肖勝生， 胡志堅， 張繼松， 湯崇軍， 楊 潔

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 江西 南昌 330029； 2.江西省水土保持科學(xué)研究院， 江西 南昌 330029；3.江西省峽江水利樞紐工程管理局， 江西 南昌 330046； 4.江西省河道湖泊管理局， 江西 南昌 330009)

堤防工程是防洪體系的基礎(chǔ)和主體，肩負著保護人民生命財產(chǎn)安全的重要任務(wù)。據(jù)第一次水利普查公報，全國堤防總長度為4.14×105km[1]，江西省各類堤防總長度達到1.30×104km[2]，鄱陽湖區(qū)堤線總長也達到2 500 km[3]。堤防邊坡防護是堤防安全的重要保障，也是堤防除險加固工程建設(shè)的重要組成部分。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，水生態(tài)文明建設(shè)成為當(dāng)今水利改革發(fā)展的重要課題。因此，堤防工程不僅需要具備防洪安保的基本功能，同時需要兼顧環(huán)境與生態(tài)效益及其景觀美學(xué)等功能。但以往的堤防護坡形式主要采用混凝土或六角塊等硬質(zhì)護坡，造成生態(tài)功能缺失，視覺單一；而土質(zhì)護坡則存在大量侵蝕溝、水土流失嚴重并且危害堤防穩(wěn)定性；在土質(zhì)邊坡基礎(chǔ)上自然恢復(fù)的植物護坡則存在灌木雜草叢生、影響堤防岸線景觀，嚴重影響到汛期堤防查險除險[4]。在水生態(tài)文明的大背景下，在不影響堤防安全穩(wěn)定的前提下(如3級以下堤防或者堤防背水面)，植草護坡等生態(tài)護坡形式逐漸成為研究熱點[5-6]。狗牙根(Cynodondactylon)、中華結(jié)縷草(Zoysiasinca)和假儉草(Eremochloaophiuroides)作為鄱陽湖區(qū)鄉(xiāng)土草種，在湖區(qū)廣泛分布[7]。這3種草種的建植草皮也在逐步得到應(yīng)用。但之前的研究主要關(guān)注優(yōu)良護坡草種篩選和草皮建植技術(shù)[8]以及堤防結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[9]等方面，而植草護坡堤防水土保持效益監(jiān)測評價的研究鮮見報道。堤防邊坡的水土保持效益是堤防生態(tài)護坡建設(shè)的重要目標(biāo)之一。生態(tài)堤防建設(shè)后坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其對降雨特征(如雨強和降雨歷時等)的響應(yīng)可以為堤防生態(tài)護坡形式的篩選提供更為針對性的科學(xué)依據(jù)。人工模擬降雨試驗是小尺度水土流失監(jiān)測研究的常用手段，可以方便、準(zhǔn)確地測定不同降雨條件下不同土地利用類型的徑流、泥沙變化規(guī)律[10-11]。本研究以人工模擬降雨為手段，鄱陽湖區(qū)典型堤防——永修縣九合聯(lián)圩為研究對象，對裸露坡面〔以下簡稱“裸地(BL)”〕、自然恢復(fù)坡面〔以下簡稱“自然恢復(fù)(NRS)”〕、狗牙根草籽條播坡面〔以下簡稱“狗牙根地(CDS)”〕、結(jié)縷草草籽條播坡面〔以下簡稱“結(jié)縷草地(ZSS)”〕和假儉草護坡坡面〔以下簡稱“假儉草地(EOS)”〕等5種坡面類型在不同降雨條件下的徑流、泥沙的流失特征進行研究，為后期植草護坡草種篩選以及護坡技術(shù)構(gòu)建提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

2014年，結(jié)合鄱陽湖區(qū)重點圩堤第六個單項建設(shè)工程，在永修縣九合聯(lián)圩(29°03′N， 115°49′E)背水面進行了不同植草護坡的試驗示范工作。項目區(qū)年均氣溫16.9 ℃，多年平均降雨1 423 mm。降雨年內(nèi)分配不均，4—7月降雨量占總降雨量的50%～60%。九合聯(lián)圩在除險加固過程中，采取附近山體第四季紅黏土心土層進行分層碾壓。坡長均為20 m，坡比1∶3(坡度約為18.5°)。其中，狗牙根地實施面積達到2.40×104m2，結(jié)縷草地和假儉草地實施面積均為4 000 m2，并保留了一定面積的裸露坡面和自然恢復(fù)坡面進行對比。

1.2 下墊面設(shè)計

每種植草模式各選取3塊坡度一致的樣地設(shè)置為試驗區(qū)(共計15塊樣地)，規(guī)格均為2 m(堤防岸線方向)×3 m(順坡方向)。每塊樣地中間用不銹鋼擋板隔開，作為樣地內(nèi)的一次重復(fù)，分隔后的徑流小區(qū)面積為1 m×3 m。每個徑流小區(qū)出口處挖一直徑為0.5 m，深為0.5 m的坑以便收集徑流泥沙樣品。模擬降雨前調(diào)查了每塊樣地草本層的平均高度和覆蓋度；并在每塊樣地上坡、中坡和下坡各采集2個土壤樣品進行混合，分析樣地土壤基礎(chǔ)性質(zhì)(表1)。

表1 鄱陽湖區(qū)樣地基本特征

注：調(diào)查時間為2015年9月7日； 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(n=3)； 植草模式BL為裸地，NRS為自然坡面，CDS為狗芽根地，ZSS為結(jié)縷草地，EOS為假檢草地，下同。

1.3 人工模擬降雨設(shè)計

人工模擬降雨設(shè)備由運輸設(shè)備和降雨監(jiān)測系統(tǒng)兩部分組成。運輸設(shè)備為江西省水土保持科學(xué)研究院自主研發(fā)的水土流失移動監(jiān)測車，車上配備1.5 m3的水箱，2 kW的發(fā)電機，1.1 kW的水泵、操作平臺等配套設(shè)施。降雨監(jiān)測系統(tǒng)主要特征詳見表2。在選擇好的試驗小區(qū)搭設(shè)人工降雨支架(高度5 m，長寬均為4 m)。放好主控制器和雨量計。根據(jù)實時風(fēng)向用帆布搭建好擋風(fēng)棚。模擬降雨時間為2015年9月中旬，天氣晴好沒有天然降水。

表2 人工模擬降雨監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)試驗區(qū)域歷史資料以及實際情況，每種下墊面設(shè)置4場降雨，雨強分別為20，40，90和150 mm/h。每場降雨歷時30 min。兩場降雨之間間隔1 h。每次變換雨強之前，都進行預(yù)降雨使土壤含水量飽和以降低下墊面差異對徑流泥沙的影響。

1.4 試驗過程與數(shù)據(jù)采集處理

試驗前用遮雨布遮蓋小區(qū)，降雨器啟動后先率定雨強，當(dāng)雨強與設(shè)計值誤差控制在5%以內(nèi)、均勻度在80%以上即滿足要求[12]。雨強符合要求后，快速掀起小區(qū)上方的遮雨布，用秒表記錄初始產(chǎn)流時間。在集流槽出口處用徑流桶收集徑流樣，同時記錄接樣時間。降雨過程中，每5 min收集1次徑流樣，并在收集的徑流樣中攪拌均勻取500 ml用于測定相應(yīng)徑流樣的泥沙濃度，采用烘干法確定泥沙重量。在此過程中同時采用高錳酸鉀失蹤法測定徑流流速，取2個斷面的平均值作為流速，將所測流速乘以0.75得到較為理想的徑流流速[13]。采用SPSS 17.0和Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始產(chǎn)流時間

初始產(chǎn)流時間反映著不同管理措施下坡面土壤對降雨強度的響應(yīng)。監(jiān)測結(jié)果表明，雨強相同時，裸地初始產(chǎn)流時間最短，其次分別是自然恢復(fù)、結(jié)縷草地、假儉草地和狗牙根地。當(dāng)坡面存在植被覆蓋時，不同雨強條件下坡面產(chǎn)流時間較裸露坡面均有較大幅度的延長(圖1)。4種植草坡面與裸地均存在顯著性差異(p<0.05)，但4種植草護坡之間不存在顯著差異(p>0.05)。隨著雨強增大，5種下墊面初始產(chǎn)流時間都有所降低，并且裸地初始產(chǎn)流時間減小的幅度較小，而存在草本覆蓋情況下初始產(chǎn)流時間下降的幅度較大。

分析起來，主要是因為初始產(chǎn)流時間的響應(yīng)與坡面覆蓋度存在密切聯(lián)系，因為初始產(chǎn)流時間的排序與實際情況中的不同坡面覆蓋度排序完全一致，均表現(xiàn)為：CDS(86%)>EOS(72%)>ZSS(64%)>NRS(48%)>BL(2%)，即隨著覆蓋度的增加，初始產(chǎn)流時間逐步降低。這與相關(guān)研究結(jié)果一致，如張翼夫等[14]研究表明自然降雨過程中當(dāng)雨強為10～80 mm/h時，與裸露坡面相比，15%，30%，60%和90%的秸稈覆蓋度坡面推遲產(chǎn)流時間分別為1.0～15.4 min，2.1～22.1 min，3.4～48.2 min和5.9～73.6 min。錢婧[15]也認為影響初始產(chǎn)流時間最大的因素是植被覆蓋度，植被的介入可削弱坡長對初始產(chǎn)流時間的影響。

圖1 不同雨強下不同植草坡面的初始產(chǎn)流時間

2.2 徑流流速

監(jiān)測表明，相同雨強下，與BL相比，其他4種下墊面下徑流流速顯著降低(p<0.05)。這說明存在草本覆蓋護坡處理都具有降低坡面流速的作用，減小了徑流動能，從而可以削弱徑流的剝蝕地表能力，有效抑制泥沙流失，保護堤防坡面。另外，各處理下地表徑流流速都隨著雨強的增大而增大(圖2)。方差分析進一步表明，在20，40和90 mm/h這3種雨強下，幾種存在植物覆蓋的護坡之間徑流流速沒有明顯差異(p<0.05)；當(dāng)雨強增大到150 mm/h時，則存在較大差異，表現(xiàn)為：EOS

圖2 不同雨強下不同植草坡面的徑流流速

2.3 徑流系數(shù)

不同植草堤防坡面徑流系數(shù)對雨強的響應(yīng)具有較大差異(圖3)。BL和NRS徑流系數(shù)均隨雨強增加而逐步增大，20 mm/h雨強下分別為0.25和0.23，150 mm/h雨強下則增大至0.90和0.72。這主要是因為BL和NRS植被覆蓋度較低，坡度較緩并且堤防坡面壓實度較高，土壤入滲能力小造成大部分降雨都轉(zhuǎn)換成地表徑流。隨著雨強增加，CDS徑流系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(圖3)。在20 mm/h的降雨條件下徑流系數(shù)最大(0.51)，而后迅速減小，在40和90 mm/h的降雨條件下，徑流系數(shù)分別為0.38和0.31，而到150 mm/h的降雨條件下，其徑流系數(shù)增加到0.48。這可能因為狗牙根成坪處理覆蓋度高，在小雨強下，降雨徑流還沒有達到土壤表面，就從草面形成徑流流走；但隨著雨強增大，降雨徑流沿莖根到達土壤地面，形成土壤入滲，徑流系數(shù)下降，然而雨強的繼續(xù)增大，超過土壤入滲能力時，徑流系數(shù)開始增大。ZSS和EOS兩種植草模式堤防坡面徑流系數(shù)對雨強的響應(yīng)沒有明顯規(guī)律，分別在0.42～0.54和0.35～0.54之間變動。這可能因為這兩種植草模式坡面覆蓋度較低，初始徑流系數(shù)較大，同時堤防坡面經(jīng)過平整壓實，土壤孔隙小，降雨很快形成徑流，徑流系數(shù)較高，但隨著雨強增大，地表被剝蝕、搬運侵蝕后，地表糙率增大，土壤入滲增加，所以徑流系數(shù)維持在一個相對穩(wěn)定的水平?？傮w而言，小雨強下(20 mm/h)，4種存在植被覆蓋的堤防坡面與BL的徑流系數(shù)差別不明顯。但在另3種雨強條件下，4種植草坡面的徑流系數(shù)都低于BL。說明堤防進行植草防護后都能夠有效抑制地表徑流的產(chǎn)生。而且隨著雨強的增大，植草坡面與BL徑流系數(shù)的差異越來越大(圖3)。

圖3 不同雨強下不同植草坡面的徑流系數(shù)

2.4 土壤流失量

各處理土壤流失量基本上隨著降雨強度的增強而增大，但不同植草模式下土壤流失量的變化對雨強變化的響應(yīng)存在較大差異，特別是植草堤防坡面與BL堤防的差異較為明顯(表3)。如當(dāng)雨強由20 mm/h增加到150 mm/h時，BL土壤流失量從132.8 g增加到4 747.6 g，增加了近35倍，而NRS，BS，ZSS和EOS植草模式下土壤流失量則分別增加了3，2，7和13倍，說明與BL相比，植草護坡能有效減少堤防土壤侵蝕。

表3 不同植草模式對土壤流失量的抑制效應(yīng)(以裸地為參照)

另外，各降雨條件下不同植草模式之間的土壤流失量也存在明顯差異。以BL為核算基數(shù)，比較了不同植草模式對土壤流失量的抑制效應(yīng)(表4)。在20 mm/h的降雨條件下，幾種植草模式的減沙順序表現(xiàn)為：CDS>ZSS>EOS>NRS；在40 mm/h的降雨條件下，減沙順序為：CDS>ZSS>NRS>EOS；在90 mm/h的降雨條件下，減沙順序為：CDS>NRS>ZSS>EOS；在150 mm/h的降雨條件下，減沙順序表現(xiàn)為：CDS>ZSS>NRS>EOS。這說明隨著雨強的增大，4種堤防護坡模式對泥沙流失的抑制作用越來越強。

表4 不同植草模式對土壤流失量的抑制效應(yīng)(以裸地為參照)

3 討 論

眾多學(xué)者[19-22]的研究表明，影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的因素較多，其中內(nèi)在因素主要有土壤質(zhì)地、入滲速率，外在因素主要有降雨強度、降雨量、植被、坡度等。植被覆蓋和降雨強度是影響初始產(chǎn)流時間和產(chǎn)流速度的關(guān)鍵因素。該研究裸露堤防坡面初始產(chǎn)流時間最短且隨降雨強度增大而減小，這與裸地?zé)o植被覆蓋，單位時間和面積內(nèi)坡面的承雨面積隨降雨強度的增大而變大，產(chǎn)流時間相應(yīng)縮短的觀點一致[23]。堤防植草后，初始產(chǎn)流時間都有所降低，表明草被層能夠重新分配降雨，削弱降雨動能，地下根系可以固定土壤顆粒和穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，增加降雨就地入滲，減少徑流[24]。不同下墊面徑流流速的差異也說明草本覆蓋護坡處理具有降低坡面流速的作用，減小了徑流動能，從而可以削弱徑流的剝蝕地表能力，有效抑制泥沙流失，保護堤防坡面。本研究結(jié)果表明，小雨強下堤防植草抑制徑流效果不明顯，但隨著雨強的增大，植草坡面與裸露坡面徑流系數(shù)的差異越來越大，表明植草后對地表徑流的抑制作用在大雨強下表現(xiàn)得更明顯。土壤管理措施改變土壤質(zhì)地結(jié)構(gòu)，引起初始產(chǎn)流時間和徑流速率的變化，導(dǎo)致減流效果的差異[25]。楊春霞等[24]在黃河堤防的研究也指出盡管自然恢復(fù)對低強度降雨時的徑流攔蓄率可達90%以上，但對高強度降雨的攔蓄作用有限，需要采取其他植草措施才能有效抑制產(chǎn)流，進而保護堤防坡面。地表土壤對降雨強度等外在因素的響應(yīng)機制最終反映在調(diào)控效果的差異方面，主要原因在于不同措施改變了原有地表侵蝕形態(tài)和微地貌形態(tài)，阻礙泥沙的搬運、沉積和輸移等。本研究得到與裸露坡面相比，植草護坡能有效減少堤防坡面土壤流失量。隨雨強增大，四種植草堤防護坡模式對泥沙流失的抑制作用越來越強。這與裸露堤防徑流調(diào)節(jié)能力差、經(jīng)常出現(xiàn)侵蝕溝的實際情況相符，也與劉曉燕等[26]和于國強等[21]的相關(guān)研究結(jié)果一致。張銳波等[27]研究指出，就雨強和植被覆蓋度兩要素而言，雨強對徑流量的影響顯著，植被覆蓋度對產(chǎn)沙量的影響大于雨強。從坡地水力侵蝕產(chǎn)沙的機理來看，坡面侵蝕的外動力是降水，內(nèi)抗力是土壤的抗蝕性，再就是地表植被覆蓋度。在雨強大于1.7 mm/min時，植被對侵蝕產(chǎn)沙的緩沖作用減弱，只有在植被覆蓋度大于80%以上時，對侵蝕產(chǎn)沙的減輕作用顯得明顯。植被覆蓋度對坡面水力侵蝕產(chǎn)沙的影響存在著一個上下限，但植被覆蓋度小于15%時對阻止侵蝕是無效的。但植被覆蓋度大于80%時，植被覆蓋度的再增加，不能引起產(chǎn)流產(chǎn)沙的大幅度下降[28-29]。下一步計劃加強植草不同階段(不同覆蓋度)情況下土壤侵蝕的監(jiān)測研究，進一步明確堤防植草的效益。

4 結(jié) 論

(1) 雨強相同時，BL初始產(chǎn)流時間最短，其次分別是NRS，ZSS，EOS和CDS。植草后能較大幅度延長初始產(chǎn)流時間。不同下墊面之間初始產(chǎn)流時間的差異與坡面植被覆蓋度密切相關(guān)。隨著雨強增大初始產(chǎn)流時間都有所降低。

(2) 與BL相比，堤防坡面存在植被覆蓋時徑流流速都顯著降低。隨著雨強增大，徑流流速都增大，并且EOS護坡模式減緩坡面流速的效果最為明顯。

(3) 隨雨強增加，BL和NRS坡面徑流系數(shù)均逐步增大，CDS植草坡面徑流系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，ZSS和EOS兩種植草模式堤防坡面徑流系數(shù)徑流系數(shù)維持在一個相對穩(wěn)定的水平。隨著雨強的增大，植草坡面與BL徑流系數(shù)的差異越來越大。

(4) 各下墊面土壤流失量均隨著雨強的增強而增大。與BL相比，植草護坡能有效減少堤防土壤侵蝕。隨著雨強的增大，4種植草護坡模式對坡面土壤流失的抑制作用越來越強。