趙炯昌,潘岱立,衛(wèi) 偉,*,段興武

1 云南大學(xué)國(guó)際河流與生態(tài)安全研究院, 昆明 650091 2 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085

黃土高原是中國(guó)乃至全球水土流失問(wèn)題最嚴(yán)重的區(qū)域之一,嚴(yán)重的土壤侵蝕不僅造成土壤退化和土地生產(chǎn)力的損失,而且還制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。近幾十年大規(guī)模退耕還林(草)工程實(shí)施以來(lái),黃土高原下墊面植被格局發(fā)生明顯變化,生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能也隨之改變[2]。植被通過(guò)有效截留降雨和削弱雨滴動(dòng)能以及改善土壤理化性質(zhì)等方面影響地表產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙過(guò)程,土壤侵蝕防治效應(yīng)顯著[3-4]。與此同時(shí),植被生長(zhǎng)大大增加了生態(tài)系統(tǒng)的需水量,導(dǎo)致土壤水分過(guò)度消耗,蒸散發(fā)加劇[5],已經(jīng)接近甚至超過(guò)該地區(qū)的水資源承載能力[6]。因此,權(quán)衡土壤保持與土壤水分保蓄二者關(guān)系,對(duì)于區(qū)域植被恢復(fù)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[7]。

植被格局指植被、枯落物和裸地等的數(shù)量結(jié)構(gòu)與空間分布配置[8],它改變了徑流和泥沙輸移路徑的連通程度,是除植被的類型、形態(tài)和垂直結(jié)構(gòu)等斑塊特征外,同樣影響水土流失的重要因素[9]。干旱半干旱地區(qū)由于水分、地形、土壤性質(zhì)等因素的限制以及人為活動(dòng)的影響,植被在坡面上多為隨機(jī)、聚集、條帶狀等分布方式,形成植被與裸地斑塊的鑲嵌空間結(jié)構(gòu)和不同植被類型的坡位配置組合等典型植被格局。黃土高原當(dāng)前植被建設(shè)面臨主要依靠增加植被數(shù)量和覆蓋來(lái)防治水土流失,卻難以通過(guò)調(diào)整植被格局提升水土保持功能和效益的不利局面,現(xiàn)有植被格局仍然存在密度過(guò)高、生物量較大、分布不合理等問(wèn)題。不合理的植被格局造成土壤水分相對(duì)虧缺,反而會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的侵蝕發(fā)生[10]。因此,合理優(yōu)化現(xiàn)有坡面植被格局是實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控水土流失和土壤水保蓄的關(guān)鍵。

在黃土高原不同地區(qū),研究關(guān)注點(diǎn)從植被在坡面不同坡位分布的減流減沙效益[11]到坡溝系統(tǒng)的水沙過(guò)程和水文連通性[12-14]。陳利頂?shù)萚15]通過(guò)137Cs元素示蹤法,定量分析了坡面形態(tài)與植被空間配置的土壤侵蝕“源”“匯”效應(yīng)。斑塊方向、聚集程度、鑲嵌方式等植被空間分布特征改變了坡面的水文結(jié)構(gòu)和侵蝕系統(tǒng),進(jìn)而影響水土流失效應(yīng)。如張冠華[16]認(rèn)為茵陳蒿在坡面上的分布以帶狀格局或小斑塊格局為宜；潘岱立等[17]認(rèn)為植被過(guò)濾帶能夠促進(jìn)降雨入滲、減緩徑流速度、阻蝕減沙,水土保持效益顯著；孫文義等[18]設(shè)置了橫向、豎向、S 型、隨機(jī)四種灌木斑塊路徑,發(fā)現(xiàn)連通程度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙和水動(dòng)力參量有著顯著影響。由于坡面植被格局和地表下墊面條件復(fù)雜多樣,以及水土流失過(guò)程受多因素耦合作用,植被格局與水沙過(guò)程之間的關(guān)系仍不明確,具有較大的差異性和不確定性[19]。植被恢復(fù)對(duì)土壤保持和水分消耗的影響通常分開研究,二者之間的權(quán)衡關(guān)系研究尚顯不足。入滲模型能夠模擬水分在土壤中的入滲過(guò)程,是揭示土壤入滲規(guī)律的常用方法。本研究基于徑流小區(qū)模擬降雨試驗(yàn),調(diào)整現(xiàn)有植被的生物量密度和空間分布方式,選擇合適的入滲模型模擬不同植被格局土壤水分入滲過(guò)程,探討其水沙過(guò)程變化機(jī)理以及土壤保持與土壤水分保蓄之間的權(quán)衡關(guān)系,為理解黃土高原坡面水文過(guò)程、優(yōu)化黃土高原及類似地區(qū)坡面植被配置格局、促進(jìn)脆弱山地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

如圖1所示,研究區(qū)位于甘肅省定西市安家坡小流域(35°33′—35°36′ N,104°38′—104°41′ E),地處黃土高原西南緣,屬于典型的半干旱黃土丘陵區(qū)。該地區(qū)年均氣溫6.3℃,多年平均降雨量427 mm,蒸發(fā)量達(dá)1510 mm。降雨季節(jié)性變化顯著,夏季降雨占全年降雨量的60%—80%,期間降雨形式以大雨和暴雨為主。流域土層深厚,土壤類型主要為黃綿土,黏粒含量為33%—42%,有機(jī)質(zhì)含量為4—13 g/kg,并且0—2 m的土壤容重為1.09—1.36 g/cm3[20]。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 The location of study area

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬降雨試驗(yàn)于2019年9月29日在定西市水土保持科學(xué)研究所進(jìn)行,試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)2 m、寬1 m,坡度15°,生長(zhǎng)植被為長(zhǎng)芒草(StipabungeanaTrin.),地上生物量鮮重為220 g/m2,共設(shè)5個(gè)。對(duì)試驗(yàn)小區(qū)植被采取不同的刈割處理,刈割盡量貼近地表且處理過(guò)程不擾動(dòng)土壤,得到不同地上生物量-分布方式組合的植被格局：未刈割保留原有生物量(100% biomass all distribution,100AD)、50%地上生物量均勻分布(50% biomass uniform distribution,50UD)、50%地上生物量坡上分布(50% biomass on the top of the slope distribution,50TD)、50%地上生物量坡下分布(50% biomass on the bottom of the slope distribution,50BD)、無(wú)地上生物量(0% biomass no distribution,0ND)。為方便敘述,以下的植被格局由100AD 、50UD、50TD、50BD 、0ND來(lái)表示,其中數(shù)字代表地上生物量密度(%),字母代表植被分布方式。

1.3 模擬降雨

模擬降雨系統(tǒng)由美國(guó)農(nóng)業(yè)部國(guó)家土壤侵蝕研究實(shí)驗(yàn)室(National Soil Erosion Research Laboratory,NSERL)研發(fā),采用先進(jìn)的振蕩式原理模擬自然降雨過(guò)程,其主要組成部件包括控制器、水泵、多孔噴頭、多路水閥[21]。搭建鐵架將噴頭放置在離地面5.5 m的高度,以保證模擬降雨雨滴的分布、大小及終點(diǎn)速度近似天然降雨。參考當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和相關(guān)侵蝕性降雨研究[22],本模擬降雨試驗(yàn)的雨強(qiáng)設(shè)定為80 mm/h。檢查和測(cè)定每場(chǎng)降雨的降雨均勻度均大于80%,說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中降雨的均勻性和穩(wěn)定性。試驗(yàn)開始前使用雨量筒(HOBO RG3-M,Onset,USA)率定雨強(qiáng)[23]。

為保持不同試驗(yàn)小區(qū)降雨前土壤含水量一致,從9月25日開始進(jìn)行4 d的預(yù)降雨及晾曬,將其控制在15%左右。每場(chǎng)降雨從降雨開始到結(jié)束持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為60 min,降雨過(guò)程前15 min每隔1 min、后45 min每隔3 min收集1次徑流泥沙樣品,每次接取30 s。測(cè)定徑流泥沙樣品的體積,然后靜置一段時(shí)間后放入烘箱中烘干稱重得產(chǎn)沙量,計(jì)算得產(chǎn)流量。采用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。在每場(chǎng)降雨試驗(yàn)前后以及降雨結(jié)束干旱30 d后,使用小型土鉆取樣,每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)設(shè)22次重復(fù),取樣深度1 m,取樣間隔20 cm,烘干測(cè)得土壤含水量。干旱期間使用白色塑料膜覆蓋在搭建的鐵架上,避免期間的降雨對(duì)土壤水分的影響,并且忽略不同植被處理同步問(wèn)題造成的蒸散發(fā)差異。

1.4 指標(biāo)計(jì)算

忽略降雨過(guò)程中截留、坡面填洼與土壤蒸發(fā),土壤入滲率計(jì)算公式如下[24]:

(1)

式中,SIR為土壤入滲率,mm/min；P為降雨強(qiáng)度,mm/min；α為坡面坡度,°；R為各時(shí)段的產(chǎn)流量,mL；A為坡面面積,cm2；t為降雨歷時(shí),min。

將有植被覆蓋處理相對(duì)無(wú)植被覆被處理獲得單位土壤侵蝕保持量所額外損失得得土壤儲(chǔ)水量定義為儲(chǔ)水損失減沙比,計(jì)算公式如下[7]：

(2)

式中,EEW為儲(chǔ)水損失減沙比,mm m2g-1；SWSbs(t)、SWSv(t)分別為研究t時(shí)段內(nèi)無(wú)植被覆被處理和有植被覆被處理的土壤儲(chǔ)水量,mm；SYbs(t)、SYv(t)分別為研究期間中從開始到t時(shí)段無(wú)植被覆被處理和有植被覆被處理的單位面積累計(jì)產(chǎn)沙量,g/m2。t為從降雨開始前到干旱期間結(jié)束后時(shí)間段,該階段前后可分為降雨入滲增加土壤水分階段和干旱期間蒸發(fā)造成土壤水分消耗階段。本研究0ND為無(wú)植被覆被處理,50TD、50BD、50UD、100AD為有植被覆被處理。

1.5 土壤入滲模型

圖2 不同植被格局土壤入滲率隨降雨歷時(shí)變化特征 Fig.2 Variation characteristics of soil infiltration rate with different vegetation patterns with rainfall duration100AD：未刈割保留原有生物量,100% biomass all distribution；50UD：50%地上生物量均勻分布,50% biomass uniform distribution；50TD：50%地上生物量坡上分布,50% biomass on the top of the slope distribution；50BD：50%地上生物量坡下分布,50% biomass on the bottom of the slope distribution；0ND：無(wú)地上生物量,0% biomass no distribution

Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型的表達(dá)式依次為：

I(t)=A+0.5St-1/2

(3)

式中,I(t)為土壤入滲率,mm/min；A為穩(wěn)定入滲率,mm/min；S為土壤吸滲率,mm/min1/2,表征土壤入滲能力。

I(t)=Kt-α

(4)

式中,I(t)為土壤入滲率,mm/min；K為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),表征第一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的平均入滲速率；α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),表征入滲速率隨時(shí)間減小的程度。

I(t)=Ic+(Io-Ic)e-βt

(5)

式中,I(t)為土壤入滲率,mm/min；Ic為穩(wěn)定入滲率,mm/min；Io為初始入滲率,mm/min；β為模型參數(shù),表征入滲速率隨時(shí)間減小的程度。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖制作和入滲模型擬合。使用SPSS 25軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用方差(ANOVA)分析在0.05顯著水平檢驗(yàn)組間差異,采用LSD方式在0.05顯著水平上多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被格局入滲過(guò)程及模型模擬

不同植被格局坡面土壤入滲率隨降雨歷時(shí)變化特征如圖2所示。結(jié)果表明,隨降雨過(guò)程的進(jìn)行,不同植被格局土壤入滲率的變化趨勢(shì)基本一致,降雨初期土壤入滲率迅速降低,中后期不斷變緩趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。不同植被格局平均土壤入滲率從大到小依次為：100AD(1.01 mm/min)>50UD(0.91 mm/min)>50BD(0.72 mm/min)>50TD(0.70 mm/min)>0ND(0.47 mm/min)。

使用3類不同入滲模型(Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型)對(duì)不同植被格局土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行模擬,不同模型的參數(shù)及擬合效果見表1。比較不同入滲模型的擬合效果發(fā)現(xiàn),Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型的R2(%)平均值分別為86.67、93.25、98.97,NRMSE(%)平均值為15.15、7.71、2.81,Horton模型的擬合效果最優(yōu),而Philip模型和Kostiakov的擬合效果一般。入滲模型在坡面不同植被格局的擬合效果具有差異,3種模型均在100AD格局表現(xiàn)出最優(yōu)的擬合效果,而在0ND格局則表現(xiàn)出最差的擬合效果。坡面不同植被格局模型模擬土壤入滲過(guò)程如圖3所示。Horton模型模擬坡面不同植被格局的穩(wěn)定入滲率為0.02—0.83 mm/min,而Philip模型為0.19—0.74 mm/min,Horton模型的變化范圍大于Philip模型和Kostiakov模型。

表1 不同植被格局土壤入滲模型參數(shù)及擬合效果

圖3 不同植被格局模型模擬土壤入滲過(guò)程Fig.3 Model simulation of soil infiltration process on different vegetation patterns

2.2 不同植被格局產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程

不同植被格局下的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨降雨歷時(shí)變化特征如圖4所示。不同植被格局的產(chǎn)流率呈現(xiàn)出和入滲率截然相反的變化特征。相同生物量密度下,均勻格局的徑流量低于聚集格局,而坡上聚集格局和坡下聚集格局之間的徑流量則并無(wú)明顯差異。徑流量隨生物量密度增加而減少,特別是在生物量密度從0%增加到50%,即坡面從無(wú)植被覆蓋轉(zhuǎn)折到有植被覆蓋時(shí),降幅明顯增大,說(shuō)明植被地上部分調(diào)控徑流作用顯著。原因在于植被莖葉具有一定的彈性和開合角度,直接降低了植被覆蓋下的降雨量和降雨強(qiáng)度,從而增強(qiáng)入滲、減少?gòu)搅鱗24]。不同格局的侵蝕量從大到小依次為：0ND(1400.29 g/m2)、50TD(597.90 g/m2)、50UD(260.47 g/m2)、50BD(237.57 g/m2)、100AD(136.97 g/m2),其中0ND和50TD格局調(diào)整后的侵蝕量依然較大。不同植被格局的產(chǎn)沙率比產(chǎn)流率起伏變化更加劇烈,過(guò)程比較復(fù)雜,規(guī)律性差。所有格局產(chǎn)沙率的峰值均出現(xiàn)在降雨后期,而除此之外0ND格局和50TD格局在降雨前中期也出現(xiàn)多次峰值。相同生物量密度下,坡上聚集分布的侵蝕量明顯高于坡下聚集分布和均勻分布。侵蝕量隨生物量密度的增加而呈降低趨勢(shì),這與徑流量隨生物量密度的變化規(guī)律相同。這是由于植被一方面能夠降低雨滴對(duì)地表的濺蝕沖擊,減少泥沙的剝離[25]；另一方面能夠改變徑流的水動(dòng)力學(xué)特性,增加泥沙的沉積[26]。

2.3 不同植被格局土壤水分變化

不同植被格局下土壤儲(chǔ)水量變化見表2。100AD、50UD、50TD、50BD、0ND降雨后分別為207.52、204.36、195.79、194.04、178.60 mm,植被覆被顯著促進(jìn)了降雨期間土壤水分補(bǔ)給,有植被覆被格局與無(wú)植被覆被格局之間的降雨后土壤儲(chǔ)水量差異顯著(P<0.05)。100AD和50UD干旱期間土壤儲(chǔ)水量分別減少70.77 mm和59.29 mm,而0ND僅消耗14.69 mm,土壤水分消耗隨生物量密度增大而顯著增加(P<0.05)。

表2 不同植被格局土壤儲(chǔ)水量變化

將100AD作為裸地對(duì)照,植被覆被小區(qū)的減流率在26.26%—62.92%,減沙率在57.33%—91.52%,草本植被的減沙效益高于減流效益。植被覆被格局儲(chǔ)水損失減沙比均為正值,表明土壤蓄水和土壤保持之間呈權(quán)衡關(guān)系。100AD的儲(chǔ)水量減沙比最大,為21.20 mm m2kg-1,獲取單位減沙效益所額外消耗的土壤水分最多,儲(chǔ)水損失減沙比隨生物量密度降低而減小。相同生物量密度下,坡上聚集格局和坡下聚集格局相較于均勻格局,儲(chǔ)水減沙損失進(jìn)一步降低,從16.52 mm m2kg-1進(jìn)一步減少至15.14 mm m2kg-1和11.17 mm m2kg-1。

3 討論

通過(guò)對(duì)不同植被格局的土壤水分入滲過(guò)程進(jìn)行模擬,結(jié)果表明3種模型的模擬精度存在差異。3種模型中,Horton模型的平均R2較高,NRMSE較低,且擬合的Ic與實(shí)際值較為接近,其擬合效果最優(yōu),這與趙鵬宇等[27]和何子淼等[28]的研究結(jié)果基本一致。分析其原因認(rèn)為,Philip模型為物理模型,對(duì)均質(zhì)土壤一維入滲的擬合效果較好,而對(duì)不同植被覆被的非均質(zhì)土壤擬合效果一般。Kostiakov模型為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?模型參數(shù)沒(méi)有明確的物理意義,形式簡(jiǎn)單,能有效描述短歷時(shí)入滲過(guò)程,本降雨試驗(yàn)歷時(shí)長(zhǎng),Kostiakov模型的精度有待提高。Horton模型為半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在土壤入滲的穩(wěn)定階段,擬合的Ic接近實(shí)際值,能夠較好地模擬長(zhǎng)時(shí)間的土壤入滲過(guò)程。

黃土高原地區(qū)水資源匱乏,植被斑塊分布破碎,合理的植被格局是在有限水資源下實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控水土流失的關(guān)鍵[29]。本研究的結(jié)果表明,相同分布方式下,隨著生物量密度的增加,入滲-徑流-侵蝕過(guò)程發(fā)生改變,累計(jì)入滲量增加,徑流量和侵蝕量減少。李毅和邵明安[30]研究發(fā)現(xiàn)增加人工草地蓋度能夠提高初始入滲率和穩(wěn)定入滲率。Huang等[31]認(rèn)為植被入滲補(bǔ)給系數(shù)隨植被覆蓋度的增加而增加,并且植被覆蓋是影響植被入滲補(bǔ)給的最大因素。裸露地表和植被斑塊分別作為水沙過(guò)程徑流、泥沙等物質(zhì)的“源”“匯”景觀,二者的分布方式影響著坡面產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙過(guò)程[15]。本研究的結(jié)果表明,相同生物量密度下,均勻格局的減流效果最好,坡下聚集格局的減沙效果最好。這與沈中原[32]在寧夏固原天然草地不同植被格局模擬降雨的研究結(jié)果相似?！皡R”景觀布設(shè)在出口臨近處,能夠發(fā)揮其攔蓄上方來(lái)水來(lái)沙作用,格局整體水土流失減少。Rey等[33]的研究表明,徑流小區(qū)底部小面積的高密度植被分布就能夠攔截大部分的泥沙。

吳淑芳等[34]將減少單位泥沙輸出所需減少的地表徑流量定義為用水減沙比,以描述坡面降雨徑流調(diào)控措施實(shí)施前后泥沙減少量與徑流減少量之間的定量關(guān)系。植被格局的調(diào)整不僅改變了降雨過(guò)程中的徑流量和侵蝕量,同時(shí)也改變了降雨后和降雨間隔期間的蒸發(fā)量及土壤儲(chǔ)水量。因此,本研究使用儲(chǔ)水損失減沙比(EEW)來(lái)表示植被格局的調(diào)整對(duì)徑流調(diào)控減沙效應(yīng)和土壤水分效應(yīng)之間關(guān)系的影響,結(jié)果表明,降雨-干旱循環(huán)過(guò)程中土壤保持和土壤水調(diào)蓄呈現(xiàn)權(quán)衡關(guān)系,植被覆被的增加促進(jìn)了降雨期間土壤水分補(bǔ)給和泥沙攔蓄,加快了干旱階段土壤水分消耗,而現(xiàn)有試驗(yàn)條件下植被格局細(xì)?；軌蚪档蛢?chǔ)水損失減沙比,有利于維持土壤保持和土壤水保蓄的權(quán)衡關(guān)系。退耕還林(草)工程作為黃土高原地區(qū)典型的水土保持措施,大面積、高密度植被的引入由于植被的蒸騰作用和根系吸水作用勢(shì)必導(dǎo)致土壤水分的額外消耗,加劇土壤干燥化的風(fēng)險(xiǎn),出現(xiàn)嚴(yán)重的土壤干層和“小老樹”現(xiàn)象[35]。若僅考慮水土保持效益或土壤水分保蓄會(huì)對(duì)植被恢復(fù)工作產(chǎn)生誤導(dǎo)性指導(dǎo),應(yīng)該合理權(quán)衡兩者關(guān)系,強(qiáng)調(diào)水土流失和干旱缺水兩大生態(tài)難題的同步解決,以最少的土壤水分消耗代價(jià),獲得盡量顯著的水土保持效益。

4 結(jié)論

本研究基于徑流小區(qū)降雨試驗(yàn)和模型模擬,定量分析了不同植被格局對(duì)入滲、產(chǎn)流、產(chǎn)沙過(guò)程及土壤水分變化過(guò)程的影響,主要結(jié)論如下：

(1)基于模型擬合的決定系數(shù)R2、歸一化均方根誤差NRMSE以及模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)Horton模型的入滲擬合效果最優(yōu),而Philip模型和Kostiakov模型擬合效果一般。

(2)不同植被格局產(chǎn)流率的變化趨勢(shì)基本一致,大體可分為兩個(gè)階段：初期階段迅速增長(zhǎng),中后期階段增長(zhǎng)變緩并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)沙率的變化趨勢(shì)隨植被格局的不同而略有差異。相較于產(chǎn)流過(guò)程,產(chǎn)沙過(guò)程變化劇烈、規(guī)律性差。

(3)降低生物量密度能夠增加降雨期間的徑流量(從19.21mm到25.44—38.09 mm再到51.79 mm)和侵蝕量(從118.97 g/m2到237.57—597.90 g/m2再到1400.29 g/m2),土壤水分得到更好的保蓄。低密度均勻分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蝕和徑流,卻促進(jìn)了土壤水分的消耗。坡下集中分布的植被格局,例如植被過(guò)濾帶的形式,能夠最好地同時(shí)控制水土流失和土壤耗水。權(quán)衡考慮水土流失防治與土壤水分消耗,建議采用適宜密度且集中分布在出口附近的植被格局。