长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离的影响_孙宝洋.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（，）作者简介：孙宝洋（），男，山东枣庄人，高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀研究。：通信作者：任斐鹏（），男，山西晋城人，正高级工程师，博士，主要从事景观地理学与植被生态学基础研究。：，（）：长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离的影响孙宝洋，任斐鹏，邵逸文，刘纪根，李 昊，师 哲，（长江科学院 水土保持研究所，武汉；水利部长江江源区水生态系统野外科学观测研究站，青海 玉树；水利部山洪地质灾害防治工程技术研究中心，武汉）摘 要：长江源高寒草地存在不同程度的退化，导致局部水土流失仍呈增加的趋势。为研究高寒草地退化对土壤分离速率的影响，开展不同植被退化程度坡面径流冲刷试验。结果表明，植被完全退化坡面的高山草甸土平均分离速率（）显著大于重度和中度退化坡面（和 （），并远大于轻度退化的坡面（）；完全退化坡面的淡寒钙土平均分离速率（）分别是寒钙土、草甸沼泽土和高山草甸土的、和倍。不同退化程度的土壤分离速率随水流剪切力、径流功率与过水断面单位能量的增加，均呈较好的线性或幂函数关系，但与水流功率的拟合效果最好。在相同水流功率条件下，长江源土壤分离速率大于西南及黄土高原地区。本研究可为长江源区土壤侵蚀机理的研究和水土保持措施优化配置提供参考。关键词：长江源；高寒草地；土壤侵蚀；植被退化；土壤分离速率中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，（），（）（），（）（），：；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景土壤分离是侵蚀的初始阶段，是在降雨击溅或径流冲刷作用下，土壤颗粒脱离土体、发生位移的过程，一般是由水动力因素和土壤自身属性共同决定。水深、流速、水流剪切力、水流功率和过水断面单位能量等作为表征水流强度的指标，常用来建立或修改与土壤分离速率的函数关系，来定量描述土壤分离。在实际应用中，一般模拟土壤分离过程的最优参数受研究区土壤性状影响。等发现青藏高原地区的土壤分离速率与水流功率呈显著线性相关关系，并远大于其他地区，这与土壤性状有关。在径流冲刷过程中，植被通过枯落物覆盖和根系固结，增加抗侵蚀能力，同时根系的分泌物和植物残体会增加土壤有机质，改良土体结构，进而影响土壤侵蚀过程。等研究表明，草本植物能够使土壤剥离能力较无植被土壤降低 以上。相对于无植被的裸土，退耕土壤的侵蚀量可减少 倍，草地在一定程度上改善了土壤力学和理化性质。李建明等从侵蚀动力角度，发现植被通过调控坡面水动力过程有效减少侵蚀，水流功率可用于较好地刻画坡面侵蚀动态过程。长江源地处青藏高原腹地，海拔在 以上，土壤和植被类型具有明显的空间变异性，多种侵蚀类型并存。高寒草地是长江源最重要的草原生态系统之一，约占区域总面积的，是该区最主要的土地利用类型，在水源涵养方面具有极其重要的生态地位。生态建设工程实施以来，草地持续退化趋势得到初步遏制，然而，由于该区恶劣的高寒生态环境，植被根系土层及其理化性状的恢复极为缓慢，草地的恶化趋势并未获得根本性扭转，局部地区土壤侵蚀仍呈增加的趋势。有研究表明，青海省高寒草地重度与极度退化总面积占草地总面积的，影响土壤退化强度的因素因地域而异。因此，开展长江源不同退化程度高寒草地土壤分离过程模拟试验，研究该区土壤侵蚀影响机制，对长江源区土壤侵蚀过程机理的研究，以及水土保持措施优化配置和开展长江大保护具有重要意义。材料与方法 研究区概况长江源区大致范围介于 与 之间，控制流域面积约，平均海拔约 。长江源区位于青藏高原腹地，以高山地貌为主，属于典型的高原大陆性气候，干燥寒冷、太阳辐射强，无霜期短，冷热两季交替，干湿两季分明，年均气温，年均降水量 。长江源区水系可划分为正源沱沱河水系，北源楚玛尔河水系，南源当曲水系，以及干流通天河水系。长江源土壤类型主要包括高山草甸土、草甸沼泽土、寒钙土和淡寒钙土，具有明显的空间变异性（图）。高山草甸土主要分布在通天河流域，占长江源总面积 以上，成土母质以残积物、坡积物、冲积物等为主；草甸沼泽土主要分布在当曲流域，该区植被较好，湿地广布，土壤发育时间短，土层薄；寒钙土主要分布在沱沱河流域，该区气候干旱，降水量少，植被稀疏，土壤冻结期长，成土母质以冲积物、洪积物和坡积物为主，质地较粗。淡寒钙土主要分布在楚玛尔河流域，相对于寒钙土，该区生态条件和土壤肥力更差，土壤冻结期 个月以上，土层薄、质地差。根据国际制土壤质地分类标准，高山草甸土属于粉砂质黏壤土，草甸沼泽土属于壤土，寒钙土属于粉砂质壤土，淡寒钙土属于砂质壤土（表）。图 长江源土壤类型及采样点分布 长江源区属于半湿润半干旱寒冷高原生态系统的青南羌塘草原、荒漠生态区，植被类型较为简单，从东南到西北，依次分布着高寒灌从、高寒草甸、高寒草原等。通天河流域植被类型以高寒草甸为主，受自然条件和当地放牧影响，草地呈不同程度退化趋势，在植被重度和中度退化的坡面，持水性较差，优势建群种为莎草科矮生嵩草（），物种单一稀少，高度在 之间；轻度退化坡面，持水性较强，是以矮生嵩草为优势建群种的 第 期孙宝洋 等 长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离的影响多种物种混合生长的草地，主要植物种为矮生嵩草（）、短穗兔儿草（）、早熟禾（）等。试验土壤本研究中试验土样为长江科学院 年科学考察，在不同源区采集（表）。在通天河流域高山草甸坡面，按照“”型布设植被样方，利用直径、高 的环刀，采集植被重度、中度和轻度退化的原状土样（图（）图（）。在长江源楚玛尔河、沱沱河、当曲和通天河流域完全退化样地，去除地表碎石和杂物后取原状土样，用于模拟冲刷试验，同时用加厚自封袋取土样约 用于室内理化性质测试（图（）图（）。图 采样点土样现状 表 试验土壤类型及采样位置 采样源区地理坐标行政区位置海拔 土壤类型下垫面土壤颗粒含量 黏粒粉粒砂粒楚玛尔河流域，玉树州治多县 淡寒钙土沱沱河流域，海西州沱沱河镇 寒钙土当曲流域，玉树州治多县 草甸沼泽土地表裸露通天河流域，玉树州结古镇 高山草甸土地表裸露植被覆盖度约 植被覆盖度约 植被覆盖度约 试验方法 土壤理化性质测试原状土样的重度采用环刀烘干法测量，土壤机械组成采用马尔文激光粒度仪法，土壤水稳性团聚体含量采用湿筛法，土壤有机碳测定采用重铬酸钾外加热法，土壤碳酸钙采用气量法，土壤氮、磷采用传统消煮定容的方法。将原位取回不同植被盖度原状土样置于孔径 的尼龙网筛内，采用无压水流进行反复冲洗，直至洗出所有根系，然后将根系烘干称重，可得根系干重。以上土壤理化性状的测试均依据相关标准和规范，每个指标重复测试 组。冲刷试验土壤分离过程的研究采用变坡水槽冲刷试验的方法，试验在位于长江源玉树州杂多县的“水利部长江江源区水生态系统野外科学观测研究站”进行（图）。径流冲刷变坡水槽主要由供水、稳流、冲刷和收集 部分组成，坡度在 范围内可调。供水部分由水泵提供的动力将清水通过软管和流量计引入冲刷装置的稳流槽中。稳流槽（长）（宽）（深）位于冲刷槽的顶端，主要用于调节冲刷水流稳定性，使水流进入冲刷槽中的初始速度为 。冲刷槽（长）（宽）（高）为 材料，底部粘有与试验土壤相同的土壤颗粒，使试验水槽表面糙度与野外最大可能相似，冲刷槽的试验段为内径、深 的柱形凹槽，可刚好放置取样环刀，位于冲刷槽中轴线且距冲刷槽尾端 处。试验收集部分位于冲刷装置的尾部，设计为椎体，用于收集试验过程中的泥沙。在放水冲刷前，调节冲刷槽坡度和流量，根据研究区坡度分布特征和近 的降雨资料，坡度设计为 和，流量设计为、。水流稳定后利用染色体法测定流速，测量区间位于冲刷槽试验段上部，长度为 ，根据试验水流流态选择相应流速修正系数计算平均流速。冲刷开始后，土样被冲刷 深度时停止试验，记录所用时间。自产流开始用径流桶收集水流泥沙试样，直至冲刷结束。冲刷结束后，将径流桶静置澄清，泥沙沉淀完全后倒掉上层清液，将剩余泥沙样转移至铝制料缸内，在烘箱中 烘干后称量泥沙质量。每组试验重复 次，共计试验 场。数据处理与分析土壤分离速率是单位时间单位面积上的土壤侵蚀量，计算公式为 长江科学院院报 年(a)(b)(c)(d)图 长江源野外科学站径流冲刷模拟试验 。（）式中：为土壤分离速率（）；为试验冲刷输移土样质量（）；为土样面积（）；为冲刷时间（）。水流剪切力的计算公式为 。（）式中：为水流剪切力（）；为水的密度（），一般为 ；为重力加速度（）；为平均水深（）；为坡度。水流功率计算公式为 。（）式中：为水流功率（）；为水流流速（）。过水断面单位能量计算公式为 。（）式中：为过水断面单位能量（）；为动能校正系数，取为。试验数据利用 进行数理统计分析，差异显著性检验用最小显著差异（，）法（，双尾）。结果与分析 植被退化程度对土壤分离速率的影响基于原状土样的径流冲刷试验，不同退化程度土壤分离速率与坡度和流量均呈正相关关系（图）。由图 可知，在相同坡度和流量条件下，不同退化程度高寒草甸土壤分离速率与退化程度显著正相关（），草地退化越严重，土壤抗侵蚀能力越小，分离速率越大。高山草甸完全退化坡面的土壤平均分离速率（）显著大于重度退化和中度退化土壤（和 （），并远大于轻度退化土壤（），最大可达 倍。A a B a C a D a E a F a A b B b C b D b E b F b A c C c B c C c D c A d B d B d A d C d C d 00.20.40.60.81.01 21 82 41 21 82 4流量/(Lm i n-1)完全退化 重度退化 中度退化 轻度退化 B c 1 01 5土壤分离速率/(gc m-2m i n-1)注：不同大写字母表示不同坡度和流量条件下试验结果间差异显著（），不同小写字母表示不同退化程度条件下试验结果差异显著（）。图 长江源不同退化程度土壤分离速率 在高山草甸轻度、中度、重度和完全退化坡面，坡度为 时，土壤平均分离速率分别为、和 （），坡度增加到 后，土壤分离速率增加了、和倍，轻度退化的增幅明显大于其他退化坡面。冲刷流量由 增加到、时，轻度、中度、重度和完全退化土壤分离速率分别增大了和、和、和、和倍。同样，随冲刷流量的增加，轻度退化坡面的土壤分离速率增幅最大（图）。完全退化坡面土壤类型对分离速率的影响完全退后的 种不同土壤平均分离速率具有显著差异，并均远大于重度以下退化程度坡面的高山草甸土分离速率（，图）。淡寒钙土的土壤平均分离速率（）最大，分别是寒钙土（）、草甸沼泽土（）和高山草甸土（）的、和倍。坡度为 时，不同土壤平均分离速率（）是 坡面（）的倍，增加幅度小于轻度退化坡面，而大于中度和重度退化坡面。流量为 时，不同土壤平均分离速率为 （），当流量增加到、时，土壤平均分离速率分别增加、倍，增幅小于轻度、中度和重度退化坡面。通过相关分析发现（表），完全退化后不同类型土壤分离速率与粉粒和团聚体含量呈极显著负相 第 期孙宝洋 等 长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离的影响图 长江源不同类型土壤分离速率 关关系（），与砂粒含量显著正相关（）。团聚体作为土壤结构的基本单元，其稳定性是抵抗外力作用或在外部环境变化时保持原有形态的能力，作为土壤抗侵蚀能力的重要评价指标，其组成及含量受土壤质地等影响。表 土壤分离速率与土壤属性相关性分析 指标相关系数不同退化程度不同类型土壤黏粒粉粒砂粒有机碳团聚体全氮全磷碳酸钙重度抗剪强度根系干重 注：表示 水平显著，表示 水平显著。水动力参数对土壤分离速率的影响坡度和流量是土壤分离的驱动因子，决定了坡面径流侵蚀动力，不同土壤及退化程度土壤分离速率与水动力参数均呈正相关关系。在本研究中，水流剪切力范围为，水流功率范围为（），单位能量范围为。不同土壤分离速率与坡度流量均呈正相关，但与坡度的平均相关系数（）明显小于流量（），且同时小于其他水动力参数（图）。不同退化程度坡面土壤分离速率与水流功率（）和过水断面单位能量（）呈显著相关关系（）。完全退化坡面的不同类型土壤分离速率与水流剪切力（）和水流功率（）均呈显著相关关系（），相关系数基本在以上。土壤分离速率随不同水动力参数的增加，均呈注：图中横轴、和 分别为淡寒钙土、寒钙土、草甸沼泽土、高山草甸土，以及重度退化、中度退化和轻度退化的高山草甸土样；纵轴、和 分别代表坡度、流量、水流剪切力、水流功率、单位水流功率和单位能量。图 土壤分离速率与水动力参数的相关关系 较好的线性或幂函数关系。不同退化程度坡面的土壤分离速率与水流功率的线性拟合关系较好，且退化程度越严重，线性拟合相关系数越大（表）。完表 不同退化程度坡面土壤分离速率与水流功率拟合关系 坡面类型试验土样线性函数幂函数表达式表达式完全退化坡面不同退化程度坡面淡寒钙土（）寒钙土（）草甸沼泽土（）高山草甸土（）重度退化（）中度退化（）轻度退化（）全退化后坡面，不同土壤分离速率与水流功率的拟合效果总体优于水流剪切力和单位能量，草甸土的分离速率与水流功率间的线性关系最优，而寒钙土分离速率与水流功率间的线性关系略小于幂函数。讨 论在高寒草地坡面，土体中的根系犹如乱向分布的天然的纤维材料，可以起到固土抗蚀的作用。物理捆绑和生物化学吸附是根系固土抗蚀的主要作用方式，已有研究发现，土壤分离速率在植被和根系作用下降幅可达。李光莹等在黄河源玛沁地区研究发现，根系密度是影响未退化、轻度退化和重度退化高寒草地根土复合体抗剪强度最主要 长江科学院院报 年 因素，其次为单根抗拉强度及根系数量。在本研究中，长江源轻度退化以上的高寒草地以须根系为主，优势建群种为莎草科矮生嵩草（）、早熟禾（）等，物种较为单一，高度在 之间，根系分布稀疏，主要分布在 之间。因此，可以推断长江源高寒草地主要靠根系数量和须根系的物理捆绑作用增加抗侵蚀能力。高山草甸根系通过缠绕、固结和串连土体等方式，与土壤形成较稳定的根土复合体，抑制土壤侵蚀过程，但随植被退化程度增加，径流冲刷作用下的土壤分离速率呈几何级数递增（图）。有研究表明，在相同水动力条件下，壤砂土分离速率最大，其次是粉壤土，黏壤土分离速率最小。这主要是由于黏粒和粉粒自身胶结容易形成团聚体，形成团聚体后，由于自身具有较大重量，增加了抗侵蚀的能力，而砂粒很难形成团聚体，因此更容易被分离搬运。在本研究中，长江源地区从草甸土到寒钙土，土壤质地逐渐粗化，砂粒含量显著增大（表），因此，土壤分离速率呈增加的趋势。坡面径流分离土壤需要克服土粒之间的粘结力，在土壤分离过程中，径流水动力越大，被剥离的土壤颗粒越多，土壤分离速率越大。土壤分离过程受流量和坡度两个因子的综合作用，而并非任何单一因子的影响。因此，在不同的坡度和流量组合下，作为表征径流强度的高阶参数，坡面水流剪切力、径流功率和过水断面单位能量与长江源土壤分离速率的相关性明显优于坡度和流量（图）。对于不同植被退化程度坡面，用于拟合土壤分离速率的最优参数有所不同，但总体上，水流功率的线性拟合效果最好，这与前人研究结果基本一致，。将长江源不同类型土壤分离速率随水流功率的变化趋势与其他学者在西藏、黄土高原，、西南，等地区的研究结果进行对比，发现虽然坡度和流量设置不同，但土壤分离速率与水流功率均呈较好线性相关关系（，表 和图）。在土壤分离速率与水流功率的线性拟合关系中，斜率为土壤分离速率随水流功率变化的幅度，用于表征土壤易蚀程度。在相同水流功率下，西藏地区重塑后的土壤分离速率远大于其他地区重塑土和原状土，斜率为，说明该研究中土壤最易被侵蚀；楚玛尔河流域淡寒钙土的原状土样与重塑的西南地区紫色土分离速率变化趋势及大小相似，斜率在之间；重塑西南地区黄壤的分离速率与淡寒钙土相近，斜率与沱沱河流域的寒钙土相近，在之间；当曲及通天河的草甸土分离速率与黄土高原地区重塑的黄绵土相似，斜率在之间，但远大于原状黄绵土（斜率为）。等研究发现原状土样分离速率是重塑土的 倍。据此可推断，相同水动力条件下，长江源区的土壤分离速率应该与 等研究的同属青藏高原的西藏地区土壤相似，都属于发育时间较短的土壤，并且远大于其他地区，这是由土壤属性决定的，因此长江源区的侵蚀风险远大于其他地区。楚玛尔河流域淡寒钙土沱沱河流域寒钙土当曲流域草甸沼泽土通天河流域高山草甸土西南地区黄壤原状黄绵土重塑后黄绵土紫色土系列1 0 土壤分离速率/(gc m-2m i n-1)水流功率/(Nm-1s-1)24681 01 21 4024681 0图 不同地区土壤分离速率与水流功率关系对比 结 论本研究通过原位采样和径流冲刷试验，分析长江源草地退化和水动力参数对土壤分离速率影响，得到以下主要结论：（）长江源不同退化程度及完全退化后的草地，土壤分离速率具有明显空间变异性。高山草甸裸土平均分离速率显著大于重度和中度退化草地，并远大于轻度退化草地，最大可达 倍。对于不同退化程度的草地，根系干重是决定土壤分离速率的关键因素。（）草地完全退化后的淡寒钙土土壤平均分离速率是寒钙土、草甸沼泽土和高山草甸土的、和倍。土壤质地和团聚体含量是影响不同类型裸土分离速率的重要因子。（）不同草地退化程度坡面的土壤分离速率与水流功率的线性拟合关系最好。相同水流功率下，长江源地区原状土分离速率与西南及黄土高原地区重塑土相近，但侵蚀风险远大于其他地区。由于本研究为坡面尺度，试验样品数量有限，在说明长江源不同源区或土壤类型的侵蚀现状时具有局限性，还需通过增加采样的密度和数量，并结合流域和区域尺度的分析进一步验证。第 期孙宝洋 等 长江源典型地区高寒草地退化对土壤分离的影响参考文献：，（）：张冠华，胡甲均 径流驱动土壤分离过程的影响因素及机制研究进展 水科学进展，（）：丁文峰 紫色土和红壤坡面径流分离速度与水动力学参数关系研究 泥沙研究，（）：，：，（）：，：，（）：，：李建明，张长伟，王志刚，等 不同植被类型对堆积体坡面径流特性的影响 长江科学院院报，（）：吴志广，徐 平，赵良元，等 长江源区综合科学考察报告 武汉：长江出版社，常福宣，洪晓峰 长江源区水循环研究现状及问题思考 长江科学院院报，（）：邵全琴，樊江文，刘纪远，等 三江源生态保护和建设一期工程生态成效评估 地理学报，（）：秦海蓉，陈长成，胡月明，等 青海省高寒草地土壤侵蚀强度及其空间分布特点 草地学报，（增刊）：贺 倩，戴晓爱 基于 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