基于黃土高原關鍵帶類型的土地利用與年徑流產沙關系空間分異研究

胡 健,胡金嬌,呂一河

1 西南民族大學國家民委若爾蓋高寒草甸生態站, 成都 610041 2 西南民族大學青藏高原研究院, 成都 610041 3 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 4 中國科學院大學, 北京 100049

地球關鍵帶是指異質的近地表環境,其縱向的空間界限為上到植被冠層,下到地下水層底部,它包含著近地表的生物圈、大氣圈、整個土壤圈、水圈和巖石圈地表/近地表部分；其在水平方向上既包括已經風化的松散層,又包括植被、河流、湖泊、海岸帶與淺海環境[1]。關鍵帶科學的綜合研究成為了新的研究機遇和研究前沿[2],有助于地球系統科學應對21世紀全球可持續發展的挑戰[3]。關鍵帶觀測站及其網絡的建設進展顯著,全球大約已有70個關鍵帶觀測臺站[4- 5]。由于地球關鍵帶表層具有高度的空間異質性,需要進一步擴展單個關鍵帶觀測站及其網絡,描繪關鍵帶空間分異的特性成為關鍵帶科學新的機遇與挑戰[6-7]。目前已有的黃土高原關鍵帶類型分類可為優化和合理設計區域關鍵帶觀測站網布局和研究水土生態過程的空間分異提供框架[8- 9]。

土壤侵蝕是地球關鍵帶表層演化的重要驅動力,也是引起土壤退化的重要因素[10]。土壤侵蝕研究是全球研究的熱點領域和關鍵帶研究的重要內容[4,11]。坡面徑流小區和小流域的徑流產沙監測是土壤侵蝕常用的研究方法,基于試驗的徑流產沙觀測是評估土壤侵蝕強度的最直接數據源[12- 13]。現有針對徑流小區和小流域觀測的整合研究涉及歐洲[14-15]、濕潤的熱帶區域[16]、黃土高原[17-18]和全球尺度[19- 20]等不同區域和空間尺度,揭示了土地利用和管理措施對土壤侵蝕的效應及其空間分異。因此,利用文獻記錄的徑流小區試驗觀測資料為理解區域的土壤侵蝕背景及其空間差異提供了新途徑。

近20年黃土高原成為土壤侵蝕研究的熱點區域,徑流小區試驗觀測研究分布廣,研究議題主要集中于局地尺度土地利用類型轉變對徑流和產沙的影響,盡管已有研究對土壤侵蝕和水土保持措施進行了綜述,但是研究的空間尺度多僅限于某一流域或樣地尺度[21- 22]。黃土高原實施了大量的水土保持措施,特別是在1999年開始實施的退耕還林(草)工程,促進了生態脆弱的土地類型(如裸地、坡耕地和新撂荒地)向有利于水土保持的土地類型(如人工或自然草地、灌叢和森林)轉變,使黃土高原成為中國植被恢復成效最顯著的地區[23- 24]。然而,由于缺乏充足觀測數據的支持,目前關注區域土地利用下徑流和產沙的空間分異特征的研究較少。整合分析(Meta-analysis)和關鍵帶類型分類為研究黃土高原區域徑流和產沙的空間分異提供了有效工具和宏觀框架。

本研究通過整合黃土高原坡面徑流小區尺度的徑流產沙監測數據,定量評估黃土高原區域不同土地利用類型對徑流產沙的影響,探究徑流產沙及其與土地利用關系在黃土高原關鍵帶類型的差異,為區域土地利用及植被恢復優化和水土保持功能提升提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 黃土高原關鍵帶類型和徑流產沙數據獲取

根據地球關鍵帶理論設計了黃土高原關鍵帶類型分類框架,涉及地理多樣性、生態系統、氣候和人類社會因素四個方面,包含了24個關鍵帶指標,以正六邊形作為空間基本單元,采用主成分分析和聚類分析相結合的方法將黃土高原劃分為8類關鍵帶類型(圖1),為研究年徑流產沙的關鍵帶類型分異提供宏觀背景[8- 9]。類型III是黃土丘陵農業-草地關鍵帶,耕地和草地的面積比例高；類型IV是黃土丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶,耕地面積比例最高,草地次之,林地也有較高的比例；類型VIII為風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶,草地面積最大,其中植被覆蓋度和生態系統凈初級生產力最低；類型VI是沖積平原農業-草地關鍵帶,草地和耕地是最為主要的土地類型；類型I是山地森林關鍵帶,林地和灌木的覆蓋比例達80%以上；類型VII是高寒灌叢-草地關鍵帶,草地和灌木為最主要的土地類型；類型II是沖積平原農業關鍵帶,擁有70%以上的耕地面積,是8類關鍵帶中最高的。類型V是城市關鍵帶,人工地面、國內生產總值和人口密度最高。

圖1 黃土高原整合徑流小區樣點和關鍵帶類型的空間分布Fig.1 Spatial distribution of critical zones and sampling points from meta-analysis of runoff plots on the Loess Plateau

在Web of Science文摘數據庫和中國知網(CNKI)設置關鍵詞檢索了1990年1月至2017年10月的中英文文獻,關鍵詞如下：“Runoff”、“streamflow”、“discharge”、“water yield”、“water provision”和“soil erosion”、“sediment load”、“sediment delivery”、“sediment discharge”、“sediment yield*”、“sediment*”；“徑流”或“產水”或“水供給”、“產沙”或者“產沙量”。然后通過“Loess Plateau”、“*middle* Yellow River”、“黃土高原”或“黃河中游”關鍵詞進一步篩選。通過文獻管理軟件EndNote X7和NoteExpress 2.0進行中英文文獻管理,去除重復,并根據篩選標準對標題、摘要和全文進行再次篩選,滿足以下納入標準：(1)徑流小區個案研究分布于黃土高原區域；(2)徑流小區試驗在自然降雨條件下進行；(3)為坡面徑流小區野外試驗觀測研究；(4)個案研究至少記錄徑流或產沙及其影響因素(如土地利用類型、徑流小區面積、坡長和坡度等)；(5)徑流產沙均值、標準差或標準誤或樣本量文獻全文中直接或間接報道。除了城市關鍵帶V和沖積平原農業-草地關鍵帶VI外,山地森林關鍵帶I有8篇、沖積平原農業關鍵帶II有4篇、黃土丘陵農業-草地關鍵帶III有21篇、黃土丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV有22篇、高寒灌叢-草地關鍵帶有1篇、風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶VIII有3篇,共59篇文獻納入到本研究(圖1)。Engauge Digitizer軟件用于扣取散點圖、箱圖和條形圖中的數據,年徑流和產沙通過生長季內所有降雨事件對應的徑流和產沙求和,年徑流量與年降雨量的比值計算年徑流系數,獲取了1121條年徑流產沙數據。

1.2 數據處理與統計分析

1.2.1空間分異探測

地理分異探測是有效探測空間分異性,以及揭示其背后驅動力的一組統計學方法,如分層地理分異探測軟件GeoDetector[25- 26]。本文采用GeoDetector軟件的3個探測器檢驗土地利用與關鍵帶類型年徑流和產沙關系的地理空間分層分異及其影響因子的識別。詳細過程如下：

分異及因子探測是探測Y的空間分異性；以及探測某因子X多大程度上解釋了屬性Y的空間分異。用q值度量,表達式為：

q值的一個簡單變換滿足非中心F分布：

交互作用探測識別不同風險因子Xs之間的交互作用,即評估因子X1和X2共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的解釋力,或這些因子對Y的影響是相互獨立的。評估的方法是首先分別計算兩種因子X1和X2對Y的q值：q(X1)和q(X2),并且計算它們交互時的q值：q(X1∩X2),并對q(X1)、q(X2)與q(X1∩X2)進行比較。探討這些因素對年徑流產沙的影響和解釋強弱差異以及與關鍵帶類型的交互作用類型。

生態探測用于比較兩因子X1和X2對屬性Y的空間分布的影響是否有顯著的差異,以F統計量來衡量：

式中：NX1及NX2分別表示兩個因子X1和X2的樣本量；SSWX1和SSWX2分別表示由X1和X2形成的分層的層內方差之和；L1和L2分別表示變量X1和X2分層數目。其中零假設H0：SSWX1=SSWX2。如果在α=0.05的顯著水平上拒絕H0,這表明兩因子X1和X2對屬性Y的空間分布的影響存在顯著的差異。

1.2.2統計分析

將徑流和產沙數據都變換為統一的單位,徑流單位為mm,產沙單位為g/m2。土地利用類型包括人工草地(Artificial grassland, AG)、自然草地(Natural grassland, NG)、林地(Forest, F)、灌叢(Shrubland, S)、耕地(Cropland, C)、撂荒地(Abandoned land, AL)、裸地(Bareland, B)[14,17,20]。將徑流小區面積、坡長和坡度特征作為協變量,根據土地利用類型與關鍵帶類型對年徑流量、年徑流系數和年產沙量進行描述性統計,并對原始數據Box-Cox正態變換和正態性檢驗,通過單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(Tukey′s HSD)研究徑流小區和關鍵帶類型對年徑流產沙的影響,以及單一土地利用的年徑流產沙在各關鍵帶類型的差異性,箱圖中不同的小寫字母代表在0.05水平上存在顯著性差異。數據變換、統計分析和圖在R和ArcGIS 10.3軟件制作。

2 結果與分析

2.1 土地利用對年徑流產沙的影響

考慮徑流小區的面積、坡長、坡度和降雨作為協變量的方差分析顯示,土地利用是影響黃土高原坡面水土流失的重要因素(圖2)。撂荒地、裸地和耕地年均徑流量顯著高于人工草地、自然草地、灌叢和林地(P<0.05),撂荒地的年均徑流量最高為35.99 mm,灌叢和林地的年均徑流量都較低。撂荒地、裸地的年均徑流系數顯著高于人工草地、自然草地、灌叢和林地,撂荒地最高為20.23%,耕地年均徑流系數也較高為6.29% (P<0.05)。同時,林地與灌叢的年均產沙量分別為149.99 g/m2和559.75 g/m2,顯著低于人工和自然草地,而撂荒地、裸地和耕地的年均產沙量較高,分別為4208.82 g/m2、3036.88 g/m2和1178.35 g/m2,且裸地顯著高于耕地(P<0.05)。

圖2 徑流小區土地利用類型對年徑流產沙的影響Fig.2 The effect of land use types at the runoff plots on annual runoff and sediment yieldAG:人工草地 Artificial grassland; AL:撂荒地 Abandoned land; B:裸地 Bareland; C:耕地 Cropland; F:林地 Forest; NG:自然草地 Natural grassland; S:灌叢 Shrubland

2.2 年徑流產沙及其與土地利用關聯關系的關鍵帶類型差異

沖積平原農業關鍵帶II的年均徑流量最高為20.24 mm,山地森林關鍵帶I的年均徑流量和徑流系數最低分別為3.94 mm和0.90%,丘陵農業-草地關鍵帶III與丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的年均徑流量介于沖積平原農業關鍵帶II和山地森林關鍵帶I之間(圖3)。年均徑流系數沿著沖積平原農業關鍵帶II、丘陵農業-草地關鍵帶III、丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV和高寒灌叢-草地關鍵帶VII呈顯著增加趨勢,高寒灌叢-草地關鍵帶VII最高為16.90% (P<0.05) (圖3)。丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的年均產沙量最高為1289.19 g/m2,高寒灌叢-草地關鍵帶VII的年均產沙量最低為257.28 g/m2,丘陵農業-草地關鍵帶III和高寒灌叢-草地關鍵帶VII的年均產沙量顯著低于山地森林關鍵帶I、沖積平原農業關鍵帶II、丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV、風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶VIII (P<0.05) (圖3)。

圖3 關鍵帶類型下年徑流產沙特征Fig.3 Characteristics of annual runoff and sediment yield under critical zones

除了撂荒地的年均產沙量在山地森林關鍵帶I(最高為16240.40 g/m2)顯著高于丘陵農業-草地關鍵帶III和風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶VIII外,丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的撂荒地年均徑流量、徑流系數和產沙量都顯著高于其他關鍵帶類型,分別為36.71 mm、28.7%和2576.42 g/m2(P<0.05) (圖4)。各關鍵帶類型的裸地水土流失都較高,丘陵農業-草地關鍵帶III的年均徑流量和產沙量最高分別為48.81 mm和4163.78 g/m2,而山地森林關鍵帶I的裸地年均徑流量和徑流系數最低分別為15.03 mm和4.10%,裸地年均徑流系數在丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV最高為35.88%,在高寒灌叢-草地關鍵帶VII最低為454.72 g/m2(P<0.05) (圖4)。丘陵農業-草地關鍵帶III、丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的耕地年均徑流量、徑流系數和產沙量都較高,丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的耕地年均徑流量和徑流系數最高分別為18.77 mm和35.88%,而沖積平原農業關鍵帶II的耕地年均徑流量和徑流系數較高,其年均產沙量最低為539.95 g/m2(P<0.05)。風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶VIII的耕地年均徑流產沙較高,其年均產沙量最高為2126.00 g/m2,山地森林關鍵帶I的耕地年均徑流量和徑流系數最低分別為6.34 mm和4.10% (P<0.05) (圖4)。

圖4 關鍵帶類型下撂荒地、裸地和耕地的年徑流產沙特征Fig.4 Characteristics of annual runoff and sediment yield of abandoned land, bareland and cropland under critical zones

人工草地、自然草地、灌叢和林地有利于土壤保持,但是具有明顯的關鍵帶類型分異(圖5)。高寒灌叢-草地關鍵帶VII的人工草地年均徑流量和徑流系數較高分別為16.46 mm和15.61%,但是其年均產沙最低為302.20 g/m2,沖積平原農業關鍵帶II的人工草地年均徑流量和徑流系數最低分別為10.37 mm和2.40%,而人工草地年均徑流系數在丘陵農業-草地關鍵帶III顯著高于其余關鍵帶類型,人工草地年均產沙量在丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV最高為2549.94 g/m2,且顯著高于其他關鍵帶類型(P<0.05) (圖5)。高寒灌叢-草地關鍵帶VII的自然草地年均徑流量和徑流系數都最高分別為18.33 mm和17.09%,其年均產沙量也較高,而丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的自然草地年均徑流量最低為6.90 mm,丘陵農業-草地關鍵帶III的自然草地年均徑流系數顯著高于丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV,山地森林關鍵帶I的自然草地年均徑流系數和產沙量最低分別為3.33%和35.18 g/m2,風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶VIII的自然草地年均產沙量最高為233.00 g/m2(圖5)。丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的灌叢年均徑流量和產沙量最高分別為10.47 mm和283.62 g/m2,顯著高于其他關鍵帶類型,而山地森林關鍵帶I的灌叢年均徑流系數和產沙量最低分別為1.84%和3.12 g/m2,高寒灌叢-草地關鍵帶VII的灌叢年均徑流系數最高為11.40% (圖5)。山地森林關鍵帶I的林地年均徑流量、徑流系數和產沙量最低分別為1.56 mm、0.41%和307.36 g/m2,而林地年均徑流量和徑流系數在丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV和丘陵農業-草地關鍵帶III顯著高于其他關鍵帶類型,丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶IV的林地年均產沙顯著高于其他關鍵帶類型(P<0.05) (圖5)。

圖5 關鍵帶類型下人工草地、自然草地、灌叢和林地的年徑流產沙特征Fig.5 Characteristics of annual runoff and sediment yield of artificial grassland, natural grassland, shrubland and forest under critical zones

2.3 年徑流產沙的關鍵帶類型分異探測及其影響因子

年徑流量、徑流系數和產沙量的關鍵帶類型空間分異顯著,其中土地利用顯著影響年徑流量,土地利用和坡度對年徑流系數也有顯著影響,土地利用、小區面積、坡長和坡度是年均產沙量的重要影響因子(P<0.05) (表1)。

表1 關鍵帶類型下年徑流產沙的分異及其因子探測

在年徑流產沙地理分異解釋中關鍵帶類型與土地利用、徑流小區特征(面積、坡長和坡度)對年徑流產沙的解釋都呈現出非線性增強關系,面積和土地利用呈現雙因子增強關系影響年徑流量和徑流系數,這些因子在關鍵帶類型解釋年徑流產沙的地理分異時存在非線性作用關系,且考慮多種因素更有利于解釋其空間分異,說明年徑流產沙地理分異解釋具有明顯的復雜性(表2)。

表2 關鍵帶類型下年徑流產沙的因子交互作用類型

生態探測結果表明土地利用、面積、坡長和坡度對年徑流產沙影響顯著高于關鍵帶類型的影響,說明徑流小區樣地特征是影響年徑流產沙的首要要素,其次是關鍵帶類型對年徑流產沙空間分異的影響,即局地因素比地理分異特征對徑流小區產流產沙的影響更顯著(表3)。

表3 關鍵帶類型下年徑流產沙的生態探測

3 討論

覆有林、灌和草的土地利用比其他土地利用類型更有利于水土保持。在全球范圍內,林地在微型小區和標準小區的年均徑流系數最高,而草地在微型小區的年均徑流系數最低；休耕地在標準小區尺度的年均徑流系數最低,林地、灌叢和草地的年均產沙量顯著低于耕地、休耕地或撂荒地,而休耕地的年均產沙量最高(4299.10 g/m2)[19- 20]。中西歐地區徑流小區觀測顯示(半)自然植被覆蓋的年均徑流系數和產沙量最低,其他土地利用類型的年均徑流系數和產沙量從低到高依次為休耕地、耕地和裸地,黃土高原的撂荒地、裸地和耕地年均徑流量顯著高于中西歐[14]。在濕潤熱帶區域林地的年均產沙量最低(10.7 g/m2),其他土地利用類型從低到高的順序是灌叢、草地、耕地和裸地[15]。由于植被稀疏、疏松土壤、缺乏地膜覆蓋等因素使撂荒地有較高的年徑流產量,黃土高原撂荒地的年均徑流系數(約20%)顯著高于全球樣地尺度休耕地的年均徑流系數(15.7%),這證實了未管理的撂荒地不利于水分的保持[20,27-28]。盡管撂荒地是通過自然演替來恢復生態功能和保護生物多樣性的土地利用類型[29-31],但是未管理和早期恢復階段的撂荒地有較高的年產沙量,甚至超過耕地的年產沙量[14,20,27-28]。本研究也發現黃土高原人工草地、林地、自然草地和灌叢的年徑流量和產沙量顯著低于其他土地利用類型,且早期撂荒地、耕地和裸地不利于土壤保持。

由于整合數據的土地利用類型在各關鍵帶類型分布不均,本研究僅揭示了年徑流產沙在部分關鍵帶類型的差異,且與土地利用類型密切相關,也間接驗證了黃土高原關鍵帶類型分類的合理性。氣候、地貌、植被和土壤等因素的長期演化反映了不同的關鍵帶類型特征和關鍵過程,沖積平原農業關鍵帶、丘陵農業-草地關鍵帶、丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶和風沙丘陵荒漠-草地關鍵帶與由東南向西北的植被、生態地理分區有較好的一致性[32-33]。土地利用類型與徑流產沙關系的關鍵帶類型分異受植被覆蓋和地形影響顯著,丘陵農業-草地關鍵帶和丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶主要分布于黃土高原典型的黃土丘陵溝壑和黃土塬區域,其地形陡峭和黃土集中分布,使這兩類關鍵帶類型各土地利用類型具有較高的徑流量和產沙量,特別是耕地和裸地,植被缺乏的裸地和撂荒地在各關鍵帶類型的水土流失都較高,山地森林關鍵帶高的植被覆蓋使林地、灌叢和草地有利于水源涵養和土壤保持[34-37]。黃土高原植被恢復后水供給和土壤保持之間存在顯著的權衡,特別是山地森林關鍵帶的灌叢和林地,而自然草地是平衡水供給和土壤保持最優的土地利用類型,與本研究中各關鍵帶類型的自然草地徑流泥沙研究結果一致[38-40]。由于氣候(如年均降雨和年均溫)、試驗觀測的空間尺度(如微型小區、標準小區和流域等)的空間異質性決定了區域和全球尺度年徑流產沙的空間分異[41]。黃土高原的黃土分布最廣、厚度最深、侵蝕性最強[42],復雜的黃土地貌[43],大量水土保持措施和生態恢復工程的實施使黃土高原成為植被恢復最為明顯的區域,顯著減少了水土流失[44-45]。而徑流小區背景特征是定量解釋土地利用類型對徑流和產沙效應的重要因素,如徑流小區土壤、小區面積、坡長、坡度和降雨特征等[46-48],土地利用和徑流小區局地特征直接決定土壤抗侵蝕性的空間異質性,從而影響水土保持效益的空間分異,且各因素不是單一起作用或線性作用,而是多個因子聯合或非線性關系才能解釋區域以植被恢復為主管理措施對徑流和產沙的空間分異[49-50]。因此在研究基于試驗觀測徑流產沙的空間分異時需要更加綜合的研究方法,如結構方程模型[51]和多種模型集成分析[52-53]。

4 結論

通過整合黃土高原近20年野外徑流實驗小區的個案研究,對黃土高原土地利用與年徑流產沙關系的關鍵帶類型分異及其影響因素進行了探討,為黃土高原區域水土保持措施實施與管理提供支撐。得出如下結論：

(1)人工草地、林地、自然草地和灌叢可以有效減少徑流和保持土壤,早期撂荒地、裸地和耕地不利于水土保持。

(2)灌叢、林地、自然草地在山地森林關鍵帶有利于水土保持,而丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶僅有自然草地的水土保持效果較好,自然草地和人工草地在高寒灌叢-草地關鍵帶有利于徑流供給和保持土壤,撂荒地、裸地和耕地在丘陵農業-草地關鍵帶和丘陵溝壑農林草交錯關鍵帶最不利于水土保持。

(3)以關鍵帶類型作為分層因子的地理分異探測表明坡面徑流小區的土地利用、面積、坡度、坡長等局地特征是影響徑流產沙空間分異的首要因素,且在解釋年徑流產沙的關鍵帶類型分異時呈現多因子互作、非線性增強的關系。