基于黃土高原關(guān)鍵帶類型的土地利用與年徑流產(chǎn)沙關(guān)系空間分異研究

胡 健,胡金嬌,呂一河

1 西南民族大學(xué)國(guó)家民委若爾蓋高寒草甸生態(tài)站, 成都 610041 2 西南民族大學(xué)青藏高原研究院, 成都 610041 3 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100085 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

地球關(guān)鍵帶是指異質(zhì)的近地表環(huán)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(gè)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(jīng)風(fēng)化的松散層,又包括植被、河流、湖泊、海岸帶與淺海環(huán)境[1]。關(guān)鍵帶科學(xué)的綜合研究成為了新的研究機(jī)遇和研究前沿[2],有助于地球系統(tǒng)科學(xué)應(yīng)對(duì)21世紀(jì)全球可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)[3]。關(guān)鍵帶觀測(cè)站及其網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)進(jìn)展顯著,全球大約已有70個(gè)關(guān)鍵帶觀測(cè)臺(tái)站[4- 5]。由于地球關(guān)鍵帶表層具有高度的空間異質(zhì)性,需要進(jìn)一步擴(kuò)展單個(gè)關(guān)鍵帶觀測(cè)站及其網(wǎng)絡(luò),描繪關(guān)鍵帶空間分異的特性成為關(guān)鍵帶科學(xué)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[6-7]。目前已有的黃土高原關(guān)鍵帶類型分類可為優(yōu)化和合理設(shè)計(jì)區(qū)域關(guān)鍵帶觀測(cè)站網(wǎng)布局和研究水土生態(tài)過(guò)程的空間分異提供框架[8- 9]。

土壤侵蝕是地球關(guān)鍵帶表層演化的重要驅(qū)動(dòng)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(diǎn)領(lǐng)域和關(guān)鍵帶研究的重要內(nèi)容[4,11]。坡面徑流小區(qū)和小流域的徑流產(chǎn)沙監(jiān)測(cè)是土壤侵蝕常用的研究方法,基于試驗(yàn)的徑流產(chǎn)沙觀測(cè)是評(píng)估土壤侵蝕強(qiáng)度的最直接數(shù)據(jù)源[12- 13]。現(xiàn)有針對(duì)徑流小區(qū)和小流域觀測(cè)的整合研究涉及歐洲[14-15]、濕潤(rùn)的熱帶區(qū)域[16]、黃土高原[17-18]和全球尺度[19- 20]等不同區(qū)域和空間尺度,揭示了土地利用和管理措施對(duì)土壤侵蝕的效應(yīng)及其空間分異。因此,利用文獻(xiàn)記錄的徑流小區(qū)試驗(yàn)觀測(cè)資料為理解區(qū)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(diǎn)區(qū)域,徑流小區(qū)試驗(yàn)觀測(cè)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(zhuǎn)變對(duì)徑流和產(chǎn)沙的影響,盡管已有研究對(duì)土壤侵蝕和水土保持措施進(jìn)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(shí)施了大量的水土保持措施,特別是在1999年開(kāi)始實(shí)施的退耕還林(草)工程,促進(jìn)了生態(tài)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(zhuǎn)變,使黃土高原成為中國(guó)植被恢復(fù)成效最顯著的地區(qū)[23- 24]。然而,由于缺乏充足觀測(cè)數(shù)據(jù)的支持,目前關(guān)注區(qū)域土地利用下徑流和產(chǎn)沙的空間分異特征的研究較少。整合分析(Meta-analysis)和關(guān)鍵帶類型分類為研究黃土高原區(qū)域徑流和產(chǎn)沙的空間分異提供了有效工具和宏觀框架。

本研究通過(guò)整合黃土高原坡面徑流小區(qū)尺度的徑流產(chǎn)沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),定量評(píng)估黃土高原區(qū)域不同土地利用類型對(duì)徑流產(chǎn)沙的影響,探究徑流產(chǎn)沙及其與土地利用關(guān)系在黃土高原關(guān)鍵帶類型的差異,為區(qū)域土地利用及植被恢復(fù)優(yōu)化和水土保持功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 黃土高原關(guān)鍵帶類型和徑流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)地球關(guān)鍵帶理論設(shè)計(jì)了黃土高原關(guān)鍵帶類型分類框架,涉及地理多樣性、生態(tài)系統(tǒng)、氣候和人類社會(huì)因素四個(gè)方面,包含了24個(gè)關(guān)鍵帶指標(biāo),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(jié)合的方法將黃土高原劃分為8類關(guān)鍵帶類型(圖1),為研究年徑流產(chǎn)沙的關(guān)鍵帶類型分異提供宏觀背景[8- 9]。類型III是黃土丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶,耕地和草地的面積比例高；類型IV是黃土丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)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(fēng)沙丘陵荒漠-草地關(guān)鍵帶,草地面積最大,其中植被覆蓋度和生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力最低；類型VI是沖積平原農(nóng)業(yè)-草地關(guān)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(guān)鍵帶,林地和灌木的覆蓋比例達(dá)80%以上；類型VII是高寒灌叢-草地關(guān)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(nóng)業(yè)關(guān)鍵帶,擁有70%以上的耕地面積,是8類關(guān)鍵帶中最高的。類型V是城市關(guān)鍵帶,人工地面、國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和人口密度最高。

圖1 黃土高原整合徑流小區(qū)樣點(diǎn)和關(guān)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(shù)據(jù)庫(kù)和中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)設(shè)置關(guān)鍵詞檢索了1990年1月至2017年10月的中英文文獻(xiàn),關(guān)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(chǎn)水”或“水供給”、“產(chǎn)沙”或者“產(chǎn)沙量”。然后通過(guò)“Loess Plateau”、“*middle* Yellow River”、“黃土高原”或“黃河中游”關(guān)鍵詞進(jìn)一步篩選。通過(guò)文獻(xiàn)管理軟件EndNote X7和NoteExpress 2.0進(jìn)行中英文文獻(xiàn)管理,去除重復(fù),并根據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)對(duì)標(biāo)題、摘要和全文進(jìn)行再次篩選,滿足以下納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)徑流小區(qū)個(gè)案研究分布于黃土高原區(qū)域；(2)徑流小區(qū)試驗(yàn)在自然降雨條件下進(jìn)行；(3)為坡面徑流小區(qū)野外試驗(yàn)觀測(cè)研究；(4)個(gè)案研究至少記錄徑流或產(chǎn)沙及其影響因素(如土地利用類型、徑流小區(qū)面積、坡長(zhǎng)和坡度等)；(5)徑流產(chǎn)沙均值、標(biāo)準(zhǔn)差或標(biāo)準(zhǔn)誤或樣本量文獻(xiàn)全文中直接或間接報(bào)道。除了城市關(guān)鍵帶V和沖積平原農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶VI外,山地森林關(guān)鍵帶I有8篇、沖積平原農(nóng)業(yè)關(guān)鍵帶II有4篇、黃土丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶III有21篇、黃土丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV有22篇、高寒灌叢-草地關(guān)鍵帶有1篇、風(fēng)沙丘陵荒漠-草地關(guān)鍵帶VIII有3篇,共59篇文獻(xiàn)納入到本研究(圖1)。Engauge Digitizer軟件用于扣取散點(diǎn)圖、箱圖和條形圖中的數(shù)據(jù),年徑流和產(chǎn)沙通過(guò)生長(zhǎng)季內(nèi)所有降雨事件對(duì)應(yīng)的徑流和產(chǎn)沙求和,年徑流量與年降雨量的比值計(jì)算年徑流系數(shù),獲取了1121條年徑流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

1.2.1空間分異探測(cè)

地理分異探測(cè)是有效探測(cè)空間分異性,以及揭示其背后驅(qū)動(dòng)力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,如分層地理分異探測(cè)軟件GeoDetector[25- 26]。本文采用GeoDetector軟件的3個(gè)探測(cè)器檢驗(yàn)土地利用與關(guān)鍵帶類型年徑流和產(chǎn)沙關(guān)系的地理空間分層分異及其影響因子的識(shí)別。詳細(xì)過(guò)程如下：

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

q值的一個(gè)簡(jiǎn)單變換滿足非中心F分布：

交互作用探測(cè)識(shí)別不同風(fēng)險(xiǎn)因子X(jué)s之間的交互作用,即評(píng)估因子X(jué)1和X2共同作用時(shí)是否會(huì)增加或減弱對(duì)因變量Y的解釋力,或這些因子對(duì)Y的影響是相互獨(dú)立的。評(píng)估的方法是首先分別計(jì)算兩種因子X(jué)1和X2對(duì)Y的q值：q(X1)和q(X2),并且計(jì)算它們交互時(shí)的q值：q(X1∩X2),并對(duì)q(X1)、q(X2)與q(X1∩X2)進(jìn)行比較。探討這些因素對(duì)年徑流產(chǎn)沙的影響和解釋強(qiáng)弱差異以及與關(guān)鍵帶類型的交互作用類型。

生態(tài)探測(cè)用于比較兩因子X(jué)1和X2對(duì)屬性Y的空間分布的影響是否有顯著的差異,以F統(tǒng)計(jì)量來(lái)衡量：

式中：NX1及NX2分別表示兩個(gè)因子X(jué)1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(nèi)方差之和；L1和L2分別表示變量X1和X2分層數(shù)目。其中零假設(shè)H0：SSWX1=SSWX2。如果在α=0.05的顯著水平上拒絕H0,這表明兩因子X(jué)1和X2對(duì)屬性Y的空間分布的影響存在顯著的差異。

1.2.2統(tǒng)計(jì)分析

將徑流和產(chǎn)沙數(shù)據(jù)都變換為統(tǒng)一的單位,徑流單位為mm,產(chǎn)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(qū)面積、坡長(zhǎng)和坡度特征作為協(xié)變量,根據(jù)土地利用類型與關(guān)鍵帶類型對(duì)年徑流量、年徑流系數(shù)和年產(chǎn)沙量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),并對(duì)原始數(shù)據(jù)Box-Cox正態(tài)變換和正態(tài)性檢驗(yàn),通過(guò)單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(Tukey′s HSD)研究徑流小區(qū)和關(guān)鍵帶類型對(duì)年徑流產(chǎn)沙的影響,以及單一土地利用的年徑流產(chǎn)沙在各關(guān)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(shù)據(jù)變換、統(tǒng)計(jì)分析和圖在R和ArcGIS 10.3軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用對(duì)年徑流產(chǎn)沙的影響

考慮徑流小區(qū)的面積、坡長(zhǎng)、坡度和降雨作為協(xié)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(shù)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(shù)也較高為6.29% (P<0.05)。同時(shí),林地與灌叢的年均產(chǎn)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(chǎn)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(qū)土地利用類型對(duì)年徑流產(chǎn)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(chǎn)沙及其與土地利用關(guān)聯(lián)關(guān)系的關(guān)鍵帶類型差異

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

圖3 關(guān)鍵帶類型下年徑流產(chǎn)沙特征Fig.3 Characteristics of annual runoff and sediment yield under critical zones

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

圖4 關(guān)鍵帶類型下撂荒地、裸地和耕地的年徑流產(chǎn)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(guān)鍵帶類型分異(圖5)。高寒灌叢-草地關(guān)鍵帶VII的人工草地年均徑流量和徑流系數(shù)較高分別為16.46 mm和15.61%,但是其年均產(chǎn)沙最低為302.20 g/m2,沖積平原農(nóng)業(yè)關(guān)鍵帶II的人工草地年均徑流量和徑流系數(shù)最低分別為10.37 mm和2.40%,而人工草地年均徑流系數(shù)在丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶III顯著高于其余關(guān)鍵帶類型,人工草地年均產(chǎn)沙量在丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV最高為2549.94 g/m2,且顯著高于其他關(guān)鍵帶類型(P<0.05) (圖5)。高寒灌叢-草地關(guān)鍵帶VII的自然草地年均徑流量和徑流系數(shù)都最高分別為18.33 mm和17.09%,其年均產(chǎn)沙量也較高,而丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV的自然草地年均徑流量最低為6.90 mm,丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶III的自然草地年均徑流系數(shù)顯著高于丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV,山地森林關(guān)鍵帶I的自然草地年均徑流系數(shù)和產(chǎn)沙量最低分別為3.33%和35.18 g/m2,風(fēng)沙丘陵荒漠-草地關(guān)鍵帶VIII的自然草地年均產(chǎn)沙量最高為233.00 g/m2(圖5)。丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV的灌叢年均徑流量和產(chǎn)沙量最高分別為10.47 mm和283.62 g/m2,顯著高于其他關(guān)鍵帶類型,而山地森林關(guān)鍵帶I的灌叢年均徑流系數(shù)和產(chǎn)沙量最低分別為1.84%和3.12 g/m2,高寒灌叢-草地關(guān)鍵帶VII的灌叢年均徑流系數(shù)最高為11.40% (圖5)。山地森林關(guān)鍵帶I的林地年均徑流量、徑流系數(shù)和產(chǎn)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(shù)在丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV和丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶III顯著高于其他關(guān)鍵帶類型,丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶IV的林地年均產(chǎn)沙顯著高于其他關(guān)鍵帶類型(P<0.05) (圖5)。

圖5 關(guān)鍵帶類型下人工草地、自然草地、灌叢和林地的年徑流產(chǎn)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(chǎn)沙的關(guān)鍵帶類型分異探測(cè)及其影響因子

年徑流量、徑流系數(shù)和產(chǎn)沙量的關(guān)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(duì)年徑流系數(shù)也有顯著影響,土地利用、小區(qū)面積、坡長(zhǎng)和坡度是年均產(chǎn)沙量的重要影響因子(P<0.05) (表1)。

表1 關(guān)鍵帶類型下年徑流產(chǎn)沙的分異及其因子探測(cè)

在年徑流產(chǎn)沙地理分異解釋中關(guān)鍵帶類型與土地利用、徑流小區(qū)特征(面積、坡長(zhǎng)和坡度)對(duì)年徑流產(chǎn)沙的解釋都呈現(xiàn)出非線性增強(qiáng)關(guān)系,面積和土地利用呈現(xiàn)雙因子增強(qiáng)關(guān)系影響年徑流量和徑流系數(shù),這些因子在關(guān)鍵帶類型解釋年徑流產(chǎn)沙的地理分異時(shí)存在非線性作用關(guān)系,且考慮多種因素更有利于解釋其空間分異,說(shuō)明年徑流產(chǎn)沙地理分異解釋具有明顯的復(fù)雜性(表2)。

表2 關(guān)鍵帶類型下年徑流產(chǎn)沙的因子交互作用類型

生態(tài)探測(cè)結(jié)果表明土地利用、面積、坡長(zhǎng)和坡度對(duì)年徑流產(chǎn)沙影響顯著高于關(guān)鍵帶類型的影響,說(shuō)明徑流小區(qū)樣地特征是影響年徑流產(chǎn)沙的首要要素,其次是關(guān)鍵帶類型對(duì)年徑流產(chǎn)沙空間分異的影響,即局地因素比地理分異特征對(duì)徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響更顯著(表3)。

表3 關(guān)鍵帶類型下年徑流產(chǎn)沙的生態(tài)探測(cè)

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(nèi),林地在微型小區(qū)和標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)的年均徑流系數(shù)最高,而草地在微型小區(qū)的年均徑流系數(shù)最低；休耕地在標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)尺度的年均徑流系數(shù)最低,林地、灌叢和草地的年均產(chǎn)沙量顯著低于耕地、休耕地或撂荒地,而休耕地的年均產(chǎn)沙量最高(4299.10 g/m2)[19- 20]。中西歐地區(qū)徑流小區(qū)觀測(cè)顯示(半)自然植被覆蓋的年均徑流系數(shù)和產(chǎn)沙量最低,其他土地利用類型的年均徑流系數(shù)和產(chǎn)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(rùn)熱帶區(qū)域林地的年均產(chǎn)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(chǎn)量,黃土高原撂荒地的年均徑流系數(shù)(約20%)顯著高于全球樣地尺度休耕地的年均徑流系數(shù)(15.7%),這證實(shí)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(guò)自然演替來(lái)恢復(fù)生態(tài)功能和保護(hù)生物多樣性的土地利用類型[29-31],但是未管理和早期恢復(fù)階段的撂荒地有較高的年產(chǎn)沙量,甚至超過(guò)耕地的年產(chǎn)沙量[14,20,27-28]。本研究也發(fā)現(xiàn)黃土高原人工草地、林地、自然草地和灌叢的年徑流量和產(chǎn)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(shù)據(jù)的土地利用類型在各關(guān)鍵帶類型分布不均,本研究?jī)H揭示了年徑流產(chǎn)沙在部分關(guān)鍵帶類型的差異,且與土地利用類型密切相關(guān),也間接驗(yàn)證了黃土高原關(guān)鍵帶類型分類的合理性。氣候、地貌、植被和土壤等因素的長(zhǎng)期演化反映了不同的關(guān)鍵帶類型特征和關(guān)鍵過(guò)程,沖積平原農(nóng)業(yè)關(guān)鍵帶、丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶、丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶和風(fēng)沙丘陵荒漠-草地關(guān)鍵帶與由東南向西北的植被、生態(tài)地理分區(qū)有較好的一致性[32-33]。土地利用類型與徑流產(chǎn)沙關(guān)系的關(guān)鍵帶類型分異受植被覆蓋和地形影響顯著,丘陵農(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶和丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)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(qū)域,其地形陡峭和黃土集中分布,使這兩類關(guān)鍵帶類型各土地利用類型具有較高的徑流量和產(chǎn)沙量,特別是耕地和裸地,植被缺乏的裸地和撂荒地在各關(guān)鍵帶類型的水土流失都較高,山地森林關(guān)鍵帶高的植被覆蓋使林地、灌叢和草地有利于水源涵養(yǎng)和土壤保持[34-37]。黃土高原植被恢復(fù)后水供給和土壤保持之間存在顯著的權(quán)衡,特別是山地森林關(guān)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(yōu)的土地利用類型,與本研究中各關(guān)鍵帶類型的自然草地徑流泥沙研究結(jié)果一致[38-40]。由于氣候(如年均降雨和年均溫)、試驗(yàn)觀測(cè)的空間尺度(如微型小區(qū)、標(biāo)準(zhǔn)小區(qū)和流域等)的空間異質(zhì)性決定了區(qū)域和全球尺度年徑流產(chǎn)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(qiáng)[42],復(fù)雜的黃土地貌[43],大量水土保持措施和生態(tài)恢復(fù)工程的實(shí)施使黃土高原成為植被恢復(fù)最為明顯的區(qū)域,顯著減少了水土流失[44-45]。而徑流小區(qū)背景特征是定量解釋土地利用類型對(duì)徑流和產(chǎn)沙效應(yīng)的重要因素,如徑流小區(qū)土壤、小區(qū)面積、坡長(zhǎng)、坡度和降雨特征等[46-48],土地利用和徑流小區(qū)局地特征直接決定土壤抗侵蝕性的空間異質(zhì)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(gè)因子聯(lián)合或非線性關(guān)系才能解釋區(qū)域以植被恢復(fù)為主管理措施對(duì)徑流和產(chǎn)沙的空間分異[49-50]。因此在研究基于試驗(yàn)觀測(cè)徑流產(chǎn)沙的空間分異時(shí)需要更加綜合的研究方法,如結(jié)構(gòu)方程模型[51]和多種模型集成分析[52-53]。

4 結(jié)論

通過(guò)整合黃土高原近20年野外徑流實(shí)驗(yàn)小區(qū)的個(gè)案研究,對(duì)黃土高原土地利用與年徑流產(chǎn)沙關(guān)系的關(guān)鍵帶類型分異及其影響因素進(jìn)行了探討,為黃土高原區(qū)域水土保持措施實(shí)施與管理提供支撐。得出如下結(jié)論：

(1)人工草地、林地、自然草地和灌叢可以有效減少?gòu)搅骱捅３滞寥?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(guān)鍵帶有利于水土保持,而丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)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(guān)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(nóng)業(yè)-草地關(guān)鍵帶和丘陵溝壑農(nóng)林草交錯(cuò)關(guān)鍵帶最不利于水土保持。

(3)以關(guān)鍵帶類型作為分層因子的地理分異探測(cè)表明坡面徑流小區(qū)的土地利用、面積、坡度、坡長(zhǎng)等局地特征是影響徑流產(chǎn)沙空間分異的首要因素,且在解釋年徑流產(chǎn)沙的關(guān)鍵帶類型分異時(shí)呈現(xiàn)多因子互作、非線性增強(qiáng)的關(guān)系。