灌草鑲嵌坡面土壤緊實(shí)度變異及水文連通度的影響

徐 莉,劉 宇,張忠啟,趙 亮,蔣軍樂

(1.江蘇師范大學(xué) 地理測(cè)繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.河北科技大學(xué),石家莊 050018)

土壤緊實(shí)度是衡量土壤質(zhì)量的重要物理指標(biāo)[1]，決定土壤入滲速率，影響土壤侵蝕強(qiáng)度[2]。有關(guān)土壤緊實(shí)度的研究多集中在農(nóng)田，關(guān)注耕作方式、作物類型、自然因素等對(duì)農(nóng)田土壤緊實(shí)度的作用與影響[3-7]，以及緊實(shí)度變化對(duì)土壤理化性質(zhì)、農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及作物產(chǎn)量和品質(zhì)等影響[8-10]。景觀連通度是影響土壤侵蝕過程的重要因素[11]。景觀連通度包括景觀結(jié)構(gòu)連通度和景觀功能連通度[12]。對(duì)土壤侵蝕過程而言，景觀結(jié)構(gòu)連通度指產(chǎn)生的徑流、泥沙輸送至目的地的暢通程度[13-14]。在小區(qū)和坡面尺度上，徑流源區(qū)的連通對(duì)侵蝕的發(fā)生和發(fā)展有重要影響[11]。從坡頂至坡底，匯水面積逐漸增加，水文連通度也隨之增強(qiáng)，從而增強(qiáng)土壤侵蝕強(qiáng)度，加大表土的剝離程度。與此同時(shí)，接收到的上坡輸送的泥沙、凋落物碎屑等也在不斷增加。在植被覆蓋、微地形阻礙體等具備一定攔截能力的地表阻滯體存在的條件下，會(huì)形成較為疏松的沉積體[15]。

干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是典型的斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，灌草斑塊鑲嵌覆被格局較為常見。在干旱半干旱環(huán)境中，灌叢植被更容易導(dǎo)致坡面水流的匯聚[16]，從而改變坡面的水文連通格局，促進(jìn)高水文連通區(qū)提前在靠近上坡的位置形成，加強(qiáng)沖刷侵蝕[17]而剝離表層疏松土壤。此外，灌叢鑲嵌的坡面，由于灌叢斑塊(尤其是帶刺、較高大的灌叢)的存在，會(huì)導(dǎo)致牲畜在坡面的移動(dòng)路徑由較為分散轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)集中。這些因素共同作用，可能會(huì)塑造出與單一草被不同的水文連通格局和侵蝕—沉積空間異質(zhì)性格局，導(dǎo)致土壤緊實(shí)度的空間異質(zhì)性。基于以上認(rèn)識(shí)，本研究試圖通過格網(wǎng)化的調(diào)查，揭示半干旱地區(qū)灌叢—草地鑲嵌坡面上土壤緊實(shí)度的空間變異及水文連通度的影響。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇位于黃河二級(jí)支流東蘆河流域的人工灌叢坡面開展研究。東蘆河流域位于陜西省榆林市靖邊縣城南，上游部分區(qū)域?qū)傺影彩邪踩麉^(qū)，大部分位于靖邊縣內(nèi)，為無定河的一條支流。該流域地處毛烏素沙地南側(cè)，黃土丘陵溝壑區(qū)北緣，為鄂爾多斯高原向黃土高原的過渡地帶。氣候?qū)侔敫珊祪?nèi)陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為7.8℃，年平均氣溫日較差為12.4℃，無霜期125 ～179 d。土壤類型主要以砂質(zhì)風(fēng)沙土、黃綿土為主，土質(zhì)疏松，持水性能差，抗侵蝕性低。東蘆河流域內(nèi)地帶性植被以草本為主，間有天然灌叢。草地廣泛分布于黃土丘陵溝壑區(qū)的梁峁頂、溝坡上，優(yōu)勢(shì)物種有針茅屬、百里香屬、蒿屬等。這一帶為大面積人工植被營(yíng)造區(qū)。灌叢除分布于溝坡、谷坡和溝底的狼牙刺、黃刺玫、丁香等自然植被外，以人工種植的檸條為主，部分坡面種有沙棘。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤緊實(shí)度測(cè)定 本研究選擇位于東蘆河西側(cè)的一個(gè)典型人工檸條灌叢—茅草鑲嵌坡面布設(shè)調(diào)查樣地(圖1)。為方便將地面測(cè)定的土壤緊實(shí)度與基于航拍制圖獲取的坡面位置、景觀連通度相結(jié)合，在每個(gè)采樣點(diǎn)使用白色膠帶設(shè)置十字形地面標(biāo)識(shí)點(diǎn)。從坡頂至坡底共布設(shè)17行93個(gè)樣點(diǎn)，沿等高線方向和垂直于等高線方向間距均約6 m。每個(gè)樣點(diǎn)分別采集灌叢下和灌叢間草地土壤緊實(shí)度數(shù)據(jù)。

圖1 樣地位置示意圖

土壤緊實(shí)度指土壤顆粒間間隙的大小，也稱土壤硬度或土壤穿透阻力。一般用金屬柱塞或探針壓入土壤時(shí)的阻力表示，它是衡量地表狀況的一個(gè)重要指標(biāo)[18]。坡面主要景觀類型為灌叢—草地鑲嵌景觀。灌叢具有一定攔截泥沙能力，能形成泥沙沉積體。灌叢間草地泥沙攔截能力低。因此可能導(dǎo)致灌叢下和灌叢間草地土壤緊實(shí)度的差別。因此，分別測(cè)定了灌叢下、灌叢間草地的土壤緊實(shí)度。本研究采用型號(hào)為WJSD-750-Ⅱ土壤緊實(shí)度儀測(cè)定土壤緊實(shí)度。因?yàn)橥寥狼治g對(duì)土壤表層影響較大，所以選取土壤緊實(shí)度測(cè)定深度為10 cm。每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)測(cè)三次取平均值。根據(jù)樣點(diǎn)的位置，利用ArcGIS空間分析工具克里金插值模塊獲取土壤緊實(shí)度的坡面分布圖。

1.2.2 坡面表面模型構(gòu)建及水文連通度計(jì)算 坡面表面模型構(gòu)建基于大疆精靈3Standard四旋翼無人機(jī)獲取RGB照片制作。整個(gè)坡面人工灌叢高度大致在1.5 m以下，無人機(jī)飛行高度設(shè)置為15 m，航向重疊設(shè)90%，旁向重疊設(shè)為60%。使用GS Pro軟件規(guī)劃航線，航線規(guī)劃完成后上傳航線數(shù)據(jù)至無人機(jī)。為保證圖像的質(zhì)量，采用懸停拍照模式，共獲得覆蓋整個(gè)坡面的280張航拍照片。使用Agisoft Photoscan軟件構(gòu)建數(shù)字表面模型(DSM)和生成整個(gè)坡面的正射影像。具體處理的流程包括照片對(duì)齊(Align Photos)、構(gòu)建密集點(diǎn)云(Build Dense cloud )、構(gòu)建網(wǎng)格(Build Mesh)、生成數(shù)字表面模型(DSM)和生成正射影像圖。其中DSM分辨率為3 cm，正射影像為2 cm。經(jīng)處理去掉灌叢植被后生成坡面DEM，分辨率與DSM一致。

水文連通度量化了坡面任意位置與上坡通過徑流連通的程度[19]。這里采用累積匯流量表征了水文連通度。因此，水文連通度指坡面上任意一個(gè)位置的上坡累計(jì)匯流面積，即每個(gè)柵格單元累積匯流量是指上游匯流區(qū)內(nèi)流入該柵格單元的柵格的總數(shù)與柵格面積的乘積，即累積匯流面積[20]。其假定規(guī)則柵格處有一個(gè)單位徑流量，根據(jù)區(qū)域地形水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算有多少柵格上的徑流流入該柵格，即表明有多少個(gè)單位徑流量匯入該柵格單元，從而得到每個(gè)柵格上坡來水量[21]。這里采用八鄰單流向算法計(jì)算累積匯流量。利用ArcGIS水文分析工具中累積匯流模塊計(jì)算累積流量。利用Excel 2016軟件中數(shù)據(jù)分析工具進(jìn)行相關(guān)性分析、差異比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤緊實(shí)度的坡面空間變異

灌叢下土壤緊實(shí)度呈下降趨勢(shì)，灌叢間草地土壤緊實(shí)度呈上升趨勢(shì)(圖2)。坡面灌叢下土壤緊實(shí)度最大值為37.93 kg/cm2，最小值為17.78 kg/cm2，變幅為20.15 kg/cm2，變異系數(shù)為0.19；草地土壤緊實(shí)度最大值為43.22 kg/cm2，最小值為20.12 kg/cm2，變幅為23.1 kg/cm2，變異系數(shù)為0.22。總體上灌叢土壤緊實(shí)度低于草地，灌叢間草地土壤緊實(shí)度的變異程度亦高于灌叢。

圖2 灌叢與草地緊實(shí)度的沿坡位的變化

灌叢間草地和灌叢下土壤緊實(shí)度的空間分異存在差別。利用灌叢與灌叢間草地的土壤緊實(shí)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行插值，得到僅有灌叢、草地兩種情況下土壤緊實(shí)度值的空間分布(圖3)。坡面灌叢土壤緊實(shí)度表現(xiàn)為從坡頂至坡中位置增大，坡中至坡底位置逐漸減小，最小值范圍出現(xiàn)在下坡位置，坡面整體上表現(xiàn)為先增大后減小，坡中位置土壤緊實(shí)度值達(dá)到最高，介于27～29 kg/cm2。草地的土壤緊實(shí)度的空間分布表現(xiàn)為坡中位置最大(40～47 kg/cm2)，向上坡和坡底方向逐漸減小。與灌叢不同的是，草地土壤緊實(shí)度最小值分布在上坡位置。

圖3 土壤緊實(shí)度空間分布

灌叢和灌叢間草地土壤緊實(shí)度的差異隨坡位而異。如圖4所示，差值為草地土壤緊實(shí)度減去灌叢土壤緊實(shí)度，在上坡位置灌叢土壤緊實(shí)度高于草地，從坡中至坡底草地土壤緊實(shí)度都不同程度地高于灌叢。從坡頂至坡底方向，灌叢—草地間差值整體上趨向于增加，即越往坡底方向，兩者土壤緊實(shí)度差值越大。灌叢—草地同一坡位的土壤緊實(shí)度最大差值位于坡底，達(dá)23.66 kg/cm2，最小差值位于上坡，僅為1.49 kg/cm2。

圖4 不同坡位灌叢和草地土壤緊實(shí)度差值

2.2 土壤緊實(shí)度坡面分異與水文連通度的關(guān)系

土壤侵蝕對(duì)表土的剝蝕可增加土壤緊實(shí)度，水文連通度高意味著土壤侵蝕強(qiáng)度高[22-23]。在本研究中，灌叢和灌叢間草地斑塊土壤緊實(shí)度與水文連通度的關(guān)系表現(xiàn)相反。如圖5所示，從上坡至下坡，灌叢下土壤緊實(shí)度與表達(dá)水文連通度的累積匯流面積之間呈負(fù)相關(guān)，而灌叢間草地的土壤緊實(shí)度與累積匯流面積呈正相關(guān)。從坡頂至坡底方向，匯流面積逐漸增加，即接收更多的上方來水量，坡面徑流侵蝕能力隨之增強(qiáng)，坡產(chǎn)沙量增加[24]，灌叢由于具有更好的泥沙攔截功能，更有利于形成松散的泥沙堆積體，從而使得灌叢下土壤緊實(shí)度隨匯流面積的變化與草地表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

圖5 土壤緊實(shí)度與累積匯流面積關(guān)系

3 討 論

土壤緊實(shí)度是較為重要的土力學(xué)性質(zhì)，是受土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量及土壤水分等因子影響的綜合指標(biāo)[25]，它直接影響到土壤的可蝕性[26]。在黃土區(qū)，土壤緊實(shí)度從表層向深層增加[27]。土壤侵蝕導(dǎo)致表土的流失，從而使土壤緊實(shí)度增加。已有研究表明，坡面侵蝕總體趨勢(shì)表現(xiàn)為從分水嶺向下由小變大，再由大變小，自分水嶺到坡腳劃分為微弱侵蝕帶—侵蝕強(qiáng)烈?guī)А獩_刷帶—堆積帶[23]。本研究中灌叢間草地的土壤緊實(shí)度在空間尺度上表現(xiàn)為中坡位置最大，上坡與下坡位置較小。降雨侵蝕過程是降雨能量對(duì)地面做功的表現(xiàn)，做功的最初表現(xiàn)形式是雨滴的擊濺侵蝕[28]。已有研究表明，當(dāng)植被高度超過1 m時(shí)，會(huì)增強(qiáng)雨滴的濺蝕能力[29]。這與本研究中上坡位置灌叢下土壤緊實(shí)度高于灌叢間草地土壤緊實(shí)度的結(jié)果相一致。除上坡位置，灌草鑲嵌坡面灌叢間草地的土壤緊實(shí)度均不同程度高于灌叢下土壤緊實(shí)度。灌叢相對(duì)于草地具有更強(qiáng)的泥沙攔截能力，也有較高的凋落物量，易形成較厚的松散堆積體[30]。

本研究所選的灌叢—草地鑲嵌斑塊結(jié)構(gòu)是干旱半干旱地區(qū)典型的景觀結(jié)構(gòu)，具有與純草地景觀不同的水文響應(yīng)特征。已有研究表明灌叢景觀與草地相比有更高的徑流系數(shù)[31]，因?yàn)楣鄥簿坝^徑流向灌叢間匯聚[32]，形成較高的水文連通度，且灌叢間入滲率低于灌叢區(qū)[33]；本研究區(qū)存在一定的放牧活動(dòng)，由于檸條灌叢的存在，牲畜移動(dòng)路徑往往呈現(xiàn)出鑲嵌于灌叢間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這會(huì)形成牲畜對(duì)灌叢間草地區(qū)域的較強(qiáng)的踐踏，加劇土壤的板結(jié)，同時(shí)促進(jìn)裸地斑塊之間的水文連通，最終增大灌叢與灌叢間草地土壤緊實(shí)度差異。

4 結(jié) 論

通過對(duì)東蘆河流域典型人工檸條—草地鑲嵌坡面灌叢和灌叢間草地土壤緊實(shí)度的調(diào)查分析，探討景觀連通度對(duì)土壤緊實(shí)度的影響。研究結(jié)果表明：人工灌叢坡面灌叢下與灌叢間草地斑塊的土壤緊實(shí)度在坡面尺度都呈現(xiàn)先增加再降低的變化趨勢(shì)，即中坡位置的土壤緊實(shí)度值都較上坡、下坡位置高；同一坡位灌叢與草地土壤緊實(shí)度存在差異，從坡中偏上至坡底位置草地土壤緊實(shí)度都不同程度地高于灌叢，二者最小差值位于上坡位置，最大差值位于下坡位置。在灌叢—草地鑲嵌的坡面，景觀連通度對(duì)土壤緊實(shí)度的影響表現(xiàn)為草地土壤緊實(shí)度與水文連通度正相關(guān)，而灌叢下土壤緊實(shí)度與水文連通度呈負(fù)相關(guān)。