植被和梯田措施對坡溝系統(tǒng)細溝侵蝕調控作用

董敬兵，時 鵬，李占斌，李 鵬，白璐璐，趙 準，宋致華，趙倩卓，慕全鵬

植被和梯田措施對坡溝系統(tǒng)細溝侵蝕調控作用

董敬兵1，時 鵬1※，李占斌2，李 鵬1，白璐璐1，趙 準1，宋致華1，趙倩卓1，慕全鵬1

（1. 西安理工大學省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，西安 710048；2. 旱區(qū)生態(tài)水文與災害防治國家林業(yè)和草原局重點實驗室，西安 710048）

坡溝系統(tǒng)作為黃土丘陵溝壑區(qū)基本的地貌單元，也是黃土高原侵蝕泥沙的主要來源區(qū)。植被和梯田作為坡面水土流失治理的主要措施，對于土壤侵蝕控制和生態(tài)恢復發(fā)揮著重要的作用，定量評估林草、梯田對坡面細溝侵蝕的調控作用以及多措施協(xié)同配置問題對于黃土高原水土流失治理和生態(tài)保護具有重要意義。為了揭示植被和梯田的格局和配置對坡溝系統(tǒng)細溝侵蝕的協(xié)同調控作用，該研究采用人工模擬降雨，結合三維激光掃描技術，分析了坡面4種措施：上坡位植被（措施A）、下坡位植被（措施B）、梯田（措施C）、梯田+植被（措施D）對細溝侵蝕發(fā)生和演變過程的影響。結果表明：1）相同植被覆蓋度下，下坡位的植被布設細溝最大長度較上坡位的植被布設細溝最大長度減小量更大；2） 第1次降雨中，侵蝕率最大值達到3 500 g/min以上，第2次降雨過程中侵蝕率最大值僅為1 100 g/min以上，在各產(chǎn)流時間內第2次降雨侵蝕率均為第1次降雨侵蝕率的1/3～1/2；3）對于各措施下細溝溝長發(fā)育率由大到小表現(xiàn)為措施A（6.55 cm/min）、措施C（5.71 cm/min）、措施B（3.60 cm/min）、措施D（2.69 cm/min）；4）梯田與植被同時布設（措施D）對于細溝侵蝕的調控作用優(yōu)于單一措施（措施B和C），梯田和植被對細溝侵蝕指數(shù)細溝侵蝕量、細溝面積、細溝密度產(chǎn)生了協(xié)同作用（分別為7.71%、13.76%、7.52%）。研究可為黃土高原坡溝治理措施配置和細溝侵蝕調控提供一定的科學參考依據(jù)。

侵蝕；植被；細溝；坡溝系統(tǒng)；梯田；措施配置；協(xié)同作用

0 引 言

土壤侵蝕一直以來都是一個全球性的環(huán)境問題[1]，細溝侵蝕是黃土坡面土壤侵蝕中重要的土壤侵蝕形式之一，細溝侵蝕量一般占到坡面土壤流失的62.2%～84.8%[2]。細溝侵蝕作為土壤侵蝕由面蝕轉為溝蝕的過渡階段，在土壤侵蝕研究中具有不可替代的價值。影響細溝侵蝕的因素有很多，其中最直接的因素就是徑流（包括徑流量和流速）和土壤表面特征[3]。在整個細溝發(fā)育過程中，細溝侵蝕的發(fā)生、發(fā)展使得細溝形態(tài)趨于復雜化，同時，細溝形態(tài)又反過來作用于坡面徑流，在整個土壤侵蝕過程中，坡面徑流與細溝形態(tài)之間一直發(fā)生著相互作用[4]。坡面徑流通過對細溝溝壁、溝底、溝頭土壤的分散、沖刷和搬運過程，不斷改變著細溝網(wǎng)絡結構和細溝形態(tài)。細溝侵蝕攜帶大量泥沙和營養(yǎng)物質，造成土地退化[5]和其他的環(huán)境問題[6]，對農業(yè)和生態(tài)環(huán)境造成了巨大危害，坡溝系統(tǒng)作為黃土高原丘陵區(qū)最常見的侵蝕單元，也是侵蝕產(chǎn)沙的主要來源地，侵蝕物質的輸移和能量的傳遞從坡面到溝道會發(fā)生顯著變化，且坡道和溝道可同時進行工程措施，最大限度防治水土流失過程。坡改梯和林草作為坡面易侵蝕區(qū)常用的水保措施，不僅可以消減自身所在區(qū)域的水沙，還可在一定程度上攔截上坡面的來水來沙，對坡面乃至流域尺度的治理具有顯著影響。

國內外已開展了大量有關細溝侵蝕過程與機理的研究[7-8]，并取得了一系列的成果。但是，細溝侵蝕有別于其他溝道侵蝕的一個顯著特點就是伴隨侵蝕產(chǎn)沙過程，細溝形態(tài)迅速演變，因此細溝形態(tài)演化過程與侵蝕產(chǎn)沙過程呈互饋過程。并且細溝侵蝕過程同時受到雨強、雨量、時長[9]、坡度[10]、雨型[11]、移動方向、覆蓋條件[12]、耕作方式[13]等多種因素的共同影響。眾多學者針對不同尺度下、不同研究角度下的細溝侵蝕展開了大量研究。有研究[14]通過模擬細溝侵蝕試驗，得出了剝蝕率與含沙量和坡長的關系式。目前大量研究結果均表明植被對土壤具有保護和改良作用，然而植被的格局配置對土壤侵蝕的影響問題卻一直存在諸多爭議。除了植被分布位置外，植被類型以及覆蓋度也是影響土壤侵蝕的重要因素[15]，Sun等[16]通過模擬不同類型的植被格局對坡面侵蝕過程的影響表明，與裸地相比，不同植被斑塊格局均能延緩產(chǎn)流時間，增加土壤入滲，減小坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。流域水沙變化與細溝的發(fā)生、發(fā)育過程的研究一直都是細溝侵蝕的研究熱點，大部分學者均選取系列指標（細溝寬度、深度、溝長、細溝密度、細溝寬深比等）來描述細溝形態(tài)變化過程[17]，以此來反映實際侵蝕產(chǎn)沙過程中下墊面侵蝕與沉積情況。

梯田作為一種水土保持工程措施，能極大地減少溝蝕的發(fā)生和發(fā)展。Pan 等[18]通過室內模擬試驗，較全面地揭示了植被空間分布位置對坡溝系統(tǒng)細溝侵蝕的調控作用，結果表明，布設植被不僅能減緩細溝發(fā)育速度，還能降低細溝發(fā)育程度。設置植被和梯田會影響分散徑流、降低流速、增加入滲等，從而減小細溝侵蝕程度。關于黃土高原細溝侵蝕的研究大量聚焦于植被位置、降雨強度、坡度等對細溝發(fā)育的影響[19]，且是基于單個坡面進行研究。針對坡溝系統(tǒng)在模擬降雨條件下的細溝侵蝕較少，關于植被格局以及植被和梯田協(xié)同配置是否可以發(fā)揮協(xié)同作用的研究較少。因此，本研究設置了4種坡溝系統(tǒng)治理措施的配置方式，研究基于間歇性降雨條件下的草帶和梯田配置對于細溝侵蝕的調控作用，以期為黃土高原坡溝系統(tǒng)綜合治理提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和裝置

試驗土壤取自西安本地周邊農田表層去掉浮渣后20 cm厚度黃土，供試土壤運回試驗大廳后，去除土樣中的雜草、石子等雜物，風干后過10 mm土篩，備用。土壤屬于粉壤土，粉粒占比最多，0～2.00m粒徑占比1.13%，2.00～50.00m粒徑占比91.26%，>50.00m粒徑占比7.61%（Mastersizer 2000激光粒度分析儀，英國馬爾文公司）。

試驗在西安理工大學西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室降雨侵蝕大廳進行，試驗槽采用總長度為10 m、寬度1 m、高0.5 m的可升降式鋼制土槽來模擬黃土高原最基本組成單元—坡溝系統(tǒng)，其中上坡面長6 m、坡度為15°，下溝道長4 m、坡度為28°，并將全長10 m分為10個長度為1 m的測量單元，從上到下依次稱為1、2…10號斷面（見圖 1），鋼槽底部每隔10 cm均勻地鉆有直徑為10 mm的小孔，以便水分到達深層后能夠有效地下滲。

降雨器采用西安理工大學水資源研究所研制的下噴式降雨裝置，噴嘴孔徑在1～6 mm之間，用濾紙法測量雨滴直徑，平均達到1.5 mm，分布在0.4～3.0 mm之間，與自然降雨相似。降雨試驗開始前對降雨強度進行多次率定，直至其達到穩(wěn)定且與既定大?。ㄓ陱?.5 mm/min，均勻度≥85%）相對誤差不超過2%時，方進行正式試驗。使用美國Campbell公司的CR1000數(shù)據(jù)采集器測定土壤含水率，利用CS616土壤水分傳感器獲取土壤含水率數(shù)據(jù)，頻率為1次/min，水分探頭分別布設在上坡面2、5、7、9號斷面，每個斷面在垂直土壤面上不同深度處（5、10、15 cm）放置3個探頭，記錄不同斷面不同深度處的含水率變化情況。采用美國的trimble FX三維激光掃描儀獲取坡面高精度DEM。

注：坡面從上到下依次為1、2…10號斷面。

1.2 試驗設計與方法

本研究設計了2種植被位置和1種梯田位置以及梯田與植被結合的布置模式，以裸坡作為對照，設置了4種不同坡溝系統(tǒng)治理措施，見圖1。

1）上坡位草帶（措施A），在第3、4號斷面布設2 m2的塊狀草帶。

2）下坡位草帶（措施B）：在第5、6號斷面布設2 m2的塊狀植被帶。

3）梯田（措施C）：在第3、4號斷面布設2 m2的水平梯田，由上坡面坡度及布設區(qū)域長度計算梯田每一階梯的高度和寬度，最終每個階梯的高度為8.6 cm、長度為32.2 cm，2 m2區(qū)域內共布設6級階梯。

4）梯田+草帶（措施D）：在3、4、5、6號斷面同時布設上述草帶。

5）對照組為裸坡，坡面和溝道上均不設置任何治理措施。

在土槽中填土，裝土厚度共計20 cm，填土前均勻地鋪一層厚度為20 cm的細沙，采用分層填裝再人工踩實的方法進行填土，每層厚度5 cm左右，每層填裝完成后灑上適量水分，待其滲透后再將土層表面打毛，以使兩層土壤能夠更加緊密地結合在一起。裝土完成后分別在2、5、7、9號斷面用環(huán)刀取土，測量其容重并取平均值，并觀測含水率是否在允許誤差5%內，使其土壤容重控制在1.3 g/cm3左右，土壤含水率在20%左右（質量分數(shù)）。然后，土槽靜置24 h進行正式降雨試驗。每種措施下均進行2次間歇性降雨，使其降雨產(chǎn)流時間為30 min，2場降雨中間間隔24 h。

試驗過程全程使用高清攝像機記錄，并使用高清相機每2 min拍1次坡面，供后續(xù)與實測數(shù)據(jù)進行對比。用鐵絲將坡面分為10個長度為1 m、大小1 m2的測量單元。降雨開始后記錄從降雨到產(chǎn)流所需時間，同時開始計時，產(chǎn)流后每隔1 min分別由一人手持鋼尺對坡面細溝（水流）寬、深、長進行測量，另一人使用濃度為30%的高錳酸鉀溶液對徑流流速進行測量，同時由2人對測得數(shù)據(jù)進行記錄。在徑流出口處用徑流桶收集每分鐘渾水樣，同時用徑流瓶取得每分鐘徑流泥沙樣，采用烘干法得到每分鐘含沙率變化。當出現(xiàn)細溝后，記錄細溝出現(xiàn)時間和斷面位置，并開始測量細溝形態(tài)大小。每場降雨結束后均用三維激光掃描儀對坡面地形進行掃描，使用前需先在所要掃描區(qū)域內放置一定數(shù)量的標靶球，以便后續(xù)通過標靶球來剪切所需區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，并對掃描儀三腳架進行調水平操作。用數(shù)據(jù)線使其一端連接電源，一端連接電腦，打開掃描儀主機開關按鈕，打開電腦端配套操控主機的軟件Trimble FX Controller，使掃描主機回到初始方向位置，并校準是否水平。使用時點擊Trimble FX Controller中Scan并進行一系列參數(shù)調整，主要目的是使其掃描范圍和掃描精度達到要求。

三維激光掃描儀水平旋轉角度為360°，豎直方向旋轉角度為270°，測量精度可調，本試驗所設測量精度為2 mm，即1個面積為2 mm×2 mm的區(qū)域代表1個點云數(shù)據(jù)。1次掃描過程用時8 min左右，降雨前后各進行1次掃描，等待24 h后進行下次降雨試驗。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用三維激光掃描儀獲取坡面點云數(shù)據(jù)，利用Trimble RealWorks對掃描點云數(shù)據(jù)進行裁剪、拼接、建立坐標系等操作。最后輸出shp圖層，利用Arcgis10.2進行坡面DEM數(shù)據(jù)提取和細溝提取等一系列操作。細溝形態(tài)數(shù)據(jù)用直尺測得，與軟件測量結果進行比對矯正后作為最終結果，用origin2018和AutoCAD2021進行繪圖。計算指標如下：

1）細溝寬深比

細溝寬深比是指坡面某斷面處細溝的平均寬度與細溝平均深度之比，該項指標能表征細溝整體縱斷面形狀變化，反映細溝在發(fā)育過程中下切侵蝕與側蝕間的相互關系，計算式為

式中WD指細溝寬深比；W指細溝第處監(jiān)測點的細溝寬度，m；D指第處監(jiān)測點的細溝深度，m。

2）細溝密度

細溝密度是指單位研究區(qū)域內所有細溝的總長度，用來反映坡面細溝密集程度，計算方法如下：

式中是細溝密度，m/m2；0為試驗坡面的表面積，m2；L是第條細溝及其分叉的總長度，m。

3）細溝表面積

通過ArcGIS 10.2提取正負地形，得到溝沿線并進行修正。計算方法如下

=·S（3）

式中為細溝表面積，m2；為溝沿線內的柵格數(shù)量；S為單元柵格面積，柵格大小為5 mm×5 mm。

4）協(xié)同作用計算

首先，以裸坡為對照組，分別計算坡溝治理措施植被、梯田對于細溝侵蝕量、細溝面積和細溝密度的減小效益，假設分別為、，再按照同樣的方法計算協(xié)同措施配置下（植被+梯田）對細溝侵蝕特征參數(shù)的減小效益，假設為，則最終多措施間的協(xié)同作用為

=--（4）

2 結果與分析

2.1 坡面侵蝕對治理措施的響應

2.1.1 坡面微地形變化特征

坡面微地貌變化是反映坡面侵蝕的最直觀表現(xiàn)，能定性判斷不同坡溝治理措施下坡面侵蝕的強弱以及侵蝕部位的動態(tài)變化。植被根莖能極大地減小徑流流速，最大程度上滯留泥沙，控制地貌變化。圖2為不同處理下微地形變化。

注：0～2分別指降雨前和1、2場降雨。

由圖2可知，第1次降雨開始階段，主要以擊濺侵蝕為主，受土壤質地和降雨均勻性影響，在坡面不同部位出現(xiàn)不同程度的擊濺侵蝕，隨著徑流的產(chǎn)生和貫通，徑流逐漸匯合并開始在溝道下部出現(xiàn)下切侵蝕和溯源侵蝕[20]，并在徑流的沖刷下不斷加劇。第1次降雨過后，坡面出現(xiàn)明顯侵蝕，細溝網(wǎng)絡基本形成。裸坡（對照組）下，侵蝕最嚴重，細溝侵蝕面積最大，長度已到達溝道中上部，并在第2次降雨過后，細溝得到進一步的發(fā)展，已基本到達溝道上部，并且侵蝕面積、深度等均有明顯增加。當在上坡面布設治理措施后，細溝侵蝕均得到了一定的調控作用，都表現(xiàn)出了衰減的效果，其中效果最明顯的是梯田+植被組合模式（措施D），對于下坡位草帶（措施B）和上坡位梯田（措施C）兩者的調控作用均較好，且相差不大，效果較差的是上坡位布置草帶（措施A）。

2.1.2 侵蝕產(chǎn)沙率變化特征

圖3為4種不同坡溝治理措施下坡面侵蝕產(chǎn)沙率隨時間的變化情況。

圖3 降雨過程侵蝕侵蝕率變化

總體而言，第1次降雨過程中的侵蝕率均大于第2次降雨過程中的侵蝕率，且第1場降雨過程中侵蝕率最大值達到了3 500 g/min以上，第2場最大值僅為1 100 g/min以上，且第2次降雨各措施下的侵蝕率均為第1次降雨時的1/3～1/2（圖3）。對照組中，相鄰時段侵蝕率變化最大值達到了1 500 g/min左右，而在各類措施的影響下，相鄰時段侵蝕率變化最大值僅為500 g/min左右，第2場降雨過程中相鄰時段侵蝕率變化值更小。表明侵蝕主要發(fā)生在第1場降雨過程中。第1次降雨過程中和第2次降雨過程中的侵蝕率均呈現(xiàn)出逐漸增大，然后趨于平穩(wěn)的趨勢，且在10～25 min內均出現(xiàn)了不同程度的波動，原因在于當降雨達到一定時間后，土壤內部已充滿下滲水，導致土壤較為松散，加之徑流逐漸貫通成股流，并開始出現(xiàn)跌坎和細溝雛形，所以此時土壤極易形成垮塌現(xiàn)象，導致侵蝕率波動較為嚴重。對于不同坡溝治理措施下的侵蝕率變化，整體上呈現(xiàn)出了措施A>措施C>措施B>措施D>對照組的規(guī)律，表明措施D對于坡面侵蝕的調控作用最為顯著，其次是措施B和措施C，較差的措施A，這與前面圖2變現(xiàn)出的效果基本吻合。同時，第2次降雨時的侵蝕率更加平穩(wěn)，原因在于，經(jīng)過第1次降雨過后的土壤表面松散土壤已基本被沖走，且經(jīng)過24 h后，土壤表面出現(xiàn)沉淀、結皮，較為光滑，土壤不易被剝離。且不論第1次降雨還是第2次降雨過程中，布置措施后的侵蝕率變化均比對照組的侵蝕率更為平穩(wěn)，說明坡溝治理措施不僅能調節(jié)坡面侵蝕大小，還能使侵蝕更為平穩(wěn)、可控。

2.1.3 細溝最大長度變化

圖4為不同坡溝治理措施下細溝最大長度發(fā)育特征，作為在細溝發(fā)育過程中最基本的幾何參數(shù)，細溝長度能夠直接反映細溝整體的發(fā)育過程變化情況，基于每隔2 min測得的一次溝長數(shù)據(jù)，總體上可以將細溝溝長變化過程分為發(fā)育階段和穩(wěn)定階段兩部分，由于不同措施的布置，使得細溝溝長整體變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，即對于發(fā)育階段而言，無任何治理措施的對照組的發(fā)育時間最長，且呈現(xiàn)出一定的波動性，當布置措施后，細溝溝長變化開始逐漸穩(wěn)定發(fā)育，并且能夠更快地達到穩(wěn)定階段，達到穩(wěn)定的時間基本呈現(xiàn)出對照組>措施A>措施B>措施C>措施D的規(guī)律。說明坡溝治理措施能較好地減緩細溝溝長發(fā)育時間和細溝溝長發(fā)育強度。并且措施的布置能調控細溝侵蝕出現(xiàn)的時間，由圖還可以看出，下坡位草帶（措施B）的布設使得細溝出現(xiàn)時間大大延后，出現(xiàn)在15 min以后，而措施D的布設更是使細溝首次出現(xiàn)時間推遲了20 min以后，這說明不同坡溝治理措施的布設不僅能對細溝形態(tài)大小和發(fā)育方式進行調控，而且還能控制細溝出現(xiàn)的時間和細溝發(fā)育階段的持續(xù)時間。對于總的細溝長度來看，沒有治理措施的對照組細溝總長度超過200 cm，上坡面布置措施后細溝溝長總長度均得到了不同程度的減小，其中草帶在下坡位（措施B）使得細溝溝長不足60 cm，表明在措施D條件下，細溝溯源侵蝕得到了最大程度的削減。從細溝溝長發(fā)育率來看，表現(xiàn)為措施A（6.55 cm/min）>措施C（5.71 cm/min）>措施B（3.60 cm/min）>措施D（2.69 cm/min）的規(guī)律?？梢?，在細溝溝長發(fā)育階段措施A下的細溝溯源侵蝕較為劇烈，措施D下的細溝溯源侵蝕發(fā)育最慢。同時，措施B和措施D下的細溝溝長發(fā)育階段細溝的增加長度均小于100 cm。

圖4 細溝溝長發(fā)育階段變化

2.2 不同治理措施對細溝形態(tài)發(fā)育的調控作用

2.2.1 細溝寬深比變化

細溝在發(fā)育過程中徑流不斷塑造細溝形態(tài)，同時細溝形態(tài)的變化也會對徑流泥沙的輸移產(chǎn)生一定的影響，兩者在不斷交互作用下發(fā)育變化。對于徑流而言，當溝道過水面積一定時，濕周越小，則阻力越小，越有利于徑流流動[21]，所以，細溝寬深變化對于徑流的流動和侵蝕動力的影響至關重要。研究表明，當溝道下墊面相對穩(wěn)定時，最優(yōu)水力斷面對應的寬深比為0.828[22]，由圖5可以看出，所有試驗條件下的細溝寬深比均呈現(xiàn)出波動下降趨勢，表明細溝在發(fā)育過程中由最初的側蝕為主逐漸轉變?yōu)橐韵虑星治g為主，最后趨于穩(wěn)定。且隨著措施的布置，寬深比變化趨于平穩(wěn)，對照組條件下的寬深比在最初細溝出現(xiàn)時達到了6以上，說明此時的細溝發(fā)育及其不穩(wěn)定?？傮w而言，細溝發(fā)育全過程中寬深比值大小均基本保持對照組>措施B>措施A>措施C>措施D的規(guī)律，表明措施的布置均能使細溝形態(tài)更快趨于最優(yōu)形態(tài)。由于本次共設置2場降雨，且每次降雨均使產(chǎn)流時間持續(xù)30 min，細溝在第1場降雨過后已基本過了發(fā)育期，在第2場降雨中逐漸達到穩(wěn)定，基于水力學原理[23]，當下墊面相對穩(wěn)定時，最優(yōu)水力斷面對應的寬深比為0.828，因此當細溝發(fā)育到一定階段后逐漸趨于穩(wěn)定，細溝縱斷面形態(tài)也基本保持不變，細溝寬深比最后均在最優(yōu)寬深比0.828附近。

圖5 不同措施下細溝寬深比變化

2.2.2 細溝網(wǎng)絡形態(tài)分異特征

采用細溝體積、細溝面積、細溝表面積、細溝密度、細溝侵蝕占比來分析坡面細溝形態(tài)在不同坡溝治理措施下的演變過程。由表1可以看出，不同坡溝治理措施配置下的細溝體積、細溝面積、細溝表面積、細溝密度、細溝侵蝕占比均在第2次降雨過程中得到加強，進一步表明細溝侵蝕在第2次降雨過程中得到了進一步發(fā)育。且對于布置治理措施后的各個參數(shù)變化幅度均明顯減小，如對照組中細溝表面積從2.91 m3增加到了4.10 m3，增加了1.19 m3，而其他場次的增加值在0.01～0.8 m3不等，其他參數(shù)也存在類似規(guī)律，表明坡溝治理措施不僅能在細溝侵蝕總量上起到調控作用，還能使細溝侵蝕過程趨于平穩(wěn)化，這與前面的結論一致。且在細溝侵蝕占比中，呈現(xiàn)出對照組>措施A>措施C>措施B>措施D的規(guī)律，其中，對照組（裸坡）中細溝侵蝕占比達到了73.89%，此結果與Shen等[2]細溝侵蝕量占坡面土壤流失總量的62.2%～84.8%的結果一致。其他參數(shù)的變化基本也遵循這個規(guī)律，表明，措施D對于細溝侵蝕的調控作用最佳，措施A的調控作用在本試驗措施配置中效果最差，措施B和措施C的效果相對較好。

2.3 多措施間對細溝侵蝕調控的協(xié)同作用

針對上坡位梯田（措施C）和下坡位草帶（措施B）以及兩者組合配置（措施D）對細溝侵蝕的協(xié)同作用，分別選取細溝侵蝕量、細溝面積、細溝密度3個指數(shù)來定量估算中部梯田+下部植被同時布設（措施D）下相較于上坡位梯田（措施C）和下坡位植被（措施B）2種不同措施單獨布設的協(xié)同作用。結果顯示（表2），對于3個指數(shù)的協(xié)同作用大小均是正值，表明2種措施同時布設相較于單獨布設時能產(chǎn)生相互促進的效果，能對細溝侵蝕起到很好的調控作用。如表2所示，其中對于細溝面積減少效益所產(chǎn)生的協(xié)同作用最大，達到了13.76%，對于細溝侵蝕量的協(xié)同效益次之，為7.71%，對于細溝密度的協(xié)同效益相較于其他2個參數(shù)而言最小，只有7.52%。分析可知，相較于單措施草帶在下坡位時，在其上部增加同樣面積大小的梯田，上坡位梯田對于徑流泥沙的攔截作用在經(jīng)過下坡位草帶時，其攔截作用得到進一步的加強，從而使在單一措施下本該流走的徑流泥沙被攔截下來，且兩措施間相互影響徑流流速和徑流路徑，使得徑流更加分散，降低流速，從而增加了在梯田部位和草帶位置的下滲量。雙措施同時布設時，其對于徑流泥沙的攔截效果不僅僅是簡單的疊加效果，而是通過改變徑流路徑、增加入滲量、降低徑流流速等作用對流過植被和梯田的徑流進行消減，并且攔截絕大部分上坡面沖刷下來的泥沙，進而對下溝道的細溝侵蝕起到一定的調控作用，發(fā)揮措施間的協(xié)同作用。

圖6 細溝網(wǎng)絡分異特征

表1 2次降雨后細溝形態(tài)參數(shù)

表2 不同措施細溝調控效應

3 討 論

3.1 植被和梯田水土保持調控作用

植被和梯田作為黃土高原丘陵區(qū)最主要的水土保持措施，一直以來都在水土流失治理中發(fā)揮著重要的作用，其通過影響下墊面特征、水沙傳輸路徑等方式，直接或間接作用于坡溝系統(tǒng)的水文過程和泥沙遷移[24]。細溝侵蝕作為坡面侵蝕的主要方式，其侵蝕量可占坡面總侵蝕量的50%～80%[25]，這與本文各措施下細溝侵蝕量占比73.89%、64.54%、63.16%、58.94%結論一致。而植被梯田協(xié)同配置下的細溝侵蝕量占比僅為41.37%，表明多措施協(xié)同配置下能在一定程度上降低細溝侵蝕占比。本文未對坡面坡度、降雨強度，土壤質地等影響細溝侵蝕得因素進行試驗，有待于進一步研究。

3.2 植被和梯田對溝蝕調控的協(xié)同作用

坡改梯作為黃土丘陵區(qū)主要的水土保持治理工程措施，馬勇星等[26]指出水平梯田對流域水土流失治理具有良好效果。胡春宏等[27]基于黃土高原丘陵區(qū)不同時期水平梯田的減水減沙效果，表明梯田修建后流域徑流、泥沙量可減小70%以上，冉大川等[28]研究發(fā)現(xiàn)次降雨量在100 mm時條件良好的梯田在一定降雨時間內可基本實現(xiàn)全部降雨入滲。對于本試驗條件下的植被和梯田措施，其對細溝侵蝕量的減小效益分別為27.12%和15.31%，且在植被和梯田協(xié)同配置下對于細溝侵蝕量、細溝面積、細溝密度的協(xié)同效益分別為7.71%、13.76%、7.52%。由此可見，多措施間存在相互影響，且對于細溝侵蝕的調控具有協(xié)同效應，對于水土保持措施優(yōu)化配置具有一定指導意義。同時，今后研究中也可適當考慮其他措施間的協(xié)同效應，為多措施下的水土保持效應評價做出進一步的補充研究。

3.3 坡面水土保持措施配置

坡溝系統(tǒng)治理措施的科學配置一直以來都受到國內外學者的廣泛關注，對于在坡面布設草帶而言，已有大量研究[29]表明，對相同覆蓋度下草帶不同位置對于坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響均表現(xiàn)出坡下大于坡中大于坡上的結果，這與本試驗結果基本一致。但是對于試驗條件下梯田的布設，前人研究較少，且由于試驗條件下的梯田一般布設位置位于坡面中部[30]，因此，本試驗并沒有設置不同梯田位置變化。對于相同位置下布設草帶與布設梯田之間對細溝侵蝕的調控作用進行比較，結果表明無論是從坡面微地形變化（圖2）、細溝溝長發(fā)育率（圖4）還是細溝形態(tài)分異特征（圖6），梯田（措施C）的水土保持效益要好于草帶（措施A），且當兩措施協(xié)同配置時，其對細溝侵蝕的調控作用均達到最大，說明本研究中上坡位梯田與下坡位草帶之間產(chǎn)生了協(xié)同作用，此研究結果可為今后水土保持措施布設提供參考。今后研究中可進一步從多角度量化多措施對細溝侵蝕和水沙調控作用的協(xié)同機制。

4 結 論

本次室內模擬降雨試驗，定量研究了4種不同坡溝治理措施下（上坡位植被，A；下坡位植被，B；上坡位梯田，C；上坡位植被與下坡位梯田結合，D）的坡面微地形變化、細溝形態(tài)網(wǎng)絡以及多措施間對于細溝侵蝕的協(xié)同作用等，主要結論如下：

1）2次間歇性降雨過后，不同坡溝系統(tǒng)治理措施下坡面均發(fā)生了不同程度的破裂侵蝕，措施A的侵蝕最為嚴重。

2）各坡溝治理措施對于細溝網(wǎng)絡的調控都具有較好的效果，其中，措施D的侵蝕量減少了50.14%，細溝密度減少了41.99%，調控效果最好。

3）本試驗條件下，梯田與草帶之間協(xié)同配置時對細溝侵蝕存在一定程度上的協(xié)同效益，對細溝侵蝕量、細溝面積、細溝密度的協(xié)同效益分別為7.71%、13.76%、7.52%。

4）對于不同措施下的細溝最大溝長發(fā)育率，表現(xiàn)為措施A（6.55 cm/min）>措施C（5.71 cm/min）>措施B（3.60 cm/min）>措施D（2.69 cm/min），表明措施D對細溝發(fā)育過程具有很好的調控作用。

5）整個細溝發(fā)育過程中，各措施下的細溝寬深比均呈現(xiàn)出逐漸減小并趨于穩(wěn)定的趨勢，逐漸降低到水力最優(yōu)斷面寬深比0.828附近，表明細溝形態(tài)斷面趨于穩(wěn)定。

[1] Omidvar E, Hajizadeh Z, Ghasemieh H. Sediment yield, runoff and hydraulic characteristics in straw and rock fragment covers[J]. Soil and Tillage Research, 2019, 194: 104324.

[2] Shen H O, Zheng F L, Wen L L, et al. Impacts of rainfall intensity and slope gradient on rill erosion processes at loessial hillslope[J]. Soil and Tillage Research, 2016,155: 429-436.

[3] Wei X T, Huang Q, Huang S Z, et al. Assessing the feedback relationship between vegetation and soil moisture over the Loess Plateau, China[J]. Ecological Indicators, 2022,134: 108493.

[4] Jiang F S, Huang Y H, Wang M K, et al. Rill erosion processes on a steep colluvial deposit slope under heavy rainfall in flume experiments with artificial rain[J]. Catena, 2018, 169: 46-58.

[5] 史志華，劉前進，張含玉，等. 近十年土壤侵蝕與水土保持研究進展與展望[J]. 土壤學報，2020，57(5)：1117-1127.

Zhihua Shi, Liu Qianjin, Zhang Hanyu, et al. Research progress and prospect of soil erosion and soil and water conservation in the past decade[J]. Journal of Soil Science, 2020, 57(5): 1117-1127. (in Chinese with English abstract)

[6] Chen J, Xiao H, Li Z, et al. How effective are soil and water conservation measures (SWCMs) in reducing soil and water losses in the red soil hilly region of China? A meta-analysis of field plot data[J]. Science of The Total Environment, 2020, 735: 139517.

[7] He J J, Sun LY,Gong H L, et al. Laboratory studies on the influence of rainfall pattern on rill erosion and its runoff and sediment characteristics[J]. Land Degradation & Development, 2017, 28(5): 1615-1625.

[8] Qin C, Zhen F L, Wilson G V, et al. Apportioning contributions of individual rill erosion processes and their interactions on loessial hillslopes[J]. Catena, 2019,181: 104099.

[9] 楊凱，趙軍，趙允格，等. 生物結皮坡面不同降雨歷時的產(chǎn)流特征[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(23)：135-141.

Yang Kai, Zhao Jun, Zhao Yunge, et al. Characteristics of production flow at different rainfall periods on biological crusted slopes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 135-141. (in Chinese with English abstract)

[10] Wu S B, Yu M H, Chen L. Nonmonotonic and spatial-temporal dynamic slope effects on soil erosion during rainfall-runoff processes[J]. Water Resources Research, 2017, 53(2): 1369-1389.

[11] Wei Z L,Sun H Y, Xu H D, et al. The effects of rainfall regimes and rainfall characteristics on peak discharge in a small debris flow-prone catchment[J]. Journal of Mountain Science, 2019, 16(7): 1646-1660.

[12] 王洪德，徐小明，佘冬立，等. 礫石覆蓋對海涂圍墾區(qū)粉砂土坡面土壤可蝕性影響試驗研究[J]. 排灌機械工程學報，2019，37(6)：498-503.

Wang Dehong, Xu Xiaoming, She Dongli, et al. Experimental study on the effect of gravel cover on soil erosion on silty soil slope in sea flat reclamation area[J]. Journal of Drainage and Irrigation Mechanical Engineering, 2019, 37(6): 498-503. (in Chinese with English abstract)

[13] Kouselou M, Hashemi S, Eskandari I, et al. Quantifying soil displacement and tillage erosion rate by different tillage systems in dryland northwestern Iran[J]. Soil Use and Management, 2018, 34(1): 48-59.

[14] 王恒星. 晉西黃土區(qū)不同植被格局坡面侵蝕特征及機理試驗研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學，2021.

Wang Hengxing. Experimental Study On Slope Erosion Characteristics And Mechanism Of Different Vegetation Patterns In The Loess Area Of Western Jinxi[J]. Beijing: Beijing Forestry University, 2021. (in Chinese with English abstract)

[15] Zhang X, Li P, Li Z B, et al. Effects of precipitation and different distributions of grass strips on runoff and sediment in the loess convex hillslope[J]. Catena, 2018,162: 130-140.

[16] Sun W Y, Gao X M, Zhao P, et al. Landscape patches influencing hillslope erosion processes and flow hydrodynamics[J]. Geoderma, 2019,353: 391-400.

[17] Li Z Y, Fang H Y. Impacts of climate change on water erosion: A review[J]. Earth-Science Reviews, 2016, 163: 94-117.

[18] Pan C Z, Ma L. How the spatial distribution of grass contributes to controlling hillslope erosion[J]. Hydrological Processes, 2020, 34(1): 68-81.

[19] 張攀，姚文藝，唐洪武，等. 黃土坡面細溝形態(tài)變化及對侵蝕產(chǎn)沙過程的影響[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(5)：114-119.

Zhang Pan, Yao Wenyi, Tang Hongwu, et al. Morphological changes of fine trenches on loess slopes and their effects on erosion and sediment production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(5): 114-119. (in Chinese with English abstract)

[20] Shen H O, Zheng F L, Wen L L, et al. An experimental study of rill erosion and morphology[J]. Geomorphology, 2015, 231: 193-201.

[21] 張沁，張艾文，曹婷，等. 矩形明渠中水躍躍長經(jīng)驗公式及消能率實驗研究[J]. 科學技術與工程，2019，19(26)： 11-16.

Zhang Qin, Zhang Aiwen, Cao Ting, et al. Empirical formula and energy dissipation rate of water leap in rectangular open channel[J]. Science Technology and Engineering, 2019, 19(26): 11-16. (in Chinese with English abstract)

[22] 馬小玲，張寬地，楊帆，等. 坡面細溝侵蝕斷面形態(tài)發(fā)育影響因素分析及動力特性試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(4)：209-216.

Ma Xiaoling, Zhang Kuandi, Yangfan, et al. Analysis of influencing factors and dynamic characteristics of erosion section of slope fine groove[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 209-216. (in Chinese with English abstract)

[23] 王功. 梯形斷面渠道水力最佳斷面函數(shù)研究[J]. 水科學與工程技術，2022(3)：92-94.

Wang Gong. Study on optimal hydraulic section function of trapezoidal section channel[J]. Water Science and Engineering Technology, 2022(3): 92-94. (in Chinese with English abstract)

[24] Yu Y, Wei W, Chen L D, et al. Quantifying the effects of precipitation, vegetation, and land preparation techniques on runoff and soil erosion in a Loess watershed of China[J]. Science of The Total Environment, 2019. 652: 755-764.

[25] Wirtz S, Seeger M, Ries J B, et al. Field experiments for understanding and quantification of rill erosion processes[J]. Catena, 2012,91: 21-34.

[26] 馬勇星，張棟，潘成忠，等. 梯田對黃土區(qū)降雨徑流過程的影響及SCS-CN模型應用與改進[J]. 農業(yè)工程學報，2022，38(12)：85-91.

Ma Yongxing, Zhang Dong, Pan Chengzhong, et al. Effects of terraces on rainfall runoff process in loess area and application and improvement of SCS-CN model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(12): 85-91. (in Chinese with English abstract)

[27] 胡春宏，張曉明，趙陽，等. 黃河泥沙百年演變特征與近期波動變化成因解析[J]. 水科學進展，2020，31(5)： 725-733.

Hu Chunhong, Zhang Xiaoming, Zhao Yang, et al. Analysis of the centennial evolution characteristics of sediment in the Yellow River and the causes of recent fluctuations[J]. Advances In Water Science, 2020, 31(5): 725-733. (in Chinese with English abstract)

[28] 冉大川. 黃河中游水土保持措施的減水減沙作用研究[J].資源科學，2006(1)： 93-100.

Ran Dachuan. Study on water and sand reduction effect of water and soil conservation measures in the middle reaches of the Yellow River[J]. Resource Science, 2006(1): 93-100. (in Chinese with English abstract)

[29] 閆帥旗，朱冰冰，邊熇，等. 不同覆蓋位置下草地坡面水流路徑長度變化特征[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(3)： 116-123.

Yan Shuaiqi, Zhu Bingbing, Bian Gao, et al. Variation characteristics of the length of the flow path on grassland slope under different coverage positions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(3): 116-123. (in Chinese with English abstract)

[30] 黨維勤，黨恬敏，張泉，等. 關于黃土高原大力建設旱作梯田和創(chuàng)新管理機制的建議[J]. 中國水利，2020(12)： 55-57.

Dang Weiqin, Dang Tianmin, Zhang Quan, et al. Suggestions on the Loess Plateau to vigorously build dryland terraces and innovative management mechanisms[J]. China Wate Conservancy, 2020(12): 55-57. (in Chinese with English abstract)

Effects of the role of vegetation and terraced measures on the rill erosion in slope-gully system

Dong Jingbing1, Shi Peng1※, Li Zhanbin2, Li Peng1, Bai Lulu1, Zhao Zhun1, Song Zhihua1, Zhao Qianzhuo1, Mu Quanpeng1

(1.,,710048,;2.,710048,)

As the basic geomorphological unit of the loess hilly gully area, the slope and gouge system is also the main source area of eroded sediment on the Loess Plateau. As the main measures for slope erosion control, vegetation and terraces play an important role in soil erosion control and ecological restoration, and quantitative assessment of the regulatory effect of forest grass and terraces on slope fine trench erosion, and multi-measure collaborative allocation are of great significance for soil erosion control and ecological protection of the Loess Plateau. Based on the previous research on soil erosion and slope trench erosion, in order to reveal the synergistic regulation effect of vegetation and terraced land pattern and configuration on fine trench erosion in slope and trench system, this paper used artificial simulation rainfall, combined with 3D laser scanning technology, to quantitatively analyze the regulatory effect of different measures on fine trench erosion from the slope surface sand production rate and slope micro-terrain change as a whole, and quantitatively analyze the characteristics of single furrow morphological changes such as the change characteristics of the development process of fine furrow length and the change characteristics of fine furrow width and depth ratio from the single furrow morphology. The development process of fine furrow network was also analyzed, and parameters including but not limited to fine furrow erosion amount, fine furrow area, and fine furrow erosion proportion were quantitatively calculated, and the influence of different slope and ditch treatment measures on the characteristic parameters related to fine furrow erosion was expounded from multiple angles, and finally the synergistic effect of different measures on the erosion amount, area and density of fine trench was quantitatively calculated and analyzed for the synergistic effect between multiple measures. The effects of four slope measures: uphill vegetation (measure A), downhill vegetation (measure B), terraces (measure C), and terraces + vegetation (measure D) on the occurrence and evolution of fine furrow erosion were analyzed. The results showed that: 1) Under the same vegetation coverage, the maximum length of the downhill vegetation furrow was reduced compared with that of the uphill vegetation furrow (including the maximum ditch length of the uphill position reached 238.8 cm and the maximum ditch length in the downslope position reached 142.3 cm); 2) In the first rainfall, the maximum sand yield rate reached more than 3 500 g/min, and the maximum sand yield in the second rainfall was only more than 1 100 g/min. The sand yield rate of the second rainfall was 1/3-1/2 of the sand yield of the first rainfall during each production time; 3) The development rate of fine furrow length under each measure was the highest for measure A (6.55 cm/min), followed by measure C (5.71 cm/min), measure B (3.60 cm/min), and measure D (2.69 cm/min); 4) The simultaneous arrangement of terraces and vegetation (measure D) had a better regulatory effect on fine trench erosion than a single measure (measures B and C), and the terraces and vegetation had a synergistic effect on the erosion amount, area and density of fine trench on the erosion index of fine trench (7.71%, 13.76% and 7.52%, respectively). Based on the above research methods and related conclusions, this study provides a relatively new perspective in the prevention and control of soil erosion in the hilly area of the Loess Plateau, that is, when setting up actual engineering measures, the differences in the influence of the same measures on the erosion of fine ditches at different positions in the slope and ditch system and the impact of multiple measures and the synergistic effect between multiple measures can be properly considered, and the configuration of soil erosion control programs can be continuously optimized to maximize the benefits of each treatment measure. This study can provide a certain scientific reference for the allocation of slope and ditch treatment measures and the erosion control of fine ditches on the Loess Plateau.

erosion; vegetation; rills; slope-gully system; terrace; measure configuration; synergetic effect

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011

S216

A

1002-6819(2022)-20-0096-09

董敬兵，時鵬，李占斌，等. 植被和梯田措施對坡溝系統(tǒng)細溝侵蝕調控作用[J]. 農業(yè)工程學報，2022，38(20)：96-104.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011 http://www.tcsae.org

Dong Jingbing, Shi Peng, Li Zhanbin, et al. Effects of the role of vegetation and terraced measures on the rill erosion in slope-gully system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(20): 96-104. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.20.011 http://www.tcsae.org

2022-06-16

2022-08-10

國家自然科學基金項目（42077073）

董敬兵，博士生，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：dong18772498343@163.com

時鵬，副教授，碩士生導師，研究方向為土壤侵蝕與水土保持。Email：shipeng015@163.com