植被配置方式對侵蝕性降雨下徑流的影響

杜廣榮

(廣東河海工程咨詢有限公司，廣州 510610)

1 概 述

植被種植是防止水土流失的一項(xiàng)基本措施，植被合理的配置方式能增強(qiáng)土壤的抗蝕能力，有效防止土壤被侵蝕。對此，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。呂皎等[1]對太行山中山區(qū)6種植被配置模式的水土保持功能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同植物的混交種植，能有效防止土壤流失，增強(qiáng)水土保持功能。侯曉龍等[2]對安溪崩崗侵蝕區(qū)不同植被配置模式與恢復(fù)效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同植被配置模式能有效防止土壤侵蝕?？簜サ萚3]對不同植被配置對坡面土壤侵蝕的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同植被配置能有效減少坡面徑流量和產(chǎn)沙量。許玉姣等[4]對黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被配置模式徑流產(chǎn)沙量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明設(shè)置不同植被配置模式，能有效減少土壤徑流產(chǎn)生，增加了水土保持效益。孫一等[5]對坡面植被覆蓋度對泥沙輸移的影響特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明坡面植被覆蓋能有效減少流水的輸沙能力，覆蓋度越大，減沙效果越明顯。石智宇等[6]對沂河流域植被覆蓋時空演變及其與徑流的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明植被覆蓋度越大，地表徑流減少越顯著，能有效加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。孫佳美等[7]對植被覆蓋坡面土壤侵蝕的水動力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明坡面植被覆蓋具有良好的減流減沙效果，能有效減少坡面土壤侵蝕。楊凱祥等[8]對三峽庫區(qū)土壤侵蝕和植被覆蓋變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明增加植被覆蓋度，能有效減少土壤侵蝕，增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

以上研究均未針對植被配置方式對侵蝕性降雨下徑流進(jìn)行分析。因此，本文對灌木和草本不同配置方式，在不同強(qiáng)度降雨條件下的產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量進(jìn)行試驗(yàn)。

2 研究材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

本次模擬降雨試驗(yàn)土壤為棕壤性土壤，取自膠東半島南部某市境內(nèi)的森林公園，該地區(qū)為低山丘陵區(qū)，坡面坡度為5°～45°，主峰海拔549.7 m，年平均降水量698.4 mm。研究區(qū)內(nèi)植物主要為景觀林，林中野生灌木和草本交互分布。公園內(nèi)常見的樹木有赤松、黑松、刺槐等，灌木有胡枝子、映山紅、野薔薇等，草本有山菊花、鳳仙花、石竹等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本次模擬降雨試驗(yàn)在室內(nèi)水土保持大廳內(nèi)進(jìn)行，設(shè)置3種降雨強(qiáng)度，分別是20、50、100 mm/h，降雨歷時30 min。降雨大廳采用下噴式降雨系統(tǒng)和降雨集流系統(tǒng)相結(jié)合，通過設(shè)備的電腦控制器調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度的大小，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)降雨強(qiáng)度0.5～5 mm/min的連續(xù)變化過程，降雨有效高度最高可達(dá)10 m，降雨均勻度>90%。試驗(yàn)用坡面為可調(diào)節(jié)坡度的不銹鋼槽，鋼槽規(guī)格長×寬×高為4 mm×0.8 mm×0.5 mm。

根據(jù)研究區(qū)坡度現(xiàn)狀和植被分布情況，以20°坡度為試驗(yàn)坡度，以常用灌木和草本為試驗(yàn)對象，灌木選取映山紅，草本選取山菊花。根據(jù)灌木和草本在坡面分布的差異性，設(shè)置不同的配置方式，配置方式包括灌木和草本在坡面的覆蓋度及在坡面分布的位置。試驗(yàn)根據(jù)映山紅和山菊花覆蓋度設(shè)置不同配比，分別是2∶1(圖1)和1∶1(圖2)，將灌木和草本種植在不同的坡位實(shí)現(xiàn)空間配置，當(dāng)灌木覆蓋度60%，草本覆蓋度30%，灌木草本覆蓋度2∶1，灌木種植在坡上見圖1(a)、坡中見圖1(b)、坡下見圖1(c)。當(dāng)灌木覆蓋度30%，草本覆蓋度30%，灌木草本覆蓋度1∶1，灌木種植在坡上見圖2(a)、坡中見圖2(b)、坡下見圖2(c)。

圖1 灌木和草本覆蓋度2∶1示意圖

圖2 灌木和草本覆蓋度1∶1示意圖

將土壤從研究區(qū)取回后，經(jīng)自然風(fēng)干，將土壤研細(xì)并過孔徑為15 mm的篩孔，去除土壤里的礫石和植物根莖殘?jiān)?。然后對鋼槽進(jìn)行分層填土，填土高度為45 cm，分3層，每層為15 cm。每填充一層土壤均抹平壓實(shí)，再填充下一層。填土完成后，將表面進(jìn)行粗糙度處理，再移栽灌木和撒播草本種子，并進(jìn)行多次澆水，保證植被成活率。

進(jìn)行試驗(yàn)前，測量土壤含水率，保證各坡面土壤含水率基本一致。開始降雨后，記錄開始產(chǎn)流時間，出現(xiàn)徑流后，前2 min進(jìn)行一次采樣，后面每4 min進(jìn)行一次采樣。開始產(chǎn)流30 min后，停止降雨，收集的徑流靜置24 h后，進(jìn)行產(chǎn)流量測量。再將沉積的泥沙取出，放入烘箱烘干后稱重，計(jì)算產(chǎn)沙量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 坡地產(chǎn)流量分析

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，在不同降雨條件下，灌木和草本不同配置方式坡面的產(chǎn)流過程變化趨勢見圖3。

圖3 灌木和草本坡面產(chǎn)流量表

圖3(a)中，當(dāng)時間為2 min時，降雨強(qiáng)度為20 mm/h，灌木和草本各配置方式的產(chǎn)流量進(jìn)行對比。A-PS(坡上)、A-PZ(坡中)、A-PX(坡下)、B-PS(坡上)、B-PZ(坡中)、B-PX(坡下)產(chǎn)流量分別為408、480、380、930、1 000、580 ml；當(dāng)時間為6 min時，產(chǎn)流量分別為783、500、420、1 150、1 120、665 ml；當(dāng)時間為14 min時，產(chǎn)流量分別為815、525、520、1 180、1 190、700 ml；當(dāng)時間為22 min時，產(chǎn)流量分別為900、600、580、1 220、1 180、785 ml；當(dāng)時間為26 min時，產(chǎn)流量分別為958、620、605、1 300、1 270、765 ml；當(dāng)時間為30 min時，產(chǎn)流量分別為1 020、635、620、1 320、1 235、750 ml。由此可知，在降雨初期，各試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)流量均快速增加，在相同降雨強(qiáng)度下，A-PX植被配置方式較其它5種配置方式的產(chǎn)流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，出現(xiàn)徑流后前4min，灌木位于坡上的產(chǎn)流量較坡上、坡中高，隨著時間增加，灌木位于坡上的產(chǎn)流量最高，坡中的產(chǎn)流量次之，坡下的產(chǎn)流量最低。

圖3(b)中，當(dāng)時間為2 min時，降雨強(qiáng)度為50 mm/h，灌木和草本各配置方式的產(chǎn)流量進(jìn)行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產(chǎn)流量分別為1 250、1 000、400、1 320、1 290、800 ml；當(dāng)時間為6 min時，產(chǎn)流量分別為1 330、1 280、660、1 600、1 350、1 160 ml；當(dāng)時間為14 min時，產(chǎn)流量分別為1 520、1 450、960、1 700、1 455、1 465 ml；當(dāng)時間為22 min時，產(chǎn)流量分別為1 620、1 510、1 040、1 790、1 520、1 560 ml；當(dāng)時間為26 min時，產(chǎn)流量分別為1 680、1 580、1 080、1 800、1 560、1 620 ml；當(dāng)時間為30 min時，產(chǎn)流量分別為1 690、1 590、1 110、1 800、1 580、1 785 ml。由此可知，在降雨初期，各試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)流量均快速增加，在相同降雨強(qiáng)度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產(chǎn)流量最高，A-PX植被配置方式的產(chǎn)流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產(chǎn)流量最高，坡中的產(chǎn)流量次之，坡下的產(chǎn)流量最低。

圖3(c)中，當(dāng)時間為2 min時，降雨強(qiáng)度為100 mm/h，灌木和草本各配置方式的產(chǎn)流量進(jìn)行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產(chǎn)流量分別為1 760、1 680、700、2 020、1 800、1 030 ml；當(dāng)時間為6 min時，產(chǎn)流量分別為2 110、1 820、1 080、2 160、1 920、1 380 ml；當(dāng)時間為14 min時，產(chǎn)流量分別為2 190、2 020、1 345、2 200、2 060、1 780 ml；當(dāng)時間為22 min時，產(chǎn)流量分別為2 260、2 060、1 380、2 265、2 130、1 950 ml；當(dāng)時間為26 min時，產(chǎn)流量分別為2 260、2 130、1 400、2 320、2 140、1 935 ml；當(dāng)時間為30 min時，產(chǎn)流量分別為2 270、2 160、1 415、2 400、2 210、1 910 ml。由此可知，在降雨初期，各試驗(yàn)區(qū)產(chǎn)流量均快速增加，在相同降雨強(qiáng)度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產(chǎn)流量最高，A-PX植被配置方式的產(chǎn)流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產(chǎn)流量最高，坡中的產(chǎn)流量次之，坡下的產(chǎn)流量最低。

3.2 坡地產(chǎn)沙量分析

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，在不同降雨強(qiáng)度下，灌木和草本不同配置方式坡面的產(chǎn)沙過程變化趨勢見圖4。

圖4 灌木和草本坡面產(chǎn)沙量表

圖4(a)中，當(dāng)時間為2 min時，降雨強(qiáng)度為20 mm/h，灌木和草本各配置方式的產(chǎn)沙量進(jìn)行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產(chǎn)沙量分別為0.48、0.48、0、1.6、0.45、0.3 g；當(dāng)時間為6 min時，產(chǎn)沙量分別為0.65、0.6、0.2、2.4、0.65、0.45 g；當(dāng)時間為14 min時，產(chǎn)沙量分別為1.1、0.67、0.32、2.85、1、0.6 g；當(dāng)時間為22 min時，產(chǎn)沙量分別為1.25、0.7、0.35、3.15、1.15、0.68 g；當(dāng)時間為26 min時，產(chǎn)沙量分別為1.45、0.73、0.38、3.25、1.25、0.72 g；當(dāng)時間為30 min時，產(chǎn)沙量分別為1.75、0.72、0.4、3.35、1.35、0.75 g。由此可知，在相同降雨強(qiáng)度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產(chǎn)沙量最高，A-PX植被配置方式產(chǎn)沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產(chǎn)沙量最高，坡中的產(chǎn)沙量次之，坡下的產(chǎn)沙量最低。

圖4(b)中，當(dāng)時間為2 min時，降雨強(qiáng)度為50 mm/h，灌木和草本各配置方式的產(chǎn)沙量進(jìn)行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產(chǎn)沙量分別為0.6、0.8、0.35、1.6、1.4、1.15 g；當(dāng)時間為6 min時，產(chǎn)沙量分別為1.48、1.2、0.46、2.35、1.515、1.25 g；當(dāng)時間為14 min時，產(chǎn)沙量分別為1.53、1.35、0.63、2.75、1.68、1.4 g；當(dāng)時間為22 min時，產(chǎn)沙量分別為2.45、1.4、0.69、2.95、1.735、1.4 g；當(dāng)時間為26 min時，產(chǎn)沙量分別為2.52、1.45、0.72、3.1、1.95、1.5 g；當(dāng)時間為30 min時，產(chǎn)沙量分別為2.35、1.52、0.76、3.25、2.05、1.53 g。由此可知，在相同降雨強(qiáng)度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產(chǎn)沙量最高，A-PX植被配置方式產(chǎn)沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，隨著時間的增加，灌木位于坡上的產(chǎn)沙量最高，坡中的產(chǎn)沙量次之，坡下的產(chǎn)沙量最低。

圖4(c)中，當(dāng)時間為2 min時，降雨強(qiáng)度為100 mm/h，灌木和草本各配置方式的產(chǎn)沙量進(jìn)行對比。A-PS、A-PZ、A-PX、B-PS、B-PZ、B-PX產(chǎn)沙量分別為5.15、1.85、1.55、12.2、5.3、1.8 g；當(dāng)時間為6 min時，產(chǎn)沙量分別為6、2.7、2.1、12.8、6.05、2.3 g；當(dāng)時間為14 min時，產(chǎn)沙量分別為7.5、4.1、2.8、16.8、12、4 g；當(dāng)時間為22 min時，產(chǎn)沙量分別為8.2、5、3、17.6、14.6、4.25 g；當(dāng)時間為26 min時，產(chǎn)沙量分別為8.5、5.6、3、18、16.2、4.55 g；當(dāng)時間為30 min時，產(chǎn)沙量分別為8.8、5.9、3.2、18.5、15.8、4.8 g。由此可知，在相同降雨強(qiáng)度下，B-PS植被配置方式較其它5種配置方式的產(chǎn)沙量最高，A-PX植被配置方式產(chǎn)沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產(chǎn)沙量最高，坡中的產(chǎn)沙量次之，坡下的產(chǎn)沙量最低。

綜上所述，在相同強(qiáng)度的降雨條件下，灌木和草本配置方式從坡上到坡下，平均產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量逐漸變小。當(dāng)灌木位于坡下時，能較好地減少坡面徑流。灌木覆蓋度越大，產(chǎn)沙量越低。

4 結(jié) 論

本文對灌木和草本不同配置方式，在不同強(qiáng)度的降雨條件下的產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)論如下：

1) 在相同強(qiáng)度的降雨條件下，A-PX植被配置方式的產(chǎn)流量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產(chǎn)流量最高，坡中的產(chǎn)流量次之，坡下的產(chǎn)流量最低。

2) 在相同強(qiáng)度的降雨條件下，B-PS植被配置方式的產(chǎn)沙量最高，A-PX植被配置方式產(chǎn)沙量最低；在灌木和草本覆蓋比相同時，灌木位于坡上的產(chǎn)沙量最高，坡中的產(chǎn)沙量次之，坡下的產(chǎn)沙量最低。

3) 在相同強(qiáng)度的降雨條件下，灌木和草本配置方式從坡上到坡下，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量均逐漸變小。當(dāng)灌木和草本覆蓋度為2∶1時，灌木位于坡下配置方式的產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量均最低。