張丹丹,王冬梅,汪西林

(北京林業(yè)大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京)

廣西桂林漓江濱岸帶植被對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

張丹丹,王冬梅?,汪西林

(北京林業(yè)大學水土保持學院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,100083,北京)

降雨及其產(chǎn)生的地表徑流是造成水土流失的主要原因之一,水土流失所帶來的河床抬高、水質(zhì)污染等環(huán)境問題亟待解決。本文通過廣西桂林漓江濱岸帶內(nèi)建立的7個試驗小區(qū),在汛期內(nèi)觀測自然降水條件下各小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況,研究漓江濱岸帶內(nèi)植被對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響,從而為漓江水土流失防治以及面源污染治理等問題提供參考。結(jié)果表明:1)植被覆蓋能顯著攔截坡面徑流、沉積泥沙,且植被蓋度愈高攔截效果愈顯著;2)在草本覆蓋處理中,狗尾草植被覆蓋處理截流減沙效果較其他幾種草本植物覆蓋處理好,可作為漓江濱岸帶裸露退化區(qū)域優(yōu)先選擇的植物種;3)純草本植物配置的植被帶截流減沙效果優(yōu)于草灌相結(jié)合配置的植被帶;4)地表徑流量、產(chǎn)沙量與降雨量、降雨強度之間在P＜0.01水平上顯著正相關(guān),徑流量與產(chǎn)沙量之間存在密切的線性關(guān)系。由此,采用增加裸坡坡面植被覆蓋、選擇狗尾草作為漓江快速綠化的草種、坡面上部建立截留措施等方式,可有效減輕坡面水土流失,緩解由水土流失帶來的面源污染等問題。

自然降水;濱岸帶;徑流;泥沙;漓江;廣西

桂林水文局最近40年來的水文資料表明:漓江上游主河道自1975年開始出現(xiàn)大面積淤積,桂林段河床自1986年開始有逐年抬高的趨勢,汛期最大含沙量逐年增加,雨季洪峰流量上升率為26.59%[1]。1998年最高洪水位達147.7 m,桂林市直接經(jīng)濟損失21.63億元,給漓江沿岸地區(qū)的生命和財產(chǎn)安全造成嚴重威脅[2]。漓江面臨的水資源分配不均,植被退化和含沙量增大等生態(tài)環(huán)境問題日益突出[3-4],伴隨降雨徑流中的污染物質(zhì)匯入漓江,漓江水污染問題亦逐漸加劇,由水土流失帶來的相關(guān)生態(tài)問題亟待解決。

濱岸植被的存在能有效截留陸域面源污染物、改善河道水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境,而對濱岸植被對徑流泥沙攔截效果的研究大都基于室內(nèi)土槽人工降雨[5-6]、試驗小區(qū)人工放水[7-8]等開展,這幾種方法在揭示徑流水文過程等方面皆有其自身優(yōu)勢。然而,由于土壤和降雨條件與自然狀況存在較大差異,導致土槽試驗應(yīng)用有局限性[9];人工放水試驗則忽略了垂直方向的雨水對坡面的影響;自然降水條件下的野外試驗則易于重復考察多種因素且避免破壞土壤結(jié)構(gòu)和改變水文過程[10],故具有明顯優(yōu)勢。但自然降水條件下的降雨強度不易控制,很難出現(xiàn)相同降雨強度,在試驗重復上很難實現(xiàn)。現(xiàn)有的地表徑流及產(chǎn)沙規(guī)律研究多在模擬降雨或坡面徑流條件下開展[11-12];因此,基于特定氣候條件、土壤特性、植被條件等影響因素,開展自然條件下濱岸植被對徑流泥沙的攔截效果研究具有重要實用價值。本研究通過汛期在廣西桂林漓江左岸坡地上,開展野外小區(qū)降雨試驗,根據(jù)實測降雨—徑流資料,分析在植被不同生長期以及相同生長期的不同植被間攔截徑流泥沙的規(guī)律,以期為防治漓江水土流失和減輕水污染問題提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)桂林市潛經(jīng)村漓江中游左岸坡地上(E 110°25＇57″,N 25°07＇00″),在漓江桂林—陽朔段的中游河段,屬中亞熱帶濕潤季風氣候區(qū),全年光照充足,年平均氣溫17.8～19.1℃,年降水量1 814～1 941 mm,年蒸發(fā)量1 482.5 mm,雨熱基本同期,試驗地內(nèi)的土壤類型為沙壤土(砂粒65%,粉粒24%,黏粒11%)。漓江沿岸常見喬木包括陰香(Cinnamomum burmanni(Nees et T. Nees)Blume)、楓楊(Pterocarya stenoptera(C. DC))、香樟(Cinnamomum camphora(L.)Presl)等,灌木包括水楊梅(Adina rubella(Sieb.et Zucc,) Hance)、一葉萩(Flueggea suffruticosa(Pall.) Baill)、黃荊(Vitex negundo(L.))等,草本包括狗牙根(Cynodon dactylon(L.)Pers)、水蓼(Polygonum hydropiper(L.))、假儉草(Eremochloa ophiuroides (Munro)Hack)、空心蓮子草(Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb)、小蓬草(Conyza canadensis (L.)Cronq)、狗尾草(Setaria viridis(L)Beauv))等。

2 試驗設(shè)計

2.1小區(qū)布設(shè)

在潛經(jīng)村原狀坡面上布設(shè)試驗小區(qū),共7個,小區(qū)底端距漓江常水位河岸約10 m,小區(qū)坡度一致,均為5°,其中規(guī)格為5m×2m(長×寬)5個,10m× 2m(長×寬)2個,小區(qū)的上方及左右兩側(cè)采用磚砌+水泥砂漿抹面作為防滲隔層,深度100 cm,露出地面35 cm,在小區(qū)出水口一側(cè)設(shè)導水槽與集水池相連,用于收集降雨過后流經(jīng)試驗小區(qū)的地表徑流,且在降雨期間,利用擋雨設(shè)施將徑流收集池與導水槽遮蓋,防止雨水進入。

2.2植被配置

根據(jù)試驗前期對漓江植被的沿線調(diào)查,篩選出占優(yōu)勢的植物種,草本植物選取狗牙根、假儉草、狗尾草以及空心蓮子草,灌木選擇一葉萩為試驗材料。試驗共7個處理,把試驗小區(qū)按1～7號進行編號,其中:1號小區(qū)為灌草混合帶(一葉萩+狗牙根),規(guī)格10m×2 m,在小區(qū)0～5 m段栽植5排一葉萩,株行距為0.5m×1m;2號小區(qū)為狗牙根草帶,規(guī)格10m×2m; 3～6號小區(qū)分別為狗牙根、狗尾草、假儉草、空心蓮子草草帶,規(guī)格5m×2m,7號小區(qū)為裸地對照組,內(nèi)無植被,規(guī)格5m×2m。具體的植被配置情況如圖1所示。草本植物采用種子撒播,灌木采用移栽方式種植。

圖1　試驗小區(qū)植被配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of vegetation distribution in experimental plots

2.3試驗方法

從植被種植后的第1場降雨開始觀測,用自記雨量計記錄每次降水過程。每次降雨產(chǎn)流后在集水池內(nèi)取500mL攪拌均勻的徑流渾水樣用于分析泥沙含量,徑流量采用容積法觀測,泥沙含量用吉大小天鵝多參數(shù)水質(zhì)分析儀觀測。數(shù)據(jù)使用Excel 2007軟件進行處理,并運用SPSS 18.0軟件進行相關(guān)性分析。

3 結(jié)果與分析

3.1降水特征分析

地表徑流是在降雨量,降雨強度達到一定程度后由降雨沖刷地表而形成的。2014年在漓江洪水期淹沒河岸帶之前共有13場降雨,其中7場降雨產(chǎn)生地表徑流,分別為5月3日、5月9日、5月17日、6月1日、6月18日、6月19日和7月3日。試驗觀察期間的降雨量與降雨強度如圖2所示。

圖2　試驗觀測期間降雨量與降雨強度情況Fig.2 Rainfall and rainfall intensity during the test

最大降雨量與降雨強度發(fā)生在5月9日,降雨強度達45mm/h(圖2)。我國氣象部門規(guī)定降雨強度等級劃分的標準為:12 h降水總量,小雨為≤5 mm;中雨為5～14.9mm;大雨為15.0～29.9mm;暴雨為30.0～69.9mm[13]。按照此標準,試驗觀測期間暴雨1次,大雨3次,中雨3次。隨著降雨強度的增加,雨滴打擊地表能力愈強,造成的土壤流失亦逐漸加劇。

3.2不同草本植被覆蓋處理對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙影響分析

在相同植被帶寬(5 m)條件下,分析不同草本處理下小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況,因而選取3號、4號、5號、6號和7號5個小區(qū)的觀測期間的產(chǎn)流產(chǎn)沙資料進行分析,結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,3號、4號、5號、6號、7號小區(qū)7次降雨的平均產(chǎn)流量分別為76.86、60.00、65.14、70.71和92.14 L,3～6號小區(qū)的平均產(chǎn)流量均顯著小于7號裸地的產(chǎn)流量,表明有植被覆蓋的小區(qū)能顯著的降低地表徑流量。除5～3場次降雨外,其余6場降雨無論是平均產(chǎn)流量還是單次降雨產(chǎn)流量7號小區(qū)均＞其他4個小區(qū),且隨著日期的增加,7號小區(qū)的徑流量與其他4個小區(qū)的徑流量差異增加。這是由于降雨觀測初期,植物種子剛?cè)霾ゲ痪?尚未全部萌發(fā),有植被的小區(qū)內(nèi)植被蓋度分布在2%～10%之間,有植被覆蓋的小區(qū)與裸地空白小區(qū)之間的植被蓋度差異較小,所產(chǎn)地表徑流量差異亦不明顯;隨著日期的增加,種子完全萌發(fā),植被不斷生長,撒播種子的小區(qū)蓋度逐漸增加,受植被的阻擋,徑流流速降低,入滲時間延長,從而導致小區(qū)出流量減少。

另外,從圖3可以看出,在有植被覆蓋的小區(qū),因撒播草種不同,所產(chǎn)地表徑流各異。降雨觀測期間,裸地小區(qū)的總產(chǎn)流量為645 L,3～6號小區(qū)的總產(chǎn)流量分別為538、420、456和495 L,與裸地小區(qū)的總產(chǎn)流量相比,3～6號小區(qū)的總產(chǎn)流量分別降低了17%、35%、29%、23%,4號狗尾草小區(qū)產(chǎn)流最少,5號假儉草其次,6號空心蓮子草第三,3號狗牙根產(chǎn)流最多。在降雨觀測初期3號狗牙根小區(qū)與裸地小區(qū)徑流量差別不大,而在觀測后期差異逐漸明顯,原因是狗牙根較其他3種草本植物種子萌發(fā)時間長,且幼苗生長較慢,而與之同期撒播的狗尾草、假儉草出苗早,且生長快,能在短時間內(nèi)覆蓋地表,攔截徑流效果較好。

小區(qū)降雨觀測期間的產(chǎn)沙量與地表產(chǎn)流量所呈現(xiàn)的規(guī)律基本一致,小區(qū)產(chǎn)沙總量為7號裸地(18 981mg)＞3號狗牙根(15 717 mg)＞6號空心蓮子草(15 188mg)＞5號假儉草(14 068mg)＞4號狗尾草(12 844mg)。4號小區(qū)產(chǎn)沙總量較裸地小區(qū)減少32%,無論單次降雨產(chǎn)沙量還是總產(chǎn)沙量4號小區(qū)均顯著＜其他4個小區(qū)。泥沙的運移過程,伴隨徑流的輸送過程實現(xiàn),當小區(qū)的地表徑流量較小時,泥沙的輸送通道遇植被攔擋受阻,產(chǎn)沙量相應(yīng)減少。如圖3所示,4號狗尾草小區(qū)的截留減沙、水土保持效果最好,且生根發(fā)芽快,生長迅速,因而在漓江濱岸帶裸露退化區(qū)域,可優(yōu)先選擇狗尾草作為快速綠化的植物種。在雨季來臨之前撒播綠化,狗尾草可有效防治水土流失,減少漓江入流污染物,達到凈化水體的目的。

3.3灌木處理對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響分析

選取1號、2號小區(qū)觀測期間的產(chǎn)流產(chǎn)沙資料,分析在相同帶寬10m條件下,純草本(2號小區(qū))與灌草相結(jié)合(1號小區(qū))2種不同處理對小區(qū)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。1號、2號小區(qū)降雨觀測期間的產(chǎn)流產(chǎn)沙資料如圖4所示。

圖3　不同植被覆蓋地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量Fig.3 Runoff and sediment yield under different vegetation cover

圖4　1號、2號小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙情況Fig.4 Runoff and sediment yield in the No.1 and No.2 experimental plot

從圖4可以看出,1號小區(qū)的徑流量、產(chǎn)沙量在相同降雨條件下均大于2號小區(qū),除5～9場降雨外,小區(qū)間徑流差、泥沙差隨著日期的增加逐漸增加,植被條件的差異是造成上述現(xiàn)象的主要原因。1號小區(qū)為一葉萩與狗牙根的灌草混合帶,上半部分為灌木,下半部分為草本;2號小區(qū)均為狗牙根草本植物,密集的草本植物能增加地表粗糙度,能延緩水流通過時間,從而使徑流入滲時間延長,增加下滲水量。1號小區(qū)一葉萩灌木下幾乎無草本植物生長,降雨期間,地面缺乏植被覆蓋,水流速度較快且能帶走地表裸露松散的土壤,徑流、泥沙攔截效果遠不如草本植物。

另外,圖4表明:隨著時間的延長,草本植物攔截徑流泥沙的優(yōu)勢愈明顯。觀測期間第1場降雨5月3日次,1號、2號小區(qū)間徑流量、產(chǎn)沙量差異較小,這是由于觀測初期小區(qū)內(nèi)種子剛?cè)霾ゲ痪?小區(qū)間地面覆蓋度差異較小,在降雨、土壤條件相同的情況下,產(chǎn)流產(chǎn)沙量相差無幾。而第2場降雨5月9日次,小區(qū)間徑流量、泥沙量差異較大,原因是短歷時、高強度的降雨打擊地表造成的水土流失較為嚴重,而1號小區(qū)內(nèi)灌木為剛移栽不久的一葉萩,移栽時表層的土壤受到擾動,尚未恢復穩(wěn)定,在暴雨條件下表層松散的土壤極易被沖走,造成1號、2號小區(qū)間產(chǎn)沙量差異顯著。從5月17日次至7月3日次降雨1號、2號小區(qū)間徑流差、泥沙差隨著日期的增加呈上升趨勢。這是由于隨著時間的推移,2號小區(qū)內(nèi)草本植被蓋度逐漸＞1號小區(qū),對徑流泥沙的截留效果優(yōu)于1號小區(qū);因而,草本群落發(fā)達的濱岸帶能更好的保護地表,延緩徑流,增加入滲水量,切斷泥沙的輸送通道,對徑流泥沙有更強的截留效果。

3.4徑流量、產(chǎn)沙量與降雨量、降雨強度的關(guān)系

為探討降雨量、降雨強度對徑流量、產(chǎn)沙量的影響,對7場降雨7個徑流小區(qū)共49組數(shù)據(jù)進行降雨量、降雨強度、徑流量、產(chǎn)沙量之間相關(guān)性分析。

如表1所示,徑流量、產(chǎn)沙量與降雨量、降雨強度在P＜0.01水平上呈顯著正相關(guān),這表明降雨量與降雨強度均為影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素,當降雨量、降雨強度增加時,地表產(chǎn)流產(chǎn)沙會隨之增加。降雨量、降雨強度對徑流量的影響程度相同, R=0.896,而降雨強度與產(chǎn)沙量的相關(guān)性(R= 0.889)略大于降雨量(R=0.834);因此在影響土壤侵蝕的因素中,降雨強度占主導作用。另外,從表1還可以看出,徑流量與產(chǎn)沙量之間極顯著正相關(guān)(R=0.981),二者存在密切的線性關(guān)系(y=0.027x+ 14.646,R2=0.962。式中:y為徑流量,mg;x為產(chǎn)沙量,mg)。由此,欲減輕濱岸帶坡面土壤流失,須切斷輸送泥沙的水流通道,因而可在濱岸帶坡面上部建立截排水溝,攔截徑流,防止水土流失,減少入河泥沙。

表1　降雨量、降雨強度、徑流量、產(chǎn)沙量間相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysis of rainfall and rainfall intensity,runoff and sediment yield(n=49)

4 結(jié)論與討論

通過在漓江濱岸帶內(nèi)建立試驗小區(qū),對照裸坡坡面,探討在不同植被覆蓋下坡面降雨徑流、產(chǎn)沙特征,對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。

1)植被覆蓋能顯著減小坡面地表徑流、產(chǎn)沙,且植被蓋度差異愈大,坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙差異愈顯著;因此,在可恢復綠化區(qū)域內(nèi),增加裸露坡面植被覆蓋可有效防治水土流失。

2)在相同降雨條件、坡度、帶寬下,不同草本覆蓋處理坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙存在差異。無論單次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙還是總產(chǎn)流產(chǎn)沙量4號狗尾草小區(qū)均顯著＜其他4個小區(qū),產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律整體表現(xiàn)為7號裸地＞3號狗牙根＞6號空心蓮子草＞5號假儉草＞4號狗尾草,由此,在雨季來臨之前,狗尾草可優(yōu)先選為快速綠化的草種,撒播在漓江濱岸帶植被退化區(qū)域,能達到快速復綠的效果。

3)在攔截徑流、沉積泥沙方面,灌草相結(jié)合的配置方式不及純草本的植被配置。這一結(jié)果是由草本植被自身特點決定的,草本類植物生長密集、交錯覆蓋于地表,在徑流、泥沙通過時可有效阻擋水流,降低流速,增加下滲水量,伴隨水流速度下降,水流攜沙能力降低,徑流中懸浮顆粒大量沉積,同時植被的桿葉可有效吸附水流中的懸浮物質(zhì)。而草本植物由于其生物量小、根系淺在攔截地下側(cè)流及養(yǎng)分方面遠不及以喬木、灌木植物[14-15]。喬灌植被地上、地下生物量較高,壽命長,對污染物的控制效果更持久,因而備受青睞[16-17];因此,濱岸帶植被恢復時選擇應(yīng)根據(jù)各自功能的需求,選擇不同的植被配置方式。

4)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量與降雨量、降雨強度存在顯著正相關(guān)關(guān)系。在影響土壤流失的因素中,降雨強度的貢獻作用略大于降雨量。徑流量和產(chǎn)沙量之間存在密切的線性關(guān)系,而養(yǎng)分的流失是隨著泥沙的運移造成的,泥沙的運移需借助水流的輸送實現(xiàn)的;因此,在防治土壤、養(yǎng)分流失的工作中,建立截流措施,沉淀泥沙,將攔截的泥沙循環(huán)再利用,可有效緩解土地退化、河床抬高、水質(zhì)污染等環(huán)境問題。

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Influence of riparian vegetation on surface runoff and sediment in Li River of Guilin City

Zhang Dandan,Wang Dongmei,Wang Xilin

(School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,Key Lab.of Soil&Water Conservation& Desertification Combating of Ministry of Education,100083,Beijing,China)

[Background]Hydrological data in Li River showed that the distribution of itswater resource was not uniformity.During the flood season a large amount of sediment along with the runoff flowed into the river due to the vegetation degradation,which caused the deposition of the river and the increasing of the river bed.The rainfall and surface runoff is one of the main causes of soil and water loss,and the accompanied environmental problems from soil erosion such as riverbed elevation and water quality deterioration should be solved urgently.Usually the external natural factors cannot be controlled,but the controllable factors such as the improvement of the surface cover and the soil condition can effectively alleviate the soil erosion on the slope.[M ethods]In this study,7 experimental plots were established according to the different vegetation configuration.Plots were built in vegetation strips of Li River in Guilin,Guangxi Autonomous Region,where the slopewas5°.We set the rain collecting pool in the area of plots’outlet,which aimed to collected surface runoff flows through the plots.During the flood season we observed the runoff and sediment loss under the condition of natural rainfall,the runoffwasmeasured through the volumemethod,and the sediment contentwasmeasured by thewater quality analyzer in thisexperiment.The data were processed by Excel 2007 and analyzed by SPSS18.0 software for correlation analysis.[Results]1)Vegetation significantly intercepted runoff and sediment,the higher the vegetation coverage was,the better the interception was;thus the vegetation coverage should be increased in the restoration areas,which could effectively prevent and control soil erosion.2)The riparian vegetation covered by Setaria plicata intercepted runoff and sediment better than others’,S.plicata should be preferably selected as the shore plants in bare degradation area of Li River.3)Pure herbaceous vegetation intercepted sediment better than that of grass and shrub vegetation.However different vegetation arrangements had their respective advantages and disadvantages,during vegetation restoration we should choose different vegetation configuration modes according to the needs.4)Surface runoff and sedimentwere positively correlated with rainfall and rainfall intensity at the level of P＜0.01,therewas a close linear relationship between runoff and sediment.[Conclusions]Thus,through some ways such as increasing vegetation cover on bare slope surface,selecting S.plicata as the fast green grass in Li River, establishing the interception measures on the top of slope,and so on,the soil and water loss could be effectively reduced,the non-point source pollution caused by soil erosion could be alleviated.

natural rainfall;riparian;runoff;sediment;Li River;Guangxi

S157.1

A

1672-3007(2016)02-0081-07

10.16843/j.sswc.2016.02.011

2015-07-06

2016-02-02

項目名稱:國家“十二五”科技支撐計劃“漓江流域水陸交錯帶生態(tài)修復關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2012BAC16B03),“西南生態(tài)安全屏障決策支撐技術(shù)體系”(2011BAC09B08-07)

張丹丹(1990—),女,碩士研究生。主要研究方向:水土保持及工程綠化。E-mail:zhangdan19900510@163.com

簡介:王冬梅(1963—),女,教授,博士生導師。主要研究方向:水土保持及植被恢復。E-mail:dmwang@126.com