不同灌草格局對砒砂巖區土壤剝蝕特征的影響

陳 鵬, 張鐵鋼, 董 智, 郭建英, 李紅麗, 仇蘇倩

(1.山東農業大學 林學院, 泰山森林生態系統定位研究站, 山東 泰安 271018;2.水利部 牧區水利科學研究所, 呼和浩特 010020)

砒砂巖區土壤侵蝕嚴重，水土流失現象劇烈，砒砂巖成巖程度較低，且遇水時極易膨脹，土壤顆粒組分中細顆粒含量較為匱乏，砂粒間膠結程度差，細小顆粒對大顆粒孔隙的阻塞、填充作用使得土壤孔隙結構遭到破壞，滲透性能嚴重降低[1]。這些特性導致砒砂巖分布區成為黃土高原治理難度最大、侵蝕強度最為劇烈的區域。合同溝小流域屬于典型的砒砂巖強烈侵蝕區，生態環境較為惡劣，坡面土壤流失現象十分嚴重，是達拉特旗乃至鄂爾多斯多沙粗沙的代表區域[1]。雖然以往研究表明[2]，植被措施可以顯著提升土壤抗蝕性，降低土壤的侵蝕程度，但對于水分承載力較弱的干旱、半干旱地區而言，植被的控流阻沙功能受到了嚴重挑戰[3]。因此探究有限水資源支撐下的高效植被布設措施便顯得尤為迫切。明晰不同條件下土壤侵蝕特征是研究土壤抗蝕性能、規避水土流失風險的重要前提。其中土壤剝蝕率是探究土壤侵蝕特征重要指標[4]，研究徑流過程中土壤的剝蝕特征對表述水力侵蝕作用下坡面侵蝕過程以及水土流失評價具有重要意義。

流速、流量、剪切力和水流功率等水力參數是坡面土壤侵蝕的驅動力，對土壤剝離和泥沙輸移過程影響顯著[5-7]，其中水流功率、單位水流功率和水流剪切力作為探討徑流能量流和動力流的重要參數，在坡面土壤侵蝕過程和水蝕動力機理的研究中應用最為廣泛[6-9]。揭示土壤剝蝕率與水力參數特征之間的關系對探究土壤侵蝕機制、合理改進土壤侵蝕預報模型具有重要意義[9]。但目前關于坡面水蝕的研究中，其側重點較多的集中于坡度、雨強及沖刷流量等方面[2,9-10]，而利用水力參數，解析地表水文過程對不同植被格局下土壤侵蝕特征的研究則略顯薄弱[11-12]。

基于此，本文選擇砒砂巖區最為常見的灌草坡面為對象，選取無灌叢草地(GL)、灌叢位于坡上部(SU)、坡中部(SM)和坡下部(SL)4種灌草格局，以裸坡(BL)為對照，分析不同灌草格局下土壤剝蝕率和水動力參數的特征及其相互關系，以期揭示砒砂巖區不同灌草格局下土壤侵蝕特征的差異性及其作用機理，為合理完善水蝕預測模型提供科學理論與技術依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于黃河一級支流罕臺川的合同溝小流域，行政區劃屬于內蒙古達拉特旗，地理位置為39°59′58″—40°13′18″N，109°53′36″—110°06′53″E，受溫帶半干旱大陸性氣候的影響，該區多年平均降雨介于200～400 mm，71.2%的降水集中于夏季(7—9月)，降水過程表現為“短歷時、大雨強”的特征。監測最大降水量達223 mm/h，且土壤類型以栗鈣土為主，質地為砂土，坡面坡度介于5°～15°。區域內主要有檸條(CaraganaKorshinskii)、油松(Pinustabuliformis)、小葉楊(Populussimonii)等造林樹種，以及本氏針茅(Stipabungeana)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、羊草(Leymuschinensis)等建群植物，其中坡面以檸條種植面積最大。

1.2 試驗裝置

根據達拉特旗1960—2016年氣象資料記錄的實際降雨情況，以及該區“短歷時，大雨強”的降水特征，選擇1.5，2.0，3.0 mm/min雨強，根據徑流小區面積(5 m×2 m)換算后確定試驗沖刷流量為15，20,30 L/min。以該區平均坡度8°作為本研究的試驗坡度。根據檸條灌叢在坡面分布的差異性，分別設置無灌叢(即單一草地坡面，GL)、灌叢位于坡上部(SU)、坡中部(SM)、坡下部(SL)和裸坡(BL)共5種試驗徑流小區，小區建造后進行圍封，經3個月自然沉降后進行試驗。各小區基本概況見表1。

表1 徑流小區基本概況

本研究中徑流小區的規格為5 m×2 m(按水平投影計)，試驗之前使用流量計對流量進行率定，由水泵將自來水泵入供水穩流裝置中，消除水流擾動，小區與溢流槽的交界處放置一個2 m×0.2 m的鋼制平板，以保證水流在較低的動能水平下均勻而平穩的溢入小區。預試驗發現產流經過60 min徑流基本趨于穩定，因此設定每場試驗時間為60 min，徑流流出小區時開始試驗計時。試驗前期每分鐘收集一次徑流樣品，10 min后每5 min收集一次徑流樣品，同步測定流速、水寬和水深，其中流速采用染料示蹤法測定(本研究中染色劑為高錳酸鉀)，染料前緣速度乘以修正系數0.8，得到平均流速[4]，水寬和水深采用精度為1 mm的直尺測量，將泥沙樣品風干去除根系等雜質后測定重量，用以土壤剝蝕率的計算。不同處理間進行3次重復，試驗數據取其平均值，共計45場。每次試驗之前測定各徑流小區的土壤含水量，消除土壤水分條件的差異，保證試驗結果的有效性。

1.3 數據分析

1.3.1 土壤剝蝕率計算 土壤剝蝕率(Dr)采用下式計算[13]：

(1)

式中:Dr為土壤剝蝕率[g/(m2·s)];M為徑流過程中的產沙量(g);b為徑流平均水寬(m);L為徑流長度(m),本研究中L為5 m;T為徑流時間(s)。

1.3.2 水動力參數計算 水流功率(ω)、單位水流功率(P)和水流剪切力(τ)采用下式計算[13]：

ω=τV

(2)

P=VJ

(3)

τ=ρghJ

(4)

式中:ω為水流功率(W/m2);P為單位水流功率(m/s);τ為水流剪切力(Pa);V為徑流平均流速(m/s);J為水力坡度;ρ為水的密度(kg/m3);g為重力加速度(g/m);h為徑流深度(m),本研究使用坡面坡度的正弦值近似代替J[13]。

本研究使用Excel 2016進行試驗數據的計算處理，SPSS 24.0對進行各指標的統計分析。采用Origin進行圖件繪制。

2 結果與分析

2.1 不同灌草格局下土壤剝蝕特征

本試驗條件下徑流平均寬度整體介于0.995～0.424 m(圖1)，并呈現出隨沖刷流量增大而逐漸增大的趨勢。灌草格局對徑流寬度具有一定影響，但不同沖刷流量下，隨灌草格局的改變徑流寬度的大小并未呈現出一致的變化趨勢。

圖1 不同灌草格局下徑流平均寬度特征

灌草格局對土壤剝蝕特征具有顯著影響(p<0.05)。不同格局土壤剝蝕率整體介于0.055～0.469 g/(m2·s)(圖2)，并且隨沖刷流量的提高，土壤剝蝕率均表現出增大的趨勢。3種沖刷流量下土壤剝蝕率均以BL格局最大，其中BL格局土壤剝蝕率介于0.277～0.469 g/(m2·s)，均值為0.386 g/(m2·s)。其他格局土壤剝蝕率的范圍介于0.055～0.359 g/(m2·s)，土壤剝蝕率均值僅為BL格局的44.63%，表明不同灌草格局均能夠顯著降低土壤剝蝕率。不同灌草格局間土壤剝蝕特征具有一定差異，GL格局土壤剝蝕率顯著高于SU，SM和SL格局，3種沖刷流量下，不同灌草格局表現出一致的趨勢，土壤剝蝕率的大小關系均為GL>SU>SM>SL，其中GL格局土壤剝蝕率均值為分別是SU，SM，SL格局的1.55，1.77,2.73倍。SL土壤剝蝕率均值僅為0.098 g/(m2·s)，是降低土壤剝蝕率的最佳灌草布設措施。

圖2 不同灌草格局下土壤剝蝕特征

2.2 不同灌草格局下水動力參數特征

不同灌草格局條件下水流剪切力介于15.458～22.750 Pa，與BL格局相比(21.503 Pa)，各灌草格局均能顯著降低水流剪切力，其中SL格局水流剪切力最低，僅為BL格局的78.99%，但隨植被格局的改變水流剪切力的變化趨勢并不明顯。不同格局下水流功率介于1.727～5.830 W/m2，隨沖刷流量的增大，不同格局間的水流功率顯著增加。15，20，30 L/min沖刷流量時，BL格局水流功率分別為3.967，4.483，5.830 W/m2，是其余灌草格局的1.80，1.56，1.71倍，不同灌草格局可以發現水流功率呈現BL>GL>SU>SM>SL的分布趨勢。單位水流功率介于0.014～0.055 m/s，隨沖刷流量的提高，單位水流功率呈增大趨勢。BL格局單位水流功率均值為0.047 m/s，是其余灌草格局的2.29倍，不同灌草格局單位水流功率分布特征與水流功率相同(圖3)。

圖3 不同灌草格局下水動力參數特征

2.3 土壤剝蝕率與水動力學參數特征的關系

水流剪切力、水流功率和單位水流功率與土壤剝蝕率均呈正相關關系，其中水流功率與土壤剝蝕率的線性函數Dr=0.1275ω-0.1881及冪函數Dr=0.0167ω2.176的決定系數均達到了0.92以上，即兩者均可以對該區土壤剝蝕特征進行較好的預測，其次則是單位水流功率的線性函數以及水流剪切力的冪函數(R2=0.912，0.661)。由回歸分析結果可知，水流功率是預測土壤剝蝕率的最佳水動力參數，水流剪切力的R2值分別只有0.572，0.661，對土壤剝蝕率的描述效果不佳(圖4)。

圖4 土壤剝蝕率與水動力參數的關系

通徑分析是研究自變量對因變量的直接及間接重要性多元統計技術[13]，可以為統計決策提供可靠依據。通徑分析結果表明，水流功率和剪切力對土壤剝蝕率的直接、間接通徑系數均為正數，貢獻度分別為86.85%，8.33%，單位水流功率對土壤剝蝕的貢獻度最低(4.81%)，水流剪切力的間接通徑系數達到了0.817。說明水流功率和水流剪切力均對土壤剝蝕率起增進作用，水流功率是土壤剝蝕率的主要影響因素，水流剪切力的間接作用在土壤剝蝕過程中起重要影響作用(表2)。

表2 不同灌草格局下水動力參數與土壤剝蝕率的通徑分析

3 討 論

3.1 灌草格局對土壤剝蝕特征的影響

雨滴或水流驅動下引起的土壤剝離過程是外界侵蝕營力與土壤抗蝕能力間相互作用的外在表現，當侵蝕應力大于土壤的抗蝕能力時就會產生土壤侵蝕[14]。以往研究表明，植被影響是坡面土壤剝蝕特征的重要因素之一[8]，Zhang等[8]研究認為灌叢及草本植被均能有效的降低徑流過程中坡面土壤的剝蝕程度，坡耕地的土壤剝蝕率是不同植被條件下的6.9～47.8倍。這在本研究中也得到了證實。本研究發現植被類型的差異也是影響土壤剝蝕特征的重要因素，其中SU，SM，SL格局土壤剝蝕率顯著低于GL格局，這是由于較草地而言灌叢的存在增大了坡面的根系密度，根系的纏繞及其分泌物對土壤顆粒的膠結作用，可以固持土壤、提高表土及附近土壤的穩定性[15]；根系提升土壤有機質的作用，可以促進水穩性團聚體的形成[6]，提升表土粗糙度，降低徑流對土壤的剝蝕；其次，在試驗過程中觀測發現，在研究區風水復合的特殊的侵蝕環境下，灌叢所在區域形成了凸起的丘體[16]，徑流通過灌叢所在位置時均出現繞過丘體向坡下匯集的現象。丘體對地表徑流的攔蓄作用可以在一定程度上降低徑流的流態，削弱徑流對坡面的剝蝕[17]。從而在對土壤抗蝕性能的提升效果方面灌草坡面優于草地。

進一步分析發現，3種沖刷流量下土壤剝蝕率均呈現SU格局>SM格局>SL格局的趨勢。對此Zhang等[2]認為，徑流對坡面的侵蝕主要集中于上坡下部到下坡下部的廣泛區域，徑流過程中坡面侵蝕主要發生在中下部位置，因此相較于灌叢位于坡上和坡中部而言，灌叢位于坡面下部時更有利于坡面重點侵蝕區域的保護；并且在干旱半干旱區，由于氣候的原因有機質分解速率較慢，坡面存在一定量的凋落物組織，并在徑流作用下形成一種類似“壩體”的結構[18]，此類屏障的形成對徑流路徑及運動狀態會產生顯著影響。本研究中灌叢所在位置的凋落物明顯高于坡面其他部位，未分解的莖稈與小的凋落物組織及植物根莖部位結合形成足以攔截徑流的“自然屏障”，極大的降低了徑流速率，消耗水流能量，削弱了灌叢附近土壤剝蝕的強度[14]。因而在多種因素的共同作用下，土壤剝蝕率表現SU格局>SM格局>SL格局的分布特征。

3.2 水動力參數對土壤剝蝕率影響

水流功率、單位水流功率和水流剪切力是土壤侵蝕模型中描述土壤剝離過程常用的水動力參數[8,19-20]。運用水動力參數對不同灌草格局下土壤剝蝕率進行量化，有利于建立適用于本研究區土壤剝蝕率的預測模型。Wang等[7]研究發現，土壤剝蝕率與水流功率、單位水流功率和水流剪切力均呈正相關關系，這與本研究結果相符，不同灌草格局下水流功率和單位水流功率均表現為SL格局

土壤剝蝕率與水動力參數的變化趨勢基本相同，說明不同植被措施均能夠通過降低水流動能來削弱坡面的剝蝕程度[7]，但在土壤剝蝕特征的預測研究中，最佳水動力參數選擇仍具有一定爭論，Zhang等[21]認為水流功率是估算土壤剝蝕率的最有效水動力參數，而一些研究[19-20]卻發現，水流剪切力、單位水流功率是土壤剝蝕率的最佳預測參數，對此Wang等[12]認為，研究條件的變化可能會導致最適宜水力參數的選取出現差異。針對本研究而言，簡化式中水流剪切力是水深和坡度的函數[13]，本研究試驗地點為野外自然坡面，與室內試驗相比，自然坡面在多種因素干擾下平整度較差，徑流填洼的現象會使水深對灌草格局及沖刷流量的反饋降低，導致不同灌草格局下水流剪切力與土壤剝蝕率擬合精度較差；此外本研究條件下，不同格局沖蝕細溝的發育也是造成差異的重要原因，Stefanovic等[22]研究認為侵蝕泥沙的來源并非全是由水流剪切作用對坡面土壤的剝離作用產生的，細溝發育過程中的溝岸坍塌、溝頭溯源等活動作為細溝發育的重要組成部分[22]，也是泥沙的重要貢獻來源[23]，而水流剪切力的剪切效應主要作用于細溝底部，這在一定程度上導致了水流剪切力對土壤剝蝕現象響應的敏感性降低；對于水流功率、單位徑流功率等能量指標而言，溝岸崩塌、溝頭溯源等現象可以影響水流剝離搬運的能量分配，因而對土壤剝蝕特征的響應更為靈敏。但對水動力參數和土壤剝蝕率進行通徑分析后發現，水流剪切力的間接通徑系數達到了0.817，且對土壤剝蝕率貢獻率僅次于水流功率，說明在研究坡面徑流對土壤的侵蝕作用時，水流剪切力對土壤剝蝕率的間接作用也不應被忽視。

4 結 論

(1) 植被可以通過降低水流能量來削弱徑流對坡面的剝蝕程度，3種沖刷流量下，砒砂巖區坡面土壤剝蝕率介于0.055～0.469 g/(m2·s)，并且呈現隨流量的增大逐漸上升的趨勢。其中SL格局是降低坡面土壤剝蝕率的最佳植被布設措施。

(2) 土壤剝蝕率、水動力參數均值整體呈BL格局>GL格局>SU格局>SM格局>SL格局的趨勢。水流功率是描述土壤剝蝕率的最佳水動力參數，水流剪切力對土壤剝蝕率的間接作用也不應被忽視。