草帶寬度對紫色土坡面細溝形態(tài)及水土流失特征的影響

甘鳳玲，茍俊菲，劉春紅，唐小九，王迦南

(1.重慶師范大學地理與旅游學院，重慶 401331；2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室，重慶 401331)

草帶可通過物理、生物、化學等作用將坡面徑流泥沙攔截、吸收和過濾，具有減緩徑流流速、減少地表坡面水土流失量和增加土壤抗侵蝕能力的功效。長江上游紫色土丘陵區(qū)，土壤長期遭受高頻率的暴雨以及人類活動的破壞，土壤退化十分嚴重，建立草帶是保護和提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的有效措施之一。因此，深化草帶調(diào)控地表坡面水土流失的研究，對揭示草帶減流減沙的機理，準確提出適宜的草帶優(yōu)化配置具有重要的科學和現(xiàn)實意義。

草帶種植成本低，成活率高，水土保持效果較好，是農(nóng)耕實踐中能得以廣泛推廣的水土保持措施之一。草帶生長十分密集，并且交錯覆蓋在地表坡面上，在減流減沙方面發(fā)揮著十分重要的作用，主要體現(xiàn)在：(1)徑流通過草帶的攔截，徑流流速變緩，水流沖刷力和挾沙能力減弱；(2)隨著水流沖刷力的下降，坡面泥沙在草帶上沉積，削減了地表徑流中的懸浮顆粒；(3)草帶增加了地表粗糙率和徑流下滲量，而地表徑流量隨之減少。此外，草帶對地表坡面減流減沙效益主要受降雨強度、草帶空間分布、草帶寬度、坡度等因素的影響。針對草帶調(diào)控坡面土壤侵蝕的研究，國內(nèi)外學者已取得不少成果。如張霞等研究不同位置的草帶布設(shè)對地表坡面泥沙攔截效果發(fā)現(xiàn)，位于坡面中下部的草帶水土保持功效顯著高于坡面中上部分，坡面地表產(chǎn)沙量與草帶位置指標參數(shù)呈冪函數(shù)相關(guān)；陳旭飛等通過人工模擬降雨試驗，研究不同降雨強度、坡度和寬度條件下香根草過濾帶減沙減流率，結(jié)果表明，雨強對徑流泥沙攔截量貢獻最大，其次為帶寬，最后為坡度；Wanyama等研究不同草帶長度(2.5，5，10 m)對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響發(fā)現(xiàn)，草帶越長，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙越少，減流減沙效益越高。

綜上可知，草帶寬度與草帶的減流減沙密切相關(guān)。被草帶攔截過后的徑流泥沙在坡面重新匯集形成細溝，隨著徑流的不斷匯集，從而加速細溝的發(fā)育。這三者之間相互作用，關(guān)系極其復雜，已有不少學者針對細溝形態(tài)發(fā)育與土壤侵蝕之間的關(guān)系做了不少研究，并取得豐碩的成果。然而大多數(shù)研究主要集中在某一特定土壤的細溝形態(tài)發(fā)育，較少研究草帶寬度對坡面細溝形態(tài)參數(shù)的影響，即草帶寬度對坡面細溝形態(tài)參數(shù)與土壤侵蝕之間關(guān)系的影響尚不明確，解決該問題不僅有利于建立紫色土土壤侵蝕模型，還可以促進指導當?shù)仄赂貙嵤┻m宜的水土保持措施，因此亟需在紫色土上開展關(guān)于草帶寬度對細溝形態(tài)參數(shù)及其與土壤侵蝕關(guān)系的影響研究。為此，本研究選取紫色土常見的四季青草帶為研究對象，進行室內(nèi)模擬放水沖刷試驗，根據(jù)紫色土常見的草帶寬度設(shè)置3種寬度(50，75，100 cm)，在3種放水沖刷流量下(4，6，8 L/min)進行試驗，通過測定地表徑流流速、細溝溝寬、溝深、溝長、產(chǎn)流率及產(chǎn)沙率等指標，對比分析不同草帶寬度和放水流量下細溝形態(tài)特征參數(shù)和產(chǎn)流產(chǎn)沙的差異，探討草帶寬度對坡面細溝形成和土壤侵蝕的影響，為紫色土的水土流失治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗土壤采自重慶師范大學氣象園試驗站(106°18′10.5″E，29°36′46.2″N)，該區(qū)屬中亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，四季分明，日照偏少，年日照率25%～35%，年均氣溫16～18 ℃，年均降水量1 000～1 350 mm，降雨多集中在5—9月，年均相對濕度70%～80%，平均霧日為104天。該區(qū)紫色土是紫色砂、頁、泥巖風化物，土壤pH高于7.5，屬微堿性，有機質(zhì)含量較低，磷、鉀等礦質(zhì)元素豐富，土質(zhì)肥沃，結(jié)構(gòu)良好，但其發(fā)育較淺，保水保土能力較弱。在夏季經(jīng)常發(fā)生短歷時強暴雨，極易發(fā)生水土流失，其中坡耕地土壤水土流失量占整體水土流失量的60%以上。

1.2 試驗材料

本試驗于2021年3—7月進行，在研究區(qū)域內(nèi)挖掘原狀土成散土，然后搬至陰涼地方自然風干，風干過后去除土壤中的石塊、草根等雜物，隨后研磨10 mm過篩。供試土壤類型為粉(砂)壤土，其顆粒組成為砂粒16.98%，粉粒72.83%，黏粒10.19%，土壤容重1.31 g/cm，有機質(zhì)含量10.69 g/kg。經(jīng)野外調(diào)查可知，四季青為多年生植被，不受試驗時間的影響，耐淹，是常見的用于保水保土的多年生草本植物，因此本試驗草帶選擇四季青作為研究對象。根據(jù)試驗需要，提前在土槽中種植符合要求的四季青草帶，試驗前1個月在裸坡上播種，播種量為1.21 g/m，根系長約為6 cm，長勢較好。

試驗裝置包括放水沖刷裝置和鋼制土槽2個部分(圖1)。其中，土槽為鋼制的可移動鋼槽，規(guī)格為6.0 m(長)×1.2 m(寬)×0.4 m(深)，且坡度在0～25°范圍內(nèi)可調(diào)，土槽底端設(shè)置集流槽，以便收集徑流泥沙樣。本試驗將土槽中間用PVC隔板隔開，即實際試驗坡面寬度為0.6 m。放水沖刷裝置由蓄水桶和穩(wěn)流槽2部分組成。供水桶直徑約為0.7 m，高為1.0 m。穩(wěn)流槽位于土槽前20 cm，并在其下方鋪設(shè)透水紗布，保證試驗過程徑流可以均勻平穩(wěn)溢出。

圖1 試驗裝置示意

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用雙因素試驗設(shè)計，經(jīng)野外調(diào)查重慶市沙坪壩區(qū)紫色土坡耕地坡度，外加考慮到室內(nèi)試驗土槽坡面狀況和可操作性等因素，本試驗所選坡度為15°。結(jié)合研究區(qū)平均降雨量和暴雨量，并對室內(nèi)放水沖刷的單寬流量進行標定，設(shè)定放水沖刷流量為4，6，8 L/min。根據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)土槽坡面的實際情況，設(shè)定草帶寬度為50，75，100 cm，并設(shè)計1個無草帶的坡面(裸坡)為對照組。每個試驗設(shè)計3個重復，共計36場次。

試驗初期，在土槽底部鋪設(shè)透水紗布，確保水分均勻下滲。試驗土壤分3層，每層10 cm進行夯實，確保土壤容重在1.31 g/cm左右，并用水壺對土壤進行均勻噴水，保證土壤初始含水量相同((20±2.0)%)，土層厚度為30 cm，上層10 cm是草帶生長部分，可使草帶與坡面緊密連接。在試驗前1周，將草帶移至土槽自然生長?？紤]到不同草帶寬度條件下的細溝侵蝕階段時間不一致，結(jié)合前期預試驗，本試驗設(shè)計為坡面出現(xiàn)細溝和有產(chǎn)流產(chǎn)沙開始，前6 min每隔1 min進行收集徑流泥沙樣，后10 min每隔2 min進行收集，沖刷歷時設(shè)置為16 min。當場測定徑流量，然后將采集桶靜置24 h后將上清液倒掉，并將采集桶中的泥沙樣在105 ℃進行烘干，隨后測量產(chǎn)沙量。本研究主要測量草帶下方坡面所形成的侵蝕溝形態(tài)特征，產(chǎn)流產(chǎn)沙結(jié)束之后，在草帶下部所形成的侵蝕溝的溝頭、溝尾、最大值、最小值、坡長每隔1 m處測定細溝寬度和深度，并量取整個侵蝕溝長。試驗結(jié)束后，更換表層10 cm的土壤，重新壓實打磨，并填裝草帶，隔下周將土壤含水率達到設(shè)定值后開始下一場試驗。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

細溝寬深比()指細溝寬度和對應溝深的比值，可以反映細溝產(chǎn)生的形態(tài)變化，計算式為：

(1)

式中：為第個監(jiān)測點的細溝溝寬(cm)；為第個監(jiān)測點的細溝深度(cm)。

草帶減沙效益()是評價草帶對坡面產(chǎn)沙的減蝕效果，計算式為：

(2)

式中：為裸坡累計產(chǎn)沙量(g)；為有草帶攔截后的產(chǎn)沙量(g)。

細溝土壤侵蝕速率()指細溝在放水沖刷作用下單位面積、單位時間的產(chǎn)沙量，計算公式為：

(3)

式中：為累計產(chǎn)沙量(kg)；為細溝溝寬(cm)；為細溝溝長(cm)；為沖刷時間(min)。

本研究采用決定系數(shù)()、納什效率系數(shù)()和均方根誤差(RMSE)來評價擬合方程的有效性，篩選最佳決定因素，其計算公式為：

(4)

(5)

(6)

數(shù)據(jù)分析與制圖通過Excel 2010和SPSS 19.0軟件來完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 草帶寬度對細溝形態(tài)特征的影響

細溝形態(tài)特征基本參數(shù)(細溝長度、寬度、深度、寬深比等)在一定程度上可以反映坡面土壤的侵蝕程度。從圖2可以看出，不同草帶寬度條件下，細溝寬度在距草帶下部坡頂距離的0.5～2.0 m處為最大值，隨著距坡頂距離越大，溝寬呈逐漸減小的趨勢。在中小放水沖刷流量下，溝寬的變化趨勢較為穩(wěn)定，即在距坡頂距離0.5～2.0 m處迅速減小并波動趨于穩(wěn)定，在坡下部分溝寬值最??；但在流量較大條件下(8 L/min)，溝寬波動程度相對較大，即先波動變化后迅速下降在距坡頂距離的2～3.5 m達到最小值后又波動變大，在坡中部溝寬最小；而溝深相對于溝寬變化更為復雜，在坡長上的變化更為波動。在流量較小時(4，6 L/min)，大部分溝深沿坡面呈先迅速減小后波動減小的趨勢，其在距坡頂距離3 m處溝深最?。辉诹髁枯^大時(8 L/min)，除草帶寬為50 cm的變化趨勢不同外，溝深均表現(xiàn)為先增大后減小再增大的趨勢，同樣在距坡頂距離3～3.5 m處為最小值，由此可知，坡頂上部是細溝溝深最大的階段。

圖2 不同草帶寬度條件下細溝溝深和溝寬隨坡長的變化

由圖3可知，細溝的平均溝寬、溝深、溝長和寬深比均隨著流量的增加而增加，放水沖刷流量從4 L/min增至8 L/min時，不同草帶寬度下的細溝平均溝寬、溝深、溝長和寬深比分別增加89.69%～127.51%，50.81%～71.65%，-78.01%～21.75%和-6.13%～32.54%，其中8 L/min條件下的平均溝寬、溝深、溝長和寬深比較4 L/min條件下分別增大0.83，0.61，0.08，0.13倍。由此可知，在大流量條件下，溝寬和溝深的增加幅度遠高于溝長，說明在有草帶的條件下，溝寬和溝深更容易受放水流量的影響。隨著流量的增大，侵蝕細溝在放水沖刷作用下拓寬程度比下切程度更為明顯，細溝更容易橫向發(fā)展，說明草帶能夠進一步阻止侵蝕溝向底層發(fā)展的趨勢。

圖3 不同流量和草帶寬度條件下細溝溝長和寬深比變化特征

通過對比不同草帶寬度條件下細溝形態(tài)特征基本參數(shù)值可知，當放水流量為4 L/min時，100 cm草帶寬度下所產(chǎn)生的平均溝寬、溝長和溝寬深比明顯小于50，75 cm的草帶寬度條件下的溝寬、溝長和溝寬深比，即分別為50，75 cm草帶寬度條件下平均溝寬、溝長和溝寬深比的0.78，0.77倍、0.80，0.69倍和0.98，0.74倍，說明在小流量條件下，100 cm草帶寬度能夠有效阻止細溝發(fā)育程度。而當放水流量為8 L/min，不同草帶寬度條件下的溝寬深比均無顯著差異，75 cm草帶寬度下所產(chǎn)生的平均細溝寬度和細溝深度最小，細溝溝長最大，其次為100，50 cm的草帶寬度，最后才是0 cm的草帶寬度(裸坡)。相比于100 cm的草帶寬度，75 cm草帶寬度下的平均溝寬和溝深分別降低18.91%和18.22%，說明在極端降雨條件下，75 cm的草帶寬度比100 cm的草帶寬度更能夠阻止細溝發(fā)育，其細溝整體表現(xiàn)為縱向發(fā)育。

2.2 草帶寬度對坡面產(chǎn)流特征的影響

由圖4可知，隨著沖刷時間的延長，產(chǎn)流率呈現(xiàn)先迅速增加后緩慢增加并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在流量較低時(4 L/min)，不同草帶寬度條件下的產(chǎn)流率變化均比較平緩，呈緩慢增加的趨勢。產(chǎn)流率隨著不同草帶寬度的變化為0 cm>50 cm>75 cm>100 cm，75，100 cm的草帶寬度產(chǎn)流率顯著低于0，50 cm的草帶寬度。在流量中等時(6 L/min)，產(chǎn)流率在沖刷時間0～5 min內(nèi)迅速增加，然后逐漸平穩(wěn)或緩慢增加。75 cm草帶寬度的產(chǎn)流率顯著低于其他組別草帶寬度的產(chǎn)流率。當流量為8 L/min時，不同組別的穩(wěn)定產(chǎn)流率差異較小，均在7 L/min上下波動，說明沖刷流量越大，草帶寬度對產(chǎn)流率的變化影響逐漸減小。比較不同沖刷流量下產(chǎn)流率的增長變化可知，裸坡的平均產(chǎn)流率為2.15 L/min，隨著沖刷流量的增加，其產(chǎn)流平均增長率為57.67%和206.98%。50，75，100 cm草帶寬度在低沖刷流量下的平均產(chǎn)流率為1.99，1.31，1.11 L/min，在高流量條件下其平均產(chǎn)流率分別增加201.33%，280.09%和452.29%。

圖4 不同流量和草帶寬度條件下產(chǎn)流率變化過程

整體而言，裸坡在不同放水沖刷流量下平均產(chǎn)流率最大，有草帶的坡面在沖刷流量較小時，100 cm草帶寬度的減流效果較大，隨著沖刷流量的增大，75 cm草帶寬度減流效果最大，說明草帶寬度對坡面的減流效益隨著放水流量的變化有所改變。

表1 細溝產(chǎn)流參數(shù)與放水流量、草帶寬度及其交互項相關(guān)性分析

2.3 草帶寬度對坡面產(chǎn)沙特征的影響

不同草帶寬度和放水流量條件下的產(chǎn)沙率變化特征均有所不同(圖5)。隨著放水沖刷時間的增加，產(chǎn)沙率的變化過程主要呈現(xiàn)出逐漸增加和先增加并逐漸趨于穩(wěn)定型。在沖刷流量較低時(4 L/min)，產(chǎn)沙率均隨著沖刷時間的延長而逐漸增加，整體的變化趨勢基本一致。在中高沖刷流量條件下，除裸坡的產(chǎn)流率呈現(xiàn)出先增加后逐漸減小的趨勢，有草帶坡面的產(chǎn)流率均表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢。不同沖刷流量條件下，裸坡和有草帶坡面的產(chǎn)沙率差異較大，且裸坡產(chǎn)沙率均高于有草帶坡面的產(chǎn)沙率。

圖5 不同流量和草帶寬度條件下產(chǎn)沙率變化過程

雖然坡面產(chǎn)沙率隨著沖刷流量的增加而增加，但不同草帶寬度對產(chǎn)沙率特征的響應程度也有所不同(表2)。主要表現(xiàn)為：(1)各草帶寬度下的平均產(chǎn)沙率變化范圍為123.79～1 665.94 g/min，其中無草帶寬度(裸坡)放水流量最大時，產(chǎn)沙率最大；在草帶寬度為75 cm放水流量最小時，產(chǎn)沙率最小，減小92.57%；(2)隨著草帶寬度和放水流量的增加，產(chǎn)沙率最大值出現(xiàn)的時間逐漸提前，且放水流量越大，產(chǎn)沙率最大值也越大，其變化范圍為233.29～2 134.59 g/min；(3)有草帶寬度的泥沙攔截率變化范圍1.78%～58.11%，其中75 cm的草帶寬度在各個放水流量下均為最大值，分別是50，100 cm草帶寬度的2.26，1.29倍；(4)各處理下的變異系數(shù)變化范圍為0.27～0.70，均小于1，屬于中等變異程度，其中100 cm草帶寬度放水流量最小時變異系數(shù)最大，流量小的變異系數(shù)高于流量大的變異系數(shù)。

表2 不同草帶寬度和放水流量下細溝產(chǎn)沙率基本特征

整體而言，各處理下平均產(chǎn)沙率隨著放水流量的增大而增大，而隨著草帶寬度的增加呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。75 cm草帶寬度在放水流量為4 L/min時產(chǎn)沙率最小，其減沙效益最大，為58.11%，是100，50 cm草帶寬度條件下減沙效益的1.01～32.59倍?？梢?，在本試驗條件下，75 cm草帶寬度減沙效益最大，產(chǎn)沙率和最大產(chǎn)沙率最小。

2.4 草帶寬度條件下細溝形態(tài)特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙關(guān)系

由表3可知，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙率、土壤侵蝕速率與溝寬、溝深呈極顯著相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均高于0.718，說明溝寬和溝深是表征坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的最佳細溝形態(tài)特征指標，能夠較好地反映坡面土壤侵蝕程度。其中平均溝長和寬深比與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系不顯著，是因為平均溝長基本在3.38～4.86 m，平均寬深比為1.23～2.14，數(shù)值的變化程度并不明顯。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙率、土壤侵蝕速率與溝寬、溝深的回歸分析結(jié)果(表4)表明，溝寬對累計產(chǎn)沙量最敏感(=0.774，<0.01，=1.000)，函數(shù)符合預報精度要求。

表3 細溝形態(tài)與土壤侵蝕參數(shù)相關(guān)性分析

表4 細溝形態(tài)參數(shù)與土壤侵蝕的函數(shù)關(guān)系

有草帶的細溝形態(tài)特征與其產(chǎn)流產(chǎn)沙相互作用，兩者之間的關(guān)系較為復雜，僅1個指標無法說明其預報的土壤侵蝕率，需要進行多因素的綜合分析。因此，為了確定有草帶攔截條件下細溝形態(tài)對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的綜合影響，對土壤侵蝕率與溝寬、溝深進行回歸分析，結(jié)果見公式(1)。

=0.485+4.275-7.785=0.839

RMSE=3.828，NES=0.941

根據(jù)多普勒譜可以得到信道的最大多普勒頻移，進一步能計算出平均多普勒頻移和多普勒擴展。平均多普勒頻移描述了信號的頻率偏移程度，定義為多普勒功率譜的一階原點矩。多普勒擴展描述了信號的頻率擴展程度，定義為多普勒功率譜密度的二階中心距。

(1)

公式(1)中可得出溝寬的系數(shù)4.275高于溝深系數(shù)0.485，由此可判斷溝寬對土壤侵蝕率的影響高于溝深。對比綜合化的方程可知，新方程的擬合程度更高，預測效果良好。進一步分析草帶寬度對減沙效益的關(guān)系可知，減沙效益與草帶寬度、溝深呈極顯著相關(guān)關(guān)系，表明減沙效益主要受草帶寬度與溝深的影響，比較相關(guān)系數(shù)可知，草帶寬度與減沙效益的關(guān)系更為顯著。

3 討 論

西南地區(qū)氣候濕潤，其降雨多為短歷時、高強度暴雨型，在強降雨季節(jié)下，坡面蓄滿產(chǎn)流，產(chǎn)生的地表徑流對坡面進行沖刷形成細溝侵蝕，水土流失嚴重，土壤退化加劇；而草帶具有減緩徑流速度和減少泥沙遷移的作用，能夠在徑流沖刷下發(fā)揮攔截徑流泥沙的作用。因此，本文通過室內(nèi)徑流沖刷試驗，從產(chǎn)生的細溝形態(tài)參數(shù)入手，探討分析草帶寬度對坡面細溝侵蝕過程的影響，以期為治理紫色土水土流失的最優(yōu)草帶寬度提供參考依據(jù)。

3.1 細溝形態(tài)特征變化

不同草帶寬度條件下所形成細溝的溝寬、溝深和溝長均隨著流量的增大而增大，這與崔志強等研究植被措施下的細溝發(fā)育特征結(jié)果相一致。同時，本文還發(fā)現(xiàn)，在較小放水流量條件下(4，6 L/min)，100 cm的草帶寬度產(chǎn)生的溝寬和溝長最小，但溝深卻比75 cm的草帶寬度大，在放水流量大的條件下(8 L/min)則發(fā)生變化，75 cm的草帶寬度下溝寬和溝深最小，但溝長比100 cm的草帶寬度長，說明75 cm的草帶寬度的坡面相對于100 cm的草帶寬度更容易形成細溝，但是100 cm的草帶寬度的細溝一旦形成，其徑流沖刷下的細溝發(fā)展比75 cm的草帶寬度的坡面更大，這可能是由不同草帶寬度對細溝形態(tài)特征參數(shù)的阻控作用不同所引起，即徑流在不同草帶寬度上發(fā)生水流分散匯集的方式不同。75 cm的草帶寬度能夠均勻分散徑流的沖刷能力，在小流量條件下，通過草帶均勻分散的徑流在坡面容易形成寬淺的細溝；而對于100 cm的草帶寬度，由于草帶過寬，水流在草帶上先均勻分散后又形成支流并變成集中流，在小流量條件下，通過草帶形成的集中流主要發(fā)生縱向細溝，隨著流量的增大，水流沖刷力變大，徑流下切深度和寬度隨之增大，細溝主要的發(fā)育形態(tài)是窄深式，所以在放水沖刷流量較大條件下，100 cm草帶寬度的細溝尺寸大于75 cm的草帶寬度。

細溝寬深比在不同草帶寬度條件下隨著放水沖刷流量的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。整體而言，無草帶的細溝發(fā)育的寬深比明顯低于有草帶的細溝，表明裸坡形成的細溝發(fā)育為“窄深式”，而有草帶的坡面因草帶可以分散草帶上部的徑流，使徑流寬變大，流速減緩，徑流挾沙能力變?nèi)?，則有草帶攔截的坡面所形成的細溝發(fā)展為“寬淺式”。

3.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征變化

探討草帶對坡面細溝產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響變化對評價草帶在水土保持上的利用是否合理具有重要參考依據(jù)。本試驗結(jié)果表明，坡面上的草帶減少了整個沖刷過程的累計產(chǎn)流產(chǎn)沙量，相對無草帶的坡面，減水、減沙分別最大減少48.41%和58.11%。說明草帶對減流減沙具有顯著影響，主要是因為有草帶的坡面，草帶增加坡面的粗糙率，降低放水沖刷能力并減緩徑流流速，從而降低徑流搬運泥沙的能力，從而減少坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，而無草帶的坡面水土流失量最高。由此可知，在坡面種植草帶具有較好的水土保持效益，且草帶在攔截徑流的同時削弱徑流的挾沙能力，能夠提高土壤的生產(chǎn)力。

草帶寬度是影響草帶攔截徑流泥沙的關(guān)鍵因素之一。本研究表明，當草帶寬度為50 cm時，草帶減流減沙效益最高分別可達43.24%和58.11%，而當草帶寬度為100 cm時，草帶減沙效益均低于75 cm的草帶寬度。說明在本試驗中，75 cm草帶的減流減沙效益較好，當草帶寬度為50 cm時，上方徑流經(jīng)過草帶時被均勻分散，流速顯著降低，草帶調(diào)節(jié)徑流泥沙作用逐漸加強，進而土壤侵蝕強度降低，產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著降低；當草帶寬度為100 cm時，草帶過寬，將上方徑流所攜帶的泥沙過濾充分，水流變得清澈，導致徑流通過草帶后挾沙能力變大，并且徑流在草帶上匯集形成集中流增大徑流對草帶下方的剝蝕率，因此繼續(xù)增加草帶寬度并不能再次顯著降低產(chǎn)流產(chǎn)沙量。此外，本研究指出，細溝寬、溝深與土壤侵蝕率之間存在顯著相關(guān)關(guān)系，徑流在經(jīng)過草帶后，其產(chǎn)生的細溝對產(chǎn)流產(chǎn)沙有著重要的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

綜上，針對不同寬度的草帶攔截徑流泥沙率的差異，在防控坡耕地坡面水土保持治理措施方面，不僅要考慮當?shù)亟涤陮ν寥狼治g的影響，還要考慮草帶寬度設(shè)計的合理性，本研究結(jié)果主要為紫色土坡面水土保持措施的草帶設(shè)計優(yōu)化提供理論與數(shù)據(jù)支撐。而坡度、氣候、坡向和植被類型等因素對草帶措施攔截徑流泥沙的影響還需要進一步完善；同時，本試驗為室內(nèi)試驗，存在一定的局限性，今后研究需將加入室外人工降雨措施，以期使研究結(jié)果更加科學合理。

4 結(jié) 論

(1)細溝溝寬、溝深、溝長和寬深比均隨著流量的增加而增加，在小流量條件下，100 cm草帶寬度下所產(chǎn)生的平均溝寬、溝長和溝寬深比最小，而在大流量條件下，75 cm草帶寬度下的溝寬和溝深最小，說明在極端降雨條件下，75 cm的草帶寬度比100 cm的草帶寬度更能夠阻止細溝發(fā)育，其細溝整體表現(xiàn)為縱向發(fā)育。

(2)草帶寬度可有效降低整個坡面的水土流失量。相對于無草帶的坡面，50，75，100 cm草帶寬度下的產(chǎn)流率分別減少3.52%～48.41%，產(chǎn)沙率分別減少1.78%～58.11%，而75 cm草帶寬度的減沙效益最大，是其他草帶寬度條件下減沙效益的1.01～32.59倍。此外，有草帶攔截坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙率、土壤侵蝕速率與溝寬、溝深呈極顯著相關(guān)關(guān)系。

(3)與溝深相比，草帶寬度和溝寬是表征坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的最佳特征指標，能夠較好地反映坡面土壤侵蝕程度。

本研究證實，草帶能有效減流減沙，對紫色土坡耕地的水土流失具有較好的防治效果。