李燕剛,胡桂清,張文太,劉星宏,孫桂麗

(1. 新疆農業(yè)大學資源與環(huán)境學院/新疆土壤與植物生態(tài)過程自治區(qū)級重點實驗室,烏魯木齊 830052;2. 新疆農業(yè)大學林學與風景園林學院,烏魯木齊 830052)

【研究意義】水土資源一直是人們賴以生存的寶藏,土壤侵蝕對生態(tài)環(huán)境造成重大威脅,了解土壤侵蝕過程的相關影響對生態(tài)環(huán)境恢復至關重要。長期以來導致新疆及西北干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱問題主要有兩點,一是由于水土流失導致土地資源流失、土壤板結和土壤質量下降等問題[1],二是由于該區(qū)年均降雨少、年均蒸散量大,并且雨熱不同期,易引發(fā)植被退化導致土壤侵蝕及土地荒漠化等問題[2]。造成土壤侵蝕的因素有很多,包括土壤類型、降雨特征、地形地貌、植被特征和水土保持措施[3-4],其中降雨特征是直接導致土壤侵蝕產流產沙最主要的驅動因子,植被對降雨進行再分配,通過改善植被布局是防治水土流失的主要措施[5]。伊犁河谷位于新疆西北部,強烈的蒸散發(fā)導致干旱缺水,由于極端降雨導致水土流失嚴重,雨熱資源分布不均是限制植被恢復的關鍵問題,嚴重制約生態(tài)可持續(xù)發(fā)展[6]。土壤侵蝕程度、分布規(guī)律和發(fā)生頻次與降雨特征存在密切關系[7],植被通過覆蓋度和管理措施等[8-9]影響土壤侵蝕。在不同降雨條件下,開展植被影響土壤侵蝕特征的研究對國土綠化和水土流失防治具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】國內外學者將自然降雨的降雨量、降雨強度和降雨歷時等特征因子,運用系統(tǒng)聚類、K均值聚類等方法把自然降雨劃分若干雨型[10-11],在篩選自然降雨的雨型劃分標準時,以裸坡土壤侵蝕特征的差異作為依據,而對于有植被覆蓋的坡面,降雨和植被對土壤侵蝕的共同作用仍需進一步討論。朱燕琴等[12]在黃土丘陵區(qū)研究發(fā)現中雨、大雨(B、C)雨型是主要產流的降雨類型,不同雨型下植被類型的產流特征不同。楊青等[13]在喀斯特地區(qū)研究發(fā)現A雨型(短時強降雨)下經果林的水土保持效益最好。楊振奇等[14]在裸露砒砂巖區(qū)研究發(fā)現不同雨型下人工沙棘林的水土保持效益最好。Yan等[15]在中國東北地區(qū)研究發(fā)現,降雨特征對徑流的變化大于植被生長性狀,應及時關注降雨特征變化。Huo等[16]在中國華北地區(qū)坡面水土流失研究中發(fā)現降雨強度在土壤侵蝕中起主導作用,而降雨積累是徑流的主要影響因素。不同降雨特征會顯著影響坡面產流產沙的規(guī)律,不同植被對坡面徑流調控規(guī)律不一,其產流產沙對不同降雨類型的響應存在差異[17]。不同的降雨類型導致植被恢復方式和植被種類的水土保持效益有所差異[18]?！颈狙芯壳腥朦c】在極端降雨頻發(fā)的伊犁河谷,關于植被的土壤侵蝕特征多以模擬降雨研究為主,僅有少數關注自然降雨下水土流失變化情況,亟需開展自然降雨條件下植被對土壤侵蝕響應研究,不同降雨條件下對坡面土壤侵蝕以及人工恢復植被與自然恢復植被的水土保持效益的差異還尚不清楚?！緮M解決的關鍵問題】基于伊犁河谷鐵廠溝水土保持觀測場2021—2022年野外觀測試驗,研究自然恢復植被(霸王、駝絨藜、伊犁絹蒿、駱駝刺、苦豆子)與人工恢復植被(榆樹、紫穗槐、狗牙根)在不同降雨類型下的產流產沙規(guī)律以及植被減流減沙效益,以期更能全面闡述伊犁河谷地區(qū)水土流失特征,真實反映不同植被的水土保持效益,為伊犁河谷國土綠化、土地荒漠化治理以及水土流失防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗點位于中國水土保持監(jiān)測點新疆伊寧市鐵廠溝觀測場(81°10′44″ E,43°58′53″ N),海拔657 m(圖1)。地貌為典型的低山丘陵區(qū),屬溫帶大陸性氣候,年平均氣溫8.50 ℃,年平均蒸發(fā)1.60×103mm,年日照時數2.50×103h,年平均降水量260 mm,無霜期178 d,雨季集中于4—9月。植被以多年生旱生草本為主,屬于溫性荒漠類草地。土壤類型為灰鈣土,土壤容重1.33～1.51 g/cm3。

底圖采用自然資源部標準地圖制作,審圖號為GS(2019)1822。The base map is based on the standard map of the Ministry of Natural Resources, and the review number is GS(2019)1822.圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 試驗設計

鐵廠溝觀測場共有16個20 m × 5 m的徑流小區(qū),選擇其中9個徑流小區(qū)進行試驗,包括1個裸地作為對照,5個自然生長植被小區(qū)和3個人工種植植被小區(qū)。裸地小區(qū)無明顯植被生長,自然植被小區(qū)為鄉(xiāng)土草種,以單個小區(qū)內自然生長的優(yōu)勢物種命名,生長特點為植株高、植被覆蓋度高,小區(qū)名稱分別為霸王(Zygophyllumxanthoxylon)、駝絨藜(Ceratoideslatens)、伊犁絹蒿(Seriphidiumtransillense)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)和苦豆子(Sophoraalopecuroides)。2015年選擇具有觀賞性的抗旱植被進行人工輔助恢復,3個人工輔助植被恢復小區(qū)名稱分別為榆樹(Ulmuspumila)、紫穗槐(Amorphafruticosa)和狗牙根(Cynodondactylon)。榆樹小區(qū)共栽植20顆生長1年的樹苗,樹苗高度約為1 m,在徑流小區(qū)內按照2列10行等間距栽植,株行間距為2.2 m×2.0 m;紫穗槐小區(qū)栽植密度與榆樹小區(qū)相同;狗牙根小區(qū)播種密度為10～2 g/m2草籽。人工植被均于2015年種植,植被在栽植中擾動地表并在樹苗根部挖設集水坑,在生長恢復期間未經過人為管理并在自然條件下生長6年。在2021—2022年4— 9月進行監(jiān)測,監(jiān)測期間自然植被生長情況為植被生長在坡下集水槽上部1 m范圍內,人工植被榆樹小區(qū)只在坡下存活1棵,紫穗槐和狗牙根小區(qū)均只在坡下集水槽上部1 m范圍內存活,造成此情況的原因可能與土壤水分植被承載力有關[19]。本研究徑流小區(qū)概況如表1所示。

表1 徑流小區(qū)基本特征參數Table 1 Basic characteristic parameters of runoff plots

1.2.1 水土流失監(jiān)測 通過VMS-QXZN標準小型氣象站(山東威盟士科技有限公司)觀測并記錄降雨量、降雨歷時和降雨強度。在每個小區(qū)坡下安裝管道,管道下置大型鐵罐,鐵罐內放水桶,用于采集小區(qū)每次降雨后的徑流量,每個監(jiān)測徑流小區(qū)下端的集水槽上方放置鐵質隔板,防止外部雨水泥沙進入。采集混勻后3份50 mL水樣用烘干法測定含沙量。以含沙量乘以徑流量計算各個小區(qū)的土壤流失量。

1.2.2 植被特征監(jiān)測 每個小區(qū)采用五點取樣法設定1 m×1 m的代表樣方,用代表樣方的平均值計算植被覆蓋度,每月測定2次。采用數碼相機對樣方垂直拍攝,然后利用Photoshop軟件的“選擇”中的“色彩范圍”來選取一定特征的像素,從而根據所選像素占照片總像素的比例計算照片區(qū)域內的植被覆蓋度。植被高度采用皮尺進行測量,每次測定3組,每月測定2次,采用平均值代表小區(qū)植被高度。

1.3 降雨類型劃分

以徑流小區(qū)每場侵蝕性降雨的降雨量、降雨歷時和平均雨強作為分類指標,采用K均值聚類方法,將2021—2022年間13次產生土壤侵蝕的降雨分為3類(表2),分別為A、B和C雨型。經顯著性檢驗,3種雨型的降雨量、降雨歷時和平均雨強均在P<0.01水平上顯著,達到分類要求。A雨型為低降雨量、長降雨歷時、低雨強;B雨型為中降雨量、短降雨歷時、中雨強,C雨型為高降雨量、長降雨歷時、高雨強。A雨型發(fā)生頻次占23.07%,B雨型發(fā)生頻次最高,占61.53%,C雨型發(fā)生頻次最低,占15.38%。

表2 侵蝕性降雨類型的劃分標準Table 2 Classification standard of erosive rainfall types

1.4 數據處理

用Excel 2021對數據進行匯總整理,用Origin 2018進行繪圖,在SPSS 26.0進行K均值聚類對所有侵蝕性降雨進行雨型劃分,采用方差分析對分類結果進行顯著性檢驗,各植被小區(qū)的平均徑流深和土壤流失量運用單因素方差分析及LSD多重比較進行分析。運用R語言4.0.2中的“normalize()”函數對不同雨型和各徑流小區(qū)覆蓋度影響下的水土流失特征數據進行歸一化處理;在分析過程中,為了控制影響因素與水土流失特征間的區(qū)分度,將分辨系數(ρ)設置為0.05,通過“sort()”函數分別計算出各雨型和徑流小區(qū)覆蓋度與水土流失特征間的關聯度大小;最終利用克利夫蘭點圖對其結果進行可視化。

2 結果與分析

2.1 不同雨型下不同植被小區(qū)平均產流產沙特征

不同植被覆蓋小區(qū)在不同雨型下的徑流深和土壤流失量不同(圖2)。對于C雨型而言,各小區(qū)的平均徑流深和土壤流失量顯著高于A、B雨型。B雨型下霸王和苦豆子小區(qū)的徑流深大于A雨型,表明不同植被的徑流調控能力會因降雨類型而發(fā)生變化。無論哪種雨型,與裸地相比,植被小區(qū)都表現出更好的減流減沙能力。在A雨型下,裸地平均徑流深最高為4.47×10-2mm,伊犁絹蒿植被平均徑流深最低為3.33×10-4mm;在B雨型下,裸地平均徑流深最高為8.26×10-2mm,伊犁絹蒿植被平均徑流深最低為7.71×10-3mm;在C雨型下,裸地平均徑流深最高為2.00×10-1mm,霸王和苦豆子的徑流深最低達到0 mm。不同雨型下,各植被小區(qū)的土壤流失規(guī)律也不同。在C雨型下,各小區(qū)的平均土壤流失量顯著高于A、B雨型,霸王、駝絨藜小區(qū)在A雨型下表現出土壤流失量高于B雨型。在A雨型下,苦豆子和紫穗槐的平均土壤流失量最低,均為1.00×10-3t/km2;在B雨型下,伊犁絹蒿的平均土壤流失量最低為4.93×10-3t/km2;在C雨型下,霸王和苦豆子的平均土壤流失量最低。

CK.裸地;TI.霸王;T2.駝絨藜;T3.伊犁絹蒿;T4.駱駝刺;T5.苦豆子;T6.榆樹;T7.紫穗槐;T8.狗牙根。不同大寫字母表示同一雨型條件下不同植被間徑流深或土壤流失量差異在P<0.05水平上顯著;不同小寫字母表示相同植被下不同雨型間徑流深或土壤流失量的差異在P<0.05水平上顯著。下同.CK.Bare land;T1.Z.xanthoxylon; T2.Z.xanthoxylon; T3.S.transillense; T4.A.sparsifolia; T5.S.alopecuroides; T6.U.pumila; T7.A.fruticose; T8.C.dactylon.Different capital letters indicate that the difference of runoff depth or soil loss between different vegetations under the same rainfall pattern is significant at the P<0.05 level. Different lowercase letters indicate that the difference in runoff depth or soil loss between different rainfall patterns under the same vegetation is significant at the P<0.05 level.The same as below.圖2 不同雨型下不同植被小區(qū)的平均徑流深、土壤流失量Fig.2 The average runoff depth and soil loss of each vegetation plot under different rainfall patterns

2.2 不同雨型對不同植被小區(qū)總徑流深及土壤流失量的貢獻率

不同雨型對伊犁河谷的水土流失產生不同的影響。從圖3可知,B雨型對各小區(qū)的累積徑流深和土壤流失量的貢獻程度最高,其次是C雨型和A雨型。不同雨型對不同徑流小區(qū)的侵蝕作用也表現出較大的差異。A雨型降雨量較小,對伊犁河谷不同徑流小區(qū)累積土壤侵蝕的貢獻程度較小。C雨型對人工植被累積的土壤流失量較高,但對自然植被的累積土壤流失量貢獻最低。B雨型占總侵蝕性降雨場次的61.5%,對不同植被的累積徑流深、土壤流失量的貢獻程度分別達到42.8%～89.1%、35.9%～96.6%。因此,B雨型對伊犁河谷不同植被土壤侵蝕作用最劇烈。C雨型對總徑流深和土壤流失量的貢獻程度僅次于B雨型,對不同植被的累積徑流深、土壤流失量的貢獻程度分別達到0～50.2%、0～59.2%。不同雨型對坡面的水土流失程度有顯著影響。

圖3 不同降雨類型對不同植被小區(qū)累積徑流深、土壤侵蝕量的貢獻程度Fig.3 Contribution rate of different rainfall types to accumulated runoff depth and soil loss in different vegetation plots

2.3 不同植被小區(qū)的減流減沙效益

2.3.1 不同植被小區(qū)的年際減流減沙效益 伊犁河谷低山丘陵區(qū)的降雨量遠低于我國其他地區(qū),2021年整個雨季降雨量為53.1 mm,裸地年徑流深僅1.96×10-1mm(表3),2021年減流效益依次為伊犁絹蒿>紫穗槐>苦豆子>駱駝刺>駝絨藜>霸王>榆樹>狗牙根。減流效益最好的小區(qū)為伊犁絹蒿(94.6%)。2022年整個雨季降雨量為112.6 mm,裸地徑流深為7.46×10-1mm。2022年減流效益依次為苦豆子>伊犁絹蒿>霸王>狗牙根>駱駝刺>紫穗槐>榆樹>駝絨藜。減流效益最好的小區(qū)為苦豆子。根據《土壤侵蝕分類分級標準(SL190—2007)》[20]得知,伊犁河谷低山丘陵區(qū)坡面土壤侵蝕強度為微度侵蝕,但因生態(tài)環(huán)境脆弱,土壤侵蝕對坡面植被生境造成較大影響,2021年裸地土壤侵蝕模數為4.28×10-1t/(km2·a),減沙效益依次為伊犁絹蒿>紫穗槐>狗牙根>霸王>駱駝刺>苦豆子>榆樹>駝絨藜,2022年裸地土壤侵蝕模數為4.91×10-1t/(km2·a),減沙效益依次為伊犁絹蒿>苦豆子>霸王>狗牙根>駱駝刺>榆樹>紫穗槐>駝絨藜。

表3 2021—2022年不同植被的水土保持效益Table 3 Soil and water conservation benefits of different vegetation from 2021 to 2022

2.3.2 不同雨型下自然與人工恢復的減流減沙效益 不同恢復方式會導致坡面的產流產沙造成差異。從表4可知,自然植被在3種雨型下的減流效益無顯著差異,A雨型的減沙效益顯著高于B雨型。

表4 不同雨型下自然恢復和人工恢復的減流減沙效益Table 4 Runoff and sediment reduction benefits of natural restoration and artificial restoration under different rainfall patterns (%)

人工植被A雨型下的減流減沙效益顯著高于B雨型,減沙效益大于B、C雨型。3種雨型下,自然植被減流效益均大于人工植被,A、C雨型下自然植被減沙效益大于人工植被,B雨型下人工植被減沙效益大于自然植被。

2.4 不同雨型和植被小區(qū)對產流產沙的灰色關聯度分析

將降雨量、平均雨強和降雨歷時與覆蓋度、徑流深和土壤流失量做相關性分析,經Mantel顯著性檢驗,降雨量與徑流深和土壤流失量呈極顯著相關(P<0.01,圖4),降雨強度與徑流深呈顯著相關(P<0.05),植被覆蓋度與徑流深和土壤流失量呈負相關,徑流深和土壤流失量呈正相關(P<0.01)。不同雨型對徑流深和土壤流失量的關聯程度和不同徑流小區(qū)植被覆蓋度對植被的減流減沙效益的關聯程度用灰色關聯度表示。由圖5可知,對產流產沙的影響中B雨型的關聯度最高,其次為C雨型,關聯程度最低為A雨型,關聯程度越高表明雨型對徑流深和土壤流失量的影響越大。不同植被小區(qū)關聯度越高表明徑流小區(qū)對減流減沙效益的影響越高,各小區(qū)關聯度從大到小依次為伊犁絹蒿>苦豆子>霸王>紫穗槐>駱駝刺>狗牙根>榆樹>駝絨藜。

圖4 降雨特征與植被覆蓋度和水土流失特征相關性Fig.4 The correlation between rainfall characteristics and vegetation coverage and soil erosion characteristics

RpA.A雨型;RpB.B雨型;RpC.C雨型。RpA.Type A rain; RpB.Type B rain; RpC.Type C rain. 圖5 不同雨型和植被小區(qū)與產流產沙的灰色關聯度Fig.5 Grey correlation degree of different rainfall patterns and vegetation coverage plots on runoff and sediment yield

3 討 論

3.1 不同雨型對土壤侵蝕的影響

不同雨型顯著影響坡面的水土流失程度。通過灰色關聯度分析得出伊犁河谷的侵蝕性降雨以中雨量、短歷時、中雨強的B雨型為主,其發(fā)生頻率占61.5%,對土壤侵蝕的貢獻程度最高,與朱燕琴等[12]在黃土高原的研究結果一致。由于伊犁河谷坡面是以超滲產流為主,短時強降雨會造成嚴重的土壤侵蝕,導致單次土壤侵蝕量最高[21],C雨型土壤侵蝕的貢獻程度僅小于B雨型,中雨和大雨是發(fā)生土壤侵蝕的主要類型。普穎穎等[23]在伊犁河谷研究表明,當土壤長時間處于濕潤狀態(tài)時,土壤表層水分達到飽和會導致水土流失,本研究中A雨型小于伊犁河谷坡面產流閾值[22],但發(fā)生了土壤侵蝕狀況,主要是因為A雨型的降雨歷時較長使土壤表層水分達到飽和所導致。降雨特征中降雨量和平均雨強對產流產沙造成顯著影響,其中降雨量的影響最大,與陶淑蕓等[24]的研究結果一致。由此可見,不同雨型會影響水土流失之間的關系,致使植被小區(qū)的水沙關系相對復雜。

3.2 不同植被對土壤侵蝕的響應

自然植被的減流減沙對降雨的響應能力最強,人工植被對低雨量的A雨型減流減沙能力顯著高于B、C雨型,這與黃土丘陵區(qū)和裸露砒砂巖區(qū)的研究結果一致[25-26]。影響徑流深和土壤流失量與降雨量和降雨強度的有關,與張嘉懿等[27]在江子河流域的結果一致。降雨是產流的源動力,植被對降雨具有截留作用,植被覆蓋度高在強降雨下對降雨的截留能力越強,能減少雨滴到達地面的沖擊力,延長徑流在坡面的滯留時間[28],觀測期內隨著徑流小區(qū)植被覆蓋度的不同,各植被的減流減沙效益不同,各植被小區(qū)中,伊犁絹蒿的減流減沙效益最高,通過相關性分析得出,植被覆蓋度與徑流深和土壤流失量呈負相關,這與黃土高原地區(qū)的研究結果一致[29]。通過灰色關聯度分析得出,自然植被伊犁蒿對減流減沙效益的關聯程度最高,更能驗證提高植被覆蓋度能減少水土流失的發(fā)生,人工植被中紫穗槐關聯度最高,蒲玉琳等[30]在紫色土區(qū)表明紫穗槐植物籬能提高生態(tài)效益,本研究中紫穗槐覆蓋度和減流減沙效益比其他人工植被高,更適宜當地環(huán)境,既能起到水土保持功能,又能實現生態(tài)修復。

伊犁河谷不同恢復模式下植被表現出的水土保持效果因雨型導致差異較大,人工恢復植被并沒有自然恢復植被的減流減沙效果好。單一植被的減流減沙功效與其覆蓋度有關,人工植被在C雨型下應采取一定的水保措施,減少土壤侵蝕。綜合考慮新疆獨特的氣候條件和特殊的立地條件,在低山丘陵區(qū),可優(yōu)先保護自然植被,輔助進行人工恢復,在人工恢復時可選用紫穗槐作為水土保持先鋒物種,但由于自然恢復和人工恢復的水土流失防治的效果相似,也可選用鄉(xiāng)土物種作為水土保持物種。本研究僅選取伊犁河谷3類雨型下2種恢復模式的8種植被對水土流失的影響,并不能代表伊犁河谷所有植被類型對水土流失的影響作用,后續(xù)應選取更多的植被類型,建立喬灌草搭配的植被恢復模式,并以試驗資料為基準建立數學模型,更好地預測伊犁河谷的水土流失規(guī)律,為伊犁河谷水保工作提供參考。

4 結 論

(1)B雨型對產流產沙貢獻率最高的是伊犁河谷土壤侵蝕的主導雨型,對坡面土壤侵蝕貢獻程度達到53.5%。A、C雨型貢獻率較低,但C雨型的強降雨對坡面侵蝕貢獻程度達到27.4%。低雨量的A雨型對坡面土壤侵蝕貢獻程度最低為19.1%。

(2)植被的減流減沙能力因雨型而異,自然植被的減流減沙效益高于人工植被。自然植被在A雨型下減流減沙效益最好(87.3%～95.2%),人工植被在C雨型下減流減沙效益最差(39.2%～52.7%)。自然植被伊犁絹蒿在A、B雨型下徑流深(3.33×10-4mm)和土壤流失量(4.93×10-3t/km2)最低,霸王和苦豆子在C雨型下未發(fā)生水土流失。

(3)降雨量和平均雨強顯著影響徑流深和土壤流失量(P<0.05)。植被小區(qū)的灰色關聯度從大到小依次為伊犁絹蒿>苦豆子>霸王>紫穗槐>駱駝刺>狗牙根>榆樹>駝絨藜。