降雨條件下灌草配置方式對褐土坡面徑流泥沙特征的影響

沈子雅， 程金花， 趙 溦， 管 凝， 曾合州， 秦建淼， 趙夢圓

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.國家林業(yè)局水土保持與荒漠化防治重點實驗室，北京 100083；3.交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

水土流失已經(jīng)嚴重影響到我國生態(tài)安全、防洪安全、糧食安全和飲水安全。我國華北土石山區(qū)以褐土為主，土層薄且透水性差，在降雨過后極易產(chǎn)生水土流失，生態(tài)環(huán)境惡化后難以恢復(fù)，已成為我國土壤侵蝕較為嚴重的區(qū)域。植被在治理水土流失中起到了重要的作用，植被冠層能有效減流減沙，植被也能通過下墊面改變微地形從而影響徑流泥沙。草灌植被具有良好的水土保持功能，朱永杰等研究表明，90%蓋度的狗牙根草地能夠有效削減降雨徑流；也有研究表明，苜蓿和黑麥草草本覆蓋在黃土高原地區(qū)可以減緩坡面徑流、降低坡面產(chǎn)沙。草本植物能直接地保護地表土壤免受侵害。王青杵等研究發(fā)現(xiàn)，檸條、沙棘等灌木能有效控制水土流失，也有學(xué)者對灌木的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行研究。

已有研究表明，植被覆蓋度與徑流率、侵蝕率呈現(xiàn)極顯著相關(guān)關(guān)系。羅婭等研究發(fā)現(xiàn)，植被蓋度對徑流泥沙變化的影響比降雨強度更為明顯。同時，植被空間配置方式也是影響坡面徑流泥沙因素之一，植被種植在坡面不同空間位置上，會使土壤侵蝕強度發(fā)生變化。但多數(shù)學(xué)者只對單一因素進行討論，并未明確植被覆蓋度與植被空間配置方式交互作用下坡面徑流泥沙的響應(yīng)。且由于草本與灌木的植被基本屬性不同，目前單獨對草本或灌木的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙研究相對較多，而對于灌草組合形式下的研究并不常見。由于多層結(jié)構(gòu)植被群落減少侵蝕強于單層植被，定量研究灌草組合形式下的坡面徑流泥沙特征十分必要。

基于此，本研究通過進行室內(nèi)模擬降雨試驗，在不同雨強、不同坡度條件下，分析不同灌草配置方式，即灌草覆蓋度與灌草空間配置方式交互作用對褐土坡面徑流泥沙特征的影響，分析不同灌草配置坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及特征，評估減流減沙效益，以揭示北京褐土區(qū)坡面水土流失過程及土壤侵蝕作用機理，為褐土區(qū)水土保持措施布設(shè)提供理論參考與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

模擬降雨試驗供試土壤取自北京市海淀區(qū)鷲峰國家森林公園(40°03′37.2″N，116°04′32.8″E)，海拔50～1 100 m，降水多集中在夏季，多年平均降水量630 mm。土壤類型為石灰性褐土，土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤容重為1.3 g/cm，坡面坡度為5°～25°。公園內(nèi)有灌木胡枝子(Turcz.)、山葡萄(Rupr.)等，常見的草本有紫花苜蓿(L.)、求米草((Arduino) Beauv.)等。研究區(qū)內(nèi)植物主要為人工林，灌木與草本錯落分布。本次模擬降雨試驗在北京交通運輸部公路科學(xué)研究院降雨智能化模擬大廳內(nèi)進行，降雨大廳采用下噴式降雨系統(tǒng)和降雨廢水處理系統(tǒng)相結(jié)合，下噴式降雨區(qū)有效降雨高度8 m，可實現(xiàn)降雨雨強0.2～3.0 mm/min的連續(xù)變化過程。試驗坡面系統(tǒng)采用可調(diào)節(jié)坡度的鋼制土槽，土槽規(guī)格為3.0 m×0.75 m×0.5 m。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2021年8—9月進行，根據(jù)鷲峰森林公園多年氣象資料記錄的實際降雨情況，設(shè)計小雨強(30 mm/h)、中雨強(60 mm/h)、大雨強(90 mm/h) 3個降雨強度，降雨時長為30 min。根據(jù)對研究區(qū)坡度調(diào)查，以10°坡度作為試驗坡度。選取胡枝子作為試驗灌木，紫花苜蓿作為試驗草本，并根據(jù)灌草在坡面分布的差異性，設(shè)置不同灌草配置方式，其中灌草配置方式包括灌木與草本在不同覆蓋度及空間配置方式下的交互作用。根據(jù)胡枝子和紫花苜蓿覆蓋度的不同配比(1∶2,2∶1,1∶1)設(shè)置不同灌草覆蓋度，以及在灌木種植于不同坡位[坡上(US)、坡中(MS)、坡下(LS)]設(shè)置不同灌草空間配置，同時設(shè)置裸坡作為對照，具體灌草配置方式見圖1。

圖1 灌草配置方式示意

1.2.2 試驗步驟 土槽裝填前，將運回土壤自然風(fēng)干并過直徑為10 mm的篩孔，除去植物根系和石塊等雜物。采取分層填土、分層壓實方法進行填土，填土高度為40 cm，每10 cm為1層，設(shè)置土壤容重為1.3 g/cm。底部10 cm鋪上天然細沙，鋪1層透水紗布后，上填30 cm過篩土壤。每層填土后將表層土壤進行粗糙度處理。提前進行草本撒種以及灌木移植，并在試驗前進行多次澆水以保證植被存活率。

每次降雨前測定土壤含水量，保證試驗前土壤含水量基本一致，且保證坡面不產(chǎn)流。開始降雨后，記錄開始產(chǎn)流時間。開始產(chǎn)流后前10 min每1 min進行采樣，后面每2 min進行采樣，采用全部收集法。開始產(chǎn)流30 min后停止降雨。收集后靜置24 h，測定產(chǎn)流量，用烘干法測定產(chǎn)沙量。為了確保試驗精確性，對每次降雨試驗重復(fù)2次。

減沙率、減流率計算公式為：

(1)

(2)

式中：BRS為減沙率(%)；為裸坡的產(chǎn)沙總量(g)；為灌草配置下的產(chǎn)沙總量(g)；BRR為減流率(%)；為裸坡的產(chǎn)流總量(mL)；為灌草配置下的產(chǎn)流總量(mL)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2017軟件進行整合計算，采用SPSS 25.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并用Origin 2021軟件進行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌草配置方式下褐土坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

由圖2可知，不同灌草配置方式坡面的產(chǎn)流過程有著基本相同的變化趨勢，即在降雨初始階段，產(chǎn)流產(chǎn)沙量大幅度增加，隨后增加趨勢逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定。隨著降雨強度增大，產(chǎn)流越快趨于平穩(wěn)狀態(tài)。灌草配置方式為Ⅱ-LS的產(chǎn)流量明顯低于其他灌草配置方式，而灌草配置方式為Ⅲ-US的產(chǎn)流量高于其他配置方式。當降雨強度為30 mm/h時，Ⅱ-LS穩(wěn)定產(chǎn)流量在600 mL，Ⅲ-US穩(wěn)定產(chǎn)流量在1 300 mL，約為Ⅱ-LS的2.1倍。降雨強度為60，90 mm/h時，Ⅲ-US穩(wěn)定產(chǎn)流量在1 800，2 400 mL，分別為Ⅱ-LS穩(wěn)定產(chǎn)流量的1.8，1.7倍。這說明在小雨強下，坡面流速相對較小，徑流在坡面上的時間更長，使得徑流入滲作用加強，導(dǎo)致坡面產(chǎn)流量隨灌草配置方式的不同而變化，而在大雨強下，這種作用卻有所減弱。在降雨強度相同的條件下，隨著灌草空間配置從坡上到坡下，穩(wěn)定產(chǎn)流量呈減小趨勢，不同灌草空間配置產(chǎn)流量大小表現(xiàn)為US>MS>LS，且灌草配置方式為LS的坡面更快達到穩(wěn)定產(chǎn)流。不同灌草覆蓋度產(chǎn)流量在相同降雨條件下大小均表現(xiàn)為Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，灌草覆蓋度越大，產(chǎn)流量越小。

圖2 不同灌草配置方式下坡面產(chǎn)流過程

由圖3可知，不同灌草配置方式的產(chǎn)沙過程趨勢與產(chǎn)流過程相似，即在降雨初期產(chǎn)沙量快速增加，后平穩(wěn)小幅度增加，坡面產(chǎn)沙量明顯受灌草配置方式影響。隨著雨強增大，坡面產(chǎn)沙量越多。灌草空間配置為LS的產(chǎn)沙量明顯低于其他空間配置產(chǎn)沙量，且產(chǎn)沙量增加幅度不高，產(chǎn)沙過程較為穩(wěn)定。而灌草空間配置為US的產(chǎn)沙量最多，且在降雨初期產(chǎn)沙量增加幅度更大，達到平穩(wěn)產(chǎn)沙量所需降雨時間更長。在灌草空間配置及降雨強度相同時，隨著植被覆蓋度增大，坡面產(chǎn)沙量減小，且灌木削減坡面產(chǎn)沙的效果比草本更佳，其產(chǎn)沙量大小規(guī)律為Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ。其中Ⅱ-LS的產(chǎn)沙量最低，在30，60，90 mm/h雨強下，降雨后期Ⅱ-LS平穩(wěn)產(chǎn)沙量分別為0.4，0.8，3.3 g，產(chǎn)沙量最大的配置方式Ⅲ-US平穩(wěn)產(chǎn)沙量分別為Ⅱ-LS的4.0，4.4，5.7倍。

圖3 不同灌草配置方式下坡面產(chǎn)沙過程

2.2 不同灌草配置方式對褐土坡面減流減沙率的影響

由圖4可知，不同灌草配置方式條件下坡面減流率為12.27%～61.58%，灌草覆蓋對北京地區(qū)褐土坡面發(fā)揮一定減流作用。當降雨強度為30 mm/h且灌草覆蓋度為Ⅱ時，灌草空間配置為LS、MS、US的減流率分別為61.58%，57.96%，22.29%。在灌草覆蓋度相同時，不同灌草空間配置的減流率大小關(guān)系為LS>MS>US。灌叢位于坡下時的減流率約為坡上的3倍，說明當灌叢位于坡下時，能夠最好地減少徑流。在灌草空間配置相同條件下，不同灌草覆蓋度的減流率大小關(guān)系表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，且灌草覆蓋度變化對坡面減流率的作用在小雨強條件下更加明顯。這說明增加灌草覆蓋度，能有效減少坡面徑流。

注：US-30指在US空間配置方式及30 mm/h雨強條件下的減流率，其他同理。圖4 不同灌草配置方式下坡面減流減沙率

灌草坡面減沙率為24.50%～93.27%。在不同雨強條件下，灌草坡面減沙率大小依次為60 mm/h>30 mm/h>90 mm/h，這說明30～60 mm/h降雨強度范圍內(nèi)存在1個臨界降雨強度使得減沙率達到最大。不同灌草空間配置下，灌叢位于坡上到坡下的減沙率逐漸遞增，這與減流率的大小規(guī)律相同，但灌草位于坡下時的減沙率約為坡上時的1.5倍。說明灌叢位于坡下的灌草空間配置方式對徑流泥沙削減的效果最好，灌草空間配置對坡面減流率影響比減沙率更明顯。在不同灌草覆蓋度條件下，灌草坡面減沙率大小變化規(guī)律為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ。在灌叢位于坡下，雨強為90 mm/h時，Ⅱ的減沙率略小于Ⅰ，原因可能為大雨強使灌木冠層無法起到較高的截留作用，反而增加雨滴擊濺，使泥沙侵蝕加重。

坡面的減流減沙率常作為坡面減流減沙效益的指標之一，為進一步探究不同灌草配置方式的減流減沙效益特征，對不同灌草配置方式減流減沙率均值進行顯著性分析。由表1可知，在同一灌草覆蓋度條件下，不同灌草空間配置的減流率及減沙率具有顯著差異(<0.05)，其中LS的減流率及減沙率顯著高于US、MS空間配置方式，減流率最大相差34.30%，減沙率最大相差31.54%。這說明在坡面布設(shè)灌草能夠有效降低降雨過程中的水土流失現(xiàn)象，灌叢位于坡下的空間配置方式減流減沙效果最佳。而在同一灌草空間配置條件下，不同灌草覆蓋度的減流率和減沙率具有差異性，其中Ⅲ顯著差異于Ⅰ、Ⅱ，減流率及減沙率最小。當灌草空間配置為US時，覆蓋度Ⅱ坡面減流率均值為24.87%，比覆蓋度Ⅰ減流率均值高3.97%，比覆蓋度Ⅲ減流率均值高6.59%。其他條件下覆蓋度Ⅱ的減流率和減沙率均值也為最高。這表明增加灌木及草本覆蓋率均能有效減少徑流泥沙，且灌木截流攔沙效率比草本更佳。以上表明，當灌叢位于坡下、灌叢覆蓋度為50%及草本覆蓋度為25%，這種灌草配置方式有最好的減流減沙效益，這也與前面的結(jié)論相同。

表1 不同灌草配置下減流減沙率均值特征

2.3 不同灌草配置方式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙貢獻分析

由于灌草覆蓋度及灌草空間配置交互作用對坡面水土流失的影響十分復(fù)雜，因此對不同灌草配置方式產(chǎn)流產(chǎn)沙量進行方差分析，研究灌草覆蓋度及灌草空間配置對坡面總產(chǎn)流產(chǎn)沙量的顯著性和貢獻率。由表2可知，灌草覆蓋度和灌草空間配置對總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量均有顯著性影響(<0.05)，但是灌草配置方式，即灌草覆蓋度和灌草空間配置交互作用對坡面總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量的作用并不顯著。對于貢獻率而言，灌草覆蓋度對總產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的因子貢獻率分別為13.48%和14.41%；灌草空間配置對總產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的因子貢獻率分別為47.84%和40.08%；灌草配置方式對總產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的因子貢獻率分別為6.34%和8.32%。這表明灌草空間配置方式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的作用仍然起著主導(dǎo)作用，灌草覆蓋度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙也能起到一定影響作用，兩者交互作用對坡面總產(chǎn)流產(chǎn)沙量的貢獻率最低，影響很小。

表2 基于方差分析的灌草配置方式對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的顯著性和貢獻率

3 討 論

坡面是侵蝕發(fā)生的基本單元，學(xué)者往往從坡面開始對侵蝕過程進行研究。已有研究表明，降雨強度、坡度、植被覆蓋度及植被格局對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程有一定影響。而不同的灌草配置方式，使得坡面形態(tài)發(fā)生變化，從而影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及坡面減流減沙率。

植被覆蓋度是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素之一。本試驗發(fā)現(xiàn)，隨著灌木、草本的覆蓋度增加，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少、減流減沙率增加，且灌木比草本更能有效攔截雨水減少徑流泥沙，其中灌草覆蓋度為灌叢覆蓋度50%+草本覆蓋度25%的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量最少。其原因可能是灌草植被對降雨有一定截留作用，灌草冠層截留降雨起到很大作用。在雨滴到達坡面之前，坡面的灌草冠層截留作用削弱降雨能量，使雨滴動能減弱，雨滴達到坡面時已小于實際雨強。由于植物冠層截留體積與冠層覆蓋面積、植物冠層截留量呈正相關(guān)關(guān)系，冠層覆蓋面積越大，植物截留量更大，灌草對坡面徑流攔截作用增強，從而使產(chǎn)流產(chǎn)沙量降低。灌木相對于草本有更大的冠層覆蓋面積，能更有效攔蓄雨水起到水土保持作用；另一方面，隨著灌草覆蓋度增加，坡面的徑流流速因灌草阻攔而降低，土壤入滲作用有所增加，從而減少坡面產(chǎn)流量。同時灌草根系固結(jié)土壤提升土壤抗沖能力，使得坡面產(chǎn)沙量有所降低。當灌草配置方式相同時，隨著降雨強度的增大，灌草坡面的減流率呈減小趨勢，這與朱永杰等研究隨著降雨強度增大草地對徑流總量的削減率總體上減小的結(jié)論相同。

植被的配置方式使坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量和減流減沙效益產(chǎn)生顯著差異，宇濤等研究表明，植被布設(shè)于坡面下部時,植被調(diào)控侵蝕發(fā)育的作用得以體現(xiàn)，這與本研究的結(jié)果相同。本試驗通過模擬不同灌草配置方式在降雨條件下的減流減沙率發(fā)現(xiàn)，減流率、減沙率由大到小植被空間配置依次為坡下>坡中>坡上。而程圣東等則認為，并非將草帶布設(shè)在坡面最底端其水土保持效果最佳，其原因可能是研究坡面結(jié)構(gòu)的不同從而導(dǎo)致試驗結(jié)果的差異。程圣東等研究對象為有特殊結(jié)構(gòu)的坡溝系統(tǒng)，在坡面中部坡度有一定轉(zhuǎn)變，使得經(jīng)過底端植被的水流挾沙力大，陡坡帶來的較大徑流落差使得坡面侵蝕增大。而本試驗在坡度一定的坡面上試驗，一方面徑流動能被灌草削減，在模擬降雨條件下坡面由上往下匯流逐漸增多，灌草主要攔截上方徑流，這樣徑流大部分動能在坡面流動過程中已經(jīng)被草被削減，從而減少了侵蝕量；另一方面，植被主要對上方來水中的泥沙進行阻攔，灌叢位于坡上時徑流含沙量較少，無法發(fā)揮高效的減沙作用，當灌叢位于坡下時，由于降雨在坡面上方產(chǎn)生部分侵蝕帶來含沙量較大的徑流，使得灌草在坡下取得更大攔蓄作用，從而減少產(chǎn)沙量。所以當灌木位于坡下時攔水攔沙率相對較高，減流減沙效果更佳。

已有研究表明，灌叢與草本的垂直復(fù)合結(jié)構(gòu)對坡面徑流泥沙特征有顯著影響，但通常忽略灌草覆蓋度及灌草空間配置方式交互作用對坡面徑流泥沙特征的影響，本研究對灌草覆蓋度和灌草空間配置進行多因素方差分析得到灌草覆蓋度和灌草空間配置對總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量均有顯著性影響(<0.05)，但是灌草配置方式，即灌草覆蓋度和灌草空間配置交互作用對坡面總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量的作用并不顯著，這與鄧景成的研究結(jié)果相同。張志旭基于WEPP模型經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，坡下1/3面積種植紫花苜蓿，坡上2/3面積種植自然荒草具有較好的綜合效益，這與本研究結(jié)果相似。本研究發(fā)現(xiàn)，灌叢于坡下，灌叢覆蓋度為50%，草本覆蓋度為25%，有更好的減流減沙效益。本試驗定量研究降雨條件下植被配置方式的坡面徑流泥沙特征，分析不同灌草配置坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律及特征，評估減流減沙效益，可揭示北京褐土區(qū)坡面水土流失過程及土壤侵蝕作用機理，為褐土區(qū)水土保持措施布設(shè)提供理論參考與技術(shù)支撐。

4 結(jié) 論

(1)在坡面種植灌草有助于減少土壤侵蝕發(fā)生，在室內(nèi)人工模擬降雨試驗中，隨著降雨強度增大，坡面累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量增大。坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量在降雨初期大幅度增加，隨后增加趨勢逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定。坡面在不同灌草覆蓋度條件下產(chǎn)流產(chǎn)沙量大小關(guān)系為Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ，在不同灌草空間配置方式下產(chǎn)流產(chǎn)沙量大小關(guān)系為US>MS>LS，灌草配置方式為Ⅱ-LS的產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著低于其他灌草配置方式。

(2)通過與裸地產(chǎn)流產(chǎn)沙量的對比與計算，隨著雨強增大，灌草坡面的減流率呈減小的趨勢，但減沙率規(guī)律為60 mm/h>30 mm/h>90 mm/h。不同灌草覆蓋率減流減沙率大小關(guān)系為Ⅱ>Ⅰ>Ⅲ，不同灌草空間配置減流減沙率大小關(guān)系為LS>MS>US。灌草坡面最大減流率可達到61.58%，最大減沙率可達到93.27%。

(3)對不同灌草配置的減流減沙率均值進行顯著性分析，不同灌草配置方式間的減流率及減沙率具有顯著差異，灌叢位于坡下(LS)的空間配置方式及灌草覆蓋度為Ⅱ的減流減沙效果更佳，最大減流率均值可達59.17%，最大減沙率均值可達90.48%。增加灌木及草本覆蓋率均能有效減少徑流泥沙，且灌木截流攔沙效率比草本更佳。

(4)灌草覆蓋度和灌草空間配置對總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量均有顯著性影響(<0.05)，但灌草覆蓋度和灌草空間配置交互作用對坡面總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量的作用并不顯著。灌草配置方式為灌叢于坡下，灌叢覆蓋度為50%，草本覆蓋度為25%，此配置方式能起到最好的水土保持作用，為褐土區(qū)水土保持措施布設(shè)提供有效的理論支撐。