内植被对地表产流产沙的影响,从而为漓江水土流失防治以及面源污染治理等问题提供参考。结果表明:1)植被覆盖能显著拦截坡面径流、沉积泥沙,且植被盖度愈高拦截效果愈显著;2)在草本覆盖处理中,狗尾草植被覆盖处理截流减沙效果较其他几种草本植物覆盖处理好,可作为漓江滨岸带裸露退化区域优先选择的植物种;3)纯草本植物配置的植被带截流减沙效果优于草灌相结合配置的植被带;4)地表径流量、产沙量与降雨量、降雨强度之间在P＜0.01水平上显著正相关,径流量与产沙量之间存在密切的线性关系。由此,采用增加裸坡坡面植被覆盖、选择狗尾草作为漓江快速绿化的草种、坡面上部建立截留措施等方式,可有效减轻坡面水土流失,缓解由水土流失带来的面源污染等问题。

自然降水;滨岸带;径流;泥沙;漓江;广西

桂林水文局最近40年来的水文资料表明:漓江上游主河道自1975年开始出现大面积淤积,桂林段河床自1986年开始有逐年抬高的趋势,汛期最大含沙量逐年增加,雨季洪峰流量上升率为26.59%[1]。1998年最高洪水位达147.7 m,桂林市直接经济损失21.63亿元,给漓江沿岸地区的生命和财产安全造成严重威胁[2]。漓江面临的水资源分配不均,植被退化和含沙量增大等生态环境问题日益突出[3-4],伴随降雨径流中的污染物质汇入漓江,漓江水污染问题亦逐渐加剧,由水土流失带来的相关生态问题亟待解决。

滨岸植被的存在能有效截留陆域面源污染物、改善河道水质和生态环境,而对滨岸植被对径流泥沙拦截效果的研究大都基于室内土槽人工降雨[5-6]、试验小区人工放水[7-8]等开展,这几种方法在揭示径流水文过程等方面皆有其自身优势。然而,由于土壤和降雨条件与自然状况存在较大差异,导致土槽试验应用有局限性[9];人工放水试验则忽略了垂直方向的雨水对坡面的影响;自然降水条件下的野外试验则易于重复考察多种因素且避免破坏土壤结构和改变水文过程[10],故具有明显优势。但自然降水条件下的降雨强度不易控制,很难出现相同降雨强度,在试验重复上很难实现。现有的地表径流及产沙规律研究多在模拟降雨或坡面径流条件下开展[11-12];因此,基于特定气候条件、土壤特性、植被条件等影响因素,开展自然条件下滨岸植被对径流泥沙的拦截效果研究具有重要实用价值。本研究通过汛期在广西桂林漓江左岸坡地上,开展野外小区降雨试验,根据实测降雨—径流资料,分析在植被不同生长期以及相同生长期的不同植被间拦截径流泥沙的规律,以期为防治漓江水土流失和减轻水污染问题提供参考。

1 研究区概况

试验区位于广西壮族自治区桂林市潜经村漓江中游左岸坡地上(E 110°25＇57″,N 25°07＇00″),在漓江桂林—阳朔段的中游河段,属中亚热带湿润季风气候区,全年光照充足,年平均气温17.8～19.1℃,年降水量1 814～1 941 mm,年蒸发量1 482.5 mm,雨热基本同期,试验地内的土壤类型为沙壤土(砂粒65%,粉粒24%,黏粒11%)。漓江沿岸常见乔木包括阴香(Cinnamomum burmanni(Nees et T. Nees)Blume)、枫杨(Pterocarya stenoptera(C. DC))、香樟(Cinnamomum camphora(L.)Presl)等,灌木包括水杨梅(Adina rubella(Sieb.et Zucc,) Hance)、一叶萩(Flueggea suffruticosa(Pall.) Baill)、黄荆(Vitex negundo(L.))等,草本包括狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers)、水蓼(Polygonum hydropiper(L.))、假俭草(Eremochloa ophiuroides (Munro)Hack)、空心莲子草(Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb)、小蓬草(Conyza canadensis (L.)Cronq)、狗尾草(Setaria viridis(L)Beauv))等。

2 试验设计

2.1小区布设

在潜经村原状坡面上布设试验小区,共7个,小区底端距漓江常水位河岸约10 m,小区坡度一致,均为5°,其中规格为5m×2m(长×宽)5个,10m× 2m(长×宽)2个,小区的上方及左右两侧采用砖砌+水泥砂浆抹面作为防渗隔层,深度100 cm,露出地面35 cm,在小区出水口一侧设导水槽与集水池相连,用于收集降雨过后流经试验小区的地表径流,且在降雨期间,利用挡雨设施将径流收集池与导水槽遮盖,防止雨水进入。

2.2植被配置

根据试验前期对漓江植被的沿线调查,筛选出占优势的植物种,草本植物选取狗牙根、假俭草、狗尾草以及空心莲子草,灌木选择一叶萩为试验材料。试验共7个处理,把试验小区按1～7号进行编号,其中:1号小区为灌草混合带(一叶萩+狗牙根),规格10m×2 m,在小区0～5 m段栽植5排一叶萩,株行距为0.5m×1m;2号小区为狗牙根草带,规格10m×2m; 3～6号小区分别为狗牙根、狗尾草、假俭草、空心莲子草草带,规格5m×2m,7号小区为裸地对照组,内无植被,规格5m×2m。具体的植被配置情况如图1所示。草本植物采用种子撒播,灌木采用移栽方式种植。

图1　试验小区植被配置示意图Fig.1 Schematic diagram of vegetation distribution in experimental plots

2.3试验方法

从植被种植后的第1场降雨开始观测,用自记雨量计记录每次降水过程。每次降雨产流后在集水池内取500mL搅拌均匀的径流浑水样用于分析泥沙含量,径流量采用容积法观测,泥沙含量用吉大小天鹅多参数水质分析仪观测。数据使用Excel 2007软件进行处理,并运用SPSS 18.0软件进行相关性分析。

3 结果与分析

3.1降水特征分析

地表径流是在降雨量,降雨强度达到一定程度后由降雨冲刷地表而形成的。2014年在漓江洪水期淹没河岸带之前共有13场降雨,其中7场降雨产生地表径流,分别为5月3日、5月9日、5月17日、6月1日、6月18日、6月19日和7月3日。试验观察期间的降雨量与降雨强度如图2所示。

图2　试验观测期间降雨量与降雨强度情况Fig.2 Rainfall and rainfall intensity during the test

最大降雨量与降雨强度发生在5月9日,降雨强度达45mm/h(图2)。我国气象部门规定降雨强度等级划分的标准为:12 h降水总量,小雨为≤5 mm;中雨为5～14.9mm;大雨为15.0～29.9mm;暴雨为30.0～69.9mm[13]。按照此标准,试验观测期间暴雨1次,大雨3次,中雨3次。随着降雨强度的增加,雨滴打击地表能力愈强,造成的土壤流失亦逐渐加剧。

3.2不同草本植被覆盖处理对地表产流产沙影响分析

在相同植被带宽(5 m)条件下,分析不同草本处理下小区的产流产沙情况,因而选取3号、4号、5号、6号和7号5个小区的观测期间的产流产沙资料进行分析,结果如图3所示。

由图3可知,3号、4号、5号、6号、7号小区7次降雨的平均产流量分别为76.86、60.00、65.14、70.71和92.14 L,3～6号小区的平均产流量均显著小于7号裸地的产流量,表明有植被覆盖的小区能显著的降低地表径流量。除5～3场次降雨外,其余6场降雨无论是平均产流量还是单次降雨产流量7号小区均＞其他4个小区,且随着日期的增加,7号小区的径流量与其他4个小区的径流量差异增加。这是由于降雨观测初期,植物种子刚撒播不久,尚未全部萌发,有植被的小区内植被盖度分布在2%～10%之间,有植被覆盖的小区与裸地空白小区之间的植被盖度差异较小,所产地表径流量差异亦不明显;随着日期的增加,种子完全萌发,植被不断生长,撒播种子的小区盖度逐渐增加,受植被的阻挡,径流流速降低,入渗时间延长,从而导致小区出流量减少。

另外,从图3可以看出,在有植被覆盖的小区,因撒播草种不同,所产地表径流各异。降雨观测期间,裸地小区的总产流量为645 L,3～6号小区的总产流量分别为538、420、456和495 L,与裸地小区的总产流量相比,3～6号小区的总产流量分别降低了17%、35%、29%、23%,4号狗尾草小区产流最少,5号假俭草其次,6号空心莲子草第三,3号狗牙根产流最多。在降雨观测初期3号狗牙根小区与裸地小区径流量差别不大,而在观测后期差异逐渐明显,原因是狗牙根较其他3种草本植物种子萌发时间长,且幼苗生长较慢,而与之同期撒播的狗尾草、假俭草出苗早,且生长快,能在短时间内覆盖地表,拦截径流效果较好。

小区降雨观测期间的产沙量与地表产流量所呈现的规律基本一致,小区产沙总量为7号裸地(18 981mg)＞3号狗牙根(15 717 mg)＞6号空心莲子草(15 188mg)＞5号假俭草(14 068mg)＞4号狗尾草(12 844mg)。4号小区产沙总量较裸地小区减少32%,无论单次降雨产沙量还是总产沙量4号小区均显著＜其他4个小区。泥沙的运移过程,伴随径流的输送过程实现,当小区的地表径流量较小时,泥沙的输送通道遇植被拦挡受阻,产沙量相应减少。如图3所示,4号狗尾草小区的截留减沙、水土保持效果最好,且生根发芽快,生长迅速,因而在漓江滨岸带裸露退化区域,可优先选择狗尾草作为快速绿化的植物种。在雨季来临之前撒播绿化,狗尾草可有效防治水土流失,减少漓江入流污染物,达到净化水体的目的。

3.3灌木处理对地表产流产沙的影响分析

选取1号、2号小区观测期间的产流产沙资料,分析在相同带宽10m条件下,纯草本(2号小区)与灌草相结合(1号小区)2种不同处理对小区地表产流产沙的影响。1号、2号小区降雨观测期间的产流产沙资料如图4所示。

图3　不同植被覆盖地表产流产沙量Fig.3 Runoff and sediment yield under different vegetation cover

图4　1号、2号小区产流产沙情况Fig.4 Runoff and sediment yield in the No.1 and No.2 experimental plot

从图4可以看出,1号小区的径流量、产沙量在相同降雨条件下均大于2号小区,除5～9场降雨外,小区间径流差、泥沙差随着日期的增加逐渐增加,植被条件的差异是造成上述现象的主要原因。1号小区为一叶萩与狗牙根的灌草混合带,上半部分为灌木,下半部分为草本;2号小区均为狗牙根草本植物,密集的草本植物能增加地表粗糙度,能延缓水流通过时间,从而使径流入渗时间延长,增加下渗水量。1号小区一叶萩灌木下几乎无草本植物生长,降雨期间,地面缺乏植被覆盖,水流速度较快且能带走地表裸露松散的土壤,径流、泥沙拦截效果远不如草本植物。

另外,图4表明:随着时间的延长,草本植物拦截径流泥沙的优势愈明显。观测期间第1场降雨5月3日次,1号、2号小区间径流量、产沙量差异较小,这是由于观测初期小区内种子刚撒播不久,小区间地面覆盖度差异较小,在降雨、土壤条件相同的情况下,产流产沙量相差无几。而第2场降雨5月9日次,小区间径流量、泥沙量差异较大,原因是短历时、高强度的降雨打击地表造成的水土流失较为严重,而1号小区内灌木为刚移栽不久的一叶萩,移栽时表层的土壤受到扰动,尚未恢复稳定,在暴雨条件下表层松散的土壤极易被冲走,造成1号、2号小区间产沙量差异显著。从5月17日次至7月3日次降雨1号、2号小区间径流差、泥沙差随着日期的增加呈上升趋势。这是由于随着时间的推移,2号小区内草本植被盖度逐渐＞1号小区,对径流泥沙的截留效果优于1号小区;因而,草本群落发达的滨岸带能更好的保护地表,延缓径流,增加入渗水量,切断泥沙的输送通道,对径流泥沙有更强的截留效果。

3.4径流量、产沙量与降雨量、降雨强度的关系

为探讨降雨量、降雨强度对径流量、产沙量的影响,对7场降雨7个径流小区共49组数据进行降雨量、降雨强度、径流量、产沙量之间相关性分析。

如表1所示,径流量、产沙量与降雨量、降雨强度在P＜0.01水平上呈显著正相关,这表明降雨量与降雨强度均为影响地表产流产沙的主要因素,当降雨量、降雨强度增加时,地表产流产沙会随之增加。降雨量、降雨强度对径流量的影响程度相同, R=0.896,而降雨强度与产沙量的相关性(R= 0.889)略大于降雨量(R=0.834);因此在影响土壤侵蚀的因素中,降雨强度占主导作用。另外,从表1还可以看出,径流量与产沙量之间极显著正相关(R=0.981),二者存在密切的线性关系(y=0.027x+ 14.646,R2=0.962。式中:y为径流量,mg;x为产沙量,mg)。由此,欲减轻滨岸带坡面土壤流失,须切断输送泥沙的水流通道,因而可在滨岸带坡面上部建立截排水沟,拦截径流,防止水土流失,减少入河泥沙。

表1　降雨量、降雨强度、径流量、产沙量间相关性分析Tab.1 Correlation analysis of rainfall and rainfall intensity,runoff and sediment yield(n=49)

4 结论与讨论

通过在漓江滨岸带内建立试验小区,对照裸坡坡面,探讨在不同植被覆盖下坡面降雨径流、产沙特征,对坡面产流产沙的影响。

1)植被覆盖能显著减小坡面地表径流、产沙,且植被盖度差异愈大,坡面产流产沙差异愈显著;因此,在可恢复绿化区域内,增加裸露坡面植被覆盖可有效防治水土流失。

2)在相同降雨条件、坡度、带宽下,不同草本覆盖处理坡面产流产沙存在差异。无论单次降雨产流产沙还是总产流产沙量4号狗尾草小区均显著＜其他4个小区,产流产沙规律整体表现为7号裸地＞3号狗牙根＞6号空心莲子草＞5号假俭草＞4号狗尾草,由此,在雨季来临之前,狗尾草可优先选为快速绿化的草种,撒播在漓江滨岸带植被退化区域,能达到快速复绿的效果。

3)在拦截径流、沉积泥沙方面,灌草相结合的配置方式不及纯草本的植被配置。这一结果是由草本植被自身特点决定的,草本类植物生长密集、交错覆盖于地表,在径流、泥沙通过时可有效阻挡水流,降低流速,增加下渗水量,伴随水流速度下降,水流携沙能力降低,径流中悬浮颗粒大量沉积,同时植被的杆叶可有效吸附水流中的悬浮物质。而草本植物由于其生物量小、根系浅在拦截地下侧流及养分方面远不及以乔木、灌木植物[14-15]。乔灌植被地上、地下生物量较高,寿命长,对污染物的控制效果更持久,因而备受青睐[16-17];因此,滨岸带植被恢复时选择应根据各自功能的需求,选择不同的植被配置方式。

4)地表产流产沙量与降雨量、降雨强度存在显著正相关关系。在影响土壤流失的因素中,降雨强度的贡献作用略大于降雨量。径流量和产沙量之间存在密切的线性关系,而养分的流失是随着泥沙的运移造成的,泥沙的运移需借助水流的输送实现的;因此,在防治土壤、养分流失的工作中,建立截流措施,沉淀泥沙,将拦截的泥沙循环再利用,可有效缓解土地退化、河床抬高、水质污染等环境问题。

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Influence of riparian vegetation on surface runoff and sediment in Li River of Guilin City

Zhang Dandan,Wang Dongmei,Wang Xilin

(School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Key Lab.of Soil&Water Conservation& Desertification Combating of Ministry of Education,100083,Beijing,China)

[Background]Hydrological data in Li River showed that the distribution of itswater resource was not uniformity.During the flood season a large amount of sediment along with the runoff flowed into the river due to the vegetation degradation,which caused the deposition of the river and the increasing of the river bed.The rainfall and surface runoff is one of the main causes of soil and water loss,and the accompanied environmental problems from soil erosion such as riverbed elevation and water quality deterioration should be solved urgently.Usually the external natural factors cannot be controlled,but the controllable factors such as the improvement of the surface cover and the soil condition can effectively alleviate the soil erosion on the slope.[M ethods]In this study,7 experimental plots were established according to the different vegetation configuration.Plots were built in vegetation strips of Li River in Guilin,Guangxi Autonomous Region,where the slopewas5°.We set the rain collecting pool in the area of plots’outlet,which aimed to collected surface runoff flows through the plots.During the flood season we observed the runoff and sediment loss under the condition of natural rainfall,the runoffwasmeasured through the volumemethod,and the sediment contentwasmeasured by thewater quality analyzer in thisexperiment.The data were processed by Excel 2007 and analyzed by SPSS18.0 software for correlation analysis.[Results]1)Vegetation significantly intercepted runoff and sediment,the higher the vegetation coverage was,the better the interception was;thus the vegetation coverage should be increased in the restoration areas,which could effectively prevent and control soil erosion.2)The riparian vegetation covered by Setaria plicata intercepted runoff and sediment better than others’,S.plicata should be preferably selected as the shore plants in bare degradation area of Li River.3)Pure herbaceous vegetation intercepted sediment better than that of grass and shrub vegetation.However different vegetation arrangements had their respective advantages and disadvantages,during vegetation restoration we should choose different vegetation configuration modes according to the needs.4)Surface runoff and sedimentwere positively correlated with rainfall and rainfall intensity at the level of P＜0.01,therewas a close linear relationship between runoff and sediment.[Conclusions]Thus,through some ways such as increasing vegetation cover on bare slope surface,selecting S.plicata as the fast green grass in Li River, establishing the interception measures on the top of slope,and so on,the soil and water loss could be effectively reduced,the non-point source pollution caused by soil erosion could be alleviated.

natural rainfall;riparian;runoff;sediment;Li River;Guangxi

S157.1

A

1672-3007(2016)02-0081-07

10.16843/j.sswc.2016.02.011

2015-07-06

2016-02-02

项目名称:国家“十二五”科技支撑计划“漓江流域水陆交错带生态修复关键技术与示范”(2012BAC16B03),“西南生态安全屏障决策支撑技术体系”(2011BAC09B08-07)

张丹丹(1990—),女,硕士研究生。主要研究方向:水土保持及工程绿化。E-mail:zhangdan19900510@163.com

简介:王冬梅(1963—),女,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持及植被恢复。E-mail:dmwang@126.com