自然降雨下黄土丘陵区草灌植物垂直覆盖结构的减流减沙效应

邵奕铭,高光耀, 4, *,刘见波,傅伯杰, 4

1中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 2 中国科学院大学,北京 100049 3 天津师范大学,天津 300387 4 陕西黄土高原地球关键带国家野外科学观测研究站,西安 710061

黄土高原是我国水土流失和生态环境问题最为严重的地区之一[1]。土壤侵蚀导致土壤退化和土地生产力降低,制约社会、经济和生态系统的可持续发展[2]。植被恢复是防治水土流失的重要措施[3]。植物垂直覆盖结构包括地上冠层、地表枯落物和地下根系,是研究植被与水土流失关系的基本单元,也是造成不同植被水土流失效应差异性的主导因素。地上冠层能够截留降雨,减弱雨滴动能,起到缓冲降雨的作用[4—6]。地表枯落物直接覆盖地表,可以拦截降雨、减少蒸发、增加入渗[7—8]。根系能够增强土壤水分入渗能力,改善土壤性质,从而减少径流和土壤流失[9—10]。植物垂直覆盖结构各组分具有不同的水土保持作用,深刻影响着植被恢复对水土流失治理的总体效果[11—13]。因此,有必要系统分析不同植物垂直覆盖结构组分对产流、产沙以及入渗等各过程的影响,深入理解植物垂直覆盖结构对水土流失的影响机理。

植被对水土流失影响的研究大多从植被类型或地表覆被角度开展[14—15]。Zhang等[15]利用meta分析对黄土高原的55个观测点数据进行统计,结果表明在年降雨量为400—600 mm的地区,与草地和混交林相比,灌木的年平均径流量(21.36 mm/a)和年土壤流失量(13.36 t hm-2a-1)最低,植被类型之间的产流产沙差异主要是由植物冠层、枯落物和根系的形态和结构差异所造成。Li和 Pan[16]利用模拟降雨-冲刷实验,研究了三种草本植物的原始状态、去枯落物和去除叶片处理以及仅留根系处理下径流流速、流量和侵蚀状况,结果显示草本地上部分对径流速率和流量减少的贡献率分别为64%和86%,而根系的减沙贡献率达到84%。Zhang等[17]利用野外模拟降雨实验研究草地根系和地上幼苗的减沙效果,结果表明草地根系和地上幼苗的减沙贡献率大致相等。顾朝军的野外模拟降雨实验结果表明灌木地下根系的减流和减沙贡献率更大,分别为53.4%和90.4%[18]。可以看出,目前黄土高原关于植物垂直覆盖结构不同组分对土壤侵蚀影响的研究主要是基于人工模拟降雨,且在不同垂直覆盖结构的减流减沙贡献率上尚未形成一致的结论,缺乏自然降雨条件下不同植物地上冠层、枯落物和地下根系对产流、产沙和入渗等多过程影响的系统研究。

为此,本文以黄土丘陵区典型的草灌植物为研究对象,通过设置不同垂直覆盖结构处理的坡面微型小区,系统研究自然降雨下不同植物和垂直覆盖结构的产流、产沙和入渗特征及其差异,量化不同垂直覆盖结构对减流减沙的相对贡献,为黄土高原土壤侵蚀控制和植被恢复的可持续管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文研究区为黄土丘陵沟壑区的典型小流域—羊圈沟小流域(36°42′ N,109°31′ E),位于陕西省延安市宝塔区。小流域的流域面积为2.02 km2,海拔在1025—1250 m之间,沟壑密度为2.74 km2。小流域属于半干旱大陆性季风气候,年平均气温和降水量分别为9.8°C和535 mm,年内降雨变化率大,雨季主要集中于7—9月。小流域土壤类型以黄绵土为主,质地均一,土质疏松,极易受土壤侵蚀。小流域处于森林草原过渡带,自然植被破坏严重,植被以退耕还林还草工程实施后的人工植被和自然恢复的次生植被为主。草地、灌木和林地是流域内三种典型的土地利用类型,分别占流域面积的43.7%、22.4%和15.1%[19]。草本类主要有长芒草(Stipabungeana)和须芒草(Andropogonyunnanensis)等,半灌木主要有铁杆蒿(Artemisiasacrorum)等,灌木主要有绣线菊(Spiraeapubescens)和沙棘(Hippophaerhamnoides)等,乔木主要有刺槐(Robiniapseudoacacia)等。

1.2 试验设计

以草本(须芒草)、半灌木(铁杆蒿)和灌木(绣线菊)作为研究对象,选择立地条件相似、形态结构相似的同物种植株,布设不同垂直覆盖结构的微型小区(长1.0 m,宽1.0 m)。草灌植物特征和土壤属性见表1。试验处理包括自然状态(Intact condition, IC)、去除枯落物(Removing litter, RL)、仅留根系(Only roots, OR)3种处理,并设置裸地空白对照处理,每种处理设置3个重复,共30个微型小区(图1)。自然状态小区的垂直覆盖结构包括地上冠层、地表枯落物和地下根系,去除枯落物小区的垂直覆盖结构包括地上冠层和地下根系,仅留根系小区是将地上冠层和地表枯落物清除形成。

表1 草灌植物特征和土壤性质

图1 植物垂直覆盖结构处理示意图 Fig.1 The schematic diagram of plant vertical cover structure treatments including

1.3 数据收集

本研究监测时段为2015年6—9月和2016年6—9月。在微型小区附近的空旷地,采用自记式雨量计(RG—3M)监测降雨过程,获取次降雨量、历时、平均雨强、时段雨强等降雨参数。若降雨间隔超过6 h,则视为两次降雨事件。每次降雨发生后,收集次降雨径流量,并采集一定量的混合均匀后的径流样品,利用烘干称重法测量泥沙量,根据泥沙浓度计算次降雨产沙量。采用土壤湿度传感器(EC—5 soil moisture Smart sensor)连续测量土壤含水量变化,利用U30数据采集器(HOBO U30 NRC)进行记录,监测深度为0—5 cm、5—10 cm、10—20 cm、20—40 cm,数据采集间隔为60 s,通过对产流过程中土壤水分变化的实时动态过程监测,获取产流前后土壤含水量,从而计算入渗量。

1.4 指标计算

减流率、减沙率、减流减沙比和泥沙浓度减少率均是在次降雨尺度计算后求平均值,用以刻画植物对水土流失的减少程度。减流率、减沙率和泥沙浓度减少率分别为相比裸地小区,各垂直覆盖结构处理小区产流量、产沙量和泥沙浓度减少的比率。减流减沙比为减流率和减沙率的比值。植被控制土壤侵蚀是冠层、枯落物和根系共同作用的结果。冠层的减流减沙量等于去除枯落物小区和仅留根系小区的产流产沙量差值。枯落物的减流减沙量等于自然小区和去除枯落物小区的产流产沙量差值。根系的减流减沙量等于仅留根系小区和裸地小区的产流产沙量差值。

三种植物的不同垂直覆盖结构小区的减流率计算公式为：

(1)

式中,CR表示某一植物某种垂直覆盖结构处理微型小区的减流率(%),Rb为裸地微型小区的产流量(mm),R为某一植物某种垂直覆盖结构处理微型小区的产流量(mm)。同理,可推导出不同植物垂直覆盖结构小区的减沙率(%)。

冠层、枯落物和根系的减流效益分别为：

CRC=CRrl-CRor

(2)

CRl=CRic-CRrl

(3)

CRr=CRor

(4)

式中,CRc、CRl和CRr分别为冠层、枯落物和根系的减流效益(%)；CRic、CRrl、CRor分别为自然状态、去除枯落物、仅留根系微型小区的减流率(%)。同理,可推导出冠层、枯落物和根系的减沙效益(%)。

冠层、枯落物和根系的减流贡献率分别为：

(5)

(6)

(7)

式中,RCRc、RCRl和RCRr分别为冠层、枯落物和根系的减流贡献率(%)。同理,可推导出冠层、枯落物和根系的减沙贡献率(%)。

1.5 数据处理与分析

利用方差分析方法,分析和比较不同植物和垂直覆盖结构之间产流、产沙和入渗特征及其差异性。使用 SPSS 26.0软件对数据进行统计分析,采用方差分析(ANOVA)在0.05显著水平检验组间差异,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较(P<0.05)。使用Origin 2018软件进行绘图制作。

2 结果和分析

2.1 不同植物垂直覆盖结构处理的产流产沙特征

如图2所示,垂直覆盖结构可显著影响产流量、产沙量、入渗量和泥沙浓度等土壤侵蚀特征。不同垂直覆盖结构处理的产流量存在显著性差异(P<0.05),在任一植物中均表现为：自然状态<去除枯落物<仅留根系<裸地。与去除枯落物处理相比,须芒草、铁杆蒿和绣线菊仅留根系处理的产流量分别增加1.53 mm、2.09 mm和2.48 mm。在同一处理下,不同植物间产流量的差异较为复杂。自然状态下须芒草、铁杆蒿和绣线菊的平均产流量分别为3.70 mm、2.51 mm和1.84 mm,差异显著(P<0.05)。去除枯落物处理下,须芒草的产流量(4.53 mm)显著大于铁杆蒿(3.80 mm)和绣线菊(3.43 mm)(P<0.05),但铁杆蒿和绣线菊之间产流量没有显著性差异(P>0.05)。仅留根系处理下三种植物的产流量没有显著性差异(P>0.05)。

图2 三种植物在不同垂直覆盖结构处理下的次降雨产流量、产沙量、入渗量和泥沙浓度Fig.2 Comparison of runoff, soil loss, infiltration and sediment concentration under different vertical cover structure treatments for the three plants不同大写字母表示同一垂直结构处理下不同植被类型间的差异显著(P<0.05)。不同小写字母表示同一植被类型下不同垂直结构处理间的差异显著(P <0.05)

不同处理间产沙量也呈现显著性差异(P<0.05),在任一植物中均表现为：自然状态<去除枯落物<仅留根系<裸地。在不同处理间,须芒草的仅留根系与裸地处理间的产沙量差值最大,为81.88 g/m2,而铁杆蒿和绣线菊的仅留根系与去除枯落物处理间的产沙量差值最大,分别为83.04 g/m2和84.55 g/m2。同一种处理下不同植物间产沙量关系复杂。在自然状态和去除枯落物处理中,须芒草、铁杆蒿和绣线菊微型小区之间产沙量差异不显著(P>0.05),但在仅留根系处理中,铁杆蒿小区产沙量(178.25 g/m2)显著大于须芒草小区产沙量(162.69 g/m2)(P<0.05)。

从图2可以看出,任一植物中各处理入渗量顺序均为：去除枯落物<裸地<自然状态<仅留根系。在须芒草小区中,四种处理入渗量的差异性不显著(P>0.05)。在铁杆蒿和绣线菊小区中,自然状态和仅留根系处理的入渗量显著大于裸地和去除枯落物处理(P<0.05),但自然状态和仅留根系处理间、裸地和去除枯落物处理间的差异性不显著(P>0.05)。除自然状态下,铁杆蒿(10.08 mm)和绣线菊(10.09 mm)的入渗量显著大于须芒草(9.53 mm)外(P<0.05),其余处理下不同植物间的入渗量没有显著性差异(P>0.05)。

不同垂直覆盖结构间泥沙浓度的差异与产流量和产沙量相似,任一植物中均表现为：自然状态<去除枯落物<仅留根系<裸地(图2)。裸地的泥沙浓度最高(35.7 g/L),自然状态下绣线菊小区的泥沙浓度最低(7.1 g/L)。自然状态下,三种植物间泥沙浓度没有显著性差异(P>0.05),而在去除枯落物和仅留根系处理中,铁杆蒿和绣线菊的泥沙浓度显著大于须芒草(P<0.05)。

2.2 不同植物垂直覆盖结构处理的减流减沙率

不同处理下的减流率、减沙率、减流减沙比和泥沙浓度减少率如图3所示。不同植物垂直覆盖结构处理的微型小区减流率和减沙率差异性显著(P<0.05),在任一植物中均表现为：自然状态>去除枯落物>仅留根系。在同一处理下,不同植物间减流减沙率存在较大差异。自然状态下,须芒草、铁杆蒿和绣线菊的减流率差异性显著(P<0.05),分别为45.9%、63.8%和73.2%,但各植物的减沙率差异性并不显著(P>0.05),分别为87.5%、91.3%和94.6%。去除枯落物处理中,铁杆蒿(44.5%)和绣线菊(49.9%)的减流率显著高于须芒草(33.9%)(P<0.05),但三种植物的减沙率差异性不显著(P>0.05)。仅留根系处理中,各植物的减流率没有显著性差异(P>0.05),但须芒草(33.8%)的减沙率大于绣线菊(30.2%),而且显著大于铁杆蒿(27.1%)(P<0.05)。

图3 三种植物在不同垂直覆盖结构处理下的减流率、减沙率、减流减沙比和泥沙浓度减少率Fig.3 The runoff reduction, soil loss reduction, ratio between runoff and soil loss reduction, and sediment concentration reduction under different vertical cover structure treatments for the three plants.

如图3所示,各植物垂直覆盖结构处理的减流减沙比均小于100%,说明各处理减沙效应均大于减流效应。在须芒草和铁杆蒿的垂直覆盖结构处理中,减流减沙比均表现为：去除枯落物>自然状态>仅留根系,而在绣线菊中,减流减沙比表现为：自然状态>去除枯落物>仅留根系,且自然状态和去除枯落物的减流减沙比差异不大,但均显著大于仅留根系处理(P<0.05)。自然状态下绣线菊的减流减沙比最大(77.2%),而最小的减流减沙比出现在去除枯落物处理的须芒草小区(33.9%)。

任一植物中各处理泥沙浓度减少率顺序均为：自然状态>去除枯落物>仅留根系,并且不同处理间差异性显著(P<0.05)(图3)。与自然状态相比,须芒草、铁杆蒿和绣线菊去除枯落物处理的泥沙浓度减少率分别降低32.1%、46.8%和49.5%,仅留根系处理的泥沙浓度减少率分别降低51.8%、60%和60.8%。自然状态下各植物的泥沙浓度减少率没有显著性差异(P>0.05),而在去除枯落物和仅留根系处理中,须芒草的泥沙浓度减少率显著大于铁杆蒿和绣线菊(P<0.05)。

2.3 不同植物垂直覆盖结构对减流减沙的贡献率

须芒草、铁杆蒿和绣线菊不同垂直覆盖结构组分的减流和减沙效益如表2所示。各植物冠层、枯落物和根系的减流效益分别在22.6%—36.3%,12.1%—23.1%和11.3%—14.2%之间。任一植物的冠层减流效益都显著高于枯落物和根系(P<0.05)。绣线菊的枯落物减流效益(23.1%)显著大于其根系减流效益(13.7%),其余两种植物枯落物和根系的减流效益没有显著差异(P>0.05)。同一垂直覆盖结构组分的减流效益在不同植物间关系复杂。绣线菊和铁杆蒿的冠层和枯落物减流效益均显著高于须芒草(P<0.05),但三种植物根系的减流效益没有显著差异(P>0.05)。

表2 三种植物不同垂直覆盖结构组分的减流效益和减沙效益

各植物冠层、枯落物和根系的减沙效益分别在24.1%—33.5%,27.1%—33.9%和29.8%—34.6%之间。须芒草冠层(29.9%)和根系(33.5%)的减沙效益显著大于枯落物(24.1%)(P<0.05),铁杆蒿冠层的减沙效益(33.9%)显著大于根系(27.1%),而绣线菊三种垂直覆盖结构组分的减沙效益差异不显著(P>0.05)。同一垂直覆盖结构组分的减沙效益在不同植物间存在差异。三种植物冠层减沙效益的顺序为：绣线菊>铁杆蒿>须芒草,但没有显著差异(P>0.05)；三种植物枯落物减沙效益的顺序为：铁杆蒿>绣线菊>须芒草,其中铁杆蒿和绣线菊的枯落物减沙效益显著大于须芒草(P<0.05),分别为30.2%、29.8%和24.1%；三种植物根系减沙效益的顺序为：须芒草>绣线菊>铁杆蒿,其中须芒草和绣线菊的根系减沙效益没有显著差异(P>0.05),分别为33.5%和30.3%。

须芒草、铁杆蒿和绣线菊不同垂直覆盖结构组分对减流和减沙的贡献率如图4所示。冠层的减流贡献率约占一半,变化范围从48%—50%,在三种植物间差异较小；枯落物的平均减流贡献率(29%)略高于根系(22%)。枯落物和根系的减流贡献率在不同植物间差异较大,其变化范围分别为26%—32%和18%—25%。三种植物枯落物的减流贡献率大小顺序为：绣线菊>铁杆蒿>须芒草,而三种植物根系的减流贡献率大小顺序与之相反。

图4 三种植物不同垂直覆盖结构组分的减流贡献率和减沙贡献率Fig.4 Contribution rate of different vertical cover structure components to runoff and soil loss reduction for the three plants

各植物的冠层、枯落物和根系的减沙贡献率范围分别为34%—37%、27%—33%和30%—39%,平均值分别为36%、30%和34%(图4)。须芒草、铁杆蒿和绣线菊的垂直覆盖结构组分减沙贡献率大小顺序分别为：根系>冠层>枯落物、冠层>枯落物>根系和冠层>根系>枯落物。与减流贡献率相比,冠层的减沙贡献率明显降低,而根系的减沙贡献率明显上升,同时枯落物的减沙贡献率变化不明显。

3 讨论

本研究表明,各植物均能有效的减少径流和土壤侵蚀(图2)。与裸地相比,自然状态下须芒草、铁杆蒿和绣线菊分别减少了45.9%、63.5%、73.1%的产流量和87.5%、91.3%、94.6%的产沙量,这也表明植物控制土壤流失能力大于削弱产流能力(图3)。自然状态下须芒草、铁杆蒿和绣线菊的入渗量分别为9.53 mm、10.08 mm和10.09 mm,较裸地相比分别提高了4.72%、10.76%和10.77%。李坤等[20]通过实地观测发现不同植被类型增加土壤入渗的顺序为：林地>灌木>草地。这一结果与不同植被类型对坡面入渗的调控作用机制有关：草地的冠幅较小,因此更多的是直接拦沙的功效,而灌木的冠幅更大,可以显著降低雨滴动能,进而增加土壤入渗[21]。

冠层、枯落物和根系都具有减少土壤侵蚀的作用,并且各组分的贡献率也不同(图4)。本研究表明,冠层和枯落物在减少径流中起到了较高的作用,平均减流贡献率为49%和29%,这与以往的研究结果相似[22]。这是因为植被冠层可以减少降雨动能,改变雨滴直径,延缓径流的发生,同时枯落物可以截留降雨,积累和减缓地表径流,增加入渗。然而,冠层、枯落物、根系的平均减沙贡献率为36%,30%和34%,这与之前的研究结果差异较大[23]。以往研究表明在去除地表冠层后,坡面侵蚀产沙量增加幅度较大,因而根系具有较高的减沙贡献率[16]。Zhao等[24]通过模拟野外降雨实验发现草地根系减少泥沙的贡献率(66%)高于地上冠层,并且根系对临界剪切应力的提升远高于冠层的作用。Zhou 和 Shangguan[9]同样利用野外模拟降雨研究也发现根系减少泥沙的能力高于地上部分。然而Zhang等[17]认为草本冠层和根系在减沙方面发挥的作用几乎是相等的。研究结果之间的差异可能是由于不同研究人员选取的植物种类不同所致,其次模拟降雨的雨强较高,这可能会导致自然状态小区与仅留根系小区的减沙效益差异不显著,因此根系具有较高的减沙贡献率[25—26]。此外,有研究表明在植被生长的不同阶段,植物垂直覆盖结构组分的减流减沙能力也不同[27—28]。

植物垂直覆盖结构组分在不同植物间减流减沙效益存在差异(表2),这是由不同植物的功能性状决定。铁杆蒿和绣线菊的冠层减流效益明显高于须芒草,这是因为绣线菊和铁杆蒿植株高度和茎密度更高(表1),可以有效增加植物表面积,降低地表流速,同时促进土壤水分入渗,而且绣线菊和铁杆蒿的叶片更柔软,分布更密集,从而表现出更高的吸附水的能力,能有效减弱穿透雨的总量和强度[28]。三种植物的枯落物对减流效益均有一定的贡献,枯落物在须芒草、铁杆蒿和绣线菊之间的减流减沙贡献率差异可能是由枯落物形状和生物量差异所致(表1)。枯落物的形状、覆盖率、生物量和厚度等决定其水土保持功能的大小[29]。三种植物根系的减沙贡献率均大于减流贡献率(图4),说明根系对于减少侵蚀的作用较大,这与根系通过改善土壤属性,增加土壤稳定性团聚体数量,稳定土层结构降低土壤侵蚀风险来控制水土流失的方式有关[30—31]。对植物种类和垂直覆盖结构组分进行交互作用分析,发现两者间存在显著的交互作用,且简单效应分析得到的结果与表2结果一致,需要深入分析植物种类与垂直覆盖结构的交互作用对减流减沙效应的影响机理。同时,在后续的研究中应对不同降雨条件(如降雨强度)下植物各垂直覆盖结构的减流减沙效应进行比较和分析,这有助于进一步理解植物与水土流失之间的关系。

4 结论

本研究采用野外微型小区自然降雨监测的方法,通过设置不同植物种类下不同垂直覆盖结构处理,分析了不同植物和垂直覆盖结构对于土壤侵蚀的影响及其差异性,量化植物不同垂直覆盖结构组分对减流减沙的贡献,主要结论如下:

1)三种植物均能有效地减少径流和土壤侵蚀,且减沙作用强于减流作用。自然状态下,三种植物间的减流率有显著差异(绣线菊>铁杆蒿>须芒草),但三者间的减沙率没有显著差异。与裸地相比,自然状态下须芒草、铁杆蒿和绣线菊分别增加了4.72%、10.76%和10.77%的入渗量。

2)植物垂直覆盖结构组分中,冠层对减少径流的作用最大,平均减流贡献率为49%。三种植物的枯落物减流贡献率为：绣线菊>铁杆蒿>须芒草,根系减流贡献率顺序与之相反。冠层、枯落物和根系的平均减沙贡献率为36%、30%和34%,在减沙方面均有重要作用。须芒草的根系对控制侵蚀方面具有更大作用,而铁杆蒿和绣线菊冠层的减沙贡献率更高。

3)绣线菊和铁杆蒿的植株高度和茎密度更高,三种植物的叶片和根系形态有较大差异。植物垂直覆盖结构组分在不同植物间减流减沙能力的差异,与植物功能性状密切相关。