3.1 灌草格局对土壤剥蚀特征的影响
雨滴或水流驱动下引起的土壤剥离过程是外界侵蚀营力与土壤抗蚀能力间相互作用的外在表现,当侵蚀应力大于土壤的抗蚀能力时就会产生土壤侵蚀[14]。以往研究表明,植被影响是坡面土壤剥蚀特征的重要因素之一[8],Zhang等[8]研究认为灌丛及草本植被均能有效的降低径流过程中坡面土壤的剥蚀程度,坡耕地的土壤剥蚀率是不同植被条件下的6.9～47.8倍。这在本研究中也得到了证实。本研究发现植被类型的差异也是影响土壤剥蚀特征的重要因素,其中SU,SM,SL格局土壤剥蚀率显著低于GL格局,这是由于较草地而言灌丛的存在增大了坡面的根系密度,根系的缠绕及其分泌物对土壤颗粒的胶结作用,可以固持土壤、提高表土及附近土壤的稳定性[15]; 根系提升土壤有机质的作用,可以促进水稳性团聚体的形成[6],提升表土粗糙度,降低径流对土壤的剥蚀; 其次,在试验过程中观测发现,在研究区风水复合的特殊的侵蚀环境下,灌丛所在区域形成了凸起的丘体[16],径流通过灌丛所在位置时均出现绕过丘体向坡下汇集的现象。丘体对地表径流的拦蓄作用可以在一定程度上降低径流的流态,削弱径流对坡面的剥蚀[17]。从而在对土壤抗蚀性能的提升效果方面灌草坡面优于草地。
表2 不同灌草格局下水动力参数与土壤剥蚀率的通径分析
进一步分析发现,3种冲刷流量下土壤剥蚀率均呈现SU格局>SM格局>SL格局的趋势。对此Zhang等[2]认为,径流对坡面的侵蚀主要集中于上坡下部到下坡下部的广泛区域,径流过程中坡面侵蚀主要发生在中下部位置,因此相较于灌丛位于坡上和坡中部而言,灌丛位于坡面下部时更有利于坡面重点侵蚀区域的保护; 并且在干旱半干旱区,由于气候的原因有机质分解速率较慢,坡面存在一定量的凋落物组织,并在径流作用下形成一种类似“坝体”的结构[18],此类屏障的形成对径流路径及运动状态会产生显著影响。本研究中灌丛所在位置的凋落物明显高于坡面其他部位,未分解的茎秆与小的凋落物组织及植物根茎部位结合形成足以拦截径流的“自然屏障”,极大的降低了径流速率,消耗水流能量,削弱了灌丛附近土壤剥蚀的强度[14]。因而在多种因素的共同作用下,土壤剥蚀率表现SU格局>SM格局>SL格局的分布特征。
3.2 水动力参数对土壤剥蚀率影响
水流功率、单位水流功率和水流剪切力是土壤侵蚀模型中描述土壤剥离过程常用的水动力参数[8,19-20]。运用水动力参数对不同灌草格局下土壤剥蚀率进行量化,有利于建立适用于本研究区土壤剥蚀率的预测模型。Wang等[7]研究发现,土壤剥蚀率与水流功率、单位水流功率和水流剪切力均呈正相关关系,这与本研究结果相符,不同灌草格局下水流功率和单位水流功率均表现为SL格局<SM格局<SU格局<GL格局<BL格局。对于径流小区坡度相同的本研究而言,水流深度和水流速度是计算不同灌草格局坡面径流过程的水动力特征的仅有的变量。植被对流速的径流过程中水深、流速的影响会最终反馈于径流的水动力参数中(水流剪切力、水流功率和单位水流功率)。此外,该因素也是造成不同植被格局间水动力参数特征差异的重要原因。
土壤剥蚀率与水动力参数的变化趋势基本相同,说明不同植被措施均能够通过降低水流动能来削弱坡面的剥蚀程度[7],但在土壤剥蚀特征的预测研究中,最佳水动力参数选择仍具有一定争论,Zhang等[21]认为水流功率是估算土壤剥蚀率的最有效水动力参数,而一些研究[19-20]却发现,水流剪切力、单位水流功率是土壤剥蚀率的最佳预测参数,对此Wang等[12]认为,研究条件的变化可能会导致最适宜水力参数的选取出现差异。针对本研究而言,简化式中水流剪切力是水深和坡度的函数[13],本研究试验地点为野外自然坡面,与室内试验相比,自然坡面在多种因素干扰下平整度较差,径流填洼的现象会使水深对灌草格局及冲刷流量的反馈降低,导致不同灌草格局下水流剪切力与土壤剥蚀率拟合精度较差; 此外本研究条件下,不同格局冲蚀细沟的发育也是造成差异的重要原因,Stefanovic等[22]研究认为侵蚀泥沙的来源并非全是由水流剪切作用对坡面土壤的剥离作用产生的,细沟发育过程中的沟岸坍塌、沟头溯源等活动作为细沟发育的重要组成部分[22],也是泥沙的重要贡献来源[23],而水流剪切力的剪切效应主要作用于细沟底部,这在一定程度上导致了水流剪切力对土壤剥蚀现象响应的敏感性降低; 对于水流功率、单位径流功率等能量指标而言,沟岸崩塌、沟头溯源等现象可以影响水流剥离搬运的能量分配,因而对土壤剥蚀特征的响应更为灵敏。但对水动力参数和土壤剥蚀率进行通径分析后发现,水流剪切力的间接通径系数达到了0.817,且对土壤剥蚀率贡献率仅次于水流功率,说明在研究坡面径流对土壤的侵蚀作用时,水流剪切力对土壤剥蚀率的间接作用也不应被忽视。
