青海湖流域芨芨草斑塊對地表水分再分配過程的影響

蔣志云, 張思毅, 吳華武, 魏俊奇, 黃楚珩, 李小雁

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631; 2.廣東省生態(tài)環(huán)境研究所 廣東省農(nóng)業(yè)環(huán)境綜合治理重點實驗室,廣東 廣州 510650; 3.華南土壤污染控制與修復(fù)國家地方聯(lián)合工程研究中心, 廣東 廣州 510650; 4.中國科學(xué)院 流域地理學(xué)重點實驗室, 中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所, 江蘇 南京 210008; 5.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部 自然資源學(xué)院, 北京 100875)

斑塊狀植被格局是干旱半干旱區(qū)十分常見的景觀類型[1-2]，其格局的變化常被看作是生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)氣候變化與人類活動產(chǎn)生突變的“指示器”[3-4]。因此，揭示植被斑塊形成及其與水文過程的相互作用機理，對于理解全球變化背景下植物的干旱適應(yīng)機制具有重要意義[5]。

地表水文過程對植被斑塊形成、維持及演變起著十分重要的作用[6-7]。降雨是干旱半干旱地區(qū)植物的主要水源，降雨經(jīng)過植被冠層進入土壤前會發(fā)生兩次再分配過程[8]。首先，降雨經(jīng)過植被冠層時，一部分雨水被冠層截留，一部分雨水穿過冠層形成穿透雨，還有一部分水分會沿著枝干以樹干莖流的形式流到地表[9]；而穿透雨和樹干莖流到達地表后，水分會在地表發(fā)生第二次再分配過程：滲入土壤或形成地表徑流。目前植被斑塊對地表水文過程的影響研究認為，植被斑塊能減緩徑流速度，促進降雨入滲，進而減少了徑流量和產(chǎn)沙量[10]，從而攔截地表徑流并“捕獲”徑流帶來的水分和養(yǎng)分[11]。因此植被斑塊與水分再分配間存在正反饋關(guān)系，通常認為植被斑塊是地表水分的“匯”，而裸地斑塊(基質(zhì)區(qū))是水分的“源”[12-13]。揭示植被斑塊地表水文過程的“源—匯”關(guān)系，對于認識脆弱生境植被斑塊格局與過程的適應(yīng)機制具有重要意義[14]。然而，目前在植被斑塊與地表水文過程研究中，主要側(cè)重于單一過程，如植被斑塊冠層降雨再分配或者植被斑塊對地表徑流的影響等，將冠層降雨再分配與地表水再分配過程整體考慮的試驗研究十分缺乏，這在一定程度上限制了對植被斑塊與地表水文過程相互作用關(guān)系的認識。此外，目前關(guān)于植被斑塊的研究主要集中在灌木斑塊[5]，而對于深根性草叢斑塊的研究相對較少，草叢斑塊對地表水文過程的影響機理是否存在其特殊性，缺乏相關(guān)試驗研究。

芨芨草(Achnatherumsplendens)是一種廣泛分布在干旱半干旱地區(qū)具有耐寒、耐旱、耐鹽堿等特點的多年生草本植物，常呈斑塊狀分布景觀[15]。青海湖流域位于青藏高原東北部，是氣候變化的敏感區(qū)及生態(tài)脆弱區(qū)。流域內(nèi)分布著大面積的芨芨草，其分布區(qū)主要位于青海湖北部至東南部海拔較低的湖岸沖洪積平原，是環(huán)湖地區(qū)重要的生態(tài)屏障，也是人畜活動的主要聚集地[16]。然而，近幾十年來，受氣候變化與人類活動的影響，芨芨草分布的環(huán)湖地區(qū)草地退化與生態(tài)系統(tǒng)功能下降等問題較為突出，具體表現(xiàn)為水源涵養(yǎng)能力降低、水土流失、草地退化及荒漠化等[17-18]。但目前關(guān)于流域內(nèi)芨芨草斑塊格局特征及其對水文過程，特別是地表水文過程的影響機理缺乏深入認識。本文以青海湖流域芨芨草斑塊群落為研究對象，通過野外試驗觀測芨芨草斑塊冠層—地表水分再分配過程，揭示芨芨草斑塊格局在生態(tài)系統(tǒng)尺度上對地表水文過程的影響，旨在探索植被斑塊的形成與水分調(diào)控機理。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海湖流域芨芨草群落主要集中分布于青海湖湖盆區(qū)北部和東南部海拔3 200～3 350 m平坦開闊的湖岸沖洪積平原、河谷階地及山前緩坡，西起鳥島北部，經(jīng)泉吉、剛察等地，沿東南方向至倒淌河地區(qū)，形成一條寬約1～15 km的弧形植被帶，地理范圍為36°34′—37°40′N，99°52′—101°04′E。試驗樣地位于青海湖流域北岸剛察縣內(nèi)(37°14′53″N，100°14′9″E)，該地區(qū)屬于高原大陸性氣候，據(jù)剛察縣多年氣象觀測，平均氣溫為-0.6 ℃，年均降水量為370.3 mm。芨芨草斑塊群落結(jié)構(gòu)分為3層，最高層為芨芨草草叢，第二層為其他禾草如冰草(Agropyroncristatum)、針茅(Stipacapillata)、羊草(Leymuschinensis)、早熟禾(Poaannua)等，最底層為一些低矮的雜草，如冷蒿(Artemisiafrigida)、阿爾泰狗娃花(Asteraltaicus)等。本文將芨芨草草叢冠層垂直投影區(qū)域稱為芨芨草斑塊，芨芨草斑塊之間生長低矮雜草區(qū)域稱為基質(zhì)區(qū)。坡度約為1°～2°，芨芨草斑塊相比基質(zhì)區(qū)地勢稍低。土壤類型以栗鈣土為主，地表無礫石覆蓋，土壤黏粒含量為2%～10%，粉粒含量為34%～56%，砂粒含量為35%～60%[19]，土層深度約為100 cm，土壤pH值和土壤容重分別為9.08，1.21 g/cm3[20]。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 樣地設(shè)置 根據(jù)樣方法調(diào)查研究區(qū)芨芨草斑塊冠幅平均面積約為1 m2，選擇典型芨芨草斑塊分布區(qū)建立地上水文過程觀測樣地，樣地尺寸為10 m×10 m，3個重復(fù)樣地，其地形和植被特征非常接近(見表1)。在樣地內(nèi)設(shè)置穿透雨、地表徑流觀測試驗，具體試驗設(shè)置見下文。在觀測樣地附近100 m內(nèi)安裝有自動氣象站，主要監(jiān)測大氣降水、土壤溫濕度等氣象要素。

表1 樣地地形與植被特征

1.2.2 芨芨草斑塊穿透雨試驗 芨芨草由于枝干纖細，故而在本文中未考慮樹干莖流，冠層降雨再分配主要包括穿透雨與冠層截留。在每個觀測樣地選擇3個形態(tài)相似的芨芨草斑塊(冠幅尺寸約為2 m×2 m)，在斑塊中垂直放置自制穿透雨收集瓶，收集瓶橫豎間距均為50 cm，每個斑塊中5行4列共20個收集瓶。

每次降雨后立即量取收集瓶中的穿透雨，穿透雨量和穿透雨率通過如下公式計算得到：

(1)

Thp=Thv/P

(2)

式中：Thv和Thp分別表示穿透雨量(mm)和穿透雨率(%)；Vi和Ai分別為某次降雨某個收集瓶穿透雨體積量(ml)和收集瓶的表面積(cm2)；P為降雨量(mm)。試驗觀測時間為2014年5月至2015年9月。

1.2.3 地表徑流觀測試驗 每個觀測樣地布設(shè)3種徑流觀測小區(qū)：單個芨芨草斑塊、基質(zhì)區(qū)以及芨芨草斑塊—基質(zhì)鑲嵌區(qū)。單個芨芨草斑塊和基質(zhì)區(qū)徑流小區(qū)尺寸為1 m×1 m，而芨芨草斑塊—基質(zhì)鑲嵌區(qū)的徑流小區(qū)尺寸為4 m×4 m，每種徑流小區(qū)選擇設(shè)置3個重復(fù)。安裝收集裝置時將徑流小區(qū)四周開挖約15 cm小溝，將鐵皮插入溝中并填土壓實，在坡形低洼處設(shè)置出水口，將出水導(dǎo)管連接儲水桶，并將水桶放置在土坑中。每次降雨后立即量取儲水桶中的徑流，徑流系數(shù)計算如下：

RFco=RF/P

(3)

RF=10×RFv/S

(4)

式中：RFco表示徑流系數(shù)； RF表示某次徑流量(mm)；P表示降雨量(mm)； RFv表示徑流體積量(ml)；S表示徑流小區(qū)面積(cm2)。下同。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 芨芨草斑塊地表水分補償比例計算 假設(shè)芨芨草斑塊徑流系數(shù)為R1，基質(zhì)區(qū)徑流系數(shù)為R2，芨芨草斑塊—基質(zhì)區(qū)鑲嵌區(qū)整體徑流系數(shù)為R3，則芨芨草斑塊地表水分補償量I，即基質(zhì)區(qū)流向芨芨草斑塊的徑流量，可計算為：

R1S1P+R2S2P-IS1=R3(S1+S2)P

(5)

(6)

水分補償比例I/P：

(7)

式中：S1,S2分別為芨芨草斑塊和基質(zhì)區(qū)的面積(m2)。

1.3.2 方差分析 采用偏相關(guān)分析的方法討論穿透雨與各因素之間的相關(guān)關(guān)系，應(yīng)用方差分析對比3種芨芨草斑塊、基質(zhì)區(qū)和芨芨草斑塊—基質(zhì)區(qū)間平均徑流系數(shù)的差異。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0(SPSS,Chicago,USA)軟件，置信水平為p<0.01。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

2014—2015年芨芨草樣地總降雨量約為719 mm，降雨主要集中在5—9月份，其中大降雨事件主要發(fā)生在7—8月份(見圖1)。從次降雨記錄來看，小降雨事件(0～5 mm)頻次較高，約占總降雨事件次數(shù)65%，占年降雨量20%左右；中等降雨事件(5～15 mm)發(fā)生頻次次之，約占總降雨事件次數(shù)25%，占總降雨量的50%；大降雨事件(>15 mm)發(fā)生頻次最低，約占總降雨事件10%，且占總降雨量的30%。

圖1 2014-2015年芨芨草樣地日降雨量

2.2 芨芨草斑塊冠層降雨再分配及其影響因素分析

研究期間共收集了62次降雨事件的芨芨草斑塊穿透雨量，期間總降雨量為498.79 mm，次降雨范圍為0.30～35.78 mm，穿透雨總量為352.05 mm，范圍為0.13～28.87 mm，穿透雨所占比例(穿透雨占降雨量比例)為70.58%(范圍為39.71%～90.41%)，冠層截留量所占降雨量比例約為29.4%(范圍為9.51%～60.29%)。

根據(jù)目前關(guān)于降雨再分配影響因素研究，氣象因素(如降雨特征、風(fēng)速風(fēng)向等)是影響再分配過程的主要因素[21-22]，因此本研究主要考慮降雨量、降雨強度、降雨歷時和風(fēng)速風(fēng)向等氣象因素對降雨再分配過程的影響。從相關(guān)分析結(jié)果來看(見表2)，穿透雨量與降雨量、降雨歷時及降雨強度間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，與降雨量的相關(guān)系數(shù)達0.937，依次為降雨歷時(0.673)、降雨強度(0.419)，而與風(fēng)速風(fēng)向之間存在較弱的負相關(guān)關(guān)系。

表2 芨芨草斑塊穿透雨量與各氣象因素間的偏相關(guān)關(guān)系

2014—2015年穿透雨量隨降雨量增大而線性增大(p<0.01,R2=0.984，見圖2)，而線性模型斜率為0.739，說明穿透雨量約占降雨量的73.9%，與實測穿透雨比例平均值接近。將穿透雨所占比例與降雨量之間的關(guān)系進行指數(shù)、對數(shù)、冪函數(shù)及雙曲線函數(shù)擬合，比較發(fā)現(xiàn)指數(shù)模型具有較高的擬合關(guān)系，能夠較好地反映穿透雨所占比例隨降雨量的變化關(guān)系(p<0.01)。在本研究中，根據(jù)指數(shù)模型擬合曲線知，芨芨草斑塊穿透雨所占比例在降雨量大于10 mm后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為72.32%。

圖2 芨芨草斑塊穿透雨量及穿透雨量占降雨量比例與降雨量間關(guān)系

研究區(qū)試驗期間降雨以歷時較短的陣雨為主，降雨過程中雨量分配并不均勻，因此平均雨強不能很好地反映實際的降雨強度，本文選取次降雨的最大10分鐘雨強(I10)進行分析。從給出的I10與穿透雨、冠層截留所占比例的擬合關(guān)系可知(圖3a)，芨芨草斑塊穿透雨所占比例隨雨強的增大而增大，當I10>8 mm/h后趨于平緩，根據(jù)指數(shù)函數(shù)擬合方程可得穿透雨所占比例極限值約為68.83%。

降雨歷時是降雨的主要特征之一，也是影響植被降雨再分配過程的重要因素。從建立的降雨歷時與穿透雨所占比例之間的關(guān)系來看(圖3b)，指數(shù)模型能夠較準確地反應(yīng)它們之間的關(guān)系，芨芨草斑塊冠層降雨再分配過程與降雨歷時之間存在顯著聯(lián)系(R2=0.4，p<0.01)。穿透雨所占降雨量的比例隨降雨歷時的增大而迅速增大(降雨歷時小于5 h)，當降雨歷時大于5 h時，穿透雨所占比例趨于穩(wěn)定，由指數(shù)擬合模型得到的穩(wěn)定值約為73.05%。

2.3 地表徑流再分配過程

2014—2015年共收集54次降雨事件的地表徑流，芨芨草斑塊平均徑流系數(shù)為0.45%，基質(zhì)區(qū)為2.08%，芨芨草—基質(zhì)鑲嵌區(qū)為0.78%。從徑流觀測的結(jié)果來看(見表3)，芨芨草斑塊與芨芨草—基質(zhì)鑲嵌區(qū)的產(chǎn)流臨界降雨量均為1.53 mm，而基質(zhì)區(qū)的臨界產(chǎn)流降雨量為0.30 mm，說明基質(zhì)區(qū)相對芨芨草斑塊更易產(chǎn)流。芨芨草斑塊徑流系數(shù)范圍為0.08%～2.76%，基質(zhì)斑塊為0.02%～9.17%，芨芨草—基質(zhì)鑲嵌區(qū)為0.01%～3.86%，同時，基質(zhì)區(qū)的產(chǎn)流量(最大值與平均值)也顯著高于芨芨草斑塊與芨芨草—基質(zhì)鑲嵌區(qū)，而芨芨草—基質(zhì)鑲嵌區(qū)的產(chǎn)流量(最大值與平均值)略高于芨芨草斑塊。

圖3 降雨強度及降雨歷時和芨芨草斑塊穿透雨比例間關(guān)系

表3 2014-2015年青海湖流域芨芨草斑塊與基質(zhì)區(qū)徑流系數(shù)

徑流系數(shù)方面，隨著降雨量梯度的增大，徑流系數(shù)呈增大的趨勢(見圖4)，且徑流系數(shù)芨芨草斑塊<芨芨草—基質(zhì)鑲嵌區(qū)<基質(zhì)區(qū)。

圖4 3種小區(qū)類型徑流系數(shù)隨降雨量變化特征

由公式(3)可計算出芨芨草斑塊水平方向水分補償比例，2014—2015年54場降雨事件水分補償比例約為1.13%±1.34%，且水分補償比例和降雨量、降雨強度間存在正相關(guān)關(guān)系(見圖5)。隨著降雨量增加，水分補償比例呈增大趨勢，但水分補償比例與降雨強度之間相關(guān)性更強(R2=0.62,p<0.01)，當最大10 min雨強小于10 mm/h時，水分補償比例平均值為0.52%，當雨強大于10 mm/h時，水分補償比例平均值提高至2.99%，最高值可達到4.94%。

圖5 芨芨草斑塊水分補償比例與降雨量和降雨強度間的關(guān)系

3 討 論

研究期間內(nèi)青海湖流域芨芨草斑塊穿透雨總量占降雨量的比例約為70.58%，這一結(jié)果與油蒿(Artemisiaordosica)[22]、小葉錦雞兒(Caraganamicrophalla)[23]等一些干旱區(qū)灌木研究接近[8]，說明具有深根性芨芨草草叢具有和灌木類似的冠層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生接近的穿透雨比例。研究結(jié)果還指出穿透雨所占比例隨降雨量的增加呈先增加后穩(wěn)定的趨勢，穩(wěn)定趨勢值為73.9%，和觀測值接近，說明當降雨量逐漸增大過程中，冠層截留所占比例逐漸降低，當降雨量增大到一定程度時，冠層枝條和葉子到達飽和后對降落到地面的雨水的影響趨于穩(wěn)定，冠層截留所占比例也逐漸穩(wěn)定，與半干旱區(qū)灌木類似[24-25]。再從穿透雨所占比例和雨強的擬合關(guān)系來看(圖3a)，芨芨草斑塊穿透雨所占比例隨雨強的增大而增大，當I10>8 mm/h后趨于平緩，根據(jù)指數(shù)函數(shù)擬合方程可得穿透雨所占比例極限值接近70%。楊志鵬等[24]指出毛烏素沙柳灌叢(Salixpsammophila)穿透雨占降雨量比例隨雨強的增大呈線性增加趨勢，說明雨強對穿透雨的影響可能與植株的結(jié)構(gòu)和形態(tài)有關(guān)。芨芨草枝條缺少灌叢的木質(zhì)部，當發(fā)生較大雨強的降雨事件時，雨水較易穿過冠層進入地表，從而使得穿透雨所占比例增加。整體而言，無論從實際觀測結(jié)果(70.58%)、降雨量增大后穿透雨穩(wěn)定比例(73.9%)，還是降雨強度增大穿透雨穩(wěn)定比例(70%)來看，芨芨草斑塊穿透雨占降雨量比例約為70%左右。此外，除了降雨等氣象因素外，生物因素(如冠幅、枝干傾角、葉面積等)也是影響植物冠層降雨再分配過程的重要因素[8,22]，由于數(shù)據(jù)觀測有限，本文未能進行深入分析，這是未來研究需要解決的問題之一。

芨芨草斑塊對于地表水分再分配過程具有調(diào)控作用。從徑流分析結(jié)果來看(見表3，圖4)，基質(zhì)區(qū)平均徑流系數(shù)為2.08%，遠高于芨芨草斑塊徑流系數(shù)，芨芨草斑塊水平方向水分補償比例為1.13%±1.34%，說明在生態(tài)系統(tǒng)尺度，芨芨草斑塊會受到來自基質(zhì)區(qū)的徑流補償，且隨著降雨量，特別是降雨強度的增大，這種補償效應(yīng)越來越明顯(見圖5)。這是因為芨芨草斑塊相比基質(zhì)區(qū)來說，具有更高的非飽和導(dǎo)水率和孔隙度，以及更低的地形位置[26]，因此Jiang等[19,27]基于電磁感應(yīng)方法反演芨芨草斑塊土壤水分動態(tài)過程時發(fā)現(xiàn)，強降雨事件發(fā)生后，地表水流會從基質(zhì)區(qū)流向更易入滲的芨芨草斑塊，從而增加斑塊的土壤含水量。這種植被斑塊水流的“源—匯”現(xiàn)象在干旱半干旱區(qū)斑塊狀植被生態(tài)系統(tǒng)中十分常見。Cerda[28]研究西班牙一種與芨芨草非常相似的叢狀深根性草本(西班牙紙草，Stipatenacissima)時指出，在相對平坦的地形中，地表徑流的流向是由四周流向西班牙紙草。Peng等[29]通過對比觀測內(nèi)蒙古小葉錦雞兒灌叢斑塊與基質(zhì)(草地)斑塊地表徑流時發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)(草地)斑塊的徑流系數(shù)約為20.4%，顯著高于灌叢斑塊，由于基質(zhì)斑塊面積遠大于灌叢斑塊，因此指出從基質(zhì)斑塊產(chǎn)生的徑流水分會被灌叢吸收。而地表水文過程又會對植被斑塊的生長起到促進作用。當?shù)乇韽搅饔龅讲輩?小斑塊)，徑流流速就會變慢，水分就會有更多的時間入滲到草叢中的土壤里面，從而使得草叢土壤中含有更多的沉淀物質(zhì)及種子而使其變得肥沃，斑塊間土壤表層則變得貧瘠。草叢肥沃的土壤為植被與動物提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)，而動植物個體死亡、腐爛后土壤微生物分解過程又為土壤中提供更多的養(yǎng)分[30]，隨著水分及養(yǎng)分的聚集，植被斑塊尺寸逐漸增大，形成一種自我加強的正反饋機制[31]。Ludwig等[32]提出了一個概念模型，認為地表徑流從裸露斑塊到植被斑塊的再分配過程是干旱區(qū)關(guān)鍵的水文過程之一，它可以增加水分聚集及水分利用效率，增大初級生產(chǎn)力，降低水分損失，帶狀斑塊較點狀斑塊徑流截持率增加約8%，植物生產(chǎn)力提高近10%。水分與沉淀物從裸露斑塊向植被斑塊的空間轉(zhuǎn)化可以提高系統(tǒng)的恢復(fù)力及驅(qū)動植被格局的形成[33]。因此，深根性芨芨草斑塊通過影響地表徑流再分配，使得水分與養(yǎng)分從基質(zhì)區(qū)流向斑塊區(qū)，從而促進斑塊的維持與生長。

4 結(jié) 論

本文通過野外試驗觀測研究了青海湖流域芨芨草斑塊群落降雨再分配及地表徑流過程，主要得到以下結(jié)論：

(1) 芨芨草斑塊穿透雨占降雨量比例為70.58%，變化范圍為39.71%～90.41%，穿透雨主要受降雨量、雨強和歷時的影響，芨芨草斑塊對降雨再分配過程的影響和多數(shù)干旱區(qū)灌木相似；

(2) 芨芨草斑塊平均徑流系數(shù)為0.45%，明顯低于基質(zhì)區(qū)(2.08%)，芨芨草斑塊水平方向水分補償比例為1.13%±1.34%，且隨著降雨量和降雨強度增加而增大，最高可達到4.94%，說明在生態(tài)系統(tǒng)尺度范圍內(nèi)，芨芨草斑塊會受到來自基質(zhì)區(qū)的徑流補償。