不同植物配置模式對(duì)人工邊坡減流減沙效益的影響

昝玉亭, 奚同行, 吳治玲, 張華明, 龔長春, 熊 峰, 李 英

(1.江西省水利科學(xué)院, 江西 南昌 330029; 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330029)

高速公路、風(fēng)電場等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目建設(shè)備受重視。2020年全國高速公路里程達(dá)到1.61×105km，江西省高速公路里程達(dá)到6 234.11 km。國家在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目方面的投資還在逐年增長，這意味著挖填擾動(dòng)還會(huì)增加，還將形成大量的人工邊坡[1]，造成邊坡水土流失，衍生諸多生態(tài)環(huán)境問題的同時(shí)，還可能誘發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅公共安全[2-3]。

植物措施作為水土保持三大措施之一，對(duì)防止生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失有積極意義。國內(nèi)外學(xué)者以工程堆積體[4]、坡耕地[5]、邊坡[6]為研究對(duì)象，對(duì)降雨條件下[7]、放水試驗(yàn)下[8]，植物[9]或植物籬[10]的水土保持效益進(jìn)行了大量研究，表明植物措施能夠改良土壤性質(zhì)，對(duì)坡面的減流減沙效益為13.17%～98.51%，具有良好的減流減沙效益[11-12]。但針對(duì)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目人工邊坡采用何種植被搭配，比例及如何配置才既能在更好地發(fā)揮水土保持效益的同時(shí)又能降低水土保持措施投資等一系列問題有待進(jìn)一步探索。因此，本研究選取了6種植物建立4種植物配置模式(混草、花草、灌草、喬草)徑流小區(qū)，記錄2019年1—12月的自然降雨，研究4種植物模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特點(diǎn)，探討4種植物模式的減流減沙效益，以期為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目人工邊坡水土流失的防治和植被恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

徑流小區(qū)布設(shè)在江西省德安縣的江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)(115°42′—115°43′E，29°16′—29°17′N)，地貌類型以低丘為主，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，海拔在30～90 m之間，多年平均降雨量為1 350.9 mm，最大年降雨量為1 807.7 mm，最小年降雨量為865.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 558 mm，多年平均氣溫16.7 ℃。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

觀測期為2019年1—12月，選擇狗牙根、高羊茅、黑麥草、波斯菊、馬棘及刺槐等6種植物分別配置混草模式、花草模式、灌草模式及喬草模式等4種植物模式，每種模式設(shè)3個(gè)重復(fù)。在研究區(qū)內(nèi)的邊坡布設(shè)12個(gè)徑流小區(qū)，記錄觀測期內(nèi)的降雨及各徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況。各植物配置模式徑流小區(qū)為1∶1.5，東西向的邊坡，2018年3至4月，草籽按照比例混合后人工撒播在邊坡上。4種植被模式徑流小區(qū)的基本情況詳見表1和圖1。

表1 4種植物配置模式徑流小區(qū)的基本情況

注：1為混草混合模式； 2為花草模式； 3為灌草模式； 4為喬草模式。

1.3 研究內(nèi)容及方法

(1) 降雨觀測。記錄觀測期內(nèi)的降雨開始及結(jié)束時(shí)間、降雨場次、次降雨量、次降雨歷時(shí)，降雨等級(jí)劃分參照中國氣象局頒布的《降雨等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(內(nèi)陸劃分)》。

(2) 產(chǎn)流產(chǎn)沙。每個(gè)徑流小區(qū)下設(shè)3個(gè)徑流桶，各徑流桶采用七孔分流法收集次降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙。

減流減沙率采用下列公式計(jì)算[13]：

減流率：RW=(W0-W1)/W0×100%

(1)

減沙率：RS=(S0-S1)/S0×100%

(2)

式中：RW為減流率(%);RS為減沙率(%)；W0，S0分別為花草小區(qū)的徑流量、泥沙量(mm，t/km2)；W1，S1為目標(biāo)坡面沖刷的徑流量、泥沙量(mm，t/km2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

觀測期內(nèi)剔除沒有產(chǎn)流的降雨(即有效降雨)后，共有30場，總降雨量為1 052.73 mm，總降雨歷時(shí)為845.1 h，平均雨強(qiáng)為1.25 mm/h。

觀測期內(nèi)30場降雨差異較大。①從降雨量分析，4月25日的降雨量最小，只有8.8 mm，只占總降雨量的0.84%。7月12日的降雨量最大，達(dá)到109.1 mm，占總降雨量10.36%，是最小降雨量的12.4倍； ②從降雨歷時(shí)分析，7月20日的降雨歷時(shí)最小，只有0.75 h，只占總降雨歷時(shí)的0.09%。2月4日的降雨歷時(shí)最大，達(dá)到125.17 h，占總降雨歷時(shí)的14.81%，是最小降雨歷時(shí)的166.89倍； ③從平均雨強(qiáng)分析，1月7日的降雨強(qiáng)度最小，僅為0.37 mm/h。8月13日的降雨強(qiáng)度最大，達(dá)到33.76 mm/h，是最小雨強(qiáng)的90.43倍。

觀測期內(nèi)各月份的降雨情況詳見表2。8，11，12月，各只有1次降雨，僅占總降雨次數(shù)的3.33%。4月降雨次數(shù)最多，達(dá)7次，占總降雨場次的23.33%。11月降雨量最小，為14.50 mm，只占總降雨量的1.37%。7月降雨量最大，達(dá)到215.30 mm，占總降雨量的20.41%，是11月的14.85倍。8月降雨歷時(shí)最短，只有1.25 h，占總降雨歷時(shí)的0.15%。2月降雨歷時(shí)最長，達(dá)到284.85 h，占降雨歷時(shí)的33.63%，是8月的227.88倍。各月份的平均雨強(qiáng)在0.44～33.76 mm/h之間，降雨差異比較大。1—7月的降雨場次為20次，降雨量為982.03 mm，降雨歷時(shí)為797.18 h，分別占觀測期降雨的90%，93.1%，94.12%，說明觀測期內(nèi)的降雨主要集中在1—7月。

觀測期內(nèi)各等級(jí)降雨統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果詳見表3。觀測期內(nèi)小雨次數(shù)最少，只有1次，中雨、大雨次數(shù)最多，都有9次。小雨的降雨量最小，只有37.33 mm，僅占總降雨量的3.55%，中雨的降雨量最大，達(dá)到293.60 mm，占總降雨量的27.89%，是小雨的7.87倍。特大暴雨的降雨歷時(shí)最短，只有4.67 h，占總降雨歷時(shí)的0.55%，中雨的降雨歷時(shí)最長，長達(dá)466.34 h，占總降雨歷時(shí)的55.18%，是特大暴雨的99.86倍，各等級(jí)平均雨強(qiáng)為0.37～16.45 mm/h，說明觀測期內(nèi)各等級(jí)的降雨差異較大。中雨、大雨和暴雨3種等級(jí)的降雨場次為23次，降雨量為803.80 mm，降雨歷時(shí)為718.18 h，分別占觀測期各總量的76.67%，76.35%，84.98%，說明觀測期內(nèi)以中雨、大雨和暴雨為主。

表2 4種植物配置模式的人工邊坡觀測期內(nèi)各月份降雨情況

表3 4種植物配置模式的人工邊坡觀測期內(nèi)各等級(jí)降雨情況

2.2 不同植物配置模式產(chǎn)流特征

觀測期內(nèi)30場降雨的產(chǎn)流差異較大。從每種模式來看，混草模式最小徑流量在5月12日，徑流量為0.02±0.01 mm，最大徑流量在3月1日，為4.50±0.52 mm，是最小徑流量的225倍，花草模式最小徑流量在5月12日，徑流量為0.06±0.01 mm，最大徑流量在2月14日，為24.98±13.7 mm，是最小徑流量的416倍，灌草模式最小徑流量在11月27日，徑流量為0.06±0.01 mm，最大徑流量在3月20日，為3.35±1.55 mm，是最小徑流量的55倍，喬草模式最小徑流量在5月12日，為0.02±0.01 mm，最大徑流量在7月4日，為3.96±2.81 mm，是最小徑流量的198倍?？梢钥闯?，受降雨及植被恢復(fù)情況影響，各模式次降雨的最大徑流量基本不在同場降雨發(fā)生。以降雨量較大(127.9 mm)、降雨歷時(shí)較長(105.17 h)的2月14日降雨為例，4種模式的徑流量依次為4.5±0.52，24.98±13.7，2.43±0.56，1.6±0.82 mm，可以看出同場降雨，各植物模式的產(chǎn)流量差異較大，這主要和各植物模式的恢復(fù)情況、植被覆蓋度有關(guān)。每種重復(fù)之間差異也較大，各植物模式重復(fù)之間變化幅度分別達(dá)到0.52，13.7，0.56，0.82 mm，這是由于每種重復(fù)之間覆蓋度的差異引起的。

觀測期內(nèi)不同月份各植物配置模式累積產(chǎn)流情況詳見表4?？梢钥闯?種模式12月累積產(chǎn)流量均最小，混草模式和喬草模式在3月、花草模式在2月、灌草模式在4月的累積產(chǎn)流量最大?？梢钥闯龈髋渲媚Ｊ疆a(chǎn)流的月季變化較大，這與降雨的月份分布有關(guān)。2—4月及7月各模式的累積產(chǎn)流量分別為27.22，61.22，25.81，20.20 mm，分別占各自總量的83.78%，90.23%，78.47%，80.77%，說明各植物模式產(chǎn)流的主要在2—4月及7月。這是因?yàn)?—4月的降雨量較大，雨強(qiáng)較強(qiáng)，再加上植被覆蓋度較低，降雨直接沖擊小區(qū)坡面，再加上坡面枯落物較少，產(chǎn)流量自然較大，5—6月降雨量及雨強(qiáng)也比較大，但進(jìn)入生長季后，植被覆蓋度較好，大部分降雨被截留，混草植被覆蓋程度較好，增加了地表糙率，延緩了地表徑流的發(fā)生，產(chǎn)流量少于2—4月，12月降雨量比11月略大，但降雨歷時(shí)較長，平均雨強(qiáng)小于11月，產(chǎn)流也就小于11月。從各月累積產(chǎn)流量來看：花草模式>灌草模式>混草模式>喬草模式，各月份產(chǎn)流基本符合這個(gè)順序，除部分月份由于植被覆蓋度差異引起的產(chǎn)流略有不同。

表4 不同月份4種配置模式累積產(chǎn)流情況

觀測期內(nèi)不同等級(jí)降雨各植物配置模式的累積產(chǎn)流情況詳見表5。小雨時(shí)，各植物模式的產(chǎn)流均最小，混草模式、灌草模式和喬草模式的大雨累積產(chǎn)流量最大，花草模式的中雨累積產(chǎn)流量最大。由表5可以看出，不同降雨等級(jí)各植物配置模式產(chǎn)流量差異較大。受中雨、大雨和暴雨的分布特征影響，4種植被恢復(fù)模式的累積產(chǎn)流量分別為26.47，59.04，26.31，20.03 mm，分別占各自總量的81.47%，87.02%，80.02%，80.09%，說明產(chǎn)流主要集中在這3種等級(jí)。從表5還可以看出，4種植物模式的產(chǎn)流量基本順序?yàn)椋夯ú菽Ｊ?灌草模式>混草模式>喬草模式。每種植物模式的重復(fù)間差異也比較大，最大的花草模式達(dá)到13.36 mm，這也是由于植被覆蓋度不同引起的差異，而各模式采用人工撒播工藝，受降雨影響，在植被恢復(fù)初期，各植被小區(qū)不同程度地被沖刷至中下坡，尤以花草、灌草模式最為明顯，這就導(dǎo)致了相同條件下兩種模式重復(fù)間的植被覆蓋度差異較大，進(jìn)而影響了產(chǎn)流的差異。

2.3 不同植物配置模式產(chǎn)沙特征

觀測期內(nèi)30場降雨的產(chǎn)沙差異較大?；觳菽Ｊ阶钚‘a(chǎn)沙量在5月12日，為0.04±0.03 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月30日，為321.46±130.36 t/km2；花草模式最小產(chǎn)沙量在4月25日，為0.01±0.01 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月30日，為382.60±257.90 t/km2；灌草模式最小產(chǎn)在沙量6月12日，為0.52±0.06 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月20日，為317.36±158.31 t/km2；喬草模式最小產(chǎn)沙量在12月18日，為0.14±0.06 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月20日，為87.62±16.99 t/km2。可以看出，4種模式的產(chǎn)沙量3月20日次降雨都達(dá)到了最大值，雖然此次降雨量只有55.4 mm，降雨歷時(shí)為16.67 h，平均雨強(qiáng)比較大，達(dá)到3.32 mm/h，再加上各植物模式剛進(jìn)入生長季，是植被覆蓋度最低的月份之一，導(dǎo)致了4種植物模式產(chǎn)沙量均達(dá)到最大。而降雨量(63.7 mm)、降雨歷時(shí)(26.33 h)、平均雨強(qiáng)(2.42 mm/h)接近的6月20日次降雨的產(chǎn)沙量分別為3.64±1.24，4.23±1.34，4.13±3.6，1.16±1.6 t/km2，正是由于處于生長季，植被覆蓋度較好，4種模式的產(chǎn)沙量均遠(yuǎn)低于3月20日產(chǎn)沙(見表6)。

觀測期內(nèi)不同月份各植物配置模式累積產(chǎn)沙情況詳見表6。可以看出各配置模式產(chǎn)沙的月季變化較大，12月的累積產(chǎn)沙量最小，僅占各自總量的0.04%，0.10%，0.14%，0.03%，3月的產(chǎn)沙量最大，分別占各自總量的63.35%，57.80%，51.32%，39.15%。2—4月及7月4種模式的累積產(chǎn)沙量分別為638.21，881.61，718.61，409.57 t/km2，分別占各自總量的94.56%，95.89%，95.12%，94.26%，說明各植物模式產(chǎn)沙的主要集中在2—4月及7月。這和降雨、徑流的月份分布有關(guān)。

觀測期內(nèi)不同降雨等級(jí)累積產(chǎn)沙量情況詳見表7。小雨時(shí)，各植物模式的產(chǎn)沙均為最小，暴雨時(shí)，4種模式的累積產(chǎn)沙量均達(dá)到最大。可以看出，不同等級(jí)降雨，各植物配置模式產(chǎn)沙量差異較大。從每種等級(jí)的累積產(chǎn)沙量來看，大小順序基本為：花草模式>灌草模式>混草模式>喬草模式。受中雨、大雨和暴雨的分布特征影響，4種植被恢復(fù)模式的累積產(chǎn)沙量分別為598.69，890.88，658.27，346.2 t/km2，分別占各自總量的88.7%，90.16%，87.14%，87.47%，說明各模式的產(chǎn)沙主要集中在這3種等級(jí)，這和降雨特征、產(chǎn)流主要集中在這3種等級(jí)降雨有關(guān)。

2.4 不同植物配置模式的減流減沙效益分析

以累積產(chǎn)流最多的花草模式為參照，選擇減流率為指標(biāo)，對(duì)比分析觀測期內(nèi)各模式的減流效益，結(jié)果詳見表8。從次降雨產(chǎn)流量分析，灌草模式的產(chǎn)流量最小(3.35 mm)，減流率最大，為86.59%，其次為喬草模式，混草模式減流率最??；從月累積產(chǎn)流量分析，混草模式的產(chǎn)流量最小(23.83 mm)，減流率最大，為26.31%，喬草模式的最小，為20.22%；從不同降雨等級(jí)累積產(chǎn)流分析，喬草模式的累積產(chǎn)流量最小，7.29 mm，減流率最大為78.28%，混草模式減流率最小，為66.22%；從全年累積產(chǎn)流量分析，喬草模式的產(chǎn)流量最小，為25.01 mm，減流率最大，為63.14%，混草模式的減流率最小，為52.11%。總的來看，喬草模式的產(chǎn)流量較小，減流率較大。

表8 4種不同植物配置模式的減流效益

以產(chǎn)沙最多的花草模式為參照，選擇減沙率為指標(biāo)，對(duì)比分析觀測期內(nèi)各模式的減沙效益，結(jié)果如表9所示。從次降雨產(chǎn)沙量分析，喬模式的產(chǎn)沙量最小(87.62 t/km2)，減沙率最大，為77.10%，其次為灌草模式，混草模式減沙率最小；從月季累積產(chǎn)沙量分析，喬草模式的產(chǎn)沙量最小(170.13 t/km2)，減沙率最大，為67.99%，混草模式的減沙率最小，為19.54%；從不同降雨等級(jí)累積產(chǎn)沙分析，喬草模式的累積產(chǎn)沙量最小(166.06 t/km2)，減沙率最大為59.50%，灌草模式減沙率最小，為13.41%；從全年累積產(chǎn)流量分析，喬草模式的產(chǎn)沙量最小(434.51 t/km2)，減沙率最大，為52.74%，灌草模式的減沙率最小，為17.84%?？偟膩砜矗瑔滩菽Ｊ?、混草模式的產(chǎn)沙量較小，減沙率較大。

表9 4種不同植物配置模式的減沙效益

3 討 論

觀測期內(nèi)的產(chǎn)流產(chǎn)沙集中在2—4月及7月4個(gè)月，有中雨、大雨和暴雨3種等級(jí)。這是因?yàn)檫@4個(gè)月份3種等級(jí)降雨量大、歷時(shí)長，降雨強(qiáng)度也較大。降雨量、降雨歷時(shí)、降雨強(qiáng)度等降雨因子是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因子。一般情況下，降雨初期，降雨量小，雨強(qiáng)，對(duì)土壤表層結(jié)構(gòu)破壞不大，降雨下滲或者被土壤吸收，地表不會(huì)或很少產(chǎn)生徑流，也就不會(huì)出現(xiàn)流失現(xiàn)象。隨著降雨時(shí)間的累積，降雨量增加，降雨強(qiáng)度增強(qiáng)，表層結(jié)構(gòu)破壞，透水能力下降，含水量也達(dá)到了飽和狀態(tài)，大部分降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流，也增加了徑流的挾沙能力，相同等級(jí)的降雨，由于下墊面的不同產(chǎn)流、產(chǎn)沙量存在較大差異[14-15]。

植物措施是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持常用的三大措施之一，具有較好的水土保持功能。植被冠層和枯枝落葉層可以攔截降雨，大大降低降雨對(duì)地表的直接沖擊，增加地表糙度，從而抑制降低產(chǎn)流產(chǎn)沙的速度，植被根系和枯枝落葉層能夠提高土壤入滲能力，改良土壤養(yǎng)分[16-17]。不同的植物模式、恢復(fù)階段、覆蓋度會(huì)導(dǎo)致植被水土保持效益的差異。一般情況下植被恢復(fù)的初級(jí)階段，植被覆蓋度較低，水土保持效益相對(duì)較低。植被恢復(fù)經(jīng)過一定階段恢復(fù)，植被覆蓋度較高，植被類型豐富，水土保持效益自然較好[18-20]。而本研究4種植物配置模式恢復(fù)時(shí)間較短，植被覆蓋度較低，刺槐、馬棘等喬灌還在生長初期，植被對(duì)降雨的攔截、地表徑流的延阻等作用還不明顯，導(dǎo)致灌草的產(chǎn)流產(chǎn)沙量某些降雨條件下大于混草模式的出現(xiàn)。由于施工工藝、種子成活等引起植被覆蓋度的不同，是引起4種植物配置模式、各模式植被間減流減沙效益差異的主要原因。

不同降雨條件下各植被配比模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，長時(shí)間梯度下不同植被配比模式的恢復(fù)效益等問題均有待于進(jìn)一步研究探討。

4 結(jié) 論

(1) 2019年1—12月有效降雨30場，總降雨量為1 052.73 mm，總降雨歷時(shí)為845.1 h，7月的降雨量(215.30 mm)最大，2月降雨歷時(shí)(284.85 h)最長，降雨主要集中在1—7月；中雨降雨量最大、歷時(shí)長，降雨以中雨、大雨、暴雨為主。

(2) 4種植物配置模式次降雨產(chǎn)流差異較大，月累積產(chǎn)流分布不均。2月花草模式產(chǎn)流最大，3月混草模式、灌草模式產(chǎn)流最大，4月灌草模式產(chǎn)流最大。產(chǎn)流主要集中在2—4月及7月。大雨時(shí)，混草模式、灌草模式和喬草模式的累積產(chǎn)流量最大，而花草模式則在中雨時(shí)的累積產(chǎn)流量最大，產(chǎn)流主要集中在中雨、大雨和暴雨。

(3) 4種植物配置模式次降雨產(chǎn)沙差異較大，月季產(chǎn)沙分布不均，12月產(chǎn)沙最小，3月產(chǎn)沙最大。產(chǎn)沙主要集中在2—4月及7月，暴雨累積產(chǎn)沙量最大。各模式產(chǎn)沙主要集中雨、大雨和暴雨。

(4) 不同降雨條件下的減流減沙效果各異。次降雨條件下，灌草模式減流率最大。喬草模式的減沙率最大，月累積條件下，混草模式的減流率最大。喬草模式的減沙率最大，不同雨型累積條件下，喬草模式的減流減沙率均為最大，分別為78.28%，59.50%。全年累積喬草模式的減流減沙率分別為63.14%，52.74%，均為最大。本研究觀測期內(nèi)，植被恢復(fù)初期，受植被覆蓋度差異影響，喬草模式、混草模式的減流減沙率較大，具有較好的固土保持效益。