植被對含碎石土壤坡面降雨入滲和徑流侵蝕的影響

夏振堯, 梁永哲, 牛鵬輝, 許文年, 高家禎, 李 博

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 3.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

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植被對含碎石土壤坡面降雨入滲和徑流侵蝕的影響

夏振堯1,3, 梁永哲1,2, 牛鵬輝1,3, 許文年1,3, 高家禎3, 李 博3

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 3.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

摘要：[目的] 研究植被對含碎石土壤坡面入滲和徑流侵蝕的影響,為合理配置三峽地區(qū)含碎石土壤坡面植被提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 在建立的徑流小區(qū)內(nèi)鋪設(shè)含碎石土壤,并配置不同種類、不同覆蓋度的植被,進行人工降雨試驗。[結(jié)果] 各類小區(qū)徑流量排序為：裸坡>灌木坡面>草本坡面>草灌混合坡面,入滲量與徑流量排序相反,有植被覆蓋坡面的壤中流大于裸坡;入滲率服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律,產(chǎn)流強度呈冪函數(shù)變化;草地對水沙的調(diào)控機制更多的是直接攔沙;累計徑流量和累計侵蝕量的關(guān)系均滿足冪函數(shù)形式。[結(jié)論] 植被措施可有效地減少含碎石土壤坡面的水土流失,不同的植被措施減少的效益不同。

關(guān)鍵詞：三峽地區(qū); 含碎石土壤; 植被; 人工降雨; 入滲; 徑流侵蝕

文獻參數(shù)： 夏振堯, 梁永哲, 牛鵬輝, 等.植被對含碎石土壤坡面降雨入滲和徑流侵蝕的影響[J].水土保持通報，2016,36(3)：88-93.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.016

中國是世界上水土流失最為嚴重的國家之一，水土流失也是當(dāng)前中國最突出的生態(tài)環(huán)境問題[1]。三峽地區(qū)降水充沛、降水強度較大[2]，加上長期不合理的土地利用方式，導(dǎo)致三峽地區(qū)又是中國水土流失最為嚴重的地區(qū)之一[3]。合理配置坡面植被是減少坡面水土流失的重要措施[4]，不同類型的植被覆蓋能有效降低雨滴動能，增加土壤入滲、減少徑流量與泥沙量[5]，同時壤中流是坡地徑流的重要組成部分，對養(yǎng)分流失和流域徑流產(chǎn)生都有重要的影響[6]。已有的研究對于草本侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的經(jīng)驗性描述或定性研究較多，但對于不同植被類型條件下侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系[7]，降雨入滲和壤中流的變化過程研究較少。另外，含碎石土壤在世界上有廣泛的分布，中國國土面積的18%為碎石土壤[8]。研究指出[9]，在強烈的物理風(fēng)化和嚴重的土壤侵蝕作用下，三峽地區(qū)坡耕地土壤淺薄化和礫質(zhì)化特征明顯，根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，三峽地區(qū)坡耕地耕層土壤的碎石含量集中分布在5%～30%。目前，國內(nèi)對于植被作用下對含碎石土壤坡面降雨入滲及徑流侵蝕的影響研究更很少。

鑒于此，本文擬通過修建室內(nèi)徑流小區(qū)，鋪設(shè)三峽地區(qū)的含碎石土壤，配置不同覆蓋度的草本、灌木及草灌混合植被，利用人工模擬降雨試驗，定量揭示出草本和灌木對含碎石土壤坡面降雨入滲及徑流侵蝕的影響，進一步分析徑流水沙關(guān)系及累計徑流量及累計侵蝕量之間的關(guān)系。研究成果將對三峽地區(qū)含碎石土壤坡面水土流失治理具有科學(xué)的指導(dǎo)意義，同時可為水土流失預(yù)報模型的建立提供可靠的理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗裝置

人工降雨試驗在三峽大學(xué)水工廳水土保持試驗基地進行。徑流小區(qū)由磚頭和水泥砌成，小區(qū)坡度分別為20°和30°，長2 m，寬0.5 m，深0.45 m，裝土深度0.4 m，在徑流小區(qū)徑流出水口砌一個集水池并預(yù)埋PVC管用于收集坡面徑流，垂直于出水口的徑流小區(qū)底部預(yù)埋PVC管用于收集壤中流。試驗所用的降雨設(shè)備采用南京南林電子科技有限公司生產(chǎn)的NLJY-10-01型便攜式人工模擬降雨系統(tǒng)，降雨高度為4 m，降雨均勻度大于0.86。

1.2試驗下墊面設(shè)計

試驗用土取自湖北省宜昌市丘陵區(qū)坡耕地表層紅壤，對土壤進行自然風(fēng)干，然后過孔徑為10 mm的篩網(wǎng)，測得沙粒含量8.6%，粉粒含量74.6%，其黏粒含量16.8%，有機質(zhì)含量1.5%。根據(jù)當(dāng)?shù)厮槭糠植记闆r，碎石含量初步設(shè)計為10%，試驗碎石取自宜昌市南津關(guān)砂石廠，碎石粒徑在5～45 mm之間，碎石過孔徑為2 mm的篩網(wǎng)，去除粒徑小于2 mm的沙粒，碎石密度為2.8 g/cm。為了使含碎石土壤鋪設(shè)均勻，進行每10 cm為一層分層鋪設(shè)，土的容重控制在1.25 g/cm3，根據(jù)碎石含量為10%的質(zhì)量比，經(jīng)計算每層所需土和碎石質(zhì)量分別為121.79和13.53 kg，然后將土和碎石混合均勻?qū)嵤╀佋O(shè)，總共鋪設(shè)厚度為40 cm。

1.3設(shè)置立地條件

2014年5月12日在已鋪設(shè)含碎石土壤的徑流小區(qū)上面按照相應(yīng)的草種比例播撒常見護坡草本植物狗牙根，同時育苗一定數(shù)量的護坡灌木植物多花木蘭。7月中旬采用拔草方式控制狗牙根的覆蓋度，同時進行多花木蘭的移栽，采用“品”字形排列移栽。7—10月中旬期間采用數(shù)碼相機垂直于植物對小區(qū)進行圖像采集，利用ERDAS Imagine 2011分析軟件對圖像進行監(jiān)督分類處理測定植物的覆蓋度，然后對比所設(shè)計的覆蓋度進行調(diào)整，10月下旬植被基本符合試驗所設(shè)計的要求(表1)。

表1　不同徑流小區(qū)的立地條件

1.4試驗方法

根據(jù)三峽地區(qū)的降雨特征及坡耕地分布狀況，試驗降雨強度設(shè)置為60 mm/h，徑流小區(qū)坡度為20°和30°。對每個徑流小區(qū)降1場雨，總共進行10場降雨，利用均勻分布于徑流小區(qū)的量筒，通過多次測定平均降雨強度對降雨強度實施率定。每次降雨開始前，先將小流域表層濕潤，直至接近產(chǎn)生地表徑流，以保證每次試驗前期土壤含水率基本一致。然后將降雨強度調(diào)至設(shè)定值，在降雨開始產(chǎn)流后，開始計時，以3 min為時間間隔通過坡面徑流集水口接取全部水沙樣以待測試，通過壤中流集水口接取壤中流，同時照相并對試驗過程進行記錄。產(chǎn)流30 min后關(guān)閉降雨器，將所接取的水沙過程樣稱重后，靜置一段時間，倒掉上清液，并將剩余泥沙烘干稱重，作為侵蝕量，水沙過程樣重量減去相對應(yīng)的泥沙及容器重量作為徑流量。

產(chǎn)流強度為單位時間 內(nèi)產(chǎn)生的徑流量，入滲量根據(jù)水量平衡原理計算得到，坡面降雨水量轉(zhuǎn)化分為入滲、蒸發(fā)和徑流3個過程，由于試驗在室內(nèi)進行且時間較短，忽略降雨期蒸發(fā)，在試驗前期進行了降雨，也可忽略植被截留。則徑流量和入滲量之和近似等于坡面降雨量，其中各個時段降雨入滲率利用如下公式計算得出：

i=(ptcosα10R/S)/t

(1)

式中：i——降雨時間t坡面平均入滲率(mm/min)；p——降雨強度(mm/min)；α——地表坡度(°)；R——降雨時間t內(nèi)產(chǎn)生的徑流量(ml)；S——坡面實際承雨面積(cm2)；t——降雨時間(min)。

2結(jié)果與分析

2.1不同坡面的徑流量、入滲量和壤中流的特征分析

雨強60 mm/h條件下，10種不同立地條件下的徑流量、入滲量和壤中流如表2所示。

表2　不同立地條件坡面的徑流入滲參數(shù)

總體顯示，裸坡的徑流量最高，其次是灌木坡面，有草本覆蓋的徑流量最小，相應(yīng)的裸坡的入滲量最少，灌木坡面居中，草本覆蓋的坡面入滲量最大。表2可以看出草本覆蓋度越高坡面徑流量越少，入滲量越大，對于地表徑流隨草本植被蓋度增大徑流減小的原因是隨著草本蓋度的增加入滲增加[10]。入滲增加的原因是草本植被能截留降雨，改變地表徑流阻力系數(shù)、流速等水力特征[11]，地表徑流產(chǎn)生時間得到了延緩，土體入滲水分相應(yīng)增加。灌木覆蓋度無論是60%還是80%的坡面產(chǎn)流量都大于草本蓋度為60%的坡面，這主要與2種植物的根系特征有關(guān)，因為植物根系的密布纏繞可以提高土壤的滲透性[12]，本次試驗狗牙根的根系為網(wǎng)狀形式，而多花木蘭生長初期的根系主要由一根垂直向下的主根及旁邊較少的須根組成，因此60%覆蓋度的狗牙根根系可能比80%的多花木蘭根系更加龐大，滲透性更強。在相同覆蓋度下的草灌混合坡面的徑流量小于草本坡面，因為灌木先對雨滴進行截留，由于地表還有草，因此幾乎不存在林內(nèi)2次降雨，增加了入滲，因而徑流量最小，入滲量最大。

表2顯示出，與草本坡面不同的是灌木60%坡面的覆蓋度反而小于灌木80%覆蓋度坡面的徑流量，這可能與降雨強度及入滲特征有關(guān)，因為在一定的降雨強度下，雨滴的打擊所產(chǎn)生的沖力對入滲速率的變化起著重要的作用，它不僅可以使入滲水流的運動速度得到加快，也可以使部分靜止的毛管水進入到入滲水流中，從而造成入滲量增加[13]，灌木可以減小雨滴能量，并且形成2次降雨，覆蓋度大的坡面減小雨滴能量的面積大，所以更大面積的雨滴能量減弱后，導(dǎo)致雨滴沖力不足以增加入滲，提高了徑流，而沒有經(jīng)過灌木減能的雨滴沖擊力剛好有助于入滲，因此產(chǎn)生了此種結(jié)果。此結(jié)果與張強等[14]研究土質(zhì)道路人工降雨試驗的結(jié)論較相似。

從表2分析壤中流可以看出，在整個降雨過程中裸坡沒有產(chǎn)生壤中流，有植被覆蓋的坡面壤中流大于裸坡，且壤中流與入滲量有緊密的關(guān)系，隨著入滲量的增大壤中流也增大。在有植被覆蓋的坡面上，滲入土體內(nèi)的水分增加，從而會使側(cè)向流動的壤中流增多[15]。另外，坡面地表受到雨滴的擊打時，表土結(jié)皮會增加，表土結(jié)皮會破壞土壤孔隙，并使雨水在坡面停留的時間變短，導(dǎo)致入滲量減少，從而引起壤中流減少，而坡面地表植被能有效保護坡面免受雨滴的擊打，減少表土結(jié)皮[16]。

2.2坡面產(chǎn)流和降雨入滲過程分析

土壤滲透性能控制著水分入滲[17]。分析本次試驗結(jié)果可知，不同立地條件坡面產(chǎn)流強度在試驗開始時隨時間有上升，之后流量隨時間變化比較平穩(wěn)，這是因為試驗前對坡面進行了降雨處理，試驗過程中初損較小，但是試驗前并沒有使坡面土壤充分飽和，導(dǎo)致降雨計時剛開始后有一定的入滲損失。10種不同立地條件下徑流小區(qū)的產(chǎn)流強度都是隨降雨歷時先增大后趨于平穩(wěn)，而入滲率隨降雨歷時先減小后趨于平穩(wěn)(圖1)。在同一立地條件下，產(chǎn)流強度和入滲率存在負相關(guān)的關(guān)系，產(chǎn)流強度越大，入滲率越小。裸坡穩(wěn)定產(chǎn)流強度最大穩(wěn)定入滲率最小。有植被的立地類型能夠有效增加土壤入滲；草地在有植物根系的作用下，可以在一定程度上增加降雨入滲，草本植被覆蓋度低，地表結(jié)皮較多，因而入滲率小。

對入滲率和坡面產(chǎn)流強度隨時間的變化關(guān)系進行函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)入滲率服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律，產(chǎn)流強度呈冪函數(shù)變化。

圖1　不同坡面產(chǎn)流強度及入滲率隨時間變化過程

2.3徑流水沙關(guān)系分析

在坡面尺度上，對于有植被覆蓋的人工草被和自然修復(fù)坡面，其坡面徑流水沙關(guān)系較裸坡坡面有較大不同[18]。

圖2為10個不同立地條件，在60 mm/h的雨強下，含沙量與侵蝕量之間的關(guān)系。

由圖2可以看出，侵蝕量都是隨含沙量的增加而逐漸增加。通過擬合，得到的表達式為y=ax+b(y為產(chǎn)沙量,x為含沙量)，如表3所示，含沙量和侵蝕量之間呈線性函數(shù)的規(guī)律變化，且所有方程的相關(guān)系數(shù)均大于80%，可見含沙量與侵蝕產(chǎn)沙量具有較好的相關(guān)性。

圖2　不同立地條件下侵蝕量和含沙量關(guān)系

結(jié)合實際物理意義和數(shù)學(xué)概念分析可知，系數(shù)a則更多地體現(xiàn)了不同立地條件下的產(chǎn)沙能力。裸坡的系數(shù)a要大于在草地和灌木地的系數(shù)，這主要是因為裸地沒有植被覆蓋，導(dǎo)致坡面徑流輸移能力較增大，根據(jù)泥沙分散與搬運相匹配的原理可知，徑流侵蝕分散率正比于徑流輸沙能力與徑流泥沙含量的差，它們的差值越大，則坡面徑流的侵蝕分散率也越大。當(dāng)對應(yīng)于相同的含沙量情況時，徑流的輸移能力與坡面來水含沙量的差值就越大，因此產(chǎn)沙量就大，裸坡的a值最大。

表3　不同立地條件下侵蝕量和含沙量關(guān)系及累計徑流量和累計侵蝕量關(guān)系回歸方程

由表3的回歸方程可以看出，覆蓋度為60%的草本坡面與覆蓋度為60%灌木坡面相比，當(dāng)它們的產(chǎn)沙量一樣時，草本坡面的含沙量要小于灌木坡面，此時草本坡面的徑流量要大于灌木坡面，可以看出草地在徑流量相對較大的情況下，產(chǎn)沙量卻沒有增加，這說明草地自身攔截泥沙的效益要強于它增加入滲減少徑流的效益，草地對水沙的調(diào)控機制更多的是直接攔沙，而灌木的水沙調(diào)控機制體現(xiàn)的是蓄水減沙。與于國強等[19]所研究的草地的水沙調(diào)控作用機制結(jié)論一致。

2.4累計徑流量與累計侵蝕量關(guān)系分析

在分析了不同立地條件下，降雨入滲及徑流侵蝕規(guī)律的基礎(chǔ)上，進一步分析累計徑流量與累計產(chǎn)沙量的相關(guān)關(guān)系。

通過將不同降雨強度的所有試驗的累計侵蝕量和累計徑流量的相互關(guān)系進行函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)累計侵蝕量和累計徑流量的關(guān)系均滿足冪函數(shù)形式y(tǒng)=Ax^B(其中y為累計侵蝕量，x為累計徑流量)，見表3，且所有方程相關(guān)系數(shù)均大于95%，可見相關(guān)性比較好。通過對比可以發(fā)現(xiàn)系數(shù)A，B有一定的變化規(guī)律，結(jié)合數(shù)學(xué)概念與實際徑流產(chǎn)沙的物理意義，最終定義系數(shù)A為產(chǎn)沙基數(shù)系數(shù)，A值越大則產(chǎn)沙越多，A值完全取決于立地條件；定義系數(shù)B為產(chǎn)沙速率系數(shù)，系數(shù)B的大小取決于入滲率的大小。與李洪麗[20]等對東北黑土區(qū)的研究結(jié)果較相似，其所得的B值均大于1，但與于國強[19]等所研究的B值介于0.5～1之間的變化規(guī)律有所不同，以上可能是由于立地條件及土壤的物理性質(zhì)不同所造成。

從表3可以看出，在60 mm/h降雨強度下，累計侵蝕量隨累計徑流量的增加逐漸增加，但對于不同的立地條件，兩者增加的幅度和速率是有所不同的。因為坡面各個配置條件下的減流減沙效益并不相同。

3討論與結(jié)論

(1) 裸坡的徑流量最高，其次是灌木坡面，有草灌覆蓋的徑流量最小，草本蓋度為60%的坡面的產(chǎn)流量小于灌木覆蓋度60%和80%的坡面，相同覆蓋度下草本的根系更發(fā)達，更有利于入滲；裸坡的壤中流流量為0，有植被覆蓋的坡面壤中流大于裸坡，隨著入滲量的增大壤中流也增大。

(2) 10種不同立地條件下徑流小區(qū)的產(chǎn)流強度都是隨降雨歷時先增大后趨于平穩(wěn)，而入滲率隨降雨歷時先減小后趨于平穩(wěn)；產(chǎn)流強度和入滲率存在負相關(guān)的關(guān)系；入滲率服從對數(shù)函數(shù)規(guī)律，產(chǎn)流強度呈冪函數(shù)變化；草地在有植物根系的作用下,可以在一定程度上增加降雨入滲，草本植被覆蓋度低，地表結(jié)皮就較多，入滲率小。

(3) 含沙量和侵蝕量之間呈線性函數(shù)，表達式為y=ax+b(y為產(chǎn)沙量,x為含沙量)；草地對水沙的調(diào)控機制更多的是直接攔沙，而灌木的水沙調(diào)控機制更多體現(xiàn)的是蓄水減沙。

(4) 累計產(chǎn)沙量和累計徑流量的關(guān)系均滿足冪函數(shù)形式y(tǒng)=Ax^B(其中y為累計產(chǎn)沙量，x為累計徑流量)，系數(shù)A值完全取決于立地條件，系數(shù)B的大小取決于入滲率的大小；累計侵蝕量隨累計徑流量的增加逐漸增加，但對于不同的立地條件，兩者增加的幅度和速率是有所不同的。

(5) 此次試驗設(shè)計內(nèi)容有限，不同坡度對入滲和徑流侵蝕的影響缺少分析，后續(xù)會進一步考慮不同坡度和不同雨強的影響，進行更加深入的研究。

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收稿日期：2015-06-10修回日期：2015-08-02

通訊作者：許文年(1960—)，男(漢族)，河北省元氏縣人，教授，博導(dǎo)，主要從事邊坡防護與生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究。E-mail:xun@ctqu.edu.cn。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0088-06

中圖分類號：S157.1

Effect of Vegetation on Rainfall Infiltration and Runoff Erosion and Sediment Yield in Gravel Soil Slope

XIA Zhenyao1,3, LIANG Yongzhe1,2, NIU Penghui1,3, XU Wennian1,3, GAO Jiazhen3, LI Bo3

(1.CollaborativeInnovationCenterforGeo-hazardsandEco-environmentinThreeGorgesArea,Yichang,Hubei443002,China; 2.CollegeofHydraulicandEnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China; 3.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China)

Abstract：[Objective] Studying the influences of vegetation on rainfall infiltration and runoff erosion and sediment yield in order to provide a scientific basis for rationally allocating the vegetation in gravel soil slope in the Three Gorges area. [Methods] Runoff plots containing gravel soil were set with different types and coverage of vegetation. Artificial rainfall experiments were conducted. [Results] The amount of runoff showed as follows bare slope>shrub slope>herb slope>grass shrub mixed slope, in contrast, infiltration and runoff showed the opposite trend. The interflow in vegetation-covered slope was greater than that in the bare slope. Infiltration rate obeyed the law of logarithmic function, while the runoff yield strength varied as power function. The regulation mechanism of grassland to water and sediment was mostly direct sad blocking. The relationship between cumulative runoff and cumulative sediment yield showed as the power function. [Conclusions] Vegetation measures can effectively reduce soil and water loss in gravel soil slope, and different vegetation measures represent the different reducing benefits.

Keywords:the Three Gorges area; soil containing gravel; vegetation; artificial rainfall; rainfall infiltration; runoff erosion and sediment yield

資助項目：科學(xué)技術(shù)部“十二五科技支撐”項目“金沙江梯級水電開發(fā)區(qū)生態(tài)保護與入庫泥沙調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)與示范—河岸工程施工區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)與示范”(2012BAC06B02-04); 國家自然科學(xué)基金項目“三峽庫區(qū)紫色土的植物根系加固效應(yīng)與機制研究”(41202250)

第一作者：夏振堯(1981—),男(漢族),湖北省武漢市人,博士,副教授,主要從事水土保持與生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:xzy_yc@126.com。