基于降雨-径流试验的高寒草甸产流机制研究

2021-11-09魏健美李常斌谢旭红吕佳南

长江科学院院报 2021年11期

魏健美，李常斌，谢旭红，武磊，吕佳南，张媛

(1.兰州大学资源环境学院，兰州 730000； 2.兰州大学西部环境教育部重点实验室，兰州 730000)

1 研究背景

产流是降雨-径流过程的核心环节，产流机制研究是水文学基础理论研究的重要组成部分[1-2]。增温背景下，极端气候事件出现的频次明显提高，特别是降水的变异度提升，导致产流机制发生改变[3]，坡地蓄存、土壤侵蚀和河湖水质等都相应地发生变化，给区域生态环境保护和水资源合理开发利用带来新的挑战。

国内外学者在降雨-入渗-产流过程方面已做了许多研究[4-9]，奠定了一定的基础。历经多年发展，包括蓄满、超渗和混合产流等在内的产流机制理论体系已较为成熟和完善[10]。一般地，土壤构成基本一致时，坡度与坡长、降雨强度与历时、前期土壤含水量、植被覆盖等对坡地产流具有重要的影响[11]。朱永杰等[12]就坡度和降雨对狗牙根草地产流的影响进行研究，提出了坡度、雨强与产流之间的定性关系；王辉等[13]通过研究发现在雨强和坡度较大的情况下，前期土壤含水量对塿土坡面入渗及产流过程的影响不明显，但对沙黄土坡面产流时刻的影响较大，通过计算得出2种土壤坡面最小水土流失量对应的前期土壤含水量；赵梦杰等[14]研究了植被覆盖变化对土壤含水量、坡面入渗及产流的影响，发现土壤含水量与植被覆盖关系密切，植被覆盖度越高，稳渗率越大，达到稳渗时间越短，植被覆盖度较大时地表产流存在滞后效应，等等。由于降水和下垫面情形的复杂多样，产流机制存在很强的时空异质性，关于坡地入渗、产流与环境因子之间的定量关系，不同地域和不同研究者得到的结论不尽相同[15]，相关理论的应用和推广面临诸多挑战，对科学合理地开发利用水资源形成阻碍。特别是在缺乏观测的高寒草甸区，生态水文过程研究还相对薄弱，已有研究主要集中在环境变化对流域或样方尺度水文过程或植被生态的影响方面[16-17]，基于野外原位试验的降雨、地形、植被覆盖等多因子影响下的坡地产流机制的综合研究较少见于报道。

河源区高寒草甸具有改善水质、涵养水源、防风固沙、固碳释氧等多种自然生态系统服务功能，也具有为人类提供放牧、旅游等社会经济服务功能[18-19]。随着经济社会的发展，人类对自然资源的需求日益增加，放牧、工业化和城市化中存在不可持续的资源利用模式，导致高寒草甸生态系统发生退化，出现水土流失、土地荒漠化、草场退化、物种多样性受损等一系列环境问题[20-21]，生态系统服务功能退减，反过来影响到区域经济社会的可持续发展。涵养水源是高寒草甸生态系统的一个极其重要的服务功能[22]，气候变化和人类活动导致高寒草甸水文调节功能发生变异，水源涵养功能发生退减，区域水资源的形成演替的不确定性提升。研究变化环境下的高寒草甸产流机制，有助于河源区水文循环和水资源研究的深入，可为高寒草甸区水分高效利用及生态环境保护提供基本理论依据。

作为黄河上游重要的水源涵养和补给区，玛曲县以“黄河首曲”知名，域内水资源的形成、分布和转化对黄河上游径流演化、环境健康和社会经济发展起着重要作用[23]。从黄河全流域来看，该区为中下游地区提供生态溢出，生态保障功能十分显著。玛曲县地处高寒地带，独特的地理、生态和气候条件，加之人类活动影响，使该区高寒生态系统敏感而脆弱[24-26]，极易受环境变化的影响。气候变化和人类活动影响下，玛曲高寒草甸生态系统结构发生明显变化，重度退化草甸和次生裸地面积增加，牧草比例减少，植被覆盖度下降，草地退化严重[27-29]，加之沼泽湿地发生萎缩，区域水源涵养功能和产水能力退减，河川径流量自1980年代以来显著减少[30-31]。玛曲县高寒草甸占地最广，是域内最为重要的植被生态系统。一方面，高寒草甸对该区降水的二次分配，特别是地表产汇流过程起重要调节作用；另一方面，高寒草甸与区内自然生态系统健康和牧业持续稳定发展密切相关。以该区为例，探究高寒草甸坡面产流机制，对评估河源区草甸生态系统水源涵养能力及研究区域水资源形成演替具有重要意义。

本研究依托兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站，基于野外降雨-径流试验，对河源区高寒草甸坡地产流与植被覆盖、坡度和降雨之间的关系进行定量研究，以期为高寒草甸生态系统保护和河源区水资源合理规划利用提供理论和数据方法支撑。

2 研究区概况

研究区位于黄河首曲段玛曲县境内(100°45′45″E—102°29′00″E，33°06′30″N—34°30′15″N)。玛曲县地处甘肃省南部，青藏高原东北部，毗邻四川省若尔盖与青海省河南蒙古族自治县，全县总土地面积10 190.8 km2。玛曲县境内整体地势呈西高东低态势，黄河从该县西部流入，经南、东、北三向环绕，形成“第一湾”，境内流程约为433 km；域内地势相对平缓，支流纵横分布，形成大面积的滩涂湿地景观，是黄河上游重要的水源涵养和补给区[32-34]。区内海拔多在3 000 m以上，多年平均气温1.2 ℃，7月份气温最高，2月份最低；多年平均降水616 mm，多集中在5—9月份，属典型的高原大陆性气候。

区内土壤以亚高山草甸土和泥炭土为主；土地利用/覆被类型主要包括林地、草地、水域、沼泽湿地、建设用地和未利用地6类，其中以中覆盖草地面积最大，占比40.96%；高、中、低覆草地面积总占比达72.65%(图1)；各类草地中，又以高寒草甸为主，类型包括草原化草甸、沼泽化草甸、亚高山草甸、灌丛草甸、高山草甸等，是区内最重要的覆被类型，多为品质优良的牧场。区内人口以藏族为主，经济结构以畜牧业为主，属甘肃、青海两省的重要牧区。

图1 玛曲县土地利用/覆被类型及面积占比Fig.1 Land use/cover types and area ratio in Maqu County

3 试验设计与研究方法

3.1 样区布设及数据收集

依托兰州大学高寒草甸与湿地生态系统定位研究站，分别于2018年和2019年暑期(7—8月份)开展试验，共在4个样区(101°52′20.48″ E，33°40′28.18″N;101°51′54.26″ E,33°40′6.89″N;102°3′46.49″ E,33°57′21.74″N;102°3′46.59″ E，33°57′21.96″N)进行试验。

3.1.1 样地

玛曲县海拔介于3 264～4 780 m之间，绝大多数地域坡度在30°以下(面积占比约90%)；样地区海拔在3 400～3 600 m之间，根据立地条件，以盖度和坡度为控制要素选取样地，面积大小为1 m×1 m。试验采用0.12～0.30 mm/min(中小雨)和0.3～6.0 mm/min(暴雨)2种模式设计雨强，含18°、20°和23°共3种坡度，兼顾高(盖度>50%)、中(盖度20%～50%)、低(盖度5%～20%)3种植被覆盖类型。

3.1.2 试验材料

降雨-径流试验采用自主设计的人工降雨装置进行，该装置主要由抽水装置、降雨发生装置、撑架、自计雨量筒和地面集水装置构成；有效降雨面积1 m2，通过抽水装置阀门控制水压进行雨强调节，以雨量筒记录为准，经反复验证发现雨滴降落效果良好，降雨均匀系数在79%以上；集水装置四周设置嵌入地下30 cm钢板，避免试验场内的地表产流量与场外产流混淆，下方放置带刻度的量筒接水。设计雨强总体介于0.12～6.00 mm/min之间。

3.1.3 试验记录

记录内容包括试验日期、降雨开始和结束时刻、地表产流开始和结束时刻、样地坡度、盖度、叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)、雨强、土壤含水量等。从雨滴下落至地面时开始计时，记为该场次降雨开始时刻；坡度由地质罗盘测量，盖度目测；LAI采用LI-3000便携式叶面积仪测定，雨强由翻斗式自计雨量筒记录，土壤水分由便携式土壤水分测定仪(TZS-2X-G)测量，测定深度25 cm，测定时间待示数稳定后结束；地表产流由带刻度的量筒进行观测，每隔1 min对带刻度的量筒进行一次读数，记录每隔1 min产流量变化，每次试验重复3次，分析计算数据采用3次试验平均值。各时段对应时间由秒表读出。

3.2 数据处理与方法

3.2.1 归一化植被指数

基于野外试验观测，研究高寒草甸降雨-产流机制，拟将所构建模式应用于区域尺度草甸变化的产水效应评估。实现上述目标的一个前提是下垫面因素的型-值转换及应用，需要表征下垫面植被覆盖状况的因子满足区域尺度容易获取且时效性较好2个条件。相较而言，归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)数据来源丰富，时序性好，是最为常见的生态学代用指标，被广泛应用于地学、环境及生态等领域相关研究。针对玛曲县地理-生态空间分布格局及该区高寒草甸植被属性特征，选用Sun等[35]提出的方法，实现LAI与NDVI之间的互算，即

(1)

3.2.2 多元回归

坡面产流是降雨和下垫面共同作用的结果，降雨因子主要包括累积降雨量、雨强、降雨历时等；下垫面因子主要包括坡度、覆被类型、初始土壤含水量、土壤质地等。结合野外试验，经分析遴选，以累计降雨、坡度和NDVI 3个关键影响因素(环境变量)驱动产流(目标变量)，构建高寒草甸地表产流多元回归驱动模式，基于模式的应用探讨不同环境因子影响下的高寒草甸产流及入渗特征。

4 结果与分析

4.1 产流特征

4.1.1 不同降雨模式下的产流

高寒河源区天然降水多具长历时、低强度特点，降雨中心地带累积雨量一般不超过50 mm[36-37]；高寒草甸区地表覆被较好，多见蓄满产流模式，特别是植被覆盖良好、土层较厚地带土壤蓄容量大，地表产流量很小。以平均雨强为0.12 mm/min(图2(a))和1.11 mm/min(图2(b))、植被覆盖度均在50%以上的2场试验观测为例，两者对应的小时雨量分别为7.20 mm/h和66.60 mm/h，分别代表低强度降雨(中小雨模式)和高强度降雨(暴雨模式)。中小雨模式下，高寒草甸区地表产流时刻相对滞后，降雨发生60 min后地表开始产流，地表径流系数均值为0.06(图2中r值)，产流量很低；暴雨模式下，降雨发生3 min内地面即开始产流，平均径流系数为0.24。2种模式下，降雨二次分配都以入渗为主，中小雨入渗占比超过90%，暴雨入渗占比超过70%；表明高寒草甸下垫面土-植体系具有较强的降雨蓄容能力。

图2 2种降雨模式下高寒草甸坡地产流过程Fig.2 Runoff yield processes of alpine meadow slope under two rainfall patterns

4.1.2 地形和雨强对产流的影响

由上述分析可知，高寒草甸系统对降雨的截留和蓄容能力较强，中小雨模式入渗占比超过90%，降雨绝大多数入渗至土壤层，产流对坡度、雨强的响应甚微。暴雨模式下，雨强越大，坡度越陡，地表覆被越差，地表产流发生的时刻越提前。试验中发现，雨强在3～6 mm/min时，高寒草甸系统在数分钟内即可发生地表产流(见图3，R2表示决定系数)，坡度较陡和覆盖稀疏地域(如坡度23°的样区，LAI=0.07)，地表几乎瞬时起水。相同坡度条件下(以坡度18°的样区为例)，产流时刻与雨强关系呈现幂函数倒数形式，也即随着雨强减小，产流时刻发生明显的滞后性延长。

图3 暴雨模式下产流时刻与雨强和坡度的关系Fig.3 Relationship between runoff yield time and rainfall intensity under different slope gradients in rainstorm mode

4.1.3 植被覆盖与初始土壤含水量对产流的影响

下垫面因子对坡面产流过程有重要影响。研究区草地植被类型占覆被类型总面积的72.65%(图1)，生长茂盛草甸区形成致密紧实的草皮层，下部土质较为疏松，降雨截流量大，可有效降低坡面产流。本文以100%盖度(图4(a))和40%盖度(图4(b))代表未退化草甸和中度退化草甸，取高初始土壤含水量(SMC=80%)和低初始土壤含水量(SMC=40%)共4组试验方案，就不同植被覆盖与初始土壤含水量组合下的高寒草甸产流特征进行分析。结果表明:不同盖度情形下，产流发生时刻对初始土壤含水量的响应有所不同；对未退化高覆盖草甸而言，不同初始含水量下产流发生时刻相近，初始土壤含水量低的样区产流时刻有所滞后，相差较小(图4(a))；从低盖度退化草甸的产流时刻来看，初始土壤含水量较低时对应的产流时刻有较为明显的滞后(图4(b))；土壤初始含水量对不同覆被情形草甸的累积产流量影响明显；2种植被覆盖情形下，初始土壤含水量越高，对应的地表累积产流量也越大。总体来看，不同初始土壤含水量情形下，高盖度草甸对应累积产流量较低，低盖度退化草甸的累积产流量较大。

图4 不同植被盖度和初始含水量下的地表产流过程Fig.4 Surface runoff yield processes under varied vegetation coverage and initial water content

图5 植被盖度与土壤含水量之间的关系Fig.5 Relationship between vegetation coverage and soil moisture content

4.2 产流机制

玛曲县地处高寒河源区，气温较低，降水较丰，坡地多，坡面产流机制的研究较为重要。结合野外观测，发现植被盖度或LAI/NDVI大的草甸区，土壤含水量一般也较高，陆表覆被状况与前期土壤含水量之间相关性良好(R2=0.82)(见图5)。为降低统计回归中因子之间的互关效应，研究以植被绿度即NDVI作为高寒草甸降雨-产流机制分析的代表性覆被因子。

4.2.1 回归模型构建

在各种规范和文献资料查证的基础上[38]，根据野外试验观测和研究区降雨属性特征，按0.3 mm/min雨强进行分级，将试验降雨数据分为高雨强和中小雨强2种类型，结合各环境因子对地表产流进行回归模式拟合。暴雨模式和中小雨模式下地表产流的最佳拟合公式分别为：

(2)

R=0.026P-3.194NDVI+0.017Slope+3.64 ，

R2=0.84 。

(3)

式中：R为地表产流量(mm)；P为累积降雨量(mm)；Slope为坡度(°)；NDVI为归一化植被指数，反映地表覆被情况。式(2)中Slope取弧度，式(3)中取坡度。上述公式的率定及验证基于试验数据进行。

从所构建的回归模式来看，不同降雨模式下，高寒草甸地表产流机制有所不同。高强度暴雨模式下(式(2))，坡度和覆被因子对地表产流分别具正向和负向驱动效应，特别是随着覆被变差(NDVI变小)，地表产流率增高；该模式的缺点在于低NDVI和坡度较大情景下，地表产流率可能>100%，反映了其统计局限性(有伪产流存在)；从决定系数来看，所构建模式能解释79%的试验数据，说明模式能够较好地反映覆被退化对高强度降水模式下的地表产流的影响机制。中小雨强下(式(3))，有约2.6%的降雨转为地面净雨，覆被状况对地表产流有负向消减作用，而坡度具正向驱动效应。因常数项的存在，即便无降水发生，该模式也会输出一定数量的“伪地表产流”，这当然不符合实际情况；从决定系数来看，所构建模式能够解释84%的试验数据，总体反映了中小雨模式下高寒草甸区难以发生地表产流的基本事实。

4.2.2 环境因子对地表产流的影响

暴雨模式下，坡度和地表覆被对地表产流具有显著影响。以100 mm降水为例，驱动模式输出的地表产流在覆被较差时，存在 “伪产流量”(图6(a)中蓝色阴影区)。NDVI=0.2时(约对应25%盖度)，45°及以上坡地的降雨全部转化为坡面流(图6(a)中蓝色实心椭圆)；NDVI=0.4时(约对应45%盖度)，55°及以上坡地的降雨全部转化为坡面流(图6(a)中橙色实心椭圆)；NDVI=0.6时(约对应70%盖度)，65°及以上坡地发生完全地表产流(图6(a)中灰色实心椭圆)；随着覆被情形好转，当NDVI≥0.8时(约对应90%及以上盖度)，所有坡度条件下均有入渗发生。上述情形表明暴雨模式下，随着地表覆被情形的不同，高寒草甸区的产流机制也不尽相同，地表覆被稀疏区域趋向于超渗，地表覆被良好的区域趋向于蓄满或混合产流。伪产流量的存在是因为模式输出的误差。从研究区历史降雨观测资料来看，单次降水达100 mm的情形相对少见；据分析，玛曲县30°以下坡地占比90%以上，地表覆被情形通常较好，地表产流对应图6(a)中的蓝色虚线椭圆，径流系数大致在0.1～0.6之间，意味着相当数量的降雨入渗到土壤层中，符合暴雨条件下高寒草甸区降雨-径流过程实际。总体来看，蓝色虚线椭圆能够较好地刻画坡度和植被覆盖对暴雨模式下高寒草甸产流的影响机制。

图6 不同降雨模式下高寒草甸产流Fig.6 Runoff yield in alpine meadow under different rainfall patterns

中小雨模式下，仍然存在坡度越缓、覆被越好，地表产流越小的总体特征。以20 mm累积降水为例，各种坡度下，高覆盖草甸(如NDVI=1)比低覆盖草甸(如NDVI=0.2)的地表产流量小。从研究区实际来看，绝大多数地域坡度<30°，因此，坡度对高寒草甸区降雨-径流过程的调节效应较低。如图6(b)中蓝色虚线椭圆所示，受陆表覆被情形和地形因素共同控制，中小雨模式下，高寒草甸区地表径流系数总体介于0.05～0.20之间。

4.2.3 覆被变化对土壤蓄容量的影响

土壤蓄容是生态系统初级生产力水分支持的主要来源，而降雨入渗是土壤蓄容的前提。忽略可能发生的土壤侧向流，以降雨入渗作为土壤蓄容的上限，就不同覆被状况下的高寒草甸的水源涵养能力进行初步研究。因研究区90%以上地域坡度<30°，以20°坡为例进行分析。假设忽略降雨期间可能的蒸发损失，按水量平衡原理，由降雨减去地表产流得到入渗量。图7显示，暴雨模式下，不同覆被情形的土壤入渗比介于46%～63%之间；中小雨模式下，介于88%～93%之间；降雨模式和覆被情形对土壤入渗或蓄容量的影响较为显著。

图7 不同降雨模式和盖度情形下土壤入渗比Fig.7 Soil infiltration ratio under different rainfall patterns and cover conditions

以盖度90%以上代表高覆盖草甸，以盖度30%以下代表退化草甸或重度退化草甸，经计算可知，暴雨模式下，重度退化草甸入渗量比高覆盖草甸减少约12%；中小雨模式下，减少量降为3%。可见，退化草甸的土壤容蓄即涵养能力在暴雨情形下退减显著，中小雨模式下也发生降低，但退化所致的负向效应低于暴雨模式。前述分析基于20°坡地开展，适用于前文所构建的降雨-产流回归模式，当地形更陡或更为平缓时，退化所致的入渗减少量相应地发生增加或减少。

5 讨论

河源区草甸生态系统是青藏高原生态屏障体系的重要组成部分，对黄河上游乃至全流域的生物多样性保育、水资源涵养、水土保持等发挥着不可替代的作用。气候变化和人类活动双重影响下，高寒草甸生态系统发生退化，主要表现为高覆被类型向其他类型的转化[39]，由此导致的区域生态水文系统异动及其效应，涉及环境、生态和水资源等多个领域，但相关研究很少见诸报道。本文从降雨、覆被、地形等关键因素入手，基于野外试验和模型回归研究高寒草甸坡面产流机制，有利于高寒生态水文研究体系的丰富和发展。野外调查、试验观测和模型分析中发现，高寒草甸覆被与土壤含水量之间存在正相关关系，表明良好的下垫面覆被对应较高的土壤蓄容能力，其所能支撑的植被水分消耗即水源涵养功能较强，对河源区生态环境保护构成正向激励，从一个侧面反映了高寒草甸恢复与保护的重要性[40]。

高寒河源区野外原位降雨-径流试验开展得较少，本次工作针对玛曲高寒草甸产流机制研究开展试验。地表产流影响因素众多，本文以累积降雨代表降水因子，以坡度代表地形因子，以归一化植被指数代表草甸土-植体系生态因子，对其余如草甸类型、土壤性质、坡长等因素的影响未能考虑，所构建回归模型虽然基于试验观测的经验标定，缺乏严格的水文物理学基础，但所构建模型能够较好地刻画高寒草甸区不同雨强坡面产流机制，可为具物理意义的流域水文模型的参变量体系构建提供数据和方法支撑。