根系密度對(duì)黃土塬溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙和形態(tài)演化過(guò)程的影響

馮蘭茜，王文龍，郭明明，史倩華，陳同德，康宏亮

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌712100；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100）

0 引 言

溝頭溯源侵蝕是黃土塬溝壑區(qū)溝壑縱橫、地表破碎、塬面面積萎縮的主要原因，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境的發(fā)展[1]。為控制該區(qū)溝頭溯源侵蝕，20世紀(jì)70年代起政府開展了“三道防線”“四個(gè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶”以及“退耕還林還草工程”等一系列“固溝保塬”的工作[2]，自此該區(qū)溝頭溯源侵蝕得到有效的遏制，其中植被措施是人為擾動(dòng)程度最低的一種方式，在控制該區(qū)溝頭溯源侵蝕中起到了重要作用[3]。

20世紀(jì)90年代，朱顯謨[4]從土壤侵蝕角度，將溯源侵蝕劃入溝蝕范疇，并總結(jié)了黃土高原現(xiàn)代溝谷侵蝕過(guò)程。溝頭溯源侵蝕既是溝蝕的開始，也是其發(fā)展的主要方式[5]貫穿整個(gè)溝蝕發(fā)育過(guò)程，在坡面侵蝕產(chǎn)沙中占重要地位[6]。韓鵬等[7]利用降雨前后坡面地形變化，發(fā)現(xiàn)溯源侵蝕產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量的50%以上；覃超等[8]研究表明坡面溝頭溯源侵蝕速率和產(chǎn)沙率隨流量和坡度的增加而增大。溝頭溯源侵蝕不僅與黃土塬溝壑區(qū)土壤性質(zhì)、地形、降雨環(huán)境因素等有著密切關(guān)系，而且不同土地利用方式對(duì)溝道的發(fā)育影響也十分明顯，即不同土地利用方式下的溝頭溯源侵蝕速度不同；范建容等[9]研究了中國(guó)元謀盆地不同土地利用方式下的溯源侵蝕速度的差異，其中裸地最快，其次是耕地，林地和草地溯源侵蝕較慢；當(dāng)集水區(qū)域植被覆蓋度大于45%[10]時(shí)，植被能更加有效地控制切溝溝頭溯源侵蝕；在黃土塬溝壑區(qū)的楊家溝流域，坡面植被覆蓋度達(dá)到70%，流域減沙率達(dá)到92%以上，溯源侵蝕產(chǎn)沙率降低75%以上[11]；在南非夸祖魯—納塔爾地區(qū)，草地抑制溝頭溯源侵蝕效果明顯大于林地[12]。實(shí)際上，植被對(duì)溯源侵蝕的影響主要取決于植被結(jié)構(gòu)和根系范圍，這與以下兩方面有關(guān)：一方面，植被地上部分可以使地表免受雨滴擊濺、降低徑流動(dòng)能和削弱沖刷能力來(lái)減少溝頭溯源侵蝕[13]；另一方面，根系深扎土壤內(nèi)部，通過(guò)物理結(jié)合作用和化學(xué)吸附作用增強(qiáng)土壤抗沖性，提高溝頭土體穩(wěn)定性[14]。目前，植被在遏制溝頭溯源侵蝕中發(fā)揮了重要作用，現(xiàn)有溝頭溯源侵蝕研究多側(cè)重于植被地上部分對(duì)流域乃至區(qū)域尺度的影響[15-17]，而植被根系密度對(duì)溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙及其形態(tài)演化的影響較少涉及，尤其在黃土塬溝壑區(qū)。

鑒于此，本研究采用人工模擬降雨+放水沖刷試驗(yàn)方法，以裸地試驗(yàn)小區(qū)為對(duì)照，探究典型草本植被根系密度對(duì)溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙和形態(tài)演化過(guò)程的影響，從而明確黃土塬溝壑區(qū)草被根系的溝頭溯源侵蝕過(guò)程的影響機(jī)制，為該區(qū)“固溝保塬”工作的開展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃土塬溝壑區(qū)南小河溝小流域內(nèi)（35°41′～35°44′N，107°30′～107°37′E），該流域總長(zhǎng)度為13.6 km，面積約為36.3 km2，海拔1 064～1 432 m。該區(qū)屬于半干旱大陸性氣候，年平均氣溫10℃，年降雨量約為523 mm，降雨分布不均，其中7－9月降雨量可占全年總降雨量的58.8%，且多為短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨。主要土壤類型為黃綿土、黑壚土，土質(zhì)疏松，可蝕性強(qiáng)，在暴雨作用下極易發(fā)生水土流失，年平均土壤侵蝕率達(dá)4350t/km2，溝道侵蝕占土壤侵蝕總量的86.3%，溝道密度為2.7 km/km2。受人類活動(dòng)影響，黃土塬溝壑區(qū)天然植被殘留極少。該區(qū)主要植被有人工刺槐（Robiniapseudoacacia.）、胡枝子（LespedezabicolorTurcz）、冰草（Agropyroncristatum）等植被，其中草被生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)改善土壤性狀有重要的作用[18-23]。研究區(qū)一級(jí)溝頭的植被大都停留在草本植被群落階段，其中禾本科所占比例最大，可達(dá)30%[24]左右；而冰草是禾本科中的優(yōu)勢(shì)種，也是該區(qū)的優(yōu)良牧草和重要的水土保持植物。

1.2 試驗(yàn)小區(qū)布設(shè)

在南小河溝小流域內(nèi)的西峰水土保持試驗(yàn)站建立試驗(yàn)小區(qū)。小區(qū)示意圖如圖1所示，小區(qū)可分為塬面、溝頭和溝床，其中塬面長(zhǎng)8.0m、寬1.5m，溝頭立壁高1.2m，溝床長(zhǎng)1.0 m、寬1.5 m。塬面邊界用瓷磚圍欄，瓷磚埋深35 cm。將穩(wěn)流槽（長(zhǎng)0.6 m×寬1.5 m×高0.5 m）和徑流池（直徑0.6 m）分別設(shè)置在塬面頂部和溝床底部。小區(qū)2.05 m處搭建降雨模擬器，該降雨模擬器長(zhǎng)3.0 m、寬0.67 m、相鄰噴頭間距為0.67 m；將3個(gè)獨(dú)立降雨模擬器組合在一起，其均勻度可達(dá)80%[25]（圖1）。同時(shí)，在模擬器的供水管處安裝壓力表和閥門，用以監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度。

野外調(diào)查表明黃土塬溝壑區(qū)塬面坡度在1°～5°，且多集中在3°，為更好模擬黃土塬溝壑區(qū)溯源侵蝕過(guò)程，故將本次小區(qū)塬面坡度設(shè)計(jì)為3°，溝床坡度與塬面保持一致。同時(shí)，為確保填充土壤的一致性和均勻性，填土前先將土壤過(guò)篩以剔除雜物，然后采用每隔20cm分層填裝的方法進(jìn)行填土，共填充6層，裝土容重為1.26 g/cm3，在填充上層土?xí)r，先將下層土表面抓毛，以確保土層間的充分結(jié)合。選擇流域內(nèi)典型的草本類植被——冰草，按其不同種植密度（C1：20cm×20cm、C2：15cm×15 cm、C3：10 cm×10 cm）來(lái)模擬3種根系密度，以裸地試驗(yàn)小區(qū)（CK）對(duì)照。在3月份，將冰草種子按照設(shè)計(jì)株行距埋種，并按其習(xí)性進(jìn)行田間管理，保證其正常生長(zhǎng)，并將非種植植被及時(shí)清除；待8月份左右，冰草成熟，試驗(yàn)即可開始。不同土層下冰草根系特征參數(shù)見表1。由于試驗(yàn)小區(qū)構(gòu)建困難及原位控制試驗(yàn)難度大，未進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

在小區(qū)正前方安裝Logitech PRO9000攝像頭，分辨率為200萬(wàn)像素，記錄試驗(yàn)過(guò)程。在帳篷周圍固定防風(fēng)布用于避免風(fēng)力對(duì)降雨的影響。此外，為獲得數(shù)字高程模型（DEM），將小區(qū)等距（2.5 cm）劃分，形成321×61網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)點(diǎn)，小區(qū)左下角設(shè)為原點(diǎn)坐標(biāo)，建立直角坐標(biāo)系，X、Y、Z軸方向如圖1所示。同時(shí)，將附著在測(cè)量桿上的鋼尺（1 mm精度）、測(cè)針（1 mm精度）組成的測(cè)針系統(tǒng)安裝在小區(qū)邊界，依靠測(cè)量桿的滑動(dòng)，可以測(cè)量每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的侵蝕深度，從而獲取DEM。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of experimental plot

表1 不同根系密度條件下不同土層根系特征參數(shù)Table 1 Root characteristics parameters of different soil layers under different root densities

1.3 降雨強(qiáng)度和放水流量參數(shù)確定

研究表明[26]，在黃土塬溝壑區(qū)，遞增型降雨強(qiáng)度將會(huì)導(dǎo)致更大規(guī)模的水土流失。因此，本次試驗(yàn)采用遞增型降雨模式來(lái)模擬溝頭溯源侵蝕過(guò)程。根據(jù)周佩華等[27]土壤侵蝕暴雨研究，將試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間設(shè)定為180 min，并將其劃分為4個(gè)階段：0～45、45～90、90～135以及135～180 min。根據(jù)黃土高原1710次典型暴雨事件的統(tǒng)計(jì)[28]，采取式（1）計(jì)算降雨強(qiáng)度。初始降雨強(qiáng)度由黃土塬侵蝕性降雨背景值決定，為15.0 mm/h。最后4個(gè)階段降雨強(qiáng)度為15.0、20.07、25.14和30.20 mm/h。4個(gè)階段下降雨強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的放水流量由式（2）計(jì)算可得，分別為8.17、11.09、14.02和16.84 m3/h。

其中e為暴雨歷時(shí)T時(shí)間內(nèi)平均降雨強(qiáng)度，mm/min；n為重現(xiàn)期，10 a。

其中s為研究溝頭匯水面積0.145～8.696 km2[29]；D為匯水區(qū)寬度，km；d為小區(qū)寬度，m；η為研究區(qū)徑流系數(shù)0.182 1[30]。

1.4 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)開始前，為保持小區(qū)土壤含水率一致，需進(jìn)行降雨強(qiáng)度為15.0 mm/h的預(yù)降雨，直到塬面產(chǎn)流為止，隨后將塑料薄膜覆蓋在小區(qū)上，以減少土壤水分蒸發(fā)，并靜止24 h。試驗(yàn)開始時(shí)，調(diào)整降雨強(qiáng)度和放水流量至設(shè)計(jì)值，相對(duì)誤差控制在5%之內(nèi)，隨后快速掀開塑料薄膜，待產(chǎn)流后，試驗(yàn)正式開始。試驗(yàn)過(guò)程中每3 min用徑流桶采集徑流泥沙樣，稱量徑流桶+徑流泥沙樣的質(zhì)量，隨時(shí)記錄崩塌時(shí)間和位置。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，每15 min用鋼尺（1 mm精度）測(cè)量溝頭累積前進(jìn)距離，同時(shí)測(cè)量由崩塌導(dǎo)致溝頭突增距離；分別在試驗(yàn)0、45、90、135、180 min時(shí)，使用測(cè)針系統(tǒng)測(cè)量侵蝕深度，相鄰測(cè)量點(diǎn)間距為2.5 cm。試驗(yàn)結(jié)束后，將徑流泥沙樣放入105℃烘箱內(nèi)烘干，待其質(zhì)量不變時(shí)稱其質(zhì)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)方法

土壤侵蝕速率Ts：試驗(yàn)小區(qū)在單位時(shí)間單位面積內(nèi)被徑流剝蝕土壤的質(zhì)量，由式（3）計(jì)算：

式中Ts為土壤侵蝕速率，g/(m2·s)；M1為接樣時(shí)間t內(nèi)的泥沙干質(zhì)量，g；A為試驗(yàn)小區(qū)面積，m2；t為接樣時(shí)間，s。

采用Excel 2016匯總數(shù)據(jù)；使用SPSS 20.0和Origin 2017進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；根據(jù)三維坐標(biāo)系（圖1），將侵蝕深度導(dǎo)入ArcGIS 10中生成DEM，同時(shí)，設(shè)置DEM識(shí)別的溝沿線臨界值為35°[31]，從中獲取溝道下切平均深度和發(fā)育面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系密度對(duì)溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙的影響

由圖2可知，各小區(qū)土壤侵蝕速率隨時(shí)間呈多峰多谷變化趨勢(shì)。對(duì)照小區(qū)侵蝕速率在5.46～42.30 g/(m2·s)之間波動(dòng)，C1、C2和C3小區(qū)變化范圍分別為1.61～19.38、0.35～13.40、1.10～16.78 g/(m2·s)。從侵蝕過(guò)程來(lái)看，對(duì)照小區(qū)在土壤侵蝕過(guò)程中發(fā)生了較大規(guī)模的重力崩塌，崩塌土體暫時(shí)沉積在溝道內(nèi)使得侵蝕速率呈波動(dòng)變化；草被小區(qū)由于植被根系的固土作用，土壤侵蝕速率最大值和最小值均明顯低于對(duì)照小區(qū)，但同時(shí)由于植被根系的存在，增大土壤孔隙度，徑流入滲導(dǎo)致土體內(nèi)部易形成管流[32]；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力（根土體重力）大于阻力（根土體間的摩擦力和黏聚力）時(shí)，溝道將發(fā)生崩塌，草被小區(qū)崩塌頻次是對(duì)照小區(qū)的2.88～4.38倍，進(jìn)而導(dǎo)致土壤侵蝕速率波動(dòng)劇烈。因此，崩塌是土壤侵蝕速率呈現(xiàn)波動(dòng)變化的主要原因[33]。

圖2 不同根系密度條件下土壤侵蝕速率隨時(shí)間變化Fig.2 Temporal variation of soil erosion rate under different root densities

由圖2a和表2可知，對(duì)照小區(qū)在30～85 min內(nèi)共發(fā)生10次崩塌，其中63 min發(fā)生的崩塌導(dǎo)致侵蝕速率突增14.48 g/(m2·s)。85 min以后小區(qū)不再發(fā)生崩塌，說(shuō)明溝道已發(fā)育穩(wěn)定，侵蝕速率仍呈波動(dòng)變化是由于試驗(yàn)前期發(fā)生的崩塌規(guī)模較大，對(duì)侵蝕過(guò)程影響時(shí)間較長(zhǎng)。由圖2b、2c、2d可知，草被小區(qū)發(fā)生崩塌時(shí)間較早，比對(duì)照小區(qū)提前18～24 min，隨后崩塌貫穿整個(gè)侵蝕過(guò)程，但對(duì)照小區(qū)崩塌規(guī)模明顯大于草被小區(qū)，因此，對(duì)照小區(qū)侵蝕速率較高。隨著草被小區(qū)根系密度增加，土壤侵蝕速率變異系數(shù)和崩塌頻次逐漸減?。ū?），但草被小區(qū)的土壤侵蝕速率變異系數(shù)和崩塌頻次仍高于對(duì)照小區(qū)。由表2可知，植被根系的存在在一定程度上加劇了崩塌頻次，使土壤侵蝕速率波動(dòng)變化劇烈，但隨著植被根系密度的增加，侵蝕速率變異系數(shù)和崩塌頻次開始降低，說(shuō)明植被根系密度的增加可以降低土壤侵蝕速率波動(dòng)程度。冰草為須根系生物，縱向生長(zhǎng)根系生物量遠(yuǎn)不如橫向根系，橫向根系層層交織，增強(qiáng)土體水平抗剪切能力[34]，進(jìn)而在一定程度上抑制崩塌，減緩?fù)寥狼治g速率波動(dòng)。由圖2b可知，C1小區(qū)崩塌從6 min開始，180 min結(jié)束，期間共發(fā)生35次小規(guī)模崩塌（表2），如81 min的崩塌導(dǎo)致侵蝕速率由 3.07 g/(m2·s)突增到最大值 17.77 g/(m2·s)。由圖2c可知，30次崩塌（表2）貫穿整場(chǎng)試驗(yàn)，123 min侵蝕速率為5.01 g/(m2·s)，此后崩塌發(fā)生，侵蝕速率增加至最大（13.40 g/(m2·s)）。由圖2d可知，C3小區(qū)侵蝕速率變化規(guī)律與C1和C2小區(qū)相似，23次（表2）崩塌持續(xù)147 min。

由表2可知，對(duì)照小區(qū)產(chǎn)沙量為2 425.96 kg，草被小區(qū)產(chǎn)沙量明顯降低，其減沙效益為64.32%～70.31%。對(duì)照小區(qū)塬面裸露，而草被小區(qū)種植冰草，其根系分蘗能力強(qiáng)，易形成發(fā)達(dá)根系網(wǎng)絡(luò)，增大土壤顆粒間粘聚力進(jìn)而抑制產(chǎn)沙。隨著根系密度增加，減沙效益不再增加，說(shuō)明冰草根系密度存在一個(gè)閾值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)閾值時(shí)，根系密度對(duì)治理黃土塬溝頭溯源侵蝕減沙效益最好。

表2 不同根系密度條件下土壤侵蝕速率特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of soil erosion rate under different root densities

2.2 根系密度對(duì)溝頭溯源過(guò)程的影響

由圖3可知，對(duì)照小區(qū)溝頭溯源侵蝕主要經(jīng)歷以下4個(gè)過(guò)程：溝口形成階段、貼壁流侵蝕、跌水侵蝕和溝岸崩塌。塬面裸露，可侵蝕性高；因此，在試驗(yàn)前期，塬面被徑流沖刷出一個(gè)平臺(tái)，隨后徑流分成貼壁流和跌水。貼壁流沿塬壁流下，掏蝕塬壁，垂直沖刷溝床；而跌水直接擊濺溝床表面形成跌水坑，隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，流量不斷增大，徑流沖刷能力增強(qiáng)，平臺(tái)不斷向前推進(jìn)，跌水池向后移動(dòng)，慢慢形成溝口，在兩種侵蝕的作用下，溝頭不斷溯源，同時(shí)，由于掏蝕的作用，塬面底部土體被掏空，上層土體處于“臨空狀態(tài)”，一旦平衡被打破，溝岸就會(huì)發(fā)生崩塌。而草被小區(qū)侵蝕發(fā)育過(guò)程則由貼壁流侵蝕、跌水侵蝕以及溝頭根土復(fù)合體崩塌所組成。貼壁流侵蝕和跌水侵蝕與對(duì)照小區(qū)相似。同時(shí)，由于植被滯流作用，草被小區(qū)流速明顯低于對(duì)照小區(qū)，貼壁流侵蝕占主導(dǎo)，在塬面底部形成凹陷區(qū)（圖3b），加速形成懸掛根土復(fù)合體和溝頭裂縫[35]。當(dāng)根土復(fù)合體發(fā)生崩塌時(shí)，溝頭突然前進(jìn)導(dǎo)致溯源，因此溝頭根土復(fù)合體崩塌是導(dǎo)致草地溝頭溯源侵蝕的主要原因。

圖3 裸地和植被溝頭溯源侵蝕主要過(guò)程Fig.3 Main processes of gully headcut erosion in bare plots and grass plots

由圖4可知，溝頭累積前進(jìn)距離呈階梯式增長(zhǎng)，溝頭前進(jìn)速率呈波動(dòng)變化。由圖4a可知，對(duì)照小區(qū)前進(jìn)速率隨試驗(yàn)進(jìn)行呈降低—增加交替變化，其范圍在0.37～2.69 cm/min之間；在85 min，由于溝頭土體發(fā)生崩塌，前進(jìn)速率由0.43突增至2.27 cm/min，隨后前進(jìn)速率恢復(fù)平穩(wěn)，溝頭穩(wěn)定向前推進(jìn)，最終前進(jìn)距離為197.48 cm。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)照小區(qū)溝頭前進(jìn)速率在試驗(yàn)前期較大，后期速率趨于穩(wěn)定。Wells等[36]研究結(jié)果亦表明，溝道在發(fā)育前期形態(tài)變化最大，待溝道發(fā)育穩(wěn)定，溝頭前進(jìn)速率幾乎保持恒定。與對(duì)照相比，草被小區(qū)前進(jìn)速率明顯降低，溝頭前進(jìn)距離縮短75.61%～78.87%。對(duì)照小區(qū)裸露塬面，土壤可侵蝕性較高，溝道發(fā)育較快，而草被小區(qū)由于根系提高土壤抗侵蝕能力，發(fā)育較為緩慢。由圖4b可知，C1小區(qū)在0～15 min內(nèi)，前進(jìn)速率達(dá)到最大值（1.04 cm/min），這是由于第9 min，溝頭發(fā)生重力崩塌，前進(jìn)距離突增15.60 cm導(dǎo)致的，隨后前進(jìn)速率不斷降低，溝頭緩慢向前推進(jìn)，126 min再次在溝頭發(fā)生崩塌，導(dǎo)致侵蝕速率由0.06突增至0.25 cm/min，隨后速率保持穩(wěn)定。由圖4c可知，C2小區(qū)在0～45和90～120 min前進(jìn)速率較大，在0.31～0.78和0.18～0.37 cm/min之間變化，溝頭快速向前推進(jìn)，其余時(shí)段C2小區(qū)前進(jìn)速率緩慢，溝頭前進(jìn)距離幾乎保持恒定。由圖4d可知，C3小區(qū)前進(jìn)速率變化趨勢(shì)與C2小區(qū)一致。草被小區(qū)溝頭前進(jìn)速率波動(dòng)劇烈，與前人研究結(jié)果存在差異[36-40]。造成這種差異的主要原因可歸結(jié)于根土體崩塌，當(dāng)溝頭根土體崩塌時(shí)，草地小區(qū)溝頭前進(jìn)速率突增。隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，兩種不同溝頭溯源模式與土壤可蝕性有關(guān)。對(duì)照小區(qū)塬面裸露，土壤可蝕性較高，溝道發(fā)育完全可在更快和更大的時(shí)空尺度上完成[36]，對(duì)照小區(qū)溝頭溯源距離是草被小區(qū)的4.10～4.74倍；草被小區(qū)土壤可蝕性低，抑制溝頭溯源和溝道發(fā)育進(jìn)程。由表3可知，溝頭累積前進(jìn)距離與時(shí)間呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（P＜0.01）。

圖4 不同根系密度條件下溝頭累積溯源距離和前進(jìn)速率隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of cumulative migration distance and migration rate of gully head with time under different root densities

表3 不同根系密度條件下溝頭累積溯源距離與時(shí)間關(guān)系Table 3 Relationships between cumulative migration distance of gully head and time under different root densities

2.3 根系密度對(duì)溝道下切及面積發(fā)育的影響

由圖5可知，對(duì)照小區(qū)侵蝕溝縱斷面呈階梯形，存在緩沖平臺(tái)，草被小區(qū)形態(tài)近似梯形。對(duì)照小區(qū)試驗(yàn)前期溝道下切明顯，溝道最深達(dá)106.94 cm，平均溝深達(dá)36.45 cm（表4），隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，坡面逐漸形成侵蝕臺(tái)面，臺(tái)面逐漸降低，由于坡面落差大，沖擊臺(tái)面形成跌水坑，隨后跌水坑水流溢出，沖擊溝道，加劇下切深度，最大溝深達(dá)123.38 cm，隨后溝道趨于平緩，形成臺(tái)面。草被小區(qū)侵蝕溝縱斷面形態(tài)相似，其最大深度分別為138.69、120.48和121.80 cm。草被小區(qū)由于貼壁流侵蝕占主導(dǎo)，不斷掏蝕陡坡面內(nèi)部，使得溝頭土體臨空，并逐漸失穩(wěn)發(fā)生崩塌，造成徑流直接下切。由表4可知，草被小區(qū)溝道下切平均深度明顯高于對(duì)照小區(qū)，是對(duì)照小區(qū)的1.92、1.64和1.73倍。草被小區(qū)溝頭溯源緩慢，在相同時(shí)間內(nèi)，徑流在草被小區(qū)溝頭沖刷空間小于對(duì)照小區(qū)，導(dǎo)致溝道下切平均深度加?。黄浯?，Erkan[41]研究發(fā)現(xiàn)，土壤黏聚力較低時(shí)，溝道以橫向發(fā)展為主，其寬度較大而深度較淺；當(dāng)粘聚力較高時(shí)，溝道以縱向發(fā)展為主，溝壁陡立。與對(duì)照相比，草被小區(qū)由于植被根系的存在，其土壤黏聚力提高，溝道下切深度加劇。根系與土體之間的側(cè)向約束力提高了根土復(fù)合體的強(qiáng)度，增強(qiáng)土壤水平抗剪切能力[42]，草被小區(qū)的溝道易縱向發(fā)展。

由圖6可知，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，溝道面積呈波動(dòng)增長(zhǎng)，各小區(qū)溝道面積最終發(fā)育到1.0、0.32、0.3和0.26 m2。溝道面積隨根系密度增加而降低，與對(duì)照相比，草被小區(qū)溝道面積降低68.0%～74.0%。由圖7可知，對(duì)照小區(qū)溝道貫穿整個(gè)塬面，其溝頭以尖峰狀向前推進(jìn)，越靠近小區(qū)底部溝道下切深度和面積發(fā)育越大，溝道整體呈狹長(zhǎng)形，上窄下寬，其底部寬度接近小區(qū)寬度；草被小區(qū)在根系作用下，溝道面積遠(yuǎn)不如對(duì)照小區(qū)，溝道僅在小區(qū)底部存在，呈圓弧狀，由于溯源侵蝕方式的不同，導(dǎo)致溝道形態(tài)發(fā)育不同。

表4 不同根系密度小區(qū)溝道平均深度Table 4 Average gully depth in plots with different root densities

圖5 不同根系密度小區(qū)溝道發(fā)育縱剖面Fig.5 Longitudinal profile of gully development in different root densities plot

圖6 不同根系密度條件下溝道發(fā)育面積隨時(shí)間的變化Fig.6 Change of gully development area with time under different root densities

圖7 不同根系密度溝道形態(tài)發(fā)育的數(shù)字高程Fig.7 DEM of morphological development of gully under different root densities

3 結(jié) 論

本文采用野外“人工模擬降雨+放水沖刷”試驗(yàn)方法，研究不同根系密度條件對(duì)溝頭溯源侵蝕產(chǎn)沙和形態(tài)演化的影響，主要結(jié)論如下：

1）對(duì)照小區(qū)土壤侵蝕速率最大值和最小值明顯大于草被小區(qū)，但侵蝕速率波動(dòng)程度不及草被小區(qū)；草被小區(qū)的土壤侵蝕速率波動(dòng)程度隨根系密度增加而降低。對(duì)照小區(qū)產(chǎn)沙量最大達(dá)2 425.96 kg，冰草株行距為15 cm×15 cm時(shí)，減沙效益最大，可達(dá)70.31%。

2）對(duì)照小區(qū)溯源侵蝕過(guò)程主要由以下4個(gè)過(guò)程組成：溝口形成、貼壁流侵蝕、跌水侵蝕和溝岸崩塌；草被小區(qū)侵蝕發(fā)育過(guò)程則由貼壁流侵蝕、跌水侵蝕以及溝頭根土復(fù)合體崩塌組成，崩塌是草地溝頭溯源的主要原因。在經(jīng)歷以上過(guò)程后，與對(duì)照相比，草被小區(qū)溝頭溯源距離縮短75.61%～78.87%，溝頭溯源距離不隨根系密度增加而嚴(yán)格降低，C2小區(qū)溝頭溯源距離最短，溝頭溯源距離與時(shí)間呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系。

3）對(duì)照小區(qū)侵蝕溝縱斷面呈階梯形，存在緩沖平臺(tái)，溝頭近似矩形，草被小區(qū)則分別呈梯形和圓弧狀；草被小區(qū)溝道下切平均深度明顯高于對(duì)照小區(qū)，是對(duì)照小區(qū)的1.64～1.92倍；隨著根系密度增加，溝道發(fā)育面積逐漸降低，與對(duì)照小區(qū)相比，減少68.0%～74.0%。