甘蔗種植模式對流域水文連通性的影響

明 雪康振威黃智剛鄧羽松

(1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/廣西農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點實驗室,廣西 南寧530004;2.廣西大學(xué) 林學(xué)院,廣西 南寧530004)

水文連通性(hydrological connectivity),也稱“水文連通度或水文連接度”,指在水文循環(huán)中各環(huán)境要素間以水為媒介的物質(zhì)、能量及生物的全部傳輸過程[1],是描述由地表植被變化及土地利用變化引起的水文變化的關(guān)鍵指標(biāo)[2-3]。水文連通性受到氣候、地質(zhì)、地形、土壤、植被、土地利用等多種自然與人為因素綜合作用。崔楨等[4]研究表明,水文連通性的變化主要受圍堤造田、水利工程建設(shè)等人類活動及降雨的影響。Cui等[5]基于遙感影像研究發(fā)現(xiàn)水文連通性隨水體斑塊的數(shù)量和空間分布而變化。王盛萍等[6]基于人工降雨坡面試驗指出水文連通性的發(fā)展受地表坡度和降雨強度的影響干擾。Sorriso-Valvo等人[7]發(fā)現(xiàn)植物殘體覆蓋可以增加表面粗糙度,阻礙坡面挾沙水流。也有研究表明植被覆蓋格局顯著改變了流域水文連通性[8]。但目前還沒有相關(guān)研究反映集約化蔗區(qū)的甘蔗種植模式如新植及宿根甘蔗在流域內(nèi)的分配是如何影響水文連通性的;同時,由于遙感影像的限制,存在空間與時間尺度過大的問題。

甘蔗是一種可多年宿根栽培的經(jīng)濟作物,也是我國重要的制糖原料。甘蔗一般有新植和宿根兩種種植模式。新植指種植蔗種的當(dāng)年甘蔗,宿根指新植后的2～4 a的連作甘蔗。新植甘蔗的裸露地表及深耕后形成的溝道有利于徑流發(fā)展,宿根甘蔗地表覆蓋蔗葉能夠降低雨水沖擊作用、阻礙徑流發(fā)展,但長期宿根種植會導(dǎo)致連作障礙,影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量[9],因此需要重新新植甘蔗。同時在生長過程中甘蔗會脫葉對地表形成二次覆蓋,對徑流產(chǎn)生新的影響。因此在一個生長周期內(nèi),甘蔗種植模式如何影響水文連通性以及水文連通性隨著甘蔗生長的變化需要進一步研究。本研究基于無人機高分辨率影像,探究水文連通性隨甘蔗生長期的變化規(guī)律,甘蔗種植模式及植被覆蓋度對流域水文連通性的影響,以期為流域水文連通性研究及水土流失治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)珠江流域左江那辣小流域(東經(jīng)107°39′29″—107°40′17″,北緯22°20′50″—22°20′36″),流域面積為1.29 km2。整個流域地形起伏較大,坡度為0°～55.6°,平均坡度為8.2°,海拔在111.8～195.7 m。該地區(qū)屬于濕潤亞熱帶氣候,年均氣溫13.8～28.1℃,年均降水量1 400 mm,年降雨量的80%以上集中在3—9月。流域主要土壤類型為赤紅壤,土壤容重1.4～1.8 g/cm3。流域道路大多為未固化土路。該流域位于廣西甘蔗生產(chǎn)的核心密集區(qū),甘蔗種植比例面積最高可達(dá)80%,主要集中在山坡上。甘蔗生長分為4個時期:苗期、分蘗期、伸長期和成熟期。一般苗期為2—3月,收獲期為12至翌年1月。那辣小流域甘蔗種植模式分為新植甘蔗與宿根甘蔗(圖1)。新植指第一年甘蔗,前一年砍收后翻地并重新種植,部分農(nóng)戶會在翻地前將殘葉焚燒或是打碎;宿根指第2 a或第3 a甘蔗,當(dāng)年砍收后不翻地,新蔗發(fā)芽于上一年的甘蔗根部側(cè)芽,農(nóng)戶不對地表殘留甘蔗蔗葉進行處理。在ArcGIS中根據(jù)坡向以及分水嶺將流域分為18個集水區(qū)(圖2),統(tǒng)計各子流域面積、新植甘蔗面積和流域面積比例、宿根甘蔗面積和流域面積比例、田塊數(shù)量(表1),并用于后續(xù)的主成分分析。

圖1 那辣流域土地利用及子流域劃分

圖2 那辣流域集水區(qū)劃分

表1 子流域基本信息統(tǒng)計

1.2 無人機原始影像數(shù)據(jù)采集與處理

在2020年的3月11—12日、6月14—18日、8月11—15日以及11月11—12日,使用無人機“大疆精靈4RTK(DJoPhantom 4RTK)”采集流域航拍圖。隨后在室內(nèi)使用無人機測繪軟件Pix4D mapper 4.4.9對圖像進行拼接,得到數(shù)字正射影像DOM(digital orthophoto map)成果。同時基于DOM附加生成的等高線,結(jié)合高程點數(shù)據(jù),在ArcGIS 10.3中進行內(nèi)插獲取DEM(digital elevation model,數(shù)字高程模型)。使用研究區(qū)矢量圖裁剪DEM與DOM得到研究區(qū)DEM與DOM柵格圖。

在ArcGIS 10.3中對無人機DOM影像(地面分辨率0.04 m)進行矢量化,將土地利用分為新植甘蔗地、宿根甘蔗地、道路,桉樹地及河流(道)。

1.3 水文連通性指數(shù)計算

本研究中使用水文連通性指數(shù)IC來計算那辣流域的水文連通性[10],并根據(jù)流域甘蔗種植特點進行優(yōu)化。對于柵格圖中每一個像元,IC值計算公式為:

式中:Dup是連通性的上坡組分,反映了上坡水向下運動的潛力;Ddn是連通性的下坡組分,它表示水到達(dá)最近目標(biāo)或匯水區(qū)必須走過的路徑的長度;IC取值范圍為[-∞,+∞],隨著連通性的增大,IC之也隨之增大;ˉS是上坡集流區(qū)的平均坡度(m/m);ˉA是上坡貢獻面積(m2);di是第i個單元沿著水流路徑到匯點的距離(m);Wi是第i個單元的權(quán)重(無量綱);Si是第i個單元的斜率梯度(m/m),下標(biāo)k表

示流域中的每個單元有一個IC值,為了避免方程組的0和無窮小,將低于0.005的S取值為0.005;ˉW是上坡集流區(qū)的平均權(quán)重(無量綱),指由于土地利用和土壤表面特性而對徑流和泥沙產(chǎn)生的阻抗。本研究使用通用土壤流失方程中的C因子為W賦值。試驗中C因子的使用蔡崇法[11]提出的公式計算,其值由以下公式得出:式中:C最大為1,表示土壤完全流失,最小為0,表示不產(chǎn)生土壤流失。c為植被覆蓋度(%),指植被(包括葉、莖、枝等)在地面上的垂直投影面積占統(tǒng)計區(qū)總面積的比例。目前多利用遙感影像計算植被覆蓋度,其中較為實用的方法如歸一化植被指數(shù)法(NDVI),通過對遙感影像紅外波段與近紅外波段反射值進行差值運算,進而得出植被覆蓋度。但由于遙感影像分辨率的限制,植被指數(shù)只能近似估算植被覆蓋度。消費級無人機的普及為高分辨率影像的獲取提供了便利,促進了彩色植被指數(shù)的發(fā)展,如ExG,Ex R,GLI,Hue,CIVE,MEGI,NGRDI等。本文選取ExGR指數(shù)[12](excess green minus red index,過量綠減去過量紅指數(shù))來對植被覆蓋度進行計算。

Ex GR值由以下公式給出:

式中:R,G,B分別為彩色影像Red,Green,Blue三波段的像元值;r,g,b為歸一化后的像元值。

因此,本研究植被覆蓋度c的值由以下公式給出:

式中:ExGRsoil為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的Ex GR值;Ex GRveg則代表純植被區(qū)域的Ex GR值。本研究將Ex GR值從小到大排序,把5%處的Ex GR值認(rèn)定為完全是裸土或無植被覆蓋,95%處的Ex GR值認(rèn)定為完全被植被所覆蓋。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本文散點圖及擬合在Origin 2019b中完成,數(shù)據(jù)整理與分析在Excel 2019和IBM SPSS Statistics 25中完成。分布圖在ArcGIS 10.3中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時期水文連通性分布與變化特征

甘蔗不同生長期的水文連通性值分布情況如圖3所示,共評估了4個時期,分別為3,6,8月與11月,分別對應(yīng)甘蔗的苗期、分蘗期、伸長期和成熟期。流域水文連通性隨甘蔗生長期呈下降趨勢。流域不同的區(qū)域有不同的連接潛力,越接近道路網(wǎng)或河道,水文連通性就越高,遠(yuǎn)離道路網(wǎng)或河道的位置通常具有較低的水文連通性。流域水文連通性均值隨甘蔗生長期有所變化(表2),在甘蔗苗期水文連通性變化在-7.68～3.84,均值為-2.07;甘蔗分蘗期水文連通性范圍為-9.99～4.43,其均值為-2.68;伸長期水文連通性范圍為-9.99～4.61,均值為-2.87;成熟期水文連通性變化在-9.53～4.61,均值為-2.86;成熟期水文連通性與前一時期相比有所增大,而其他時期相較前一時期水文連通性均有所減小。從子流域來看(表2),子流域1,6—11,15,17,18的水文連通性表現(xiàn)為減小趨勢;子流域3—5,12—15,17表現(xiàn)為先減小(苗期、分蘗期、伸長期)后增加(成熟期)。

表2 那辣小流域各子流域不同甘蔗生長期IC均值

圖3 那辣小流域IC值時空分布

2.2 不同種植模式下的水文連通性變化特征

如圖4所示,不同種植模式在不同時期分別對應(yīng)不同水文連通性。在苗期和分蘗期,新植甘蔗的水文連通性均顯著大于宿根甘蔗(p＜0.05);伸長期新植甘蔗水文連通性大于宿根甘蔗,但無顯著差異(p＞0.05);成熟期新植甘蔗的水文連通性顯著小于宿根甘蔗

圖4 那辣小流域不同種植模式下IC均值變化曲線

(p＜0.05)。

2.3 種植模式與植被覆蓋度的關(guān)系

表3展示了不同甘蔗生長期新植面積比例、宿根面積比例與植被覆蓋度的關(guān)系。新植面積比例在苗期、分蘗期均與植被覆蓋度呈顯著負(fù)相關(guān),表明隨著新植面積增加,流域平均植被覆蓋度也在降低;伸長期新植面積比例與植被覆蓋度無顯著相關(guān)關(guān)系,成熟期新植面積比例與植被覆蓋度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系;而宿根面積比例在苗期、分蘗期及伸長期均與植被覆蓋度無顯著相關(guān)關(guān)系,但在成熟期宿根面積比例與植被覆蓋度表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.01)。

表3 不同甘蔗生長期新植面積比例、宿根面積比例與植被覆蓋度的關(guān)系

2.4 水文連通性的關(guān)鍵影響因素

姚安坤[3]的研究結(jié)果表明,其研究區(qū)坡度、表面糙率與水文連通性有顯著線性相關(guān)關(guān)系;賀怡[13]研究發(fā)現(xiàn)道路長度、密度和互花米草群落面積、密度與水文連通性指數(shù)呈顯著線性相關(guān)關(guān)系;本研究分別將種植模式、植被覆蓋度與水文連通性進行線性擬合(圖5)。結(jié)果表明,新植甘蔗面積比例與水文連通性在苗期及分蘗期有顯著正相關(guān)關(guān)系(p＜0.05),成熟期為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,其R2值分別為0.31,0.20和0.43,但在伸長期二者無顯著相關(guān)性(p＞0.05);宿根甘蔗面積比例與水文連通性在苗期及分蘗期有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05),成熟期為顯著正相關(guān)關(guān)系,R2值分別為0.20,0.18和0.29,但在伸長期二者無顯著相關(guān)性(p＞0.05),新植、宿根對水文連通性的影響在不同時期呈現(xiàn)相反趨勢,且新植對水文連通性的影響大于宿根的影響;植被覆蓋度與水文連通性在苗期、分蘗期、伸長期及成熟期均表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)(圖6),R2值分別為0.22,0.41,0.33和0.72,即隨著植被覆蓋度的增加,水文連通性在減小。

圖5 不同種植模式在不同甘蔗生長期與IC的關(guān)系

圖6 植被覆蓋度在不同甘蔗生長期與IC的關(guān)系

考慮到植被覆蓋度與種植模式間有顯著相關(guān)關(guān)系,因此對新植面積比例、宿根面積比例、植被覆蓋度、坡度4個影響因素進行主成分分析。分析結(jié)果(表4)展示了水文連通性影響因素主要成分的載荷。3個時期均提取了一個主成分:在苗期,主成分1的特征值為2.77,所解釋的方差變異在55.33%;在分蘗期,主成分1的特征值為2.68,所解釋的方差變異在53.69%;在成熟期,主成分1的特征值為2.74,所解釋的方差變異在54.88%。

表4 特征值大于1的不同影響因素主成分分析及負(fù)荷

在對各影響因素權(quán)重歸一化后,3個時期各影響因素權(quán)重排序均為:新植面積比例＞宿根面積比例＞植被覆蓋度＞坡度。

3 討論

水文連通性指數(shù)IC綜合上坡“源”、必須經(jīng)過的路徑以及下坡“匯”,在考慮景觀格局影響的同時,融入了徑流泥沙運移過程的影響,能夠在一定程度上表征流域內(nèi)徑流、泥沙輸移的難易程度。IC值表示的是流域中某個點徑流泥沙輸移的可能性,值的大小不僅僅受到點處地表特征的影響,還與點在流域中所處的位置有關(guān),在地表特征相同的情況下,越靠近“匯”或出口的點可能具有更高的水文連通性,相反離“匯”或出口越遠(yuǎn)水文連通性就會越低[14]。研究中發(fā)現(xiàn)越接近道路網(wǎng)或河道,水文連通性就越高,遠(yuǎn)離道路網(wǎng)或河道的位置通常具有較低的水文連通性,這與劉時誠[15]的研究結(jié)果一致;隨著甘蔗生長期的變化,水文連通性表現(xiàn)為先減小后增加,這是因為隨著甘蔗生長,甘蔗冠層的增密使得降雨落地前得到緩沖,同時甘蔗根系密度的增加使得土壤抗侵蝕能力得到增強[16],以及甘蔗莖稈增粗增密,對徑流起到阻礙作用,降低了水文連通性,同時減少侵蝕。而在成熟期甘蔗葉片干枯萎縮,植被覆蓋度降低,水文連通性有所增加,新植甘蔗的水文連通性因此也會小于宿根甘蔗。結(jié)果顯示部分子流域的水文連通性在成熟期出現(xiàn)增加的現(xiàn)象,這可能是因為宿根甘蔗在上一年砍收時間較新植甘蔗早,成熟期宿根甘蔗葉片枯萎導(dǎo)致植被覆蓋度降低,造成了水文連通性的增加。

大量甘蔗地用新植甘蔗代替第2 a或第3 a甘蔗并在重新種植前犁地,在土地管理措施不當(dāng)以及大暴雨的情況下,可能會造成嚴(yán)重的土壤侵蝕[17]。在本研究中,苗期與分蘗期新植甘蔗水文連通性顯著大于宿根甘蔗,這是由于新植甘蔗在重新犁地時,挖出了深度在0.2 m左右,寬度在1 m左右的深溝,是天然徑流路徑,因此水文連通性較大,而且壟土松散,為侵蝕提供了有利條件。而宿根甘蔗地表覆蓋有甘蔗殘體,能夠起到一定的阻礙水流的作用。隨著甘蔗生長新植甘蔗與宿根甘蔗的長勢及植被覆蓋度逐漸相同,而甘蔗植被覆蓋度以及根密度對降低地表水流的輸送能力起著關(guān)鍵作用[18]。影響水文連通性的因素包括氣候、地形、土壤、植被以及人類活動等,本研究主要考慮了甘蔗種植模式、植被覆蓋度以及坡度。

總體來說,流域水文連通性在甘蔗生長前期主要受到植被覆蓋度及種植模式的影響,后期主要受到植被覆蓋度影響。新植、宿根甘蔗在伸長期與水文連通性關(guān)系不顯著,這是因為這兩個時期不同種植模式的植被覆蓋度趨近一致;在生長后期,植被覆蓋度對水文連通性的影響可能掩蓋了坡度的影響。新植甘蔗和宿根甘蔗一方面通過其種植模式特征對水文連通性產(chǎn)生影響,另一方面通過影響植被覆蓋度進而影響流域水文連通性。主成分分析結(jié)果表明新植甘蔗對水文連通性影響大于宿根甘蔗,因此有必要控制流域新植面積并與甘蔗產(chǎn)量、質(zhì)量取得最佳平衡。

4 結(jié)論

(1)甘蔗種植與生長影響了那辣流域水文連通性。隨著甘蔗生長期的延伸,水文連通性表現(xiàn)為先減小后增大,苗期顯著高于分蘗期、伸長期及成熟期(p＜0.05)。同時受到宿根甘蔗砍收時間影響,子流域的水文連通性表現(xiàn)為先下降后上升以及持續(xù)下降兩種不同的趨勢。

(2)種植模式與植被覆蓋度是流域水文連通性變化的主要影響因素。新植甘蔗水文連通性比宿根甘蔗水文連通性高6%～24%。在成熟期宿根甘蔗的水文連通性小于新值甘蔗。新植甘蔗面積比例與宿根甘蔗面積比例在苗期、分蘗期及成熟期均對水文連通性有顯著影響(p＜0.05),其中新植甘蔗對水文連通性影響大于宿根甘蔗。植被覆蓋度在4個時期與水文連通性均表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p＜0.05)。

(3)甘蔗種植模式在苗期、分蘗期及成熟期對植被覆蓋度有顯著影響(p＜0.01)。甘蔗種植模式通過影響植被覆蓋度對水文連通性造成影響。