灌草鑲嵌坡面土壤緊實度變異及水文連通度的影響

徐 莉,劉 宇,張忠啟,趙 亮,蔣軍樂

(1.江蘇師范大學(xué) 地理測繪與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室,北京 100101;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.河北科技大學(xué),石家莊 050018)

土壤緊實度是衡量土壤質(zhì)量的重要物理指標(biāo)[1]，決定土壤入滲速率，影響土壤侵蝕強度[2]。有關(guān)土壤緊實度的研究多集中在農(nóng)田，關(guān)注耕作方式、作物類型、自然因素等對農(nóng)田土壤緊實度的作用與影響[3-7]，以及緊實度變化對土壤理化性質(zhì)、農(nóng)作物生長發(fā)育及作物產(chǎn)量和品質(zhì)等影響[8-10]。景觀連通度是影響土壤侵蝕過程的重要因素[11]。景觀連通度包括景觀結(jié)構(gòu)連通度和景觀功能連通度[12]。對土壤侵蝕過程而言，景觀結(jié)構(gòu)連通度指產(chǎn)生的徑流、泥沙輸送至目的地的暢通程度[13-14]。在小區(qū)和坡面尺度上，徑流源區(qū)的連通對侵蝕的發(fā)生和發(fā)展有重要影響[11]。從坡頂至坡底，匯水面積逐漸增加，水文連通度也隨之增強，從而增強土壤侵蝕強度，加大表土的剝離程度。與此同時，接收到的上坡輸送的泥沙、凋落物碎屑等也在不斷增加。在植被覆蓋、微地形阻礙體等具備一定攔截能力的地表阻滯體存在的條件下，會形成較為疏松的沉積體[15]。

干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是典型的斑塊鑲嵌結(jié)構(gòu)，灌草斑塊鑲嵌覆被格局較為常見。在干旱半干旱環(huán)境中，灌叢植被更容易導(dǎo)致坡面水流的匯聚[16]，從而改變坡面的水文連通格局，促進高水文連通區(qū)提前在靠近上坡的位置形成，加強沖刷侵蝕[17]而剝離表層疏松土壤。此外，灌叢鑲嵌的坡面，由于灌叢斑塊(尤其是帶刺、較高大的灌叢)的存在，會導(dǎo)致牲畜在坡面的移動路徑由較為分散轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?。這些因素共同作用，可能會塑造出與單一草被不同的水文連通格局和侵蝕—沉積空間異質(zhì)性格局，導(dǎo)致土壤緊實度的空間異質(zhì)性?；谝陨险J(rèn)識，本研究試圖通過格網(wǎng)化的調(diào)查，揭示半干旱地區(qū)灌叢—草地鑲嵌坡面上土壤緊實度的空間變異及水文連通度的影響。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇位于黃河二級支流東蘆河流域的人工灌叢坡面開展研究。東蘆河流域位于陜西省榆林市靖邊縣城南，上游部分區(qū)域?qū)傺影彩邪踩麉^(qū)，大部分位于靖邊縣內(nèi)，為無定河的一條支流。該流域地處毛烏素沙地南側(cè)，黃土丘陵溝壑區(qū)北緣，為鄂爾多斯高原向黃土高原的過渡地帶。氣候?qū)侔敫珊祪?nèi)陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為7.8℃，年平均氣溫日較差為12.4℃，無霜期125 ～179 d。土壤類型主要以砂質(zhì)風(fēng)沙土、黃綿土為主，土質(zhì)疏松，持水性能差，抗侵蝕性低。東蘆河流域內(nèi)地帶性植被以草本為主，間有天然灌叢。草地廣泛分布于黃土丘陵溝壑區(qū)的梁峁頂、溝坡上，優(yōu)勢物種有針茅屬、百里香屬、蒿屬等。這一帶為大面積人工植被營造區(qū)。灌叢除分布于溝坡、谷坡和溝底的狼牙刺、黃刺玫、丁香等自然植被外，以人工種植的檸條為主，部分坡面種有沙棘。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤緊實度測定 本研究選擇位于東蘆河西側(cè)的一個典型人工檸條灌叢—茅草鑲嵌坡面布設(shè)調(diào)查樣地(圖1)。為方便將地面測定的土壤緊實度與基于航拍制圖獲取的坡面位置、景觀連通度相結(jié)合，在每個采樣點使用白色膠帶設(shè)置十字形地面標(biāo)識點。從坡頂至坡底共布設(shè)17行93個樣點，沿等高線方向和垂直于等高線方向間距均約6 m。每個樣點分別采集灌叢下和灌叢間草地土壤緊實度數(shù)據(jù)。

圖1 樣地位置示意圖

土壤緊實度指土壤顆粒間間隙的大小，也稱土壤硬度或土壤穿透阻力。一般用金屬柱塞或探針壓入土壤時的阻力表示，它是衡量地表狀況的一個重要指標(biāo)[18]。坡面主要景觀類型為灌叢—草地鑲嵌景觀。灌叢具有一定攔截泥沙能力，能形成泥沙沉積體。灌叢間草地泥沙攔截能力低。因此可能導(dǎo)致灌叢下和灌叢間草地土壤緊實度的差別。因此，分別測定了灌叢下、灌叢間草地的土壤緊實度。本研究采用型號為WJSD-750-Ⅱ土壤緊實度儀測定土壤緊實度。因為土壤侵蝕對土壤表層影響較大，所以選取土壤緊實度測定深度為10 cm。每個樣點重復(fù)測三次取平均值。根據(jù)樣點的位置，利用ArcGIS空間分析工具克里金插值模塊獲取土壤緊實度的坡面分布圖。

1.2.2 坡面表面模型構(gòu)建及水文連通度計算 坡面表面模型構(gòu)建基于大疆精靈3Standard四旋翼無人機獲取RGB照片制作。整個坡面人工灌叢高度大致在1.5 m以下，無人機飛行高度設(shè)置為15 m，航向重疊設(shè)90%，旁向重疊設(shè)為60%。使用GS Pro軟件規(guī)劃航線，航線規(guī)劃完成后上傳航線數(shù)據(jù)至無人機。為保證圖像的質(zhì)量，采用懸停拍照模式，共獲得覆蓋整個坡面的280張航拍照片。使用Agisoft Photoscan軟件構(gòu)建數(shù)字表面模型(DSM)和生成整個坡面的正射影像。具體處理的流程包括照片對齊(Align Photos)、構(gòu)建密集點云(Build Dense cloud )、構(gòu)建網(wǎng)格(Build Mesh)、生成數(shù)字表面模型(DSM)和生成正射影像圖。其中DSM分辨率為3 cm，正射影像為2 cm。經(jīng)處理去掉灌叢植被后生成坡面DEM，分辨率與DSM一致。

水文連通度量化了坡面任意位置與上坡通過徑流連通的程度[19]。這里采用累積匯流量表征了水文連通度。因此，水文連通度指坡面上任意一個位置的上坡累計匯流面積，即每個柵格單元累積匯流量是指上游匯流區(qū)內(nèi)流入該柵格單元的柵格的總數(shù)與柵格面積的乘積，即累積匯流面積[20]。其假定規(guī)則柵格處有一個單位徑流量，根據(jù)區(qū)域地形水流方向數(shù)據(jù)計算有多少柵格上的徑流流入該柵格，即表明有多少個單位徑流量匯入該柵格單元，從而得到每個柵格上坡來水量[21]。這里采用八鄰單流向算法計算累積匯流量。利用ArcGIS水文分析工具中累積匯流模塊計算累積流量。利用Excel 2016軟件中數(shù)據(jù)分析工具進行相關(guān)性分析、差異比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤緊實度的坡面空間變異

灌叢下土壤緊實度呈下降趨勢，灌叢間草地土壤緊實度呈上升趨勢(圖2)。坡面灌叢下土壤緊實度最大值為37.93 kg/cm2，最小值為17.78 kg/cm2，變幅為20.15 kg/cm2，變異系數(shù)為0.19；草地土壤緊實度最大值為43.22 kg/cm2，最小值為20.12 kg/cm2，變幅為23.1 kg/cm2，變異系數(shù)為0.22。總體上灌叢土壤緊實度低于草地，灌叢間草地土壤緊實度的變異程度亦高于灌叢。

圖2 灌叢與草地緊實度的沿坡位的變化

灌叢間草地和灌叢下土壤緊實度的空間分異存在差別。利用灌叢與灌叢間草地的土壤緊實度實測數(shù)據(jù)分別進行插值，得到僅有灌叢、草地兩種情況下土壤緊實度值的空間分布(圖3)。坡面灌叢土壤緊實度表現(xiàn)為從坡頂至坡中位置增大，坡中至坡底位置逐漸減小，最小值范圍出現(xiàn)在下坡位置，坡面整體上表現(xiàn)為先增大后減小，坡中位置土壤緊實度值達(dá)到最高，介于27～29 kg/cm2。草地的土壤緊實度的空間分布表現(xiàn)為坡中位置最大(40～47 kg/cm2)，向上坡和坡底方向逐漸減小。與灌叢不同的是，草地土壤緊實度最小值分布在上坡位置。

圖3 土壤緊實度空間分布

灌叢和灌叢間草地土壤緊實度的差異隨坡位而異。如圖4所示，差值為草地土壤緊實度減去灌叢土壤緊實度，在上坡位置灌叢土壤緊實度高于草地，從坡中至坡底草地土壤緊實度都不同程度地高于灌叢。從坡頂至坡底方向，灌叢—草地間差值整體上趨向于增加，即越往坡底方向，兩者土壤緊實度差值越大。灌叢—草地同一坡位的土壤緊實度最大差值位于坡底，達(dá)23.66 kg/cm2，最小差值位于上坡，僅為1.49 kg/cm2。

圖4 不同坡位灌叢和草地土壤緊實度差值

2.2 土壤緊實度坡面分異與水文連通度的關(guān)系

土壤侵蝕對表土的剝蝕可增加土壤緊實度，水文連通度高意味著土壤侵蝕強度高[22-23]。在本研究中，灌叢和灌叢間草地斑塊土壤緊實度與水文連通度的關(guān)系表現(xiàn)相反。如圖5所示，從上坡至下坡，灌叢下土壤緊實度與表達(dá)水文連通度的累積匯流面積之間呈負(fù)相關(guān)，而灌叢間草地的土壤緊實度與累積匯流面積呈正相關(guān)。從坡頂至坡底方向，匯流面積逐漸增加，即接收更多的上方來水量，坡面徑流侵蝕能力隨之增強，坡產(chǎn)沙量增加[24]，灌叢由于具有更好的泥沙攔截功能，更有利于形成松散的泥沙堆積體，從而使得灌叢下土壤緊實度隨匯流面積的變化與草地表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

圖5 土壤緊實度與累積匯流面積關(guān)系

3 討 論

土壤緊實度是較為重要的土力學(xué)性質(zhì)，是受土壤機械組成、有機質(zhì)含量及土壤水分等因子影響的綜合指標(biāo)[25]，它直接影響到土壤的可蝕性[26]。在黃土區(qū)，土壤緊實度從表層向深層增加[27]。土壤侵蝕導(dǎo)致表土的流失，從而使土壤緊實度增加。已有研究表明，坡面侵蝕總體趨勢表現(xiàn)為從分水嶺向下由小變大，再由大變小，自分水嶺到坡腳劃分為微弱侵蝕帶—侵蝕強烈?guī)А獩_刷帶—堆積帶[23]。本研究中灌叢間草地的土壤緊實度在空間尺度上表現(xiàn)為中坡位置最大，上坡與下坡位置較小。降雨侵蝕過程是降雨能量對地面做功的表現(xiàn)，做功的最初表現(xiàn)形式是雨滴的擊濺侵蝕[28]。已有研究表明，當(dāng)植被高度超過1 m時，會增強雨滴的濺蝕能力[29]。這與本研究中上坡位置灌叢下土壤緊實度高于灌叢間草地土壤緊實度的結(jié)果相一致。除上坡位置，灌草鑲嵌坡面灌叢間草地的土壤緊實度均不同程度高于灌叢下土壤緊實度。灌叢相對于草地具有更強的泥沙攔截能力，也有較高的凋落物量，易形成較厚的松散堆積體[30]。

本研究所選的灌叢—草地鑲嵌斑塊結(jié)構(gòu)是干旱半干旱地區(qū)典型的景觀結(jié)構(gòu)，具有與純草地景觀不同的水文響應(yīng)特征。已有研究表明灌叢景觀與草地相比有更高的徑流系數(shù)[31]，因為灌叢景觀徑流向灌叢間匯聚[32]，形成較高的水文連通度，且灌叢間入滲率低于灌叢區(qū)[33]；本研究區(qū)存在一定的放牧活動，由于檸條灌叢的存在，牲畜移動路徑往往呈現(xiàn)出鑲嵌于灌叢間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這會形成牲畜對灌叢間草地區(qū)域的較強的踐踏，加劇土壤的板結(jié)，同時促進裸地斑塊之間的水文連通，最終增大灌叢與灌叢間草地土壤緊實度差異。

4 結(jié) 論

通過對東蘆河流域典型人工檸條—草地鑲嵌坡面灌叢和灌叢間草地土壤緊實度的調(diào)查分析，探討景觀連通度對土壤緊實度的影響。研究結(jié)果表明：人工灌叢坡面灌叢下與灌叢間草地斑塊的土壤緊實度在坡面尺度都呈現(xiàn)先增加再降低的變化趨勢，即中坡位置的土壤緊實度值都較上坡、下坡位置高；同一坡位灌叢與草地土壤緊實度存在差異，從坡中偏上至坡底位置草地土壤緊實度都不同程度地高于灌叢，二者最小差值位于上坡位置，最大差值位于下坡位置。在灌叢—草地鑲嵌的坡面，景觀連通度對土壤緊實度的影響表現(xiàn)為草地土壤緊實度與水文連通度正相關(guān)，而灌叢下土壤緊實度與水文連通度呈負(fù)相關(guān)。