茵陳蒿群落分布格局對坡面產流產沙的影響*

王玉霞,劉國彬,2,王國梁,2,袁子成,曲秋玲,張昌勝

（1.西北農林科技大學,陜西楊陵 712100;2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊陵 712100）

黃土丘陵區是中國乃至全球水土流失最嚴重的地區之一[1-2],降水和植被是影響該區水土流失的重要因子。關于植被防止土壤侵蝕的機理問題,許多學者進行了卓有成效的研究[3-9],而對不同植被搭配組合及植被與裸地斑塊的組合對影響水土流失效益的研究相對較少。坡面植被與裸地斑塊的不同組合,使得降雨等外營力對坡面地形及其下墊面狀況的作用發生改變,從而使得坡面產流產沙特征產生差異。Valentin等人[10]研究表明,帶狀格局下的生物量往往高于點狀或單一散亂分布格局,植被條帶成為自然屏障更好地限制了土壤侵蝕。模型模擬顯示,裸地表面和稠密植被格局都可以演替發展成帶狀格局。J.A.Ludwig等人[11]的研究表明,條紋狀和線狀灌木地的鑲嵌格局比點狀鑲嵌格局截流的能力高8%。游珍等人[12]通過模擬降雨試驗證明植被在坡面不同位置配置格局具有不同的水保效應。由此可見,裸地與植被鑲嵌構筑成水土流失的源-匯格局,合理的設計植被空間分布格局,可以保持水分、養分和植物種子,有利于植被的生長,進一步增強水土流失控制能力,加速植被恢復,改善生態環境。本文基于野外模擬降雨實驗,探討茵陳蒿群落分布格局對坡面產流產沙特征的影響,旨在為黃土高原植被恢復重建和植被結構優化配置提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗布設在中國科學院安塞水土保持綜合試驗站,位于陜西省安塞縣(東經 108°51′44″-109°26′18″,北緯 36°30′45″-37°39′31″),屬黃土高原丘陵溝壑區。該區屬大陸性半干旱季風氣候,年日照時數2 415.5 h,輻射總量480.06 kJ/cm2,平均氣溫 8.8℃,≥10℃活動積溫3 177.4℃;降水分布不均勻,雨量多集中在7-9月;多年平均降水量492.4 mm,年蒸發量1 645.4 mm。本區地形主要為梁峁狀黃土丘陵,溝谷發育,土壤侵蝕作用十分強烈。土壤母質為典型的黃綿土,保水性差,疏松易碎,易受水蝕和風蝕。該區退耕地上先鋒植物群落主要有茵陳蒿(Artemisiacapillaries)群落、狗尾草(Setaria yiridis(1.)beauv)群落和阿爾泰狗哇花(Asteraltaicus)群落等。

1.2 試驗設計

1.2.1 模擬降雨裝置 野外模擬降雨采用中國科學院水利部水土保持研究所研制的組合側噴式人工降雨裝置。降雨器由噴頭體、降雨支架、進水出水體、壓力表等部分組成。更換不同直徑的孔板,調整壓力表讀數,可獲得不同的降雨強度。噴頭體安裝在由三角架固定的降雨支架頂端,支架高5 m,噴頭出水高度為1.5 m,使降雨雨滴終點速度近似天然降雨的速度,降雨均勻系數均能達到85%以上。

1.2.2 試驗小區 在野外人工模擬試驗徑流場內(建于2003年)選取3個具有代表性的小區,小區面積8.5 m×2.5 m,坡度均為15°,坡向、坡長相同,填充土壤均為同一黃綿土。按圖1所示,于春季在相應斑塊上種植茵陳蒿。降雨前對茵陳蒿群落進行調查表明,群落內主要伴生植物有紫花苜蓿(Medicago sativa L)、草木犀(Mmelilotus of f icinalis)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)、狗尾草(Setaria yiridis(1.)beauv)、茭蒿(Artemisia giraldiivulgaris)、艾蒿(Artemisia giraldii(vulgaris))、野蔥(Allium lolidum)等。一般認為植被對土壤侵蝕作用的臨界面積在50%以上[13-14],為表現出比較明顯的差異,本試驗中有植被面積占總面積的50%(見圖1)。試驗前用數碼相機對試驗小區不同位置垂直拍照,利用軟件分析照片以確定其植被蓋度。對蓋度不同的植被斑塊,貼地面剪除部分植被以控制相應植被斑塊蓋度基本相同。

圖1 試驗小區茵陳蒿群落分布格局圖

1.2.3 試驗處理 本實驗設計2個植被格局,同時設置裸地為對照,各個處理設置三次降雨侵蝕演替過程和三次重復,雨強設為2.0 mm/min,降雨歷時為60 min。降雨時在小區均勻布設8個率定桶測定降雨量及降雨均勻系數。為降低自然因素的影響,降雨時間段選擇在4:00-8:00進行。各小區次降雨間隔根據實際情況調整,控制土壤前期含水量基本保持一致。遇自然降雨時及時遮蓋測定小區,之后充分晾曬再進行人工降雨。降雨開始后即計時,記錄開始產流時間;產流發生后,在產流前16 min內每間隔1 min收集徑流樣,以后每間隔2 min收集徑流樣;降雨結束后,記錄結束產流時間,用稱重法測定徑流量,待泥沙沉淀后取徑流水樣。倒掉上層清水用洗耳球吸干水放置陰涼處自然風干,待水分完全蒸發后稱重測定泥沙含量。按時間段選取泥沙樣帶回實驗室供養分分析。降雨試驗于2009年6月份開始。

2 結果與分析

2.1 兩種格局下產流特征比較

圖2表明,同一雨強和降雨歷時(2.43 mm/min,1 h)下,有植被小區(格局B和格局C)開始產流時間和延后時間均大于裸地,說明坡面植被可顯著影響坡面產流過程。圖3中裸地、格局C、格局B徑流量分別為 1 293.58 kg、1 170.24 kg和1 103.75 kg,相比裸地小區,格局B、C減流效應均顯著(p＜0.05),分別減少徑流量14.7%和9.5%。不同格局坡面產流速率隨時間變化呈相同規律(圖4),產流初期徑流速率劇增,僅在8～10 min內接近最高值的85%,隨時間延續徑流速率增幅減小逐漸趨于穩定。開始產流10 min內,產流速率表現為CK＞格局C＞格局B。不同格局坡面產流速率與降雨歷時呈對數函數關系(表1)。

圖2 不同格局坡面產流和延后時間變化

圖3 不同植被格局坡面產流總量變化

圖4 不同植被格局下產流速率與降雨歷時的關系

兩種格局的坡面產流過程差異顯著(p＜0.05),格局B開始產流時間和延后時間分別為50 s和125 s,大于格局C 43 s和116 s,而產流量小于格局C。整個產流過程中格局B的平均徑流速率較穩定,產流后13 min達到穩定速率為28.37 L/min,格局C產流后10 min達穩定速率31.23 L/min。格局B、C的累計產流量與降雨歷時擬合方程(表1)分別為 QW=29.786t-86.307(R2=0.999,p＜0.01)、QW=30.755t+67.301(R2=0.999,p ＜0.01),格局B的斜率與截距均小于格局C,可見小斑塊格局B具有更佳減流蓄流效應。原因在于,降雨前各小區表土初始含水量控制在同一水平且很低,土壤吸力較大,故降雨初期各小區的土壤入滲率差別不大,徑流速率差異較小,隨時間延續,表土水分飽和,入滲率減小,徑流速率和產流量的差異取決于坡面植被不同分布。坡面植被截留降雨,消減雨滴動能,阻攔徑流,同時可分散或消除上方襲來的股流,增加坡面徑流運動阻力,削弱徑流侵蝕力。而小斑塊(格局B)植被破碎化程度高于大斑塊(格局C),植被在坡面分布較分散,坡面水流被層層阻攔分散,減緩流速延長流程,入滲幾率加大,故而格局B的產流時間、延后時間,累計產流量以及穩定產流速率均小于大斑塊格局C。

2.2 兩種格局下侵蝕產沙特征比較

圖5表明,同一雨強和降雨歷時(2.43 mm/min,1 h)下,裸地產沙量最大,為36.95 kg,有植被小區(格局B和格局C)產沙量分別為23.59 kg、13.35 kg。與對照相比,格局B、C減沙量分別為36.14%和63.86%,減沙效益極其顯著(p＜0.01)。圖6可知,坡面產沙并不平穩,整個降雨歷程中根據含沙量變率的大小可將侵蝕產沙過程分為降雨初期0～20 min的含沙量高強度變化期、20～45 min的微弱變化期和45～60 min含沙量穩定期三個階段。徑流泥沙含量總體呈現下降趨勢,這與吳欽孝[15]、李勉[16]等在室內、野外研究結果相似,產流初期含沙量較高,裸地為0.046 kg/L,格局B為0.039 kg/L,格局C為0.026 kg/L;隨產流的持續,各格局徑流含沙量逐漸降低,之后維持在較低的水平。其原因在于徑流選擇性搬運細顆粒,降雨初期可被徑流搬運的細顆粒土壤較多,隨降雨歷時的延長細顆粒土壤減少,到后期主要因雨滴打擊剝離分散土壤大團聚體,而在大團聚體被剝離分散的瞬間會有相對較多的泥沙隨徑流流失,因此含沙量曲線圖雖達到穩定但仍有一定程度波動。不同植被格局含沙量隨降雨歷時變化符合指數函數方程(表1)。

圖7表明,不同格局下坡面累計產沙量都有隨降雨歷時延長先增加后減少趨勢,其可能與坡面細溝侵蝕發生過程有關。整個降雨過程中各格局累計產沙增幅表現為CK＞格局B＞格局C,不同植被格局下的累計產沙量隨著時間的變化可以用二次函數表示。

圖5 不同植被格局的產沙總量對比

圖6 不同植被格局下徑流含沙量隨降雨歷時變化趨勢

許多學者認為產沙量隨著徑流量變化而變化[16-17],而本試驗中產沙量與徑流量不成正比。由前面分析可知大斑塊格局C的徑流量大于小斑塊格局B的徑流量,而圖5-7顯示格局B的產沙量和泥沙濃度均大于格局C,且格局B的累計產沙量增幅也高于格局C。其一可說明格局C相比格局B具有更佳的減沙效益;其二是由于格局B、C坡下部植被密度差異較大。一般認為[11],坡下植被減沙作用強于坡中、坡上植被。坡下部植被不但通過自身機械作用阻擋泥沙流失,還可以通過泥沙沉積改變坡面地貌形態,減緩坡度從而減少土壤侵蝕。本實驗中兩種格局的植被總面積總蓋度基本相同,但受自然條件的影響,格局C坡下植被生長旺盛,植被密度大于格局B,因而格局C比格局B具有更好攔截泥沙作用。

圖7 不同植被格局下坡面累計產沙隨降雨歷時變化

表1 不同植被格局下產流產沙特征與降雨歷時的關系

2.3 兩種格局坡面徑流量與產沙量的關系

坡面侵蝕過程中產流與產沙的動態變化可通過累計徑流量與累計產沙量的相關關系來反映,通過回歸分析可知累計產沙量與累計徑流量符合二次函數關系(表2),二者相關關系曲線呈拋物線型,即隨著徑流量的增加,累計產沙量先增大后減少。

對表2中不同植被格局經驗方程進行分析,在2.43 mm/h雨強下有植被(格局B、C)小區具有顯著減沙效益(p＜0.01),且格局 C的 b0系數-8.5E-6,即曲線斜率小于格局 B的斜率-1.8E-5。說明格局C比格局B對泥沙的攔截效果高于對徑流的攔蓄效果。表2中三個模擬二次方程均很好解釋土壤侵蝕過程中泥沙隨坡面徑流的變化過程,產流初期坡面水流動能小,沖刷力微弱,僅攜帶表土松散微顆粒物;隨徑流量和流速的不斷增加,水流沖刷能力增大,引起土壤的崩塌、分散和搬移使得徑流含沙量增大,隨之累計產沙量上升;當地表逐漸飽和,坡面水流挾沙量飽和,累計泥沙量達到極大值;此后,盡管徑流還是繼續攜帶泥沙,但坡面水層緩沖雨滴對地表的擊濺分散,一定程度上消減了徑流攜沙,故而累計產沙量逐漸下降。

表2 不同植被格局下累計產沙量與累計產流量的關系

3 結論

(1)在2.43 mm/min雨強下,相同蓋度的茵陳蒿群落不同分布格局產流具有差異性。開始產流和延后時間表現為:格局B＞格局C＞裸地;產流特征曲線表明:兩種格局坡面產流速率隨時間增加而遞增,遞增速率漸小并維持在最大值。產流速率與降雨歷時呈對數顯著相關;不同格局坡面產流量為:裸地＞格局C＞格局B,格局B具有更佳的蓄流減流效應;累計徑流量與降雨歷時呈非常顯著的線性相關(p＜0.01),相關系數達到99%以上。

(2)在降雨和土壤條件相對一致的條件下,不同格局的侵蝕產沙量差異明顯,裸地產沙量最大,格局B次之,格局C產沙量最小,格局B和C減沙量分別為36.14%、63.86%;徑流含沙量隨降雨歷時總體呈下降趨勢,根據含沙量變率的大小可分為含沙量高強度變化期、微弱變化期和含沙量穩定期三個階段。不同格局累計產沙量隨降雨歷時先增大后減小,二者呈二次函數相關。

(3)茵陳蒿不同分布格局的坡面累計產流和累計產沙動態變化不完全一致,累計徑流量與累計產沙量的關系可用多項式表示,相關曲線為拋物線型,即產流初期累計產沙量隨徑流量增加而增加,隨降雨歷時延續產沙量減小。同一雨強下格局B、C具有顯著的減沙效益,大斑塊格局C比小斑塊格局B對泥沙的攔截效果高于對徑流的攔蓄效果。

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