黄土高原地区植被盖度对产流产沙的影响

2019-10-19穆兴民赵广举孙文义

水土保持研究 2019年6期

吴蕾, 穆兴民,2, 高鹏,2, 赵广举,2, 孙文义,2, 田鹏,2

(1.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西杨凌 712100)

植被是控制水土流失的有效措施，具有保持水土的作用，因此，进行植被建设有利于治理水土流失和改善生态环境。黄土高原的土壤侵蚀面积达39.08万km2，占总面积的62.63%。经过长期治理，尤其从1999年实施退耕还林工程以来，黄土高原地区植被建设速度加快，植被治理措施面积占治理总面积的75%。该地区水土流失得到初步控制，生态环境得到改善。植被发挥水土保持作用主要是由于植被对地表的覆盖，植被盖度是减少水土流失的主要因素，盖度的变化对地表径流和土壤流失有很大影响。随着植被盖度的增加，植被对降雨的有效拦截作用也随之增强，同时，雨滴对土壤的击溅侵蚀力和作用面积随之减小，使得土壤侵蚀量逐渐减少[1]。

目前在黄土高原地区，大量研究者从不同的目的出发进行试验设计，研究植被盖度对水土流失的影响。张光辉等[2]研究裸地及不同盖度草地的产流产沙过程，结果表明，裸地的产流产沙过程可用指数函数y=ea+bx型式描述，不同盖度的草地产流产沙过程均可用幂函数y=axb来描述。鲁克新等[3]研究发现随植被覆盖率的增加，径流和产沙总量分别呈幂函数和指数函数减小的趋势，并且植被对水沙调控作用逐渐增强。

植被建设中的一个重要指标是有效盖度。有效植被盖度是指在一定区域内，植被保持土壤并使土壤侵蚀量降低到土壤最大允许侵蚀量以内所需的植被盖度[4]。郭百平等[5]在野外通过人工降雨试验研究沙棘林在不同郁闭度下的减水减沙效益，确定沙棘林的有效郁闭度为0.5。王万中等[6]通过分析小区资料得出坡度为20°，25°，30°，35°时，林地的有效盖度要分别达到57.2%，64.5%，70.4%，75.5%，草地的有效盖度要分别达到63.4%，71.1%，77.3%，82.6%；并发现当其他条件相同时，要发挥同一水土保持作用草地的有效盖度要比林地大。蒋定生等[7]分析了安塞、离石等试验区的观测资料，发现当植被的覆盖度小于40%时，减沙效益明显降低。段庆杉[8]通过分析黄土高原地区森林植被与流域产流和产沙资料，得出在黄土高原地区无论是在小流域还是大中流域中，当森林植被覆盖率达到40%左右时可有效地控制流域的产流量和产沙量。Zhao等[9]在黄土高原地区通过人工降雨试验研究天然草地的产流产沙规律，结果发现当盖度达到40%时，坡面产流和产沙量明显减少，之后随着盖度的增加减流减沙幅度逐渐减小。

植被临界盖度是指植被群落的水土保持作用达到最大或极限时的群落盖度。当植被盖度达到临界盖度时，此时的土壤流失量非常轻微，远远小于允许土壤流失量。当群落盖度大于临界盖度时，植被保持水土功能几乎不随盖度的增加而增强[10]。焦菊英等[11]研究发现林地的水土保持作用受其盖度的影响非常大，当盖度达到一定程度时，就能有效地保持水土，减少水土流失量。罗伟祥等[12]研究表明，冲刷量在允许值20 kg/100 m2范围内的植被覆盖度临界值为35.27%。王升等[13]研究发现当植被覆盖度为43.2%时，植被的减沙和保持养分的作用已经很显著，再增加盖度其效果并不显著。李龙等[14]通过人工模拟降雨试验发现当羊草盖度由80%增加到100%时，累积产沙量的减少幅度最小。朱冰冰等[15]研究发现草本植物的临界覆盖度为60%～80%，当覆盖度在0～60%范围内时，产流产沙量随覆盖度的增加迅速降低；而植被覆盖度>80%时，产流、产沙量不再随覆盖度的增加而大幅度下降，此时，植被水沙调控作用趋于稳定。

综上，虽然在黄土高原地区有关植被盖度水土保持作用的研究繁多，但没有统一的变化规律，因此本文对该地区通过人工模拟降雨试验进行的不同植被盖度的产流产沙相关文献数据进行系统地整合分析，总结植被减流减沙效益随植被盖度的变化特征，确定黄土高原有效盖度，探寻一个使植被发挥较高水土保持作用的盖度范围，为黄土高原地区进行植被恢复和建设提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

针对黄土高原地区不同植被盖度对产流产沙的影响，本研究运用中国期刊全文数据库(CNKI，http:∥www.cnki.net/)和Web of Science(SCI科学引文索引数据库)数据库，以“人工降雨(artificial rainfall)”、“植被覆盖(vegetation cover)”、“水土保持(conservation of water and soil)”等为关键词，全面收集国内外公开刊物上发表有关黄土高原地区植被盖度对产流产沙影响的文献中的数据。

为了保证所用数据符合分析要求，减少对分析结果造成的偏差，对收集的文献进一步进行筛选，筛选标准如下：(1) 研究区为黄土高原；(2) 文献中详细交代试验的降雨强度及植被盖度；(3) 文献中清楚交代试验方法即室内人工降雨和室外人工降雨；(4) 文献中清楚交代所用表征的径流泥沙量的指标；(5) 试验中要有对照和处理，且对照组为裸地。

通过整理和筛选，共有30篇有效文献。将所用文献基本情况汇总在数据来源情况表中(表1)。

表1 研究数据来源

1.2 分析方法

为了比较不同植被盖度的减流减沙效果，计算其减流减沙效益，以每组文献数据作为一个独立的试验结果，以裸地小区作为对照。

减流减沙效益的计算方法为：

(1)

(2)

式中：CRV，CSV为植被的减流效益和减沙效益；RV，SV为植被的产流、产沙指标值；RCK，SCK为对应的对照的产流、产沙指标值。

2 结果与分析

2.1 室内人工模拟降雨条件下植被盖度对产流产沙的影响

将收集到的数据整理绘制得到不同植被盖度下减流减沙效益的分布图(图1—2)，可见，植被的覆盖能有效降低产流产沙量。由于不同试验间试验条件存在差异，同一盖度下减流减沙效益值分布较广，最低的减流减沙效益分别为1.8%，8.5%，最高的减流减沙效益可达99.1%，99.6%。植被的覆盖能保护地表，且对降雨有拦截作用，同时消减降雨动能，降低径流流速，使径流在坡面上滞留的时间延长，增加了径流下渗时间，减少了地表径流量；在植被的保护下，雨滴对土壤的击溅侵蚀能力也有所减弱，致使土壤侵蚀量减少。植物根系在保持水土方面也发挥了重要作用，它能提高土壤的理化性质，稳定土壤结构；改善土壤团聚结构和孔隙状况，增加土壤入渗能力；通过固持土壤、改善土壤物理性质，提高土壤抗冲性和抗蚀性。

如图1所示，减流效益随植被盖度的增加呈现先增加后降低的趋势，当植被盖度达到60%时减流效益达到最大，大于60%后减流效益降低。低盖度时减流效益随盖度的增加而增加的原因：一是随着盖度的增加，植被的截留量增加，径流量相应减少；二是盖度的增加，也提高了植被降低雨滴打击动能的能力，使地表不易形成结皮，增加土壤的入渗，从而减少了地表径流；三是随着盖度的增加，植被对径流的拦截作用增加，径流流速降低，使得径流运动时间延长，入渗总量增加，径流量减少。由于植被的拦截能力是有限的，当持续的降雨超过了其拦截能力时就会增加地表径流量，降低植被的减流效益，因此出现了植被盖度较大时其减流效益反而降低的现象。

植被的减沙效益随盖度的变化与减流效益一致，也是随着盖度的增加先增加后减少。在图2中，减沙效益在盖度为80%时出现最大值，即当盖度达到80%时，植被发挥了最大的保土作用。

图1 室内模拟降雨条件下不同植被盖度的减流效益

图2 室内模拟降雨条件下不同植被盖度的减沙效益

2.2 室外人工模拟降雨条件下植被盖度对产流产沙的影响

如图3—4所示，室外人工降雨条件下减流减沙效益达到极值的盖度范围为80%～90%，该范围之前减流减沙效益随盖度的增加而增加，并在盖度为40%～50%时发生突变，超过该范围减流减沙效益均有降低。与室内人工降雨相比，减流减沙效益变化过程一致，均先增加后降低。但该变化是在总结不同试验条件的减流减沙效益条件下得到的，事实上在同一试验条件下，减流变化规律与前者一致均为先增加后减少，减沙效益则呈现随盖度的增加而一直增加的趋势。随着植被盖度的增加，一方面植被冠层对雨滴的阻挡有效地降低了雨滴对土表的击溅侵蚀作用，另一方面植被根系的增加可以增强其固结土壤的能力，增加土壤的抗蚀能力，在二者的综合作用下产沙量逐渐减少，植被的减沙效益逐渐增加[14]。综合以上各种原因，植被的减流效益的变化规律为随盖度的增加先增加后减少，而减沙效益一直随盖度的增加而增加。

图3 室外模拟降雨条件下不同植被盖度的减流效益

图4 室外模拟降雨条件下不同植被盖度的减沙效益

结合室内室外两种降雨条件下减流减沙效益的变化结果可以看出，植被的水土保持临界盖度为60%～70%，即在此范围以下植被的减流减沙效益随着植被盖度的增加而增加，但影响不显著；随着植被盖度达到临界盖度时，植被盖度的增加对减流减沙效益影响显著；随后减流减沙效益趋于稳定，不再大幅度增加。根据减流减沙效益数值在图中的分布情况，发现减沙效益的数值分布普遍比减流效益数值高，即植被的减沙效益大于减流效益。造成这种现象的原因：一是植被枝叶保护地表防止土壤侵蚀的能力大于其拦截径流的能力，使在同一植被盖度条件下侵蚀产沙量低于地表径流量；二是植被根系的固结，造成土壤入渗速率较低，容易产流，且提高了土壤的抗蚀性减少了土壤的侵蚀量。

2.3 不同植被盖度下减流减沙效益的变化规律

为了更好地体现植被减流减沙效益随盖度的变化趋势，将植被盖度从0～100%进行分级，植被盖度分级见表2，并计算各等级的平均减流减沙效益，得到不同等级下平均减流减沙效益统计图(图5—6)。

表2 植被盖度分级

如图5所示，在室内人工模拟降雨条件下，平均减流效益的变化过程呈抛物线型，可用y=ax2+bx+c型(a，b，c均为常数)来表示，其阶段性变化十分明显，大致可分为4个阶段。第一阶段为缓慢增加阶段，低盖度(0～40%)下植被减流效果不佳，随盖度增加减流效益增加缓慢；第二阶段为迅速增加阶段，盖度在40%～60%时减流效益迅速增加，最高达50%左右；第三阶段为稳定阶段，植被盖度从50%～60%到60%～70%时变化不大；第四阶段为降低阶段，当盖度等级大于5即盖度大于70%时，平均减流效益开始下降。而平均减沙效益的变化过程符合对数函数的变化过程，即可用y=alnx+b型(a，b均为常数)表示。并且平均减沙效益的阶段性变化不太明显，大致分为两个阶段。第一阶段为迅速增加阶段，与减流效益不同，减沙效益在低盖度(0～40%)时增加迅速，这也表明植被覆盖的减沙作用强烈；第二阶段为稳定增加阶段，随着盖度的增加减沙效益也持续增加但各等级间增加幅度比较稳定。植被盖度在60%～70%范围内，平均减流减沙效益均有所降低，这是由于该范围内所收集的数据较低导致平均水平不高。在室内人工模拟降雨条件下，植被的有效盖度在40%～50%，植被的临界盖度在60%～70%。

如图6所示，在室外模拟降雨条件下，各等级的平均减流效益变化大致分为3个阶段。第一阶段为缓慢增长阶段，植被盖度从0～20%增长到20%～40%的过程中，平均减流效益增长缓慢，平均减流效益也不高，在20%左右；第二阶段为稳定增长阶段，植被盖度在40%～50%时的减流效益比20%～40%时的减流效益有大幅度增加，随后减流效益随盖度的增加而稳定增加；第三阶段为降低阶段，当盖度超过80%～90%时，减流效益呈现下降趋势。其中，覆盖度等级为6即覆盖度范围为70%～80%时减流效益明显降低，这是由于不同试验的试验条件不同，导致不同试验间的减流效益存在差异，使得平均效益较低。平均减沙效益表现为随着植被盖度的增加而增加，在40%～50%的盖度范围时平均减沙效益突增至70%以上，随后整体保持稳定增加。根据图6所示，在室外人工模拟降雨条件下，平均减流减沙效益均呈对数函数变化趋势即y=alnx+b(a，b均为常数)，植被的减沙作用大于减流作用，且植被的有效盖度在40%～50%，其临界盖度在70%～80%。

图5 室内人工模拟降雨条件下不同植被盖度等级的平均减流减沙效益

图6 室外人工模拟降雨条件下不同植被盖度等级的平均减流减沙效益

综合室内外结果发现，平均减流减沙效益变化趋势有所不同，且室内试验的数值比室外试验的小。室内条件单一，植被下贴地表层无其他覆盖，植被的生长时间短会对试验结果造成一定的影响。而室外环境复杂，地形变化及枯枝落叶层也会影响试验结果，其中枯枝落叶层在降水过程中对地面也起到一定的保护作用。结合前文可以看出植被减流效益的变化趋势为先增加后降低，低植被盖度下减流减沙效益低，高植被盖度时减流效益有所降低，并不随植被盖度的增加一直增加；而减沙效益随植被盖度的增加持续增长，植被盖度越高植被保护土壤的作用越好，侵蚀量降低。同时，植被的减沙效益总是大于减流效益。综合两种情况下的减流减沙效益变化，发现植被的有效盖度为40%～50%，在该范围内植被的减水减沙效益显著提高，而临界盖度为70%～80%，低于该范围植被的减水减沙效益随植被盖度的增加而增加，当植被盖度大于临界盖度时，植被保持水土的作用几乎不再随植被盖度的增加而增加，甚至降低。