婁永才，高照良,，李永紅,，齊星圓，張 恒，陳 卓，蘇 媛，馮志倩

不同上方來(lái)水模式下工程堆積體坡面的植被調(diào)控

婁永才1，高照良1,2※，李永紅1,2，齊星圓1，張 恒1，陳 卓1，蘇 媛2，馮志倩1

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

為揭示植被格局對(duì)工程堆積體坡面水沙調(diào)控的影響，采用野外模擬徑流沖刷試驗(yàn)，分析了4種上方來(lái)水模式（均勻型、峰值前型、峰值中型和峰值后型）下坡面5種覆草格局（裸坡、坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局）的侵蝕特征。結(jié)果表明：水流功率與土壤剝蝕率之間相關(guān)性最高且呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（2=0.47～0.72，<0.01），是描述堆積體侵蝕動(dòng)力機(jī)制的最優(yōu)參數(shù)。植被格局的減流效益在12.23%～49.62%之間，減沙效益在12.92%～80.54%之間，減沙效益高于減流效益；帶狀和坡頂聚集格局的平均減流減沙效益分別為43.87%、58.09%和30.55%、54.41%，顯著優(yōu)于其他植被格局，在治理堆積體水土流失時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮這兩種植被格局。植被格局下侵蝕泥沙中砂粒含量較對(duì)照小區(qū)減小了18.79%～35.80%，黏粒含量增加了3.56%～10.69%，表明植被對(duì)砂粒的攔截效果顯著；侵蝕泥沙顆粒體積分形維數(shù)主要由黏粒體積分?jǐn)?shù)決定，兩者呈極顯著線性相關(guān)關(guān)系（2=0.90，<0.01）。植被格局的砂粒富集率較對(duì)照小區(qū)相對(duì)減小，黏粒富集率相對(duì)增加，體積分形維數(shù)增大；侵蝕泥沙中黏粒和砂粒遷移方式以團(tuán)粒為主，粉粒則以單粒為主。該研究可為工程堆積體水土流失植被防控措施的配置提供參考。

土壤；侵蝕；植被；上方來(lái)水模式；土壤顆粒；分形維數(shù)；工程堆積體

0 引 言

棄土棄渣和人為擾動(dòng)地面是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目新增水土流失的主要來(lái)源，其中由棄土棄渣堆置形成的工程堆積體產(chǎn)生的水土流失引發(fā)廣泛關(guān)注。與原地貌相比，工程堆積體具有物質(zhì)組成復(fù)雜、土體結(jié)構(gòu)性差、坡度陡、抗蝕和抗沖性弱等特點(diǎn)導(dǎo)致其在降雨或上方來(lái)水條件下極易發(fā)生水土流失，從而危害區(qū)域生態(tài)環(huán)境健康，引發(fā)環(huán)境災(zāi)害。

工程堆積體通常由平臺(tái)和坡面兩部分組成，平臺(tái)是降雨時(shí)徑流的主要匯集區(qū)，其匯集的上方來(lái)水是誘發(fā)堆積體坡面土壤侵蝕的主要原因，因?yàn)樯戏絹?lái)水是坡面徑流能量傳遞和泥沙輸移的載體，它從根本上改變了坡面下部的水文輸入條件，調(diào)節(jié)了徑流侵蝕力的分配[1]，改變了坡面土壤侵蝕的發(fā)展過(guò)程，加劇了坡面土壤侵蝕程度。目前，多采用室外或室內(nèi)放水沖刷的方式模擬上方來(lái)水對(duì)坡面土壤侵蝕的影響，雖然在上方來(lái)水對(duì)坡面土壤水分再分布[2]、淺溝侵蝕[3-5]、土壤侵蝕過(guò)程[6-8]、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)[9-11]等的影響方面取得了不錯(cuò)的研究成果，但大多都是基于恒定上方來(lái)水（恒流）條件下，且未考慮降雨徑流時(shí)空格局變化對(duì)坡面侵蝕的影響，對(duì)非恒定（變流）條件下坡面徑流侵蝕響應(yīng)研究較少，從而不利于深入理解上方來(lái)水模式對(duì)坡面侵蝕過(guò)程的調(diào)控。

植被作為生物措施能夠削弱降雨或地表徑流侵蝕、增加入滲量和減少?gòu)搅髁俊⑻岣咄寥赖目箾_和抗蝕性等被認(rèn)為是防治土壤侵蝕的根本措施。研究表明，調(diào)整植被結(jié)構(gòu)可以有效改善土壤性狀和減輕土壤侵蝕，但不合理的植被格局則可能會(huì)加劇土壤侵蝕或者水土流失的發(fā)生[12]，且不同植被空間格局也是造成坡面土壤侵蝕差異性的一個(gè)重要因素[13-15]。雖然目前許多研究涉及到坡面侵蝕產(chǎn)沙的植被格局變化響應(yīng)[16-18]，但限于“格局-過(guò)程”這一地學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域前沿問(wèn)題的復(fù)雜性，以及侵蝕產(chǎn)沙變化中多因素耦合作用的特點(diǎn)，植被格局對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響目前仍不明確[19]：缺乏植被格局調(diào)控洪峰量的效益量化；植被格局對(duì)不同上方來(lái)水模式的調(diào)控最佳模式不清；不同植被格局下侵蝕泥沙顆粒分形與分選特征不清。

鑒于此，本文通過(guò)模擬徑流沖刷試驗(yàn)對(duì)不同植被格局下工程堆積體邊坡侵蝕特征進(jìn)行對(duì)比研究，明確植被格局對(duì)不同上方來(lái)水模式條件下工程堆積坡面水沙調(diào)控的影響，闡述不同植被格局下工程堆積體坡面侵蝕泥沙顆粒分布和分選特征，以期為工程堆積體邊坡水土流失的措施配置提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)小區(qū)概況

本試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所楊凌嶺后試驗(yàn)站（34°19′24″N，107°59′36″E）室外進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為塿土，試驗(yàn)小區(qū)修筑在工程開挖坡面上，開挖面土壤母質(zhì)為馬蘭黃土，小區(qū)覆土為工程開挖產(chǎn)生的棄土。試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)20 m，寬1 m，覆土厚0.5 m。小區(qū)覆土土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，土壤顆粒粒徑0.1～2.0，0.05～0.1，0.02～0.05，0.01～0.02，0.005～0.01，0.002～0.005和<0.002 mm含量依次為4.08%，6.94%，27.71%，17.91%，8.64%，7.16%和27.56%。試驗(yàn)采用放水沖刷的方式，利用恒壓供水以保證溢流槽出流均勻（圖1），通過(guò)調(diào)節(jié)閥與水表配合進(jìn)行流量率定，通過(guò)穩(wěn)流槽獲得平穩(wěn)、恒定的出流。試驗(yàn)小區(qū)及模擬徑流放水裝置示意圖見(jiàn)圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與過(guò)程

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)20年一遇最大暴雨強(qiáng)度，并結(jié)合前期預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，在放水總量一致的情況下（900 L），試驗(yàn)設(shè)計(jì)4種上方來(lái)水模式（圖2）：均勻型、峰值前型、峰值中型和峰值后型，以間接反映降雨的時(shí)間分布特征和下墊面條件對(duì)匯流過(guò)程的影響。4種來(lái)水模式平均放水流量均為20 L/min，放水沖刷過(guò)程分為前、中、后3個(gè)階段，每個(gè)階段持續(xù)15 min，場(chǎng)次放水沖刷時(shí)間為45 min。根據(jù)已有研究設(shè)計(jì)試驗(yàn)邊坡坡度為32°[20]，人工草皮覆蓋度為50%[21-22]。草皮鋪設(shè)后進(jìn)行為期一周的養(yǎng)護(hù)，草皮在坡面的空間配置設(shè)計(jì)4種：坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局，植被面積為10 m2（1塊×10 m×1 m；10塊×1 m×1 m），設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照小區(qū)作為比較，試驗(yàn)共40場(chǎng)（重復(fù)2次）。

1.蓄水桶 2.水閥 3.恒壓桶 4.溢流管 5.流量計(jì) 6.溢流槽 7.觀測(cè)斷面 8.坡度 9.試驗(yàn)小區(qū) 10.集流桶

a. 均勻型a. Constantb. 峰值前型 b. Earlier peakc. 峰值中型c. Medium peakd. 峰值后型d. Later peak

試驗(yàn)小區(qū)布置如圖3所示，在試驗(yàn)小區(qū)設(shè)置5個(gè)觀測(cè)斷面，間隔為4 m。為控制各小區(qū)土壤容重和含水率基本一致，每次試驗(yàn)開始前人為對(duì)坡面進(jìn)行整平、壓實(shí)，并在試驗(yàn)前24 h對(duì)坡面均勻?yàn)⑺钡狡旅婕磳a(chǎn)流并用塑料薄膜覆蓋。試驗(yàn)開始前，用環(huán)刀取5個(gè)不同觀測(cè)斷面0～20 cm深土壤，測(cè)得土壤容重介于1.15～1.32 g/cm3，均值為1.25 g/cm3，土壤質(zhì)量含水率為21.40%～24.29%，均值為22.25%；率定放水流量3次，以保證實(shí)際上方來(lái)水量與設(shè)計(jì)值之間的誤差不超過(guò)5%。試驗(yàn)從有徑流流出小區(qū)時(shí)開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)前6 min內(nèi)每隔2 min測(cè)量一次溝寬、溝深、流速、流寬和水深，后隔3 min測(cè)量一次，同時(shí)用1 000 mL（精度為1 mL）的采樣瓶收集徑流泥沙樣品并記錄采樣時(shí)間，先用電子稱（精度為0.01 g）稱取徑流泥沙樣品質(zhì)量，后將所接徑流泥沙樣品在105℃烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干并用電子稱（精度為0.01 g）稱取泥沙質(zhì)量；用100 mL泥樣瓶（精度1 mL）收集泥沙樣品，用于侵蝕泥沙顆粒分析。溝寬、溝深和流寬采用鋼尺（精度為1 mm）測(cè)量。流速采用電解質(zhì)薄層水流測(cè)定儀（JZ-NB1710）和傳統(tǒng)染色法相結(jié)合的方法測(cè)定，測(cè)距為2.5 m，兩種方法取平均值作為流速實(shí)測(cè)值，流速乘以校正系數(shù)0.75作為斷面平均流速。水深采用精度為0.01 mm的SX40-1型水位測(cè)針測(cè)定。采用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀分析泥沙顆粒，分別測(cè)定侵蝕泥沙顆粒的有效粒徑和原始粒徑各粒徑含量，利用侵蝕泥沙顆粒分形維數(shù)來(lái)表征不同上方來(lái)水模式和植被格局下坡面侵蝕變化。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

1）土壤剝蝕率（D）：坡面流在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上所剝蝕的土壤質(zhì)量。

1.對(duì)照小區(qū) 2.坡頂聚集格局 3.坡中聚集格局 4.坡底聚集格局 5.帶狀

2）水流剪切力()：坡面流在流動(dòng)過(guò)程中造成土壤剝蝕的力。

式中為水流剪切力，Pa；為渾水密度，kg/m3；為重力加速度，9.8 m/s2；為水力半徑，m；為水力坡度，m/m。

3）水流功率()：作用于單位面積水流消耗的功率

式中為水流功率，N/(m·s)；為水流平均流速，m/s。

4）單位水流功率（）：?jiǎn)挝毁|(zhì)量水體勢(shì)能隨時(shí)間的變化率。

式中為單位徑流功率，m/s。

5）過(guò)水?dāng)嗝鎲挝荒芰浚ǎ阂赃^(guò)水?dāng)嗝孀畹忘c(diǎn)作為基準(zhǔn)面的單位水重的動(dòng)能和勢(shì)能之和。

式中為斷面單位能量，cm；為水深，cm；為校正系數(shù)，取1。

6）土壤顆粒分形維數(shù)：采用王國(guó)梁等[23]提出的體積分形維數(shù)，計(jì)算公式如下

本文利用 Excel 2010 和 SPSS 23.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，采用方差分析（ANOVA）和最小差異顯著法（LSD）比較不同處理間的差異性（＜0.05）。利用 Origin 8.6 進(jìn)行數(shù)據(jù)繪圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 植被格局對(duì)堆積體坡面流侵蝕動(dòng)力的影響

土壤剝蝕率是土壤參數(shù)和水力參數(shù)的函數(shù)，其能夠量化土壤侵蝕，是土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型中非常重要的參數(shù)。水流剪切力、水流功率、單位水流功率和過(guò)水?dāng)嗝鎲挝荒艿瘸１挥脕?lái)刻畫堆積體坡面土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程。利用SPSS23.0將所有場(chǎng)次的土壤剝蝕率與水流剪切力、水流功率、單位水流功率和過(guò)水?dāng)嗝鎲挝荒芊謩e進(jìn)行回歸分析，其關(guān)系式見(jiàn)表1、2。

表1 不同植被格局下土壤剝蝕率與水流剪切力和水流功率的關(guān)系

注：**表示相關(guān)性極顯著（<0.01），=64，下同。

Note: ** indicates that the correlation is extremely significant (<0.01),=64,the same below。

表2 不同植被格局下土壤剝蝕率與單位水流功率和過(guò)水?dāng)嗝鎲挝荒艿年P(guān)系

由表1可知，土壤剝蝕率（D）與水流剪切力（）和水流功率（）之間均呈極顯著的冪函數(shù)關(guān)系（坡底聚集時(shí)除外）。對(duì)照小區(qū)的土壤剝蝕率與水流剪切力和水流功率的方程擬合指數(shù)分別為0.619和0.890，均小于1，根據(jù)冪函數(shù)性質(zhì)，表明隨著水流剪切力和水流功率的增大，土壤剝蝕率增加幅度逐漸下降，即坡面剝蝕發(fā)生的頻率趨于弱化，這主要是因?yàn)殡S著沖刷歷時(shí)的延長(zhǎng)，一方面坡面可供侵蝕的物質(zhì)逐漸減少，另一方面坡面細(xì)溝發(fā)育成熟，徑流率達(dá)到穩(wěn)定階段，徑流侵蝕力和土壤的抗蝕力逐漸達(dá)到相對(duì)均衡的狀態(tài)，因此土壤剝蝕率增加幅度逐漸下降直至穩(wěn)定。坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局的土壤剝蝕率與水流剪切力和水流功率的方程擬合指數(shù)總體上均大于1，表明隨著徑流剪切力和水流功率的增大，坡面土壤剝蝕率增加的幅度逐漸增加，原因在于侵蝕過(guò)程中的“源-匯”轉(zhuǎn)變機(jī)制使得草皮覆蓋的坡面在產(chǎn)流后期控蝕減沙效果存在逐漸減弱的現(xiàn)象，導(dǎo)致其土壤剝蝕率后期呈逐漸上升的趨勢(shì)。

由表2可知，土壤剝蝕率（D）與單位水流功率（）之間均呈極顯著的二次函數(shù)關(guān)系，與過(guò)水?dāng)嗝鎲挝荒埽ǎ┲g均呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系。對(duì)比表1、2可以看出各植被格局下水流功率與土壤剝蝕率的相關(guān)性均大于過(guò)水?dāng)嗝鎲挝荒?、單位水流功率和水流剪切力，表明水流功率是描述堆積體侵蝕動(dòng)力機(jī)制的最優(yōu)參數(shù)。

2.2 植被格局對(duì)堆積體坡面土壤侵蝕的減流減沙效益

試驗(yàn)條件下，將所有場(chǎng)次下的峰值流量、徑流量、峰值泥沙量及泥沙量和對(duì)照小區(qū)進(jìn)行比較并進(jìn)行差異性檢驗(yàn)，量化植被格局對(duì)堆積體坡面土壤侵蝕的減流減沙效益，見(jiàn)表3。

表3 不同植被格局下工程堆積體坡面徑流量、產(chǎn)沙量及其減小幅度

注：不同小寫字母表示同一植被格局不同上方來(lái)水類型差異顯著(<0.05)；不同大寫字母表示同一上方來(lái)水類型不同植被格局差異顯著。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference (<0.05) between each Inflow rate pattern under the same vegetation pattern, different capital letters indicate significant difference (<0.05) between each vegetation pattern under the same upslope runoff pattern.

由表3可知，不同上方來(lái)水模式下，對(duì)照小區(qū)峰值流量變化介于15.87～30.15 L/min，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局峰值流量較對(duì)照小區(qū)減小幅度分別介于8.89%～33.27%、7.16%～38.44%、8.66%～33.99%和36.19%～48.65%，表明布設(shè)草皮能明顯削弱堆積體坡面峰值流量。同一植被格局下，峰值前型、中型和后型所對(duì)應(yīng)的峰值流量并無(wú)顯著差異；同一上方來(lái)水模式下，對(duì)照小區(qū)和帶狀格局對(duì)應(yīng)的峰值流量存在顯著差異。對(duì)照小區(qū)徑流量變化分別介于615.75～757.42 L，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局徑流量變化分別介于346.71～529.08、317.30～659.88、436.94～542.95和310.18～464.49 L，徑流量均顯著小于對(duì)照小區(qū)，表明布設(shè)草皮能有效增加堆積體坡面流運(yùn)動(dòng)阻力，增加坡面入滲量，從而減少堆積體坡面產(chǎn)流量。同一植被格局下，不同上方來(lái)水模式間的徑流量并無(wú)顯著差異；同一上方來(lái)水模式下，對(duì)照小區(qū)與坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局對(duì)應(yīng)的徑流量存在顯著差異。

由表3可知，不同上方來(lái)水模式條件下，對(duì)照小區(qū)峰值泥沙量變化介于6.69～12.66 kg/min，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局峰值泥沙量較對(duì)照小區(qū)減小幅度分別介于45.61%～63.11%、10.90%～55.75%、3.73%～35.07%和21.05%～72.66%，對(duì)比峰值流量，發(fā)現(xiàn)植被格局對(duì)峰值泥沙量的影響要大于對(duì)峰值流量的影響。同一植被格局下，均勻型和峰值前型對(duì)應(yīng)的峰值泥沙量存在顯著差異；同一上方來(lái)水模式下，坡頂聚集和帶狀格局間的峰值泥沙量并無(wú)顯著差異。對(duì)照小區(qū)產(chǎn)沙量變化分別介于174.48～195.06 kg，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局產(chǎn)沙量變化分別介于68.14～105.24、71.81～128.81、97.59～169.86和37.95～100.83 kg，產(chǎn)沙量均顯著小于對(duì)照小區(qū)，表明草皮的存在能在一定程度上改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的抗蝕性，從而有效減小堆積體坡面產(chǎn)沙量。同一植被格局下，不同上方來(lái)水模式間的產(chǎn)沙量并無(wú)顯著差異；同一上方來(lái)水模式下，坡頂聚集和帶狀格局對(duì)應(yīng)的產(chǎn)沙量并無(wú)顯著差異。

試驗(yàn)條件下，以對(duì)照小區(qū)為參考，不同上方來(lái)水類型下，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局的產(chǎn)流量平均減小幅度分別為30.55%、22.85%、26.21%和43.87%，產(chǎn)沙量平均減小幅度為54.41%、45.30%、32.14%和58.09%，可以看出植被格局的減沙效益要高于其減流效益，帶狀格局和坡頂聚集的平均減流減沙效益較好，因此在治理堆積體水土流失時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮這兩種植被格局。由表3還可以看出均勻型上方來(lái)水模式下，植被格局的減流減沙效益明顯高于其他3種來(lái)水模式。

2.3 植被格局下堆積體坡面侵蝕泥沙顆粒粒徑分布和分形特征

侵蝕泥沙顆粒組成經(jīng)常被用于描述土壤質(zhì)地狀況和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，是土壤最基本的物理屬性之一，對(duì)侵蝕泥沙顆粒組成的分析有助于深入了解土壤侵蝕機(jī)制。試驗(yàn)條件下，上方來(lái)水模式和植被格局侵蝕泥沙平均顆粒粒徑分布和分形特征見(jiàn)圖4和表4，由圖4及表4可知，無(wú)論上方來(lái)水模式及植被格局如何變化，侵蝕泥沙顆粒組成中粉粒所占體積分?jǐn)?shù)始終最大，集中在59.29%～62.44%；黏粒次之，集中在32.38%～38.79%，砂粒最小，集中在1.85%～6.49%。由圖4可知，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局下砂粒含量較對(duì)照小區(qū)減小了18.79%～35.80%，黏粒含量較對(duì)照小區(qū)增加了3.56%～10.69%，表明植被對(duì)砂粒的攔截效果顯著，原因在于植被的存在能夠削弱坡面流侵蝕動(dòng)力，減緩徑流流速，使得徑流挾沙能力下降，對(duì)大顆粒泥沙的搬運(yùn)能力弱于小顆粒。研究表明，土壤中黏粒含量越多，土壤膠體越豐富，吸附性能越強(qiáng)，所吸附的土壤養(yǎng)分就越豐富，植被格局下坡面黏粒含量增加，表明土壤對(duì)水分、養(yǎng)分的保蓄能力增強(qiáng)，從而有利于坡面植被的恢復(fù)。峰值前、中和后型條件下砂粒含量較均勻型增加了14.45%～58.41%，黏粒含量較對(duì)照小區(qū)減小了3.27%～4.27%，表明在放水總量一致的條件下，流量峰值的存在對(duì)侵蝕泥 沙中砂粒的影響要顯著高于黏粒，原因在于流量峰值的出現(xiàn)使得坡面流流速突變性增大，徑流挾沙能力增強(qiáng)，對(duì)大顆粒泥沙的搬運(yùn)能力增強(qiáng)，而對(duì)小顆粒泥沙影響相對(duì)較小。

圖4 上方來(lái)水模式和植被格局侵蝕泥沙顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

表4 上方來(lái)水模式和植被格局下侵蝕泥沙顆粒分布及分形維數(shù)

土壤顆粒分形維數(shù)能夠反映土壤結(jié)構(gòu)、土壤屬性和肥力以及土壤退化程度等。由表4可知，除坡頂聚集在峰值前型條件下外，對(duì)照小區(qū)分形維數(shù)均小于坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局。將體積分形維數(shù)分別與侵蝕泥沙顆粒各粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合，由圖5可知，體積分形維數(shù)與黏粒積分?jǐn)?shù)之間呈極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系，與粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)之間呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)表現(xiàn)為：黏粒（0.95）>砂粒（0.71）>粉粒（0.60），表明黏粒體積分?jǐn)?shù)越高分形維數(shù)越大，砂粒體積分?jǐn)?shù)越大分形維數(shù)越小。試驗(yàn)條件下，各植被格局分形維數(shù)大于對(duì)照小區(qū)表明侵蝕泥沙中黏粒比例上升，砂粒比例下降，再次證明植被對(duì)大顆粒泥沙的攔截效果要強(qiáng)于細(xì)顆粒泥沙。

圖5 侵蝕泥沙黏粒、粉粒和砂粒體積分?jǐn)?shù)與分形維數(shù)的關(guān)系

Fig.5 Relationship between fractal dimension and contents of clay, silt and sand

2.4 植被格局下堆積體坡面侵蝕泥沙分選特征

為進(jìn)一步了解在不同上方來(lái)水模式和植被格局下堆積體坡面土壤侵蝕過(guò)程以及侵蝕泥沙顆粒的分選過(guò)程和特性，采用富集率（ER）的概念來(lái)描述坡面土壤侵蝕過(guò)程中侵蝕泥沙不同粒級(jí)顆粒被遷移的難易程度，采用團(tuán)聚率（AR）的概念來(lái)反映坡面徑流搬運(yùn)不同粒級(jí)的侵蝕泥沙顆粒的方式。ER>1表明某一特定粒級(jí)在侵蝕過(guò)程中發(fā)生了富集，ER<1則表明某一特定粒級(jí)在侵蝕過(guò)程中發(fā)生了沉積；AR=1表明侵蝕泥沙顆粒以單粒的形式被搬運(yùn)，AR≠1表明侵蝕泥沙顆粒以團(tuán)粒的形式被搬運(yùn)。

由表4可知，不同上方來(lái)水模式和植被格局下黏粒和粉粒的ER總體上均大于1，表明在坡面土壤侵蝕過(guò)程中黏粒和粉粒更容易被侵蝕并發(fā)生富集；砂粒的ER均小于1，表明在坡面土壤侵蝕過(guò)程中砂粒不易被侵蝕并發(fā)生沉積。與對(duì)照小區(qū)相比，坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局砂粒的平均值減小了18.52%、35.80%、18.52%和22.22%，原因在于植被對(duì)侵蝕泥沙中大顆粒具有較強(qiáng)的機(jī)械攔擋作用導(dǎo)致其ER普遍小于對(duì)照小區(qū)。

不同上方來(lái)水模式和植被格局下黏粒的AR均小于1，砂粒的AR均大于1，表明在坡面土壤侵蝕過(guò)程中黏粒和砂粒以團(tuán)粒的形式被搬運(yùn)；粉粒AR均在1附近波動(dòng)，表明植被格局和上方來(lái)水模式的變化對(duì)粉粒的搬運(yùn)形式影響不顯著，在坡面土壤侵蝕過(guò)程中以單粒的形式被搬運(yùn)。對(duì)照小區(qū)砂粒的AR均小于坡頂聚集、坡中聚集、坡底聚集和帶狀格局，表明對(duì)照小區(qū)侵蝕泥沙中團(tuán)聚體含量最少，顆粒破碎程度高，原因在于裸露坡面下坡面流流速快，水流剪切力大對(duì)土壤團(tuán)聚體破壞性強(qiáng)，而植被小區(qū)由于植被對(duì)坡面流的消能作用，使得水流剪切力減弱對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞性也較小。

3 討 論

本文采用模擬徑流沖刷試驗(yàn)對(duì)比分析了不同上方來(lái)水類型下植被格局對(duì)堆積體坡面土壤侵蝕的影響，結(jié)果表明：與均勻型相比，流量峰值的變化能顯著增加堆積體坡面峰值流量和產(chǎn)流量，這與David[24]研究結(jié)果相類似；對(duì)表3中產(chǎn)流量與上方來(lái)水類型和植被格局進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果表明植被格局=13.01>上方來(lái)水模式=8.24，說(shuō)明植被格局對(duì)產(chǎn)流量的影響顯著大于上方來(lái)水類型，原因在于當(dāng)放水流量增加或者流量峰值變化時(shí)，不同格局植被間的微地貌連通性被阻斷，坡面流速突變性增大，對(duì)坡面產(chǎn)流率的影響將會(huì)完全取決于植被對(duì)徑流的分散能力、對(duì)徑流路徑的改變，以及植被間的相對(duì)位置是否與徑流路徑一致。與均勻型相比，流量峰值的變化能顯著增加堆積體坡面峰值泥沙量和產(chǎn)沙量，這與An等[25]、Parsons和Stone[26]研究結(jié)果相類似，因?yàn)榱髁糠逯档淖兓軌蛴绊懫旅媲治g的“剝離-遷移”過(guò)程，從而影響坡面土壤侵蝕總量[27]；對(duì)表3中產(chǎn)沙量與上方來(lái)水模式和植被格局進(jìn)行雙因素方差分析，結(jié)果表明植被格局=12.48>來(lái)水模式=1.39，說(shuō)明植被格局對(duì)產(chǎn)沙量的影響顯著大于上方來(lái)水類型，植被對(duì)坡面土壤侵蝕的影響主要是通過(guò)兩個(gè)方面[28]：一是植被的地上部分能夠增加坡面粗糙度，減緩坡面流流速，增加坡面入滲量，降低徑流動(dòng)能；二是植被的地下部分能在一定程度上提高土壤的抗蝕性和抗沖性。

試驗(yàn)條件下，帶狀格局和坡頂聚集的平均減流減沙效益顯著優(yōu)于其他植被格局，但游珍等[29]和李強(qiáng)等[30]研究發(fā)現(xiàn)坡下格局的水土保持效果要優(yōu)于其他植被格局，分析出現(xiàn)差異性的原因是：本試驗(yàn)下墊面是陡坡松散工程堆積體，后者是緩坡自然荒地，兩者下墊面條件不同導(dǎo)致其坡面侵蝕存在差異性；與降雨坡面產(chǎn)流的“點(diǎn)產(chǎn)流”不同，放水沖刷坡面產(chǎn)流是“面產(chǎn)流”，兩者的不同導(dǎo)致其坡面水文過(guò)程存在差異性[31]；降雨條件下，緩坡地坡面匯流需要一定的匯水時(shí)間和坡長(zhǎng)，坡下部往往徑流強(qiáng)度大，侵蝕嚴(yán)重，而工程堆積體由于上方匯水強(qiáng)度大，導(dǎo)致其與坡面其他部位相比侵蝕最為嚴(yán)重[32-33]。

目前常用力學(xué)參數(shù)和能量參數(shù)來(lái)刻畫堆積體坡面土壤侵蝕過(guò)程，并取得了不錯(cuò)的研究成果，但由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)及觀測(cè)手段的不同，導(dǎo)致研究結(jié)果存在差異性，究竟是力學(xué)參數(shù)還是能量參數(shù)能夠更好的用于描繪坡面土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程還有待進(jìn)一步的研究，此外也沒(méi)有證據(jù)能直接表明某一水動(dòng)力學(xué)參數(shù)在描繪土壤侵蝕過(guò)程中更優(yōu)于其他參數(shù)[34]。本試驗(yàn)條件下，土壤剝蝕率與水流功率整體上均呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系，表明水流功率能夠用于預(yù)測(cè)堆積體坡面土壤侵蝕過(guò)程，與傳統(tǒng)的線性相關(guān)關(guān)系[35-37]不同，原因可能在于植被格局和流量峰值的存在改變了下墊面微地貌及侵蝕動(dòng)力條件，使得擬合關(guān)系式不再是單純的線性關(guān)系。此外，擬合方程式的相關(guān)性系數(shù)不高，可能是因?yàn)橹脖粚?duì)徑流能量的消耗及流量峰值的變化。

與對(duì)照小區(qū)相比，植被格局和上方來(lái)水模式對(duì)侵蝕泥沙顆粒中砂粒的影響要大于黏粒和粉粒，原因在于泥沙顆粒起動(dòng)所需的水流拽引力與泥沙顆粒大小成反比，流量峰值的變化使得坡面徑流動(dòng)能增加，從而使能夠侵蝕-搬運(yùn)的泥沙大顆粒含量顯著增加，而對(duì)細(xì)顆粒泥沙影響較?。恢脖桓窬指淖兞似旅鎻搅髁髀芳傲魉贂r(shí)空分布，使得徑流挾沙能力下降，在其機(jī)械攔擋作用下，使得搬運(yùn)的泥沙大顆粒含量顯著降低，而對(duì)泥沙細(xì)顆粒影響不顯著。體積分形維數(shù)與黏粒、粉粒、砂粒體積分?jǐn)?shù)均呈線性相關(guān)關(guān)系，且擬合度表現(xiàn)為：黏粒>砂粒>粉粒，表明侵蝕泥沙中細(xì)顆粒含量越多其體積分形維數(shù)越大，反之則相反，與楊帥等[38]和馬云等[39]的研究結(jié)果相一致。上方來(lái)水模式和植被格局改變了坡面徑流流路和流速，使得徑流侵蝕動(dòng)能發(fā)生不同程度的變化，從而對(duì)侵蝕泥沙顆粒遷移的難易程度和遷移方式造成影響。

工程堆積體坡面土壤侵蝕受多種因素的影響，但受野外放水沖刷條件、時(shí)間和資金等的限制，本研究只分析了不同植被格局和上方來(lái)水模式對(duì)坡面土壤侵蝕過(guò)程的影響，未考慮不同坡度、坡長(zhǎng)條件下坡面侵蝕特征變化，在今后的研究中，應(yīng)通過(guò)增加坡長(zhǎng)、坡度等變量進(jìn)一步研究上方來(lái)水模式、植被格局、坡長(zhǎng)、坡度等因素及其相互作用與坡面土壤侵蝕之間的關(guān)系，為工程堆積體植物措施的優(yōu)化配置及侵蝕預(yù)報(bào)模型的建立提供理論參考。

4 結(jié) 論

1）水流功率與土壤剝蝕率之間相關(guān)性最高且總體上呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系，與其他參數(shù)相比水流功率是描述堆積體侵蝕動(dòng)力機(jī)制的最優(yōu)參數(shù)。

2）植被格局的減流效益介于12.23%～49.62%之間，減沙效益介于12.92%～80.54%之間，減沙效益高于減流效益；帶狀和坡頂聚集格局的平均減流減沙效益顯著優(yōu)于其他植被格局，在治理堆積體水土流失時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮這兩種植被格局。

3）植被格局下侵蝕泥沙中砂粒含量較對(duì)照小區(qū)減小了18.79%～35.80%，黏粒含量增加了3.56%～10.69%，表明植被對(duì)砂粒的攔截效果顯著；侵蝕泥沙顆粒體積分形維數(shù)主要由黏粒體積分?jǐn)?shù)決定，兩者呈極顯著線性相關(guān)關(guān)系，分形維數(shù)可以作為植被格局對(duì)侵蝕泥沙顆粒粒級(jí)分布的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4）植被格局下的砂粒富集率較對(duì)照小區(qū)減小，黏粒富集率相對(duì)增加；侵蝕泥沙中黏粒和砂粒遷移方式以團(tuán)粒為主，粉粒則以單粒為主。

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Vegetation regulation on slopes of engineering accumulation under different upslope runoff patterns

Lou Yongcai1, Gao Zhaoliang1,2※, Li Yonghong1,2, Qi Xingyuan1, Zhang Heng1, Chen Zhuo1, Su Yuan2, Feng Zhiqian1

(1.712100; 2.712100)

Engineering accumulations are usually poor in soil structure and susceptible to erosion and corrosion, especially when the slope is steep. These could endanger their ecological functions and result in environmental hazards. How to improve ecological functions and alleviate soil erosion of earth slopes is pressing. The objective of this paper is to experimentally study the efficacy of different vegetation patterns in regulating water and sediment erosion of slopes under different water flow conditions. The experiment was conducted in the field at the Linghou Experimental Station, Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences (34°19′24″ N, 107°59′36″E). In the experiment, we analyzed the efficacy of five grass coverage patterns: upper coverage, middle coverage, low slope, band, and no coverage under four upslope runoff patterns (constant, earlier peak, medium peak, later peak). The experimental slope was a 20 m×1 m plot 0.5 m thick excavated from a slop; The slope angle was 32o. We used the fractal dimension of the eroded sediment particles to quantify the change in soil erosion, the enrichment rate (ER) to describe the difficulty associated with migration of eroded particles of certain size group, and the agglomeration rate (AR) to describe the ways that the surface runoff carrying the eroded particles of certain size group. The results showed that: 1) The relationship between soil denudation rate and the runoff power follows power function model (2=0.47-0.72，<0.01), and that the runoff power was the optimal parameter to describe the erosion dynamics of the slope. 2) Runoff can be reduced by 12.23%-49.62%, and sediment can be decreased by 12.92%-80.54% under vegetation patterns, the sediment reduction effect of vegetation pattern was higher than runoff reduction. The average runoff and sediment reduction benefit of the band and upslope patterns was 43.87%, 58.09% and 30.55%, 54.41%, respectively, which were significantly better than other vegetation patterns. 3) Compared with the control plot (without grass coverage), the volume percentage of sand particle in sediment of the vegetation plots was reduced by 18.79%-35.80%, the volume percentage of clay was increased by 3.56%-10.69%, which indicated that the interception effect of vegetation on sand was significant. Volumetric fractal dimension of the eroded particles was dominated by the volumetric fraction of clay and they were linearly correlated at significant level (2=0.90，<0.01). 4). Compared with the control, grass coverage reduced the sand enrichment rate, but increased the clay enrichment rate; their associated volumetric fractal dimension also increased. Clay and sand in the eroded sediments were in the forms of agglomerates, while the silts moved mainly as single particles. Our study has an important implication for ameliorating soil erosion from engineering accumulation.

soils; erosion; vegetation; upslope runoff pattern; soil particles; fractal dimension; engineering accumulation

婁永才，高照良，李永紅，齊星圓，張 恒，陳 卓，蘇 媛，馮志倩. 不同上方來(lái)水模式下工程堆積體坡面的植被調(diào)控 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：144－153. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018 http://www.tcsae.org

Lou Yongcai, Gao Zhaoliang, Li Yonghong, Qi Xingyuan, Zhang Heng, Chen Zhuo, Su Yuan, Feng Zhiqian. Vegetation regulation on slopes of engineering accumulationunder different upslope runoff patterns[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 144－153. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018 http://www.tcsae.org

2019-07-29

2019-11-18

十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0501706-02）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41671283）

婁永才，博士生，主要從事工程建設(shè)區(qū)土壤侵蝕與水土保持研究。Email：lyc4026@126.com

高照良，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水土工程和荒漠化防治研究。Email：gzl@ms.iswc.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.018

S157.2

A

1002-6819(2019)-24-0144-10