植被對土壤入滲和地表產(chǎn)流過程的影響研究進展

李 坤，姚文藝，肖培青，莊 寧，楊春霞，張 浩

(1．河海大學，江蘇 南京 210098; 2．黃河水利科學研究院/水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河南黃河河務(wù)局，河南 鄭州 450003)

植被對土壤入滲和地表產(chǎn)流過程的影響研究進展

李 坤1,2，姚文藝2，肖培青2，莊 寧1，楊春霞2，張 浩3

(1．河海大學，江蘇 南京 210098; 2．黃河水利科學研究院/水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河南黃河河務(wù)局，河南 鄭州 450003)

植被；土壤入滲；產(chǎn)流；水文效應(yīng)；研究進展

從不同層面全面闡述了植被對土壤入滲產(chǎn)匯流作用的研究進展，包括不同植被類型、植被覆蓋度、植被種植方式條件下土壤特性、入滲能力、產(chǎn)匯流過程等水文特性的變化規(guī)律，指出了目前研究中存在的不足，提出了未來需要進一步研究的方向，包括植被覆蓋下坡面降雨-入滲過程的定量描述、植被-徑流耦合關(guān)系臨界的揭示、植被-降雨-入滲-產(chǎn)流耦合關(guān)系的分析等，以期為科學評價植被的水文效應(yīng)提供參考。

植被能夠直接影響水分蒸散發(fā)、土壤入滲、產(chǎn)匯流等水文過程[1-3]，研究植被作用下的入滲產(chǎn)流過程及其變化規(guī)律，是構(gòu)建植被作用下坡面產(chǎn)流模式、揭示植被變化下的水文響應(yīng)機制、完善利用植被措施調(diào)控水沙的重要理論基礎(chǔ)。目前，學者們對植被截留、根系改善土壤入滲特性、增強土壤抗沖性及土壤抗剪強度、植被對坡面流水力學參數(shù)的影響等方面的研究取得了不少成果[4-10]。一般來說，土壤入滲特性和產(chǎn)流機制受下墊面影響很大，而不同植被下的土壤性質(zhì)也不相同[11-12]。植被變化對水文循環(huán)有著顯著影響，目前關(guān)于植被變化對產(chǎn)流機制演化的驅(qū)動作用及其被覆臨界、植被如何影響入滲和徑流等水文過程的研究相對缺乏，坡面侵蝕動力過程對產(chǎn)流機制調(diào)整的響應(yīng)等問題也有待深入研究?；诖耍瑢χ脖蛔饔孟峦寥廊霛B和地表產(chǎn)流過程研究進展進行系統(tǒng)總結(jié)，分析目前研究中存在的不足，提出未來需要進一步研究的方向，以期為科學評價植被的水文效應(yīng)提供參考。

1 植被類型對土壤入滲及產(chǎn)流的影響

國內(nèi)外學者對植被影響入滲產(chǎn)流的作用開展了大量研究，結(jié)果認為不同類型植被通過植被覆蓋層截留降雨促進水分再分配并增加入滲減少徑流量與泥沙量[12]，其中植被對降水再分布的影響主要體現(xiàn)在冠部截留、改變土壤特性、阻礙徑流三方面[13]，并通過根系改變土壤結(jié)構(gòu)，進而改變土壤中水流的運動方式[14]。朱顯謨等[15-17]通過實地觀測不同種類植被覆蓋下的產(chǎn)流量和侵蝕量并將其與裸地對比，發(fā)現(xiàn)不同植被類型增加土壤入滲、削減徑流能力的順序為林>灌>草。彭舜磊等[18]采用雙環(huán)入滲法對伏牛山東麓6種植被恢復(fù)類型的土壤水分入滲過程進行了測定，結(jié)果表明：初始入滲率、穩(wěn)滲率和前60 min入滲總量隨植被恢復(fù)類型的不同而變化，呈栓皮櫟次生林>栓皮櫟人工林>刺槐人工林>側(cè)柏人工林>灌叢>裸地的規(guī)律；栓皮櫟次生林能抵御10年一遇的暴雨，栓皮櫟人工林能抵御1年一遇的暴雨，而刺槐人工林、側(cè)柏人工林、灌叢和裸地均不能抵御1年一遇的暴雨，易產(chǎn)生暴雨徑流。姚文藝等[8,19]研究表明，裸地入滲率明顯小于草地和灌木林地，3種地類降雨前后穩(wěn)滲率變化范圍不同，以裸地初始入滲率與穩(wěn)滲率相差最大，但是隨著雨強增大，裸地與草地、灌木林地產(chǎn)流量相差減少，說明在一定雨強范圍內(nèi)，植被對于洪水過程具有削峰調(diào)控作用。

不同植被類型對坡面系統(tǒng)入滲產(chǎn)流的調(diào)控方式不同，其水土保持措施效率也不相同，比如草地對水沙的調(diào)控作用機制更多的是直接攔沙的功效，而林地的水土保持功效則更多體現(xiàn)在蓄水減沙的水沙調(diào)控機制方面。文獻[20]對火山灰土壤農(nóng)田有機質(zhì)、氮礦化、團聚體結(jié)構(gòu)比、體積密度、含水量、水滴穿透時間等的研究表明，相比常綠闊葉林和松樹林，農(nóng)田土壤團聚體含量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和有機質(zhì)含量有一個明顯的下降，體積密度卻有所增加，對于增加土壤入滲率的作用為常綠闊葉林>松柏林>農(nóng)田。王士永等[21]研究了東臺溝小流域不同植被覆蓋對坡面產(chǎn)流的影響，結(jié)果表明，3種徑流小區(qū)產(chǎn)流量排序為刺槐林<火炬林<裸地。

2 植被覆蓋度對土壤入滲及產(chǎn)流的影響

植被覆蓋度與土壤入滲、地表產(chǎn)匯流機制之間具有顯著的相關(guān)性，是影響入滲產(chǎn)流等水文參數(shù)的重要因素[12,22]。研究表明植被覆蓋可以使雨滴降落能量有效降低，并使降雨再分配，增加土壤入滲并減少地面徑流[23-24]。不同植被覆蓋度下入滲產(chǎn)流模式不同，一般來講，植被覆蓋度越大，土壤入滲功能越強，產(chǎn)流量越少[15]。SEEGER[12]研究表明植被覆蓋度的增加能有效減少徑流量和產(chǎn)沙量。ESHGHIZADEH, et al.[25]在伊朗東北部選取侵蝕地點，監(jiān)測分析2008—2015年的土壤侵蝕量，研究影響半干旱地區(qū)徑流和土壤流失的主要自然因素，得出了植被覆蓋度與徑流量、土壤侵蝕量具有線性關(guān)系的結(jié)論。李毅等[26]在植草坡地進行了人工模擬降雨試驗，分析了人工草地覆蓋度、雨強、土壤質(zhì)地等因素對黃土坡面降雨入滲規(guī)律的影響，結(jié)果表明當其他條件相同時，草地植被覆蓋度越大，初始和穩(wěn)定入滲率越高，降水入滲補給系數(shù)越大，不同覆蓋度的入滲率和累積入滲量隨時間變化均可表示為冪函數(shù)關(guān)系。

一般來講，植被覆蓋度只有達到一定程度時才能發(fā)揮大量增加入滲、減少產(chǎn)流、控制土壤侵蝕的作用，能使其土壤流失量小于該地允許土壤流失量的覆蓋度為最佳覆蓋度，并且植被覆蓋具有臨界覆蓋度和有效覆蓋度兩種不同的定義，當超過臨界覆蓋度時，植被覆蓋對于減水減沙的作用不會隨覆蓋度的增加而增大[27-28]，此外在強降雨條件下，降雨強度超過降雨臨界閾值時，植被減流作用會隨之降低，被覆對產(chǎn)流影響很小[8]。朱冰冰等[24]通過野外人工模擬降雨試驗，研究了草本植被覆蓋對坡面降雨徑流侵蝕的影響，結(jié)果表明當植被覆蓋度為0～60%時，植被覆蓋度的增加能有效降低產(chǎn)流、產(chǎn)沙量，而植被覆蓋度大于80%時，覆蓋度的增加對于徑流系數(shù)的影響減弱，植被對產(chǎn)流、產(chǎn)沙量影響趨于穩(wěn)定，因此臨界植被覆蓋度為60%～80%。趙夢杰等[29]通過野外人工模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋度會對土壤含水率、坡面入滲及產(chǎn)流產(chǎn)生明顯影響，植被覆蓋度達到18%之后，到達穩(wěn)滲的時間縮短，徑流系數(shù)有一個明顯的減小，但在暴雨條件下，黃土高原地區(qū)坡地即使覆蓋度達到了50%以上，產(chǎn)流仍然很快。

森林郁閉度的變化可以影響降雨截留和樹干莖流進而使整個森林的水文效應(yīng)產(chǎn)生變化。HUBER，et al[30]研究表明凈降雨量和樹干莖流量受林木郁閉度影響，在降雨量較少的地區(qū)，森林密度的減少降低了總莖流量但增加了單株莖流量，有利于單株植被的生長，進而對森林的水文循環(huán)產(chǎn)生影響。周彬等[31]研究了不同郁閉度下油松人工林林冠截留率、穿透雨量、樹干莖流量與降雨量的關(guān)系，以及林冠截留過程的特點，結(jié)果表明：郁閉度為 0.8 的油松人工林林冠截留量與降雨量呈線性關(guān)系，郁閉度為 0.7、0.6、0.5 時呈冪函數(shù)關(guān)系；各郁閉度的油松人工林林冠截留率與降雨量均呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系；穿透雨量、樹干莖流量與降雨量均呈明顯的線性關(guān)系，穿透雨量和樹干莖流量隨著降雨量的增加而增加。宋小帥等[32]通過定位試驗結(jié)合室內(nèi)測定的方法，研究了山西太岳山不同郁閉度油松人工林水文效應(yīng)，結(jié)果表明林分郁閉度從0.5增加到0.6時，土壤總孔隙度增加，之后隨著郁閉度增大，土壤總孔隙度又有所減少，郁閉度0.6的林分土壤涵養(yǎng)水源能力最強，不同郁閉度林分土壤有效蓄水量大小按郁閉度排序為0.6>0.7>0.5>0.8，不同郁閉度林分土壤達到穩(wěn)滲時間一般都在30 min左右，郁閉度0.7林分的土壤初滲速率和穩(wěn)滲速率均最大。

3 種植方式對土壤入滲及產(chǎn)流的影響

不同種植模式下植被對入滲產(chǎn)流產(chǎn)生的作用不同，能使土壤團聚體、孔隙度、容重、有機質(zhì)含量、含水量等土壤性質(zhì)及入滲性能發(fā)生改變[33-42]，進而改變流域的水文狀況和產(chǎn)匯流機制。為了提高土地利用率，優(yōu)化植被種植方式，科學合理地種植植被不僅能讓植被更加適應(yīng)當?shù)氐匦?、氣候條件，增加植被成活率及其覆蓋度，保護環(huán)境[33]，而且可大大增加農(nóng)作物產(chǎn)量并節(jié)省耕地資源，減少產(chǎn)流產(chǎn)沙[34-36]，為此需要明晰不同植被種植方式下的土壤結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及其入滲產(chǎn)流機制。AL-SEEKH，et al.[37]研究表明，等高集雨耕作措施比傳統(tǒng)平作措施能大大減少徑流量和沉積量的產(chǎn)生，能顯著提升土壤含水量。朱聿申等[38]在黃土高原地區(qū)進行了試驗，結(jié)果表明從土壤體積含水量、產(chǎn)流量、侵蝕量、植被生長狀況來看，大魚鱗坑整地小區(qū)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)魚鱗坑、水平溝整地小區(qū)，得出了大魚鱗坑是最具水土保持功能、最適合在黃土溝壑區(qū)使用的種植模式。安瞳昕等[39]進行了玉米間作蔬菜和草帶等不同種植方式對坡耕地水土流失影響的研究，結(jié)果表明通常情況下農(nóng)田種植模式采用土地間作方式較單一種植方式更為合理。陳小強等[41]采用田間徑流小區(qū)試驗，研究了坡耕地玉米大豆間作、玉米單作、大豆單作和裸地的水土保持效果，結(jié)果表明大豆、玉米間作種植模式相比大豆、玉米單獨種植能有效增加耕地地表植被覆蓋度，從而增加入滲，減少產(chǎn)流，在云南省中部地區(qū)采用2∶2的玉米大豆間作種植模式能大大提高農(nóng)作物產(chǎn)量和減少水土流失量。薛宇燕等[43]研究秸稈覆蓋耕作措施控制土壤侵蝕機制，在2008—2010年雨季對不同覆蓋方式下徑流小區(qū)徑流量、侵蝕量進行監(jiān)測，觀察不同降雨強度下覆蓋對水土流失的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻草秸稈編織物覆蓋種植玉米能有效增加降雨入滲量，減小徑流量，覆蓋處理小區(qū)比無覆蓋處理小區(qū)徑流量減少528.71 m3/(hm2·a)，土壤侵蝕量減少62.02 t/(hm2·a)，且在中強度雨強下，減流效果最為明顯。

4 問題與展望

4.1 存在問題

綜上所述，植被改變土壤理化性質(zhì)及其影響入滲產(chǎn)流模式、調(diào)控水文機制的作用研究取得了明顯進展，但還有一些問題需要進一步研究，主要有以下幾點：

(1)植被與入滲產(chǎn)流的關(guān)系研究大多是從土壤的理化性質(zhì)方面進行參數(shù)比較來判定土壤入滲能力，但是對于植被作用下產(chǎn)流機制重要水力參數(shù)之一的土壤入滲能力的演變過程與規(guī)律還缺少系統(tǒng)的定量研究。特別是對于降雨驅(qū)動下不同植被類型坡面土壤水分運動及其入滲率變化的過程特征、植被坡面土壤入滲變化及水分再分配過程等還有待研究。

(2)國內(nèi)外學者對植被覆蓋度變化對入滲產(chǎn)流的影響研究多是通過野外試驗觀測，以單一植被的覆蓋度變化研究為主，極少關(guān)注不同覆蓋度植被措施下的坡面徑流量變化過程，并且現(xiàn)有的產(chǎn)流機制理論研究中關(guān)于植被類型、植被覆蓋度、種植方式多因素混合對土壤結(jié)構(gòu)變化及入滲產(chǎn)流過程的影響等成果還較為缺乏。

(3)現(xiàn)在試驗觀測多采用野外天然降雨，關(guān)于植被對坡面徑流的影響更側(cè)重于坡面徑流特征的描述和產(chǎn)流特性參數(shù)變化，缺少植被、降雨、入滲、產(chǎn)流耦合研究，特別是植被作用下產(chǎn)流機制演化機理及其被覆臨界還需進一步研究。

4.2 研究展望

針對目前植被作用下土壤入滲和地表產(chǎn)流過程研究中存在的問題，建議未來應(yīng)當加強以下幾方面的研究：

(1)從植被截留、阻流和土壤入滲性能耦合變化特征出發(fā)，研究降雨驅(qū)動下不同被覆坡面土壤水分運動及其入滲率變化的過程特征，以及植被坡面土壤入滲變化及水分再分配過程，闡明植被對調(diào)控土壤入滲過程的作用。

(2)通過觀測裸坡降雨試驗和不同種類、不同覆蓋度、不同植被措施下的坡面徑流量變化過程，尋找植被-徑流耦合關(guān)系的臨界，對比不同下墊面情況下地表徑流變化，分析其特征，并定量表達植被覆蓋度與地表徑流變化過程的響應(yīng)關(guān)系。

(3)分析降雨-植被-入滲-產(chǎn)流耦合關(guān)系，闡明植被對產(chǎn)流過程的作用，明晰產(chǎn)流機制的參數(shù)變化規(guī)律，找出被覆臨界，構(gòu)建植被作用下坡面產(chǎn)流模式，進一步完善水文學科理論。

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(責任編輯 李楊楊)

河南省創(chuàng)新型科技人才隊伍建設(shè)工程(162101510004)；國家自然科學基金資助項目(41571276)；水利部黃土高原水土流失過程與控制重點實驗室基金項目(2016-01)

S157.1

A

1000-0941(2017)03-0027-04

李坤(1994—)，男，河南商丘市人，碩士研究生，從事水土保持與生態(tài)水文學方面的研究；通信作者姚文藝( 1957—)，男，河南周口市人，教授級高級工程師，博士，從事河流動力學、土壤侵蝕方面的研究。

2016-09-20