王倫江，張興昌

苜蓿影響砒砂巖陡坡侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究*

王倫江1，3，張興昌1，2?

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875）

砒砂巖陡坡是黃河中游泥沙和粗沙的重要來(lái)源地，草本植物恢復(fù)是防治土壤侵蝕的重要措施，然而對(duì)草本植物防治砒砂巖陡坡侵蝕機(jī)理的研究卻較少。為明確草本植物防治砒砂巖陡坡土壤侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，通過(guò)小區(qū)徑流沖刷實(shí)驗(yàn)，分析不同苜蓿密度（株間距為2 cm、4 cm、5.6 cm、8 cm）下砒砂巖陡坡產(chǎn)流產(chǎn)沙和徑流水動(dòng)力學(xué)特性變化。結(jié)果表明，苜蓿覆蓋下砒砂巖陡坡產(chǎn)沙主要發(fā)生在徑流沖刷前期，產(chǎn)沙過(guò)程呈單峰形式。產(chǎn)沙速率與徑流流速和水流功率均呈冪函數(shù)形式關(guān)系，決定系數(shù)（2）分別為0.94和0.68。苜蓿能減小砒砂巖陡坡徑流量，影響徑流水動(dòng)力性質(zhì)。株間距增大的過(guò)程中坡面徑流阻力呈冪函數(shù)形式減小，導(dǎo)致徑流流速和水流功率呈冪函數(shù)形式增大，苜蓿通過(guò)莖稈和根系影響徑流水動(dòng)力過(guò)程。細(xì)溝形成前，苜蓿主要通過(guò)莖稈的作用增大徑流阻力；細(xì)溝形成后苜蓿還可能通過(guò)其出露于細(xì)溝中的根系影響股流的阻力狀況。由于徑流水動(dòng)力性質(zhì)和土壤抗沖性質(zhì)的變化，砒砂巖陡坡侵蝕量大大減小，產(chǎn)沙量隨苜蓿蓋度增大呈冪函數(shù)形式減?。?=0.55）。相比于蓋度，苜蓿株間距與產(chǎn)沙的關(guān)系更為密切（2=0.93），原因可能是株間距更能綜合地反映苜蓿整體（地上和地下部分）防治砒砂巖陡坡侵蝕的作用。研究可以為砒砂巖陡邊坡侵蝕防治中草本植物的配置提供一定的科學(xué)依據(jù)。

砒砂巖；陡邊坡；草本植物；蓋度；株間距；水動(dòng)力學(xué)特性

砒砂巖一般特指位于干旱半干旱的黃河中游、晉陜蒙交界地區(qū)的二疊紀(jì)到白堊紀(jì)期間形成的厚層砂巖、砂頁(yè)巖和泥質(zhì)砂頁(yè)巖組成的巖石互層，它具有干燥時(shí)堅(jiān)硬如石、濕潤(rùn)時(shí)柔軟如泥的性質(zhì)。砒砂巖極易被風(fēng)化，在干濕和冷熱交替等作用的影響下，砒砂巖表面會(huì)風(fēng)化累積形成一定厚度的松散層。砒砂巖的特性和這一地區(qū)的氣候條件，使松散層極易受風(fēng)力、水力和重力等多種作用而發(fā)生侵蝕。劇烈的侵蝕使該地區(qū)成為中國(guó)土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一，一些地方侵蝕模數(shù)高達(dá)3萬(wàn)～4萬(wàn)t·km–2·a–1 [1-3]，侵蝕產(chǎn)生的泥沙是黃河中游泥沙特別是粗沙的主要來(lái)源地[2-4]。由于侵蝕劇烈、治理難度大，砒砂巖地區(qū)被中外專家稱為“環(huán)境癌癥”，其中，砒砂巖溝谷陡坡（坡度>25°）是侵蝕最強(qiáng)烈的地貌部位[2]，是侵蝕防治的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

植被恢復(fù)是防治土壤侵蝕、進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)的主要措施。20世紀(jì)80年代以來(lái)，砒砂巖地區(qū)實(shí)施了一系列植被恢復(fù)工程[5]。研究表明，由于植被恢復(fù)，該地區(qū)水土流失量大幅度減少。田鵬等[6]和喻鋒等[7]結(jié)合皇甫川流域土地利用類型變化和模型計(jì)算（USLE和RUSLE模型）結(jié)果發(fā)現(xiàn)砒砂巖地區(qū)植被覆蓋情景下的土壤流失明顯小于裸露地表。吳永紅等[8]利用“水保法”推算了皇甫川、孤山川和窟野河流域沙棘恢復(fù)對(duì)砒砂巖地區(qū)侵蝕的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沙棘的減洪和減沙效益均隨其在流域內(nèi)的種植面積擴(kuò)大而顯著增大。蘇濤等[9]采用野外徑流沖刷的方法分析了油松、草地、檸條和沙棘的減流減沙作用，結(jié)果顯示砒砂巖坡面不同種類的植物減流減沙作用存在顯著差異。

目前對(duì)砒砂巖地區(qū)植被防治侵蝕的巨大作用形成了一致認(rèn)識(shí)，但是對(duì)植物冠層、莖稈和根系的變化如何影響砒砂巖坡面侵蝕,特別是陡坡的侵蝕過(guò)程仍然不清楚，因此需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。草本植物是干旱半干旱地區(qū)最重要的植物類型之一，也常常是植被恢復(fù)過(guò)程中的先鋒植物[10]，相較于灌木和喬木，草本植物具有生長(zhǎng)較快、迅速覆蓋地表和抓固表層土壤的特點(diǎn)，能有效減弱雨滴擊濺和徑流沖刷的作用[11-13]。因此，有必要重點(diǎn)研究草本植物對(duì)砒砂巖陡坡侵蝕防治作用及其徑流水動(dòng)力學(xué)機(jī)理。苜蓿是中國(guó)干旱半干旱地區(qū)治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境常用的草本植物。研究顯示，苜蓿能夠顯著影響坡面徑流水動(dòng)力[14]、土壤可蝕性[15]，進(jìn)而改變坡面侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程[16-17]。本研究選擇苜蓿為防治砒砂巖陡坡侵蝕的草本植物代表,采用徑流沖刷實(shí)驗(yàn)研究苜蓿莖稈和根系變化對(duì)砒砂巖侵蝕和產(chǎn)沙的影響，揭示苜蓿影響侵蝕的徑流水動(dòng)力學(xué)機(jī)理，以期為砒砂巖地區(qū)陡坡生態(tài)恢復(fù)的植被選擇和配置提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處晉陜蒙交界的砒砂巖地區(qū)，總面積1.67萬(wàn)km2，屬于干旱半干旱氣候，處在中國(guó)風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)地帶。該地區(qū)年降雨約300～500 mm，降雨主要集中于6—9月，占全年降雨量的75%～80%，該地區(qū)年均氣溫5.5～8.8 ℃，年蒸發(fā)量1 800～2 500 mm，最大風(fēng)速可達(dá)20 m·s–1。該地區(qū)土壤類型包括砒砂巖風(fēng)化土、黑壚土、黃綿土和風(fēng)沙土[1]，由于侵蝕劇烈，地表呈強(qiáng)烈丘陵溝壑切割形態(tài)[2]。該地區(qū)原生草本植物有針茅、蒿類等，灌木有沙棘、檸條等，喬木主要為人工種植的油松。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與小區(qū)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)地在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗黃天綿圖鎮(zhèn)（39°69′N，110°27′E）。實(shí)驗(yàn)小區(qū)尺寸為1.5 m×0.4 m（圖 1），小區(qū)共10個(gè)，以37°坡面代表陡邊坡，該坡度約為砒砂巖陡邊坡的平均坡度[2]。小區(qū)填土選用的土壤為紅棕色砒砂巖風(fēng)化碎屑，取自準(zhǔn)格爾旗暖水鎮(zhèn)，其黏粒、粉粒和砂粒的體積含量分別為8.72%、49.52%和41.76%（激光粒度儀法）。依據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)為壤土。小區(qū)填土容重為1.44 g·cm–3[4，18]，土壤未過(guò)篩，將大于3 cm的塊狀顆粒挑選去除，以保持土壤結(jié)構(gòu)并使填土均勻[19]。填土前先于小區(qū)底部鋪一層厚約3 cm的沙，以促進(jìn)入滲水流排出，之后在其上部按每層10 cm填裝30 cm厚的砒砂巖土壤，在填上一層之前先將一層土壤表面打毛，以防止層間發(fā)生分層。填裝完成后用噴壺于坡面緩慢灑水，促進(jìn)土壤自然沉降。

圖1 沖刷實(shí)驗(yàn)小區(qū)

砒砂巖坡面種植紫花苜蓿（），由于坡面徑流過(guò)程主要受苜蓿莖稈和莖稈間距大小的影響，因此本研究以苜蓿株間距控制苜蓿密度，苜蓿株間距分別為8 cm、5.6 cm、4 cm、2 cm，對(duì)應(yīng)的苜蓿株密度分別為156、319、625、2 500株·m–2（表1）。在保證數(shù)據(jù)可重復(fù)性的原則下，同時(shí)考慮野外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和費(fèi)用的限制，本實(shí)驗(yàn)的苜蓿處理的重復(fù)僅為2～3個(gè)。2014年6月種植苜蓿，依據(jù)大于設(shè)計(jì)株數(shù)以網(wǎng)格為參照均勻地在小區(qū)坡面播撒種子，之后按幼苗出苗情況拔除或剪除部分植株，以達(dá)到設(shè)計(jì)密度，其中，對(duì)于2 500株·m–2處理的小區(qū)，在小區(qū)上部和下部的中間各選20 cm×20 cm的區(qū)域，數(shù)小區(qū)域內(nèi)苜蓿株數(shù)，以確定其達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。苜蓿種植完成之后讓其自然生長(zhǎng)4個(gè)月，在這期間坡面經(jīng)歷15次自然降雨事件，次降雨的降雨量在4.0～31.3 mm之間，總降雨量為198.1 mm。

1.3 徑流沖刷實(shí)驗(yàn)

2014年10月進(jìn)行徑流沖刷實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)苜蓿的平均高度約為15 cm，總體而言，株間距小的小區(qū)苜蓿高度較小，而株間距大的小區(qū)苜蓿高度較大。實(shí)驗(yàn)前用削尖的直徑為2 cm的塑料管插入坡面中部5 cm深取約10 g土，以烘干法（105℃）測(cè)量坡面土壤前期含水率；用數(shù)碼相機(jī)垂直于小區(qū)坡面對(duì)小區(qū)拍照以分析苜蓿冠層蓋度，之后用剪刀小心地剪除苜蓿冠層，保留約3 cm的莖稈。徑流沖刷實(shí)驗(yàn)所用的水為當(dāng)?shù)氐纳钣盟?，采用定水頭法供水，以閥門控制流量大小，設(shè)計(jì)沖刷流量為2 L·min–1,該流量相當(dāng)于砒砂巖地區(qū)暴雨雨強(qiáng)（60 mm·h–1）下5 m坡長(zhǎng)的坡面對(duì)應(yīng)的徑流量。每次實(shí)驗(yàn)前對(duì)流量進(jìn)行率定，以保證其準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)時(shí)水流經(jīng)供水水箱進(jìn)入溢流槽，再經(jīng)過(guò)一塊水平放置（以水平尺測(cè)量保證平面水平）的鋪有紗布的玻璃達(dá)到坡面。鋪紗布一方面可以使水流在玻璃面上均勻分布，從而保證實(shí)驗(yàn)小區(qū)上方水流以薄層水流的形式均勻地向下流動(dòng)，另一方面可以增大徑流阻力，使徑流初速度接近于零，防止上方過(guò)度沖刷。當(dāng)沖刷水流從玻璃表面流到砒砂巖小區(qū)坡面頂端后開始計(jì)時(shí)，記錄水流從坡面頂端到達(dá)小區(qū)出水口而發(fā)生產(chǎn)流所經(jīng)歷的時(shí)間（產(chǎn)流歷時(shí)）。產(chǎn)流之后沖刷實(shí)驗(yàn)繼續(xù)持續(xù)20 min，在這段時(shí)間內(nèi)每隔1 min用容積為1 L的塑料瓶取1次徑流泥沙樣，每次取樣時(shí)長(zhǎng)約為30 s。將小區(qū)分為上段（0.75 m）和下段（0.75 m），每隔4 min用KMnO4染色法分別測(cè)量其坡面徑流流速。測(cè)量時(shí)用洗瓶輕輕滴入適量KMnO4溶液，同時(shí)按下秒表開始計(jì)時(shí)，當(dāng)染色劑前鋒到達(dá)終線時(shí)再次按下秒表，記錄秒表的時(shí)間。徑流表面流速為上、下兩段長(zhǎng)度（0.75 m）分別除時(shí)間后取均值的結(jié)果。染色法測(cè)量的表面流速需要根據(jù)流態(tài)進(jìn)行修正以獲得徑流平均流速，由于本研究的坡面徑流為層流（下文交待），修正系數(shù)取0.67[20]。用精度為0.5 mm的鋼尺于距小區(qū)出水口0.1 m、0.5 m、1.0 m和1.4 m的4個(gè)斷面測(cè)量徑流深度，以4個(gè)斷面的平均值代表坡面平均徑流深度。同時(shí)每隔4 min對(duì)坡面拍照以觀察坡面徑流和坡面侵蝕特征變化。沖刷過(guò)程結(jié)束后，稱取每個(gè)水沙樣的質(zhì)量，沉淀、輕輕倒掉部分上清液之后放入烘箱烘24 h（105 ℃，24 h），之后稱量烘干泥沙質(zhì)量。

表1 實(shí)驗(yàn)小區(qū)苜蓿處理

1.4 根長(zhǎng)數(shù)據(jù)獲取

沖刷實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在小區(qū)坡面選取徑流沖刷較弱的苜蓿株間空地和苜?；?jī)蓚€(gè)點(diǎn)，分別用土鉆垂直取土，土鉆直徑為5 cm，取土深度為7.5 cm。將土樣裝入塑封袋、編號(hào)并帶回實(shí)驗(yàn)室。之后清洗出根，將根擺放于透明的A4塑料紙上，以EPSONScan掃描儀進(jìn)行掃描，掃描得到的圖片用WinRHIZO 2013e軟件進(jìn)行處理獲得根長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

1.5 水動(dòng)力參數(shù)計(jì)算

（1）雷諾數(shù)反映坡面徑流的慣性力和黏滯力之比，計(jì)算方法如下：

式中，為平均流速（m·s–1）；為水力半徑，坡面薄層水流可近似地以流深（m）代替；為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)（m2·s–1），是水溫（t，℃）的函數(shù)，0.01775/（1+0.0337t+0.00221t2）。

（2）佛汝徳數(shù)表示徑流的慣性力和重力的比值，計(jì)算方法如下：

式中，為重力加速度（m·s–2）。

（3）達(dá)西-維斯巴赫阻力系數(shù)能反映不同地表狀況影響下徑流的阻力大小，其計(jì)算方法如下：

式中，為能坡（m·m–1）。

（4）水流功率代表徑流作用于土壤表面的徑流能量大小，是常用的分析土壤分離和泥沙搬運(yùn)的簡(jiǎn)單而有效的參數(shù)，本研究的水流功率（ω,W·m–2）的計(jì)算采用下式[21]：

式中，為剪切力（N·m–2）；為水的密度（1 000 kg·m–3）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

本研究用PCOVER-3植被覆蓋度分析軟件[22]分析拍攝的小區(qū)照片得到小區(qū)苜蓿蓋度；下文對(duì)坡面產(chǎn)流特征、產(chǎn)沙特征以及徑流水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，其中，產(chǎn)流量是產(chǎn)流開始后20 min小區(qū)出水口的實(shí)測(cè)徑流總量，產(chǎn)流速率是坡面單位投影面積和單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)流量，對(duì)應(yīng)地，產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙速率也有相似的含義。用Pearson相關(guān)分析產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與可能影響它們的因素之間的相關(guān)關(guān)系；用簡(jiǎn)單回歸分析產(chǎn)沙量、產(chǎn)沙速率、徑流水動(dòng)力學(xué)特性與苜蓿蓋度、株間距、根長(zhǎng)密度等變量間的關(guān)系。所有相關(guān)分析和回歸分析均在SPSS19.0軟件中進(jìn)行。

2 結(jié)果

2.1 不同苜蓿處理砒砂巖陡坡的產(chǎn)沙隨時(shí)間變化規(guī)律

結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀察和產(chǎn)沙過(guò)程線分析（圖2）可以發(fā)現(xiàn)，在徑流沖刷過(guò)程中，砒砂巖陡坡坡面的產(chǎn)沙主要發(fā)生在沖刷早期，總體趨勢(shì)為：沖刷開始后水流在坡面呈面狀均勻分布，坡面出現(xiàn)短暫的面狀侵蝕，徑流相對(duì)均勻地沖刷坡面，產(chǎn)沙速率迅速增大。隨后徑流匯集成股流，徑流下切坡面土壤形成細(xì)小的侵蝕溝，產(chǎn)沙量繼續(xù)增大。產(chǎn)沙量大約在產(chǎn)流開始后3～5 min之間達(dá)到峰值，之后坡面產(chǎn)沙速率迅速減少，這一過(guò)程持續(xù)10 min左右，此時(shí)產(chǎn)沙速率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，細(xì)溝也趨于穩(wěn)定。此后產(chǎn)沙速率雖然會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，但是基本維持在較低的水平，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。沖刷結(jié)束后測(cè)量發(fā)現(xiàn)最大細(xì)溝深約為3 cm。觀察不同苜蓿株間距處理坡面的產(chǎn)沙過(guò)程曲線可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)沙速率達(dá)到穩(wěn)定之前，產(chǎn)沙速率一致地表現(xiàn)為隨著株間距的增大而增大。但是在產(chǎn)沙速率達(dá)到穩(wěn)定后，其隨苜蓿株間距的變化不再具有明顯的規(guī)律性。

圖2 不同苜蓿株間距處理砒砂巖坡面的產(chǎn)沙過(guò)程

數(shù)據(jù)分析顯示株間距為2、4、5.6、8 cm 時(shí)，砒砂巖陡坡平均產(chǎn)流速率分別為1.575、1.684、1.628、1.960 L·m–2·min–1，即隨著苜蓿株間距增大，坡面產(chǎn)流速率呈增大的趨勢(shì)；相似地，平均產(chǎn)沙速率和峰值產(chǎn)沙速率的總體趨勢(shì)均隨苜蓿株間距增大而增大。具體而言，苜蓿株間距從2 cm 至 8 cm增大的過(guò)程中，平均產(chǎn)沙速率分別為0.054、0.139、0.189、0.256 kg·m–2·min–1，而對(duì)應(yīng)處理的峰值產(chǎn)生速率分別為0.113、0.368、0.592、0.894 kg·m–2·min–1。同時(shí)，從產(chǎn)沙速率變化曲線還發(fā)現(xiàn)，在苜蓿株間距最小的坡面，產(chǎn)沙峰不明顯。

2.2 影響砒砂巖陡坡產(chǎn)沙的因素

表2為實(shí)驗(yàn)小區(qū)苜蓿特征和產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)。從中可以發(fā)現(xiàn)，不同實(shí)驗(yàn)小區(qū)苜蓿蓋度變化范圍為43.39%～95.79%，平均值為79%，其中株間距為8 cm實(shí)驗(yàn)處理的三個(gè)重復(fù)（8、9、10號(hào)小區(qū)）的蓋度間有一定的差異，原因可能是在剪除部分植株（以達(dá)到設(shè)計(jì)株間距）時(shí)一部分植株的基部未被徹底清理，基部萌蘗出部分小植株，使得蓋度偏大。該差異可能會(huì)在一定程度上影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但由于徑流沖刷過(guò)程中苜蓿主要通過(guò)莖稈影響坡面徑流過(guò)程，因此，苜蓿蓋度差異的影響可能較小。不同苜蓿株間距處理小區(qū)的根長(zhǎng)密度變化范圍為3.65～48.20 km·m–3，平均根長(zhǎng)密度為16.50 km·m–3；坡面前期土壤含水率范圍為11.9%～20.7%；產(chǎn)流歷時(shí)變化范圍為16～66 s；產(chǎn)流量變化范圍為12.51 L～18.84 L；產(chǎn)沙量變化范圍為0.67～5.01 kg·m–2，最大值為最小值的7.5倍。

對(duì)產(chǎn)流量與前期土壤含水率、產(chǎn)流歷時(shí)、徑流流速、苜蓿蓋度、根長(zhǎng)密度等5個(gè)因素進(jìn)行Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流與這些因素均沒(méi)有顯著的相關(guān)性，但是分析顯示在產(chǎn)流后4 min內(nèi)產(chǎn)流量與株間距有顯著的相關(guān)關(guān)系（=0.66，<0.05）。對(duì)總產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量、苜蓿蓋度、株間距、根長(zhǎng)密度、前期土壤含水率和產(chǎn)流歷時(shí)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果顯示（表3），產(chǎn)沙量與苜蓿蓋度、株間距、根長(zhǎng)密度等代表苜蓿特征的變量均顯著相關(guān)，分別為–0.82、0.96、–0.67。進(jìn)一步利用回歸分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)沙量與苜蓿蓋度和根長(zhǎng)密度為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其2分別為0.55和0.46，與株間距呈線性關(guān)系，2為0.93（圖3）。

分析砒砂巖陡坡徑流水動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)沙的關(guān)系，結(jié)果顯示坡面產(chǎn)沙速率和徑流水動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)，其中，坡面產(chǎn)沙速率與流速和水流功率相關(guān)系數(shù)分別為0.87和0.81。回歸分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)沙量與流速和水流功率均呈冪函數(shù)關(guān)系，2分別為0.94和0.68（圖4）。同時(shí)，分別分析前4、8、12、16、20 min的平均產(chǎn)流速率和平均產(chǎn)沙速率的關(guān)系，結(jié)果顯示，在產(chǎn)流后8 min內(nèi)產(chǎn)沙速率與產(chǎn)流速率存在顯著相關(guān)性，之后產(chǎn)沙速率與產(chǎn)流速率相關(guān)性不再顯著，其中，前4 min和前8 min產(chǎn)沙速率與產(chǎn)流速率呈冪函數(shù)關(guān)系，2分別為0.65（<0.05）（圖5）和0.47（<0.05）。

表2 實(shí)驗(yàn)小區(qū)苜蓿特征和產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)

表3 小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙與苜蓿特性之間的相關(guān)性

注：**表示顯著水平<0.01,*表示顯著水平<0.05 Note：** significant at <0.01，* significant at <0.05

圖3 產(chǎn)沙量與苜蓿蓋度（a）、株間距（b）和根長(zhǎng)密度（c）的關(guān)系

圖 4 產(chǎn)沙速率與流速（a）和徑流功率（b）的關(guān)系

圖 5 前4 min產(chǎn)沙速率與產(chǎn)流速率的關(guān)系

2.3 苜蓿對(duì)砒砂陡坡徑流水動(dòng)力的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下不同苜蓿株間距坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，坡面徑流雷諾數(shù)（Re）的變化范圍為133～322，徑流屬于層流，佛汝徳數(shù)（Fr）的變化范圍為0.191～0.448，屬于緩流。隨苜蓿株間距增大，雷諾數(shù)和佛汝徳數(shù)均呈冪函數(shù)形式增大（圖 6），徑流流速和水流功率也隨苜蓿株間距增大而呈冪函數(shù)形式增大（圖 7），而對(duì)阻力系數(shù)的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，其隨株間距增大呈冪函數(shù)形式減?。▓D 8）。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前4 min內(nèi)，由于坡面徑流為面狀徑流，徑流均勻地剝離坡面土壤，坡面未形成細(xì)溝，此時(shí)徑流流速隨苜蓿株間距增大呈冪函數(shù)形式顯著增大（2=0.93，<0.05）；在實(shí)驗(yàn)開始后的4～20 min徑流出現(xiàn)明顯的集中現(xiàn)象，并下切坡面土壤形成侵蝕細(xì)溝。細(xì)溝形成后，雖然株間距與徑流流速仍然具有顯著關(guān)系，但是決定系數(shù)變小（2=0.84，<0.05），即莖稈對(duì)徑流動(dòng)力的影響變小。而回歸分析發(fā)現(xiàn)，根長(zhǎng)密度與4～20 min平均流速間存在顯著的線性關(guān)系（2=0.47，<0.05）（圖 9），即隨著根長(zhǎng)密度增大，流速線性減小。觀察發(fā)現(xiàn)，在這一階段由于徑流下切進(jìn)入土壤中，使得原先土壤中的根系出露于細(xì)溝內(nèi)。

3 討 論

3.1 苜蓿覆蓋對(duì)砒砂巖陡坡侵蝕過(guò)程的影響

砒砂巖地區(qū)土壤侵蝕是黃河中游侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)，而砒砂巖陡坡侵蝕是主要的產(chǎn)沙來(lái)源。相對(duì)于緩坡，砒砂巖陡坡坡面土壤顆粒穩(wěn)定性大大降低，因此其在降雨擊濺和徑流剪切作用下容易發(fā)生侵蝕。本實(shí)驗(yàn)的砒砂巖陡坡產(chǎn)沙過(guò)程中，不同苜蓿處理小區(qū)產(chǎn)沙峰值均出現(xiàn)在沖刷早期，雖然坡面出現(xiàn)了細(xì)溝，但是產(chǎn)沙量沒(méi)有隨著細(xì)溝出現(xiàn)繼續(xù)增加，而是達(dá)到峰值之后迅速下降達(dá)到一個(gè)較小且平穩(wěn)的產(chǎn)沙速率，這可歸因于砒砂巖的特殊性質(zhì)。研究顯示砒砂巖以不穩(wěn)定、易風(fēng)化、親水性強(qiáng)的黏土礦物為主要礦物組成，且顆粒大小懸殊、排列無(wú)序、顆粒之間膠結(jié)性差[23-24]，所以容易在降雨、徑流及溫度場(chǎng)變化等作用下發(fā)生從表層向下層、從大顆粒向小顆粒逐漸風(fēng)化[4，25]。隨時(shí)間推移，風(fēng)化層厚度會(huì)逐漸增大，由于風(fēng)化后顆粒間缺乏黏結(jié)力，坡面土壤在雨滴擊濺和徑流剪切力的作用下易被分離而發(fā)生下切。然而，隨徑流下切進(jìn)行，風(fēng)化較強(qiáng)的上層土壤被剝離殆盡，降雨和徑流直接與風(fēng)化程度較弱的下層顆粒發(fā)生作用，而這一層土壤的顆粒間黏聚力較大，不易被徑流分離。因此，在一定的坡面徑流水動(dòng)力條件下，砒砂巖陡坡侵蝕產(chǎn)沙速率在沖刷早期迅速增大并達(dá)到峰值，之后迅速下降趨于穩(wěn)定。需要注意的是，在下一次侵蝕性降雨發(fā)生前，砒砂巖坡面土壤顆粒會(huì)發(fā)生風(fēng)化，為侵蝕性降雨準(zhǔn)備松散的顆粒物質(zhì)。這一過(guò)程導(dǎo)致了砒砂巖坡面特殊的風(fēng)化-侵蝕交替進(jìn)行的現(xiàn)象[4]。

圖6 苜蓿株間距與雷諾數(shù)（a）和佛汝徳數(shù)（b）的關(guān)系

圖7 苜蓿株間距與流速（a）和水流功率（b）的關(guān)系

植物對(duì)坡面侵蝕的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。根系密度、冠層蓋度、植物株間距（密度）等是常用的反映植物對(duì)坡面產(chǎn)沙過(guò)程影響的重要指標(biāo)。本研究的分析結(jié)果顯示，這三個(gè)指標(biāo)與坡面產(chǎn)沙速率均存在顯著的關(guān)系。其中，苜蓿根系密度與產(chǎn)沙速率為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，該結(jié)果與Vannoppen 等[11]的研究結(jié)果相似。但是與株間距和冠層蓋度相比，根系密度與產(chǎn)沙量關(guān)系的決定系數(shù)相對(duì)較小。這一方面可能與根系的作用發(fā)生在徑流下切進(jìn)入土壤之后才體現(xiàn)有關(guān)，另一方面也可能與取樣不足有關(guān)。本研究在一個(gè)坡面只取了兩個(gè)土樣分析苜蓿根系密度，因此可能不能很好地代表根系對(duì)坡面產(chǎn)沙過(guò)程的影響。相對(duì)于苜蓿根系密度，苜蓿蓋度與坡面產(chǎn)沙量的關(guān)系更密切，說(shuō)明苜蓿蓋度較根系密度更能有效反映其對(duì)坡面產(chǎn)沙的影響。本研究的分析結(jié)果表明砒砂巖陡坡坡面的產(chǎn)沙量隨著苜蓿蓋度增大呈指數(shù)函數(shù)形式減小，這一結(jié)果與前人的研究相似[12]。需要注意的是，本研究的徑流沖刷實(shí)驗(yàn)過(guò)程中苜蓿冠層并不直接影響砒砂巖陡坡坡面侵蝕過(guò)程，蓋度變化實(shí)際上間接反映了苜蓿植株莖桿密度和根系密度變化，因此間接地反映了莖稈和根系的作用。三個(gè)指標(biāo)中，苜蓿株間距與產(chǎn)沙量的關(guān)系最密切，說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)的苜蓿密度處理范圍內(nèi)，株間距最能有效地反映苜蓿對(duì)砒砂巖陡坡產(chǎn)沙過(guò)程的影響。其原因可能是相較于苜蓿冠層蓋度，株間距更能反映莖稈對(duì)坡面徑流水動(dòng)力的影響，同時(shí)株間距與苜蓿根系密度的關(guān)系也較蓋度與根系密度的關(guān)系密切，因此株間距也更能反映根系對(duì)砒砂巖陡坡侵蝕的影響。

圖8 苜蓿株間距與阻力系數(shù)的關(guān)系

圖9 細(xì)溝形成后坡面徑流流速與苜蓿株根長(zhǎng)密度的關(guān)系

3.2 苜蓿防治砒砂巖陡坡侵蝕的水動(dòng)力機(jī)理

水力侵蝕是徑流能量作用于坡面土壤的過(guò)程，徑流侵蝕力和土壤抗蝕能力的強(qiáng)弱決定侵蝕的強(qiáng)度和產(chǎn)沙量的多少。植被的存在既能增大土壤抵抗徑流沖刷的能力[11，16]，也能減小坡面徑流能量[26-27]。前者通過(guò)植物根系的化學(xué)吸附和物理纏繞實(shí)現(xiàn)，而后者可能通過(guò)莖稈和根系阻擋攔截實(shí)現(xiàn)。分析顯示，砒砂巖陡坡產(chǎn)沙速率隨坡面徑流流速增大呈冪函數(shù)形式增大，該結(jié)果與蘇濤和張興昌[28]在砒砂巖裸坡上沖刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)，坡面徑流功率增大，砒砂巖陡坡產(chǎn)沙速率約呈二次冪函數(shù)形式增大。該趨勢(shì)大于肖培青等[14]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其實(shí)驗(yàn)在坡度為20o的黃土坡面進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)苜蓿覆蓋坡面產(chǎn)沙速率與水流功率間呈顯著的線性關(guān)系。出現(xiàn)這種差異的原因可能是本研究的砒砂巖風(fēng)化土壤自身的抗蝕性較小，加之陡坡條件大大降低了坡面土壤的穩(wěn)定性，坡面徑流水動(dòng)力條件較小的變化就能大幅度地改變產(chǎn)沙速率。

苜蓿通過(guò)改變徑流水動(dòng)力特征影響侵蝕過(guò)程。苜蓿的存在能增大入滲速率而減少坡面產(chǎn)流速率，導(dǎo)致徑流深度減小。在相似的地表糙率狀況下，徑流深度減小，單位徑流所受的地表阻力會(huì)增大。因此，苜蓿的存在能通過(guò)減少產(chǎn)流速率而增大徑流阻力，阻力條件的這種變化會(huì)減小徑流分離土壤顆粒和搬運(yùn)泥沙的能力。這可能部分解釋了在沖刷前期產(chǎn)沙量隨徑流量變化而呈冪函數(shù)形式變化的趨勢(shì)（圖 5）。在本實(shí)驗(yàn)的流量條件下，受苜蓿覆蓋影響，砒砂巖陡坡坡面徑流屬于層流和緩流流態(tài)。在該流態(tài)下，徑流分離和搬運(yùn)泥沙的能量較小，泥沙以接觸質(zhì)的形式運(yùn)動(dòng)[29]，徑流挾帶的泥沙容易因徑流阻力增大發(fā)生沉積。本研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著苜蓿密度增大，坡面徑流阻力顯著增大，這可能是砒砂巖陡坡的產(chǎn)沙速率隨苜蓿密度增大顯著減小的原因之一。

在坡面徑流向下坡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，苜蓿通過(guò)其莖稈和根系的作用改變徑流阻力。在面蝕階段，坡面徑流直接受苜蓿莖稈作用，因此徑流水動(dòng)力特征的變化主要?dú)w因于苜蓿莖稈間距，表現(xiàn)為阻力系數(shù)隨苜蓿株間距增大而顯著減小，而流速則隨苜蓿株間距增大呈冪函數(shù)形式增大。在徑流下切形成細(xì)溝后，坡面徑流更多地匯集進(jìn)入細(xì)溝中，一部分徑流不再直接受苜蓿莖稈作用，而受細(xì)溝中因土壤剝離而出露的根系作用。因此，徑流水動(dòng)力特征的變化在一定程度上可歸因于細(xì)溝中出露的根系及其密度變化。根系作用于徑流改變了徑流能量，具體表現(xiàn)為徑流流速隨根長(zhǎng)密度增大呈線性減?。▓D9）。這些結(jié)果說(shuō)明苜蓿的地上部分和地下部分共同影響徑流水動(dòng)力過(guò)程，且侵蝕階段不同，苜蓿通過(guò)不同的組織影響徑流水動(dòng)力學(xué)特性。其中，根系對(duì)徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響在以往的研究中很少被注意到，也沒(méi)有被直接量化研究。因此，本研究有利于更加全面地認(rèn)識(shí)植物影響坡面侵蝕的徑流水動(dòng)力學(xué)機(jī)理。但由于本研究的根系取樣較少，這一發(fā)現(xiàn)需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)印證。

3.3 研究的不足

本研究利用人工小區(qū)徑流沖刷實(shí)驗(yàn)研究了苜蓿對(duì)砒砂巖陡坡侵蝕及水動(dòng)力過(guò)程的影響。限于試驗(yàn)條件限制，研究主要存在兩點(diǎn)不足：（1）實(shí)驗(yàn)坡長(zhǎng)較小（1.5 m），研究顯示徑流在向下坡運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中存在一個(gè)加速區(qū)間，坡長(zhǎng)大于該區(qū)間，徑流流速等動(dòng)力參數(shù)才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[30]。調(diào)查顯示，砒砂巖地區(qū)不同長(zhǎng)度陡坡坡面大量存在，坡長(zhǎng)變化對(duì)苜蓿的作用可能有一定的影響。（2）本研究采用徑流沖刷實(shí)驗(yàn)研究坡面侵蝕過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中剪除了苜蓿的冠層，這種實(shí)驗(yàn)方法忽略了苜蓿冠層對(duì)砒砂巖陡坡濺蝕的影響，而濺蝕對(duì)產(chǎn)沙可能是砒砂巖陡坡產(chǎn)沙的重要方面。因此，有必要在今后的實(shí)驗(yàn)中增加模擬降雨或進(jìn)行自然降雨觀測(cè)，以分析苜蓿冠層對(duì)砒砂巖陡坡侵蝕的影響。這樣才能獲得更加全面的草本植物對(duì)砒砂巖陡坡侵蝕影響的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié) 論

砒砂巖陡坡產(chǎn)沙主要發(fā)生在徑流沖刷前期，呈單峰形式。隨著株間距增大，峰值產(chǎn)沙速率和平均產(chǎn)沙速率均呈增大趨勢(shì)，前者的變化范圍為0.113～0.894 kg·m–2·min–1，而后者的變化范圍為 0.054～0.256 kg·m–2·min–1。苜蓿蓋度、株間距、根系密度三個(gè)指標(biāo)中，苜蓿株間距最能反映苜蓿對(duì)坡面產(chǎn)沙的綜合影響，與坡面產(chǎn)沙量的關(guān)系最密切（2=0.93）。

在實(shí)驗(yàn)坡度和徑流流量條件下，砒砂巖陡坡坡面徑流屬于層流和緩流，徑流流速變化范圍為 0.038～0.085 m·s–1，水流功率變化范圍為 0.901～2.201 W·m–2，達(dá)西維斯巴赫阻力系數(shù)的變化范圍為25.9～110.3。苜蓿的存在能影響砒砂巖陡坡的徑流水動(dòng)力過(guò)程，隨著株間距增大，流速和水流功率呈冪函數(shù)形式顯著增大，阻力系數(shù)則呈冪函數(shù)形式顯著減小。

苜蓿的存在通過(guò)直接作用和間接作用影響坡面阻力狀況，從而影響坡面水動(dòng)力過(guò)程。直接作用通過(guò)苜蓿莖稈和根系發(fā)揮，在細(xì)溝形成前，苜蓿通過(guò)莖稈直接作用于徑流而增大徑流阻力；在細(xì)溝形成后，苜蓿還通過(guò)其出露于細(xì)溝中的根系影響匯集于細(xì)溝中的徑流阻力狀況。間接作用是苜蓿通過(guò)增大砒砂巖陡坡入滲速率而減小徑流深度，從而增大了坡面徑流阻力。

［1］ Hou Q C，Tang K L. The characteristics of the ecologic environment in the contiguous areas of Shanxi，Shaanxi and Neimenggu. Bulletin of Soil and Water Conservation，1994，14（2）：8—15. [侯慶春，唐克麗. 晉陜蒙接壤區(qū)水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶生態(tài)環(huán)境特征.水土保持通報(bào)，1994，14（2）：8—15.]

［2］ Ran D C，Gao J L，Zhao A C，et al. Analysis on runoff and sediment characteristics and harnessing measure in Huangfuchuan River Watershed. Journal of Hydraulic Engineering，2003，34（2）：122—128. [冉大川，高健翎，趙安成，等. 皇甫川流域水沙特性分析及其治理對(duì)策.水利學(xué)報(bào)，2003，34（2）：122—128.]

［3］ Bi C F，Wang F G. Research on soil erosion mechanism in soft rock regions. Journal of Sediment Research，2008（1）：70—73. [畢慈芬，王富貴. 砒砂巖地區(qū)土壤侵蝕機(jī)理研究.泥沙研究，2008（1）：70—73.]

［4］ Tang Z H，Cai Q G，Li Z W，et al. Study on interaction among wind erosion，hydraulic erosion and gravity erosion in sediment-rock region of Inner Mongolia. Journal of Soil and Water Conservation，2001，15（2）：25—29. [唐政洪，蔡強(qiáng)國(guó)，李忠武，等. 內(nèi)蒙古砒砂巖地區(qū)風(fēng)蝕、水蝕及重力侵蝕交互作用研究. 水土保持學(xué)報(bào)，2001，15（2）：25—29.]

［5］ Xiao P Q，Yao W Y，Liu H. Research progress and harnessing method of soil and water loss in pisha sandstone region. Yellow River，2014，36（10）：92—94. [肖培青，姚文藝，劉慧. 砒砂巖地區(qū)水土流失研究進(jìn)展與治理途徑. 人民黃河，2014，36（10）：92—94.]

［6］ Tian P，Zhao G J，Mu X M，et al. A modified RUSLE model to estimate sediment yield in the Huangfuchuan watershed. Resource Science，2015，37（4）：832—840. [田鵬，趙廣舉，穆興民，等. 基于改進(jìn)RUSLE模型的皇甫川流域土壤侵蝕產(chǎn)沙模擬研究. 資源科學(xué)，2015，37（4）：832—840.]

［7］ Yu F，Li X B，Wang H. Optimization of land use pattern based on eco-security：A case study in the huangfuchuan watershed. Acta Ecologica Sinica，2014，34（12）：3198—3210. [喻鋒，李曉兵，王宏. 生態(tài)安全條件下土地利用格局優(yōu)化——以皇甫川流域?yàn)槔? 生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（12）：3198—3210.]

［8］ Wu Y H，Hu J Z，Yan X L，et al. Reduction effects of flood and sediment yield offorest in soft sandstone area. Science of Soil and Water Conservation，2011，9（1）：68—73. [吳永紅，胡建忠，閆曉玲，等. 砒砂巖區(qū)沙棘林生態(tài)工程減洪減沙作用分析. 中國(guó)水土保持科學(xué)，2011，9（1）：68—73.]

［9］ Su T，Zhang X C，Wang R J，et al. Effect of vegetation coverage on slope runoff and sediment reduction in Pisha Sandstone region. Journal of Soil and Water Conservation，2015，29（3）：98—101，255. [蘇濤，張興昌，王仁君，等. 植被覆蓋對(duì)砒砂巖地區(qū)邊坡侵蝕的減流減沙效益. 水土保持學(xué)報(bào)，2015，29（3）：98—101，255.]

［10］ Li Y G，Jiang G M. Ecological restoration of mining wasteland in both China and abroad：An over review. Acta Ecologica Sinica，2004，24（1）：95—100. [李永庚，蔣高明. 礦山廢棄地生態(tài)重建研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24（1）：95—100.]

［11］ Vannoppen W，Vanmaercke M，de Baets S，et al. A review of the mechanical effects of plant roots on concentrated flow erosion rates. Earth-Science Reviews，2015，150：666—678.

［12］ Durán Zuazo V H，Rodríguez Pleguezuelo C R. Soil-erosion and runoff prevention by plant covers：A review. Agronomy for Sustainable Development，2008，28（1）：65—86.

［13］ Zhu B B，Li Z B，Li P，et al. Effect of grass coverage on sediment yield of rain on slope. Acta Pedologica Sinica，2010，47（3）：401—407. [朱冰冰，李占斌，李鵬，等. 草本植被覆蓋對(duì)坡面降雨徑流侵蝕影響的試驗(yàn)研究.土壤學(xué)報(bào)，2010，47（3）：401—407.]

［14］ Xiao P Q，Yao W Y，Shen Z Z，et al. Experimental study on erosion process and hydrodynamics mechanism of alfalfa grassland. Journal of Hydraulic Engineering，2011，42（2）：232—237. [肖培青，姚文藝，申震洲，等. 苜蓿草地侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程及其水動(dòng)力學(xué)機(jī)理試驗(yàn)研究. 水利學(xué)報(bào)，2011，42（2）：232—237.]

［15］ Wang C Y，Yu Y C. Seasonal variations of soil rill erodibility under different types of grass in loess hilly region. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47（8）：101—108. [王長(zhǎng)燕，郁耀闖. 黃土丘陵區(qū)不同草被類型土壤細(xì)溝可蝕性季節(jié)變化研究. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47（8）：101—108.]

［16］ Wang S，Wang Q J，Dong W C，et al. Runoff and sediment generations and nutrient losses under different vegetation coverage in loess slope. Journal of Soil and Water Conservation，2012，26（4）：23—27. [王升，王全九，董文財(cái)，等. 黃土坡面不同植被覆蓋度下產(chǎn)流產(chǎn)沙與養(yǎng)分流失規(guī)律. 水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（4）：23—27.]

［17］ Shi Q H，Li Y L，Wang W L，et al. The effect of different Re-vegetation measures on runoff and sediment yielding of dump side slopes in open pit mine. Acta Agrestia Sinica，2016，24（6）：1263—1271. [史倩華，李垚林，王文龍，等. 不同植被措施對(duì)露天煤礦排土場(chǎng)邊坡徑流產(chǎn)沙影響. 草地學(xué)報(bào)，2016，24（6）：1263—1271.]

［18］ Lu L N，Zhao Y X，Hu L F，et al. Effects ofplantation on soil bulk density，porosity and moisture capacity in the arsenic sandstone area of Inner Mongolia. Journal of Desert Research，2015，35（5）：1171—1176. [盧立娜，趙雨興，胡莉芳，等. 沙棘種植對(duì)鄂爾多斯砒砂巖地區(qū)土壤容重、孔隙度與貯水能力的影響.中國(guó)沙漠，2015，35（5）：1171—1176.]

［19］ Huang C H，Laften J M. Seepage and soil erosion for a clay loam soil. Soil Science Society of America Journal，1996，60（2）：408—416.

［20］ Abrahams A D，Parsons A J，Luk S H. Field measurement of the velocity of overland flow using dye tracing. Earth Surface Processes & Landforms，1986，11（6）：653—657.

［21］Hairsine P B，Rose C W. Modeling water erosion due to overland flow using physical principles：2. Rill flow. Water Resources Research，1992，28（1）：245—250.

［22］ Zhang W B，Lu B J，Shi W. Determination of vegetation coverage by photograph and automatic calculation. Bulletin of Soil and Water Conservation，2009，29（2）：39—42. [章文波，路炳軍，石偉. 植被覆蓋度的照相測(cè)量及其自動(dòng)計(jì)算.水土保持通報(bào)，2009，29（2）：39—42.]

［23］ Ye H，Shi J S，Li X Q，et al. The effect of soft rock lithology upon its anti-erodibility. Acta Geoscientica Sinica，2006，27（2）：145—150. [葉浩，石建省，李向全，等. 砒砂巖巖性特征對(duì)抗侵蝕性影響分析.地球?qū)W報(bào)，2006，27（2）：145—150.]

［24］ Wen J，Zhu Y J，Yin X Q，et al. Pb（Ⅱ）adsorption property of Pisha sandstone. Acta Scientiae Circumstantiae，2014，34（10）：2491—2499. [溫婧，朱元駿，殷憲強(qiáng)，等. 砒砂巖對(duì)Pb（Ⅱ）的吸附特性研究. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（10）：2491—2499.]

［25］ Zhang J Y，Zhou D P. Study on ecological protection mechanism of red bed mudstone slope. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（2）：250—256. [張俊云，周德培. 紅層泥巖邊坡生態(tài)防護(hù)機(jī)制研究. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（2）：250—256.]

［26］ Pan C Z，Shangguan Z P. Runoff hydraulic characteristics and sediment generation in sloped grassplots under simulated rainfall conditions. Journal of Hydrology，2006，331（1/2）：178—185.

［27］ Zhao C H，Gao J E，Huang Y F，et al. Effects of vegetation stems on hydraulics of overland flow under varying water discharges. Land Degradation & Development，2016，27（3）：748—757.

［28］ Su T，Zhang X C. Hydraulic characteristics of steep slope runoff of Pisha sandstone. Journal of Soil and Water Conservation，2012，26（1）：17—21. [蘇濤，張興昌. 砒砂巖陡坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特征.水土保持學(xué)報(bào)，2012，26（1）：17—21.]

［29］ Wu P T，Zhou P H. Research on the laminar flow type and erosion transportation manners on the slope surface. Journal of Soil and Water Conservation，1992，6（1）：19—24，39. [吳普特，周佩華. 坡面薄層水流流動(dòng)型態(tài)與侵蝕搬運(yùn)方式的研究.水土保持學(xué)報(bào)，1992，6（1）：19—24，39.]

［30］ Zhuang X，Wang W，Ma Y，et al. Spatial distribution of sheet flow velocity along slope under simulated rainfall conditions. Geoderma，2018，321：1—17.

Hydraulic Mechanism of Alfalfa Controlling Soil Erosion on Steep Slopes of Pisha-sandstone

WANG Lunjiang1, 3, ZHANG Xingchang1, 2?

(1. Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A & F University,Yangling, Shaanxi 712100, China; 2. State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Soil and Water Conservation, CAS & Ministry of Water Resources, Yangling, Shaanxi 712100, China; 3. Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)

Steep slopes of Pisha-sandstone are the major sources of silt and coarse sand in the mid-reaches of the Yellow River of China. Revegetation of herbaceous plants on the slopes is one of the most effective measures to control soil erosion thereupon. However, so far little has been reported in the literature about how herbaceous plants influence soil erosion on steep slopes of Pisha-sandstone.This study aimed to quantitatively study effects of herbs on soil erosion on steep slope of Pisha-sandstone and hydraulic mechanism of the erosion.A total of ten artificial slopes (37°) were set up and planted with alfalfa plants different in spacing (2 cm、4 cm、5.6 cm、8 cm ) in Erdos, Inner Mongolia. Plot runoff scouring experiments were carried out with a constant inflow (2 L·min–1). Runoff and sediment yields on the slopes and variation in hydraulic features of the runoff were monitored and analyzed to explore the mechanism of alfalfa controlling soil erosion.Results show sediment yield on the slopes planted with alfalfa occurred in the initial period of runoff and scouring period, forming a single peak. Sediment yielding rate increased with flow velocity and stream power in a power function, with determination coefficients being 0.94 and 0.68, respectively. The presence of alfalfa decreased runoff volume and changed the flow hydraulics. Flows on the alfalfa covered slopes were in a laminar and subcritical state. Increase in plant spacing resulted in greater flow velocity (2=0.90) and stream power (2=0.62), but a decrease in flow resistance (2=0.87). Stems and roots of alfalfa played an important role in altering flow hydraulics. Before rill formation, stems of the plants hindered the flow of runoff. However, after rill formation, apart from the stems, roots of the plants standing out in the rills inceased resistance to the flows therein. Due to the changes in flow hydraulics and soil erodibility, soil loss on the slopes decreased exponentially with alfalfa coverage (2=0.55). However, compared to the alfalfa coverage, plant spacing was more closely related to soil loss (2=0.93).Plant spacing may reflect more comprehensively the effect of alalfa as a whole (shoots and roots) on controlling soil erosion of steep slopes of Pisha-sandstone. The study may provide a certain scientific basis for planting herbs on steep slopes of Pisha-sandstone for erosion control.

Pisha-sandstone; Steep slope; Herbaceous plant; Coverage; Plant spacing; Hydraulics

S157.1

A

10.11766/trxb201901080603

王倫江，張興昌. 苜蓿影響砒砂巖陡坡侵蝕的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（2）：284–295.

WANG Lunjiang，ZHANG Xingchang. Hydraulic Mechanism of Alfalfa Controlling Soil Erosion on Steep Slopes of Pisha-sandstone[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（2）：284–295.

* 中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（KFJ-STS-ZDTP-12）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0504504）資助Supported by the Science and Technology Service Network Initiative (No.KFJ-STS-ZDTP-012) and the National Key R & D Program of China (No.2017YFC0504504)

， E-mail：zhangxc@ ms.iswc.ac.cn

王倫江（1989—），男，貴州省興義市人，博士研究生，主要從事坡面水文與土壤侵蝕研究。E-mail: wang_lunjiang@163.com

2019–01–08；

2019–05–13；

優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2019–06–10

（責(zé)任編輯：檀滿枝）