祁连山东段高寒草甸模拟放牧下的坡面土壤水蚀特征

马海霞，张德罡, 陈 瑾，常军霞，董永平，刘文峰，杜 凯，康玉坤，李 强，周会程，姚玉娇，陈建纲，徐长林

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070； 2.定西市水土保持科学研究所，甘肃 定西 743000；3.全国畜牧总站，北京 100125)

土壤抗蚀性是评定土壤抵抗外力侵蚀能力的重要参数之一，反映了土壤抵抗分散能力的大小，受土壤物理和化学特性、植被覆盖和土地管理等人为活动的影响[1-2]。研究土壤的抗蚀性对防治土壤侵蚀有着十分关键的作用，几十年来国内外研究者一直关注着土壤抗蚀性研究的进展[3-6]。草原生态系统是地球上面积仅次于森林的第二大绿色覆被层，约占全球植被生物量的36%，陆地面积的24%[7]。我国草地资源丰富，可利用面积达3.9亿hm2以上，居世界第二位，占全国国土面积的41.7%，天然草地资源总量的84.27%[8]，是我国陆地面积最大的生态系统类型。祁连山位于青藏、蒙新、黄土3大高原的交汇处，是我国三大内陆河石羊河、黑河、疏勒河的发源地．受青藏高原的影响，山地生态系统呈现出高寒生态系统的特征，是我国中西部典型的生态环境脆弱地带[9]，在寒区旱区山地及内陆河流域的水土保持中占据重要地位。2006年中国草地生态系统破坏造成的水源涵养损失量为6.23×109m3[10]，植被对控制水土流失具有良好的作用，植被破坏土壤侵蚀将急剧增加，过度放牧是造成草原区土壤侵蚀加剧的主要原因，由于过度放牧首先增加土壤紧实度和土壤容重，减少了雨水的下渗，有利于径流的形成，引发水土流失[11-12]，直接影响到我国草地生态良性循环及区域社会经济的发展。许多科学工作者已在这方面做了观测、研究等工作，但对祁连山高寒草甸水土保持功能的定量研究报道较少，尤其缺乏人工模拟降雨对高寒草甸土壤侵蚀的研究[13]，因此，本文在人工模拟降雨条件下，研究不同模拟放牧强度下的高寒草甸坡面产流产沙过程，旨在为研究区草地的水源涵养功能评价以及以防止水土流失为前提的草地合理利用提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 样地概况

本试验位于青藏高原边缘祁连山东段天祝藏族自治县金强河河谷附近的抓喜秀龙乡上八刺沟阴坡高寒草甸封禁区域(37°10′46″ N，102°47′11″ E，海拔2 960 m)，坡度25°，距甘肃农业大学高山草原试验站约2 km。该区属大陆性高原季风气候，气候寒冷潮湿，据天祝县乌鞘岭气象站(海拔高度3 045 m)近60年(1951-2010年)资料和甘肃农业大学草原站(海拔2 960 m)约30年的气象资料记录，年平均降水量为410.5 mm，年均潜在蒸发量(1 592 mm)，为年降水量的3.8倍，年平均降水量自1951年以来呈减少趋势，变化率为—1.4%/10a；1961年是天祝县近60年来降水最多的年份，降水量为555.2 mm，比常年偏多35%，1962年是降水最少的年份，降水量仅有231.3 mm，比常年偏少44%，夏季降水量占全年的59%。天祝县5-9月降水集中，该时段降水量是全年降水量的70%左右，暴雨发生频率较大，多年平均暴雨日数0.43 d，夏季6-8月最集中，占全年暴雨日数的90%左右。区域年均温-0.1℃，月平均温度—18.3℃(1月)，最高温度12.7℃(7月)，≥0℃积温1 380℃，年日照时数2 600 h，水热同期，气温变化大，无绝对无霜期，仅分冷热两季[14-17]。

区内土壤pH值为7.75～8.06；有机质含量高，约为87 g· kg-1～117 g· kg-1；含水量13.08%～25.98%；容重0.700～0.797 g· cm-3。该区植被以线叶嵩草(Carexcapillifolia)，珠芽蓼(Polygonumviviparum)，球花蒿(Artemisiaannua)，拉拉藤(Galiumaparinevar.echinospermum)，线叶龙胆(Gentianafarreri)，肋柱花(Lomatogoniumrotatum)，长毛风毛菊(Saussureahieracioides)，藏异燕麦(Helictotrichontibeticum)，翻白委陵菜(Potentilladiscolor)，羊茅(Festucaovina)，细叉梅花草(Parnassiaoreophila)，零零香青(Anaphalishancockii)，小米草(Euphrasiapectinata)等为主，草层高度10 cm，盖度达90%左右，地上生物量干重500 g·m-2。

1.2 样地设置与测定方法

1.2.1样地设置 试验于2016年8月在金强河高寒草甸封禁区域进行。设置对照未放牧、轻度放牧、中度放牧、重度放牧共4个处理，采用刈割方式模拟放牧，刈割强度分齐地面刈割(重度放牧)、留茬高度2 cm(中度放牧)、留茬高度7 cm(轻度放牧)和自然高度(未放牧)[18-19]，各处理尽量选择植被、环境相对一致的区域布设0.5 m×1 m样方。

1.2.2测定方法 试验采用下喷式模拟降雨系统，根据不同的降雨强度选择不同型号的喷头，有效降雨覆盖面积约为4.5 m×4.5 m，降雨高度为5.2 m，降雨强度变化范围为0.5～2.0 mm· min-1，降雨均匀度均在85%以上[20]。按照气象学原理，设计4个降雨强度：0.5 mm· min-1，0.67 mm· min-1，1.67 mm·min-1，2.00 mm·min-1，降雨时间为30 min[21]。每一种降雨强度设3次重复，共计48个样地，随机分布。

降雨前后测定土壤水分，降雨开始后即计时；记录开始产流时间，用塑料桶收集径流，间隔一定时间(根据流量大小调整)更换塑料桶；降雨结束后记录降雨历时及结束产流时间；称量每个桶的径流泥沙总量(mL)，沉淀后的上清液，即为净水量(mL)，将泥沙带回实验室，在105℃下烘干沉重，即为净泥量(g)，最后计算出单位面积产沙量(g· m-2)，入渗量由降雨前后土壤含水量计算，具体计算方法如下[22-23]：

净水率(g· mL-1)=(泥水量-干泥重)/泥水样体

(1)

净水量(g· mL-1)=净水率×泥水总量

(2)

径流量(mm)=净水量/径流小区面积

(3)

径流系数(%)=径流量/降雨量×100

(4)

净泥率(g· mL-1)=干泥重/泥水样体积

(5)

净泥量(g)=净泥率×泥水总量

(6)

产沙量(g·m-2)=净泥量×2

(7)

水源涵养量(kg·m-2)=(降雨量-径流量)/径流小区面积

(8)

保水效益(%)=(重度放牧径流量-其他放牧径流量)/重度放牧径流×100

(9)

固土效益(%)=(重度放牧产沙量-其他放牧产沙量)/重度放牧产沙量×100

(10)

1.3 数据处理

使用Excel进行数据基本处理和整合，SPSS19.0数据统计分析软件做了单因素方差分析和Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同模拟放牧强度下径流产生的时间变化

在植物生长良好的草地，一般都有一层枯枝落叶增加地面的糙率，起到阻挡径流、分散径流和减缓流速的作用，并像海绵一样吸收水分，使水分慢慢入渗，减少径流的产生。随模拟放牧强度的不同，坡面径流出现的时间各不相同，从未放牧到重度放牧径流出现的时间逐渐缩短，平均产流时间分别为5.60 min，4.34 min，3.79 min和3.05 min。在未放牧条件下，雨强为0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1时，30 min降雨历时内均不产生径流，因此，在小降水强度情况下，产生径流较困难；1.67 mm· min-1和2.00 mm· min-1的雨强下出现径流的时间为降雨开始后的1 min。在轻度放牧和中度放牧条件下，0.5 mm· min-1雨强下，不产生径流；0.67 mm· min-1雨强下，径流出现的时间约为降雨开始后的5 min；1.67 mm· min-1雨强下，径流出现的时间为降雨开始后的1.5 min；2.00 mm· min-1雨强下，径流出现的时间为降雨开始后的0.5 min。在重度放牧条件下，0.5 mm· min-1雨强下，产流时间为8 min，0.67 mm· min-1雨强下，产流时间为3 min，1.67 mm· min-1雨强条件下，产流时间为1 min，2.00 mm· min-1状况下约0.5 min(见图1)，其中，重度放牧和中度放牧模拟条件下，不同雨强之间的径流出现的时间均有显著差异(P<0.05)，轻度放牧和未放牧条件下，1.67 mm· min-1和2.00 mm· min-1雨强下，径流出现的时间无显著差异。放牧强度越小，草地抵抗大降水的能力就越强，径流截留优势就越明显，水土流失量就越少。

在同一降雨强度下，随放牧强度由轻到重的变化，径流量、产沙量、径流系数均出现增加的趋势，其中在雨强为0.50 mm· min-1，放牧强度为未放牧和轻度放牧时，在降雨历时30 min内均无水土流失。在各种雨强下，未放牧、轻度放牧和中度放牧强度，径流量的变化无明显差异，但远小于重度放牧条件下的径流量，且均与重度放牧强度之间差异显著(P<0.05)。产沙量在雨强为0.50 mm· min-1和0.67 mm· min-1时，不同放牧强度间差异不显著；当雨强为1.67 mm· min-1时，产沙量之间差异显著(P<0.05)，雨强为2.00 mm· min-1时，未放牧、轻度放牧和中度放牧之间产沙量无差异显著性，但均与重度放牧之间差异显著(P<0.05)。就径流量而言，轻度放牧、中度放牧和重度放牧在4种雨强下的平均径流量均比未放牧增加150.00%，600.00%和2200.00%；平均产沙量比未放牧增加170.59%，535.29%和694.12%。就径流系数而言，放牧强度越大，径流系数越大，降雨强度越大，径流系数也越大。随雨强和放牧强度的增加，径流系数的变化范围在0～1.19之间，且降雨强度增大时，径流系数增加更为缓慢，截流效果更为显著。

图1 不同放牧强度下不同降雨强度开始产流时间

雨强Rainfallintensity/mm·min-1放牧强度Grazingintensity径流量Runoff/mm产沙量Soilerosion/g·m-2径流系数Runoffcoefficient/%0.50未放牧0±0.00a0.00±0.01a0.00±0.00a轻度放牧0±0.00a0.00±0.00a0.00±0.00a中度放牧0.02±0.09b0.10±0.07a1.03±0.05b重度放牧1.09±0.07c0.10±0.08a1.09±0.08c0.67未放牧0.03±0.01a0.09±0.08a0.34±0.00a轻度放牧0.17±0.05a0.17±0.17a0.66±0.05a中度放牧0.55±0.15a0.28±0.23a1.09±0.83a重度放牧1.18±0.06b0.35±0.23a1.18±1.02b1.67未放牧0.08±0.02a0.03±0.04a0.60±0.12a轻度放牧0.13±0.01a0.15±0.14a1.06+0.08a中度放牧0.53±0.04a0.15±0.13a1.06±1.31a重度放牧1.13±0.10b0.54±0.43b1.13±2.72b2.00未放牧0.11±0.01a0.19±0.21a1.10±0.84a轻度放牧0.28±0.03a1.04±0.91a1.10±1.13a中度放牧0.58±0.03b0.36±0.24b1.16±1.85a重度放牧1.19±0.04c0.54±0.51b1.19±0.26a

注：不同小写字母表示同一降雨强度下不同放牧处理间差异显著(P<0.05)

Note:Different small letters between different grazing treatments under the same rainfall intensity represent significant differences at the 0.05 level

2.2 相较于重度放牧强度下的保水固土效益分析

植被覆盖度良好的草地，草本植物根系多集中分布于土壤表层，植物根系与土壤密集交织在一起，形成紧密的根系网，固持土壤，减少土壤受冲刷的可能性。相较于重度放牧，未放牧、轻度放牧和中度放牧3种放牧强度的平均保水效益依次减小，分别为67.06%，46.04%，28.08%，且在中度放牧条件下，不同降雨强度之间的保水效益有显著差异(P<0.05)；3种模拟放牧强度的平均固土效益也依次减小，分别为88.54%，70.23%，38.73%，且在中度放牧强度下，不同雨强之间的固土效益也有显著差异(P<0.05)，其余差异不显著。可以看出降雨强度对径流量的影响高于对产沙量的影响，即在中度放牧强度下，保水效益和固土效益随降雨强度的增加递减幅度较大，而轻度放牧和未放牧强度下，保水效益和固土效益的变化幅度相对缓慢，出现这一现象的主要原因是植被叶面对雨滴起截留缓冲作用以及根系的固土护坡作用，使降雨和径流的侵蚀强度削弱，进而减少草地土壤的流失，起到保护土壤表层的作用[24-25]。其中未放牧草地在0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1降雨强度下的保水固土效益达100%，轻度放牧草地的保水固土效益在0.5 mm· min-1强度下也达到100%(见图2)，说明在未放牧和轻度放牧这两种模拟放牧强度下，降雨强度为0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1时，坡面基本不产生水土流失，草地的保水固土效益良好。从表2可以看出，高寒草地的减水减沙效益与雨型具有密切关系，相关系数分别为0.967和0.961，保水效益和固土效益有极显著的相关性，相关系数为0.995，但是相同雨型下减水减沙效益并非同步。

图2 不同放牧强度下的保水固土效益

保水效益Waterconservationefficiency固土效益Soilconservationefficiency降雨强度Rainfallintensity保水效益WaterconservationefficiencyPearson相关性Pearsoncorrelation1 显著性(双侧)Significant(2-tailed)平方与叉积的和Thesumofsquareandcrossproduct2639.835 协方差Covariance879.945固土效益SoilconservationefficiencyPearson相关性Pearsoncorrelation0.995**1显著性(双侧)Significant(2-tailed)0.005平方与叉积的和Thesumofsquareandcrossproduct1794.8921233.451协方差Covariance598.297411.150降雨强度RainfallintensityPearson相关性Pearsoncorrelation-0.967* -0.961*1显著性(双侧)Significant(2-tailed)0.0330.039平方与叉积的和Thesumofsquareandcrossproduct-63.443 -43.1031.631协方差Covariance-21.148-14.3680.544

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；* 表示在0.05水平(双侧)上显著相关

Note:** indicate significant correlation at 0.01 level(2-tailed)；* indicate significant correlation at 0.05 levels(2-tailed)

2.3 不同放牧强度下的水源涵养功能评价

水源涵养是草地生态系统的重要服务功能之一，它具有截留降水、抑制蒸发、涵蓄增加土壤水分、缓和地表径流、补充地下水和调节河川流量等功能[26-27]。图3中，对于不同放牧强度的草地，土壤入渗率均较高，约在83%～99%之间，随模拟降雨强度的增强入渗率均呈现先减小再增大再减小的变化趋势，各模拟放牧强度下，降雨为0.67 mm· min-1时的入渗率最小，其次是2.00 mm· min-1。且模拟放牧强度由重度放牧到未放牧各个雨强下在30 min降雨历时内的水源涵养量之和分别为658.4 kg·m-2，716.2 kg·m-2，746.3 kg·m-2及757 kg·m-2，因此，随放牧强度的增强，草地水源涵养量减小。随降雨强度的不断加强，不同放牧强度下单位面积水源涵养量明显升高，在各个放牧强度下，降雨强度从0.5 mm· min-1到2.00 mm· min-1时，高寒草甸的水源涵养量平均值分别为9.7 kg·m-2，18.1 kg·m-2，230.2 kg·m-2和461.6 kg·m-2，这主要与30 min降雨历时内总的降雨量有关，降雨量越大，水源涵养量越高，各降雨强度下，放牧强度由未放牧到重度放牧的水源涵养量呈减小趋势，且在中度以下减小趋势平缓，中度以上减小趋势坡度变陡(见图4)，说明从维持水源涵养功能的角度来说，中度以下的放牧强度是相对安全的。

图3 不同放牧强度下的水源涵养量

图4 不同降雨强度下的水源涵养量

3 讨论

地表径流是草地上一种最普遍的径流形式。贾恒义等[28]分析了草地覆盖对地表径流的影响后指出，草地的径流量较林地大，但随着草地覆盖率的提高，径流量减少。有研究指出：在干旱半干旱草原地区，由于土壤贫瘠、植被稀少，这种地表面只能贮存少量的降水，这时发生径流的速度是很快的，并且与湿润地区相比径流很少受到限制[29]。本研究中，随模拟放牧强度的不同，坡面径流出现的时间各不相同，从未放牧到重度放牧径流出现的时间逐渐缩短，且在未放牧条件下，在0.5 mm· min-1和0.67 mm· min-1雨强下，30 min降雨历时内均不产生径流，从未放牧到重度放牧，不同雨强下的平均产流时间分别为5.60 min，4.34 min，3.79 min和3.05 min，该结果与李国荣等[30]的研究结果基本一致。就径流系数而言，放牧强度越大，径流系数越大，降雨强度越大，径流系数也越大，说明：径流系数小的草地，其坡面产流相应较少；径流系数较大的草地，坡面产流也较大，这与杨春霞[29]、刘小平[31]等的坡面产流产沙试验的结果一致。原因是植被对降水的影响主要表现为冠层截留及茎干流对降水的重新分配作用，通过截留降低雨水到达地面的数量和速度，放牧强度增强，草地的植被覆盖度下降，从而缩短了雨水到达地面和产生径流的时间。

草地凋落物通过对降水的吸纳，使地表径流减少，并增加对土壤水的补给。研究表明，降雨量、植被冠层覆盖度和先前的土壤湿度分别占到径流量影响因素的72%，3%，0.5%，这表明在同一场暴雨中，不同植被覆盖地区所发生的径流是不相同的，且植被覆盖度的影响较大[32-33]，随降雨强度的增加，径流量增大，降雨强度和产流量、产沙量之间的相关性极显著[34-35]，该结果与本研究结果一致。现场试验发现，降雨强度越大，表层松散颗粒流失的速度越快，野外坡面并非十分平整，因此随着径流量的增加，坡面局部范围内有径流汇集和冲蚀现象，坡面出现侵蚀细沟，土层破坏较严重，这也是降雨强度增加后土壤流失量急剧增加的主要原因[30]。由于放牧降低了地表植被的覆盖度，因此，放牧对径流和土壤侵蚀的影响比较明显。研究表明，多数径流发生在重度放牧的小区，而受保护的小区径流最少，径流量和产沙量都随放牧强度的增加而增加，没有放牧的流域，其植被变化对土壤侵蚀的影响非常小，但在放牧情况下，在裸地和岩石为基质的表面，土壤侵蚀会稍有增加，而在地面覆盖条件下，土壤侵蚀会稍有减少；适度放牧(每月每头牛4英亩)对侵蚀没有明显影响，而在重度放牧条件下，侵蚀程度加剧[36]，该结果与本研究结果一致，即从维持水源涵养功能的角度来说，中度以下的放牧强度是相对安全的。这些研究说明，由于放牧特别是重度放牧降低了地表植被的覆盖度，高强度践踏土壤是造成土壤侵蚀的重要原因。

多年来，研究者对水土流失严重地区开展的生物措施进行了大量水土保持效益研究，研究结果均表明，生物措施具有较高的保水固土效益[37-38]，本研究中，相较于重度放牧，随放牧强度的增强，在4种不同雨强下的平均保水效益随雨强的增强依次减小，平均固土效益随雨强的增强也依次减小，降雨强度对径流量的影响高于对土壤流失量的影响。因此，封禁处理可以强化草地土壤抗侵蚀能力，增加土壤蓄水容量，能够发挥一定的保水固土效益，而超载率和草原退化率严重影响了牧区草原的生态安全压力，且不同降雨类型由于其降雨因子(降雨量、降雨历时、降雨强度等)的不同，会对草地的保水固土效益产生影响[39-40]。

本文中，土壤入渗率均较高，约在83%～99%之间，土壤入渗率越高，水土流失量越小，进而水源涵养量越高。且随放牧强度的增强，高寒草甸水源涵养量减小。赵同谦等[41]将草地生态系统的内涵界定为截留降水，涵养水分的作用，这种作用是相对于裸地而言的，受到降雨强度、降雨量变化特征以及草地具体的类型影响，于格等[42]也认为草地相对于空矿裸地具有更高的水分渗透性与保水功能，能够截留降水，发挥水源涵养功能。植被盖度可消减降雨的动能，植被通过其枝叶、树冠等层层拦截，进而减弱降雨对植被土壤的击打侵蚀，是保持土壤的重要因素，因此，植被的垂直结构，形态结构是影响土壤侵蚀的重要因素[43]。

4 结论

在人工模拟降雨条件下，随模拟放牧强度的不同，高寒草甸坡面径流出现的时间各不相同，从未放牧到重度放牧径流出现的时间逐渐缩短，径流量和产沙量随放牧强度的增强而增加，且降雨强度对径流量的影响高于对产沙量的影响。随降雨强度的增强，高寒草甸的保水固土效益减弱。对于不同放牧强度的高寒草甸，土壤入渗率均较高，约在83%～99%之间，高寒草甸的减水减沙效益与雨型具有密切关系，相关系数分别为0.967和0.961，保水效益和固土效益之间有极显著的相关性，相关系数为0.995。随放牧强度的增强，草地水源涵养量减小。从维持水源涵养功能的角度来说，中度以下的放牧强度是相对安全的，建议祁连山高寒草甸的放牧强度不要超过中等放牧。