降雨對(duì)不同坡比邊坡產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的影響

楊慶楠，徐金忠，李志飛，侯淑艷

（黑龍江省水利科學(xué)研究院水土保持研究所，黑龍江省水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150070）

0 引言

東北黑土區(qū)侵蝕溝數(shù)量眾多、分布廣泛、侵占土地面積大，侵蝕類型多樣且相互作用。根據(jù)2012年全國(guó)第一次水利普查，僅黑龍江省長(zhǎng)度在100～5000 m的侵蝕溝有11.55 萬(wàn)條[1]，溝道總面積928.99 km2，總長(zhǎng)度45244.34 km，溝道密度0.10 km/km2。受植被覆蓋度低、土壤抗沖性差、降雨相對(duì)集中[2]及人為因素等影響，侵蝕溝發(fā)展迅速[3]，水土流失形勢(shì)嚴(yán)峻[4]，造成耕地、道路被吞噬，土地生產(chǎn)力下降等諸多不利后果。侵蝕溝是東北黑土區(qū)水土流失問(wèn)題的集中表現(xiàn)，是水土流失治理的重點(diǎn)[5]。侵蝕溝按照不同發(fā)展階段可劃分為發(fā)展溝、穩(wěn)定溝和半穩(wěn)定溝[6]，其中半穩(wěn)定溝和穩(wěn)定溝的溝道兩側(cè)邊坡相對(duì)平緩，植被能穩(wěn)定的生長(zhǎng)，而發(fā)展溝的溝道坡面坡度較大，溝岸及溝坡經(jīng)常發(fā)生崩塌[7]、滑坡等現(xiàn)象，鮮有植被生長(zhǎng)。發(fā)展溝的溝岸擴(kuò)張、溝底下切，發(fā)展迅速，是侵蝕溝治理中的重中之重。

目前，邊坡植被防護(hù)措施研究主要集中于高速公路、道路、填埋場(chǎng)、排土場(chǎng)等特定邊坡[8-11]，鮮有針對(duì)侵蝕溝邊坡植被防護(hù)措施的研究。在實(shí)際侵蝕溝治理中以工程措施與植物措施相結(jié)合為主，陡峭邊坡需削坡至穩(wěn)定邊坡比后進(jìn)行植被措施的配置，削坡會(huì)侵占一定面積的耕地，由于尚無(wú)補(bǔ)償政策，往往難以實(shí)施。目前侵蝕溝邊坡以栽植喬灌木為主，如楊樹、樟子松、灌木柳、沙棘等，根系深、分布范圍廣，固土作用強(qiáng)，優(yōu)于草本植被。但在侵蝕溝恢復(fù)前期喬灌木生長(zhǎng)緩慢、地表裸露面積大，防止雨滴擊濺的能力弱，而草本具有生長(zhǎng)速度快、迅速覆蓋地表等優(yōu)點(diǎn)，在侵蝕溝邊坡前期防護(hù)中應(yīng)用前景廣闊。

因此，本研究以無(wú)芒雀麥(Bromus inermisLeyss.)、早熟禾(Poa annuaL.)、紫花苜蓿(Medicago sativaL.)為研究對(duì)象，通過(guò)野外徑流小區(qū)的觀測(cè)，了解分析在植被覆蓋下次降雨對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程的貢獻(xiàn)，以期為侵蝕溝植被邊坡防護(hù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 徑流小區(qū)布設(shè)

在黑龍江省水土保持科技園區(qū)一自然坡面上進(jìn)行人工削坡，設(shè)計(jì)坡度為1:1.2(39.81°)和1:1.5(33.69°)，坡向?yàn)槟媳毕?，削坡后坡面回?～3 cm表土。在1:1.2和1:1.5 坡上分別設(shè)置A 組、B 組試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)又分為8 個(gè)微型徑流小區(qū)，小區(qū)間隔為0.3 m，邊界由鐵板構(gòu)成，鐵板高40 cm，地下埋深20 cm。徑流小區(qū)由坡面區(qū)、集流區(qū)、導(dǎo)流區(qū)組成，如圖1 所示。通過(guò)導(dǎo)流區(qū)的徑流泥沙直接流入集流桶（上口直徑28.5 cm，下口直徑25.5 cm，高34 cm）中進(jìn)行收集。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取適合在當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)，且生長(zhǎng)迅速、固土能力強(qiáng)的無(wú)芒雀麥、早熟禾、紫花苜蓿3種草種。播種前進(jìn)行室內(nèi)發(fā)芽試驗(yàn)。2018 年5 月3 日，人工清理、平整坡面，充分澆水灌溉后將3 種草種按照表1 配置分別按照50 g/m2等重量比例撒播在各相應(yīng)的小區(qū)坡面。播種后覆0.5～1.0 cm表土，輕輕鎮(zhèn)壓，苫蓋遮陽(yáng)網(wǎng)。出苗前定期灌溉，出苗后無(wú)需管理，定期拍攝照片。

1.3 徑流泥沙測(cè)定

每次降雨產(chǎn)流后，將集流桶內(nèi)徑流泥沙充分?jǐn)嚢杈鶆?，取?00 mL渾水樣品（不足500 mL全部取出），標(biāo)記好帶回實(shí)驗(yàn)室濾紙過(guò)濾、烘干，測(cè)定泥沙量，剩余渾水全部倒入量杯中測(cè)定體積，做好徑流量的記錄。

表1 徑流小區(qū)植被配置

1.4 試驗(yàn)儀器

降雨因子采用SL-2 型虹吸式雨量器（長(zhǎng)春，0.1 mm精度）測(cè)量；泥沙樣品采用鼓風(fēng)恒溫烘干箱（中國(guó)大陸，1℃）烘干，稱重采用天美JA2603D 電子天平（上海，1 mg）測(cè)定。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與作圖。

2 結(jié)果與分析

6—9月采集有效徑流泥沙樣23次，對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)、平均雨強(qiáng)、最大30 min雨強(qiáng)(I30)、降雨總動(dòng)能(E)、降雨侵蝕力(EI30)情況，見表2。

2.1 1:1.5和1:1.2坡比邊坡降雨產(chǎn)流情況

2.1.1 1:1.5 坡比邊坡降雨產(chǎn)流由圖2 可知，總體上次降雨產(chǎn)流量隨雨量大小的變化而變化。0～5 mm 次降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流2.4 L，5～10 mm次降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流4.4 L，大于10 mm 次降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流7.4 L。同等次降雨量對(duì)6月和7月產(chǎn)流的影響大于8月和9月，主要是由于植被覆蓋率低和徑流小區(qū)建設(shè)土層穩(wěn)定性受干預(yù)造成的，賀小容等研究表明土層緊實(shí)度直接影響坡面產(chǎn)流結(jié)果[12]，同時(shí)徑流對(duì)降雨量的敏感性隨植被蓋度的提高而降低。但也存在特殊情況，如7月15日和8月30日的降雨量相對(duì)較低，但產(chǎn)流量卻較高，是因?yàn)?月15日降雨的歷時(shí)短，平均雨強(qiáng)、E 和EI30較大，對(duì)坡面的侵蝕能力強(qiáng)，產(chǎn)流量大。8 月30 日雖雨強(qiáng)和土壤侵蝕力較低，但之前發(fā)生連續(xù)降雨，土壤含水量高，土壤下滲能力差，進(jìn)而形成較多地表徑流。7 月15 日與7 月16 日的降雨量相差懸殊，產(chǎn)流量卻相近均較高，與7月12日降雨量大、歷時(shí)長(zhǎng)，土壤有足夠時(shí)間入滲，土壤含水量高有關(guān)，影響7月15日的降雨入滲量。8月前，不同降雨量下，B1～B8產(chǎn)流量差距較小，8月及以后B1～B8產(chǎn)流量差距變大，且降雨量越高，差距越顯著，這是由于前期植被覆蓋率均很低，受植被影響較小，雨熱同期后不同草種植被覆蓋率有顯著差異，導(dǎo)致植被截流降雨作用的差距，產(chǎn)流量不同。7—9月，各次降雨B8產(chǎn)流量都高于植草各徑流小區(qū)，且隨時(shí)間推進(jìn)差距逐漸增大，可見植被減流作用的重要性。6月中旬—7月，除B1和B2的其他植被配置小區(qū)各次降雨下產(chǎn)流量相差不大，8—9月，5 mm降雨量左右時(shí)各徑流小區(qū)產(chǎn)流差別不顯著，10 mm 左右降雨量時(shí)B7減流作用非常顯著。前期B3減流作用明顯優(yōu)于B1和B2，后期B1和B2減流作用反超B3。

表2 次降雨各因子情況

2.1.2 1:1.2 坡比邊坡降雨產(chǎn)流由圖3 可知，A 組次降雨產(chǎn)流隨雨量大小的變化而變化，與B組趨勢(shì)一致，0～5 mm降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流2.4 L，5～10 mm降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流4.9 L，大于10 mm降雨量，徑流小區(qū)平均產(chǎn)流8.4 L。坡度增大，次降雨量愈大，A 組產(chǎn)流量愈高于B 組，但增量很小。肖登攀等研究也表明坡度增大后，增大產(chǎn)流增加的可能性[13]。整體上看A7、A6、A5和A3產(chǎn)流量較小，但不同時(shí)間段優(yōu)勢(shì)植被配置不同，6月A3和A7產(chǎn)流少，7月A6和A7產(chǎn)流少，8 月A3 和A7 產(chǎn)流少，9 月A7、A3、A5 產(chǎn)流均低。6 月和7月A組和B組各次降雨產(chǎn)流量相近，雖坡度變大，但同樣降雨量和較低植被蓋度情況下，產(chǎn)流量相近。8月除4日和27日A組產(chǎn)流量明顯高于B組，其他次產(chǎn)流A組和B組相差不大，與降雨量大小和土壤條件密切相關(guān)。9月各次降雨產(chǎn)流量A組顯著高于B組。即坡度變陡后，植被生長(zhǎng)前期產(chǎn)流量大小較為一致，8月雨量較小時(shí)A組和B組產(chǎn)流差距不大，當(dāng)雨量較大時(shí)，差距明顯變大，9月無(wú)論降雨量大小A組產(chǎn)流大于B組。

2.2 1:1.5和1:1.2坡比邊坡降雨產(chǎn)沙情況

2.2.1 1:1.5 坡比邊坡降雨產(chǎn)沙由圖4 可知，整體上產(chǎn)沙量不隨降雨量大小的變化而變化，各次降雨下產(chǎn)沙量差距懸殊，存在閾值。降雨量小于15 mm，產(chǎn)沙量較少，降雨量大于15 mm，產(chǎn)沙量明顯升高，且B8產(chǎn)沙量比其他植被配置徑流小區(qū)增長(zhǎng)量更大。王蕙[14]、黃俊[15]、鐘壬琳等[16]試驗(yàn)表明坡面產(chǎn)沙隨雨強(qiáng)增大產(chǎn)沙量也增大。6月和7月次降雨下的產(chǎn)沙量較高，一方面由于徑流小區(qū)建成初始，土壤容重、緊實(shí)度、穩(wěn)定性等變化而受到影響，另一方面由植被根系發(fā)育不完全，固土能力弱導(dǎo)致的，占海歌研究表明植物根系能提高土壤的抗蝕性，降低產(chǎn)沙量[17]。產(chǎn)沙量主要集中在6 月20 日和7 月16 日兩次降雨，是由于植被覆蓋率低，平均雨強(qiáng)、I30、E、EI30高造成的。同時(shí)6 月5 日、7 月19 日和8 月30 日產(chǎn)沙量也較多，其他次降雨產(chǎn)沙量則極小。6 月5 日，徑流小區(qū)土壤穩(wěn)定性沒(méi)有恢復(fù)，土壤顆粒隨徑流極易被帶走導(dǎo)致產(chǎn)沙量大。7月19日產(chǎn)沙量較高由平均雨強(qiáng)、I30、E、EI30較高形成的。8 月30 日降雨量較小產(chǎn)沙量卻較高，是因?yàn)? 月24—27 日有連續(xù)降雨，土壤含水量接近飽和，地表產(chǎn)流量大帶走泥沙量大。相同降雨量下，6 月和7 月產(chǎn)沙量高于8 月和9月。6月植被混播配置B6、B7、B3產(chǎn)沙較少，隨著時(shí)間推移，不同時(shí)間段優(yōu)勢(shì)植被配置不同，7 月B3、B4、B5減沙效果較好。8月B1和B2相比其他植被配置，由前期產(chǎn)沙量高變?yōu)槊黠@下降，甚至超過(guò)混播配置及紫花苜蓿。9月產(chǎn)沙量均極少。

2.2.2 1:1.2 坡比邊坡降雨產(chǎn)沙由圖5 可知，A 組在各次降雨下產(chǎn)沙走勢(shì)與B 組基本一致，次降雨產(chǎn)沙主要集中在6月20日、7月16日和7月19日，同樣的次降雨量，坡度變大后，坡面抗侵蝕能力降低，產(chǎn)沙量明顯增加，特別是7月19日A組產(chǎn)沙急劇增長(zhǎng)，與趙龍山等[18]研究表示坡面產(chǎn)沙量隨坡度增大而增加相同。6 月5日和7 月20 日產(chǎn)沙量也較高，其他次降雨產(chǎn)沙量極小。6—9 月0～5 mm 降雨下A 組與B 組產(chǎn)沙量相近，6月和7 月大于5 mm 次降雨A 組產(chǎn)流顯著高于B 組同期產(chǎn)沙量，8月和9月則差距不大。8月24—27日連續(xù)降雨時(shí)均有產(chǎn)沙，略高于B 組同期產(chǎn)沙。侯沛軒[19]研究表明，除去降雨、坡度、坡向、土壤等相同因素，產(chǎn)沙量的差異主要來(lái)源于徑流量大小和植被種類的不同。但8月30日次降雨下，A組產(chǎn)沙量低于B組，是因?yàn)槠露茸兇蠛?，坡面入滲能力降低，8月24—8月27日產(chǎn)流量相對(duì)較多，土壤入滲量并未達(dá)到飽和，8月30日降雨土壤入滲增加，地表徑流減少，產(chǎn)沙減少。初期A3產(chǎn)沙量較少，后期A5 和A7 產(chǎn)沙量少。因?yàn)楦鲝搅餍^(qū)播種重量一致，A3紫花苜蓿播種量大，快速出苗，根系發(fā)揮作用和降低擊濺作用較早，與艾寧研究植被改土可減沙結(jié)果一致[20]，與孫婷婷等[21]研究認(rèn)為紫花苜蓿混合生態(tài)護(hù)坡保土效果好一致。

3 結(jié)論

（1）產(chǎn)流量與降雨量密切正相關(guān)，產(chǎn)沙量并未隨降雨量緊密變化，不同次降雨范圍產(chǎn)沙量差距懸殊，15 mm 雨量是產(chǎn)沙量的閾值，產(chǎn)流能力隨植被生長(zhǎng)有所降低，但與主要受降雨影響，產(chǎn)沙能力受植被生長(zhǎng)影響相對(duì)較大。

（2）不同時(shí)間段次降雨減流減沙優(yōu)勢(shì)植被配置不同，紫花苜蓿草種前期減流減沙效果好，無(wú)芒雀麥和早熟禾草種后期減流減沙效果好。

（3）坡度變大后6月和7月次降雨產(chǎn)流量大小較為一致，8月次降雨量較小時(shí)產(chǎn)流量也相近，當(dāng)次降雨量較大時(shí)，差距變大，9月無(wú)論次降雨量大小1:1.2坡比產(chǎn)流都明顯高于1:1.5坡比。

（4）產(chǎn)沙量主要集中在6月和7月的幾次降雨中，1:1.2 坡比邊坡產(chǎn)沙高于1:1.5 坡比邊坡，8 月和9 月產(chǎn)沙量較少，1:1.2坡比邊坡產(chǎn)沙量略高。

4 討論

1:1.2坡比邊坡植被生長(zhǎng)后期產(chǎn)流量稍高，前期產(chǎn)沙量較高，在植被配置時(shí)要充分考慮前期水熱條件不足情況下仍能較早出苗且植被覆蓋有優(yōu)勢(shì)的紫花苜蓿，并需提高混播比例，但紫花苜蓿后期保水保土效果變?nèi)?，搭配后期體現(xiàn)保水保土優(yōu)勢(shì)的無(wú)芒雀麥或早熟禾，陡坡邊坡防護(hù)將達(dá)到較好效果。