韓　勇，鄭粉莉，徐錫蒙，盛賀偉

1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌　712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué), 水土保持研究所, 楊凌　712100 3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京　100049

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子午嶺林區(qū)淺層滑坡侵蝕與植被的關(guān)系
——以富縣“7·21”特大暴雨為例

韓勇1,3，鄭粉莉1,2,*，徐錫蒙2，盛賀偉2

1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué), 水土保持研究所, 楊凌712100 3 中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049

以2013年陜北富縣“7·21”特大暴雨滑坡侵蝕災(zāi)害為對(duì)象，通過調(diào)查暴雨侵蝕區(qū)典型小流域植被條件及滑坡特征，測定滑坡壁不同土層的根系重量、土壤孔隙度、土壤容重等指標(biāo)，研究子午嶺林區(qū)暴雨滑坡侵蝕與植被根系的關(guān)系。根據(jù)不同類型植被根系深度和滑坡侵蝕特征(侵蝕深度、滑動(dòng)面寬度及長度，滑坡體體積、滑動(dòng)距離等)，可將林區(qū)暴雨滑坡侵蝕劃分為三類：以草本植被為主的A類滑坡，以灌叢植被為主的B類滑坡，以喬本植被為主的C類滑坡。結(jié)果表明，三類滑坡侵蝕的侵蝕深度與其對(duì)應(yīng)植被類型的根系深度相近，且植被及其根系會(huì)加劇滑坡侵蝕的發(fā)生。在此次暴雨滑坡侵蝕中，滑坡侵蝕強(qiáng)度受植物根系重量、土壤孔隙度、土壤容重等因素的共同影響，但根系重量對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度的影響占主導(dǎo)作用，通過建立二者之間的關(guān)系式發(fā)現(xiàn)，根系對(duì)滑坡侵蝕的貢獻(xiàn)率超過80%。不同植被類型的滑坡侵蝕深度不同，且滑坡侵蝕強(qiáng)度也存在差異，表明植被根系不僅具有塑造滑坡侵蝕特征的作用，而且會(huì)影響滑坡侵蝕的強(qiáng)弱程度。在強(qiáng)降水基礎(chǔ)上，特別是當(dāng)降水量達(dá)到誘發(fā)滑坡災(zāi)害發(fā)生的臨界值時(shí)，植被及其根系會(huì)加劇滑坡侵蝕的發(fā)生。在今后工作中，要因地制宜合理配置各類植被，同時(shí)結(jié)合其它措施，以便提高植被防治水土流失的作用，更好地發(fā)揮植被的水土保持效益。

滑坡侵蝕；侵蝕強(qiáng)度；植被類型；根系；“7·21”特大暴雨

降雨，特別是暴雨是誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的重要原因[1-2]。全國290個(gè)縣市的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明，暴雨誘發(fā)的滑坡占滑坡總數(shù)的90%以上[3]。2013年7月21日20：00至22日10：00，位于子午嶺林區(qū)的富縣全境普降暴雨，平均降雨量146.5 mm，其暴雨中心——張村驛鎮(zhèn)降雨量達(dá)到172.8 mm[4]。該次暴雨造成富縣多處山體發(fā)生滑坡和崩塌等次生災(zāi)害，致使大量農(nóng)田被掩埋，道路中斷，房屋受損，給人民群眾造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失[5]。

子午嶺林區(qū)是黃土高原目前惟一保存較完整的天然次生林區(qū)，具有完整的植被演替序列。由于該區(qū)森林郁閉度很高，地表覆蓋度達(dá)90%以上，土壤侵蝕已很輕微[6]。然而在此次暴雨過程中，該區(qū)植被覆蓋良好的溝緣線附近滑坡侵蝕異常強(qiáng)烈，引發(fā)對(duì)土體穩(wěn)定性與植被關(guān)系的重新思考。目前，國內(nèi)外關(guān)于土體穩(wěn)定性與植被關(guān)系的研究，大多趨向于認(rèn)為植被及其根系對(duì)土體穩(wěn)定性具有明顯的促進(jìn)作用[7- 10]，因此，植被護(hù)坡在鐵路、公路等生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目邊坡防護(hù)方面得到大量應(yīng)用[11- 13]。但仍有一部分研究者認(rèn)為植被對(duì)土體穩(wěn)定性的影響是復(fù)雜的、多方面的，特別是在降雨條件下，植被通過增加降水入滲量、增加土體重量，從而改變土體水文效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)，對(duì)斜坡土體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[14- 17]。魏麗等[18]也認(rèn)為植被覆蓋程度越高，發(fā)生滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性越大。結(jié)合此次暴雨滑坡侵蝕實(shí)際情況，筆者產(chǎn)生以下疑問：造成此次林區(qū)暴雨滑坡侵蝕林草地較無植被土體劇烈的主要原因是什么，其滑坡侵蝕的特征與植被類型有什么樣的關(guān)系？這些問題的回答有助于確切評(píng)價(jià)植被的防蝕效果，進(jìn)一步分析降雨-植被-土體穩(wěn)定性之間的關(guān)系。為此，本文通過調(diào)查子午嶺林區(qū)典型小流域暴雨滑坡侵蝕特征，分析影響林草地暴雨滑坡侵蝕劇烈的主要原因，探討植被類型以及根系分布對(duì)暴雨滑坡的影響，進(jìn)而加深理解林草植被與暴雨滑坡侵蝕的關(guān)系，為科學(xué)評(píng)價(jià)植被防蝕作用機(jī)理提供一定的理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于子午嶺林區(qū)陜西富縣境內(nèi)(35°44′06″N—36°23′23″N，108°29′30″E—109°42′54″E)。該區(qū)屬典型黃土丘陵溝壑地貌，由于地處新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈抬升區(qū)，滑坡面出露頻繁，但大多已被林草植被所固定[6]。地面組成物質(zhì)主要以新、老黃土為主，有些溝谷底部有三趾馬紅土和白堊紀(jì)砂、頁巖出露。土壤為尚處于發(fā)育階段的灰褐色森林土，有明顯腐殖質(zhì)層，但無明顯淋溶層與墊積層[19]。年均降水量為576.7 mm，主要集中在7—9月。林區(qū)植被繁茂，地表覆蓋度在90%以上，林下枯枝落葉層厚度達(dá)5—8 cm。因植被條件良好，土壤侵蝕輕微，年侵蝕模數(shù)多在100 t km-2a-1以下[20]。“7·21”特大暴雨后，通過對(duì)該區(qū)滑坡侵蝕災(zāi)害進(jìn)行實(shí)地勘查，選取位于富縣任家臺(tái)林場的小流域?yàn)檠芯繀^(qū)域。研究區(qū)面積0.7 km2，其中農(nóng)耕地面積占總面積65.7%。區(qū)內(nèi)共有37個(gè)規(guī)模不等的滑坡，滑坡分布密度達(dá)52.8個(gè)/km2，遠(yuǎn)高于相近降雨條件下的非林區(qū)滑坡分布密度[21]。

1.2“7·21”特大暴雨水文特征

圖1　“7·21”特大暴雨降雨過程Fig.1　Processes of “7·21” rainstorm

根據(jù)子午嶺野外試驗(yàn)站觀測結(jié)果，本次特大暴雨歷時(shí)12 h，降雨131 mm，最大30 min雨強(qiáng)為0.53 mm/min。該次暴雨的降雨過程如圖1所示，產(chǎn)流特征如表1所示。

1.3研究方法

于2013年7月23日調(diào)查了流域內(nèi)所有滑坡的基本特征(滑動(dòng)面深度、長度、寬度等)以及滑坡周邊的植被特征(包括植被類型、主要物種、覆蓋度、郁閉度等)。在此基礎(chǔ)上，于2013年7月24日按照主要植被類型(草本、灌叢、喬木)及滑坡侵蝕深度，選取9處具有典型侵蝕特征的滑坡(三類滑坡侵蝕各選定有代表性的3處作為3次重復(fù)處理)，并在其滑坡后壁部位進(jìn)行土壤剖面和植被根系調(diào)查。

表1　“7·21”特大暴雨徑流特征

基于此次暴雨在研究區(qū)林地徑流小區(qū)的最大入滲深度及滑坡產(chǎn)生的最大侵蝕深度，將土壤剖面調(diào)查深度確定在150 cm，并以10 cm為一層將各剖面劃分為15層。同時(shí)，確定土壤容重、飽和含水量、根系重量這3個(gè)指標(biāo)為采樣指標(biāo)在剖面調(diào)查過程中進(jìn)行采樣。確定的3個(gè)取樣指標(biāo)在每個(gè)剖面(9個(gè))每層(15層)均取2個(gè)樣品(2次重復(fù))，因此，試驗(yàn)過程中每個(gè)采樣指標(biāo)分別采集270個(gè)(9個(gè)×15層×2次重復(fù))土壤樣品。整個(gè)試驗(yàn)過程共采集810個(gè)(3個(gè)指標(biāo)×270個(gè))土壤樣品。

1)土壤容重用環(huán)刀法測定各土層的土壤容重。

2)土壤孔隙度基于各土層的土壤容重，計(jì)算對(duì)應(yīng)土層的土壤孔隙度。

3)土壤含水量用烘干法測定各土層土壤含水量(利用土壤容重樣品進(jìn)同時(shí)行測定)。

4)飽和土壤含水量各土層分別取原狀土，用浸水法測定。

5)根系重量按根鉆法每10 cm分層采集根系樣品，樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后過篩并揀出所有根系，用水沖洗出后晾干稱重。

1.4數(shù)據(jù)獲取及處理

滑坡侵蝕強(qiáng)度單位面積滑動(dòng)面上產(chǎn)生的滑坡侵蝕量。由于滑坡為整層下滑，滑動(dòng)面基本呈矩形，假定滑坡侵蝕深度H，滑動(dòng)面長度為L，滑動(dòng)面寬度為b，滑坡后壁土體厚度為hi的第i層土壤容重為ρi(i= 1，2, …，15)，則滑坡侵蝕深度H、滑坡侵蝕量A、滑坡侵蝕強(qiáng)度MS計(jì)算式分別為：

滑坡侵蝕深度

H=h1+h2+…+hi

(1)

滑坡侵蝕量

(2)

滑坡侵蝕強(qiáng)度

(3)

式中，A為滑坡侵蝕量(kg)；H為滑坡侵蝕深度(cm)；hi為第i層深度(cm)；L為滑動(dòng)面長度(m)；b為滑動(dòng)面寬度(m)；ρi為土壤容重(g/cm3)；Ms為滑坡侵蝕強(qiáng)度(kg/m2)；S為滑動(dòng)面面積(m2)。

2　結(jié)果與分析

2.1植被類型對(duì)滑坡侵蝕特征的影響

根據(jù)滑坡侵蝕的基本特征，結(jié)合滑坡周圍的植被類型，將該流域37處滑坡大致劃分為三類(表2)，旨在進(jìn)一步探討植被類型對(duì)這次暴雨滑坡侵蝕特征的影響。以草本植被為主的A類滑坡，共計(jì)14處，規(guī)模較小，體積多在100—500 m3之間，滑動(dòng)距離較短，滑坡物質(zhì)多在溝坡下部發(fā)生堆積。以灌叢植被為主的B類滑坡，共計(jì)7處，滑坡規(guī)模較A類為大，體積多在300—700 m3之間，滑動(dòng)距離較遠(yuǎn)，部分滑坡物質(zhì)堆積于溝坡下部未能進(jìn)入溝道。以喬木植被為主的C類滑坡，共計(jì)16處，其規(guī)模在三類滑坡中最大，體積多在500—1500 m3之間，滑動(dòng)距離較遠(yuǎn)，滑坡物質(zhì)大多進(jìn)入溝道而堆積于溝床。

表2　植被類型與滑坡侵蝕特征

上述三類滑坡中，A類滑坡的侵蝕深度為29—65 cm，其滑坡侵蝕深度平均值為45 cm；B類滑坡數(shù)侵蝕深度范圍在58—73 cm，分布較集中，其滑坡侵蝕深度平均值為63 cm；C類滑坡數(shù)量最多，侵蝕深度范圍為75—141 cm，分布較前兩種相對(duì)分散，其滑坡侵蝕深度平均值為96 cm；若以100 cm為界對(duì)滑坡的侵蝕深度劃分，則滑坡深度小于100 cm的滑坡數(shù)目占總數(shù)的69%(表3)，其中以分布于30—100 cm的滑坡占絕大多數(shù)，其數(shù)目占總滑坡總數(shù)的92%，說明此次暴雨滑坡的侵蝕深度具有相對(duì)集中的特性，即滑坡土體為根系相對(duì)集中分布的淺層土體。

表3　滑坡侵蝕深度分布統(tǒng)計(jì)/cm

2.2滑坡侵蝕深度與根系分布特征的關(guān)系

圖2　三類滑坡不同土層根系重量　Fig.2　Root weight of three types of landslide at different soil layers

圖3　滑坡侵蝕深度與根系深度的關(guān)系Fig.3　Relationship between landslide depth and root depth

由于不同植被類型對(duì)應(yīng)不同的滑坡侵蝕深度及滑坡規(guī)模，因此，這里探討植被根系分布特征與滑坡侵蝕深度的關(guān)系。圖2表明，以草本植被為主的A類滑坡，占總根量60%的根系分布在0—40 cm土層，而40 cm以下迅速減少；以灌叢植被為主的B類滑坡，占總根量的70%以上的根系分布于0—60 cm土層，60 cm以下隨土層深度增加根系逐漸減少；以喬木植被為主的C類滑坡根系分布則相對(duì)較深，占總根量80%左右的根系分布在0—80 cm土層，100 cm以下均迅速減少。前人的研究結(jié)果也表明，以白草等草本植被為主的根系主要分布在0—40 cm土層，以鐵桿蒿、繡線菊等為主的灌木半灌木植被的根系主要分布在0—60 cm土層；而油松、遼東櫟等喬木植被的根系則主要分布在0—80 cm土層[22- 24]。

雖然圖2中三類滑坡侵蝕的植被根系重量在不同土層深度的變化趨勢不同，但對(duì)于具有深厚土層的黃土而言，植被的根系仍相對(duì)集中的分布于淺層[25]，且三者在根系總重量方面差異并不顯著。這些根系在土體中穿插、纏繞、固結(jié)，從而極大的改變了根系層土壤的抗侵蝕能力[17]。為此，這里通過土壤剖面調(diào)查進(jìn)一步分析了滑坡侵蝕深度與植被根系深度的關(guān)系。結(jié)果表明，滑坡侵蝕深度與植被根系深度具有很好的線性關(guān)系(圖3)，說明此次暴雨滑坡侵蝕過程中，植物根系深度決定了滑坡侵蝕深度。

2.3滑坡侵蝕強(qiáng)度與各指標(biāo)相關(guān)關(guān)系分析

一般來說，植被可通過改變土壤水分情況來改變土壤的抗剪強(qiáng)度，從而起到固土護(hù)坡的作用。但降雨徑流會(huì)導(dǎo)致土壤含水量增加，土體抗剪強(qiáng)度減小，使得邊坡失穩(wěn)變形。在一定環(huán)境條件下，隨著含水量增加，植被提高土壤的抗剪強(qiáng)度的程度會(huì)逐漸減小[26-27]。為此，本研究根據(jù)土壤剖面調(diào)查結(jié)果，對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)深度處的根系重量、土壤孔隙度、土壤容重、土壤含水量、飽和土壤含水量進(jìn)行偏相關(guān)分析，討論滑坡侵蝕強(qiáng)度與這些影響因素的相關(guān)關(guān)系。

從表4可以看出，三類滑坡的侵蝕強(qiáng)度與根系重量相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上；其次為土壤孔隙度和土壤容重，相關(guān)系數(shù)均在0.8以上。而滑坡侵蝕強(qiáng)度與土壤含水量以及飽和土壤含水量相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)基本均低于0.6。有研究表明，土壤含水量對(duì)滑坡具有重要影響[26]，即二者之間具有較好的相關(guān)性。但表4中土壤含水量與滑坡侵蝕強(qiáng)度的相關(guān)性較差，究其原因可分為兩方面。首先，以往研究中的滑坡侵蝕大多發(fā)生在在地震、人類活動(dòng)等直接或間接影響后的無植被或植被較少的斜坡土體上[3,10]，隨降雨入滲、土壤含水量增加，這種結(jié)構(gòu)受到破壞的土體就會(huì)逐漸失穩(wěn)變形而發(fā)生滑坡。但此次滑坡侵蝕發(fā)生在林區(qū)內(nèi)特大暴雨條件下，縱橫交錯(cuò)的根系促進(jìn)了滑坡侵蝕的發(fā)生，表現(xiàn)為植被及其根系對(duì)滑坡侵蝕的影響較強(qiáng)，而土壤含水量的影響相對(duì)較弱。這也是表4中植被根系與滑坡侵蝕強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)高于土壤含水量與滑坡侵蝕強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)的主要原因。其次，雖然雨后只有表層土壤含水量會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，但分析時(shí)仍從整個(gè)剖面著手，這也可能是導(dǎo)致剖面整體土壤含水量與滑坡侵蝕強(qiáng)度的相關(guān)性較差的原因之一。

表4　滑坡侵蝕強(qiáng)度與影響因素的相關(guān)關(guān)系

**P<0.01；*P<0.05

通過表4可以判斷影響滑坡侵蝕強(qiáng)度的主要因素依次為根系重量、土壤孔隙度和土壤容重。再者，滑坡侵蝕強(qiáng)度與根系重量、土壤孔隙度為正相關(guān)，與土壤容重為負(fù)相關(guān)，說明根系重量和土壤孔隙度對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度有促進(jìn)作用，而土壤容重則對(duì)滑坡侵蝕有抑制作用。但由于土壤孔隙度通過土壤容重計(jì)算得到，且通過其計(jì)算公式可推斷出二者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。即隨土層加深呈現(xiàn)相反的變化趨勢。通常情況下，淺層土壤，尤其是表層，由于能獲得較多的熱量和水分，使堆積于地表的枯枝落葉及地被物易于腐解，從而形成疏松多孔的土壤結(jié)構(gòu)，因而表層土壤容重比較小。隨著土壤層次加深，根系減少，土壤水分和通氣性變差，地下生物活動(dòng)減少[28]，土壤緊實(shí)度增加，土壤容重變大，土壤孔隙度減小。正是由于土壤孔隙度與土壤容重截然相反的變化趨勢，導(dǎo)致二者與滑坡侵蝕強(qiáng)度的影響也表現(xiàn)出相反的作用。由于此次滑坡侵蝕大多位于溝緣線附近，坡度基本相同(多集中在35°—42°)，可排除地形差異對(duì)滑坡侵蝕造成的影響。

此外，在研究區(qū)布設(shè)的大型林地徑流小區(qū)(徑流小區(qū)面積達(dá)1660 m2)尚未有徑流發(fā)生(表1)，說明林地在此次降雨過程中雨水全部下滲而無地表徑流產(chǎn)生，因而可排除徑流沖蝕對(duì)滑坡的影響。上述結(jié)果均表明，根系在影響此次暴雨滑坡侵蝕的諸因素中居主導(dǎo)地位。

2.4根系重量對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度的影響

為分析各影響因素對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度的影響，這里對(duì)根系重量、土壤孔隙度、土壤容重這3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析根系對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度的影響。根系重量與土壤孔隙度呈極顯著正相關(guān)，與土壤容重呈極顯著負(fù)相關(guān)(表5)，說明植被根系對(duì)土壤孔隙度和土壤容重都有影響，但對(duì)土壤孔隙度的變化為促進(jìn)作用，而對(duì)土壤容重的變化為抑制作用。

表5　根系重量、土壤孔隙度、土壤容重三指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系

**P<0.01,h=15

表5中植被根系重量與土壤孔隙度、土壤容重之間的關(guān)系均表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，而且土壤孔隙度與土壤容重之間也存在極顯著相關(guān)關(guān)系，表明土壤孔隙度與土壤容重受到根系重量的影響，且二者之間也存在相互影響。因此，這里僅分析滑坡侵蝕強(qiáng)度與根系重量的關(guān)系。方程(4)是滑坡侵蝕強(qiáng)度與根系重量線性回歸結(jié)果(n=15，R2=0.845，sig<0.001)。

Ms=0.128Rw+11.260

(4)

式中，Ms為滑坡侵蝕強(qiáng)度(kg/m2)；Rw為根系重量(kg/m3)。

根系重量與滑坡侵蝕強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，表明此次暴雨滑坡過程中，植被根系重量不僅對(duì)滑坡發(fā)生發(fā)育具有促進(jìn)作用，而且是影響此次暴雨滑坡侵蝕的主控因素。由于植被及其根系的存在，以及枯枝落葉腐解，林地土壤因存在豐富的孔隙，且孔隙之間具有開放性和連續(xù)性，成為徑流入滲的優(yōu)先通道[29]，并為土壤水的儲(chǔ)蓄提供空間，這就使得林地根系層土體具有更大的儲(chǔ)水能力。

研究發(fā)現(xiàn)，根系特征(根系深度、根系類型等)對(duì)土體穩(wěn)定性方面具有重要影響[30- 31]，主要表現(xiàn)為：穿插于土體的根系中，垂直方向的根系主要起錨固作用，水平方向的根系主要起牽拉作用。通過這種方式，整個(gè)根系層形成土壤和根系的復(fù)合體。當(dāng)雨水及徑流逐漸充滿孔隙、裂隙等空間后，整個(gè)根系層便形成一個(gè)土壤水分暫時(shí)飽和的“飽和殼”[32]。一旦該飽和土體下滑力大于抗剪強(qiáng)度時(shí)，整個(gè)飽和層發(fā)生滑動(dòng)，滑坡侵蝕強(qiáng)度也隨之急劇增加。

此外，降雨過程中，裂縫、裂隙以及動(dòng)物通道等在土體中也構(gòu)成重要的降水輸送通道，加快降雨入滲速率，這對(duì)滑坡的形成也起到了促進(jìn)作用。

2.5根系層土體土壤孔隙度與土壤容重差異分析

雖然根系重量是影響滑坡侵蝕強(qiáng)度的主控因素，但土壤孔隙度和土壤容重仍會(huì)對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響。因此，通過對(duì)根系層土體——“飽和殼”上下層土壤之間土壤孔隙度差值(上層孔隙度值-下層孔隙度值)與土壤容重差值(下層容重值-上層容重值)進(jìn)行分析，進(jìn)一步解釋植被根系通過改變土壤孔隙度與土壤容重而對(duì)滑坡侵蝕造成的影響。

圖4和圖5中土壤孔隙度差值與土壤容重差值變化趨勢基本相同，且差值最大的土層即為土壤孔隙度和土壤容重發(fā)生明顯變化的的土層。對(duì)于三類滑坡類型，上下層土壤孔隙度和土壤容重差值出現(xiàn)最大土層依次為第4—5、6—7、8—9層，即草本植被滑坡壁土體在4—5層，即土層深度為40—50 cm時(shí)土壤孔隙度差值與土壤容重差值最大；灌叢植被滑坡壁土體在第6—7層，即土層深度為60—70 cm時(shí)土壤孔隙度差值與土壤容重差值最大；喬木植被滑坡壁土體在第8—9層，即土層深度為80—90 cm時(shí)土壤孔隙度差值與土壤容重差值最大。土壤孔隙度差值、土壤容重差值出現(xiàn)最大值的土層深度與各自對(duì)應(yīng)植被類型的根系分布深度相近，且與對(duì)應(yīng)的入滲深度、滑坡侵蝕深度相近。

圖4　三類滑坡上下層土壤孔隙度差值　Fig.4　Soil porosity differences between adjacent layers of three types of landslide erosion

圖5　三類滑坡上下層土壤容重差值　Fig.5　Soil bulk density differences between adjacent layers of three types of landslide erosion

草本、灌叢、喬木這3種植被的根系分別主要分布在0—40 cm、0—60 cm、0—80 cm土層。在這3個(gè)土層深度內(nèi)，植被根系以及林下枯落物不僅減緩了徑流流速，而且延長了降水在地表的存留時(shí)間。同時(shí)，疏松多孔的根系層土壤結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)土體入滲[33- 34]，貯存更多水分而提供有利條件。然而隨土壤深度增加，下層土體因根系減少而土壤孔隙度減小，土壤容重增大，形成一個(gè)相對(duì)不透水層(圖4和圖5)。此時(shí)，進(jìn)入土體的雨水開始在不透水層以上積聚，并在不透水層之間形成滑動(dòng)面[35]。隨著降雨繼續(xù)，不透水層以上部分—即根系層土體因吸納大量降水而逐漸飽和，隨著“飽和殼”不斷軟化，當(dāng)其自重增大到致使下滑力大于抗剪強(qiáng)度時(shí)，整個(gè)根系層土體沿滑動(dòng)面發(fā)生移動(dòng)而導(dǎo)致滑坡侵蝕發(fā)生。

此外，黃土坡面溝緣線附近坡度較陡、土質(zhì)相對(duì)比較均勻，為滑坡侵蝕發(fā)育提供了良好場所[36]。同時(shí)，喬木等高大植被的地上部分吸水作用和冠層降水截留作用導(dǎo)致植被自身重量增加，使土體下滑力增大，這也促進(jìn)了滑坡侵蝕的發(fā)生[37]。

3　結(jié)語

(1)“7·21”暴雨引發(fā)的淺層滑坡侵蝕與植被類型密切相關(guān)，不同植被類型下滑坡侵蝕深度和滑坡侵蝕強(qiáng)度各不相同。以草本植被為主的A類滑坡的侵蝕深度集中在30—60 cm，侵蝕強(qiáng)度多集中在150—1200 kg/m2；以灌叢植被為主的B類滑坡的侵蝕深度集中在50—80 cm，侵蝕強(qiáng)度多集中在200—2000 kg/m2；以喬木植被為主的C類滑坡的侵蝕深度集中在80—100 cm；侵蝕強(qiáng)度集中在300—2800 kg/m2。

(2)此次暴雨滑坡侵蝕中，滑坡侵蝕強(qiáng)度與根系重量、土壤孔隙度、土壤容重密切相關(guān)，其中，根系重量對(duì)滑坡侵蝕強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率達(dá)80%以上，表明植被根系是影響此次暴雨滑坡侵蝕強(qiáng)度的主控因素。在暴雨、根系等因素綜合作用下，根系層土體與下部緊實(shí)土體之間因水分差異形成水分飽和層。隨土壤含水量增加，一旦根系層土體下滑力大于抗剪強(qiáng)度，上部的根系層土體就沿滑動(dòng)面發(fā)生整體滑動(dòng)。而且正是因?yàn)樯鲜鲈?，才?dǎo)致此次暴雨滑坡出現(xiàn)不同類型植被根系深度與侵蝕深度相近的侵蝕現(xiàn)象。此研究結(jié)果也說明了當(dāng)降水量達(dá)到誘發(fā)林區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)生的臨界值時(shí)，植被及其根系會(huì)加劇滑坡侵蝕的發(fā)生。對(duì)該方面進(jìn)行研究，有助于重新認(rèn)識(shí)植被固水保土、防災(zāi)減災(zāi)的作用，對(duì)水土保持林草措施布設(shè)具有借鑒意義。

(3)在今后的水土保持工作中，尤其是針對(duì)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目等邊坡治理時(shí)，應(yīng)根據(jù)特定地形、土壤等特點(diǎn)，因地制宜，合理配置喬灌草等各類植被，如：淺根型植被與深根型植被搭配；陡坡種植深根型植被，增加根系的固土深度，從而改善植被提高土體穩(wěn)定性及防治水土流失的作用。在此基礎(chǔ)上，可結(jié)合其它水土保持措施，如：修建坡面排水溝，同時(shí)利用自然溝道匯集徑流，形成地面排水系統(tǒng)，從而加快地面排水；修建滲溝、盲溝等引出滯水及潛水來增加淺層地下排水，用以降低地下水位。通過上述方式，可更好地發(fā)揮植被的水土保持效益。

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Relationship between shallow landslide erosion and vegetation in the Ziwuling forest area: a case study of the “7·21” disaster in Fuxian County

HAN Yong1,3, ZHENG Fenli1,2,*, XU Ximeng2, SHENG Hewei2

1InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling712100,China2InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

To clarify the relationship between surface landslide and vegetation, a case study of the “7·21” rainstorm disaster in Fuxian County, northern Shaanxi Province, was conducted. A typical small watershed in the Ziwuling forest area was selected as the research site. The study investigated the vegetation conditions and landslide characteristics and simultaneously collected soil samples (root weight, soil bulk density, and saturated water content) from different soil layers of the landslide cliff. According to different vegetation conditions (i.e., vegetation type, dominant species, root depth) and shallow landslide characteristics (i.e., erosion depth, width and length of sliding surface, landslide volume, sliding distance), 37 surface landslides were grouped into three types (A, B, and C). The dominant vegetation of types A, B, and C were mainly herbage, shrub, and arbor, respectively. The scale of the landslides was in the order of type A < B < C. The average erosion depth was 45, 63, and 96 cm, and the landslide volume was about 100—500, 300—700, and 500—1500 m3, respectively, for types A, B, and C. Some landslide materials accumulated at the bottom of the slope of types B and C slides, and some landslide materials were even deposited at the gully bed of type C. The results showed that the different types of surface landslide presented unique landslide erosion depths and that these depths were normally equal to the root depth. Moreover, landslide erosion intensity increased with vegetation root weight. Surface landslide was aggravated by vegetation and its roots. We also found that shallow landslide intensity was affected mainly by three factors, root weight, soil porosity, and soil bulk density, and that the heavy rainstorm was the triggering factor in this surface landslide erosion. However, soil porosity and soil bulk density were both affected by root weight, and a linear regression analysis indicated that only root weight made a positive contribution to landslide erosion intensity. The contribution rate of root weight to the landslide erosion intensity exceeded 80%. The shallow landslides corresponding to different vegetation types had different erosion depths and intensities. This means that vegetation and its roots not only have significant effects on shaping the erosion features of shallow landslide but also can affect the degree of landslide erosion intensity. In cases of high precipitation, especially when the precipitation is up to or higher than the critical value, vegetation and its roots will aggravate the development of landslide erosion. In related future works pertaining to soil and water conservation, the soil and water conservation effects of vegetation should be addressed when forestry measures are applied. We can reasonably allocate different types of vegetation and simultaneously supplement with other engineering measures to improve the control of soil and water loss and optimize the benefits of soil and water conservation.

landslide erosion; erosion intensity; vegetation type; roots; “7·21” rainstorm

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271299)

2015- 01- 14; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 11- 17

Corresponding author.E-mail: flzh@ms.iswc.ac.cn

10.5846/stxb201501140117

韓勇，鄭粉莉，徐錫蒙，盛賀偉.子午嶺林區(qū)淺層滑坡侵蝕與植被的關(guān)系——以富縣“7·21”特大暴雨為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4635- 4643.

Han Y, Zheng F L, Xu X M, Sheng H W.Relationship between shallow landslide erosion and vegetation in the Ziwuling forest area: a case study of the “7·21” disaster in Fuxian County.Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4635- 4643.