黃土丘陵區坡面植被蓋度及其配置格局的水蝕效應模擬

任柯蒙,衛 偉,*,趙西寧,馮天驕,,陳 蝶,,于 洋,

1 中國科學院生態環境研究中心城市與區域生態國家重點實驗室,北京 100085 2 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室,楊凌 712100 3 西北農林科技大學水土保持研究所,楊凌 712100 4 中國科學院水利部水土保持研究所,楊凌 712100 5 中國科學院大學資源與環境學院,北京 100049 6 中國水利水電科學研究院泥沙研究所,北京 100048

黃土高原是我國土壤侵蝕最嚴重的地區。隨著西部大開發戰略和退耕還林草政策的實施,生物措施在防治土壤侵蝕方面的作用愈加重要[1- 2]。植被通過地上覆蓋攔截降雨、地下根系固土促滲從而起到阻蝕減沙作用[3]。植被蓋度是減小濺蝕和沖刷作用的重要指標,是減少土壤侵蝕的第一道屏障[4]。基于文獻分析,平均狀態下,干旱區的喬、灌、草植被降雨截留量總體上分別可達到23.6%、24.8%和38.4%[5-6]。攔截降雨的直接作用是減少坡面徑流泥沙量,且隨蓋度增加,阻流減蝕效果越好[7-8]。而對于植被的蓄水保土作用而言,起關鍵作用的是植被的有效覆蓋度,但由于研究角度和對象的不同,有效覆蓋度不一[9]。

在坡面尺度上,植被對土壤侵蝕產沙的影響除與其數量和形態有關外,還決定于覆蓋的地形部位[10-11]。研究表明,相同數量和類型的植被分布于坡面下部時,其侵蝕產沙量比植被其分布于坡中和上部要明顯減少[12]。對于黃土高原溝-坡系統,丁文峰和李勉[13]研究發現,植被分布位置對坡面侵蝕產沙的影響并非通過改變徑流來實現,侵蝕強度呈現上部植被覆蓋>中部植被覆蓋>下部植被覆蓋。蘇遠逸等[14]定量比較了距離坡頂不同位置處的蓄水保土效益,發現當草本距離坡頂2 m時,蓄水效益最好,其值可達19.07%;距坡頂6 m時,減沙效益最大為69.02%。徐海燕等[15]考慮植被組合配置,研究坡耕地與草地組合方式為上坡是谷子下坡是草本時,減沙效應最好。

水蝕預報模型(Water Erosion Prediction Project, WEPP),是基于物理過程模擬模型,可模擬侵蝕過程,土壤流失空間分布情況[16- 18]。國內應用WEPP模型模擬植被在坡面侵蝕空間分布[19]、植被蓋度模擬對土壤侵蝕的影響[20]、植物籬最佳配置模式[21]、土壤侵蝕對氣候變化響應[22]、灌草植被生長模擬[23]等均有涉及。縱觀之前的研究,通常將植被蓋度和坡位二者分開研究各自對土壤侵蝕的影響,忽略綜合分析這兩種因素的貢獻值。因此,本研究借助WEPP模型模擬有別于傳統徑流小區植被覆蓋均一的狀況,通過設置不同情境,來研究植被蓋度和坡位與土壤侵蝕的定量關系以及植被不同配比的土壤侵蝕效應,對于科學甄別土壤侵蝕的關鍵貢獻因子從而開展行之有效的防治具有重要的理論和實踐價值。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于甘肅省定西市龍灘流域(35°43′—35°46′N,104°27′—104°31′E),屬于典型的半干旱黃土丘陵區,流域面積16.1 km2,海拔1800—2200 m。該區地處半干旱大陸性氣候區,據長期氣候數據(1958—2016年),年平均氣溫6.8℃,潛在蒸發量為1649.0 mm,年平均相對濕度72%,多年平均降水量386.3 mm,降雨量季節分配不均,主要集中在7—9月份,且多暴雨。該地區土質均一,土壤以黃綿土為主。流域內人工灌木以檸條(Caragana)為主,檸條屬錦雞兒屬,為豆科灌木類植物,具有較強的防風固沙和水土保持能力,同時又是優質的灌木資源,具有較高的生態經濟價值,在黃土高原地區有較大推廣應用價值[24]。天然植被以多年生草本為主,主要包括長芒草(Stipabungeana)、賴草(Leymussecalinus)、阿爾泰狗娃花(Heteropappus),其中長芒草因其耐旱性強在黃土高原地區有廣泛的分布。因此本研究選擇人工植被檸條和天然生草本長芒草為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 情景設計

在相同地區已利用龍灘坡面徑流小區2015—2016年的降雨數據及野外監測數據對模型進行了檸條坡面驗證和適用性評價[25]。基于此,為了揭示植被所處位置與土壤侵蝕的關系,進行機理性分析和可比性,在WEPP模型的地形參數中將10 m小區坡面分為坡上、坡中和坡下,植被選擇之前研究已驗證的檸條植被和通過植被調查、參考文獻或模型中同類植被獲取參數的長芒草植被[26- 29],利用董榮萬等[30]在定西得到的坡面尺度上侵蝕量和雨量的關系式,分析了長芒草坡面的產沙量的模擬值與計算值的決定系數達到0.99,說明WEPP模型可以良好模擬長芒草植被侵蝕狀況。將小區進行情景模擬,在管理措施中將蓋度分別設為20%、40%、60%、80%,另外,設置檸條和長芒草蓋度0的坡面為對照。并根據檸條和長芒草的不同配比(1∶1,1∶2和2∶1)及其在不同坡位(坡上、坡中、坡下)設置不同情景模式(圖1)。雨強根據黃土高原典型降雨特征[31]設為小雨強(0.5 mm/min)、中雨強(1.0 mm/min)、大雨強(1.5 mm/min),降雨歷時1 h。

圖1 植被分布及其配比示意圖Fig.1 Schematic diagram of vegetation distribution and configuration

1.2.2 指標計算

為了區分不同坡位和植被蓋度對坡面侵蝕產沙量的影響大小,本研究采用相對貢獻指數方法來判定坡位和蓋度對侵蝕產沙的貢獻。選擇坡面休閑地為基準,植被在任一坡位X(坡上、坡中、坡下)引起的坡面產沙變化量按下列公式計算,并取其絕對值：

ISYsp=SYbl(X)-SYbl(fallow)

(1)

式中,ISYsp是坡位引起的產沙變化量(t/hm2),SYbl(fallow)是裸地產沙量(t/hm2)。

ISYvc=SYvc(X)-SYbl(fallow)

(2)

式中,ISYvc由植被蓋度引起的坡面產沙變化量(t/hm2),SYvc是植被蓋度產沙量(t/hm2)。

ISYt=ISYsp+ISYvc

(3)

(4)

(5)

式中,ISYt是總產沙量增量(t/hm2),RCIsp是坡位對產沙量影響的相對貢獻指數,RCIvc是指植被蓋度對產沙量影響的相對貢獻指數。

1.2.3 數據分析

使用SPSS 24.0和Origin 9.0軟件進行數據分析和作圖,采用雙因素方差分析和相對貢獻指數探討坡位與植被蓋度對坡面侵蝕產沙量的影響差異性,闡明坡位和植被蓋度交互作用對坡面侵蝕產沙量的影響。

2 結果

2.1 植被位置對土壤流失的作用評價

如圖2和圖3 所示,從坡面整體土壤流失情況可以看出在沒有植被覆蓋的坡段土壤流失量隨至坡頂距離和雨強增加呈上升趨勢,有植被覆蓋的坡段可以明顯減少土壤流失量。在有植被覆蓋的坡位處,不同雨強下的土壤流失量差異不明顯,說明植被是減少土壤流失的重要生物措施。植被分布在下坡位時,坡面整體的土壤流失量最小,檸條和長芒草在距離坡頂6 m和5 m處土壤流失量達到最大值,對應植被保護坡面的長度分別為2 m和3 m;植被位于坡中時,檸條和長芒草保護坡面長度分別為2 m和1 m,且均在坡腳處達到最大土壤流失量;植被位于坡上時,檸條和長芒草保護坡段長度均為3 m,且均在坡腳處土壤流失量達到最大值。

2.2 植被蓋度對攔截泥沙的效果評價

植被蓋度可以明顯減少產沙量。由圖4看出：不同雨強下,長芒草坡面對泥沙的攔截率始終高于檸條坡面,攔截率范圍分別為57%—96%和36%—90%。小雨強時,檸條和長芒草隨蓋度增加對泥沙的攔截率從38%增加到90%,64%增加到96%。中雨強(1.0 mm/min)和大雨強(1.5 mm/min),植被蓋度小于20%時,長芒草坡面產沙量相比于檸條坡面產沙量高17.4%和46.5%,蓋度在40%—60%時,長芒草坡面產沙量小于檸條坡面;而在蓋度是80%時,長芒草坡面產沙量反超檸條坡面,增長5.0%和31.5%。說明在不同雨強下,植被種類對土壤侵蝕效應有明顯不同,應根據當地實際情況進行合理設計。

圖2 檸條在不同坡位下的土壤流失量變化Fig.2 Soil loss change at different slope positions of Caragana

圖3 長芒草在不同坡位下的土壤流失量變化Fig.3 Soil loss change at different slope positions of Stipa bungeana

圖4 植被在不同蓋度下產沙對比Fig.4 Sediment yield under different vegetation cover

2.3 植被蓋度在不同坡位對產沙的貢獻分析

從圖5看出,檸條植被分布越靠下坡位,植被蓋度對坡面侵蝕產沙量的貢獻呈增加趨勢,在坡下時貢獻達到最大值0.57。坡位對坡面的減沙作用呈上升趨勢,在坡下的侵蝕產沙量貢獻值達到最小值0.43。

從圖5看出,長芒草蓋度對減沙的貢獻作用隨坡位降低呈先降低后增加,坡位與蓋度有相反的關系,但整體來看,蓋度對阻沙的貢獻始終小于坡位。長芒草分布在坡上部分時,蓋度對減少產沙的貢獻最小為0.77,坡位對阻沙作用貢獻最大為0.22;當植被分布在坡中時,蓋度的減沙貢獻作用達到最大值0.56。

圖5 坡位與蓋度對坡面侵蝕產沙的貢獻分析Fig.5 Contribution of slope position and vegetation cover on sediment yields

通過上述分析可知,植被蓋度和坡位對坡面侵蝕產沙的作用呈現此消彼長的趨勢。這2個因素的交互作用使坡面水土流失現象更為復雜多變。通過對坡位和植被蓋度與坡面侵蝕產沙之間的多因素方差分析發現(表1),坡位和植被蓋度對坡面侵蝕產沙量有極顯著的影響(P< 0.001);植被是長芒草時蓋度和坡位交互作用對坡面侵蝕產沙量有顯著影響(P< 0.01),而植被是檸條時,蓋度和坡位交互作用對坡面侵蝕產沙作用不顯著。

表1 坡位與植被蓋度對坡面侵蝕產沙影響的雙因素方差分析結果

*P<0.05;**P<0.01;***P<0.001

2.4 不同植被配置格局對產沙的影響評價

由圖6可以看出,隨著雨強增大,坡面侵蝕都呈增加趨勢。A、B和C 3種情景是按照檸條和長芒草不同配比及其在坡面所處不同位置上設計的,情景D是將長芒草和檸條進行隔行分布設置。當長芒草位于檸條上部時,檸條和長芒草隔行分布時的產沙量要小于植被按坡位時的產沙量。從減沙效果最明顯角度分析得到,長芒草位于中、下坡位時的坡面產沙量始終小于長芒草位于中上坡位,且當長芒草位于坡面靠下,檸條與長芒草的配比為1∶2時,在不同雨強(0.5、1.0、1.5 mm/min)下產沙量最小,分別為1.1、4.0、7.8 t/hm2。坡面土壤侵蝕量受雨強、植被配比及其分布共同作用影響,隨雨強增大,當檸條在長芒草上方,檸條：長芒草為2∶1時,產沙量最大,分別為1.3、4.6、8.2 t/hm2;長芒草在檸條上方,長芒草：檸條為2∶1時,產沙量最小,分別為1.6、5.4、10.1 t/hm2。

圖6 不同配置格局的植被保護措施對產沙量的影響Fig.6 Different allocation patterns of protective measures on sediment yield

3 討論

黃土高原的水資源極度匱乏,如何在有限水源下合理分布植被,實現土壤侵蝕最優調控應被重點關注[32]。本研究通過模擬植被在不同坡位處的土壤流失量發現,坡面土壤流失量由小到大植被分布依次是坡下<坡中<坡上。考慮植被與地形的耦合作用對土壤侵蝕的影響,日降雨量是100 mm左右的大暴雨時,上坡部植被通過削弱徑流侵蝕動力,可減少下坡段侵蝕產沙80%以上[33]。減沙能力的差異與植被的特性有關。本研究中,降雨量為90 mm時,檸條和長芒草位于坡上時可減少坡下侵蝕產沙50%。除考慮上坡植被對下坡植被侵蝕影響外,還應探討植被所處位置與鑲嵌格局對侵蝕的影響。Liu等[20]利用WEPP模型模擬草本在不同坡位下的侵蝕產沙情況發現,草本種植在下坡位時產沙量最少。這與本研究中土壤流失量分布情況相一致。游珍等[34]在寧夏固原荒草坡面小區對侵蝕定量化得出坡下植被比坡上植被的保土作用高2.8倍。

植被蓋度是通過削弱雨滴動能、攔截降雨從而達到防治土壤侵蝕的關鍵因素,對灌木、草本而言,消減降雨動能可分為兩部分,第一部分是截留降雨所減少的降雨動能,第二部分是由于降落高度較小,使雨滴落到地面時動能被削弱[35]。長芒草地上部分攔沙機理是削減雨滴動能,當雨滴從冠層落到土壤表面時,由于距離很短,大大削弱了對土壤的打擊作用,另一方面,長芒草根系主要分布在0—50 cm內且根系致密,對土壤有較強粘聚力,可防止泥沙流失。灌木檸條可攔截泥沙是由于枝葉茂盛,地上生物量大,枯落物豐富,可以有效攔截降水,吸收大量的地表徑流,從而減少泥沙的產出[29, 36-37]。吳卿等[6]通過研究灌草減沙能力發現,由于草本植物根系致密,對土壤有較強粘聚力,所以特定條件下草地防治水土流失的能力可能高于灌木。本研究模擬不同雨強的檸條、長芒草不同蓋度下攔截泥沙能力發現,長芒草坡面對泥沙的攔截率略高于檸條坡面,攔截率分別為57%—96%和36%—90%。而對水土流失防治起作用的是植被的有效蓋度,有效蓋度指使土壤侵蝕量降低到土壤最大允許侵蝕量以內所應達到的植被覆蓋度[38]。本研究中,在中、大雨強下,植被蓋度在20%時,長芒草產沙量大于檸條,這是由于此時長芒草蓋度未達到有效蓋度。而有研究已經表明,黃土區草本植被蓄水保土的臨界蓋度為40%—60%,所以當長芒草蓋度為20%時,攔沙效果不如灌木檸條[39]。當雨強較大時,植被蓋度達到80%,由于草本屬于柔性植被,莖葉對降雨的攔截作用減弱,增加了雨滴動能,導致土壤侵蝕增加,而檸條屬于灌木,地上生物量大于草本,地上持水能力和地下部分固土能力要優于草本,所以長芒草坡面產沙量大于檸條坡面[40]。

考慮植被蓋度和坡位對土壤侵蝕的影響,Rey[41]研究指出坡底灌草蓋度達到20%時可有效攔截上坡泥沙。但不同植被在不同坡段間對土壤侵蝕的影響究竟如何？本研究對坡位和蓋度對產沙貢獻指數和多因素方差分析得到,坡位和植被蓋度對坡面侵蝕產沙量有極顯著的影響(P<0.001)。坡位和蓋度的交互作用因植被而異,植被是長芒草時蓋度和坡位交互作用對坡面侵蝕產沙量有顯著影響(P<0.01),而植被是檸條時,蓋度和坡位交互作用對坡面侵蝕產沙作用不顯著。這是由于灌木檸條枯落物覆蓋較大,對雨滴打擊土壤起到緩沖作用,削弱土壤侵蝕能力,從而模糊了蓋度和坡位對坡面侵蝕產沙的影響[42]。

植被配置對土壤侵蝕有直接控制作用,突出表現在通過改變徑流和泥沙運移路徑連通性來起到防控水土流失的作用[43]。蘇敏等基于草灌和草糧帶狀分布試驗,評價了黃土丘陵區不同植被結構的水土保持效應,發現草灌配置的水保性優于草糧配置[44]。傅伯杰等[45]在黃土丘陵區的研究印證了土壤侵蝕量受土地利用分布和坡位的共同影響。基于此,本研究通過WEPP模型模擬分析灌草植被分布及其配比結果表明,當長芒草位于坡下部位,且長芒草與檸條之比為2∶1時,坡面產沙量最小。這說明植被不僅影響其所覆蓋段的侵蝕產沙,還通過其所處位置的徑流特性間接影響下坡侵蝕產沙。

4 結論

(1)植被是減小土壤流失的重要舉措。通過比較檸條與長芒草在不同坡位處的土壤流失,發現有植被覆蓋處的坡面土壤流失量變化差異不大,當植被分布在下坡位時坡面土壤流失量最少。

(2)植被蓋度可以有效減少產沙量。不同雨強下,草本長芒草坡面對泥沙的攔截率始終高于灌木檸條坡面,攔截率范圍分別為57%—96%和36%—90%。但在中雨強(1.0 mm/min)和大雨強(1.5 mm/min)條件下,當植被蓋度小于20%或大于80%時,長芒草坡面產沙量高于檸條坡面產沙量;蓋度在40%—60%時,長芒草坡面產沙量小于檸條坡面。

(3)植被蓋度和坡位對坡面侵蝕產沙的作用呈現出此消彼長的趨勢。坡位和植被蓋度分別對坡面侵蝕產沙量有極顯著的影響(P<0.001);其交互作用對草本長芒草坡面侵蝕產沙作用有顯著影響(P< 0.01),對灌木檸條坡面侵蝕產沙作用無顯著影響。

(4)植被配比可以有效控制土壤侵蝕。模擬結果顯示：長芒草分布在坡面下部相較于分布在坡面上部產沙量較小,且當檸條和長芒草配比為1∶2時產沙量最小。