黄土丘陵区生物结皮坡面产流产沙与其分布格局的关联

吉静怡,赵允格,杨 凯,张万涛,王闪闪

1 西北农林科技大学资源环境学院,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,杨凌 712100 3 西北农林科技大学林学院, 杨凌 712100

生物土壤结皮(简称生物结皮)自退耕还林(草)工程实施以来在黄土丘陵区广泛发育,盖度可达60%—70%,甚至更高[1-2],具有增加土壤C、N含量[3-6],改善土壤团聚体数量和稳定性,影响水分入渗[7- 9],增强土壤抗侵蚀性[10- 12]等重要生态功能,进而影响坡面的产流产沙。

国内外有关生物结皮对坡面产流产沙的影响做了大量研究。就坡面产流而言,部分研究认为生物结皮主要通过延长坡面初始产流时间来抑制坡面产流[10,13-14],如肖波等[10]采用室内培育的生物结皮在坡度5°、雨强46.8 mm/h、历时1 h 的模拟降雨试验研究表明,生物结皮可减少49%—64%的径流。另一部分研究认为生物结皮促进了坡面产流[15]。赵允格等[12]在黄土丘陵区的研究表明,生物结皮能够增加坡面径流量。杨凯等[16]研究发现降雨历时也是影响生物结皮坡面产流状况的因素之一,降雨历时的差异可能导致生物结皮对坡面产流的影响表现出截然相反的结果。可见,生物结皮对产流的影响与很多因素有关,目前仍存分歧。国内外关于生物结皮对土壤侵蚀的影响已取得基本一致的结论,即生物结皮能够显著增强土壤抗侵蚀性,降低坡面产沙量[10,17]。已有研究主要从生物结皮组成、盖度及发育程度等角度研究了生物结皮对坡面产流产沙的影响[9-11,13,17]。

干扰是自然界普遍存在的现象。研究发现,干扰会显著降低生物结皮的盖度,特别是降低苔藓、地衣类等高级演替阶段的盖度[18-19]。自然状况下,生物结皮因干扰改变的不仅只有盖度和组成,也会影响其分布格局[20]。已有研究表明,高等植被的分布格局会影响坡面产流产沙[21-22],而生物结皮与高等植被在形态上存在较大差异,生物结皮的分布格局是否会影响坡面产流产沙迄今鲜见研究。且有关生物结皮的分布格局主要以定性描述为主,缺乏定量表征,导致各类侵蚀产沙模型中通常缺少反映生物结皮及生物结皮格局影响的量化参数,未能深入揭示导致变化的作用机制。在景观生态学中,景观格局指数常用于定量描述景观格局与生态过程[23-24]。如刘宇[25]利用景观指数有效评价了景观格局与土壤侵蚀的有效性。Da Silva[26]使用格局指数分析了坡面小区尺度土壤侵蚀过程,然而可否定量描述生物结皮斑块的分布特征仍是一个有待解决的问题。

为此,本文以人工填装土槽上自然演替的生物结皮坡面为对象,通过人为调整模拟自然条件下生物结皮的常见的分布格局,借用景观生态学方法,计算其景观格局指数,通过室内模拟降雨试验,研究了生物结皮分布格局对坡面产流产沙的影响,进而利用景观生态学数量方法解析生物结皮分布格局与坡面产流产沙的关系,以期进一步深化生物结皮水土保持机理研究,为干旱半干旱地区生物结皮影响下的水土资源调控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验于2019年10月在中国科学院水利部水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行,该区喷头位置距地面14.5 m,水喷出后向上喷高1.5 m,随后向地面降落,实际降雨高度为16 m,降雨均匀度大于80%。模拟降雨雨滴的分布、大小及终点速度接近天然降雨。

在2008年自制移动变坡式土槽12个,尺寸规格为：长×宽×高=2.0 m×1.0 m×0.5 m,以陕西省安塞县坡耕地表层(0—20 cm)土壤填装土槽,控制土壤容重约1.25 g/cm3,分层填装,每层厚度10 cm,边装边压实,在填装下一土层前将表土打毛以消除不同层次间的垂直层理,土槽填土完成后,将表土整平使其与槽底平行,保证试验条件的一致性。填土总高度为40 cm。填装完成后放置,使生物结皮自然发育演替。土槽生物结皮以藻、藓结皮混合存在,呈镶嵌式分布。供试土槽土壤基本理化属性见表1。

表1 供试土槽基本理化性质

图1 生物结皮分布格局图Fig.1 Distribution pattern of biocrusts灰色部分为生物结皮,白色部分为裸土

1.2 试验设计

试验开始前剪除土槽内植物地上部并扫除枯落物。将生物结皮坡面分布格局设置为带状格局(生物结皮宽度：裸土宽度=12:8 cm)、棋盘状格局(生物结皮、裸土长宽均为20 cm)、随机分布格局,控制生物结皮盖度60%左右(图1),将裸土区域去除表层生物结皮后重新填装土样并压实。试验设雨强90 mm/h,降雨历时30 min,以去除生物结皮的裸土土槽作对照,每个处理重复3次。试验开始前率定雨强与设定雨强误差小于± 5%。在试验前,我们采用时域反射法(TDR,time domain reflectometry)监测土槽土壤含水量,土壤含水量不足或超过(0.16 ± 0.01) cm3/cm3时,采用喷水或晾晒的方法调整土槽含水量保持一致。土槽坡度选取黄土高原常见的退耕坡度15°,生物结皮盖度及组成见表2。

表2 不同格局生物结皮小区基本特征

1.3 观测指标及方法

1)供试土槽生物结皮盖度及组成

于降雨试验前用25点样方法(样方 25 cm×25 cm)调查供试土槽生物结皮盖度(生物结皮盖度=藻盖度+藓盖度,生物结皮盖度+裸土盖度=100%)。均匀测定土槽上中下部分的生物结皮盖度,取同一处理下3个土槽的生物结皮盖度均值作为该处理条件下生物结皮的盖度值。

2)供试土槽表面粗糙度：降雨试验前采用链条法[27]测定坡面糙度值 (表2)。

3)初始产流时间：自模拟降雨开始时计时,记录土槽出水口有径流流出的时间。

4)径流率和土壤侵蚀速率

坡面产流后每隔3 min收集1次水样。降雨结束后,用量筒测定径流量,并把底层泥沙冲入铝盒,放置在105 ℃烘箱烘24 h后称重,径流率和土壤侵蚀速率[28]计算公式分别为:

R=r·s-1·t-1

(1)

E=m·s-1·t-1

(2)

式中,R为径流率(mm/min)；E为土壤侵蚀速率(g m-2min-1)；r为接样时间t内收集的径流量(L)；m为接样时间t内产沙量(g),由径流泥沙样烘干后称重确定；s为小区面积(m2)；t为接样时间(min)。

5)生物结皮坡面格局指数

用相机在距地面 2m处平行于土槽拍照。在ArcGIS 10.2软件平台进行目视解译分类,将生物结皮斑块空间分布矢量化。利用Fragstats 4.2 进行格局指数计算(本研究主要计算生物结皮斑块及藻、藓结皮斑块格局指数,指数计算公式及意义见表 3),在类型水平上选取斑块密度(PD,Patch Density)、最大斑块指数(LPI,Landscape Patch Index)、景观形状指数(LSI,Landscape Shape Index)、斑块连结度(COHESION,Patch Cohesion Index)、景观破碎度(DIVISION,Landscape Division Index),分离度(SPLIT,Splitting Index)从斑块的数量、形状、大小和破碎度方面反映格局特征变化。

1.4 数据处理

采用SPSS 18.0 对不同格局的生物结皮坡面与裸土坡面的初始产流时间、径流率、土壤侵蚀速率分别进行正态分布检验和ANOVA方差分析、LSD多重比较(α=0.05),用R语言对径流率、土壤侵蚀速率分别与生物结皮斑块及藻、藓结皮斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、斑块连结度、景观分裂指数、分离度指数进行Pearson双尾相关分析(α=0.05、0.01)、多元线性回归分析。用Origin 8.1进行图形绘制,图表中数据为平均值±标准差。

表3 景观指数描述

2 结果与分析

2.1 生物结皮坡面分布格局景观特征分析

不同格局下生物结皮斑块及藻、藓结皮斑块格局指数见表4、5。由表4可以看出,不同格局下生物结皮斑块在最大斑块指数、景观形状指数、斑块连结度、景观分裂指数及分离度等指标上均有差异。3种格局下的生物结皮斑块密度无显著差异。随机格局生物结皮最大斑块指数显著高于棋盘和带状格局,棋盘格局生物结皮最大斑块指数显著高于带状格局,斑块连结度变化趋势与之相似。随机格局生物结皮斑块景观形状指数显著高于带状和棋盘状格局,带状和棋盘格局间无显著差异,随机格局的生物结皮斑块景观形状指数分别是带状和棋盘格局的2.81倍和3.06倍。生物结皮斑块景观分裂指数与分离度变化规律相同,均表现为带状>棋盘>随机。带状和棋盘格局的生物结皮斑块景观分裂指数是随机格局的1.83倍和1.74倍。带状格局的生物结皮斑块分离度是棋盘格局的2.32倍,是随机格局的13.45倍；棋盘格局是随机格局的5.80倍。

考虑到不同类型的生物结皮水土保持功能存在差异,为此进一步将生物结皮斑块划分为藻、藓结皮斑块。不同格局下藻、藓结皮斑块在斑块密度、最大斑块指数、景观形状指数、斑块连结度、景观分裂指数和分离度上均有差异(表5)。随机格局藻结皮斑块密度显著高于棋盘格局,带状格局在二者之间。随机格局藻结皮最大斑块指数显著高于带状和棋盘格局,分别是它们的10.40倍和181.27倍,带状和棋盘格局间无显著差异。藻结皮斑块景观形状指数表现为：随机>带状>棋盘。斑块连结度表现为：随机>棋盘>带状。景观分裂指数和分离度表现趋势相同,均为带状和棋盘格局显著高于随机格局,且带状和棋盘间无显著差异。

带状格局藓结皮斑块密度显著高于棋盘格局,随机格局位于二者之间。棋盘格局藓结皮最大斑块指数显著高于带状和随机格局,分别是它们的6.29倍和3.55倍。带状和随机格局藓结皮斑块景观形状指数显著高于棋盘格局,分别是棋盘格局的1.52倍和1.65倍,但二者间无显著差异,景观分裂指数变化趋势与之相似。棋盘格局斑块连结度显著高于带状格局,随机格局位于二者之间。3种格局下藓结皮斑块分离度无显著差异。

表4 不同格局生物结皮斑块格局指数

表5 不同格局藻、藓结皮斑块格局指数

2.2 生物结皮分布格局对坡面初始产流时间的影响

图2 生物结皮分布格局对坡面初始产流时间的影响 Fig.2 Effect biocrusts distribution patterns on the initial runoff time 不同小写字母代表不同格局间差异显著(P <0.05)

坡面初始产流时间是影响降雨径流过程及大小的主要因素[29],生物结皮分布格局对坡面初始产流时间的影响见图2。由图2可以看出,不同格局下的生物结皮坡面初始产流时间存在差异。随机、带状格局下,生物结皮坡面初始产流时间均显著高于裸土坡面,分别是裸土坡面的2.46倍和1.78倍。棋盘格局与裸土坡面相比,初始产流时间无显著差异。随机格局生物结皮坡面初始产流时间显著高于带状格局和棋盘格局,分别是带状和棋盘格局的1.38倍和1.55倍,带状和棋盘格局间无显著差异。

2.3 生物结皮分布格局对坡面径流率、土壤侵蚀速率的影响

图3 不同生物结皮分布格局对坡面径流率、土壤侵蚀速率的影响Fig.3 Effects of different biocrusts distribution patterns on slope runoff rate and soil erosion rate不同大写字母表示不同格局下坡面径流率差异显著(P <0.05)；小写字母则是不同格局间土壤侵蚀速率差异显著(P <0.05)

不同格局生物结皮坡面的径流率和土壤侵蚀速率变化见图3。格局显著影响生物结皮坡面径流率。棋盘、随机格局坡面较裸土坡面分别降低21.0%和30.0%的径流率,差异显著(P<0.05)。带状格局坡面径流率与裸土坡面无显著差异,且带状格局径流率显著高于棋盘和随机格局,分别是它们的1.25倍和1.39倍。棋盘格局径流率显著高于随机格局,是它的1.12倍。

从整体来看,3种格局的生物结皮坡面较裸土坡面均显著降低土壤侵蚀速率,分别降低了37.7%、74.8%和92.0%。带状格局的生物结皮坡面土壤侵蚀速率显著高于棋盘、随机格局,分别是它们的2.47倍和7.76倍。棋盘格局与随机格局间无显著差异。

2.4 生物结皮斑块类型格局指数对坡面径流率、土壤侵蚀速率的影响

通过Fragstats计算得出不同格局下生物结皮斑块及藻、藓斑块格局指数(表4、5)。选取与生物结皮坡面格局相关的6个指数与坡面径流率、土壤侵蚀速率进行相关分析(图4)可以发现：径流率、土壤侵蚀速率与生物结皮斑块密度、景观形状指数无显著相关性；与斑块连结度呈极显著负相关(P<0.01)；与景观分裂指数呈显著正相关；与分离度呈极显著正相关(P<0.01)。最大斑块指数与径流率呈极显著负相关(P<0.01),与土壤侵蚀速率呈显著负相关。径流率、土壤侵蚀速率与藻、藓结皮斑块格局指数间均无显著相关性(图4)。

图4 生物结皮斑块类型格局指数与径流率、土壤侵蚀速率相关性分析Fig.4 Correlation analysis of pattern index of biocrusts patch types with runoff rate and soil erosion ratePD：斑块密度；LPI：最大斑块指数；LSI：景观形状指数；COHESION：斑块连结度；DIVISION：景观分裂指数；SPLIT：分离度；R：径流率；E：土壤侵蚀速率；图中左下部分为P值,右上部分为相关系数

Y1=1.116+0.017SPLIT (R2=0.957,P<0.01)

Y2=22.767+17.936SPLIT (R2=0.801,P<0.01)

3 讨论

生物结皮是干旱半干旱地区广泛发育的地被物,显著影响土壤侵蚀及水文过程[17,30]。同时,位于地表的生物结皮,对放牧、翻耕、人为踩踏及火烧等干扰极为敏感[31-32]。干扰不仅导致生物结皮盖度的降低[18-19],也会导致生物结皮在坡面形成不同的分布格局,如在我国西北地区,常见的有放牧踩踏后留下的羊道(带状)、人工造林形成的鱼鳞状分布(斑块状),以及许多不明原因干扰形成的无规律随机分布等不同分布格局。研究表明植被分布格局是坡面产流产沙的重要影响因素[33-34],因此,格局可能是除盖度外生物结皮对坡面产流产沙的重要影响因素。迄今,鲜有研究关注生物结皮的分布格局与其水土保持功能之间的关系。为此,我们采用填装土槽上自然发育的生物结皮,通过人为调整将生物结皮设为带状、棋盘状和随机分布格局,通过模拟降雨试验研究生物结皮的分布格局对坡面产流产沙的影响。结果表明,不同格局的生物结皮坡面均可显著降低坡面土壤侵蚀速率,但不同格局的降低幅度不同,具体表现为带状>棋盘>随机,这与沈中原[35]和李强等[36]对高等植被格局影响产流产沙的研究结果具有一致性。不同格局之间,除带状格局外,棋盘、随机格局较裸土坡面均可显著降低径流率,这主要是由于带状格局的生物结皮斑块和裸土斑块完全分隔开,斑块破碎度大,对径流和泥沙的拦截作用较弱。即生物结皮会降低坡面产流产沙量,且格局是影响生物结皮坡面产流产沙的因素之一。不同格局的生物结皮坡面对初始产流时间、径流率、土壤侵蚀速率的影响主要与生物结皮斑块破碎度和连通度有关(图4)。3种格局主要是通过增加径流路径长度,增加入渗,减缓流速来减少径流和增强生物结皮对坡面的减沙作用。

生物结皮类型的分布格局也是生物结皮格局的重要部分之一,但在本研究中藻、藓结皮斑块格局指数与径流率、土壤侵蚀速率均无显著相关性(图4),说明生物结皮类型(藻、藓)的景观格局特征可能不是影响本研究中径流和土壤侵蚀的主要因素。其原因可能是因为本研究的雨强为90 mm/h,该雨强条件下,藻、藓结皮的格局对产流产沙的影响不显著[37],是否如此,仍有待进一步研究。

通过景观格局指数量化生物结皮斑块的分布格局研究其与径流率、土壤侵蚀速率的关系发现,径流率、土壤侵蚀速率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度、景观分裂指数、分离度有显著相关性(图4)。但经过多元逐步回归分析后,径流率和土壤侵蚀速率都仅剩分离度一个因子。原因可能是景观格局指数间存在冗余现象[38-39],经逐步回归后留下了贡献率最高的因子。分离度对径流率和土壤侵蚀速率的回归方程R2分别为0.957和0.801,说明分离度对径流的解释度较高,对泥沙的解释度较低。由于各指标间的互相作用和共线性导致对解析格局对坡面产流产沙的影响存在限制,想要明确其影响方式及程度仍需大量研究。尽管本研究中选取的部分景观指数间存在共线性,但分析发现斑块连结度、分离度、景观分裂指数主要是描述斑块破碎状况的指数,表明生物结皮的破碎状况是生物结皮分布格局对坡面产流产沙的主要影响因素。值得指出的是,目前在应用景观指数描述景观结构、对景观过程进行生态学解释时,许多景观指数只是单纯的数理统计或拓扑计算公式[40],结合本文的研究对象发现生物结皮作为景观生态系统的一部分,格局是景观的结构,由于生物结皮斑块破碎度的变化,可能导致坡面水流路径和泥沙通道发生了改变,进而影响了生物结皮的水土保持功能。斑块连结度越大,生物结皮的连接度越好,对径流和泥沙的抵抗能力越强；景观分裂指数、分离度越大,生物结皮斑块破碎度越大,对径流和泥沙的抵抗能力越弱,即生物结皮斑块破碎程度越大,坡面径流泥沙越多(图4)。这与刘宇等[40]总结土壤侵蚀过程的特征变量(产流、产沙)会随植被斑块的破碎化而增大结论一致。

本文从分布格局角度解析了坡面尺度生物结皮水土保持功能,明确了生物结皮的分布格局对坡面尺度水土保持效应影响,确定了坡面产流产沙与其相关的景观指数间的量化关系,为构建有生物结皮的土壤侵蚀预报模型提供了数据参考,有关流域乃至区域尺度生物结皮的空间分布格局对其水土保持功能的影响仍有待深入研究。