伊犁河谷不同雨型下自然与人工植被的水土流失特征

李燕刚,胡桂清,张文太,刘星宏,孙桂丽

(1. 新疆农业大学资源与环境学院/新疆土壤与植物生态过程自治区级重点实验室,乌鲁木齐 830052;2. 新疆农业大学林学与风景园林学院,乌鲁木齐 830052)

【研究意义】水土资源一直是人们赖以生存的宝藏,土壤侵蚀对生态环境造成重大威胁,了解土壤侵蚀过程的相关影响对生态环境恢复至关重要。长期以来导致新疆及西北干旱区生态环境脆弱问题主要有两点,一是由于水土流失导致土地资源流失、土壤板结和土壤质量下降等问题[1],二是由于该区年均降雨少、年均蒸散量大,并且雨热不同期,易引发植被退化导致土壤侵蚀及土地荒漠化等问题[2]。造成土壤侵蚀的因素有很多,包括土壤类型、降雨特征、地形地貌、植被特征和水土保持措施[3-4],其中降雨特征是直接导致土壤侵蚀产流产沙最主要的驱动因子,植被对降雨进行再分配,通过改善植被布局是防治水土流失的主要措施[5]。伊犁河谷位于新疆西北部,强烈的蒸散发导致干旱缺水,由于极端降雨导致水土流失严重,雨热资源分布不均是限制植被恢复的关键问题,严重制约生态可持续发展[6]。土壤侵蚀程度、分布规律和发生频次与降雨特征存在密切关系[7],植被通过覆盖度和管理措施等[8-9]影响土壤侵蚀。在不同降雨条件下,开展植被影响土壤侵蚀特征的研究对国土绿化和水土流失防治具有重要意义。【前人研究进展】国内外学者将自然降雨的降雨量、降雨强度和降雨历时等特征因子,运用系统聚类、K均值聚类等方法把自然降雨划分若干雨型[10-11],在筛选自然降雨的雨型划分标准时,以裸坡土壤侵蚀特征的差异作为依据,而对于有植被覆盖的坡面,降雨和植被对土壤侵蚀的共同作用仍需进一步讨论。朱燕琴等[12]在黄土丘陵区研究发现中雨、大雨(B、C)雨型是主要产流的降雨类型,不同雨型下植被类型的产流特征不同。杨青等[13]在喀斯特地区研究发现A雨型(短时强降雨)下经果林的水土保持效益最好。杨振奇等[14]在裸露砒砂岩区研究发现不同雨型下人工沙棘林的水土保持效益最好。Yan等[15]在中国东北地区研究发现,降雨特征对径流的变化大于植被生长性状,应及时关注降雨特征变化。Huo等[16]在中国华北地区坡面水土流失研究中发现降雨强度在土壤侵蚀中起主导作用,而降雨积累是径流的主要影响因素。不同降雨特征会显著影响坡面产流产沙的规律,不同植被对坡面径流调控规律不一,其产流产沙对不同降雨类型的响应存在差异[17]。不同的降雨类型导致植被恢复方式和植被种类的水土保持效益有所差异[18]。【本研究切入点】在极端降雨频发的伊犁河谷,关于植被的土壤侵蚀特征多以模拟降雨研究为主,仅有少数关注自然降雨下水土流失变化情况,亟需开展自然降雨条件下植被对土壤侵蚀响应研究,不同降雨条件下对坡面土壤侵蚀以及人工恢复植被与自然恢复植被的水土保持效益的差异还尚不清楚。【拟解决的关键问题】基于伊犁河谷铁厂沟水土保持观测场2021—2022年野外观测试验,研究自然恢复植被(霸王、驼绒藜、伊犁绢蒿、骆驼刺、苦豆子)与人工恢复植被(榆树、紫穗槐、狗牙根)在不同降雨类型下的产流产沙规律以及植被减流减沙效益,以期更能全面阐述伊犁河谷地区水土流失特征,真实反映不同植被的水土保持效益,为伊犁河谷国土绿化、土地荒漠化治理以及水土流失防治提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验点位于中国水土保持监测点新疆伊宁市铁厂沟观测场(81°10′44″ E,43°58′53″ N),海拔657 m(图1)。地貌为典型的低山丘陵区,属温带大陆性气候,年平均气温8.50 ℃,年平均蒸发1.60×103mm,年日照时数2.50×103h,年平均降水量260 mm,无霜期178 d,雨季集中于4—9月。植被以多年生旱生草本为主,属于温性荒漠类草地。土壤类型为灰钙土,土壤容重1.33～1.51 g/cm3。

底图采用自然资源部标准地图制作,审图号为GS(2019)1822。The base map is based on the standard map of the Ministry of Natural Resources, and the review number is GS(2019)1822.图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 试验设计

铁厂沟观测场共有16个20 m × 5 m的径流小区,选择其中9个径流小区进行试验,包括1个裸地作为对照,5个自然生长植被小区和3个人工种植植被小区。裸地小区无明显植被生长,自然植被小区为乡土草种,以单个小区内自然生长的优势物种命名,生长特点为植株高、植被覆盖度高,小区名称分别为霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、驼绒藜(Ceratoideslatens)、伊犁绢蒿(Seriphidiumtransillense)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)和苦豆子(Sophoraalopecuroides)。2015年选择具有观赏性的抗旱植被进行人工辅助恢复,3个人工辅助植被恢复小区名称分别为榆树(Ulmuspumila)、紫穗槐(Amorphafruticosa)和狗牙根(Cynodondactylon)。榆树小区共栽植20颗生长1年的树苗,树苗高度约为1 m,在径流小区内按照2列10行等间距栽植,株行间距为2.2 m×2.0 m;紫穗槐小区栽植密度与榆树小区相同;狗牙根小区播种密度为10～2 g/m2草籽。人工植被均于2015年种植,植被在栽植中扰动地表并在树苗根部挖设集水坑,在生长恢复期间未经过人为管理并在自然条件下生长6年。在2021—2022年4— 9月进行监测,监测期间自然植被生长情况为植被生长在坡下集水槽上部1 m范围内,人工植被榆树小区只在坡下存活1棵,紫穗槐和狗牙根小区均只在坡下集水槽上部1 m范围内存活,造成此情况的原因可能与土壤水分植被承载力有关[19]。本研究径流小区概况如表1所示。

表1 径流小区基本特征参数Table 1 Basic characteristic parameters of runoff plots

1.2.1 水土流失监测 通过VMS-QXZN标准小型气象站(山东威盟士科技有限公司)观测并记录降雨量、降雨历时和降雨强度。在每个小区坡下安装管道,管道下置大型铁罐,铁罐内放水桶,用于采集小区每次降雨后的径流量,每个监测径流小区下端的集水槽上方放置铁质隔板,防止外部雨水泥沙进入。采集混匀后3份50 mL水样用烘干法测定含沙量。以含沙量乘以径流量计算各个小区的土壤流失量。

1.2.2 植被特征监测 每个小区采用五点取样法设定1 m×1 m的代表样方,用代表样方的平均值计算植被覆盖度,每月测定2次。采用数码相机对样方垂直拍摄,然后利用Photoshop软件的“选择”中的“色彩范围”来选取一定特征的像素,从而根据所选像素占照片总像素的比例计算照片区域内的植被覆盖度。植被高度采用皮尺进行测量,每次测定3组,每月测定2次,采用平均值代表小区植被高度。

1.3 降雨类型划分

以径流小区每场侵蚀性降雨的降雨量、降雨历时和平均雨强作为分类指标,采用K均值聚类方法,将2021—2022年间13次产生土壤侵蚀的降雨分为3类(表2),分别为A、B和C雨型。经显著性检验,3种雨型的降雨量、降雨历时和平均雨强均在P<0.01水平上显著,达到分类要求。A雨型为低降雨量、长降雨历时、低雨强;B雨型为中降雨量、短降雨历时、中雨强,C雨型为高降雨量、长降雨历时、高雨强。A雨型发生频次占23.07%,B雨型发生频次最高,占61.53%,C雨型发生频次最低,占15.38%。

表2 侵蚀性降雨类型的划分标准Table 2 Classification standard of erosive rainfall types

1.4 数据处理

用Excel 2021对数据进行汇总整理,用Origin 2018进行绘图,在SPSS 26.0进行K均值聚类对所有侵蚀性降雨进行雨型划分,采用方差分析对分类结果进行显著性检验,各植被小区的平均径流深和土壤流失量运用单因素方差分析及LSD多重比较进行分析。运用R语言4.0.2中的“normalize()”函数对不同雨型和各径流小区覆盖度影响下的水土流失特征数据进行归一化处理;在分析过程中,为了控制影响因素与水土流失特征间的区分度,将分辨系数(ρ)设置为0.05,通过“sort()”函数分别计算出各雨型和径流小区覆盖度与水土流失特征间的关联度大小;最终利用克利夫兰点图对其结果进行可视化。

2 结果与分析

2.1 不同雨型下不同植被小区平均产流产沙特征

不同植被覆盖小区在不同雨型下的径流深和土壤流失量不同(图2)。对于C雨型而言,各小区的平均径流深和土壤流失量显著高于A、B雨型。B雨型下霸王和苦豆子小区的径流深大于A雨型,表明不同植被的径流调控能力会因降雨类型而发生变化。无论哪种雨型,与裸地相比,植被小区都表现出更好的减流减沙能力。在A雨型下,裸地平均径流深最高为4.47×10-2mm,伊犁绢蒿植被平均径流深最低为3.33×10-4mm;在B雨型下,裸地平均径流深最高为8.26×10-2mm,伊犁绢蒿植被平均径流深最低为7.71×10-3mm;在C雨型下,裸地平均径流深最高为2.00×10-1mm,霸王和苦豆子的径流深最低达到0 mm。不同雨型下,各植被小区的土壤流失规律也不同。在C雨型下,各小区的平均土壤流失量显著高于A、B雨型,霸王、驼绒藜小区在A雨型下表现出土壤流失量高于B雨型。在A雨型下,苦豆子和紫穗槐的平均土壤流失量最低,均为1.00×10-3t/km2;在B雨型下,伊犁绢蒿的平均土壤流失量最低为4.93×10-3t/km2;在C雨型下,霸王和苦豆子的平均土壤流失量最低。

CK.裸地;TI.霸王;T2.驼绒藜;T3.伊犁绢蒿;T4.骆驼刺;T5.苦豆子;T6.榆树;T7.紫穗槐;T8.狗牙根。不同大写字母表示同一雨型条件下不同植被间径流深或土壤流失量差异在P<0.05水平上显著;不同小写字母表示相同植被下不同雨型间径流深或土壤流失量的差异在P<0.05水平上显著。下同.CK.Bare land;T1.Z.xanthoxylon; T2.Z.xanthoxylon; T3.S.transillense; T4.A.sparsifolia; T5.S.alopecuroides; T6.U.pumila; T7.A.fruticose; T8.C.dactylon.Different capital letters indicate that the difference of runoff depth or soil loss between different vegetations under the same rainfall pattern is significant at the P<0.05 level. Different lowercase letters indicate that the difference in runoff depth or soil loss between different rainfall patterns under the same vegetation is significant at the P<0.05 level.The same as below.图2 不同雨型下不同植被小区的平均径流深、土壤流失量Fig.2 The average runoff depth and soil loss of each vegetation plot under different rainfall patterns

2.2 不同雨型对不同植被小区总径流深及土壤流失量的贡献率

不同雨型对伊犁河谷的水土流失产生不同的影响。从图3可知,B雨型对各小区的累积径流深和土壤流失量的贡献程度最高,其次是C雨型和A雨型。不同雨型对不同径流小区的侵蚀作用也表现出较大的差异。A雨型降雨量较小,对伊犁河谷不同径流小区累积土壤侵蚀的贡献程度较小。C雨型对人工植被累积的土壤流失量较高,但对自然植被的累积土壤流失量贡献最低。B雨型占总侵蚀性降雨场次的61.5%,对不同植被的累积径流深、土壤流失量的贡献程度分别达到42.8%～89.1%、35.9%～96.6%。因此,B雨型对伊犁河谷不同植被土壤侵蚀作用最剧烈。C雨型对总径流深和土壤流失量的贡献程度仅次于B雨型,对不同植被的累积径流深、土壤流失量的贡献程度分别达到0～50.2%、0～59.2%。不同雨型对坡面的水土流失程度有显著影响。

图3 不同降雨类型对不同植被小区累积径流深、土壤侵蚀量的贡献程度Fig.3 Contribution rate of different rainfall types to accumulated runoff depth and soil loss in different vegetation plots

2.3 不同植被小区的减流减沙效益

2.3.1 不同植被小区的年际减流减沙效益 伊犁河谷低山丘陵区的降雨量远低于我国其他地区,2021年整个雨季降雨量为53.1 mm,裸地年径流深仅1.96×10-1mm(表3),2021年减流效益依次为伊犁绢蒿>紫穗槐>苦豆子>骆驼刺>驼绒藜>霸王>榆树>狗牙根。减流效益最好的小区为伊犁绢蒿(94.6%)。2022年整个雨季降雨量为112.6 mm,裸地径流深为7.46×10-1mm。2022年减流效益依次为苦豆子>伊犁绢蒿>霸王>狗牙根>骆驼刺>紫穗槐>榆树>驼绒藜。减流效益最好的小区为苦豆子。根据《土壤侵蚀分类分级标准(SL190—2007)》[20]得知,伊犁河谷低山丘陵区坡面土壤侵蚀强度为微度侵蚀,但因生态环境脆弱,土壤侵蚀对坡面植被生境造成较大影响,2021年裸地土壤侵蚀模数为4.28×10-1t/(km2·a),减沙效益依次为伊犁绢蒿>紫穗槐>狗牙根>霸王>骆驼刺>苦豆子>榆树>驼绒藜,2022年裸地土壤侵蚀模数为4.91×10-1t/(km2·a),减沙效益依次为伊犁绢蒿>苦豆子>霸王>狗牙根>骆驼刺>榆树>紫穗槐>驼绒藜。

表3 2021—2022年不同植被的水土保持效益Table 3 Soil and water conservation benefits of different vegetation from 2021 to 2022

2.3.2 不同雨型下自然与人工恢复的减流减沙效益 不同恢复方式会导致坡面的产流产沙造成差异。从表4可知,自然植被在3种雨型下的减流效益无显著差异,A雨型的减沙效益显著高于B雨型。

表4 不同雨型下自然恢复和人工恢复的减流减沙效益Table 4 Runoff and sediment reduction benefits of natural restoration and artificial restoration under different rainfall patterns (%)

人工植被A雨型下的减流减沙效益显著高于B雨型,减沙效益大于B、C雨型。3种雨型下,自然植被减流效益均大于人工植被,A、C雨型下自然植被减沙效益大于人工植被,B雨型下人工植被减沙效益大于自然植被。

2.4 不同雨型和植被小区对产流产沙的灰色关联度分析

将降雨量、平均雨强和降雨历时与覆盖度、径流深和土壤流失量做相关性分析,经Mantel显著性检验,降雨量与径流深和土壤流失量呈极显著相关(P<0.01,图4),降雨强度与径流深呈显著相关(P<0.05),植被覆盖度与径流深和土壤流失量呈负相关,径流深和土壤流失量呈正相关(P<0.01)。不同雨型对径流深和土壤流失量的关联程度和不同径流小区植被覆盖度对植被的减流减沙效益的关联程度用灰色关联度表示。由图5可知,对产流产沙的影响中B雨型的关联度最高,其次为C雨型,关联程度最低为A雨型,关联程度越高表明雨型对径流深和土壤流失量的影响越大。不同植被小区关联度越高表明径流小区对减流减沙效益的影响越高,各小区关联度从大到小依次为伊犁绢蒿>苦豆子>霸王>紫穗槐>骆驼刺>狗牙根>榆树>驼绒藜。

图4 降雨特征与植被覆盖度和水土流失特征相关性Fig.4 The correlation between rainfall characteristics and vegetation coverage and soil erosion characteristics

RpA.A雨型;RpB.B雨型;RpC.C雨型。RpA.Type A rain; RpB.Type B rain; RpC.Type C rain. 图5 不同雨型和植被小区与产流产沙的灰色关联度Fig.5 Grey correlation degree of different rainfall patterns and vegetation coverage plots on runoff and sediment yield

3 讨 论

3.1 不同雨型对土壤侵蚀的影响

不同雨型显著影响坡面的水土流失程度。通过灰色关联度分析得出伊犁河谷的侵蚀性降雨以中雨量、短历时、中雨强的B雨型为主,其发生频率占61.5%,对土壤侵蚀的贡献程度最高,与朱燕琴等[12]在黄土高原的研究结果一致。由于伊犁河谷坡面是以超渗产流为主,短时强降雨会造成严重的土壤侵蚀,导致单次土壤侵蚀量最高[21],C雨型土壤侵蚀的贡献程度仅小于B雨型,中雨和大雨是发生土壤侵蚀的主要类型。普颖颖等[23]在伊犁河谷研究表明,当土壤长时间处于湿润状态时,土壤表层水分达到饱和会导致水土流失,本研究中A雨型小于伊犁河谷坡面产流阈值[22],但发生了土壤侵蚀状况,主要是因为A雨型的降雨历时较长使土壤表层水分达到饱和所导致。降雨特征中降雨量和平均雨强对产流产沙造成显著影响,其中降雨量的影响最大,与陶淑芸等[24]的研究结果一致。由此可见,不同雨型会影响水土流失之间的关系,致使植被小区的水沙关系相对复杂。

3.2 不同植被对土壤侵蚀的响应

自然植被的减流减沙对降雨的响应能力最强,人工植被对低雨量的A雨型减流减沙能力显著高于B、C雨型,这与黄土丘陵区和裸露砒砂岩区的研究结果一致[25-26]。影响径流深和土壤流失量与降雨量和降雨强度的有关,与张嘉懿等[27]在江子河流域的结果一致。降雨是产流的源动力,植被对降雨具有截留作用,植被覆盖度高在强降雨下对降雨的截留能力越强,能减少雨滴到达地面的冲击力,延长径流在坡面的滞留时间[28],观测期内随着径流小区植被覆盖度的不同,各植被的减流减沙效益不同,各植被小区中,伊犁绢蒿的减流减沙效益最高,通过相关性分析得出,植被覆盖度与径流深和土壤流失量呈负相关,这与黄土高原地区的研究结果一致[29]。通过灰色关联度分析得出,自然植被伊犁蒿对减流减沙效益的关联程度最高,更能验证提高植被覆盖度能减少水土流失的发生,人工植被中紫穗槐关联度最高,蒲玉琳等[30]在紫色土区表明紫穗槐植物篱能提高生态效益,本研究中紫穗槐覆盖度和减流减沙效益比其他人工植被高,更适宜当地环境,既能起到水土保持功能,又能实现生态修复。

伊犁河谷不同恢复模式下植被表现出的水土保持效果因雨型导致差异较大,人工恢复植被并没有自然恢复植被的减流减沙效果好。单一植被的减流减沙功效与其覆盖度有关,人工植被在C雨型下应采取一定的水保措施,减少土壤侵蚀。综合考虑新疆独特的气候条件和特殊的立地条件,在低山丘陵区,可优先保护自然植被,辅助进行人工恢复,在人工恢复时可选用紫穗槐作为水土保持先锋物种,但由于自然恢复和人工恢复的水土流失防治的效果相似,也可选用乡土物种作为水土保持物种。本研究仅选取伊犁河谷3类雨型下2种恢复模式的8种植被对水土流失的影响,并不能代表伊犁河谷所有植被类型对水土流失的影响作用,后续应选取更多的植被类型,建立乔灌草搭配的植被恢复模式,并以试验资料为基准建立数学模型,更好地预测伊犁河谷的水土流失规律,为伊犁河谷水保工作提供参考。

4 结 论

(1)B雨型对产流产沙贡献率最高的是伊犁河谷土壤侵蚀的主导雨型,对坡面土壤侵蚀贡献程度达到53.5%。A、C雨型贡献率较低,但C雨型的强降雨对坡面侵蚀贡献程度达到27.4%。低雨量的A雨型对坡面土壤侵蚀贡献程度最低为19.1%。

(2)植被的减流减沙能力因雨型而异,自然植被的减流减沙效益高于人工植被。自然植被在A雨型下减流减沙效益最好(87.3%～95.2%),人工植被在C雨型下减流减沙效益最差(39.2%～52.7%)。自然植被伊犁绢蒿在A、B雨型下径流深(3.33×10-4mm)和土壤流失量(4.93×10-3t/km2)最低,霸王和苦豆子在C雨型下未发生水土流失。

(3)降雨量和平均雨强显著影响径流深和土壤流失量(P<0.05)。植被小区的灰色关联度从大到小依次为伊犁绢蒿>苦豆子>霸王>紫穗槐>骆驼刺>狗牙根>榆树>驼绒藜。