趙夢(mèng)杰，姚文藝,王金花，肖培青

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003)

植被覆蓋度對(duì)黃土高原地區(qū)土壤入滲及產(chǎn)流影響的試驗(yàn)研究

趙夢(mèng)杰1,2，姚文藝2,王金花2，肖培青2

(1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003)

植被覆蓋度；水力侵蝕；土壤含水率；入滲；產(chǎn)流系數(shù)

通過(guò)野外人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了植被覆蓋度變化對(duì)土壤含水率、坡面入滲及產(chǎn)流的影響，為揭示植被作用下土壤侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理提供支撐。研究結(jié)果表明：①植被覆蓋度不同，表層土壤含水率在降雨前后會(huì)有很大差異，其增加幅度隨著植被覆蓋度增加而增大，同時(shí)隨著植被覆蓋度增加，降雨對(duì)深層的土壤含水率影響將更為顯著；②植被覆蓋對(duì)初始入滲率、穩(wěn)定入滲率的影響比較明顯，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)的時(shí)間越短；③與裸坡面相比，草被坡面有顯著的減流效應(yīng)，隨著植被覆蓋度提高產(chǎn)流系數(shù)有減小趨勢(shì)，在植被覆蓋度達(dá)到18%以上時(shí)產(chǎn)流系數(shù)減小趨勢(shì)才比較明顯，但在暴雨條件下，即使植被覆蓋度達(dá)到了50%以上，出現(xiàn)產(chǎn)流的時(shí)間仍比較短。

降雨及徑流引起的水力侵蝕產(chǎn)沙問(wèn)題是當(dāng)今世界最大的環(huán)境問(wèn)題之一[1]。黃土高原水力侵蝕十分嚴(yán)重，研究土壤水分入滲規(guī)律對(duì)揭示水力侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)理具有重要意義。不同的下墊面條件對(duì)土壤入滲及產(chǎn)流量影響很大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者做了大量的研究工作，取得了一定成果：申震洲等[2]研究表明裸地小區(qū)的徑流量大于荒草地和灌木林地；鄒俊亮等[3]選取壩地淤土、黃綿土和風(fēng)沙土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明在同一土壤類型條件下植被類型主要對(duì)深層土壤水分的垂直分布產(chǎn)生影響；姚文藝等[4]研究表明裸地的入滲率明顯低于有草被覆蓋的，且裸地的初滲率與后期入滲率的差異要比有草被覆蓋的大得多；彭新德等[5]指出植被覆蓋度及植被類型是影響土壤入滲的兩個(gè)重要因素；楊帆等[6]研究表明植被對(duì)坡面水力侵蝕的影響主要表現(xiàn)在改變了坡面原有的土壤侵蝕環(huán)境、植物莖葉對(duì)雨滴的消能截留作用和坡面糙率。

隨著黃土高原水土保持生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施，當(dāng)?shù)刂脖桓采w發(fā)生了較大變化，迫切需要研究不同植被覆蓋度條件下黃土高原土壤入滲及產(chǎn)流變化規(guī)律，揭示植被覆蓋對(duì)產(chǎn)流機(jī)制變化的作用?；诖耍狙芯客ㄟ^(guò)內(nèi)蒙古西柳溝流域野外試驗(yàn)場(chǎng)人工降雨試驗(yàn)，分析了不同植被覆蓋度下的土壤水分入滲和產(chǎn)流規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

西柳溝為黃河內(nèi)蒙古河段直接入黃的十大孔兌之一，全長(zhǎng)106.5 km，總面積1 356.3 km2。流域內(nèi)多為丘陵溝壑區(qū)或沙漠區(qū)，氣候干旱，土壤包氣帶厚且含水量較少。水蝕、風(fēng)蝕俱存，水蝕主要分布在吳四屹堵以南的丘陵溝壑區(qū)，風(fēng)蝕主要分布在吳四屹堵至苦菜灣的庫(kù)布齊沙漠風(fēng)沙區(qū)。屬半干旱大陸性氣候區(qū)，年內(nèi)四季氣候變化特征明顯，表現(xiàn)為春季干旱少雨、冷熱驟變、風(fēng)大沙多，夏季炎熱短暫、降雨集中，冬季寒冷漫長(zhǎng)。年均氣溫5.3～6.1 ℃，年均降水量311～393 mm。植被以典型草原植被群落為主，主要有黃刺玫、沙柳、沙棘、檸條、沙棗、羊草、披堿草等[7]，植被覆蓋度20%～40%。土地利用類型以中覆蓋度草地為主，占總面積的30.97%，其次是低覆蓋度草地、旱地和裸地。土壤以栗鈣土為主，占總面積的53.85%，其次分別為粗骨土、草甸風(fēng)沙土、新積土、潮土和淡栗鈣土，分別占總面積的26.63%、12.24%、3.70%、3.06%和0.52%。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在西柳溝流域坡度15°自然坡面上的5個(gè)徑流小區(qū)內(nèi)進(jìn)行，小區(qū)面積均為100 m2(5 m×20 m)，植被為人工種植紫花苜蓿，土壤為栗鈣土。對(duì)小區(qū)進(jìn)行人工翻土，深翻30 cm，除去雜草和碎石后進(jìn)行平整，澆灌滲透24 h后，再次翻土去雜草根系，利用坡度儀對(duì)小區(qū)進(jìn)行坡度平整，直至達(dá)到試驗(yàn)要求的坡度。試驗(yàn)所用紫花苜蓿種子發(fā)芽率為96%，依照試驗(yàn)設(shè)定的不同植被覆蓋度和出苗率90%撒播草籽，在撒播后的兩周內(nèi)，進(jìn)行人工灑水養(yǎng)護(hù)。測(cè)得植被覆蓋度分別為0、11%、18%、43%、53%，對(duì)應(yīng)2#、3#、4#、5#、6#小區(qū)，其中2#小區(qū)為裸坡，作為空白對(duì)比試驗(yàn)區(qū)。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)研究區(qū)典型暴雨頻率特征和人工降雨裝置性能，設(shè)計(jì)試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度為1.0～1.5 mm/min。試驗(yàn)前一天，用不會(huì)引起坡面明顯侵蝕、小于0.5 mm/min的降雨對(duì)試驗(yàn)小區(qū)噴灑10 min，以保證每次試驗(yàn)前土壤含水率基本一致，消除地表處理的差異性。用土壤水分速測(cè)儀分別測(cè)定0、10、20、30、40 cm深度土層土壤含水率，每個(gè)深度測(cè)9次，取9次平均值作為該層土壤平均含水率。

從降雨雨滴降落到地表開(kāi)始計(jì)時(shí)，坡面產(chǎn)流后，記下產(chǎn)流時(shí)間。每間隔1 min用塑料小桶采集一次徑流樣，降雨停止后，測(cè)量塑料小桶中含泥沙水深，乘以徑流小桶底面積，就得到徑流樣體積。

3 結(jié)果分析

3.1 植被覆蓋度對(duì)土壤含水率垂向分布的影響

相同的降雨條件下，不同的下墊面條件會(huì)導(dǎo)致土壤下滲量發(fā)生變化，從而影響土壤含水率的空間分布。表1為不同植被覆蓋度條件下各深度土層土壤平均含水率。在10～30 cm深度，2#、3#、4#小區(qū)土壤平均含水率均為先減小后增大，5#小區(qū)一直增大，6#小區(qū)則先增大后減小，這說(shuō)明了植被覆蓋度對(duì)土壤含水率影響的復(fù)雜性，以及土壤含水率對(duì)植被覆蓋度的響應(yīng)具有非線性特征；在30～40 cm深度， 2#、3#、4#小區(qū)土壤平均含水率減小，5#、6#小區(qū)增大?？梢?jiàn)，低植被覆蓋度條件下(2#、3#、4#小區(qū))土壤平均含水率在20～30 cm深度土層增大，中植被覆蓋度條件下(5#、6#小區(qū))土壤平均含水率在30～40 cm深度土層增大，這一響應(yīng)關(guān)系說(shuō)明隨著植被覆蓋度的增加，降雨對(duì)深層土壤含水率影響將更為顯著。另外，3#、4#小區(qū)各土層深度的土壤平均含水率均大于裸坡，原因是在降雨過(guò)程中裸坡更容易形成地面徑流，故相應(yīng)深度土層的含水率偏低，而草地對(duì)降雨有一定的截留作用，因而有植被覆蓋的草地含水率較高。

表1 不同植被覆蓋度條件下各深度土層土壤平均含水率

圖1～3分別是2#、5#、6#小區(qū)土壤平均含水率的垂向分布。降雨后較降雨前，2#小區(qū)(裸坡)在0～20 cm深度土層的土壤平均含水率顯著增加，5#小區(qū)在0～30 cm深度顯著增加，6#小區(qū)在0～40 cm深度顯著增加，可見(jiàn)隨著植被覆蓋度增加，降雨對(duì)土壤平均含水率垂向分布的影響深度逐漸增大。對(duì)比3種植被覆蓋度小區(qū)發(fā)現(xiàn)，由裸坡到植被覆蓋度43%、53%時(shí)，降雨前后表層土壤含水率增加幅度隨植被覆蓋度增加而增大，這與植被對(duì)降雨的截留和對(duì)徑流的阻滯作用有關(guān)；不同植被覆蓋度的地表，表層土壤含水率在降雨前后差異很大，并且植被覆蓋度越高，這種差異越顯著。試驗(yàn)表明，5#、6#小區(qū)降雨前土壤含水率分別為19.01%、21.26%，降雨后含水率達(dá)到26.62%、34.52%，分別增加了40.0%和62.4%。

圖1 2#小區(qū)土壤平均含水率垂向分布

圖2 5#小區(qū)土壤平均含水率垂向分布

圖3 6#小區(qū)土壤平均含水率垂向分布

3.2 植被覆蓋度對(duì)土壤初始、穩(wěn)定入滲率的影響

大量研究表明，植被覆蓋對(duì)降雨入滲過(guò)程的影響機(jī)制主要是在降雨時(shí)植物的莖葉對(duì)雨滴有一定的消能和截留作用，有效防止了土壤表層形成結(jié)皮，使之呈疏松狀態(tài)，從而保持較高的入滲率。同時(shí)，植被改變了坡面原有的土壤侵蝕環(huán)境，發(fā)達(dá)的根系使土壤孔隙增多，為水流入滲創(chuàng)造了良好的條件。此外，坡面糙率隨植被覆蓋度增加而增大，使坡面水流流速降低，也加大了水流入滲的可能性。由于土壤物理性質(zhì)的空間變異性，坡面降雨入滲的變化過(guò)程比較復(fù)雜。如果忽略植被截留和雨期蒸發(fā)，則產(chǎn)流后各時(shí)段的入滲率為[8]

式中：f為平均降雨入滲率，mm/min；R為降雨強(qiáng)度，mm/min；α為地面坡度，(°)；V為各時(shí)段對(duì)應(yīng)的產(chǎn)流量，mL；ti、ti+1分別為始末時(shí)間，min；S為坡面面積，cm2。

根據(jù)Horton公式，利用Origin 8.0軟件分別對(duì)裸坡和植被覆蓋度11%、18%、43%、53%條件下的坡面入滲過(guò)程進(jìn)行擬合分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 入滲率隨時(shí)間變化的關(guān)系式

由表2知，2#小區(qū)(裸坡)的初始入滲率為1.01 mm/min，3#、4#、5#、6#小區(qū)的初始入滲率分別為1.35、0.96、1.42、1.23 mm/min；與裸坡相比，除4#小區(qū)外，其他小區(qū)的初始入滲率均有所增加。由此可見(jiàn)有植被覆蓋的小區(qū)，土壤初始入滲率相對(duì)較大。對(duì)于有植被覆蓋的小區(qū)，穩(wěn)滲率的變化范圍為0.636～0.903 mm/min，最大值出現(xiàn)在6#小區(qū)，最小值出現(xiàn)在2#小區(qū)，植被覆蓋度從11%增加到53%時(shí)土壤穩(wěn)滲率逐漸增大。這說(shuō)明植被覆蓋對(duì)坡地穩(wěn)滲率的影響是比較明顯的，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大。

圖4為不同植被覆蓋度條件下的土壤入滲率曲線，植被覆蓋度越高，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)的時(shí)間就越短，如3#、4#、5#、6#小區(qū)土壤入滲達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間分別約為9、7、6、5 min，而2#小區(qū)即裸坡達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)的時(shí)間約為12 min。

圖4 不同植被覆蓋度條件下土壤入滲率擬合曲線

3.3 植被覆蓋度對(duì)坡面產(chǎn)流系數(shù)的影響

植被覆蓋能夠防止雨滴直接擊濺地表，并攔蓄徑流，因而對(duì)降雨產(chǎn)流有較大的影響。基于各小區(qū)降雨產(chǎn)流數(shù)據(jù)，得到降雨強(qiáng)度接近條件下的產(chǎn)流系數(shù)(表3)。2#小區(qū)(裸坡)5 min、10 min產(chǎn)流系數(shù)分別為0.55、0.57，均大于有植被覆蓋小區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)。與裸坡相比，草被坡面有顯著的減流效應(yīng)，如3#小區(qū)5 min和10 min徑流系數(shù)較2#小區(qū)分別減小了32.73%和15.79%。隨著植被覆蓋度增加，這種減流效應(yīng)更加明顯，5#小區(qū)5 min和10 min產(chǎn)流系數(shù)較裸坡分別減小了47.27%和35.09%，6#小區(qū)5 min和10 min產(chǎn)流系數(shù)較裸坡分別減小了63.64%和54.39%。另外，植被覆蓋度從11%增加到53%時(shí)，相應(yīng)小區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)有逐漸減小的趨勢(shì)，如3#小區(qū)5 min、10 min產(chǎn)流系數(shù)分別為0.37、0.48，6#小區(qū)則為0.20、0.26。結(jié)合圖4分析可知，植被覆蓋度越高，坡地穩(wěn)滲率越大，相應(yīng)的產(chǎn)流量較少，故得到的產(chǎn)流系數(shù)較小。

表3 不同植被覆蓋度條件下的產(chǎn)流系數(shù)

此外，試驗(yàn)進(jìn)一步表明，在雨強(qiáng)大于60 mm/h的情況下，3#、4#、5#、6#小區(qū)分別在1.5、1.3、1.2、1.5 min后產(chǎn)流，5個(gè)試驗(yàn)小區(qū)從降雨到開(kāi)始產(chǎn)流的時(shí)間均相對(duì)較短，即在暴雨條件下產(chǎn)流很快。這說(shuō)明在黃土高原地區(qū)植被建設(shè)過(guò)程中，還應(yīng)實(shí)施工程措施如修建淤地壩等，提高對(duì)暴雨產(chǎn)流的調(diào)控作用，攔洪保土，減少入黃泥沙。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用人工模擬降雨試驗(yàn)，定量研究了植被覆蓋度對(duì)黃土高原地區(qū)坡面入滲和產(chǎn)流的影響，取得以下初步認(rèn)識(shí)：

(1)植被覆蓋度不同，表層土壤含水率在降雨前后會(huì)有很大差異，其增加幅度隨植被覆蓋度增加而增大。同時(shí)隨著植被覆蓋度增加，對(duì)深層的土壤含水率影響更為顯著。

(2)植被覆蓋度對(duì)初始入滲率、穩(wěn)定入滲率的影響比較明顯，植被覆蓋度越高，穩(wěn)滲率越大，達(dá)到穩(wěn)滲狀態(tài)的時(shí)間越短。

(3)與裸坡相比，草被坡面有顯著的減流效應(yīng)，隨著植被覆蓋度的提高，產(chǎn)流系數(shù)逐漸減小，但在植被覆蓋度達(dá)18%以上時(shí)，產(chǎn)流系數(shù)減小趨勢(shì)才比較明顯。在暴雨條件下，黃土高原地區(qū)坡地即使覆蓋度達(dá)到了50%以上，產(chǎn)流仍然很快。

(4)本文所研究問(wèn)題比較復(fù)雜，還有待結(jié)合更多的試驗(yàn)觀測(cè)，從理論上進(jìn)一步揭示坡面入滲產(chǎn)流過(guò)程對(duì)下墊面條件的響應(yīng)機(jī)理。

[1] 姚文藝,湯立群.水力侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程及模擬[M].鄭州:黃河水利出版社,2001:1-2.

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[4] 姚文藝,肖培青,申震洲,等.坡面產(chǎn)流過(guò)程及產(chǎn)沙臨界對(duì)立地條件的響應(yīng)關(guān)系[J].水利學(xué)報(bào),2011,42(12):1438-1444.

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[8] 陳洪松.黃土區(qū)坡地土壤水分運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)化試驗(yàn)研究[D].陜西:西北農(nóng)林科技大學(xué),2003:32-33.

(責(zé)任編輯 李楊楊)

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014B25014)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目(2011CB403303)

S157.1

A

1000-0941(2015)06-0041-03

趙夢(mèng)杰(1990—)，男，湖北黃岡市人，在讀碩士，主要從事水土保持、水文水資源方面的研究工作。

2015-02-01