模拟降雨下黄土坡面水沙过程对3种灌草植被垂直结构变化的响应

2021-11-26赵炯昌段兴武

生态学报 2021年21期

赵炯昌, 卫伟, 段兴武

1 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 云南大学国际河流与生态安全研究院,昆明 650591 3 中国科学院大学,北京 100049

植被恢复与建设是干旱半干旱地区防治水土流失的重要措施[1- 2]。植被对土壤侵蚀的影响主要取决于植被类型[3- 4]、植被覆盖度[5]、植被格局[6- 8]以及植被地上部分的冠层(叶和茎)、枯落物[9- 10]和地下部分的根系[11]等方面。冠层和枯落物能够有效截留降雨、消减雨滴动能和延缓产流时间[12- 13]；根系能够促进土壤团聚体稳定性及其有机碳固定,改善土壤结构[14- 16]。植被垂直结构指植被从冠层叶、茎到地表枯落物再到地下根系的垂直分布与配置[17],植被垂直结构不同组分均直接或间接影响降雨再分配、土壤水分入渗、产流汇流和产沙输沙等水文过程。

植被与水土流失之间的研究以往多集中在植被全株或地上部分,而且许多相关研究并未对根系采取相应的处理,仅以地上部分来代表植被整体状况,这在不同程度上忽略或低估了根系在水沙过程中发挥的作用。Zhao等[18]发现沙打旺通过根系和冠层的共同作用来控制土壤侵蚀,而且根系的作用大于冠层。不同的植被由于其分层结构和形态特征(如植被高度、叶面积、根直径等)之间差异显著,对水土流失的影响也不同[19]。通常认为草本植物的地上部分在减少径流方面发挥较大作用,而根系则在控制侵蚀方面发挥着较大作用[20- 23]。然而,也有研究认为草地地上部分和根系在减少径流方面的贡献基本相同,森林根系对减流和减沙的相对贡献均大于地上部分[24]。目前,关于植被垂直结构不同组分对减流减沙效益相对贡献方面的研究并没有形成较为一致的结论。

黄土高原是世界上水土流失最严重的地区之一,也是典型的生态脆弱区[25]。退耕还林还草工程实施以来,植被生态系统结构和功能明显提升,并且驱动着土壤近地表特性发生相应的变化,主要体现在植被茎秆覆盖、枯落物、结皮和植物根系系统等方面[26]。草本和灌木是黄土高原地区分布最典型的生态系统类型。基于此,本研究选取该地区典型人工草灌植被(沙棘、柠条、苜蓿),从上至下逐层去除近地表因子(叶、茎、枯落物、根系),定量分析植被垂直结构各组分减流减沙效益的相对贡献,探究植被地上和地下各部分调控坡面侵蚀的机理。本研究能够更好地理解植被及其垂直结构组分在坡面水沙过程中发挥的作用,为定量评价黄土丘陵区植被水土保持效益和选择适宜的水土保持物种提供相应的科学依据和理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 研究区位置示意图Fig.1 Location of study area

研究区位于甘肃省定西市安家沟小流域(35°33′—35°36′N, 104°38′—104°41′E),地处黄土高原西南缘,属于黄河流域祖厉河水系,流域面积8.54 km2,海拔1917—2234 m(图1)。流域内年均温6.8℃,多年平均降雨量421 mm,降雨主要集中在7—9月,并且多以暴雨形式发生。流域地貌主要包括梁峁坡、沟谷及阶坪地三大类型,地形支离破碎,沟壑纵横。流域土壤质地单一,有机质含量低,抗蚀抗冲性差,易发生水土流失。流域内现有植被以人工种植为主,主要包括油松(Pinustabulaeformis)、侧柏(Platycladusorientalis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)、柠条(Caraganakorshinskii)、苜蓿(Medicagosativa)等。

1.2 试验设计

根据坡地形态和模拟降雨装置,试验小区设置为长3 m、宽1.5 m,共4.5 m2,坡度为黄土高原常见退耕坡度15°,共设四个试验小区,地表植被分别为沙棘、柠条、苜蓿以及裸地作为对照参考,不同试验小区的表层(0—20 cm)土壤属性见表1。小区边界由30 cm铁皮围成,入土深度为10 cm。为避免土壤性质和坡向对试验结果的影响,小区布设在同一坡面,并且在小区建立之前,进行人工平整以减少微地形变化对试验的影响。

沙棘、柠条和苜蓿均从上至下依次去除叶、茎和枯落物,具体分为:全株、除叶、除茎叶、仅留根系四种处理。试验开始前调查植被参数,并分别收集去除的叶、茎和枯落物,带回实验室称重,不同试验小区地表植被参数见表2。

表1 不同试验小区表层(0—20 cm)土壤属性

表2 不同试验小区地表植被参数

1.3 试验过程

模拟降雨系统由美国农业部国家土壤侵蚀研究实验室研发,采用先进的振荡式原理模拟自然降雨过程,其主要组成部件包括喷头、控制器、水阀、水泵和脚架[27]。喷头离地面4 m,以保证系统产生的雨滴分布和动能近似自然降雨。通过水阀调节水压及控制器调整喷嘴转动频率,从而改变降雨强度。根据黄土高原侵蚀性降雨标准并结合当地气象资料分析,雨强设定为典型暴雨雨强90 mm/h。

模拟降雨试验于2020年7—8月晴朗无风的白天开展,每个处理均进行两次重复,共计26场降雨。每次降雨之前进行降雨强度和降雨均匀度的率定,保证雨强达到(90±3) mm/h且降雨均匀度大于85%,保证试验过程中降雨的均匀性和稳定性。与此同时,采用便携式TDR—Uni1000土壤水分速测仪在试验小区的上、中、下三个部位测定土壤含水量,控制前期土壤含水量在(15±1)%,从而消除其对产流产沙过程的影响。每次试验自坡面开始产流后持续60 min,每隔2 min接取1次地表径流泥沙样品,每次接取30 s,共接取30个样品,静置一段时间后将所取样品在室内进行称重、烘干,计算产流产沙量。每隔0.5 m设置一个断面,自产流开始后,每10 min使用KMnO4溶液测定每个断面的流速。为比较不同产流时期水土流失过程的变化,将产流后0—20 min、20—40 min、40—60 min分别定义为产流初期、中期、后期。

1.4 指标测算

研究认为染色示踪法测定的流速为坡面流表层优势流速,实际中通常乘校正系数得到坡面流平均流速[20],计算公式如下:

V=α×VS

(1)

式中,V为坡面流平均流速(cm/s)；Vs为坡面表层优势流速,即本研究KMnO4溶液测定的流速(cm/s)；α为校正系数,其中0<α≤1,实际中根据坡面流流态α取不同值,层流为0.67,过渡流为0.7,紊流为0.8,本研究α取0.67。

由于坡面水层极薄以及下垫面条件等方面的限制,难以直接测量水深,研究中常假定水流在坡面上均匀分布,计算公式如下:

(2)

式中,h为水深(cm)；q为单宽流量(cm3/s)；V为坡面流平均流速(cm/s)；Q为t时间段内的径流量(mL)；B为过水断面宽度(cm)；t为径流取样历时(s)。

3种植被(i=沙棘、柠条、苜蓿)四种不同垂直结构(j=全株、除叶、除茎叶、根系)的减流效益计算公式如下:

(3)

式中,CSij为植被不同垂直结构的减流效益；Sij为植被不同垂直结构的产流量；Sb为裸地的产流量。同理,可推导出不同植被垂直结构的减沙效益和降低流速效益。

不同植被垂直结构组分减流效益的相对贡献,其计算公式如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中,RC叶、RC茎、RC枯落物、RC根系分别为叶、茎、凋落物、根系减流效益的相对贡献；CSi(全株)、CSi(除叶)、CSi(除茎叶)、CSi(根系)分别为全株、去叶、去茎叶、根系的减流效益。同理,可推导出不同植被垂直结构减沙效益和降低流速效益的相对贡献。

1.5 数据分析

使用SPSS 25.0软件对数据进行统计分析,采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(P=0.05)。使用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同植被垂直结构产流过程

沙棘、柠条和苜蓿不同植被垂直结构及裸地产流率随产流时间的变化如图2所示。在满足前期土壤含水量和试验雨强基本一致的条件下,3种植被不同垂直结构及裸地的坡面产流过程存在明显差异,总体上均呈现出产流率在产流初期迅速上升、中后期缓慢增加趋于稳定的变化趋势,而且裸地产流率的增加速度高于植被小区。相较于沙棘和苜蓿,柠条的产流过程变化更加平稳。以裸地作为对照,沙棘、柠条和苜蓿全株均显著降低了径流量(P<0.05),分别降低了35.15%、32.49%和44.86%(表3)。沙棘、柠条和苜蓿的减流效益在产流初期为73.04%、70.91%和82.71%,产流中期为48.06%、32.89%和60.43%,产流后期为37.61%、26.11%和48.62%。3种植被的减流效益均在产流初期最高,且随着产流时间的增加,减流效益逐渐降低(表4)。

图2 不同植被垂直结构产流率变化Fig.2 Runoff rate under different vegetation vertical structure

流速和径流深是坡面流最重要的两个水动力学参数,也是计算其他水动力学参数的基础。坡面径流的流速直接关系到坡面侵蚀的土壤分离、泥沙输移和沉积过程。如表3所示,裸地的流速和径流深分别为0.24 mm/s和0.24 mm,而沙棘、柠条和苜蓿的流速分别为0.18、0.18、0.13 mm/s,径流深分别0.21、0.19、0.16 mm,3种植被的流速和径流深均显著低于裸地(P<0.05)。沙棘、柠条和苜蓿全株、除叶、除茎叶及仅留根系四种处理的流速和径流深平均分别为0.16、0.17、0.20、0.21 mm/s和0.17、0.21、0.22、0.23 mm,流速和径流深均着叶、茎及枯落物的依次去除而增加。

2.2 不同植被垂直结构产沙过程

沙棘、柠条和苜蓿不同植被垂直结构及裸地产沙率随产流时间的变化如图3所示。产沙过程相较于产流过程比较复杂,波动起伏变化更加剧烈。其中,裸地产沙过程的波动最为强烈,波动范围为22.14—78.30 g m-1min-1,产沙率也一直处于较高水平。如图4所示,相较于裸地对照,沙棘、柠条和苜蓿均显著降低了侵蚀量(P<0.05),减沙效益分别为72.99%、80.63%和75.25%,且3种植被全株的减沙效益均高于减流效益(表3)。不同于沙棘、柠条和苜蓿在不同产流时期的减流效益变化的一致性,3种植被在不同产流时期的减沙效益有所差异,沙棘在产流初期、中期及后期的减沙效益逐渐降低,分别为80.00%、70.49%和61.42%,苜蓿在产流初期、中期及后期的减沙效益先增加后降低,分别为75.05%、79.74%、69.35%,而柠条在产流初期、中期及后期的减沙效益没有明显变化,分别为80.70%、80.00%和81.36%(表4)。

表3 不同植被垂直结构的坡面径流侵蚀相关参数

表4 不同产流时期植被减流减沙效益

图3 不同植被垂直结构产沙率变化Fig.3 Sediment yield rate under different vegetation vertical structure

如表3所示,坡面径流含沙量由降雨期间的径流量和侵蚀量共同决定。裸地的径流含沙量最高,为35.134 g/L,径流含沙量从高到低为柠条(15.076 g/L)、沙棘(11.286 g/L)和苜蓿(22.422 g/L),相较于裸地对照,3种植被均显著降低(P<0.05),而苜蓿的径流含沙量显著高于沙棘和柠条(P<0.05)。

图4 不同植被垂直结构径流量和侵蚀量Fig.4 Runoff and sediment under different vegetation vertical structure不同字母表示相同植被不同垂直结构间差异显著(P<0.05)

2.3 不同植被垂直结构的相对贡献

沙棘、柠条及苜蓿不同植被垂直结构对于减流和减沙的相对贡献如图5所示。沙棘、柠条和苜蓿地上部分减流的相对贡献分别为75%、67%和84%,根系的相对贡献为25%、33%和16%；而对于减沙效益而言,地上部分的相对贡献为13%、32%和21%,根系的相对贡献为87%、68%和79%。总体来说,植被地上部分对径流的减少发挥更重要的作用,平均相对贡献度为75%；而根系对侵蚀量减少的贡献更大,平均相对贡献度为78%。对于植被地上部分不同组分(叶、茎和枯落物)而言,沙棘、柠条和苜蓿对于减流相对贡献具有一定的差异,沙棘和柠条的枯落物相对贡献较大,而苜蓿的茎则发挥更大的作用；而对于减沙效益的相对贡献而言,叶、茎和枯落物的相对贡献均较小。

图5 不同植被垂直结构减流和减沙的相对贡献Fig.5 Relative contributions of different vegetation vertical structure in runoff reduction and erosion reduction

3 讨论

相较于裸地,沙棘、柠条和苜蓿3种植被类型下的坡面径流量、流速和侵蚀量均显著减少,一方面是由于裸地缺乏植被地上部分的保护作用,使得降雨直接冲击地表,较大的雨滴动能易造成土壤孔隙堵塞,进而导致坡面入渗减少、产流增加；另一方面,植被冠层及其根系对径流和泥沙具有一定的拦截作用,能够延缓地表径流,降低坡面径流速率、防止土壤溅蚀[28- 29]。此外,植被改善了土壤的孔隙度、团粒结构和有机质含量等方面,从而提高了土壤对于径流侵蚀的抵抗力[15]。

沙棘、柠条和苜蓿在不同产流时期的产流过程变化趋势基本一致,而且减流效益均在产流初期、中期和后期逐渐下降。分析认为在产流初期,受植被冠层截留降雨作用的影响,各处理产流率均较小,随降雨历时的增加,各处理产流率迅速增加。3种植被类型的坡面产沙过程均有不同程度的变化,但总体呈现侵蚀峰值基本出现在产流初期,之后迅速降低,产流中后期趋于波动稳定的趋势。这可能是由于降雨开始前地表表层疏松或结皮的影响使得产流初期出现峰值,随后在雨滴的持续打击下,土壤表面被压实以及出现薄层水流,使得侵蚀速率逐渐减小或趋于稳定[30]。裸地产沙过程的波动最大,且出现有更多的局部极值。试验过程中观察到裸地发育有大量的细沟,强度高、历时长的降雨导致沟头塌陷、边壁滑塌,细沟内会发生短暂的沉积-侵蚀交替现象[31],从而导致产沙过程发生较大的起伏。

研究发现植被地上部分和根系都在减少水土流失方面都发挥着重要作用,但是它们各自的相对贡献度不同,地上部分对于减少径流的相对贡献较大,而根系对于减少侵蚀的相对贡献较大,这与许多学者的研究结果较为一致。张冠华[20]通过剪除不同格局分布的茵陈蒿地上部分,发现其地上部分减流贡献率较大,而地下部分减沙贡献率较大。张思毅等[21]研究发现白三叶根系减沙效益显著高于冠层。甘卓亭等[32]通过研究黑麦草和红豆草不同生长阶段的产流产沙过程,对比分析二者根系和冠层对于减流减沙的相对贡献,发现二者的根系都对减少侵蚀产沙有较大的贡献,但二者对坡面径流的调控途径不同。然而,Li等认为草本冠层和根系在减沙方面发挥的作用几乎是相等的[22]。秦东远等[33]认为植被覆盖结构减流减沙能力从大到小依次为地表结皮层>地下根系层>植被冠层。坡面产流产沙过程受降雨条件、坡面特征、植被冠层、地表结皮、根系特征和土壤理化性状等因素影响,植被垂直结构不同组分对于坡面的减流、减沙作用不同。

沙棘、柠条和苜蓿随着叶、茎和枯落物的依次去除,减流减沙效益也随之降低。植被垂直结构越完整,植被的减流减沙效益越显著[34- 35],植被垂直结构的缺失往往会导致植被的水土保持效益降低[36]。3种植被类型的垂直结构不同组分的减流减沙效益相对贡献不同。沙棘、柠条和苜蓿根系对于减沙效益的相对贡献度均较高,分析认为这3种植被类型作为干旱半干旱地区典型生态系统,为有效地利用土壤水分,在地下形成广大的根系网络,这显著地改善了土壤结构,减少了土壤流失[37]。韩勇等[38]以2013年陕北富县“7·21”特大暴雨为例,分析了子午岭林区浅层滑坡侵蚀与植被的关系,认为植被根系是影响暴雨滑坡侵蚀强度的主控因素。沙棘和柠条叶的减流效益相对贡献较高,分析认为沙棘和柠条的冠层为倒圆锥形,枝干由冠层中心向外辐射分布,冠幅较大[39],这使得沙棘和柠条的叶片能够在降雨过程中发挥更大的截留作用。苜蓿的茎在3种植被中的减流效益相对贡献最大,这是由于苜蓿的茎为直立生长、分布密集,能够有效拦截径流、延缓径流流速。3种植被的枯落物均对减流效益均具有一定的贡献,沙棘、柠条和苜蓿之间枯落物相对贡献的差异可能是枯落物生物量的差异。当雨滴到达地面时,枯落物能够减少防止土壤溅蚀、拦蓄渗透降水、补充土壤水分,其截留降雨的能力主要取决于枯落物的厚度、湿润状况和和持水能力等因素[40- 41]。植被垂直结构不同组分对于减流减沙效益的相对贡献与其形态特征以及其空间分布方式有着密切的关系。