工程堆積體典型生態(tài)修復(fù)措施對(duì)土壤侵蝕水動(dòng)力過(guò)程的影響

周 濤，蘇正安，劉剛才，王俊杰，劉翊涵,3，伍 佐,4，王麗娟

（1.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國(guó)科學(xué)院山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.四川師范大學(xué)地理與資源科學(xué)學(xué)院，成都 610100； 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院，雅安 625014）

0 引 言

工程堆積體作為生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的副產(chǎn)物，通常也伴隨著一系列的環(huán)境問(wèn)題。生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中難免人為地對(duì)原始巖層和物質(zhì)進(jìn)行擾動(dòng)和重塑，受限于棄土棄渣的臨時(shí)性、量大且難以調(diào)配，工程堆積體常存在生境破壞、非點(diǎn)源污染以及滑坡泥石流等次生災(zāi)害。此外，工程堆積體是中國(guó)現(xiàn)階段水土流失的一個(gè)重要來(lái)源，據(jù)2006－2015年《中國(guó)水土保持公報(bào)》顯示，中國(guó)在“十一五”和“十二五”期間共審批生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持方案多達(dá)26.14萬(wàn)個(gè)，所產(chǎn)生的棄土棄渣量也不低于450億m，生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中每年所產(chǎn)生的水土流失量約為8億t，松散新堆積體的土壤流失量則更大，侵蝕模數(shù)高達(dá)14 000～18 000 t/(km·a)，水土流失的嚴(yán)重程度已不容忽視，且在降雨和徑流沖刷的作用下極易產(chǎn)生劇烈水土流失和堆積體失穩(wěn)等次生災(zāi)害，工程堆積體的生態(tài)修復(fù)刻不容緩。

川西生態(tài)屏障區(qū)生產(chǎn)建設(shè)活動(dòng)中產(chǎn)生的工程堆積體巖土結(jié)構(gòu)、立地條件等均具有明顯的地域性。中國(guó)川西生態(tài)屏障區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，深切河谷縱橫，各類(lèi)淺表生時(shí)效變形現(xiàn)象發(fā)育，區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育和分布著第四紀(jì)松散堆積地層，具有巖層破碎、組分復(fù)雜和結(jié)構(gòu)無(wú)序等特點(diǎn)，易衍生隨機(jī)性、復(fù)發(fā)性和多發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害，據(jù)報(bào)道顯示，在建成蘭鐵路約70%的段落巖體為千枚巖、板巖等軟弱巖層，且在建設(shè)過(guò)程中多處隧道出現(xiàn)了不同程度的軟巖變形破壞現(xiàn)象，尤其是處于成都至川主寺段的松潘隧道、榴桐寨隧道和楊家坪隧道等。西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來(lái)，受地質(zhì)和地形的影響，該區(qū)域生產(chǎn)建設(shè)工程中常涉及隧道開(kāi)挖，隧道開(kāi)挖后形成的大型工程堆積體具有與原生下墊面顯著不同的巖土和生境條件：1）巖土組成中以破碎礫石和巖石為主；2）巖土結(jié)構(gòu)差，養(yǎng)分、水分匱乏，生境惡劣，植被成活率低；3）高陡邊坡（坡度一般在37°左右）導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重，植被難以成活。相關(guān)研究表明，位于川西生態(tài)屏障區(qū)的龍門(mén)山斷裂帶廣泛發(fā)育著糜棱巖和千枚巖等軟弱巖層，巖層具有明顯的破碎帶，且該區(qū)域高速公路、鐵路建設(shè)等的工程形式以隧道為主，產(chǎn)生的棄渣量大且可利用性低，在重力和降雨的作用下易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，調(diào)查顯示，汶馬高速公路汶川至理縣段共有27處厚度達(dá)25 m以上的千枚巖堆積體，在2016年雨季期間共發(fā)生4處滑坡、1處泥石流、13處溜坍。近年來(lái)，川西生態(tài)屏障區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平和公共服務(wù)能力不斷提高，出于該區(qū)域的生態(tài)屏障價(jià)值和建設(shè)安全等方面考慮，工程堆積體的生態(tài)修復(fù)工作具有極大的必要性和迫切性。

工程堆積體的生態(tài)修復(fù)需協(xié)同考慮植被重建、基質(zhì)改良和生境恢復(fù)等，相關(guān)的生態(tài)修復(fù)技術(shù)已頗為廣泛和成熟。工程堆積體的生態(tài)修復(fù)理論可追溯到恢復(fù)生態(tài)學(xué)，認(rèn)為恢復(fù)是破壞過(guò)程的逆向演替，可通過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的自然演替或人工誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究表明，礫石為主的工程堆積體自然恢復(fù)的時(shí)間大約需要100～1 000年，適當(dāng)?shù)娜藶檎T導(dǎo)和支持對(duì)工程堆積體生態(tài)恢復(fù)極為重要。目前關(guān)于工程堆積體的生態(tài)修復(fù)方法主要涉及生境改良（客土覆蓋，土壤改良，生態(tài)工程材料的應(yīng)用）和植被選擇（鄉(xiāng)土植物、耐受植物）兩方面。Li等對(duì)煤矸石堆積體的生態(tài)恢復(fù)研究發(fā)現(xiàn)，歷經(jīng)9年的生態(tài)修復(fù)期后，不同先鋒植物群落的生長(zhǎng)發(fā)育可在不同程度上顯著改善堆積體表層土壤（0～10 cm）的質(zhì)量，增加土壤持水能力和土壤肥力；Zheng等研發(fā)了一種新型改良劑：聚丙烯酰胺-磁鐵礦（PAM-MAG），并通過(guò)人工降雨模擬試驗(yàn)測(cè)試其在礦區(qū)堆積體生態(tài)修復(fù)中的作用，結(jié)果表明在土壤中施加5.985 g/m的PAM-MAG后，徑流的土壤累積損失量降低90.8%，徑流濁度降低79.9%。目前關(guān)于工程堆積體的生態(tài)修復(fù)實(shí)際應(yīng)用技術(shù)均建立在長(zhǎng)期生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的基礎(chǔ)上，且關(guān)于工程堆積體的生態(tài)修復(fù)時(shí)限和質(zhì)量并沒(méi)有嚴(yán)格規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，而新生工程堆積體初期水土流失防治及短期快速的生態(tài)修復(fù)也非常重要，關(guān)于此方面的研究則鮮有報(bào)道。

綜上，本研究選取成蘭鐵路中鐵五局楊家坪隧道2號(hào)橫洞渣場(chǎng)為研究對(duì)象，選擇鄉(xiāng)土植物、羊糞和PVAc等進(jìn)行典型生態(tài)修復(fù)措施的構(gòu)建，采用徑流小區(qū)原位放水沖刷模擬試驗(yàn)，測(cè)定其坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，分析不同修復(fù)措施、不同材料的水土保持作用差異，以查明工程堆積體的水沙變化特征，篩選工程堆積體快速生態(tài)修復(fù)的適宜措施，以期為西南山區(qū)工程堆積體的生態(tài)修復(fù)提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣土門(mén)鎮(zhèn)（31°45′20.15′′ N，104°2′27.50′′ E，海拔1 223 m），屬涪江流域，氣候類(lèi)型為溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫11～13.7 ℃，全年降雨量703～800 mm，土壤類(lèi)型以山地黃壤為主。研究區(qū)地處青藏高原與四川盆地的過(guò)渡地帶，構(gòu)造單元屬龍門(mén)山構(gòu)造斷裂帶，具有“四極三高”的特點(diǎn)（即地形切割極為強(qiáng)烈、構(gòu)造條件極為復(fù)雜活躍、巖性條件極為軟弱破碎、汶川地震效應(yīng)極為顯著；高地殼應(yīng)力、高地震烈度和高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)），圍巖巖性以綠泥石千枚巖為主，具有弱風(fēng)化、片理極其發(fā)育等特點(diǎn)，巖質(zhì)較軟且破碎，圍巖穩(wěn)定性較差，是青藏高原、長(zhǎng)江上游地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱的高山峽谷區(qū)的典型代表。富順渣場(chǎng)系成蘭鐵路中鐵五局楊家坪隧道2號(hào)橫洞渣場(chǎng)，楊家坪隧道于2012年12月開(kāi)始施工，并按規(guī)劃就近堆置棄渣，堆置方式主要為溝道傾倒堆積，區(qū)域內(nèi)工程堆積體上的植被類(lèi)型以灌草為主，附帶少量的喬木，優(yōu)勢(shì)物種包括刺槐（）、枹櫟（）、大籽蒿（）、千里光（）、燕麥（）、苜蓿（）等。

1.2 研究方法

工程堆積體生態(tài)修復(fù)模擬試驗(yàn)于成蘭鐵路中鐵五局楊家坪隧道2號(hào)橫洞渣場(chǎng)進(jìn)行，堆積體主要由隧道修建所產(chǎn)生的碎石渣組成，試驗(yàn)平臺(tái)選擇原位渣場(chǎng)邊坡，坡度為20°左右。2019年4月，將試驗(yàn)平臺(tái)劃分為13個(gè)徑流小區(qū)，每個(gè)小區(qū)規(guī)格相同：長(zhǎng)×寬（斜面長(zhǎng)度）8 m×2 m，坡度20°，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)部進(jìn)行均勻的人工覆土，覆土厚度為40 cm，且靜置待土層自然壓實(shí)。通過(guò)前期植被調(diào)查，選擇該區(qū)域具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和水土保持價(jià)值的優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土植物：紫苜蓿（）、燕麥（）、刺槐（），以及經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且無(wú)環(huán)境危害的土壤改良材料：羊糞、PVAc（聚醋酸乙烯酯，Polyvinyl Acetate）作為該區(qū)域工程堆積體生態(tài)修復(fù)的主要材料。將不同生態(tài)修復(fù)材料進(jìn)行混合搭配以配置草本措施、喬草措施以及復(fù)合措施共12種處理，并設(shè)計(jì)裸地措施作為空白對(duì)照處理，具體措施配置情況如表1所示。通過(guò)當(dāng)?shù)卣{(diào)查和研究考證，確定不同材料的具體布設(shè)方法：刺槐的布設(shè)采用苗木移栽法，在徑流小區(qū)坡面上以2 m為間隔進(jìn)行等間距種植，每個(gè)徑流小區(qū)坡面共4棵；紫苜蓿和燕麥的布設(shè)采用播種法，以40 g/m為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行均勻播撒；PVAc的布設(shè)采用液施法，將濃度為2%的PVAc溶液以1 L/m為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行均勻噴灑；羊糞的布設(shè)按5 kg/m進(jìn)行均勻鋪設(shè)。措施布設(shè)后，靜待植被1～2 a的生長(zhǎng)期后，通過(guò)放水沖刷試驗(yàn)探究不同生態(tài)修復(fù)措施的水土保持效果。

表1 工程堆積體徑流小區(qū)生態(tài)修復(fù)措施 Table 1 Ecological restoration measures in different runoff plots on engineering accumulation

2020年10月，通過(guò)放水沖刷試驗(yàn)探究不同措施的生態(tài)修復(fù)效果，流量設(shè)定為60 L/min，單次試驗(yàn)從坡面產(chǎn)生連續(xù)徑流開(kāi)始共持續(xù)60 min。試驗(yàn)開(kāi)始前，將水流通過(guò)流量計(jì)以均勻流量通入小區(qū)上部穩(wěn)流池內(nèi)，使水流以均勻穩(wěn)定的流量和流態(tài)進(jìn)入小區(qū)，保證試驗(yàn)的進(jìn)行。于坡面徑流到達(dá)徑流小區(qū)下部出水口時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中每隔10 min于坡面由上至下0～2、2～4、4～6、6～8 m處重復(fù)3次測(cè)定坡面徑流水動(dòng)力參數(shù)（徑流深、徑流寬、徑流流速等）。坡面產(chǎn)沙特征的測(cè)定通過(guò)在徑流小區(qū)底部的集流池中收集徑流泥沙混合樣進(jìn)行，試驗(yàn)前10 min內(nèi)，分別于第1，3，5，7，10 min時(shí)進(jìn)行徑流泥沙混合樣的采集，10 min后，每隔5 min采集一次徑流泥沙混合樣，單次試驗(yàn)共計(jì)15個(gè)樣品。徑流流速測(cè)定采用顏料示蹤法；徑流深和徑流寬的測(cè)定采用直尺直接量測(cè)法；泥沙樣品測(cè)定采用烘干法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)放水沖刷模擬試驗(yàn)所測(cè)得的各個(gè)斷面的徑流參數(shù)（徑流深、徑流寬和流速等），計(jì)算徑流的各個(gè)水動(dòng)力參數(shù)，以表征不同植被措施和生態(tài)材料措施對(duì)堆積體坡面徑流過(guò)程的影響程度。雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、阻尼系數(shù)、徑流功率的計(jì)算式如下：

式中為徑流雷諾數(shù)；為徑流的平均流速，m/s；為水力半徑，m；為水的粘滯系數(shù)，cm/s，=0.017 75/ (1+0.033 7+0.000 221)，為水溫，℃；為重力加速度，m/s；為弗勞德數(shù)；為徑流Darcy-Weisbach阻力系數(shù)；為水力能坡，取坡面坡度的正弦值或正切值；為徑流功率，N/(m·s)；為水的容重，kg/m。

采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（方差齊性采用LSD法，方差不齊采用Tamhane’s T2法）、多因素方差分析（主效應(yīng)、交互效應(yīng)）等進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)；不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis的非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析通過(guò)SPSS 20.0軟件進(jìn)行，圖表繪制通過(guò)Origin 2017軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理坡面徑流含沙量的時(shí)間變化特征

各處理的坡面產(chǎn)沙過(guò)程基本均表現(xiàn)為隨沖刷時(shí)間的增加，徑流含沙量先呈波動(dòng)減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但各處理徑流含沙量在沖刷歷時(shí)中的波動(dòng)特征差異性較大（圖1）。CK處理中，徑流含沙量的波動(dòng)性主要集中于前20 min內(nèi)，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，由73.16 g/L急劇增加到579.36 g/L，再波動(dòng)降低至5.46 g/L；20 min后，坡面徑流含沙量呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量為15.57 g/L。相較于CK處理，草本措施處理下坡面徑流含沙量基本均呈現(xiàn)出先波動(dòng)減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，且M、MM和A處理均可顯著降低徑流含沙量（圖2a）。其中，種植紫苜蓿的小區(qū)在沖刷初始階段，徑流含沙量呈現(xiàn)出波動(dòng)減小的趨勢(shì)，30 min后，徑流含沙量呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢(shì)，MM、MP和M處理穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量分別為4.51、9.84、1.09 g/L，相較于CK處理，徑流含沙量降低71.01%、36.77%、93.02%；而種植燕麥的小區(qū)在初始階段呈現(xiàn)出減小-波動(dòng)增加-減小的趨勢(shì)，45 min后，徑流含沙量呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢(shì)，AM、AP和A處理穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量分別為4.37、2.55、2.07 g/L，相較于CK處理，徑流含沙量降低71.95%、83.64%、86.72%。此外，種植燕麥小區(qū)的徑流含沙量在放水沖刷過(guò)程中的波動(dòng)性小于種植紫苜蓿小區(qū)。喬草措施中，RMP和RAM處理的坡面徑流含沙量在沖刷前30 min內(nèi)呈現(xiàn)出波動(dòng)變化趨勢(shì)，30 min后則呈現(xiàn)出穩(wěn)定趨勢(shì)，而其他處理的坡面徑流含沙量則在沖刷過(guò)程中始終保持相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理穩(wěn)定狀態(tài)的平均徑流含沙量分別為9.84、15.93、6.91、6.28、7.06、6.39 g/L。相較于CK處理，僅RM、RAP和RA處理可顯著降低徑流含沙量。

圖1 不同處理坡面的徑流產(chǎn)沙過(guò)程 Fig.1 Temporal variations of soil sediment concentrations in different treatments

2.2 不同處理坡面徑流水動(dòng)力參數(shù)的時(shí)間變化特征

雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)是水力學(xué)中判定水流流態(tài)的重要參數(shù)，不同水流流態(tài)的區(qū)分主要依據(jù)臨界雷諾數(shù)和臨界弗勞德數(shù)。根據(jù)明渠水流理論，水流可分為層流（＜500）、紊流（＞500）、緩流（＜1）和急流（＞1）等。不同處理中水力半徑和流速的關(guān)系表示在圖3的log-log關(guān)系圖中，此外，通過(guò)繪制=500和=1兩條函數(shù)進(jìn)行水流流態(tài)的四區(qū)分區(qū)。由圖2b和圖3可知，雖然部分處理的在沖刷過(guò)程中具有顯著差異性，但各處理坡面徑流流態(tài)均處于紊流區(qū)，表明工程堆積體在陡坡條件下，坡面徑流均以紊流的形式存在。此外，各處理坡面徑流在沖刷歷時(shí)中不同程度地分布于緩流區(qū)和急流區(qū)。CK處理中，坡面徑流在沖刷歷時(shí)過(guò)程中均處于急流區(qū)，處于1.08～2.17之間；草本措施處理的坡面徑流在12.50%～66.67%的情況下處于緩流狀態(tài)，MM、MP、M、AM、AP、A處理的坡面徑流平均值分別為1.18、1.25、0.85、1.10、1.02和1.26，相較于CK處理，各處理坡面徑流平均分別降低了22.66%、17.61%、43.76%、27.88%、32.95%和16.88%；而喬草處理的坡面徑流在0～37.50%的情況下處于緩流狀態(tài)，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理的坡面徑流平均值分別為1.05、1.26、1.39、1.47、1.49和1.49，相較于CK處理，各處理坡面徑流平均分別降低了30.79%、17.07%、8.41%、3.02%、1.72%和1.96%。此外，由圖2c和表2可知，植被措施對(duì)降低坡面徑流弗勞德數(shù)具有較大的顯著效應(yīng)，其中草本的效用可達(dá)到0.16，喬木的效用可達(dá)到0.15。

表2 不同措施類(lèi)別作用效應(yīng)分析 Table 2 MANOVA of different factors

圖2 不同處理坡面徑流含沙量、水動(dòng)力參數(shù)的差異性分析 Fig.2 Analysis on soil sediment concentrations and hydrodynamic parameters in different treatments

圖3 不同處理坡面的徑流流態(tài) Fig.3 Flow regime zones of the slope flows in different treatments

徑流流速可直接影響坡面的土壤侵蝕過(guò)程，其變化特征與細(xì)溝的發(fā)育過(guò)程息息相關(guān)。本研究中，不同措施之間坡面徑流流速隨沖刷時(shí)間的增加均呈現(xiàn)出波動(dòng)增加—趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但試驗(yàn)過(guò)程中徑流流速的增幅較?。▓D4），且不同修復(fù)措施對(duì)坡面徑流過(guò)程的影響不顯著。CK處理中，坡面徑流流速在沖刷過(guò)程中由0.48 m/s增加至0.56 m/s，平均徑流流速為0.52 m/s。相較于CK處理，各處理均能在沖刷過(guò)程中不同程度地降低徑流流速，同時(shí)M、AM、AP、A、RMM和RMP處理與CK處理具有顯著性差異（圖2d）。草本措施中，MM、MP、M、AM、AP、A處理在沖刷過(guò)程中的坡面徑流平均流速分別為0.43、0.44、0.29、0.40、0.36、0.35 m/s，相較于CK處理，坡面平均徑流流速分別降低了17.42%、15.02%、43.63%、23.46%、31.36%、32.01%；喬草措施中，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理在沖刷過(guò)程中的坡面徑流平均流速分別為0.35、0.41、0.43、0.49、0.45、0.50 m/s，相較于CK處理，坡面平均徑流流速分別降低了32.08%、20.54%、16.83%、6.05%、14.21%、3.21%。此外，由多因素方差分析可知，除工程材料主效應(yīng)，不同措施類(lèi)別的主效應(yīng)及其交互效應(yīng)均可顯著影響坡面徑流流速（≤0.01），其中草本措施的效用最大，效用量可達(dá)0.22。

圖4 不同處理坡面徑流流速隨沖刷時(shí)間的變化 Fig.4 Temporal variations of flow velocity in different treatments

坡面侵蝕過(guò)程中，由于水土界面的摩擦作用和徑流內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的無(wú)序運(yùn)動(dòng)等均會(huì)對(duì)徑流的運(yùn)移產(chǎn)生阻礙作用，從而直接影響徑流流速、運(yùn)移路徑和有效侵蝕力等。與徑流流速相反，各處理坡面徑流阻力系數(shù)在沖刷過(guò)程呈現(xiàn)出減小—趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但試驗(yàn)過(guò)程中徑流阻力系數(shù)的變化幅度較?。▓D5）。CK處理中，坡面徑流阻力系數(shù)在沖刷過(guò)程中由1.65減小至1.32，平均徑流阻力系數(shù)為1.44。相較于CK，各處理均能在試驗(yàn)過(guò)程中不同程度地增加徑流阻力系數(shù)，同時(shí)M、AM、AP和RMM處理與CK處理具有顯著性差異（圖2e）。草本措施中，MM、MP、M、AM、AP、A處理在沖刷過(guò)程中的坡面徑流平均阻力系數(shù)分別為2.64、2.18、5.14、2.72、2.89、1.94，為CK處理的1.84、1.52、3.58、1.89、2.01、1.35倍。喬草措施中，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理在沖刷過(guò)程中的坡面徑流平均阻力系數(shù)分別為3.00、2.12、1.92、1.46、1.78、1.46，分別為CK處理的2.09、1.48、1.34、1.02、1.24、1.02倍。由多因素方差分析可知，草本、喬木、草×工程材料、喬×工程材料和草×喬×工程材料均可顯著影響坡面徑流阻力系數(shù)（≤0.01），其中草本措施的效用最大，效用量可達(dá)0.16。

圖5 不同處理坡面徑流阻力系數(shù)隨沖刷時(shí)間的變化 Fig.5 Temporal variations of resistance coefficient in different treatments

徑流功率從能量的角度表征了坡面徑流運(yùn)移過(guò)程中所具有的能量大小，徑流功率越大，徑流的土壤侵蝕能力越強(qiáng)，挾沙能力越強(qiáng)。與徑流流速類(lèi)似，各處理的徑流功率在坡面沖刷過(guò)程中同樣呈現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，但試驗(yàn)過(guò)程中徑流功率的增幅較?。▓D6）。CK處理中，坡面徑流功率在沖刷過(guò)程中由2.03增加到2.54 N/(m·s)，平均徑流功率為2.26 N/(m·s)。相較于CK處理，各處理均能在沖刷過(guò)程中不同程度地降低徑流功率，同時(shí)M、AP、A、RMM、RMP、RM和RAP處理與CK處理具有顯著性差異（圖2f）。草本措施中，MM、MP、M、AM、AP、A處理在沖刷過(guò)程中的坡面徑流平均徑流功率分別為2.12、1.74、1.28、1.96、1.67、1.09 N/(m·s)，相較于CK處理，分別降低了6.10%、9.20%、43.11%、13.36%、25.86%、51.90%。喬草措施中，RMM、RMP、RM、RAM、RAP、RA處理在沖刷過(guò)程中的坡面徑流平均徑流功率分別為1.49、1.66、1.57、2.00、1.49、2.13 N/(m·s)，相較于CK處理，分別降低了34.02%、26.27%、30.35%、11.58%、33.94%、5.80%。由多因素方差分析可知，草本、工程材料、草×喬、草×工程材料和喬×工程材料均可顯著影響坡面徑流功率（≤0.01），其中草本措施的效用最大，效用量可達(dá)0.25。

圖6 不同處理坡面徑流功率隨沖刷時(shí)間的變化 Fig.6 Temporal variations of flow power in different treatments

3 討 論

3.1 徑流含沙量和徑流水動(dòng)力參數(shù)的時(shí)間變化規(guī)律

植被類(lèi)型、格局等可通過(guò)改變徑流和泥沙輸移路徑的連通度從而影響坡面的侵蝕過(guò)程。本研究發(fā)現(xiàn)，工程堆積體陡坡上植被的存在可明顯改變坡面的徑流產(chǎn)沙過(guò)程，且作用效果主要分布在坡面侵蝕初期。本研究中，CK對(duì)照處理的坡面徑流含沙量隨徑流沖刷的延續(xù)呈現(xiàn)出先急劇增加后減小再趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而植被措施處理基本均呈現(xiàn)出先波動(dòng)減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。徑流沖刷初期，由于工程堆積體坡度較陡，裸露坡面上松散的土壤顆粒在徑流沖刷過(guò)程中極易被搬運(yùn)流失；而植被作為徑流、泥沙等物質(zhì)的“匯”景觀深度影響著坡面的產(chǎn)沙輸沙過(guò)程，從而減少坡面徑流的含沙量。李建明等的研究表明，植被的存在改變了坡面的粗糙度，可對(duì)泥沙進(jìn)行有效地?cái)r蓄，同時(shí)被植被攔蓄的泥沙會(huì)在攔蓄-潰決的過(guò)程中造成徑流含沙量跳躍性增加或減少，致使產(chǎn)沙過(guò)程中的多峰多谷現(xiàn)象。

不同生態(tài)修復(fù)措施下，工程堆積體坡面各水動(dòng)力參數(shù)的過(guò)程特征均呈現(xiàn)為前期波動(dòng)變化，后期趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。坡面徑流沖刷初期，工程堆積體坡面侵蝕逐漸進(jìn)入細(xì)溝侵蝕階段，徑流基本沿著侵蝕溝道向下運(yùn)移，徑流深度增加，徑流量相對(duì)增加，從而徑流流速和徑流功率增加、徑流阻力系數(shù)減??；隨徑流沖刷的持續(xù)，土體逐漸飽和而達(dá)到穩(wěn)定入滲率，各水動(dòng)力參數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，不同于前人研究，本研究中植被對(duì)工程堆積體坡面的徑流過(guò)程特征沒(méi)有顯著的影響，各處理之間坡面徑流的水動(dòng)力特征均呈現(xiàn)相似的時(shí)間變化趨勢(shì)。李建明等通過(guò)人工降雨試驗(yàn)探究不同植被類(lèi)型對(duì)堆積體坡面水動(dòng)力特征的影響，結(jié)果表明植被的存在可顯著降低產(chǎn)流歷時(shí)中徑流流速、阻力系數(shù)、徑流功率等水動(dòng)力參數(shù)的變化幅度，并改變其變化特征。而本研究中不同處理之間坡面徑流流速、徑流功率和徑流阻力系數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)則沒(méi)有顯著差異，可能與堆積體坡面坡度較陡、土壤滲透性較高有關(guān)。徑流在向下運(yùn)移過(guò)程中其自身重力沿坡面上的分力較大，致使徑流向下運(yùn)動(dòng)的慣性增大，一定程度上減弱了植被對(duì)徑流的分散作用，從而難以發(fā)揮植被對(duì)坡面徑流過(guò)程的影響；山地黃壤具有粗骨性、滲透性較高，粘聚力較弱等特點(diǎn)，致使其在坡面初始產(chǎn)流后很快就達(dá)到了相對(duì)飽和的狀態(tài)，后續(xù)沖刷過(guò)程中，坡面產(chǎn)流量基本維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，植被對(duì)徑流過(guò)程特征的影響不大。

3.2 植被措施對(duì)工程堆積體坡面侵蝕特征的影響

植被措施在工程堆積體坡面上的水土保持效果主要表現(xiàn)為植被本身的減流減沙效益、根土復(fù)合體協(xié)同抗蝕作用、以及間接改良土壤環(huán)境提高土壤的抗蝕能力等。本研究中發(fā)現(xiàn)，植被的存在可顯著降低工程堆積體的徑流含沙量、徑流流速、徑流功率，增加徑流阻力系數(shù)，并促進(jìn)坡面徑流由急流向緩流轉(zhuǎn)變（圖2、表2）。一方面，植被可以通過(guò)其在坡面上的空間結(jié)構(gòu)、分布及排列等格局特征直接影響土壤侵蝕過(guò)程，可直接改變了坡面的水文連通性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)徑流的分流和攔截，是坡面水土流失泥沙匯集的重要因素，并且植被所攔截的泥沙一定程度上改變了坡面微地形，對(duì)徑流運(yùn)移產(chǎn)生相應(yīng)的阻力從而增加徑流阻力系數(shù)，減小徑流流速和徑流功率；另一方面，根土復(fù)合體的存在可顯著增加土體的抗沖能力，從而增大徑流運(yùn)移阻力；再者，土壤中縱橫交錯(cuò)的根系可顯著增加土壤的孔隙度進(jìn)而增加土壤入滲能力，起到減流的作用。王倫江等的研究認(rèn)為，植被的各組織器官在不同的侵蝕階段對(duì)徑流水動(dòng)力特征的影響不同：面蝕階段，坡面徑流水動(dòng)力特征的變化主要?dú)w因于草本莖稈間距，且徑流阻力系數(shù)隨間距的增加而減小；細(xì)溝侵蝕階段，徑流基本均在溝道內(nèi)運(yùn)移，此時(shí)的徑流水動(dòng)力特征的變化主要?dú)w因于細(xì)溝內(nèi)根系的出露分布情況。

雖然M、AP、A、RMM、RAP等措施可不同程度上發(fā)揮出顯著的水土保持效果，但措施之間并無(wú)顯著的差異性。研究結(jié)果表明，相較于草本處理，喬草措施并未發(fā)揮出更大的減流減沙優(yōu)勢(shì)，此現(xiàn)象可能與兩類(lèi)措施中草本層生長(zhǎng)狀況的差異、不同物種之間物候期的差異等因素有關(guān)。本研究中，草本措施和喬草措施草本層的生長(zhǎng)狀況具有明顯差異，表現(xiàn)為草本措施小區(qū)中的草本層生長(zhǎng)狀況優(yōu)于喬草措施小區(qū)中的草本層生長(zhǎng)狀況，主要?dú)w因于喬草措施小區(qū)中植被生長(zhǎng)過(guò)程中存在的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，高大的刺槐在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)汲取更多的光照條件和養(yǎng)分條件等，從而對(duì)草本層的生長(zhǎng)產(chǎn)生相對(duì)不利的影響。在短時(shí)期內(nèi)，植被對(duì)坡面徑流水文狀態(tài)的影響主要通過(guò)近地表植被層來(lái)實(shí)現(xiàn)，即草本層發(fā)揮著主要作用。楊春霞等通過(guò)對(duì)植被建設(shè)初期不同植被類(lèi)型坡面的水土流失差異進(jìn)行研究，結(jié)果表明相較于農(nóng)地和灌木林地，草地的減流減沙效益最明顯，可延緩坡面上跌坎和細(xì)溝的形成。不可否認(rèn)地，刺槐在減少土壤侵蝕和改變坡面水文條件方面同樣具有不可忽略的作用，但刺槐的土壤的改良作用是隨其生長(zhǎng)年限的增加逐漸體現(xiàn)出來(lái)的，短期的生態(tài)修復(fù)中，刺槐的生態(tài)修復(fù)效益難以較好的發(fā)揮，且喬木對(duì)土壤侵蝕的控制作用很大程度上與冠幅的截留消能作用有關(guān)，但本研究所采用的放水沖刷試驗(yàn)無(wú)法考慮到此部分作用，仍需后續(xù)更深入的補(bǔ)充、研究和探索。

3.3 羊糞和PVAc對(duì)工程堆積體坡面侵蝕特征的影響

一般情況下，有機(jī)肥和PVAc等土壤改良劑均可促進(jìn)土壤顆粒的團(tuán)聚而增加土壤的抗蝕能力。Liu等通過(guò)在沙土上噴灑3 L/m不同濃度的聚醋酸乙烯酯乳液（PVIN）探究其固沙抗蝕能力，結(jié)果表明當(dāng)PVIN濃度在5%時(shí)就足以起到固沙效果。Gholami等研究表明在土壤中施加0.3 kg/m的有機(jī)肥可有效降低土壤濺蝕、徑流含沙量并延長(zhǎng)產(chǎn)流時(shí)間，此外，在不同降雨強(qiáng)度下有機(jī)肥的水土保持效果不同。不同于前人研究，本研究中增加羊糞和PVAc的施用，并不能在降低坡面產(chǎn)沙、改善坡面水動(dòng)力條件上產(chǎn)生顯著的增效作用，分析其原因，可能由于因羊糞和PVAc而形成的團(tuán)聚體在水的浸泡下發(fā)生崩解而不能提高土壤抗蝕強(qiáng)度有關(guān)。本研究中生態(tài)修復(fù)持續(xù)的時(shí)間較短，有機(jī)肥的腐化率較低，因有機(jī)肥而產(chǎn)生的團(tuán)聚體含量也偏低，此外，通過(guò)調(diào)查，本研究區(qū)山地黃壤的土壤粘聚力低、入滲能力強(qiáng)，在水流沖擊下易分散，因此，在徑流的作用下，因羊糞和PVAc而形成的團(tuán)聚體極易發(fā)生崩解，其減流減沙效益不能得到有效體現(xiàn)。

4 結(jié) 論

1）試驗(yàn)條件下，工程堆積體坡面的水沙特征呈現(xiàn)出不同的時(shí)間變化趨勢(shì)。隨沖刷歷時(shí)的延續(xù)，對(duì)照處理的坡面徑流含沙量呈現(xiàn)出急劇增加-減小-穩(wěn)定的趨勢(shì)，而其他處理則基本均呈現(xiàn)出波動(dòng)減小-穩(wěn)定的趨勢(shì)；各處理的坡面徑流流態(tài)始終處于紊流狀態(tài)，徑流流速和徑流功率均呈現(xiàn)出緩慢增加—趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，徑流阻力系數(shù)則呈現(xiàn)出緩慢降低—趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）植被措施可顯著降低工程堆積體坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙。相較于對(duì)照處理，黃壤+紫苜蓿+羊糞、黃壤+紫苜蓿（M）、黃壤+燕麥（A）、黃壤+刺槐+紫苜蓿、黃壤+刺槐+燕麥+保土劑和黃壤+刺槐+燕麥處理均能顯著降低坡面徑流含沙量，且放水沖刷試驗(yàn)初始階段，各生態(tài)修復(fù)措施的減沙效果最顯著。此外，M、A、黃壤+燕麥+保土劑和黃壤+刺槐+紫苜蓿+羊糞處理基本均可顯著改善徑流流型、降低徑流流速和徑流功率、增加徑流阻力系數(shù)。

3）相較于對(duì)照處理，黃壤+紫苜蓿、黃壤+燕麥、黃壤+燕麥+保土劑和黃壤+刺槐+紫苜蓿+羊糞等處理雖然均可顯著減少工程堆積體的水土流失，但措施之間基本沒(méi)有顯著的差異性，表明短期生態(tài)修復(fù)條件下，喬木、羊糞和PVAc等的添加并未在工程堆積體水土保持方面發(fā)揮有效的增效作用。

4）在工程堆積體生態(tài)修復(fù)初期，本研究區(qū)宜采用黃壤+紫苜?；螯S壤+燕麥的修復(fù)措施。