植被覆蓋下坡面流研究進(jìn)展

程競(jìng)萱

（太原市水土保持科學(xué)研究所）

水力侵蝕是最為主要的土壤侵蝕方式，具有分布范圍廣、危害性大的特點(diǎn)，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)構(gòu)成了重大威脅，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和持續(xù)發(fā)展。水力侵蝕最直觀的表現(xiàn)途徑就是坡面流，而植被通過其攔截阻礙效應(yīng)以及改良土壤等方式，直接地影響坡面流造成的土壤侵蝕與土壤養(yǎng)分的遷移過程。研究植被覆蓋下的坡面流特性，對(duì)于探討小流域土壤侵蝕規(guī)律、區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙水文特征、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害以及生態(tài)文明建設(shè)等方面，均有著極為重要的科學(xué)意義。

坡面流是指地表水流在受到重力作用后，沿坡面移動(dòng)的一種狀態(tài)，包括片流和細(xì)溝流。傳統(tǒng)的坡面流研究，多采用野外觀測(cè)法進(jìn)行，基于簡(jiǎn)單的觀察數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析探討。隨著科技的飛速發(fā)展，近年來，在研究方法上逐步演化為利用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)與室外原型觀測(cè)相結(jié)合，并利用綜合分析手段研究其水動(dòng)力學(xué)特性和侵蝕機(jī)理，進(jìn)而建立土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。本項(xiàng)研究收集了大量文獻(xiàn)資料，將從植被的減流減沙效益、坡面流水力學(xué)特性、養(yǎng)分遷移機(jī)制等三個(gè)方面，綜述國(guó)內(nèi)外坡面流研究進(jìn)展。

1 植被減流減沙效益研究

植物措施是水土保持三大措施之一，對(duì)于緩解降雨徑流沖刷以及土壤侵蝕具有重要作用。蔣榮等[1]通過徑流小區(qū)觀測(cè)，對(duì)不同林草植被類型的徑流與產(chǎn)沙情況進(jìn)行分析，認(rèn)為灌叢和草地相對(duì)其他植被類型，控制土壤侵蝕和地表徑流的效果最好；林分的垂直結(jié)構(gòu)和植物群落構(gòu)造的復(fù)雜性，有利于植被控制土壤侵蝕和地表徑流產(chǎn)生。Kateb[2]等選擇中國(guó)東南部的典型水力侵蝕區(qū)域，劃定33個(gè)侵蝕地塊，調(diào)查地塊內(nèi)植被覆蓋下的徑流、泥沙狀況，結(jié)果表明，土壤侵蝕速率與坡面植被覆蓋度密切相關(guān)，其中草本植物覆蓋地塊較其他土地利用類型地塊的徑流和土壤流失均較少，減流減沙效果最為明顯。

近年來，植物措施的減流減沙研究取得了重大進(jìn)展。這些研究，主要集中于植被蓋度、植物種類、土地利用類型、沖刷流量以及雨強(qiáng)、坡度、植物群落結(jié)構(gòu)、植被多樣性等因素對(duì)土壤侵蝕的影響，但對(duì)于植被覆蓋下坡面侵蝕過程的研究相對(duì)較弱。在實(shí)際沖刷過程中，土壤侵蝕所帶來的微地形變化以及下滲過程變化等，則會(huì)影響坡面流水動(dòng)力學(xué)特性，從而反作用于土壤侵蝕過程。對(duì)于坡面土壤侵蝕過程的研究，是構(gòu)建土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型和采取防治土壤侵蝕措施的重要理論基礎(chǔ)，因此，研究模擬放水沖刷下實(shí)際坡面的土壤侵蝕過程變化規(guī)律，具有十分重要的意義。

2 坡面流水力學(xué)特性

坡面流的水力學(xué)特征是比較復(fù)雜的。一方面，可借助水文學(xué)、水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)、河床演變學(xué)等成熟理論，分析坡面流的水力學(xué)特征；另一方面，則可根據(jù)坡面流的自身特點(diǎn)，進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)地觀測(cè)相結(jié)合，研究分析坡面流水力學(xué)特征。實(shí)際坡面流的水深較小，所以邊界作用復(fù)雜，外界影響較大。有別于明渠流的是，坡面流的水動(dòng)力學(xué)特性受地表覆蓋、降雨濺蝕、土壤下滲特性、地面坡度等因素影響較大。因此，在研究坡面水力學(xué)特性時(shí)，不能單純地從理論上對(duì)其進(jìn)行研究。以前的方法，主要是通過大量的觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但近些年來，開始利用室內(nèi)模擬方法對(duì)其進(jìn)行研究，大大加快了研究進(jìn)程，并有利于集中研究某一因素或幾個(gè)因素對(duì)坡面流的水力學(xué)特性影響。

通過翻閱大量文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在坡面流的水力學(xué)特征研究上，主要集中在兩個(gè)方面：

2.1 流態(tài)判斷

在受到諸多因素影響下，坡面流的流態(tài)變得復(fù)雜多變。雖然坡面流流態(tài)復(fù)雜，但對(duì)徑流輸沙的影響是直接的，因此流態(tài)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。學(xué)術(shù)界對(duì)于坡面流，到底是屬于層流還是紊流，爭(zhēng)議很大。目前，多沿用明渠流的判別方式進(jìn)行研究，一般參照雷諾數(shù)Re 和弗汝德數(shù)。Zavala 等[3]通過實(shí)驗(yàn)證明，坡面流以明渠流判斷方式屬于層流范疇，但也具備明顯的紊流特征。

2.2 流速分布測(cè)定

多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，含沙量與坡面水流速度呈反比關(guān)系，即在含沙量增加的情況下，地表土壤顆粒間不斷碰撞的幾率加大，在垂直方向上，增加了一個(gè)相反的力來推動(dòng)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，使得土壤顆粒輸移速度降低，從而降低坡面流速。董月群[4]對(duì)比了傳統(tǒng)鹽液和染色劑兩種不同的染色示蹤法研究成果，得出由于水流的影響則會(huì)導(dǎo)致人體產(chǎn)生視覺誤差，從而會(huì)對(duì)流速的測(cè)定產(chǎn)生影響。Guang hui Zhang 等[5]通過對(duì)幾種測(cè)量流速的方法進(jìn)行校正，但其結(jié)論是運(yùn)用于實(shí)踐中的可行性，還需要通過大量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 養(yǎng)分遷移機(jī)制

近10 a 來，農(nóng)業(yè)面源污染逐步成為我國(guó)土壤環(huán)境污染的主要形式之一，越來越受到有關(guān)部門及研究者的關(guān)注。根據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部2014年中國(guó)環(huán)境狀況公告，我國(guó)農(nóng)業(yè)污染物主要來自于全氮和全磷的排放。在降雨條件下，雨滴擊濺侵蝕使得徑流泥沙攜帶氮、磷、鉀等養(yǎng)分物質(zhì)輸移，從而造成嚴(yán)重面源污染，使得土壤質(zhì)量下降；部分徑流攜帶這部分物質(zhì)進(jìn)入地下水，對(duì)流域或區(qū)域內(nèi)的飲用水安全構(gòu)成重大威脅，從而影響人體健康；同時(shí)，農(nóng)業(yè)面源污染也會(huì)影響到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。

在這方面的研究上，主要集中在以下三點(diǎn)：

3.1 土壤養(yǎng)分與坡面流的相互作用

研究表明，土壤顆粒的養(yǎng)分物質(zhì)，在徑流作用下容易發(fā)生溶解、解吸，并隨徑流輸移，其結(jié)果會(huì)造成產(chǎn)流區(qū)域土壤養(yǎng)分貧乏，而徑流聚集區(qū)域土壤養(yǎng)分富集。由于土壤中存在的優(yōu)先流結(jié)構(gòu)，土壤養(yǎng)分會(huì)隨土壤顆粒的移動(dòng)而發(fā)生流失。土壤養(yǎng)分與坡面流的相互作用過程，成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要研究過程。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者，對(duì)坡面流與土壤養(yǎng)分的作用機(jī)理進(jìn)行了大量研究。Ahuja 等[6]將P32放置于不同深度的土壤中，研究養(yǎng)分隨徑流遷移的規(guī)律，結(jié)果表明，土壤表層的養(yǎng)分更容易進(jìn)入徑流從而發(fā)生遷移，且徑流中的養(yǎng)分物質(zhì)與土壤深度呈指數(shù)遞減關(guān)系。

3.2 土壤養(yǎng)分遷移過程與形態(tài)

土壤顆粒在降雨和徑流作用下發(fā)生富集和遷移，使得土壤養(yǎng)分也隨之遷移。在降雨雨滴擊濺和地表徑流沖刷作用下，吸附在地表土壤顆粒和土壤團(tuán)聚體上的養(yǎng)分物質(zhì)開始發(fā)生溶解，隨水體發(fā)生遷移；與此同時(shí)，下層土壤也受到影響，促使養(yǎng)分在土壤垂直方向發(fā)生遷移。土壤養(yǎng)分的遷移形態(tài)與不同遷移形態(tài)流失的占比，受土壤性質(zhì)、坡面沖刷條件、地表粗糙度、植被覆蓋度以及降雨條件等因素所左右。Inoue 和Ebise[7]通過對(duì)流域內(nèi)COD、BOD、C、N 進(jìn)行研究分析，其結(jié)果表明：土壤養(yǎng)分在流失過程中，88%的磷是以顆粒形態(tài)流失，其流失時(shí)期主要是在徑流紊動(dòng)性較大時(shí)；氮的流失受徑流狀態(tài)的影響相對(duì)較小，但其流失的形態(tài)不同于磷，主要是溶解態(tài)。韓建剛等[8]科技人員，通過選擇紫色土區(qū)域不同地形和土地利用類型，研究了土壤氮養(yǎng)分流失形式，結(jié)果表明：硝態(tài)氮為氮的主要流失形態(tài)，流失量占農(nóng)田中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮流失總濃度（5.36±2.13 mg/L）90%以上。

3.3 土壤養(yǎng)分遷移的影響因素

在一定地表形態(tài)和覆蓋條件下，強(qiáng)降雨會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的土壤侵蝕。一般來講，土壤侵蝕量越大，土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)隨徑流泥沙輸移而產(chǎn)生的養(yǎng)分流失量也越大。大量研究表明，流域內(nèi)養(yǎng)分遷移和徑流匯集有一定的變化規(guī)律。土壤中的硝態(tài)氮和總磷，多以溶淋方式在土壤入滲條件下進(jìn)行垂直輸移；而氨氮由于被土壤膠體物質(zhì)所吸附，受坡面流影響輸移量則較小。王全九[9]等通過野外放水沖刷試驗(yàn)，探討了植被類型對(duì)黃土坡面地表徑流、坡面產(chǎn)沙及養(yǎng)分遷移機(jī)制的影響，結(jié)果表明：隨著時(shí)間的推移，坡面產(chǎn)沙量會(huì)出現(xiàn)峰值；硝態(tài)氮和水溶性磷隨坡面流遷移濃度動(dòng)態(tài)變化，先是迅速上升，而后下降并趨于穩(wěn)定。王麗等[10]通過人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和速效鉀等土壤養(yǎng)分在不同坡面、不同坡度下隨徑流遷移的變化規(guī)律，結(jié)果表明：養(yǎng)分濃度與坡度有較大關(guān)系，且養(yǎng)分濃度在10°-15°坡度之間存在臨界值。

4 討論

目前，對(duì)于植被覆蓋下坡面流的研究，仍主要停留在野外沖刷實(shí)驗(yàn)和模型模擬層面，現(xiàn)將有關(guān)問題討論如下：

（1）實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋，實(shí)驗(yàn)設(shè)備不精確。在野外放水沖刷實(shí)驗(yàn)條件下，徑流小區(qū)因地形修建，不完善、不規(guī)范，加之植被生長(zhǎng)情況的不可控性與實(shí)驗(yàn)操作過程存在的偶然性，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大差異。在實(shí)驗(yàn)操作中，坡面流的流速和水深測(cè)量，仍是今后研究改進(jìn)的方向。對(duì)于常用染色劑的使用，肉眼的觀測(cè)、計(jì)算，加之難以準(zhǔn)確地測(cè)量水深與流速值，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大影響。因此，在今后的研究中，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度，設(shè)計(jì)發(fā)明一種準(zhǔn)確反映水深、流速等數(shù)值的測(cè)試儀器，對(duì)于坡面流的研究十分重要。

（2）模型模擬研究，應(yīng)考慮多重因素相互作用。在模型模擬研究中，僅考慮坡度、坡面狀態(tài)、土壤質(zhì)地等，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。特別是在植被覆蓋條件下坡面流的研究中，植被覆蓋度、植物生長(zhǎng)狀況、植被結(jié)構(gòu)情況是非常重要的先決條件，但與坡度、坡向、土壤以及實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)力影響，均密切相關(guān)。這些因素，經(jīng)常相互制約，甚至?xí)ハ喔蓴_，對(duì)研究結(jié)果影響很大。因此，研究坡面流在植被覆蓋下的特性機(jī)理時(shí)，應(yīng)綜合考慮不同因素之間的相互作用，而不能僅考慮研究分析單一因素對(duì)其造成的影響。

（3）應(yīng)進(jìn)一步提高改進(jìn)坡面流模型。在坡面流研究中，多數(shù)學(xué)者應(yīng)用模型模擬法對(duì)其特性進(jìn)行綜合分析。但在植被覆蓋條件下，坡面流的流態(tài)極為復(fù)雜，受到多方面因素的制約，現(xiàn)有模型的實(shí)用性、廣普性以及科學(xué)性，仍需要進(jìn)一步提高改進(jìn)。