黃土坡面土地利用格局變化的水土保持效應

0不同土地利用類型的組合關系水土流失是黃土區(qū)最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，其影響因素包括氣候、植被、土壤、地形等。土地利用及其格局是水土流失十分關鍵的影響因素。黃土高原水蝕風蝕交錯帶為強烈侵蝕區(qū),是黃河下游河床粗沙主要來源區(qū),也是西部大開發(fā)中生態(tài)環(huán)境建設重點實施區(qū)域之一。大規(guī)模的退耕還林還草工程,使水蝕風蝕交錯區(qū)形成了以灌木林地、果園、草地、退耕休閑地和坡耕地等土地利用方式斑塊鑲嵌的多種坡面土地利用格局。與長期強烈侵蝕作用共同構成的雙層空間結構,決定了該區(qū)坡面土壤特性具有強烈的空間異質性。土地利用格局-土壤特性空間異質結構導致坡面土壤中水土過程、地表水文過程的復雜性。土地利用格局中,隨著尺度增加,水土流失過程的發(fā)生機制會發(fā)生明顯改變。因此,通過不同的土地利用類型搭配組合形成不同的土地利用格局對于控制水土流失的效果不同。合理的土地利用鑲嵌格局可以構筑成水土流失的源-匯格局,從而可以保持水分、養(yǎng)分和種子,有利于植被的生長,進一步增強水土流失的控制能力。部分學者對黃土坡面植被恢復的侵蝕控制效應進行了研究。已有的研究多集中在單一植被類型的水土保持效應研究,同時考慮多種土地利用類型(或土地利用格局)對土壤侵蝕的影響時,可以借鑒的研究成果還很少。本文在坡面小區(qū)尺度上通過分析不同土地利用格局坡面土壤水分和土壤體積質量分布格局的基礎上來分析坡面不同土地利用格局的水土保持效應,以期通過土地利用的合理配置使整個坡面土壤徑流侵蝕得到有效控制,從而尺度外推,為整個流域的綜合治理提供科學依據(jù)。1材料和方法1.1北依新城流域試驗選在中國科學院水土保持研究所神木侵蝕與環(huán)境試驗站進行。試驗站位于陜西省神木縣以西14km處的六道溝小流域(E110°26′,N38°49′),北依長城,地處黃土高原向毛烏素沙漠過渡、流水作用的黃土丘陵區(qū)向干燥剝蝕作用的鄂爾多斯草原過渡的水蝕風蝕交錯帶。該流域面積6.89km2,年降水量為250~450mm,年平均蒸發(fā)量785.4mm,平均干燥度為1.8,屬于典型的半干旱地區(qū)。六道溝流域的土地利用類型主要有耕地、草地、林地、灌木林地、果園地和非生產用地等,呈斑塊狀分布。該流域地帶性土壤為黑壚土,由于長期強烈侵蝕作用,黑壚土已侵蝕殆盡,僅有零星分布,現(xiàn)主要土壤類型為綿沙土、新黃土、風沙土等。1.2學習方法1.2.1土壤水分的測定野外降雨-徑流侵蝕試驗在試驗站土地利用格局徑流控制小區(qū)進行。小區(qū)于2006年修建,投影面積4m×15m,,坡度12°。選用檸條、苜蓿和坡耕地(豆地)組合模擬5種不同坡面土地利用格局,研究不同坡面土地利用格局的減流減沙效應。小區(qū)布設見圖1。5個坡面小區(qū)的土地利用結構(從坡頂至坡底)分別為:M1:檸條-豆地-苜蓿;M2:苜蓿-豆地-檸條;M3:檸條-苜蓿-豆地;M4:豆地-苜蓿-檸條;M5:豆地-豆地-豆地。在試驗站及小區(qū)附近分別布設標準雨量桶,雨后用雨量筒及時測定降水量。按設計標準,在小區(qū)底部積水池內放置二級徑流桶(直徑1m),降雨后及時測量徑流量,并取樣測定徑流中泥沙含量(2007-2008年)。在每個徑流小區(qū)距左邊界1、2和3m處布設3條樣帶,在每條樣帶上距上下邊界各0.5m處,從坡頂?shù)狡履_每隔0.5m設置一監(jiān)測點,每個小區(qū)共設置87個水分監(jiān)測點。2008年,從04-23—09-18采用頻域反射儀(frequencydomainreflectometry,FDR)每隔5d左右測定一次表層0~6cm土壤水分,共測定了31次土壤水分。于2008年10月,分別在每個小區(qū)的87個表層水分監(jiān)測點周圍,用容積100cm3環(huán)刀采取表層未擾動土樣,采用烘干法測定土壤體積質量。1.2.2空間插值及內插估算基于ArcGIS9.0中擬合的土壤水分和土壤體積質量的理論變異函數(shù),采用普通Kriging法對各個小區(qū)土壤水分和土壤體積質量進行空間插值,分析它們的分布特征。隨機變量Z在空間某一特定點x0的值可利用該點周圍相關范圍內的點進行插值得到。利用Kriging法計算待估樣點的內插值公式如下:式中,為x0點的內插估算值;Zi=Z(xi)(i=1,…,N)為點x0周圍相關區(qū)域內N個測定點xi的測定值;λi為權重值,滿足。2結果與分析2.1不穩(wěn)定區(qū)域土壤水分空間分布格局不同坡面格局小區(qū)87個測點0~6cm土壤含水率平均值隨時間動態(tài)變化特征表明土壤水分波動變化與降雨分布特征具有很好的一致性(圖2)。整個2008年土壤水分測定時段內,05-20-06-10間測得的土壤含水率最低,各小區(qū)表層土壤水分均低于5%,處于土壤凋萎含水量以下,這主要與測定前很少降雨和該時期正處于研究區(qū)強烈蒸散時期有關。相反,在06-14-06-16連續(xù)強降雨補給(降雨量分別為13.3、49.8和13.2mm),使得06-17測得的土壤水分含量最高,各小區(qū)表層0~6cm土壤水分平均值達到20%及以上,接近土壤飽含含水率。土壤含水率的升高和降低是前期降雨量補給與土壤水分的蒸散損失交互作用的結果。土壤水分變異特性隨時間動態(tài)變化與土壤水分平均值的動態(tài)變化趨勢相反(圖2)。各小區(qū)表層土壤水分變異系數(shù)變化在8.5%~62.2%之間,呈弱變異和中等變異,且干旱條件下變異系數(shù)明顯大于濕潤條件下土壤水分變異系數(shù),表明降雨后整個小區(qū)土壤均達到較濕潤狀態(tài),小區(qū)內土壤水分變異得到一定程度的平滑,土地利用方式和土壤物理特性的空間變異對土壤水分空間變異的影響作用減小。為了直觀的反映土壤水分的空間分布特征,利用普通Kriging方法繪制了不同坡面土地利用格局小區(qū)表層0~6cm土壤水分的等值面圖。土壤水分特別是表層土壤水分的分布格局受多種因素的影響,包括降雨量、地形和植被格局的影響。我們選取2008-08-09小區(qū)降雨產流前(08-06)和產流后(08-10)土壤表層水分分布作為案例,研究降雨產流對土壤水分分布格局的影響(見圖3、4)。5個小區(qū)相對比較平整,坡度一致,地形差異影響較小,不同的土地利用格局下土壤水分空間分布差異明顯。單一土地利用坡面格局小區(qū)M5的土壤水分分布比較單一,從小區(qū)上部向下隨著坡長增加而逐漸增加,水分的空間差異簡單地受景觀位置的差異而控制,這與作者在野外自然坡面研究土壤水分的結果一致。其余4個小區(qū)的土壤水分分布格局差異較大,其中M3(檸條-苜蓿-豆地)小區(qū)土壤水分從坡頂向下逐漸降低,而M4(豆地-苜蓿-檸條)小區(qū)下部的土壤含水率要比坡中部和坡上部土壤含水率高。相對而言,M1(檸條-豆地-苜蓿)和M2(苜蓿-豆地-檸條)小區(qū)的土壤含水率分布格局較復雜,即土壤水分呈高-低-高水分斑塊鑲嵌分布格局。表層水分高的斑塊主要分布在檸條和苜蓿所占的景觀位置。土地利用格局的差異是造成水分斑塊鑲嵌分布格局差異的主要原因,土地利用方式差異對土壤水分的影響大于并掩蓋了景觀位置差異的影響。降雨產流前相對干旱條件下(08-06)土壤水分的斑塊狀分布特征比降雨產流后(08-10)濕潤條件下表現(xiàn)更為明顯(圖3、4)。在干旱條件下(08-06),土壤水分的空間變異大,而08-07和08-08分別降雨15.9和12.8mm,連續(xù)2d的降雨對表層土壤水分的斑塊鑲嵌格局具有明顯的平滑作用,土壤水分的空間分布相對均一,空間變異小。以M1小區(qū)為例,干旱條件下(08-06)測得的小區(qū)平均表層土壤含水率為2.62%,其空間變異系數(shù)為37.6%,而在降雨后測得的小區(qū)表層土壤水分平均值為14.88%,其空間變異系數(shù)為15.0%,僅為降雨前表層土壤水分空間變異系數(shù)的一半(圖2)。土壤體積質量在坡面小區(qū)的分布與土壤水分的分布特征相似。坡耕地小區(qū)M5土壤質量的分布規(guī)律比較單一,順著坡長增加方向有規(guī)律的遞減。由于耕作的影響,農地利用方式下土壤疏松,土壤體積質量普遍較低,M5小區(qū)土壤體積質量在1.20~1.33g/cm3,疏松的土壤易于隨徑流被侵蝕出小區(qū)。而混合利用結構坡面小區(qū)M1~M4土壤質量表現(xiàn)出與土壤水分相似的斑塊鑲嵌分布格局(見圖5)。不同含水率和土壤體積質量的斑塊具有不同的雨水入滲能力。黃土高原地區(qū)的產流機制為超滲產流,當降雨強度超過部分斑塊的土壤入滲能力形成徑流時其周圍的斑塊可以攔截徑流就地入滲。只有當降雨強度超過了所有斑塊的入滲能力,整個研究區(qū)域才能形成徑流。2.2土地利用格局利用2007-2008年不同土地利用格局徑流小區(qū)降雨產流產沙量數(shù)據(jù)進行了對比分析(見表1)。2007年各小區(qū)產生徑流的次數(shù)較多,且年產流量較高,占到全年降雨量的0.40%~3.77%,而年侵蝕模數(shù)也相當?shù)母?變動范圍為0.14~7.35萬t/km2。2008年各小區(qū)形成產流的次數(shù)明顯減少,全年均僅產生了2次徑流,年產流量變化在0.35~2.97mm之間,僅占到全年降雨的0.08%~0.71%,這主要是由于各小區(qū)土壤經過2007年1a的試驗以后變得相對穩(wěn)定,且種植2a后的苜蓿和檸條水土保持效應明顯,使各小區(qū)不易形成徑流;另一方面與降雨特征有關,2008年4-10月內雖然中雨(10mm≤P≤30mm,P為次降雨量,下同)和大雨(P>30mm)的降雨次數(shù)分別占總降雨次數(shù)的20.8%和4.2%,但是次降雨的持續(xù)時間均較長,降雨強度普遍不大,不易形成較大的產流。相應的,年侵蝕模數(shù)也降低,變動在0.03~0.53萬t/km2之間。從徑流侵蝕發(fā)生的季節(jié)分配來看,2007年的6次降雨產流均分布在8-10月的3個月內,而2008年的2次產流都發(fā)生在8月,這與侵蝕性降水季節(jié)分布有關,主要暴雨都發(fā)生在這3個月內。不同土地利用格局小區(qū)產流產沙特征不同。坡耕地小區(qū)M5表層土壤水分和土壤體積質量隨坡長增加方向分別單調增加和減小,且農作物的蓋度比較相似,易形成空間上連續(xù)的徑流通道,2a8次產流的總產流量為16.66mm,為5個小區(qū)中產流最多的小區(qū)。降雨對土壤侵蝕量的影響依賴能夠被徑流攜帶的地表疏松土層的供應。坡耕地由于植被覆蓋度低和耕作時導致的土壤表面細粒疏松層的存在,從而使得坡耕地小區(qū)M5的年侵蝕模數(shù)相當高,特別是2007年新修小區(qū)進行的第1年試驗測得的年侵蝕模數(shù)達到7.35萬t/km2,而在2008年全年測得的侵蝕模數(shù)就明顯降低,為0.53萬t/km2。與M5小區(qū)不同,其他4個小區(qū)的土地利用格局具有較大差異,其坡面上分布著灌木地(檸條)、坡耕地(綠豆)和牧草地(苜蓿)3種土地利用類型,通過這3種土地利用類型在坡面上中下不同的景觀位置進行配置組合成的4種土地利用格局,形成了土壤水分和土壤體積質量高低的斑塊鑲嵌分布格局,導致整個坡面小區(qū)土壤入滲能力有較大差異,從而降低了降雨時整個坡面小區(qū)產流的可能性。小區(qū)M1的土地利用結構從上至下為檸條-豆地-苜蓿,土壤表層水分和土壤體積質量在小區(qū)的分布特征呈現(xiàn)明顯的高-低-高的鑲嵌格局,且種植在小區(qū)下部的苜蓿在播種當年地表郁閉度就在90%以上,其可以對坡上部檸條和農地形成的徑流侵蝕有效的攔截,就地儲蓄。因此,2a試驗期間小區(qū)M1的降雨產流的次數(shù)和產流量都最少,2007年和2008年產流量分別為1.70和0.35mm,分別僅占到年降雨量的0.40%和0.08%。小區(qū)徑流經過坡面下部苜蓿草地的過濾作用,其徑流中平均含沙量分別為1.16%和0.97%,相對于M5小區(qū)的平均含沙量4.42%和8.08%,含沙量明顯降低,因此,綜合徑流總量的減少和徑流含沙量的降低兩因素,M1小區(qū)測得的年侵蝕模數(shù)也相應的較低,2a分別為0.15和0.03萬t/km2。以小區(qū)M5作為對照研究各混合結構小區(qū)的減流減沙效應表明,小區(qū)M1的減蝕率最高,2a分別達到98%和94%,減沙效果明顯(見圖6)。其余3種混合土地利用格局小區(qū)相對于單一的坡耕地小區(qū)M5均具有一定的減流減沙效果,但由于位于M2和M4小區(qū)下部的檸條還處于幼齡期,M3小區(qū)下部為坡耕地(豆地),植被蓋度均較低,不能很好的發(fā)揮水土保持作用,因此都沒有M1小區(qū)減流減沙效果明顯,M2、M3和M43個小區(qū)2007年的減蝕率分別為83.0%、69.0%和55.4%;2008年的減蝕率分別為29.2%、37.3%和56.7%。3土地利用斑塊結構的作用根據(jù)SCS(strategiccyclicalscaling)范式,可以推知土地利用格局與水土流失之間存在重要的相互作用。土壤養(yǎng)分和水分流是土地利用格局和水土流失之間相互作用的重要橋梁之一。土地利用格局變化改變了景觀格局組分間養(yǎng)分、水分流的數(shù)量和強度。坡面尺度上,相對均一的土地利用坡面有更多養(yǎng)分資源存積坡底,表明單一土地利用坡面更易于土壤侵蝕發(fā)生。為改變這種狀況,通過不同土地利用方式(植被條帶)的空間布置形成復合土地利用結構來攔截上部坡面徑流侵蝕,從而形成養(yǎng)分物質坡面不同的斑塊狀分布格局。土壤養(yǎng)分和水分流的變化又引起生物活性(如代謝強度等)的變化和土壤性質改變,進而影響水土流失的發(fā)生。在土地利用格局與水土流失相互作用的循環(huán)過程中,各因素和過程之間也是相互影響的,因此單獨的尺度轉換不可能正確解釋水土流失的發(fā)生,以經驗或過程為基礎的模型也不可能準確預測水土流失的發(fā)生。土壤屬性空間變異性的增強有利于土壤徑流侵蝕控制,而通過創(chuàng)造不同土地利用斑塊結構可以有效增強土壤變異性。在一定條件下,坡面水與泥沙的空間重分布過程主要受控于植被的空間鑲嵌格局,植叢斑塊與裸地斑塊可以達到和諧的鑲嵌格局,導致水分與泥沙在空間上重分布路徑最短,從而最大程度地防止水土流失。作者在黃土高原的前期研究表明,灌木-草地-農地-草地和牧草地-農地-灌木的土地利用結構(由坡面上部至下部順序)坡面土壤水分呈倒“v”字型,且保持較高的空間變異性,對減少水土流失最為有利。土壤的異質性,特別是初始含水量和土壤入滲能力的空間變異性決定了不同土地利用斑塊產生徑流的初始時間具有差異性。特定降雨條件下,由于土地利用不同及前期土壤含水量的差異,徑流產生區(qū)和非產流區(qū)鑲嵌分布,因而徑流在整個坡面不連續(xù)產生,降低了整個坡面產流和侵蝕發(fā)生的可能性。復合利用坡面土壤變異性創(chuàng)造了差異較大的水文反映單元斑塊鑲嵌結構,形成一個徑流侵蝕控制的自我調控系統(tǒng)。Rey研究了草本和小灌木對上坡來水來沙的攔截作用,指出坡面底部植被覆蓋僅達到20%就可以有效攔截上坡來沙。在地形梯度上設立灌叢緩沖帶和減少斑塊面積,建立鑲嵌景觀格局,相當于減少了坡長和坡度,有利于土壤養(yǎng)分和水土保持。研究者應用CREAMS模型和WEPP模型研究植被過濾帶對營養(yǎng)元素的遷移和土壤侵蝕作用時發(fā)現(xiàn),植被過濾帶的寬度、長度、組成植被類型不同,營養(yǎng)元素的截留和土壤侵蝕量也不同,平均可減少56%沉積量和50%隨沉積損失的營養(yǎng)物質。本文結果同樣表明不同土