王玉霞,劉國(guó)彬,2,王國(guó)梁,2,袁子成,曲秋玲,張昌勝

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué),陜西楊陵 712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100）

黃土丘陵區(qū)是中國(guó)乃至全球水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2],降水和植被是影響該區(qū)水土流失的重要因子。關(guān)于植被防止土壤侵蝕的機(jī)理問(wèn)題,許多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究[3-9],而對(duì)不同植被搭配組合及植被與裸地斑塊的組合對(duì)影響水土流失效益的研究相對(duì)較少。坡面植被與裸地斑塊的不同組合,使得降雨等外營(yíng)力對(duì)坡面地形及其下墊面狀況的作用發(fā)生改變,從而使得坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征產(chǎn)生差異。Valentin等人[10]研究表明,帶狀格局下的生物量往往高于點(diǎn)狀或單一散亂分布格局,植被條帶成為自然屏障更好地限制了土壤侵蝕。模型模擬顯示,裸地表面和稠密植被格局都可以演替發(fā)展成帶狀格局。J.A.Ludwig等人[11]的研究表明,條紋狀和線狀灌木地的鑲嵌格局比點(diǎn)狀鑲嵌格局截流的能力高8%。游珍等人[12]通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)證明植被在坡面不同位置配置格局具有不同的水保效應(yīng)。由此可見(jiàn),裸地與植被鑲嵌構(gòu)筑成水土流失的源-匯格局,合理的設(shè)計(jì)植被空間分布格局,可以保持水分、養(yǎng)分和植物種子,有利于植被的生長(zhǎng),進(jìn)一步增強(qiáng)水土流失控制能力,加速植被恢復(fù),改善生態(tài)環(huán)境。本文基于野外模擬降雨實(shí)驗(yàn),探討茵陳蒿群落分布格局對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的影響,旨在為黃土高原植被恢復(fù)重建和植被結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)布設(shè)在中國(guó)科學(xué)院安塞水土保持綜合試驗(yàn)站,位于陜西省安塞縣(東經(jīng) 108°51′44″-109°26′18″,北緯 36°30′45″-37°39′31″),屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)。該區(qū)屬大陸性半干旱季風(fēng)氣候,年日照時(shí)數(shù)2 415.5 h,輻射總量480.06 kJ/cm2,平均氣溫 8.8℃,≥10℃活動(dòng)積溫3 177.4℃;降水分布不均勻,雨量多集中在7-9月;多年平均降水量492.4 mm,年蒸發(fā)量1 645.4 mm。本區(qū)地形主要為梁峁?fàn)铧S土丘陵,溝谷發(fā)育,土壤侵蝕作用十分強(qiáng)烈。土壤母質(zhì)為典型的黃綿土,保水性差,疏松易碎,易受水蝕和風(fēng)蝕。該區(qū)退耕地上先鋒植物群落主要有茵陳蒿(Artemisiacapillaries)群落、狗尾草(Setaria yiridis(1.)beauv)群落和阿爾泰狗哇花(Asteraltaicus)群落等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 模擬降雨裝置 野外模擬降雨采用中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的組合側(cè)噴式人工降雨裝置。降雨器由噴頭體、降雨支架、進(jìn)水出水體、壓力表等部分組成。更換不同直徑的孔板,調(diào)整壓力表讀數(shù),可獲得不同的降雨強(qiáng)度。噴頭體安裝在由三角架固定的降雨支架頂端,支架高5 m,噴頭出水高度為1.5 m,使降雨雨滴終點(diǎn)速度近似天然降雨的速度,降雨均勻系數(shù)均能達(dá)到85%以上。

1.2.2 試驗(yàn)小區(qū) 在野外人工模擬試驗(yàn)徑流場(chǎng)內(nèi)(建于2003年)選取3個(gè)具有代表性的小區(qū),小區(qū)面積8.5 m×2.5 m,坡度均為15°,坡向、坡長(zhǎng)相同,填充土壤均為同一黃綿土。按圖1所示,于春季在相應(yīng)斑塊上種植茵陳蒿。降雨前對(duì)茵陳蒿群落進(jìn)行調(diào)查表明,群落內(nèi)主要伴生植物有紫花苜蓿(Medicago sativa L)、草木犀(Mmelilotus of f icinalis)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)、狗尾草(Setaria yiridis(1.)beauv)、茭蒿(Artemisia giraldiivulgaris)、艾蒿(Artemisia giraldii(vulgaris))、野蔥(Allium lolidum)等。一般認(rèn)為植被對(duì)土壤侵蝕作用的臨界面積在50%以上[13-14],為表現(xiàn)出比較明顯的差異,本試驗(yàn)中有植被面積占總面積的50%(見(jiàn)圖1)。試驗(yàn)前用數(shù)碼相機(jī)對(duì)試驗(yàn)小區(qū)不同位置垂直拍照,利用軟件分析照片以確定其植被蓋度。對(duì)蓋度不同的植被斑塊,貼地面剪除部分植被以控制相應(yīng)植被斑塊蓋度基本相同。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)茵陳蒿群落分布格局圖

1.2.3 試驗(yàn)處理 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)植被格局,同時(shí)設(shè)置裸地為對(duì)照,各個(gè)處理設(shè)置三次降雨侵蝕演替過(guò)程和三次重復(fù),雨強(qiáng)設(shè)為2.0 mm/min,降雨歷時(shí)為60 min。降雨時(shí)在小區(qū)均勻布設(shè)8個(gè)率定桶測(cè)定降雨量及降雨均勻系數(shù)。為降低自然因素的影響,降雨時(shí)間段選擇在4:00-8:00進(jìn)行。各小區(qū)次降雨間隔根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整,控制土壤前期含水量基本保持一致。遇自然降雨時(shí)及時(shí)遮蓋測(cè)定小區(qū),之后充分晾曬再進(jìn)行人工降雨。降雨開(kāi)始后即計(jì)時(shí),記錄開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間;產(chǎn)流發(fā)生后,在產(chǎn)流前16 min內(nèi)每間隔1 min收集徑流樣,以后每間隔2 min收集徑流樣;降雨結(jié)束后,記錄結(jié)束產(chǎn)流時(shí)間,用稱重法測(cè)定徑流量,待泥沙沉淀后取徑流水樣。倒掉上層清水用洗耳球吸干水放置陰涼處自然風(fēng)干,待水分完全蒸發(fā)后稱重測(cè)定泥沙含量。按時(shí)間段選取泥沙樣帶回實(shí)驗(yàn)室供養(yǎng)分分析。降雨試驗(yàn)于2009年6月份開(kāi)始。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種格局下產(chǎn)流特征比較

圖2表明,同一雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)(2.43 mm/min,1 h)下,有植被小區(qū)(格局B和格局C)開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間和延后時(shí)間均大于裸地,說(shuō)明坡面植被可顯著影響坡面產(chǎn)流過(guò)程。圖3中裸地、格局C、格局B徑流量分別為 1 293.58 kg、1 170.24 kg和1 103.75 kg,相比裸地小區(qū),格局B、C減流效應(yīng)均顯著(p＜0.05),分別減少?gòu)搅髁?4.7%和9.5%。不同格局坡面產(chǎn)流速率隨時(shí)間變化呈相同規(guī)律(圖4),產(chǎn)流初期徑流速率劇增,僅在8～10 min內(nèi)接近最高值的85%,隨時(shí)間延續(xù)徑流速率增幅減小逐漸趨于穩(wěn)定。開(kāi)始產(chǎn)流10 min內(nèi),產(chǎn)流速率表現(xiàn)為CK＞格局C＞格局B。不同格局坡面產(chǎn)流速率與降雨歷時(shí)呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系(表1)。

圖2 不同格局坡面產(chǎn)流和延后時(shí)間變化

圖3 不同植被格局坡面產(chǎn)流總量變化

圖4 不同植被格局下產(chǎn)流速率與降雨歷時(shí)的關(guān)系

兩種格局的坡面產(chǎn)流過(guò)程差異顯著(p＜0.05),格局B開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間和延后時(shí)間分別為50 s和125 s,大于格局C 43 s和116 s,而產(chǎn)流量小于格局C。整個(gè)產(chǎn)流過(guò)程中格局B的平均徑流速率較穩(wěn)定,產(chǎn)流后13 min達(dá)到穩(wěn)定速率為28.37 L/min,格局C產(chǎn)流后10 min達(dá)穩(wěn)定速率31.23 L/min。格局B、C的累計(jì)產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)擬合方程(表1)分別為 QW=29.786t-86.307(R2=0.999,p＜0.01)、QW=30.755t+67.301(R2=0.999,p ＜0.01),格局B的斜率與截距均小于格局C,可見(jiàn)小斑塊格局B具有更佳減流蓄流效應(yīng)。原因在于,降雨前各小區(qū)表土初始含水量控制在同一水平且很低,土壤吸力較大,故降雨初期各小區(qū)的土壤入滲率差別不大,徑流速率差異較小,隨時(shí)間延續(xù),表土水分飽和,入滲率減小,徑流速率和產(chǎn)流量的差異取決于坡面植被不同分布。坡面植被截留降雨,消減雨滴動(dòng)能,阻攔徑流,同時(shí)可分散或消除上方襲來(lái)的股流,增加坡面徑流運(yùn)動(dòng)阻力,削弱徑流侵蝕力。而小斑塊(格局B)植被破碎化程度高于大斑塊(格局C),植被在坡面分布較分散,坡面水流被層層阻攔分散,減緩流速延長(zhǎng)流程,入滲幾率加大,故而格局B的產(chǎn)流時(shí)間、延后時(shí)間,累計(jì)產(chǎn)流量以及穩(wěn)定產(chǎn)流速率均小于大斑塊格局C。

2.2 兩種格局下侵蝕產(chǎn)沙特征比較

圖5表明,同一雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)(2.43 mm/min,1 h)下,裸地產(chǎn)沙量最大,為36.95 kg,有植被小區(qū)(格局B和格局C)產(chǎn)沙量分別為23.59 kg、13.35 kg。與對(duì)照相比,格局B、C減沙量分別為36.14%和63.86%,減沙效益極其顯著(p＜0.01)。圖6可知,坡面產(chǎn)沙并不平穩(wěn),整個(gè)降雨歷程中根據(jù)含沙量變率的大小可將侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程分為降雨初期0～20 min的含沙量高強(qiáng)度變化期、20～45 min的微弱變化期和45～60 min含沙量穩(wěn)定期三個(gè)階段。徑流泥沙含量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與吳欽孝[15]、李勉[16]等在室內(nèi)、野外研究結(jié)果相似,產(chǎn)流初期含沙量較高,裸地為0.046 kg/L,格局B為0.039 kg/L,格局C為0.026 kg/L;隨產(chǎn)流的持續(xù),各格局徑流含沙量逐漸降低,之后維持在較低的水平。其原因在于徑流選擇性搬運(yùn)細(xì)顆粒,降雨初期可被徑流搬運(yùn)的細(xì)顆粒土壤較多,隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)細(xì)顆粒土壤減少,到后期主要因雨滴打擊剝離分散土壤大團(tuán)聚體,而在大團(tuán)聚體被剝離分散的瞬間會(huì)有相對(duì)較多的泥沙隨徑流流失,因此含沙量曲線圖雖達(dá)到穩(wěn)定但仍有一定程度波動(dòng)。不同植被格局含沙量隨降雨歷時(shí)變化符合指數(shù)函數(shù)方程(表1)。

圖7表明,不同格局下坡面累計(jì)產(chǎn)沙量都有隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)先增加后減少趨勢(shì),其可能與坡面細(xì)溝侵蝕發(fā)生過(guò)程有關(guān)。整個(gè)降雨過(guò)程中各格局累計(jì)產(chǎn)沙增幅表現(xiàn)為CK＞格局B＞格局C,不同植被格局下的累計(jì)產(chǎn)沙量隨著時(shí)間的變化可以用二次函數(shù)表示。

圖5 不同植被格局的產(chǎn)沙總量對(duì)比

圖6 不同植被格局下徑流含沙量隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)

許多學(xué)者認(rèn)為產(chǎn)沙量隨著徑流量變化而變化[16-17],而本試驗(yàn)中產(chǎn)沙量與徑流量不成正比。由前面分析可知大斑塊格局C的徑流量大于小斑塊格局B的徑流量,而圖5-7顯示格局B的產(chǎn)沙量和泥沙濃度均大于格局C,且格局B的累計(jì)產(chǎn)沙量增幅也高于格局C。其一可說(shuō)明格局C相比格局B具有更佳的減沙效益;其二是由于格局B、C坡下部植被密度差異較大。一般認(rèn)為[11],坡下植被減沙作用強(qiáng)于坡中、坡上植被。坡下部植被不但通過(guò)自身機(jī)械作用阻擋泥沙流失,還可以通過(guò)泥沙沉積改變坡面地貌形態(tài),減緩坡度從而減少土壤侵蝕。本實(shí)驗(yàn)中兩種格局的植被總面積總蓋度基本相同,但受自然條件的影響,格局C坡下植被生長(zhǎng)旺盛,植被密度大于格局B,因而格局C比格局B具有更好攔截泥沙作用。

圖7 不同植被格局下坡面累計(jì)產(chǎn)沙隨降雨歷時(shí)變化

表1 不同植被格局下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與降雨歷時(shí)的關(guān)系

2.3 兩種格局坡面徑流量與產(chǎn)沙量的關(guān)系

坡面侵蝕過(guò)程中產(chǎn)流與產(chǎn)沙的動(dòng)態(tài)變化可通過(guò)累計(jì)徑流量與累計(jì)產(chǎn)沙量的相關(guān)關(guān)系來(lái)反映,通過(guò)回歸分析可知累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)徑流量符合二次函數(shù)關(guān)系(表2),二者相關(guān)關(guān)系曲線呈拋物線型,即隨著徑流量的增加,累計(jì)產(chǎn)沙量先增大后減少。

對(duì)表2中不同植被格局經(jīng)驗(yàn)方程進(jìn)行分析,在2.43 mm/h雨強(qiáng)下有植被(格局B、C)小區(qū)具有顯著減沙效益(p＜0.01),且格局 C的 b0系數(shù)-8.5E-6,即曲線斜率小于格局 B的斜率-1.8E-5。說(shuō)明格局C比格局B對(duì)泥沙的攔截效果高于對(duì)徑流的攔蓄效果。表2中三個(gè)模擬二次方程均很好解釋土壤侵蝕過(guò)程中泥沙隨坡面徑流的變化過(guò)程,產(chǎn)流初期坡面水流動(dòng)能小,沖刷力微弱,僅攜帶表土松散微顆粒物;隨徑流量和流速的不斷增加,水流沖刷能力增大,引起土壤的崩塌、分散和搬移使得徑流含沙量增大,隨之累計(jì)產(chǎn)沙量上升;當(dāng)?shù)乇碇饾u飽和,坡面水流挾沙量飽和,累計(jì)泥沙量達(dá)到極大值;此后,盡管徑流還是繼續(xù)攜帶泥沙,但坡面水層緩沖雨滴對(duì)地表的擊濺分散,一定程度上消減了徑流攜沙,故而累計(jì)產(chǎn)沙量逐漸下降。

表2 不同植被格局下累計(jì)產(chǎn)沙量與累計(jì)產(chǎn)流量的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)在2.43 mm/min雨強(qiáng)下,相同蓋度的茵陳蒿群落不同分布格局產(chǎn)流具有差異性。開(kāi)始產(chǎn)流和延后時(shí)間表現(xiàn)為:格局B＞格局C＞裸地;產(chǎn)流特征曲線表明:兩種格局坡面產(chǎn)流速率隨時(shí)間增加而遞增,遞增速率漸小并維持在最大值。產(chǎn)流速率與降雨歷時(shí)呈對(duì)數(shù)顯著相關(guān);不同格局坡面產(chǎn)流量為:裸地＞格局C＞格局B,格局B具有更佳的蓄流減流效應(yīng);累計(jì)徑流量與降雨歷時(shí)呈非常顯著的線性相關(guān)(p＜0.01),相關(guān)系數(shù)達(dá)到99%以上。

(2)在降雨和土壤條件相對(duì)一致的條件下,不同格局的侵蝕產(chǎn)沙量差異明顯,裸地產(chǎn)沙量最大,格局B次之,格局C產(chǎn)沙量最小,格局B和C減沙量分別為36.14%、63.86%;徑流含沙量隨降雨歷時(shí)總體呈下降趨勢(shì),根據(jù)含沙量變率的大小可分為含沙量高強(qiáng)度變化期、微弱變化期和含沙量穩(wěn)定期三個(gè)階段。不同格局累計(jì)產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)先增大后減小,二者呈二次函數(shù)相關(guān)。

(3)茵陳蒿不同分布格局的坡面累計(jì)產(chǎn)流和累計(jì)產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)變化不完全一致,累計(jì)徑流量與累計(jì)產(chǎn)沙量的關(guān)系可用多項(xiàng)式表示,相關(guān)曲線為拋物線型,即產(chǎn)流初期累計(jì)產(chǎn)沙量隨徑流量增加而增加,隨降雨歷時(shí)延續(xù)產(chǎn)沙量減小。同一雨強(qiáng)下格局B、C具有顯著的減沙效益,大斑塊格局C比小斑塊格局B對(duì)泥沙的攔截效果高于對(duì)徑流的攔蓄效果。

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