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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chēng)“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(guò)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?chē)淘焯?、水利工程建設(shè)等人類(lèi)活動(dòng)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(yàn)指出水文連通性的發(fā)展受地表坡度和降雨強(qiáng)度的影響干擾。Sorriso-Valvo等人[7]發(fā)現(xiàn)植物殘?bào)w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(méi)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(shí),由于遙感影像的限制,存在空間與時(shí)間尺度過(guò)大的問(wèn)題。

甘蔗是一種可多年宿根栽培的經(jīng)濟(jì)作物,也是我國(guó)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(zhǎng)期宿根種植會(huì)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(shí)在生長(zhǎng)過(guò)程中甘蔗會(huì)脫葉對(duì)地表形成二次覆蓋,對(duì)徑流產(chǎn)生新的影響。因此在一個(gè)生長(zhǎng)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(zhǎng)的變化需要進(jìn)一步研究。本研究基于無(wú)人機(jī)高分辨率影像,探究水文連通性隨甘蔗生長(zhǎng)期的變化規(guī)律,甘蔗種植模式及植被覆蓋度對(duì)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(gè)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(rùn)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(lèi)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(zhǎng)分為4個(gè)時(shí)期:苗期、分蘗期、伸長(zhǎng)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(hù)會(huì)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(hù)不對(duì)地表殘留甘蔗蔗葉進(jìn)行處理。在A(yíng)rcGIS中根據(jù)坡向以及分水嶺將流域分為18個(gè)集水區(qū)(圖2),統(tǒng)計(jì)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(jì)

1.2 無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)“大疆精靈4RTK(DJoPhantom 4RTK)”采集流域航拍圖。隨后在室內(nèi)使用無(wú)人機(jī)測(cè)繪軟件Pix4D mapper 4.4.9對(duì)圖像進(jìn)行拼接,得到數(shù)字正射影像DOM(digital orthophoto map)成果。同時(shí)基于DOM附加生成的等高線(xiàn),結(jié)合高程點(diǎn)數(shù)據(jù),在A(yíng)rcGIS 10.3中進(jìn)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A(yíng)rcGIS 10.3中對(duì)無(wú)人機(jī)DOM影像(地面分辨率0.04 m)進(jìn)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(shù)地及河流(道)。

1.3 水文連通性指數(shù)計(jì)算

本研究中使用水文連通性指數(shù)IC來(lái)計(jì)算那辣流域的水文連通性[10],并根據(jù)流域甘蔗種植特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于柵格圖中每一個(gè)像元,IC值計(jì)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(yùn)動(dòng)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(guò)的路徑的長(zhǎng)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(xiàn)面積(m2);di是第i個(gè)單元沿著水流路徑到匯點(diǎn)的距離(m);Wi是第i個(gè)單元的權(quán)重(無(wú)量綱);Si是第i個(gè)單元的斜率梯度(m/m),下標(biāo)k表

示流域中的每個(gè)單元有一個(gè)IC值,為了避免方程組的0和無(wú)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(wú)量綱),指由于土地利用和土壤表面特性而對(duì)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(yàn)中C因子的使用蔡崇法[11]提出的公式計(jì)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(jì)區(qū)總面積的比例。目前多利用遙感影像計(jì)算植被覆蓋度,其中較為實(shí)用的方法如歸一化植被指數(shù)法(NDVI),通過(guò)對(duì)遙感影像紅外波段與近紅外波段反射值進(jìn)行差值運(yùn)算,進(jìn)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(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的普及為高分辨率影像的獲取提供了便利,促進(jìn)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(guò)量綠減去過(guò)量紅指數(shù))來(lái)對(duì)植被覆蓋度進(jìn)行計(jì)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(wú)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(wú)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(diǎn)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A(yíng)rcGIS 10.3中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)期水文連通性分布與變化特征

甘蔗不同生長(zhǎng)期的水文連通性值分布情況如圖3所示,共評(píng)估了4個(gè)時(shí)期,分別為3,6,8月與11月,分別對(duì)應(yīng)甘蔗的苗期、分蘗期、伸長(zhǎng)期和成熟期。流域水文連通性隨甘蔗生長(zhǎng)期呈下降趨勢(shì)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)期相比有所增大,而其他時(shí)期相較前一時(shí)期水文連通性均有所減小。從子流域來(lái)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(shì);子流域3—5,12—15,17表現(xiàn)為先減小(苗期、分蘗期、伸長(zhǎng)期)后增加(成熟期)。

表2 那辣小流域各子流域不同甘蔗生長(zhǎng)期IC均值

圖3 那辣小流域IC值時(shí)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(shí)期分別對(duì)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(zhǎng)期新植甘蔗水文連通性大于宿根甘蔗,但無(wú)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(xiàn)

(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(zhǎng)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(zhǎng)期新植面積比例與植被覆蓋度無(wú)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(zhǎng)期均與植被覆蓋度無(wú)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(zhǎng)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(xiàn)性相關(guān)關(guān)系;賀怡[13]研究發(fā)現(xiàn)道路長(zhǎng)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(xiàn)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(jìn)行線(xiàn)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(zhǎng)期二者無(wú)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(zhǎng)期二者無(wú)顯著相關(guān)性(p＞0.05),新植、宿根對(duì)水文連通性的影響在不同時(shí)期呈現(xiàn)相反趨勢(shì),且新植對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)期與IC的關(guān)系

圖6 植被覆蓋度在不同甘蔗生長(zhǎng)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(duì)新植面積比例、宿根面積比例、植被覆蓋度、坡度4個(gè)影響因素進(jìn)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(gè)時(shí)期均提取了一個(gè)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(duì)各影響因素權(quán)重歸一化后,3個(gè)時(shí)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(guò)的路徑以及下坡“匯”,在考慮景觀(guān)格局影響的同時(shí),融入了徑流泥沙運(yùn)移過(guò)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(gè)點(diǎn)徑流泥沙輸移的可能性,值的大小不僅僅受到點(diǎn)處地表特征的影響,還與點(diǎn)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(diǎn)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(huì)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(shí)誠(chéng)[15]的研究結(jié)果一致;隨著甘蔗生長(zhǎng)期的變化,水文連通性表現(xiàn)為先減小后增加,這是因?yàn)殡S著甘蔗生長(zhǎng),甘蔗冠層的增密使得降雨落地前得到緩沖,同時(shí)甘蔗根系密度的增加使得土壤抗侵蝕能力得到增強(qiáng)[16],以及甘蔗莖稈增粗增密,對(duì)徑流起到阻礙作用,降低了水文連通性,同時(shí)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(huì)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?yàn)樗薷收嵩谏弦荒昕呈諘r(shí)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(huì)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(shí),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?bào)w,能夠起到一定的阻礙水流的作用。隨著甘蔗生長(zhǎng)新植甘蔗與宿根甘蔗的長(zhǎng)勢(shì)及植被覆蓋度逐漸相同,而甘蔗植被覆蓋度以及根密度對(duì)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(lèi)活動(dòng)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(lái)說(shuō),流域水文連通性在甘蔗生長(zhǎng)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(zhǎng)期與水文連通性關(guān)系不顯著,這是因?yàn)檫@兩個(gè)時(shí)期不同種植模式的植被覆蓋度趨近一致;在生長(zhǎng)后期,植被覆蓋度對(duì)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(guò)其種植模式特征對(duì)水文連通性產(chǎn)生影響,另一方面通過(guò)影響植被覆蓋度進(jìn)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(duì)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(zhǎng)影響了那辣流域水文連通性。隨著甘蔗生長(zhǎng)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(zhǎng)期及成熟期(p＜0.05)。同時(shí)受到宿根甘蔗砍收時(shí)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(shì)。

(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(duì)水文連通性有顯著影響(p＜0.05),其中新植甘蔗對(duì)水文連通性影響大于宿根甘蔗。植被覆蓋度在4個(gè)時(shí)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(duì)植被覆蓋度有顯著影響(p＜0.01)。甘蔗種植模式通過(guò)影響植被覆蓋度對(duì)水文連通性造成影響。