趙清賀，冀曉玉，徐珊珊，吳長松

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河岸植被對坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的阻控效果

趙清賀，冀曉玉，徐珊珊，吳長松

（1. 河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院，開封 475004； 2. 河南大學黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室，開封 475004）

河岸植被在流域水土保持與非點源污染控制方面具有重要作用。為探究河岸植被阻控坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙效果及其影響因素，該文通過野外模擬徑流沖刷試驗，定量分析了北江干流河岸植被阻控坡面徑流和侵蝕產(chǎn)沙的特征，探討了河岸植被對徑流與泥沙相互關(guān)系的影響以及河岸植被阻控效果與坡度和放水強度的關(guān)系。結(jié)果表明，（1）植被的存在延遲了坡面初始產(chǎn)流時間、降低了坡面徑流系數(shù)、減弱了徑流侵蝕力，放水強度和坡度越大，坡面產(chǎn)流時間越早、徑流系數(shù)越大、植被對徑流的攔截效果越低，其中，植被對不同坡度上徑流系數(shù)的平均阻控效果分別為3.35%、3.36%、4.28%和3.17%，對不同放水強度下徑流系數(shù)的平均阻控效果分別21.69%、17.40%和10.01%，對坡面徑流侵蝕力的阻控效果分別為60.00%、32.23%、27.29%和22.76%；（2）植被坡對坡面累積泥沙量的阻控效果分別為60.14%、32.83%、24.19%和20.86%，植被的存在可以有效提高土壤的抗侵蝕能力并減少侵蝕產(chǎn)沙量和降低侵蝕泥沙中值粒徑，植被阻控泥沙的效果大于其阻控徑流的效果；（3）相關(guān)性分析表明，產(chǎn)流時間與累積泥沙量、粒徑均呈顯著負相關(guān)，植被的存在一定程度上改變了退流時間與兩者之間的關(guān)系；徑流系數(shù)、徑流侵蝕力與累積泥沙量、粒徑均呈顯著正相關(guān)；植被對累積泥沙量和徑流侵蝕力的阻控效果與隨坡度和放水強度的增加而降低。綜上，河岸植被對坡面徑流和泥沙具有不同的阻控效果，且受坡度和放水強度影響顯著，研究結(jié)果可為流域水土保持與河岸植被建設提供支持。

植被；侵蝕；徑流；坡面；河岸帶；北江

0 引 言

河岸帶位于河流與陸地交界處的兩邊，其范圍包括河流廊道的高低水位之間以及從河流高水位至被洪水影響的高地區(qū)域，是流域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有獨特的空間結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能[1]。近年來，隨著自然和人為活動干擾的加劇，河岸帶生態(tài)系統(tǒng)功能退化嚴重，河岸帶生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復和維持逐漸成為流域生態(tài)學研究的熱點之一。針對河岸帶生態(tài)系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外研究主要集中于河岸帶的結(jié)構(gòu)特征[1-2]、河岸帶生物多樣性維持功能及其影響因素[3]、河岸帶在非點源氮素污染防治方面的作用（包括河岸帶截留轉(zhuǎn)化氮素污染物的主要機理和影響因素、河岸帶的模擬和設計等）[4-6]、河岸帶植被在維護河堤及防止土壤侵蝕方面的作用等[7-9]。但是，相比于對河岸帶生物多樣性和農(nóng)業(yè)非點源污染控制機理方面的研究，對河岸帶阻控水土流失的研究還有待加強。

河岸帶植被是流域高地徑流和沉積物向河流傳輸?shù)淖詈笠坏榔琳?，其通過植物吸收、提高入滲、減少徑流與流速、提高土壤抗蝕性與抗沖性等，在攔截、過濾、沉積地表徑流中的土壤顆粒、穩(wěn)固河岸、防止河岸沖刷和坍塌等方面具有重要作用[9-10]。對此，國內(nèi)外研究人員主要從4個方面探討河岸植被與水土保持的關(guān)系：1）植被的存在與否、類型和覆蓋度[11-13]；2）植被的垂直結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)[14-15]；3）植被的種植格局、坡度和坡位[15-16]；4）植被格局與水土流失過程的耦合[17]。雖然各方面均取得了重要成果，但均有待深入。比如，針對河岸植被的存在與否對坡面侵蝕的影響，現(xiàn)有研究主要采用室內(nèi)外模擬降雨或徑流沖刷試驗分析植被的存在對徑流量、泥沙量以及水動力參數(shù)等的影響，以及各參數(shù)之間的相互關(guān)系[11,13,18]，如王志剛等[13]通過室內(nèi)水槽模擬沖刷試驗分析了河岸邊坡草被減流減沙效應及其對坡面流水動力學特征的影響；郭二輝等[12]采用野外調(diào)查的方法分析了城區(qū)河岸帶植被類型對土壤保持的影響。但是，此類研究缺乏探討植被的存在對各參數(shù)之間的相互關(guān)系的影響，以及植被阻控坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙特征對其他控制因子的響應，如坡度、地表粗糙度、降雨或放水強度等。其中，坡度一直是坡面侵蝕研究的重要因素，因此有必要探討坡度對植被攔截徑流泥沙效果的影響。放水強度代表上坡來水條件對植被阻控徑流泥沙效果的影響，對其分析有助于我們在理解植被蓋度與坡度作用的前提下，針對上坡的可能來水條件，最大限度地發(fā)揮植被的作用，盡可能減少不同來水條件造成的水土流失，為河岸帶植被建設提供依據(jù)。因此，本研究針對坡地水土流失現(xiàn)象較為嚴重的北江上游，通過野外人工模擬徑流沖刷試驗，研究北江干流河岸帶植被阻控坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙特征，并在對比分析河岸植被對坡面徑流和泥沙影響的基礎(chǔ)上，探討河岸植被對坡面侵蝕過程中徑流與泥沙相互關(guān)系的影響，揭示河岸植被阻控效果與坡度、放水強度的響應關(guān)系，以期為研究區(qū)水土保持工作提供支持。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的試驗小區(qū)位于廣東省韶關(guān)市仁化縣周田鎮(zhèn)平甫村（24°56′N，113°47′E）南側(cè)的北江上游河岸帶。研究區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候，光熱資源豐富，全年平均氣溫22 ℃左右，無霜日330 d以上。研究區(qū)雨量充足，年平均降雨量為1 665 mm左右，年降雨時間為172 d，主要集中在雨季（4－9月），占全年降水量的70%，旱季（10－次年3月）降雨較少[19]。研究區(qū)地貌以山地和丘陵為主，巖石主要為花崗巖、石灰?guī)r、紫色砂頁巖等，土壤主要以地理發(fā)生分類的黃壤和紅壤為主，夾雜水稻土、紫色土和石灰土等[19-20]。研究區(qū)河岸帶屬于山地丘陵河岸帶，坡度范圍為0～20°，河流兩岸階地沉積物受地下水運動和耕作活動影響顯著，表層土壤主要為潮土。研究區(qū)農(nóng)業(yè)資源豐富，是粵北地區(qū)主要的商品糧基地和農(nóng)產(chǎn)品集散地，同時也是植被破壞和水土流失比較嚴重的區(qū)域（2008年北江上游16.36%的土地處于水土流失狀態(tài)）[20]。研究區(qū)河岸帶及其上坡地利用類型主要為農(nóng)田、果園和人工林，植被類型主要為馬尾松次生林、桉樹林、竹林和稀樹草坡以及農(nóng)作物等。

1.2 試驗小區(qū)布設

河岸帶的邊界有2個，即水域-陸地邊界和河岸帶-高地邊界。前者顯而易見，而后者的界定則有較大困難。目前比較常用的方法為橫斷面法，即在河岸兩側(cè)或一側(cè)垂直于河流方向上設立從河邊一直到高地的橫斷面，采用植被分析法和土壤分析法界定河岸帶邊界。但是，尺度不同、界定標準不同、方法不同，河岸帶的上邊界就會不同。另外，相比于平原河岸帶，山地丘陵地區(qū)的河岸帶上下邊界之間的高差相對較大，即便如此，為更好地反映河岸帶的特征，本研究所設置的4個試驗小區(qū)，均位于接近水域-陸地邊界的上側(cè)，果園和農(nóng)田的下坡方向，即岸邊至高地土地利用為農(nóng)田（西瓜地）-果園（橘園）。本研究采用徑流沖刷試驗而沒有采用人工模擬降雨試驗，主要出于以下考慮：首先，河岸帶是位于河流與高地之間的過渡帶，具有狹長的特點，因此與其本身受降雨濺蝕相比，受上坡來水沖刷的影響更為顯著，采用徑流沖刷試驗更為合適；其次，試驗條件限制，人工降雨試驗受外界影響因素較多（風、水、電等），對試驗條件要求較高，而徑流沖刷試驗則相對較低。

首先，根據(jù)河岸坡度的梯度變化，在河岸帶坡面選擇4個受人為干擾小、下墊面狀況基本一致的自然坡面（表1），采用反三角函數(shù)法對試驗下墊面進行坡度取量，分別為7°、9°、11°和15°，各小區(qū)下墊面情況見表1。其次，布設試驗小區(qū)：每個試驗小區(qū)長3 m，寬1 m，兩側(cè)用6 塊長1 m、高0.3 m、厚1 mm的鋼板圍合，地下和地上部分各為0.15 m；緊靠小區(qū)頂端，為使放水經(jīng)緩沖能徐徐地、均勻地、以薄層水流的形式流入小區(qū)，放置1個與小區(qū)等寬、緊貼地面、與兩側(cè)密封連接的穩(wěn)流槽，通過水平儀確保穩(wěn)流槽水平；緊靠小區(qū)底端，放置與小區(qū)等寬、緊貼地面、與兩側(cè)密封連接的集流槽；在集流槽下方，挖1個與小區(qū)等寬的圓形土坑，用以放置收集泥沙樣品的集流桶[20]。最后，在小區(qū)1、2和3 m處設置觀測斷面，用于觀測流速、流寬和流深。

表1 坡面及土壤的特征

1.3 試驗方案

按北江地區(qū)暴雨發(fā)生頻率在野外標準徑流小區(qū)上產(chǎn)生的單寬徑流[20]，本研究將放水強度設置為9、12和15 L/min。試驗用水采用附近農(nóng)田機井用水泵抽取的地下水。為對比分析植被阻控坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙特征，本研究設置1個植被蓋度（植被坡，25%蓋度）和1個對比坡（裸坡，0%蓋度）。各小區(qū)植被為自然植被。本研究選擇25%的植被蓋度主要基于兩點：首先，是研究區(qū)河岸帶植被概況。其次，是前人對植被蓋度減沙效果的分析，如朱冰冰等[21]表明當植被蓋度達到20%時可通過機械阻擋和減緩徑流有效攔截坡面產(chǎn)生的泥沙，而許炯心等[22]、韓鵬等[23]以及其他相關(guān)研究對植被蓋度減沙效果臨界值的研究結(jié)果則不太一致，但不同地區(qū)、不同尺度的臨界蓋度基本上位于40%～60%之間[17]。因此，本研究根據(jù)研究區(qū)植被概況，在考慮植被既可以有效發(fā)揮阻控作用又不受臨界蓋度影響的前提下，選擇25%作為植被蓋度開展研究。蓋度的提取，為人工修剪自然植被至設定蓋度：首先，在不擾動小區(qū)下墊面土壤的情況下，對小區(qū)植物進行簡單修理，并盡量保證各小區(qū)植物種類相同；其次，借助相機（Canon SX60 HS）在小區(qū)正上方沿坡對小區(qū)進行垂直拍照，利用Photoshop CS4軟件對照片進行處理來獲取植被蓋度（為保證提取精準，此過程重復多次直至獲取的蓋度與實際設定的蓋度（25%）相比誤差在0.5%之內(nèi)）；最后，裸坡為在不擾動表層土壤和破壞微地形的前提下剪除坡面植被。本研究各處理未設置重復，主要原因：針對多因素（放水強度、坡度、植被蓋度）多水平（3個放水強度、4個坡度、2種植被蓋度）的情況，采用目前使用較多的正交試驗的設計方法；野外原位試驗不同于室內(nèi)控制試驗，控制變量難以重復，找到滿足試驗重復設計的自然坡岸十分困難。

試驗前，為了保證每次試驗下墊面水分初始條件基本一致，先用撒水器在試驗小區(qū)內(nèi)均勻撒水，撒水量控制在土壤表面達到充分飽和但未產(chǎn)流的程度；率定放水強度，通過微調(diào)閥門調(diào)節(jié)放水強度至預設放水強度（誤差小于2%），保持水箱為滿載狀態(tài)以降低水箱水壓變化對放水強度的影響。試驗開始后，記錄初始產(chǎn)流時間，從產(chǎn)流開始計時，歷時30 min，前5 min每隔1 min取徑流泥沙樣，后25 min每隔5 min取徑流泥沙樣，共收集10次樣品，用以測定徑流量與泥沙量，試驗過程中測量流速、流寬、流深，試驗結(jié)束后用秒表記錄退流時間。另外，由于7°植被坡上15 L/min放水量下的泥沙樣品在室內(nèi)處理過程中未能完整保存，導致此處理的泥沙累積量數(shù)據(jù)缺失，為保持數(shù)據(jù)統(tǒng)一，在分析過程中15 L/min放水量下7°植被坡的結(jié)果未考慮在內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

坡面流速測定采用高錳酸鉀染色劑法，每5 min測量1次（每次測量都包含3個斷面流速和全程流速），最后取平均值乘以修正系數(shù)0.67作為坡面平均流速[20]。流深用直尺法測定，用直尺在同一過水斷面不同水流位置測定3次，取平均值。每個處理的10次樣品，經(jīng)烘干處理后混合為1個混合樣，采用四分法取出部分土樣，采用馬爾文粒徑分析儀（MALVERN 2000）測定每個混合樣的顆粒組成，并根據(jù)美國制土壤粒徑分級標準，輸出不同粒級顆粒百分含量（%）及中值粒徑（D50）大小。

徑流系數(shù)=累積徑流量/累積放水量 （1）

本文采用徑流動能表示徑流侵蝕力，公式如下[24-25]：

式中為徑流動能，J；為徑流容重，N/m3；為徑流量，m3；為流速，m/s；為重力加速度，9.8 m/s2。

植被對徑流/泥沙的阻控效果采用如公式計算：

式中為阻控效果；b和Y分別為裸坡和植被坡的徑流侵蝕力或累積泥沙量。

使用SPSS 17.0 和Origin 9.0 軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 河岸植被阻控坡面徑流特征

2.1.1 初始產(chǎn)流時間與退流時間

植被可以增強土壤入滲性能，延緩地表產(chǎn)流時間和降低地表徑流的流速，進而減少地表徑流量及其侵蝕產(chǎn)沙量[26]。本研究中，植被、坡度和放水強度對坡面產(chǎn)流時間和退流時間具有一定影響，放水沖刷試驗條件下北江干流河岸坡面初始產(chǎn)流和退流時間存在明顯規(guī)律。如圖1所示，相同坡度和放水強度情況下，植被的存在明顯延遲了坡面初始產(chǎn)流時間，但受坡度與放水強度的共同作用，延遲幅度存在明顯差異，隨坡度增大延遲幅度呈先增大后減小的趨勢；相同放水強度條件下，坡度越大，坡面產(chǎn)流時間越早，這與徑流在坡面上的水平分力較大和徑流入滲的減少有關(guān)。相同坡度條件下，隨放水強度的增大，坡面初始產(chǎn)流時間大幅提前。研究表明，坡面土壤入滲能力與粒徑<0.002 mm的黏粒含量呈負相關(guān)[27]。本研究的試驗地位于華南紅壤區(qū)，土壤質(zhì)地屬于紅壤黏土，因此產(chǎn)流時間遠小于相同或近似試驗條件下的黃土[27]，亦小于人工模擬降雨試驗下南方典型黏土的產(chǎn)流時間[28]，但初始產(chǎn)流時間與坡度和放水量（或降雨強度）的關(guān)系是一致的。植被對退流時間的影響與初始產(chǎn)流時間不盡一致。相同放水強度條件下，植被對退流時間的影響隨坡度的增加呈先延遲后提前的趨勢：在較緩坡面上（7°和9°），植被的存在可以延遲退流時間；而在較陡的坡面（11°和15°）上，植被的存在可以減少退流時間。隨放水強度增加，坡面徑流退流時間呈增加趨勢。

2.1.2 徑流系數(shù)

本試驗中，忽略蒸發(fā)量，上方來水流經(jīng)小區(qū)主要轉(zhuǎn)化為坡面徑流和入滲2部分。徑流系數(shù)可以反映小區(qū)植被和坡度對上方來水的影響。圖2為不同放水強度下河岸植被對坡面徑流系數(shù)的影響，由圖2可知，植被坡徑流系數(shù)明顯低于裸坡，這與植被坡通過降低坡面徑流流速和有效增加入滲量從而減少坡面徑流有關(guān)。植被對不同坡度徑流系數(shù)的平均阻控效果分別為3.35%、3.36%、4.28%和3.17%，表明植被對徑流系數(shù)的阻控效果隨坡度增加呈先增大后減小的趨勢。植被對不同放水強度徑流系數(shù)的平均阻控效果分別21.69%、17.40%和10.01%，表明放水強度越小植被的阻控效果越高。隨坡度和放水強度的增加，徑流系數(shù)雖均呈增加趨勢，但植被坡對徑流量的攔截作用則逐漸減弱，植被坡與裸坡之間的差異逐漸減小，說明植被的減流效果受坡度和放水強度的影響，在較小的放水強度和坡度下，植被的減流效果更為明顯，坡度或放水強度較大時則較弱，顯示了植被的減流效果可能是一個隨坡度或放水強度增加而降低的函數(shù)[29]。本研究結(jié)果與人工模擬降雨試驗條件下的黃土坡面相比，規(guī)律基本一致，但沖刷試驗的徑流系數(shù)高于降雨試驗[21]。

圖1 不同放水強度下河岸植被對坡面初始產(chǎn)流時間和退流時間的影響

圖2 不同放水強度下河岸植被對坡面徑流系數(shù)的影響

2.1.3 徑流侵蝕力

由圖3可知，徑流侵蝕力隨放水強度和坡度的增加而增加，表明放水強度和坡度的增加可以增強徑流在垂向和水平方向上的動能和勢能，進而增加坡面徑流沖刷能力，導致坡面土粒被剝離和搬運的趨勢加劇。但是，植被的存在降低了坡面徑流侵蝕力，進而減弱上方來水對坡面的沖刷。裸坡平均徑流侵蝕力（不同放水強度的平均值）在4個坡面上分別為3.07、3.51、3.85和4.25 J，植被坡的平均徑流侵蝕力分別為1.23、2.38、2.80和3.29 J，植被坡對坡面徑流侵蝕力的阻控效果分別為60.00%、32.23%、27.29%和22.76%，說明隨放水強度和坡度的增加，植被減弱坡面徑流侵蝕力的效果越來越小，其原因與徑流侵蝕力隨放水強度和坡度增加的幅度遠大于植被阻控坡面徑流侵蝕力的幅度有關(guān)。土壤侵蝕是一個做功消耗能量造成土壤顆粒分散的過程，進而產(chǎn)生土壤顆粒的輸移。植被通過改變徑流的侵蝕動力特性，進而影響侵蝕過程和結(jié)果[21,30]，因此本文結(jié)合前人研究[24-25]，采用徑流動能表示徑流侵蝕力，以反映植被對坡面徑流沖刷能力的影響。與本研究不同，亦有研究采用徑流剪切力[26,31]、坡面徑流功率[21,32]等表示徑流侵蝕力，并分別得出兩者與侵蝕泥沙量顯著相關(guān)。用徑流剪切力描述坡面土壤侵蝕過程時，由于坡面徑流水深的不均勻性，其缺乏考慮徑流侵蝕能力沿坡面的不均勻分布特征；相比之下，坡面徑流動能和徑流功率只需考慮用于侵蝕所消耗的能量（出水口與進水口的能量差值），能較好地消除坡面徑流水深的不均勻性帶來的誤差[25]。

圖3 不同放水強度下河岸植被對坡面侵蝕力的影響

2.2 河岸植被阻控坡面產(chǎn)沙

2.2.1 累積泥沙量

坡度增加，上方來水入滲量減小、坡面徑流增大（流速和侵蝕力增大），坡面土體受斜坡重力切向分力的影響隨之增加，導致坡面土體不穩(wěn)定性增加而更易被坡面徑流剝離；放水強度增加，坡面單位面積和時間內(nèi)的沖刷量隨之增加，導致徑流剝離和搬運土壤顆粒的能力更強。因此，累積泥沙量隨坡度和放水強度的增加而增加（圖4）。同一試驗條件下，累計泥沙量可以反映坡面植被的減沙作用的大小。由圖4可知，裸坡平均累積泥沙量（不同放水強度的平均值）在4個坡面上分別為177.56、227.83、381.13和638.63 g，而植被坡的平均累積泥沙量分別為70.77、153.03、288.93和505.40 g，植被坡對坡面累積泥沙量的阻控效果分別為60.14%、32.83%、24.19%和20.86%，表明植被的存在可以有效提高土壤的抗侵蝕能力并減少侵蝕產(chǎn)沙量，但植被阻控泥沙量的效果隨坡度和放水強度的增加而降低。植被阻控泥沙量效果與坡度的關(guān)系，與以往在黃土高原[27,30]和南方紅壤[28-29]的研究結(jié)果一致，但植被阻控泥沙量效果與放水強度的關(guān)系與張思毅等[29]模擬降雨情況下香附子阻控泥沙的結(jié)果不同，分析其原因，首先可能與試驗方法不同有關(guān)，放水試驗只考慮上坡來水條件下徑流對坡面土粒的剝離與搬運過程，而降水試驗則多考慮了降雨對土壤坡面的濺蝕作用；其次可能與土壤坡面性質(zhì)有關(guān)，本研究的試驗坡面為原生坡面，土壤物理性質(zhì)受人為影響較小，而張思毅等[29]的試驗坡面為容重與原狀土容重相同的人工土槽裝土坡面，雖土壤容重相同，但土壤的其他物理性質(zhì)尤其是土粒之間的關(guān)系受破壞嚴重，與原狀土差異較大；最后是植物類別與種植方式不同，本研究試驗小區(qū)植被為自然植被，后者則為人工移栽。

圖4 不同放水強度下河岸植被對累積泥沙量的影響

2.2.2 侵蝕泥沙粒徑

在顆粒級配曲線上與縱坐標50%相應的粒徑稱為中值粒徑（D50），對于一個處理樣，粒徑大于或小于D50的泥沙在質(zhì)量上相等，因此，D50越大，則侵蝕泥沙顆粒越粗；反之則越細。由圖5可知，植被坡侵蝕泥沙中值粒徑明顯低于裸坡，表明植被的存在可以減緩徑流和地下根系固土等，有效阻控坡面徑流對土壤顆粒的剝離和搬運。同時，隨放水強度和坡度的增加，侵蝕泥沙中值粒徑基本呈增大趨勢，表明坡面侵蝕過程中細小顆粒易受水流影響而脫離坡體，進而被水流挾帶輸移，但隨放水強度和坡度的增加（徑流侵蝕力增加），粗顆粒逐漸被坡面徑流剝離和搬運。這與吳鳳至等[33]研究的黃土的泥沙黏粒含量隨坡度的增加逐漸減小的結(jié)果相一致，亦與彭怡等[34]研究的紫色土和張怡等[35]研究的褐土在小于臨界坡度20°時細砂粒含量隨坡度增大而增加、粉粒和黏粒含量隨坡度增大而較少的結(jié)果相吻合。但是，在整個侵蝕過程（或沖刷過程）中，侵蝕泥沙顆粒的大小是不斷發(fā)生變化的[36-37]，隨沖刷時間的延長，各坡面侵蝕泥沙顆粒將繼續(xù)變粗并趨于穩(wěn)定[38]。

圖5 不同放水強度下河岸植被對侵蝕泥沙粒徑的影響

2.3 河岸植被對坡面徑流與侵蝕產(chǎn)沙相互關(guān)系的影響

坡面徑流與侵蝕產(chǎn)沙有密切的關(guān)系，通過相關(guān)性分析得知（表2），產(chǎn)流時間與累積泥沙量和粒徑顯著負相關(guān)（<0.05或<0.01），表明產(chǎn)流時間可以間接指示侵蝕產(chǎn)沙量的大小。退流時間與累積泥沙量相關(guān)性不顯著（>0.05），但是植被的存在一定程度上改變了兩者之間的關(guān)系，裸坡情況下兩者呈正相關(guān)，而有植被存在情況下兩者呈微弱的負相關(guān)；相似地，裸坡的退流時間與粒徑呈顯著正相關(guān)（<0.01），而在植被坡上雖不顯著但卻呈負相關(guān)。這可能與植被在較緩坡面上可以延遲退流時間而在較陡的坡面上可以縮短退流時間有關(guān)：在特定試驗時間內(nèi)（30 min），所設定的放水強度高于下滲強度而發(fā)生超滲產(chǎn)流，試驗結(jié)束時，緩坡和陡坡的下滲完成情況不同，緩坡可能屬于蓄滿產(chǎn)流而陡坡仍處于超滲產(chǎn)流或者混合產(chǎn)流階段[26]。

徑流系數(shù)與累積泥沙量和粒徑呈顯著正相關(guān)（<0.01），隨徑流系數(shù)增加，增加的徑流量和流速提高了徑流剝離能力和挾沙能力，在表層細顆粒含量減少的前提下，侵蝕泥沙呈逐漸粗?；厔荨Ｖ脖坏拇嬖?，雖在一定程度上降低了徑流系數(shù)，但并未改變徑流系數(shù)與累積泥沙量和粒徑的關(guān)系。

徑流侵蝕力與累積泥沙量和粒徑呈顯著正相關(guān)（裸坡<0.05；植被坡<0.01），這與徑流在受地形、植被和土壤等因素影響的同時其本身又影響侵蝕產(chǎn)沙有關(guān)，其所具有的能力大小或者動能在很大程度上決定坡面侵蝕產(chǎn)沙的多少，流量越大或者坡度越大，水流動能或勢能轉(zhuǎn)化為的動能就越大，侵蝕產(chǎn)沙率亦越大，能夠剝離和輸移的土壤顆粒越大[36]。植被的存在，促使徑流侵蝕力與累積泥沙量和粒徑之間的相關(guān)性更加顯著。本研究中徑流侵蝕力與侵蝕產(chǎn)沙量顯著線性正相關(guān)的結(jié)果，與張樂濤等[24]、吳淑芳等[25]的結(jié)果一致。而與朱冰冰等[21]相同蓋度下降雨侵蝕力與侵蝕產(chǎn)沙量相關(guān)性不顯著的結(jié)果不一致，主要原因為降雨侵蝕力僅反映了降雨引起土壤侵蝕的潛在能力，無法準確表達下墊面狀況對產(chǎn)匯流以及侵蝕產(chǎn)沙過程的影響，而徑流侵蝕力則由徑流量和流速直接計算而來，更能直接反應徑流對下墊面的作用強度。

表2 河岸植被對坡面徑流與侵蝕產(chǎn)沙相互關(guān)系的影響

注：*. 在 0.05 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)；**. 在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: *, significant correlation at 0.05 level (bilateral); **, significant correlation at 0.01 level (bilateral).

2.4 坡度與放水強度對河岸植被阻控坡面侵蝕產(chǎn)沙效果的影響

關(guān)于植被阻控坡面侵蝕產(chǎn)沙的研究成果頗多，但對其影響因素，主要從植被自身差異（植被類型、位置或者格局）著手[17,26]，缺少考慮外部因素的影響，如地形、坡度、放水量或者降雨量等?；诖耍狙芯糠治銎露扰c放水強度對河岸植被阻控坡面侵蝕產(chǎn)沙效果的影響。

如圖6所示，植被對累積泥沙量和徑流侵蝕力的阻控效果均隨坡度和放水強度的增加而降低。對比發(fā)現(xiàn)，植被的阻控效果隨坡度增加而降低的幅度大于隨放水強度增加而降低的幅度，說明坡度對植被阻控效果的影響強于放水強度。隨坡度的增大，植被攔截效果降低，說明要有效發(fā)揮水土保持作用，河岸植被措施在不同坡度下需要有不同的有效蓋度[29]。根據(jù)研究結(jié)果，坡度越大，如果要達到與緩坡相同的阻控效果，需要更大的有效植被蓋度。但是，植被蓋度對徑流泥沙的阻控效果具有臨界值，當大于臨界蓋度時，植被蓋度的增加并不會提升阻控效果[17,21-23]。因此植被的阻控效果受各種下墊面狀況的綜合影響，如，植被（類型、結(jié)構(gòu)、格局，等）、地形（地表粗糙度、坡度）、土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地、降雨和徑流特征等，要有效提升河岸帶水土保持功能需加強對植被阻控坡面侵蝕產(chǎn)沙效果影響因素的深入研究。

圖6 坡度與放水強度對河岸植被阻控坡面侵蝕產(chǎn)沙效果的影響

3 結(jié) 論

1）放水沖刷試驗條件下北江干流河岸坡面初始產(chǎn)流和退流時間存在明顯的規(guī)律，相同坡度和放水強度情況下，植被的存在延遲了坡面初始產(chǎn)流時間，而放水強度和坡度越大，坡面產(chǎn)流時間越早；植被的存在降低了坡面徑流系數(shù)，隨坡度和放水強度的增加，徑流系數(shù)雖均呈增加趨勢，但植被坡對徑流量的攔截作用則逐漸減弱，植被對不同坡度徑流系數(shù)的平均阻控效果分別為3.35%、3.36%、4.28%和3.17%，對不同放水強度徑流系數(shù)的平均阻控效果分別21.69%、17.40%和10.01%，表明在較小的放水強度和坡度下，植被的減流效果更為明顯，植被的存在降低了坡面徑流侵蝕力。

2）植被的存在可以有效提高土壤的抗侵蝕能力并減少侵蝕產(chǎn)沙量和降低侵蝕泥沙中值粒徑，但植被阻控泥沙量的效果隨坡度和放水強度的增加而降低，侵蝕泥沙中值粒徑基本呈增大趨勢；通過對比分析發(fā)現(xiàn)，植被的減沙效果大于其減流效果。

3）相關(guān)分析表明，產(chǎn)流時間與累積泥沙量和粒徑均呈顯著負相關(guān)（<0.05或<0.01），植被的存在一定程度上改變了退流時間與兩者之間的關(guān)系；徑流系數(shù)與累積泥沙量和粒徑呈顯著正相關(guān)（<0.01），徑流侵蝕力與累積泥沙量和粒徑呈顯著正相關(guān)（裸坡<0.05；植被坡<0.01），表明放水強度或者坡度越大，侵蝕產(chǎn)沙量及其粒徑越大；植被對累積泥沙量和徑流侵蝕力的阻控效果均隨坡度和放水強度的增加而降低。

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Inhibiting effect of riparian vegetation on erosion and sediment yield of slope runoff

Zhao Qinghe, Ji Xiaoyu, Xu Shanshan, Wu Changsong

(1.,,475004,; 2.,,475004,)

Riparian vegetation plays a vital role in maintaining multiple ecosystem functions and providing various ecosystem services for human society. Especially, riparian vegetation acts as a buffer for the stream by intercepting and retaining sediment, nutrients, and pollutants carried in surface runoff before they enter the stream. However, the buffering effects of riparian vegetation are sometimes limited by different factors, such as soil type, slope gradient, rainfall and scouring intensities, and vegetation coverage. Therefore, the upstream of the Beijiang River in Guangdong Province of southern China was selected as a case, and the characteristics of riparian vegetation in inhibiting runoff and sediment in erosion process of red soil slope were explored in this paper. Specifically, using the runoff scouring experiments in situ, the characteristics of riparian vegetation in inhibiting slope erosion along Beijiang River were explored, which aimed to further clarify the effects of riparian vegetation on relationship between overland flow and sediment yield as well as the response of inhibiting effect of vegetation to slope gradient and scouring intensity. The results show that the time of runoff initiation and duration of runoff recession on riparian slope along the Beijiang River exhibited obvious rule under the condition of runoff scouring, namely, the existence of vegetation can delay the time of runoff initiation under the same condition of slope gradient and scouring intensity, and the greater slope gradient and scouring intensity can result in the earlier runoff generation. Vegetation can reduce the runoff coefficient of riparian slope, while the trapping effects of riparian vegetation on runoff amount can be decreased in spite of the fact that the runoff coefficient increases with the increasing slope gradient and scouring intensity. The inhibiting effect of vegetation to slope runoff is more significant under lower slope gradient and scouring intensity. The inhibiting effect of vegetation to runoff coefficient at different slope gradients is 3.35%, 3.36%, 4.28%, and 3.17%, respectively, while under different scouring intensities it is 21.69%, 17.40%, and 10.01%, respectively. Riparian vegetation can reduce runoff erosivity in slope soil erosion process, and greater slope gradient and scouring intensity can result in lower inhibiting effect of vegetation to runoff erosivity. The inhibiting effect of vegetation to runoff erosivity at different slope gradients is 60.00%, 32.23%, 27.29%, and 22.76%, respectively. Riparian vegetation can effectively improve the resistance ability of soil and reduce the yield and median particle size of sediment. The effect of vegetation in inhibiting sediment, which is 60.14%, 32.83%, 24.19%, and 20.86% respectively, is larger than that in inhibiting runoff. Correlation analysis showed that the time of runoff initiation is significantly and negatively correlated with accumulation of sediment yield and sediment particle size, and vegetation can alter relationship between the duration of runoff recession and accumulation of sediment yield and sediment particle size. Runoff coefficient and runoff erosivity both are significantly and positively correlated with the accumulation of sediment yield and sediment particle size, and the effect of vegetation in inhibiting the accumulation of sediment yield and runoff erosivity reduces with the increasing slope gradient and scouring intensity. In conclusion, effect of riparian vegetation in inhibiting erosion sediment is larger than that in inhibiting slope runoff, and is significantly influenced by slope gradient and scouring intensity. Results from the present study can provide the basis for watershed soil and water conservation as well as the restoration and reestablishment of riparian vegetation.

vegetation; erosion; runoff; slope; riparian zone; Beijiang River

趙清賀，冀曉玉，徐珊珊，吳長松. 河岸植被對坡面徑流侵蝕產(chǎn)沙的阻控效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(13)：170－178. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.020 http://www.tcsae.org

Zhao Qinghe, Ji Xiaoyu, Xu Shanshan, Wu Changsong. Inhibiting effect of riparian vegetation on erosion and sediment yield of slope runoff[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 170－178. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.020 http://www.tcsae.org

2018-01-26

2018-04-19

國家自然科學基金項目（41301197）；河南省高等學校重點科研項目（18A170004）；河南省高校科技創(chuàng)新團隊支持計劃（16IRTSTHN012）

趙清賀，副教授，博士，主要從事流域生態(tài)水文方面的研究。Email：zhaoqinghe@henu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.020

S157.1

A

1002-6819(2018)-13-0170-09