不同灌草格局對(duì)砒砂巖區(qū)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(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 山東 泰安 271018;2.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020)

砒砂巖區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重，水土流失現(xiàn)象劇烈，砒砂巖成巖程度較低，且遇水時(shí)極易膨脹，土壤顆粒組分中細(xì)顆粒含量較為匱乏，砂粒間膠結(jié)程度差，細(xì)小顆粒對(duì)大顆?？紫兜淖枞?、填充作用使得土壤孔隙結(jié)構(gòu)遭到破壞，滲透性能嚴(yán)重降低[1]。這些特性導(dǎo)致砒砂巖分布區(qū)成為黃土高原治理難度最大、侵蝕強(qiáng)度最為劇烈的區(qū)域。合同溝小流域?qū)儆诘湫偷呐皫r強(qiáng)烈侵蝕區(qū)，生態(tài)環(huán)境較為惡劣，坡面土壤流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，是達(dá)拉特旗乃至鄂爾多斯多沙粗沙的代表區(qū)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(duì)于水分承載力較弱的干旱、半干旱地區(qū)而言，植被的控流阻沙功能受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)[3]。因此探究有限水資源支撐下的高效植被布設(shè)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(guī)避水土流失風(fēng)險(xiǎn)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(biāo)[4]，研究徑流過程中土壤的剝蝕特征對(duì)表述水力侵蝕作用下坡面侵蝕過程以及水土流失評(píng)價(jià)具有重要意義。

流速、流量、剪切力和水流功率等水力參數(shù)是坡面土壤侵蝕的驅(qū)動(dòng)力，對(duì)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(dòng)力流的重要參數(shù)，在坡面土壤侵蝕過程和水蝕動(dòng)力機(jī)理的研究中應(yīng)用最為廣泛[6-9]。揭示土壤剝蝕率與水力參數(shù)特征之間的關(guān)系對(duì)探究土壤侵蝕機(jī)制、合理改進(jìn)土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型具有重要意義[9]。但目前關(guān)于坡面水蝕的研究中，其側(cè)重點(diǎn)較多的集中于坡度、雨強(qiáng)及沖刷流量等方面[2,9-10]，而利用水力參數(shù)，解析地表水文過程對(duì)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(qū)最為常見的灌草坡面為對(duì)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(duì)照，分析不同灌草格局下土壤剝蝕率和水動(dòng)力參數(shù)的特征及其相互關(guān)系，以期揭示砒砂巖區(qū)不同灌草格局下土壤侵蝕特征的差異性及其作用機(jī)理，為合理完善水蝕預(yù)測(cè)模型提供科學(xué)理論與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黃河一級(jí)支流罕臺(tái)川的合同溝小流域，行政區(qū)劃屬于內(nèi)蒙古達(dá)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(qū)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(xiàn)為“短歷時(shí)、大雨強(qiáng)”的特征。監(jiān)測(cè)最大降水量達(dá)223 mm/h，且土壤類型以栗鈣土為主，質(zhì)地為砂土，坡面坡度介于5°～15°。區(qū)域內(nèi)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(dá)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(yàn)裝置

根據(jù)達(dá)拉特旗1960—2016年氣象資料記錄的實(shí)際降雨情況，以及該區(qū)“短歷時(shí)，大雨強(qiáng)”的降水特征，選擇1.5，2.0，3.0 mm/min雨強(qiáng)，根據(jù)徑流小區(qū)面積(5 m×2 m)換算后確定試驗(yàn)沖刷流量為15，20,30 L/min。以該區(qū)平均坡度8°作為本研究的試驗(yàn)坡度。根據(jù)檸條灌叢在坡面分布的差異性，分別設(shè)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(yàn)徑流小區(qū)，小區(qū)建造后進(jìn)行圍封，經(jīng)3個(gè)月自然沉降后進(jìn)行試驗(yàn)。各小區(qū)基本概況見表1。

表1 徑流小區(qū)基本概況

本研究中徑流小區(qū)的規(guī)格為5 m×2 m(按水平投影計(jì))，試驗(yàn)之前使用流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行率定，由水泵將自來水泵入供水穩(wěn)流裝置中，消除水流擾動(dòng)，小區(qū)與溢流槽的交界處放置一個(gè)2 m×0.2 m的鋼制平板，以保證水流在較低的動(dòng)能水平下均勻而平穩(wěn)的溢入小區(qū)。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流經(jīng)過60 min徑流基本趨于穩(wěn)定，因此設(shè)定每場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間為60 min，徑流流出小區(qū)時(shí)開始試驗(yàn)計(jì)時(shí)。試驗(yàn)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(cè)定流速、水寬和水深，其中流速采用染料示蹤法測(cè)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(shù)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(cè)量，將泥沙樣品風(fēng)干去除根系等雜質(zhì)后測(cè)定重量，用以土壤剝蝕率的計(jì)算。不同處理間進(jìn)行3次重復(fù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取其平均值，共計(jì)45場(chǎng)。每次試驗(yàn)之前測(cè)定各徑流小區(qū)的土壤含水量，消除土壤水分條件的差異，保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 土壤剝蝕率計(jì)算 土壤剝蝕率(Dr)采用下式計(jì)算[13]：

(1)

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

1.3.2 水動(dòng)力參數(shù)計(jì)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(jì)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(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算處理，SPSS 24.0對(duì)進(jìn)行各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析。采用Origin進(jìn)行圖件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌草格局下土壤剝蝕特征

本試驗(yàn)條件下徑流平均寬度整體介于0.995～0.424 m(圖1)，并呈現(xiàn)出隨沖刷流量增大而逐漸增大的趨勢(shì)。灌草格局對(duì)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(xiàn)出一致的變化趨勢(shì)。

圖1 不同灌草格局下徑流平均寬度特征

灌草格局對(duì)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(xiàn)出增大的趨勢(shì)。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(xiàn)出一致的趨勢(shì)，土壤剝蝕率的大小關(guān)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(shè)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(dòng)力參數(shù)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(shì)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(shí)，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(fā)現(xiàn)水流功率呈現(xiàn)BL>GL>SU>SM>SL的分布趨勢(shì)。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(shì)。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(dòng)力參數(shù)特征

2.3 土壤剝蝕率與水動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征的關(guān)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(guān)關(guān)系，其中水流功率與土壤剝蝕率的線性函數(shù)Dr=0.1275ω-0.1881及冪函數(shù)Dr=0.0167ω2.176的決定系數(shù)均達(dá)到了0.92以上，即兩者均可以對(duì)該區(qū)土壤剝蝕特征進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)，其次則是單位水流功率的線性函數(shù)以及水流剪切力的冪函數(shù)(R2=0.912，0.661)。由回歸分析結(jié)果可知，水流功率是預(yù)測(cè)土壤剝蝕率的最佳水動(dòng)力參數(shù)，水流剪切力的R2值分別只有0.572，0.661，對(duì)土壤剝蝕率的描述效果不佳(圖4)。

圖4 土壤剝蝕率與水動(dòng)力參數(shù)的關(guān)系

通徑分析是研究自變量對(duì)因變量的直接及間接重要性多元統(tǒng)計(jì)技術(shù)[13]，可以為統(tǒng)計(jì)決策提供可靠依據(jù)。通徑分析結(jié)果表明，水流功率和剪切力對(duì)土壤剝蝕率的直接、間接通徑系數(shù)均為正數(shù)，貢獻(xiàn)度分別為86.85%，8.33%，單位水流功率對(duì)土壤剝蝕的貢獻(xiàn)度最低(4.81%)，水流剪切力的間接通徑系數(shù)達(dá)到了0.817。說明水流功率和水流剪切力均對(duì)土壤剝蝕率起增進(jìn)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(dòng)力參數(shù)與土壤剝蝕率的通徑分析

3 討 論

3.1 灌草格局對(duì)土壤剝蝕特征的影響

雨滴或水流驅(qū)動(dòng)下引起的土壤剝離過程是外界侵蝕營(yíng)力與土壤抗蝕能力間相互作用的外在表現(xiàn)，當(dāng)侵蝕應(yīng)力大于土壤的抗蝕能力時(shí)就會(huì)產(chǎn)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(rèn)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(shí)。本研究發(fā)現(xiàn)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(duì)土壤顆粒的膠結(jié)作用，可以固持土壤、提高表土及附近土壤的穩(wěn)定性[15]；根系提升土壤有機(jī)質(zhì)的作用，可以促進(jìn)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[6]，提升表土粗糙度，降低徑流對(duì)土壤的剝蝕；其次，在試驗(yàn)過程中觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)風(fēng)水復(fù)合的特殊的侵蝕環(huán)境下，灌叢所在區(qū)域形成了凸起的丘體[16]，徑流通過灌叢所在位置時(shí)均出現(xiàn)繞過丘體向坡下匯集的現(xiàn)象。丘體對(duì)地表徑流的攔蓄作用可以在一定程度上降低徑流的流態(tài)，削弱徑流對(duì)坡面的剝蝕[17]。從而在對(duì)土壤抗蝕性能的提升效果方面灌草坡面優(yōu)于草地。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，3種沖刷流量下土壤剝蝕率均呈現(xiàn)SU格局>SM格局>SL格局的趨勢(shì)。對(duì)此Zhang等[2]認(rèn)為，徑流對(duì)坡面的侵蝕主要集中于上坡下部到下坡下部的廣泛區(qū)域，徑流過程中坡面侵蝕主要發(fā)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(shí)更有利于坡面重點(diǎn)侵蝕區(qū)域的保護(hù)；并且在干旱半干旱區(qū)，由于氣候的原因有機(jī)質(zhì)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(jié)構(gòu)[18]，此類屏障的形成對(duì)徑流路徑及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)產(chǎn)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(jié)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(qiáng)度[14]。因而在多種因素的共同作用下，土壤剝蝕率表現(xiàn)SU格局>SM格局>SL格局的分布特征。

3.2 水動(dòng)力參數(shù)對(duì)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(dòng)力參數(shù)[8,19-20]。運(yùn)用水動(dòng)力參數(shù)對(duì)不同灌草格局下土壤剝蝕率進(jìn)行量化，有利于建立適用于本研究區(qū)土壤剝蝕率的預(yù)測(cè)模型。Wang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，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(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果相符，不同灌草格局下水流功率和單位水流功率均表現(xiàn)為SL格局

土壤剝蝕率與水動(dòng)力參數(shù)的變化趨勢(shì)基本相同，說明不同植被措施均能夠通過降低水流動(dòng)能來削弱坡面的剝蝕程度[7]，但在土壤剝蝕特征的預(yù)測(cè)研究中，最佳水動(dòng)力參數(shù)選擇仍具有一定爭(zhēng)論，Zhang等[21]認(rèn)為水流功率是估算土壤剝蝕率的最有效水動(dòng)力參數(shù)，而一些研究[19-20]卻發(fā)現(xiàn)，水流剪切力、單位水流功率是土壤剝蝕率的最佳預(yù)測(cè)參數(shù)，對(duì)此Wang等[12]認(rèn)為，研究條件的變化可能會(huì)導(dǎo)致最適宜水力參數(shù)的選取出現(xiàn)差異。針對(duì)本研究而言，簡(jiǎn)化式中水流剪切力是水深和坡度的函數(shù)[13]，本研究試驗(yàn)地點(diǎn)為野外自然坡面，與室內(nèi)試驗(yàn)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(xiàn)象會(huì)使水深對(duì)灌草格局及沖刷流量的反饋降低，導(dǎo)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(xì)溝的發(fā)育也是造成差異的重要原因，Stefanovic等[22]研究認(rèn)為侵蝕泥沙的來源并非全是由水流剪切作用對(duì)坡面土壤的剝離作用產(chǎn)生的，細(xì)溝發(fā)育過程中的溝岸坍塌、溝頭溯源等活動(dòng)作為細(xì)溝發(fā)育的重要組成部分[22]，也是泥沙的重要貢獻(xiàn)來源[23]，而水流剪切力的剪切效應(yīng)主要作用于細(xì)溝底部，這在一定程度上導(dǎo)致了水流剪切力對(duì)土壤剝蝕現(xiàn)象響應(yīng)的敏感性降低；對(duì)于水流功率、單位徑流功率等能量指標(biāo)而言，溝岸崩塌、溝頭溯源等現(xiàn)象可以影響水流剝離搬運(yùn)的能量分配，因而對(duì)土壤剝蝕特征的響應(yīng)更為靈敏。但對(duì)水動(dòng)力參數(shù)和土壤剝蝕率進(jìn)行通徑分析后發(fā)現(xiàn)，水流剪切力的間接通徑系數(shù)達(dá)到了0.817，且對(duì)土壤剝蝕率貢獻(xiàn)率僅次于水流功率，說明在研究坡面徑流對(duì)土壤的侵蝕作用時(shí)，水流剪切力對(duì)土壤剝蝕率的間接作用也不應(yīng)被忽視。

4 結(jié) 論

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

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