USLE/RUSLE模型中植被因子變化特征及其影響因素

廖義善,卓慕寧,謝金波,韋高玲,郭太龍,謝真越,李定強,*

1 廣東省生態環境與土壤研究所,廣東省農業環境綜合治理重點實驗室, 廣州 510650 2 中山大學地理科學與規劃學院, 廣州 510275 3 廣東省五華縣水土保持試驗推廣站, 梅州 514471

USLE/RUSLE模型中植被因子變化特征及其影響因素

廖義善1,2,卓慕寧1,謝金波3,韋高玲1,郭太龍1,謝真越1,李定強1,*

1 廣東省生態環境與土壤研究所,廣東省農業環境綜合治理重點實驗室, 廣州 510650 2 中山大學地理科學與規劃學院, 廣州 510275 3 廣東省五華縣水土保持試驗推廣站, 梅州 514471

植被因子是USLE/RUSLE模型中最重要的影響因子,其數值變化特征及其影響因素廣受關注。以廣東省五華縣源坑水小流域2011—2013年的徑流小區次降雨水沙觀測數據為基礎,分析了徑流小區C值在不同時間尺度的變化特征及其受降雨、植被類型的影響。研究表明：(1)不同時段間C值存在一定波動,其中旱季的C值均大于雨季,夏秋兩季的C值較大,且較為接近。各徑流小區的C值普遍存在11、8、7月較大,6、5、1月較小的現象,且草本植物C值受植被覆蓋度影響較大。(2)降雨量與徑流小區C值呈正相關關系,桉樹、松樹、糖蜜草徑流小區C值與次降雨量、各降雨量區間平均值的相關系數分別為0.360**、0.349**、0.291**,0.912*、0.909*、0.822,相較于草本植物,木本植物的C值受降雨影響更大,僅以植被蓋度衡量C值有待商榷。(3)相較裸土小區,桉樹、松樹、糖蜜草小區2011—2013年的土壤流失減幅分別為14.2%、21.5%、23.2%,其C值分別為0.814、0.748、0.772,3種植物中糖蜜草與松樹均具有相對較好的水保效益,桉樹的水保效益稍遜。

植物因子；侵蝕量；影響因素；時間變化

植被莖葉可以削弱雨滴的能量,其根系也可耗散降水徑流的侵蝕能量[1],植被覆蓋對降低土壤侵蝕量具有重要意義[2- 5]。在現今使用最為廣泛的土壤流失方程(USLE)和修正通用土壤流失方程(RUSLE)中均采用植被覆蓋與管理因子[5- 6](簡稱C因子),定量表達植物對土壤侵蝕的影響,其值介于0—1之間, 其值越大土壤侵蝕越嚴重[7- 8]。C因子是USLE/RUSLE模型中最重要的影響因子,依據其的定量描述,可人為控制土壤侵蝕[9]。對C因子的研究源于20世紀50年代的美國[7],而我國C因子研究始于20世紀80年代[10],相關學者在植被蓋度與C因子數值關系式[11- 13]、不同作物及管理措施下的C因子數值變化[14]、流域及區域尺度的C因子估算[15]以及C因子與遙感影像波段關系式[16- 17]等方面做了大量而富有成效的研究。但現有C因子數值(簡稱C值)研究多關注于農作物不同生育階段的植被覆蓋度差異對C因子的影響[18- 19],而華南紅壤區多常綠木本植物,其植被蓋度季節性變化較小、林下雨濺蝕作用依然較強,其影響C值變化的主導因素(植被蓋度或降雨)可能與農作物有所不同。而當前關于自然生植物C值變化,特別是降雨對C值的影響研究還較少。此外,以往研究多依據C因子的定義計算C值,忽略了不同植被或耕作條件下土壤K因子的差異[18]。當前華南紅壤區植被類型、植被蓋度、降雨及土壤交互影響下的C因子變化情況尚不明確。為此,筆者利用2011年1月—2013年12月的野外徑流小區水沙觀測數據,對華南紅壤區幾種常見植物的C值變化及其影響因素進行了相關研究,以期為相關植物水保效益綜合評價提供參考。

1 研究區域

研究區位于韓江上游,廣東省五華縣境內,地屬亞熱帶海洋季風氣候區,臺風多,降雨量大且集中。多年平均日照時數為1969 h,平均氣溫20.5 ℃,無霜期315 d,多年平均降雨量1450 mm,年蒸發量1016 mm。區域地貌以低山丘陵為主,地形復雜多樣,溝壑密布,相對高程50—200 m。區域內普遍存在深厚的花崗巖風化殼,一般可達數米、數十米,甚至百米,土壤主要為花崗巖風化發育的亞熱帶性紅壤,含沙量較高,pH值為4.5—6之間,土壤結構松散,抗沖、抗蝕性均較差,絕大部分表土已被蝕去。地表植物主要有馬尾松、桉樹、桃金娘、芒萁、蔗鴣草等。山腳、溝谷等水分條件較好的地方有木荷、黎索、樟樹等分布,覆蓋度一般在10%—30%,少數陰坡植被覆蓋度可達60%—80%。

2 研究方法

2.1 徑流泥沙測算

研究區內崩崗發育活躍,坡面坡度普遍較大。五華縣水土保持試驗推廣站在五華縣華城鎮源坑水小流域布設有坡度為30°的水土保持試驗徑流小區(表1),經測定裸土坡面僅有零星雜草生長,植被蓋度在10%以下；桉樹、松樹的植被覆蓋率均為40%；糖蜜草、木荷的植被覆蓋度為60%(由于糖蜜草、木荷小區建設之初,植被覆蓋以糖蜜草為主,以下均簡稱糖蜜草小區)。小區降雨徑流及泥沙采用水泥澆筑的固定徑流桶進行收集,每次降雨過后讀取每個徑流桶中的水沙體積,然后用鐵鍬將徑流桶中的水沙充分攪勻,再分別用容量為1 L的塑料瓶采集每個徑流桶中攪拌均勻的泥沙水樣,并在采樣后將徑流桶的水沙排盡,準備收集下一次降雨的小區地表徑流。將采集的水樣帶回實驗室稱重后,將水樣靜置,去除上層清水,將沉淀泥沙移至鋁盒,并放至烘箱,在105 ℃條件下將泥沙烘干6—8 h后,稱量獲得1 L泥沙水樣中所含泥沙重量,再通過徑流桶中的水沙體積,換算出每個徑流小區單次降雨所產生的泥沙總量。本研究對徑流小區的監測時段為2011年1月—2013年12月。

表1 徑流小區概況

*桉樹小區建設時布設植物為桉樹和松樹,后由于物種競爭,在本監測時段基本僅剩下桉樹

2.2K因子測定

徑流小區在建設之初,同一坡面的土壤K因子也許可視為一致,但其上經過數年的植被生長,其K因子可能會發生變化。故本研究在計算C值時考慮了土壤K因子的差異,采用Williams等人在EPIC(Erosion-Productivity Impact Calculator)模型中發展的土壤可蝕性因子K值估算方法[20],測算各徑流小區的土壤K值。其計算公式為：

(1)

式中,K為土壤可蝕性因子；Sa為砂粒含量(2—0.05 mm)(%)；Si為粉砂含量(0.05—0.002 mm)(%)；Cl為粘粒含量(<0.002 mm)(%)；C為有機碳含量(%)；Sn=1-Sa/100,式中各參數均采取實測方法確定。

表2 徑流小區土壤粒徑組成及K因子值

2.3C值計算

根據USLE方程的定義,C值為有植被覆蓋或實施田間管理的土壤流失量與同等條件下清耕休閑地上的土壤流失量之比(式2)。而實際情況由于植被覆蓋和管理措施的差異,各徑流小區的土壤K因子數值未必相同。因而本研究采用USLE模型比值法(式3),求取各徑流小區的C值。本研究中所有徑流小區的SL、P值均一致,此外在同一地點相同時間段內各徑流小區的R因子也近似一致,裸土坡面徑流小區,其C裸露值可近似為1。因而(式3)可簡化、變換為(式4),基于2011年1月—2013年12月的次降雨水沙監測數據,將不同時段的土壤流失量監測數據及徑流小區K因子值代入(式4),可計算出徑流小區不同時間尺度的C值。

(2)

(3)

(4)

式中,A為土壤流失量；R為降雨和徑流侵蝕因子；K為土壤可蝕性因子；SL為地形因子；C為植被覆蓋與管理因子；P為治理措施因子。

3 結果與分析

3.1C值季節變化

據公式4計算出各徑流小區2011年1月—2013年12月間春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12—2月)、雨季(4—10月)及旱季(11—3月)的C值見表3。

表3 各徑流小區C值季節變化

如表3所示,各徑流小區C值隨季節變化有所不同,其中桉樹、松樹小區為(C秋≈C夏)>(C春≈C冬),糖蜜草小區為C冬>(C夏≈C秋)>C春。各徑流小區中C夏與C秋數值較為相近,桉樹,松樹,糖蜜草夏秋兩季C值變幅分別為0.66%、2.27%、2.05%；桉樹、松樹小區中C春與C冬數值亦較為接近,二者變幅分別為6.59%、0.37%；而糖蜜草小區的C春與C冬數值相差較大,變幅為12.57%。所有小區均呈現C旱季>C雨季,桉樹、松樹、糖蜜草小區雨季與旱季的C值變幅分別為3.63%、8.03%、8.92%,其中桉樹的變幅最小,糖蜜草小區變幅最大。不同植物C值隨季節變化情況表明,夏秋兩季各徑流小區的C值均較為穩定,而春冬兩季木本植物C值較草本植物穩定,這可能主要受植被覆蓋變化影響。桉樹小區的C值受雨旱季節演替變化較小,表明桉樹具有一定的抗旱、抗澇性能,其水保效益受旱澇影響較小,可能適宜旱澇頻發區水土流失防護。

不同植物徑流小區間C值,在春、夏、秋三季均呈現C桉樹>C糖蜜草>C松樹,而在冬季卻表現為C糖蜜草>C桉樹>C松樹。糖蜜草在冬季枯萎是導致糖蜜草小區C值增大的關鍵因素,使得常綠性木本植物在冬季的水保效益要優于草本植物。不同植物間C值在春、夏、秋、冬的差異系數分別為0.07、0.03、0.05、0.10,在冬季各植物C值差異性最大,夏季差異性最小。在雨季和旱季的C值均呈現C桉樹>C糖蜜草>C松樹。松樹在一年四季中其C值均為最小,這可能與松樹為常綠喬木,四季植被覆蓋變化較小,且密厚的冠層及散落地表的針葉能有效減低雨滴的濺蝕有關。表明在華南紅壤區松樹是一種具有較好、較穩定水保效益的植物。

3.2C因子月份變化

圖1 C因子月均值Fig.1 Monthly mean of factor C value

圖1為2011年1月—2013年12月各植物徑流小區C因子月均值變化情況,其中桉樹小區為：C11>C8>C12>C4>C10>C7>C9>C5>C6>C2>C3>C1；松樹小區為：C11>C8>C7>C4>C9>C12>C2>C3>C6>C5>C1>C10；糖蜜草小區為：C2>C4>C11>C8>C7>C3>C6>C9>C12>C10>C5>C1。3種植物徑流小區C值月際變化趨勢較為一致,普遍存在11、8、7、4等月份C值較大,6、5、1等月份C值偏小的現象。由圖1所示,各徑流小區,特別是木本植物徑流小區C值月際變化趨勢與降雨變化趨勢較為近似。桉樹、松樹、糖蜜草徑流小區在各月份間的差異系數分別為0.11、0.10、0.14。在同等降雨條件下,不同植物的C值月際變化差異,可能與不同植物的月際植被覆蓋變化有關。木本植物特別是松樹,一年中植被覆蓋變化較小,而糖蜜草年內植被覆蓋變化較大,致使其C值差異系數最大。

在1月、2—4月、5—12月這3個時段的最大C值小區分別為松樹、糖蜜草、桉樹小區。其中1月為C松樹>C桉樹>C糖蜜草；2、3、4月為C糖蜜草>C桉樹>C松樹；5、6、8、9、10、11月的C因子月均值順序為C桉樹>C糖蜜草>C松樹；7、12月為C桉樹>C松樹>C糖蜜草。不同小區的C值變化可能受植被類型及降雨影響,2—4月糖蜜草處于從枯萎到萌芽的過程,該時段糖蜜草的植被蓋度亦為全年最小,使得在相同降雨條件下,該時段糖蜜草的C值為3種植物中最大。據調查2月份是糖蜜草植被覆蓋度最小的月份,如圖1所示,2月份糖蜜草C值為全年最大,表明了草本植物C值受植被覆蓋影響較大。而在同等降雨條件下,幾乎整個雨季桉樹小區的C值均為最大,表明桉樹C值可能受降雨影響較大,這可能也是桉樹小區較其它植物小區更易發生水土流失的原因。此外,經差異性統計分析發現,桉樹與松樹的C因子月均值差異顯著(P<0.05),而桉樹與糖蜜草、糖蜜草與松樹的C因子月均值差異不顯著(P>0.05),并非木本植物間的C值差異就比草木植物間C值的差異小,表明草本植物與木本植物C值是受植被蓋度、降雨、樹形及下墊面交互作用的結果,草本植物與木本植物株高差異的影響不占主導。

3.3C因子與降雨的關系

圖2 不同降雨區間的C值變化Fig.2 Factor C variation with different rainfall range

降雨是水土流失的主要外營力,其對C值大小具有重要影響[9]。將次降雨量與桉樹,松樹,糖蜜草小區的C值進行相關分析表明,其具有一定的相關關系,其相關系數分別為0.360**、0.349**、0.291**(n=131)。在次降雨時間尺度,其C因子值受植被覆蓋等因素影響的差異性較大,降雨量與C值的相關性可能受其影響。故將次降雨量劃分為10—20、20—30、30—40、40—50、>50 mm等5個降雨區間(據統計該徑流小區能產流的降雨量下限為10 mm),求取每個降雨區間的平均次降雨量。如圖2所示,各植被小區C值均隨降雨區間的增大而增大,在各降雨區間內,桉樹,松樹,糖蜜草的C值與其降雨區間內的平均次降雨量呈現較好的正相關關系,其相關系數分別為：0.912*、0.909*、0.822(n=5)。在不同降雨量區間內,植被覆蓋等影響因素此消彼長,其影響的差異性較次降雨尺度較小,降雨對C值的影響作用顯現,降雨量與C值的相關關系較次暴雨尺度有所增強。通過各植物C值與降雨的相關系數表明,與草本植物相比,木本植物的C值受降雨影響更大。這可能植物的植株高度有關,木本植物植株普遍較高,其林下雨滴的落差遠大于草下雨滴的落差,使得林下雨滴對地表的濺蝕力依然較大,并影響其C值大小。

3.4C因子與植被類型的關系

在一般情況下,植物在生長過程中隨著生長年限的增加,喬灌植物的生物量會有所增加,其植被覆蓋度也會相應的提高,其C值會相應下降。由表4可知,在2011—2013年間各徑流小區C值呈現如下變化：桉樹小區為C2011

由表4可知,2011年、2013年各徑流小區的C值呈現C桉樹>C糖蜜草>C松樹,2012年呈現C糖蜜草>C桉樹>C松樹。依據2011—2013年各小區的侵蝕模數及K值計算出桉樹、松樹及糖蜜草小區的C值分別為0.814、0.748、0.772。3年間松樹的C值均為最小,而松樹小區的植被覆蓋度與桉樹小區接近,且小于糖蜜草小區,可見僅用植被蓋度來衡量植物C值有待商榷。雖然3年間糖蜜草小區的C值均大于松樹小區,但期間各徑流小區侵蝕模數均呈現A桉樹>A松樹>A糖蜜草,這可能是由于K桉樹>K松樹>K糖蜜草造成的。可見植被對水土流失的影響不僅體現為截雨、消能,也體現在對土壤物理性質的影響上。此外,相較裸土小區,桉樹、松樹、糖蜜草小區的水土流失減幅分別為14.2%、21.5%、23.2%,均具備一定的水保效益。松樹及糖蜜草均具有相對較好的水保效益,桉樹略遜,應加強桉樹林的林下植被保護和恢復。

表4 各小區侵蝕模數及C值年際變化

4 結論

(1)各徑流小區C值隨季節變化有所不同,其中木本植物呈現(C秋≈C夏)>(C春≈C冬),草本植物呈現C冬>(C夏≈C秋)>C春,且均呈現C旱季>C雨季。

(2)在1月、2—4月、5—12月的3個時段的C值最大值徑流小區分別為松樹、糖蜜草、桉樹小區,各徑流小區間普遍存在11、8、7、4等月份C值較大,6、5、1等月份C值偏小的現象,相較木本植物,草本植物的C值受植被覆蓋影響更強。

(3)降雨對C值大小具有重要影響,各植被徑流小區C因子值均和降雨區間呈現較好的線性關系,且由于木本植物植株較高,林下雨滴的濺蝕作用依然較大,使得相較于草本植物,木本植物的C值受降雨影響更大些。

(4)3年間桉樹、松樹、糖蜜草小區的C值分別為0.814、0.748、0.772,但由于K桉樹>K松樹>K糖蜜草,小區間的侵蝕量仍呈現A桉樹>A松樹>A糖蜜草,植被對水土流失的影響不僅體現為截雨、消能,也表現為對土壤物理性質的影響。3種植物中糖蜜草、松樹水保效益相對較好,桉樹略遜。

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Variations in vegetation cover factors and their influence on USLE and RUSLE

LIAO Yishan1,2,ZHUO Muning1, XIE Jinbo3, WEI Gaoling1, GUO Tailong1, XIE Zhenyue1, LI Dingqiang1,*

1GuangdongKeyLaboratoryofAgriculturalEnvironmentPollutionIntegratedControl,GuangdongInstituteofEco-EnvironmentalandSoilSciences,Guangzhou510650,China2SchoolofGeographyandPlanning,SunYat-senUniversity,Guangzhou510275,China3WuhuaSoilandWaterConservationexpandingStationofGuangdongProvince,Meizhou514471,China

Vegetation factors are the most important influences on USLE/RUSLE models. The observed data for runoff and sediment yields from field runoff plots between 2011 and 2013, their variation characteristics, and the impacts of rainfall and vegetation types on theCvalues were analyzed for different time scales. The results showed that: (1) TheCvalues fluctuated between seasons. The values were higher for summer and the fall than for spring and winter, and were similar for summer and fall. Furthermore, dry seasons show higherCvalues than wet seasons. Specifically, higher values were found in November, August, and July, and lower values were observed in June, May, and January. TheCvalues for herbs were significantly affected by the vegetation coverage. (2) TheCvalues were positively correlated with rainfall volume, and the correlation coefficients between theCvalues and rainfall volume for individual rainfall events were 0.360**, 0.349**, and 0.291**for the eucalyptus and pine trees, andMelinisminutiflorarunoff plots, respectively. The correlation coefficients for average interval rainfall volume and theCvalues were 0.912*, 0.909*, and 0.822 for the eucalyptus and pine trees, andMelinisminutiflorarunoff plots, respectively. The rainfall volume had a much stronger influence on theCvalues for the woody plants compared with the herbaceous plants, suggested that theCvalues could not be determined by the vegetation coverage alone. (3) A comparison of the runoff plots for bare soil showed that the volume of soil lost was reduced by 14.2%, 21.5%, and 23.2%, and theCvalues were 0.814, 0.748, and 0.772 for the eucalyptus and pine trees, andMelinisminutiflorarunoff plots, respectively. The results showed thatMelinisminutifloraand pine trees were better at conserving soil and water than eucalyptus.

vegetation factors; soil erosion; significant factors; temporal variation

廣東省自然科學基金研究團隊項目(S2012030006144)；廣東省科學院青年科學研究基金資助項目(qnjj201404)；廣東省中國科學院全面戰略合作項目資助項目(2013B091500077)；國家自然科學基金(41171221,41471020)

2015- 10- 09;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510092038

*通訊作者Corresponding author.E-mail: dqli@soil.gd.cn

廖義善,卓慕寧,謝金波,韋高玲,郭太龍,謝真越,李定強.USLE/RUSLE模型中植被因子變化特征及其影響因素.生態學報,2017,37(6):1987- 1993.

Liao Y S,Zhuo M N, Xie J B, Wei G L, Guo T L, Xie Z Y, Li D Q.Variations in vegetation cover factors and their influence on USLE and RUSLE.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):1987- 1993.