南方典型紅壤區不同枯死率芒萁的水土流失阻控效應

熊維彬,陳志強,陳志彪,尚艷瓊,馮柳俊,李瑋曄

(1.福建師范大學地理科學學院/碳中和未來技術學院,福州 350007;2.濕潤亞熱帶山地生態國家重點實驗室培育基地,福州 350007)

植被是影響土壤侵蝕的敏感性因子[1],同時亦是水土流失阻控的關鍵因素[2]。植物垂直覆蓋結構自上而下包括地上冠層、地表枯落物和地下根系,各組分所處的水平和垂直空間不同以及功能性狀的差異導致水土保持機制各不相同。其中,地上冠層可截留降雨,削弱雨滴擊濺動能,阻滯土壤物理結皮,促進降雨入滲,延緩地表徑流生成[3-6];枯枝落葉層蓄水消能,減輕雨滴對土壤的剝離濺蝕,攔截地表徑流從而減弱其剝蝕能力[7-8];植株根系可穩定土層結構,改善土壤孔隙,提高土壤水分滲透能力[9],對土壤的纏繞支撐和串聯等作用可以促進土壤抗侵蝕效能[10]。各組分協同構成植被對水土流失阻控的基本單元,亦是造成不同植被減流減沙效率差異性的主導因素。目前,國內外學者圍繞植被與水土保持關系的研究取得了諸多成果,主要集中在植被類型[11-12]、植物垂直覆蓋結構[13]、雨強和植被覆蓋度協同作用等[14]對坡面產流產沙規律的探究,然而,對枯死植株或是枯死植株與成活植株并存對水土流失阻控效應的研究鮮見報道。

南方紅壤區是僅次于黃土高原的典型水力侵蝕區,因其地貌復雜、土壤易蝕及不合理的土地利用,導致該區成為我國水土流失和生態退化最嚴重的地區之一[15-17]。隨之而來的土壤酸化、干熱化及土壤養分流失等一系列原因,致使普通植物難以存活。芒萁(Dicranopterispedata,原為Dicranopterisdichotoma)[18]作為紅壤侵蝕區的水土保持先鋒植物,廣泛分布于花崗巖、紫色砂頁巖水土流失區,具有耐酸、耐瘠、適應性強等特點,形成的群落更具適應性和穩定性[19]。芒萁作為多年生蕨類植物,因其特殊的生長繁殖習性即根狀莖克隆繁殖,面對生境污染、干旱等逆境脅迫,芒萁群叢會出現枯死分株與成活分株并存的生長狀態?；诖?本文以芒萁為研究對象,以人工降雨為手段,探究芒萁群叢不同枯死率下的產流產沙規律,揭示不同生長狀態下芒萁的水土流失阻控效果,以期為南方紅壤侵蝕區水土保持提供理論參考。

1 材料與設計

1.1 研究區概況

福建省長汀縣(25°18′40″—26°02′05″N,116°00′45″—116°39′20″E)是南方紅壤區的典型代表區域。該區域屬中亞熱帶季風性濕潤氣候,年均氣溫17.5～18.5℃,年降水量1 500～1 700 mm,降水豐盈但季節分布不均,主要集中在3—8月;地貌以低山丘陵為主;土壤以花崗巖風化發育的硅鋁質紅壤和硅鋁鐵質紅壤為主,酸性較強。該區域長期以來受自然和人為雙重因素影響,導致長汀縣為中國南方紅壤地區最嚴重的水力侵蝕區,原生植被遭到極大破壞。許多經過治理的水土流失區,芒萁往往成為植被群落的優勢種。

1.2 實驗材料

人工降雨試驗中,供試土壤為2021年9月上旬取自福建省長汀縣河田鎮野外樣地的紅壤,裝入土槽(長120 cm×寬50 cm×高38 cm)。土壤不過篩,打碎填裝,每裝5 cm壓實一次,容重為1.30～1.41 g/cm3[20],壓實后抓毛土壤表面,再填裝上一層,以防土層間出現分層現象。植被為鼓山移栽的當年生芒萁,土槽內芒萁覆蓋率為100%,根據野外樣地調查結果[21],將密度設置為800 株/m2,同時設置裸土為對照(CK)。進行為期2個月的常規培養,每2 d澆水一次(雨天除外)。

1.3 試驗設計

試驗于2021年9—11月在福州市鼓嶺科教園內搭建試驗土槽與降雨裝置,進行人工降雨模擬試驗。

土槽采用塑料制作,下方設置多個漏水孔,避免土壤被漚壞;50 cm寬的一側垂直切下5 cm并掰彎90°,作為流失水土的集水槽;兩側用熱熔膠貼上L型擋板,防止流失的水土側漏;1/2 PVC管圓形斷面作為引水槽,用于引流徑流泥沙。在集水槽和引水槽上方用塑料板蓋住,以防止雨水直接降入該部分;用磚頭墊起塑料箱未被改造的一端,使箱內土壤坡度為15°(圖1)。

圖1 土槽示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil trough

降雨裝置由儲水桶、輸水管路、水泵、壓力表、控制器、噴頭、支架及擋風罩組成,噴頭有小、中、大3種型號,降雨為下噴式,降雨高度為3 m。在正式降雨前需進行多次率定,確定各噴頭型號對應的降雨強度。

試驗前,控制澆水量,使土槽內的芒萁分別枯死0%,50%,100%,每種處理做兩個重復以求平均。根據長汀縣多年氣象觀測資料和侵蝕性降雨特征,經過率定,確定降雨強度分別為1,2 mm/min。第一次模擬降雨試驗于正常澆水停止后一周,第二次再間隔一周,以此保證試驗土槽的前期水分含量相對一致。降雨歷時為60 min,每次降雨試驗過程中記錄開始產流時刻,產流后前10 min內每1 min收集一次徑流泥沙樣;之后每隔2 min收集一次,每次降雨收集20～26瓶樣品。

1.4 樣品收集與分析

將所采集樣品帶回實驗室,稱量泥沙樣的質量;靜置后倒出上層清液,分離出來的泥沙置于牛皮紙上,于陰涼通風處風干,稱量產沙質量;用泥沙樣質量減去產沙質量得到產流量。徑流速率和侵蝕速率公式分別為:

式中:R為徑流速率(mm/min);D為徑流深(mm);t為取樣持續時間(min);V為每個樣品的產流量(L);S為斜坡面積(m2);E為侵蝕速率〔g/(m2·min)〕;W為產沙量(g)。

采用Excel 2010 進行數據整理,采用SPSS 22進行方差分析(Duncan比較),采用Origin 2018進行繪圖與數據擬合。

2 結果與分析

2.1 初始產流時間

從表1中可以看出,芒萁覆蓋下的初始產流時間均滯后于裸地。當降雨強度為2 mm/min 時,裸地和芒萁覆蓋下的初始產流時間均明顯超前于1 mm/min雨強,此時產流均較快,且不同芒萁枯死率下初始產流時間相差不大。

表1 不同處理下坡面初始產流時間Table 1 Start runoff time on slope under different treatments

2.2 產流過程

由圖2A 可知,1 mm/min雨強下,裸坡及各枯死率芒萁覆蓋下坡面徑流速率均隨降雨歷時變化呈前期迅速上升和后期波動穩定趨勢。裸坡徑流速率在前30 min內急劇增長,之后增速放緩并逐漸趨于波動穩定;芒萁不同枯死率(100%,50%,0%)覆蓋下徑流速率分別在24,20,43 min內保持較大增勢,之后均呈波動穩定態勢。不同處理下徑流速率表現為裸坡(CK)顯著＞100%枯死率＞50%枯死率＞0%枯死率。由圖2B 可知,2 mm/min 雨強下,100%和50%芒萁枯死率覆蓋下坡面徑流速率隨降雨歷時變化趨勢一致,初期急速上升,中后期持續穩定。而裸坡和無枯死率芒萁坡面徑流速率在初期快速長,中期波動上升,后期趨于穩定。

圖2 不同處理下坡面產流變化過程Fig.2 Variation process of runoff on slope under different treatments

由圖3可知,不同處理坡面的徑流速率在兩個雨強下差異顯著,2 mm/min雨強下徑流速率在所有處理坡面均超過1 mm/min雨強的2倍。1 mm/min雨強下,裸坡、100%枯死、50%枯死和無枯死坡面的平均徑流速率分別為0.48,0.32,0.33,0.28 mm/min;2 mm/min雨強下分別為1.46,1.57,1.64,1.23 mm/min。

圖3 所有試驗處理的徑流速率變化Fig.3 Changes in runoff rates under all experimental treatments

2.3 產沙過程

由圖4A 可知,1 mm/min雨強下,裸坡和芒萁枯死率100%覆蓋坡面在開始產流到降雨歷時40 min內,侵蝕速率不斷增加,之后前者持續波動下降,后者呈波動穩定態勢。芒萁枯死率50%和0%覆蓋坡面侵蝕速率變化過程相似,開始產流到降雨歷時20 min內,侵蝕速率緩慢增加,隨后趨于波動穩定。由圖4B可知,2 mm/min雨強下,裸坡及芒萁枯死率100%和50%覆蓋下坡面侵蝕速率隨降雨歷時變化表現為初期迅速增加,到達定點后快速下跌,之后呈波動下降;而芒萁枯死率0%覆蓋坡面侵蝕速率初期小幅度增長之后持續波動穩定。

圖4 不同處理下坡面產沙變化過程Fig.4 Variation process of sediment yield on slopes under different treatments

由圖5可知,不同處理坡面侵蝕速率在兩個雨強下差異顯著,且隨時芒萁枯死率的增加,侵蝕速率相差越大。1 mm/min雨強下,裸坡與芒萁覆蓋坡面間略有差別,不同枯死率坡面間差異不顯著,裸坡、100%枯死、50%枯死和無枯死坡面的平均徑流速率分別為1.93,1.63,0.81,0.72 g/(m2·min);2 mm/min雨強下,不同處理坡面差異顯著,裸坡、100%枯死、50%枯死和無枯死坡面的平均徑流速率分別為25.49,17.64,15.91,3.59 g/(m2·min)。

圖5 所有試驗處理的侵蝕速率變化Fig.5 Erosion rate variation under all experimental treatments

2.4 累積產流產沙量

從圖6可以看出,2個雨強下坡面累積產流量均隨降雨歷時的變化呈增長趨勢,且增長幅度相對穩定。在1 mm/min雨強下,不同處理間累積產流量差異明顯,裸坡的累積產流量最大,無枯死芒萁的坡面最小,100%和50%枯死的坡面介于二者之間且較為相近。在2 mm/min 雨強下,裸坡與存在芒萁枯死的坡面累積產流量無明顯差異,無枯死芒萁的坡面顯著低于三者。

圖6 不同處理下累積產流量變化過程Fig.6 Variation process of cumulative runoff and runoff under different treatments

從圖7中可以看出,2個雨強下坡面累積產沙量均隨降雨歷時的變化呈增長趨勢,且增長幅度在整個降雨歷時過程中相對穩定。在雨強一定時,不同處理間累積產沙量差異明顯,且均隨芒萁枯死率的增加而增加,但1 mm/min下0%與50%枯死率的坡面累積產沙量相差較小,而2 mm/min下是50%與100%相差較小。

圖7 不同處理下累積產沙量變化過程Fig.7 Variation process of cumulative sediment yield under different treatments

2.5 累積徑流量和累積產沙量之間的關系

為進一步分析2個雨強不同處理下坡面產流和產沙之間的關系,將累積產沙量與累積徑流量的相互關系進行函數擬合和對比,發現不同處理下累積徑流量與累積產沙量的函數關系均滿足冪函數Y=AXB(式中:Y為累積產沙量;X為累積徑流量),方程相關系數R2均在0.99以上,回歸效果良好。不同處理下累積徑流量和累積產沙量之間的關系方程列于表2中。

表2 不同處理下累積徑流量和產沙量關系Table 2 Relationship between accumulative runoff yield and accumulative sediment yield under different treatments

圖8為兩個雨強不同處理下累積徑流量與累積產沙量的函數關系,當雨強一定時,隨累積徑流量的逐漸增加,累積產沙量也逐漸增大。結合實際徑流產沙的物理意義,最終定義系數A為產沙基數系數,A值越大則產沙越多,A值的變化取決于降雨強度、和下墊面特征的影響;定義系數B為產沙速率系數,根據試驗數據確定B值介于0.5～1.5,系數B的大小取決于入滲率的大小。

圖8 不同處理下累積產流量和產沙量關系Fig.8 Relationship between accumulative runoff yield and accumulative sediment yield under different treatments

3 討論

初始產流時間是指降雨開始到地表徑流出現后開始從集流槽流入取樣瓶的歷時。對于某一特定降雨來說,下墊面條件的不同使初始產流時間存在差異,進而使地表徑流發生變化,最終導致坡面土壤侵蝕程度、強度及侵蝕方式發生改變[22]。裸坡表面相對比較光滑,降雨對徑流的阻力作用小,徑流形成較快。芒萁覆蓋下,葉片削減了雨滴的動能,減弱對土壤的濺蝕與坡面受雨量,莖根與葉柄增大坡面徑流阻力系數[23]。植被生長使土壤容重減少,根系延伸引起土壤孔隙增大,增強降雨入滲,延緩了徑流產生時間。因此,本研究中芒萁覆蓋較裸露坡面明顯延緩了產流時間,這與常松濤等[14]的試驗結果一致,且雨強增加時,時間延緩效果有所減弱。

本試驗中,裸坡徑流速率和侵蝕速率在不同雨強下的變化過程有明顯差別,原因是試驗開始階段,侵蝕下墊面情況相似,流速主要受雨強與雨量影響,因此較大雨強下徑流速率和侵蝕速率增速較快。不同雨強下裸坡的侵蝕形態隨降雨歷時發生變化,較大雨強的裸坡前期產沙較大,表面留下不易被搬運的礫石,因此侵蝕速率到達峰值后迅速下降,降幅較大。這與田培等[24]在15°坡面進行不同雨強試驗的產沙率變化過程一致。

對于芒萁覆蓋坡面的地表徑流而言,初期的降雨大部分被土壤吸收,隨著土壤含水量增多,降雨的入滲減弱,待土壤水飽和后,入滲速率穩定,徑流量變化相對穩定。不同雨強的產流過程區別在于,到達產流峰值前,小雨強的地表徑流是緩慢增加,大雨強則增加迅速,原因是不同雨強導致降雨量,大雨強下土壤吸收降水的速度加快,且雨強太大使坡面出現超滲產流,降雨強度超過入滲強度便產生了地表徑流。同樣地,產沙過程也在不同雨強下有明顯區別。較小雨強下,徑流增加前期,產沙量未達到峰值,因此徑流穩定后,細沙仍然能被徑流帶出坡面。而較大雨強下,初始產流時間縮短,表層土壤封閉層尚未形成,芒萁覆蓋對雨滴濺蝕削弱力度較小,水流剝蝕能力快速提高,且降雨前期形成的超滲產流可以帶走大部分砂礫,使得產沙量激增,這與余長洪等[25]的研究結果一致。因此大雨強下,產沙過程與裸坡類似。

枯死植物與正常植物的區別在于植被結構、葉片形態和枝干支撐能力不同,對降雨的承接作用也不同。本試驗中,枯死芒萁葉片卷曲、支撐能力減小,但葉片卷曲形成的空間結構更為復雜,且吸水率更大,可以在降雨初期可以截留部分降雨。成活芒萁葉片光滑,雨水與葉片接觸后散開或迅速滑落,但植株支撐能力更強。因此,試驗結果顯示較小雨強下100%枯死的坡面累積徑流量較50%枯死率坡面增速更小,而較大雨強下枯死芒萁對產流的削減作用幾乎沒有,成活芒萁的削減作用也十分有限。對泥沙的削減則由雨滴的濺蝕與產流量決定,因此產沙量與芒萁枯死率成反比,成活芒萁越多,產沙量越少,且在較大雨強也有明顯區別。這與Duan等[26]的研究結論一致,植被對產沙的阻控效果強于產流。

通過對兩個雨強不同處理下累積徑產流量和累積產沙量之間的相互關系進行函數擬合,均滿足冪函數表達式Y=AXB,所有方程相關系數R2均在0.99以上,回歸效果良好。高度契合姚沖[27]、張軍[28]等的研究結果,同時亦能夠較好地反映不同雨強和芒萁枯死率下累積產流量和產沙量的變化過程。當雨強一定時,隨累積產流量的逐漸增加,累積產沙量也不斷增大,呈現出水豐沙多的現象,這與王麗等[29]的研究結果一致。究其原因,徑流是搬運泥沙的動力,在一般情況下,含沙量的多寡取決于徑流量的大小,水沙之間存在著顯著的相關關系[30]。

芒萁作為南方濕熱氣候條件下酸性土或酸性巖石的一種指示植物,同時其盤根錯節的地下莖及龐大且深扎土層的根系使得其成為治理南方紅壤侵蝕區強度、極強度水土流失區的重要草本植物[31]。因其獨特的生長繁殖習性即根狀莖克隆繁殖,面對土壤養分含量貧瘠、生境污染、干旱等逆境脅迫,芒萁群叢會出現枯死分株與成活分株并存的生長狀態?？菟烂⑤降厣喜糠只虻蚵浠蛑绷?葉片卷曲形成的空間結構復雜,吸水率更大,降雨初期時可以截留部分降雨,消減雨滴動能對地層表面土壤顆粒的打擊;地下部分未分解之前與活根縱橫交織穿插在土壤中,一定程度上增強土體的抗剪強度和抗蝕性發揮固坡效應;而枯死細根的分解產物則是土粒團聚的膠結物質,促進了土壤團聚體的形成和孔隙狀況的改善。本研究中除2 mm/min雨強下的累積產流量外,其余處理條件下均顯著發揮減流減沙效益。由此可見,枯死芒萁亦可在中國南方紅壤侵蝕區起到良好的水土流失阻控效果。

4 結論

(1)徑流速率和侵蝕速率隨降雨歷時變化趨勢因降雨強度和芒萁枯死率的不同而存在差異。徑流速率隨降雨歷時變化基本呈前期緩慢或快速增長,后期趨于穩定狀態。在較小雨強下,侵蝕速率除裸坡外隨降雨歷時基本呈前期緩慢,后期趨于穩定狀態;在較大雨強下,侵蝕速率隨降雨歷時變化呈前期快速增加,中后期逐漸下降趨于穩定。

(2)除2 mm/min雨強下的累積產流量外,其余處理條件下累積產流產沙量差異明顯,且產沙量隨芒萁枯死率的增加而增加。芒萁在不同雨強與不同枯死率下的阻控效果表現為減沙量大于減流量。

(3)兩個雨強不同處理下累積徑流量與累積產沙量滿足冪函數模型(R2＞0.99)。

(4)枯死芒萁亦可在中國南方紅壤侵蝕區起到良好的水土流失阻控效果。