祁連山東段高寒草甸模擬放牧下的坡面土壤水蝕特征

馬海霞，張德罡, 陳 瑾，常軍霞，董永平，劉文峰，杜 凱，康玉坤，李 強(qiáng)，周會(huì)程，姚玉嬌，陳建綱，徐長(zhǎng)林

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.定西市水土保持科學(xué)研究所，甘肅 定西 743000；3.全國(guó)畜牧總站，北京 100125)

土壤抗蝕性是評(píng)定土壤抵抗外力侵蝕能力的重要參數(shù)之一，反映了土壤抵抗分散能力的大小，受土壤物理和化學(xué)特性、植被覆蓋和土地管理等人為活動(dòng)的影響[1-2]。研究土壤的抗蝕性對(duì)防治土壤侵蝕有著十分關(guān)鍵的作用，幾十年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究者一直關(guān)注著土壤抗蝕性研究的進(jìn)展[3-6]。草原生態(tài)系統(tǒng)是地球上面積僅次于森林的第二大綠色覆被層，約占全球植被生物量的36%，陸地面積的24%[7]。我國(guó)草地資源豐富，可利用面積達(dá)3.9億hm2以上，居世界第二位，占全國(guó)國(guó)土面積的41.7%，天然草地資源總量的84.27%[8]，是我國(guó)陸地面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型。祁連山位于青藏、蒙新、黃土3大高原的交匯處，是我國(guó)三大內(nèi)陸河石羊河、黑河、疏勒河的發(fā)源地．受青藏高原的影響，山地生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出高寒生態(tài)系統(tǒng)的特征，是我國(guó)中西部典型的生態(tài)環(huán)境脆弱地帶[9]，在寒區(qū)旱區(qū)山地及內(nèi)陸河流域的水土保持中占據(jù)重要地位。2006年中國(guó)草地生態(tài)系統(tǒng)破壞造成的水源涵養(yǎng)損失量為6.23×109m3[10]，植被對(duì)控制水土流失具有良好的作用，植被破壞土壤侵蝕將急劇增加，過(guò)度放牧是造成草原區(qū)土壤侵蝕加劇的主要原因，由于過(guò)度放牧首先增加土壤緊實(shí)度和土壤容重，減少了雨水的下滲，有利于徑流的形成，引發(fā)水土流失[11-12]，直接影響到我國(guó)草地生態(tài)良性循環(huán)及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。許多科學(xué)工作者已在這方面做了觀測(cè)、研究等工作，但對(duì)祁連山高寒草甸水土保持功能的定量研究報(bào)道較少，尤其缺乏人工模擬降雨對(duì)高寒草甸土壤侵蝕的研究[13]，因此，本文在人工模擬降雨條件下，研究不同模擬放牧強(qiáng)度下的高寒草甸坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，旨在為研究區(qū)草地的水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)以及以防止水土流失為前提的草地合理利用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

本試驗(yàn)位于青藏高原邊緣祁連山東段天祝藏族自治縣金強(qiáng)河河谷附近的抓喜秀龍鄉(xiāng)上八刺溝陰坡高寒草甸封禁區(qū)域(37°10′46″ N，102°47′11″ E，海拔2 960 m)，坡度25°，距甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)高山草原試驗(yàn)站約2 km。該區(qū)屬大陸性高原季風(fēng)氣候，氣候寒冷潮濕，據(jù)天?？h烏鞘嶺氣象站(海拔高度3 045 m)近60年(1951-2010年)資料和甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草原站(海拔2 960 m)約30年的氣象資料記錄，年平均降水量為410.5 mm，年均潛在蒸發(fā)量(1 592 mm)，為年降水量的3.8倍，年平均降水量自1951年以來(lái)呈減少趨勢(shì)，變化率為—1.4%/10a；1961年是天?？h近60年來(lái)降水最多的年份，降水量為555.2 mm，比常年偏多35%，1962年是降水最少的年份，降水量?jī)H有231.3 mm，比常年偏少44%，夏季降水量占全年的59%。天?？h5-9月降水集中，該時(shí)段降水量是全年降水量的70%左右，暴雨發(fā)生頻率較大，多年平均暴雨日數(shù)0.43 d，夏季6-8月最集中，占全年暴雨日數(shù)的90%左右。區(qū)域年均溫-0.1℃，月平均溫度—18.3℃(1月)，最高溫度12.7℃(7月)，≥0℃積溫1 380℃，年日照時(shí)數(shù)2 600 h，水熱同期，氣溫變化大，無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，僅分冷熱兩季[14-17]。

區(qū)內(nèi)土壤pH值為7.75～8.06；有機(jī)質(zhì)含量高，約為87 g· kg-1～117 g· kg-1；含水量13.08%～25.98%；容重0.700～0.797 g· cm-3。該區(qū)植被以線葉嵩草(Carexcapillifolia)，珠芽蓼(Polygonumviviparum)，球花蒿(Artemisiaannua)，拉拉藤(Galiumaparinevar.echinospermum)，線葉龍膽(Gentianafarreri)，肋柱花(Lomatogoniumrotatum)，長(zhǎng)毛風(fēng)毛菊(Saussureahieracioides)，藏異燕麥(Helictotrichontibeticum)，翻白委陵菜(Potentilladiscolor)，羊茅(Festucaovina)，細(xì)叉梅花草(Parnassiaoreophila)，零零香青(Anaphalishancockii)，小米草(Euphrasiapectinata)等為主，草層高度10 cm，蓋度達(dá)90%左右，地上生物量干重500 g·m-2。

1.2 樣地設(shè)置與測(cè)定方法

1.2.1樣地設(shè)置 試驗(yàn)于2016年8月在金強(qiáng)河高寒草甸封禁區(qū)域進(jìn)行。設(shè)置對(duì)照未放牧、輕度放牧、中度放牧、重度放牧共4個(gè)處理，采用刈割方式模擬放牧，刈割強(qiáng)度分齊地面刈割(重度放牧)、留茬高度2 cm(中度放牧)、留茬高度7 cm(輕度放牧)和自然高度(未放牧)[18-19]，各處理盡量選擇植被、環(huán)境相對(duì)一致的區(qū)域布設(shè)0.5 m×1 m樣方。

1.2.2測(cè)定方法 試驗(yàn)采用下噴式模擬降雨系統(tǒng)，根據(jù)不同的降雨強(qiáng)度選擇不同型號(hào)的噴頭，有效降雨覆蓋面積約為4.5 m×4.5 m，降雨高度為5.2 m，降雨強(qiáng)度變化范圍為0.5～2.0 mm· min-1，降雨均勻度均在85%以上[20]。按照氣象學(xué)原理，設(shè)計(jì)4個(gè)降雨強(qiáng)度：0.5 mm· min-1，0.67 mm· min-1，1.67 mm·min-1，2.00 mm·min-1，降雨時(shí)間為30 min[21]。每一種降雨強(qiáng)度設(shè)3次重復(fù)，共計(jì)48個(gè)樣地，隨機(jī)分布。

降雨前后測(cè)定土壤水分，降雨開始后即計(jì)時(shí)；記錄開始產(chǎn)流時(shí)間，用塑料桶收集徑流，間隔一定時(shí)間(根據(jù)流量大小調(diào)整)更換塑料桶；降雨結(jié)束后記錄降雨歷時(shí)及結(jié)束產(chǎn)流時(shí)間；稱量每個(gè)桶的徑流泥沙總量(mL)，沉淀后的上清液，即為凈水量(mL)，將泥沙帶回實(shí)驗(yàn)室，在105℃下烘干沉重，即為凈泥量(g)，最后計(jì)算出單位面積產(chǎn)沙量(g· m-2)，入滲量由降雨前后土壤含水量計(jì)算，具體計(jì)算方法如下[22-23]：

凈水率(g· mL-1)=(泥水量-干泥重)/泥水樣體

(1)

凈水量(g· mL-1)=凈水率×泥水總量

(2)

徑流量(mm)=凈水量/徑流小區(qū)面積

(3)

徑流系數(shù)(%)=徑流量/降雨量×100

(4)

凈泥率(g· mL-1)=干泥重/泥水樣體積

(5)

凈泥量(g)=凈泥率×泥水總量

(6)

產(chǎn)沙量(g·m-2)=凈泥量×2

(7)

水源涵養(yǎng)量(kg·m-2)=(降雨量-徑流量)/徑流小區(qū)面積

(8)

保水效益(%)=(重度放牧徑流量-其他放牧徑流量)/重度放牧徑流×100

(9)

固土效益(%)=(重度放牧產(chǎn)沙量-其他放牧產(chǎn)沙量)/重度放牧產(chǎn)沙量×100

(10)

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)基本處理和整合，SPSS19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件做了單因素方差分析和Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模擬放牧強(qiáng)度下徑流產(chǎn)生的時(shí)間變化

在植物生長(zhǎng)良好的草地，一般都有一層枯枝落葉增加地面的糙率，起到阻擋徑流、分散徑流和減緩流速的作用，并像海綿一樣吸收水分，使水分慢慢入滲，減少?gòu)搅鞯漠a(chǎn)生。隨模擬放牧強(qiáng)度的不同，坡面徑流出現(xiàn)的時(shí)間各不相同，從未放牧到重度放牧徑流出現(xiàn)的時(shí)間逐漸縮短，平均產(chǎn)流時(shí)間分別為5.60 min，4.34 min，3.79 min和3.05 min。在未放牧條件下，雨強(qiáng)為0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1時(shí)，30 min降雨歷時(shí)內(nèi)均不產(chǎn)生徑流，因此，在小降水強(qiáng)度情況下，產(chǎn)生徑流較困難；1.67 mm· min-1和2.00 mm· min-1的雨強(qiáng)下出現(xiàn)徑流的時(shí)間為降雨開始后的1 min。在輕度放牧和中度放牧條件下，0.5 mm· min-1雨強(qiáng)下，不產(chǎn)生徑流；0.67 mm· min-1雨強(qiáng)下，徑流出現(xiàn)的時(shí)間約為降雨開始后的5 min；1.67 mm· min-1雨強(qiáng)下，徑流出現(xiàn)的時(shí)間為降雨開始后的1.5 min；2.00 mm· min-1雨強(qiáng)下，徑流出現(xiàn)的時(shí)間為降雨開始后的0.5 min。在重度放牧條件下，0.5 mm· min-1雨強(qiáng)下，產(chǎn)流時(shí)間為8 min，0.67 mm· min-1雨強(qiáng)下，產(chǎn)流時(shí)間為3 min，1.67 mm· min-1雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流時(shí)間為1 min，2.00 mm· min-1狀況下約0.5 min(見圖1)，其中，重度放牧和中度放牧模擬條件下，不同雨強(qiáng)之間的徑流出現(xiàn)的時(shí)間均有顯著差異(P<0.05)，輕度放牧和未放牧條件下，1.67 mm· min-1和2.00 mm· min-1雨強(qiáng)下，徑流出現(xiàn)的時(shí)間無(wú)顯著差異。放牧強(qiáng)度越小，草地抵抗大降水的能力就越強(qiáng)，徑流截留優(yōu)勢(shì)就越明顯，水土流失量就越少。

在同一降雨強(qiáng)度下，隨放牧強(qiáng)度由輕到重的變化，徑流量、產(chǎn)沙量、徑流系數(shù)均出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，其中在雨強(qiáng)為0.50 mm· min-1，放牧強(qiáng)度為未放牧和輕度放牧?xí)r，在降雨歷時(shí)30 min內(nèi)均無(wú)水土流失。在各種雨強(qiáng)下，未放牧、輕度放牧和中度放牧強(qiáng)度，徑流量的變化無(wú)明顯差異，但遠(yuǎn)小于重度放牧條件下的徑流量，且均與重度放牧強(qiáng)度之間差異顯著(P<0.05)。產(chǎn)沙量在雨強(qiáng)為0.50 mm· min-1和0.67 mm· min-1時(shí)，不同放牧強(qiáng)度間差異不顯著；當(dāng)雨強(qiáng)為1.67 mm· min-1時(shí)，產(chǎn)沙量之間差異顯著(P<0.05)，雨強(qiáng)為2.00 mm· min-1時(shí)，未放牧、輕度放牧和中度放牧之間產(chǎn)沙量無(wú)差異顯著性，但均與重度放牧之間差異顯著(P<0.05)。就徑流量而言，輕度放牧、中度放牧和重度放牧在4種雨強(qiáng)下的平均徑流量均比未放牧增加150.00%，600.00%和2200.00%；平均產(chǎn)沙量比未放牧增加170.59%，535.29%和694.12%。就徑流系數(shù)而言，放牧強(qiáng)度越大，徑流系數(shù)越大，降雨強(qiáng)度越大，徑流系數(shù)也越大。隨雨強(qiáng)和放牧強(qiáng)度的增加，徑流系數(shù)的變化范圍在0～1.19之間，且降雨強(qiáng)度增大時(shí)，徑流系數(shù)增加更為緩慢，截流效果更為顯著。

圖1 不同放牧強(qiáng)度下不同降雨強(qiáng)度開始產(chǎn)流時(shí)間

雨強(qiáng)Rainfallintensity/mm·min-1放牧強(qiáng)度Grazingintensity徑流量Runoff/mm產(chǎn)沙量Soilerosion/g·m-2徑流系數(shù)Runoffcoefficient/%0.50未放牧0±0.00a0.00±0.01a0.00±0.00a輕度放牧0±0.00a0.00±0.00a0.00±0.00a中度放牧0.02±0.09b0.10±0.07a1.03±0.05b重度放牧1.09±0.07c0.10±0.08a1.09±0.08c0.67未放牧0.03±0.01a0.09±0.08a0.34±0.00a輕度放牧0.17±0.05a0.17±0.17a0.66±0.05a中度放牧0.55±0.15a0.28±0.23a1.09±0.83a重度放牧1.18±0.06b0.35±0.23a1.18±1.02b1.67未放牧0.08±0.02a0.03±0.04a0.60±0.12a輕度放牧0.13±0.01a0.15±0.14a1.06+0.08a中度放牧0.53±0.04a0.15±0.13a1.06±1.31a重度放牧1.13±0.10b0.54±0.43b1.13±2.72b2.00未放牧0.11±0.01a0.19±0.21a1.10±0.84a輕度放牧0.28±0.03a1.04±0.91a1.10±1.13a中度放牧0.58±0.03b0.36±0.24b1.16±1.85a重度放牧1.19±0.04c0.54±0.51b1.19±0.26a

注：不同小寫字母表示同一降雨強(qiáng)度下不同放牧處理間差異顯著(P<0.05)

Note:Different small letters between different grazing treatments under the same rainfall intensity represent significant differences at the 0.05 level

2.2 相較于重度放牧強(qiáng)度下的保水固土效益分析

植被覆蓋度良好的草地，草本植物根系多集中分布于土壤表層，植物根系與土壤密集交織在一起，形成緊密的根系網(wǎng)，固持土壤，減少土壤受沖刷的可能性。相較于重度放牧，未放牧、輕度放牧和中度放牧3種放牧強(qiáng)度的平均保水效益依次減小，分別為67.06%，46.04%，28.08%，且在中度放牧條件下，不同降雨強(qiáng)度之間的保水效益有顯著差異(P<0.05)；3種模擬放牧強(qiáng)度的平均固土效益也依次減小，分別為88.54%，70.23%，38.73%，且在中度放牧強(qiáng)度下，不同雨強(qiáng)之間的固土效益也有顯著差異(P<0.05)，其余差異不顯著。可以看出降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量的影響高于對(duì)產(chǎn)沙量的影響，即在中度放牧強(qiáng)度下，保水效益和固土效益隨降雨強(qiáng)度的增加遞減幅度較大，而輕度放牧和未放牧強(qiáng)度下，保水效益和固土效益的變化幅度相對(duì)緩慢，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是植被葉面對(duì)雨滴起截留緩沖作用以及根系的固土護(hù)坡作用，使降雨和徑流的侵蝕強(qiáng)度削弱，進(jìn)而減少草地土壤的流失，起到保護(hù)土壤表層的作用[24-25]。其中未放牧草地在0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1降雨強(qiáng)度下的保水固土效益達(dá)100%，輕度放牧草地的保水固土效益在0.5 mm· min-1強(qiáng)度下也達(dá)到100%(見圖2)，說(shuō)明在未放牧和輕度放牧這兩種模擬放牧強(qiáng)度下，降雨強(qiáng)度為0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1時(shí)，坡面基本不產(chǎn)生水土流失，草地的保水固土效益良好。從表2可以看出，高寒草地的減水減沙效益與雨型具有密切關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.967和0.961，保水效益和固土效益有極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.995，但是相同雨型下減水減沙效益并非同步。

圖2 不同放牧強(qiáng)度下的保水固土效益

保水效益Waterconservationefficiency固土效益Soilconservationefficiency降雨強(qiáng)度Rainfallintensity保水效益WaterconservationefficiencyPearson相關(guān)性Pearsoncorrelation1 顯著性(雙側(cè))Significant(2-tailed)平方與叉積的和Thesumofsquareandcrossproduct2639.835 協(xié)方差Covariance879.945固土效益SoilconservationefficiencyPearson相關(guān)性Pearsoncorrelation0.995**1顯著性(雙側(cè))Significant(2-tailed)0.005平方與叉積的和Thesumofsquareandcrossproduct1794.8921233.451協(xié)方差Covariance598.297411.150降雨強(qiáng)度RainfallintensityPearson相關(guān)性Pearsoncorrelation-0.967* -0.961*1顯著性(雙側(cè))Significant(2-tailed)0.0330.039平方與叉積的和Thesumofsquareandcrossproduct-63.443 -43.1031.631協(xié)方差Covariance-21.148-14.3680.544

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；* 表示在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

Note:** indicate significant correlation at 0.01 level(2-tailed)；* indicate significant correlation at 0.05 levels(2-tailed)

2.3 不同放牧強(qiáng)度下的水源涵養(yǎng)功能評(píng)價(jià)

水源涵養(yǎng)是草地生態(tài)系統(tǒng)的重要服務(wù)功能之一，它具有截留降水、抑制蒸發(fā)、涵蓄增加土壤水分、緩和地表徑流、補(bǔ)充地下水和調(diào)節(jié)河川流量等功能[26-27]。圖3中，對(duì)于不同放牧強(qiáng)度的草地，土壤入滲率均較高，約在83%～99%之間，隨模擬降雨強(qiáng)度的增強(qiáng)入滲率均呈現(xiàn)先減小再增大再減小的變化趨勢(shì)，各模擬放牧強(qiáng)度下，降雨為0.67 mm· min-1時(shí)的入滲率最小，其次是2.00 mm· min-1。且模擬放牧強(qiáng)度由重度放牧到未放牧各個(gè)雨強(qiáng)下在30 min降雨歷時(shí)內(nèi)的水源涵養(yǎng)量之和分別為658.4 kg·m-2，716.2 kg·m-2，746.3 kg·m-2及757 kg·m-2，因此，隨放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)，草地水源涵養(yǎng)量減小。隨降雨強(qiáng)度的不斷加強(qiáng)，不同放牧強(qiáng)度下單位面積水源涵養(yǎng)量明顯升高，在各個(gè)放牧強(qiáng)度下，降雨強(qiáng)度從0.5 mm· min-1到2.00 mm· min-1時(shí)，高寒草甸的水源涵養(yǎng)量平均值分別為9.7 kg·m-2，18.1 kg·m-2，230.2 kg·m-2和461.6 kg·m-2，這主要與30 min降雨歷時(shí)內(nèi)總的降雨量有關(guān)，降雨量越大，水源涵養(yǎng)量越高，各降雨強(qiáng)度下，放牧強(qiáng)度由未放牧到重度放牧的水源涵養(yǎng)量呈減小趨勢(shì)，且在中度以下減小趨勢(shì)平緩，中度以上減小趨勢(shì)坡度變陡(見圖4)，說(shuō)明從維持水源涵養(yǎng)功能的角度來(lái)說(shuō)，中度以下的放牧強(qiáng)度是相對(duì)安全的。

圖3 不同放牧強(qiáng)度下的水源涵養(yǎng)量

圖4 不同降雨強(qiáng)度下的水源涵養(yǎng)量

3 討論

地表徑流是草地上一種最普遍的徑流形式。賈恒義等[28]分析了草地覆蓋對(duì)地表徑流的影響后指出，草地的徑流量較林地大，但隨著草地覆蓋率的提高，徑流量減少。有研究指出：在干旱半干旱草原地區(qū)，由于土壤貧瘠、植被稀少，這種地表面只能貯存少量的降水，這時(shí)發(fā)生徑流的速度是很快的，并且與濕潤(rùn)地區(qū)相比徑流很少受到限制[29]。本研究中，隨模擬放牧強(qiáng)度的不同，坡面徑流出現(xiàn)的時(shí)間各不相同，從未放牧到重度放牧徑流出現(xiàn)的時(shí)間逐漸縮短，且在未放牧條件下，在0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1雨強(qiáng)下，30 min降雨歷時(shí)內(nèi)均不產(chǎn)生徑流，從未放牧到重度放牧，不同雨強(qiáng)下的平均產(chǎn)流時(shí)間分別為5.60 min，4.34 min，3.79 min和3.05 min，該結(jié)果與李國(guó)榮等[30]的研究結(jié)果基本一致。就徑流系數(shù)而言，放牧強(qiáng)度越大，徑流系數(shù)越大，降雨強(qiáng)度越大，徑流系數(shù)也越大，說(shuō)明：徑流系數(shù)小的草地，其坡面產(chǎn)流相應(yīng)較少；徑流系數(shù)較大的草地，坡面產(chǎn)流也較大，這與楊春霞[29]、劉小平[31]等的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗(yàn)的結(jié)果一致。原因是植被對(duì)降水的影響主要表現(xiàn)為冠層截留及莖干流對(duì)降水的重新分配作用，通過(guò)截留降低雨水到達(dá)地面的數(shù)量和速度，放牧強(qiáng)度增強(qiáng)，草地的植被覆蓋度下降，從而縮短了雨水到達(dá)地面和產(chǎn)生徑流的時(shí)間。

草地凋落物通過(guò)對(duì)降水的吸納，使地表徑流減少，并增加對(duì)土壤水的補(bǔ)給。研究表明，降雨量、植被冠層覆蓋度和先前的土壤濕度分別占到徑流量影響因素的72%，3%，0.5%，這表明在同一場(chǎng)暴雨中，不同植被覆蓋地區(qū)所發(fā)生的徑流是不相同的，且植被覆蓋度的影響較大[32-33]，隨降雨強(qiáng)度的增加，徑流量增大，降雨強(qiáng)度和產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量之間的相關(guān)性極顯著[34-35]，該結(jié)果與本研究結(jié)果一致。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度越大，表層松散顆粒流失的速度越快，野外坡面并非十分平整，因此隨著徑流量的增加，坡面局部范圍內(nèi)有徑流匯集和沖蝕現(xiàn)象，坡面出現(xiàn)侵蝕細(xì)溝，土層破壞較嚴(yán)重，這也是降雨強(qiáng)度增加后土壤流失量急劇增加的主要原因[30]。由于放牧降低了地表植被的覆蓋度，因此，放牧對(duì)徑流和土壤侵蝕的影響比較明顯。研究表明，多數(shù)徑流發(fā)生在重度放牧的小區(qū)，而受保護(hù)的小區(qū)徑流最少，徑流量和產(chǎn)沙量都隨放牧強(qiáng)度的增加而增加，沒(méi)有放牧的流域，其植被變化對(duì)土壤侵蝕的影響非常小，但在放牧情況下，在裸地和巖石為基質(zhì)的表面，土壤侵蝕會(huì)稍有增加，而在地面覆蓋條件下，土壤侵蝕會(huì)稍有減少；適度放牧(每月每頭牛4英畝)對(duì)侵蝕沒(méi)有明顯影響，而在重度放牧條件下，侵蝕程度加劇[36]，該結(jié)果與本研究結(jié)果一致，即從維持水源涵養(yǎng)功能的角度來(lái)說(shuō)，中度以下的放牧強(qiáng)度是相對(duì)安全的。這些研究說(shuō)明，由于放牧特別是重度放牧降低了地表植被的覆蓋度，高強(qiáng)度踐踏土壤是造成土壤侵蝕的重要原因。

多年來(lái)，研究者對(duì)水土流失嚴(yán)重地區(qū)開展的生物措施進(jìn)行了大量水土保持效益研究，研究結(jié)果均表明，生物措施具有較高的保水固土效益[37-38]，本研究中，相較于重度放牧，隨放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)，在4種不同雨強(qiáng)下的平均保水效益隨雨強(qiáng)的增強(qiáng)依次減小，平均固土效益隨雨強(qiáng)的增強(qiáng)也依次減小，降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量的影響高于對(duì)土壤流失量的影響。因此，封禁處理可以強(qiáng)化草地土壤抗侵蝕能力，增加土壤蓄水容量，能夠發(fā)揮一定的保水固土效益，而超載率和草原退化率嚴(yán)重影響了牧區(qū)草原的生態(tài)安全壓力，且不同降雨類型由于其降雨因子(降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等)的不同，會(huì)對(duì)草地的保水固土效益產(chǎn)生影響[39-40]。

本文中，土壤入滲率均較高，約在83%～99%之間，土壤入滲率越高，水土流失量越小，進(jìn)而水源涵養(yǎng)量越高。且隨放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)，高寒草甸水源涵養(yǎng)量減小。趙同謙等[41]將草地生態(tài)系統(tǒng)的內(nèi)涵界定為截留降水，涵養(yǎng)水分的作用，這種作用是相對(duì)于裸地而言的，受到降雨強(qiáng)度、降雨量變化特征以及草地具體的類型影響，于格等[42]也認(rèn)為草地相對(duì)于空礦裸地具有更高的水分滲透性與保水功能，能夠截留降水，發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。植被蓋度可消減降雨的動(dòng)能，植被通過(guò)其枝葉、樹冠等層層攔截，進(jìn)而減弱降雨對(duì)植被土壤的擊打侵蝕，是保持土壤的重要因素，因此，植被的垂直結(jié)構(gòu)，形態(tài)結(jié)構(gòu)是影響土壤侵蝕的重要因素[43]。

4 結(jié)論

在人工模擬降雨條件下，隨模擬放牧強(qiáng)度的不同，高寒草甸坡面徑流出現(xiàn)的時(shí)間各不相同，從未放牧到重度放牧徑流出現(xiàn)的時(shí)間逐漸縮短，徑流量和產(chǎn)沙量隨放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，且降雨強(qiáng)度對(duì)徑流量的影響高于對(duì)產(chǎn)沙量的影響。隨降雨強(qiáng)度的增強(qiáng)，高寒草甸的保水固土效益減弱。對(duì)于不同放牧強(qiáng)度的高寒草甸，土壤入滲率均較高，約在83%～99%之間，高寒草甸的減水減沙效益與雨型具有密切關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.967和0.961，保水效益和固土效益之間有極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.995。隨放牧強(qiáng)度的增強(qiáng)，草地水源涵養(yǎng)量減小。從維持水源涵養(yǎng)功能的角度來(lái)說(shuō)，中度以下的放牧強(qiáng)度是相對(duì)安全的，建議祁連山高寒草甸的放牧強(qiáng)度不要超過(guò)中等放牧。