焦若禺， 宋孝玉， 趙新凱， 李藍(lán)君， 符 沖， 張志旭， 王紹娜

（西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

水土流失一直是困擾黃土高原發(fā)展的長久性問題，如何使黃土高原地區(qū)生態(tài)環(huán)境高質(zhì)量發(fā)展是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)重要方向［1-3］。造成黃土高原地區(qū)水土流失的原因主要有2 個(gè)方面，其一是由于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境導(dǎo)致植被覆蓋稀疏，整體土壤環(huán)境惡劣，地表起伏較大，同時(shí)由于季節(jié)性暴雨等天氣因素，導(dǎo)致了水土流失情況日益突出；其二則是人為因素，人類生產(chǎn)活動對自然環(huán)境的負(fù)面影響致使問題越發(fā)嚴(yán)重［4-5］。以陜甘寧接壤地帶的黃土高原溝壑區(qū)為代表，此地區(qū)由于受到人類活動與自然環(huán)境的影響，溝壑發(fā)展快速，進(jìn)一步危及工業(yè)設(shè)施、造成道路安全事故等［6-8］。針對這一現(xiàn)象，學(xué)術(shù)界發(fā)現(xiàn)草地、林地等植被下墊面可以對土壤形態(tài)進(jìn)行構(gòu)造，并且緩解侵蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。因而，如何利用草地、林地下墊面的不同水力條件產(chǎn)生作用，解決因水土流失引發(fā)的一系列侵蝕問題，具有重大研究意義。

針對植被所具有的減沙減流效益，國內(nèi)外已有諸多專家和學(xué)者進(jìn)行了研究。Roundy等［9］為了確定減少樹木和播種增加植被覆蓋之間的聯(lián)系，對10 m2跨流域徑流小區(qū)自然降水后徑流和泥沙進(jìn)行觀測，得出減少樹木和恢復(fù)行間植被具有顯著水文效益的結(jié)論；Soulis等［10］選擇多汁植物、旱生植物及草坪草作為植被覆蓋層，對比不同類型淺綠色屋頂?shù)南到y(tǒng)徑流量、初始基質(zhì)含水量、總降雨深度，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋層在減少徑流方面可發(fā)揮積極作用。國內(nèi)的王葆等［11］對比沙打旺與紫花苜蓿不同的流量和植被覆蓋度的條件下，利用潛水泵進(jìn)行徑流沖刷的方法，發(fā)現(xiàn)兩種植被均具有減流減沙效益；Li 等［12］采用多元混合模型和流域?qū)Ρ?，針對小流域暴雨徑流變化和泥沙來源進(jìn)行分析，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)暴雨前后，徑流在有無植被結(jié)構(gòu)覆蓋條件下存在顯著差異；綜合上述關(guān)于減流減沙的研究成果，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境條件等的不同，草地林地下墊面對于減流減沙的作用存在一定的差異，然而該領(lǐng)域涉及水力特性的研究工作較為匱乏，特別是不同植被結(jié)構(gòu)的冠層和根系對減流減沙效益的影響。

針對以上問題，本文利用野外模擬降雨的方法，對全植被、根系、裸坡3 種不同下墊面植被覆蓋類型以及不同降雨強(qiáng)度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙及減流減沙效益進(jìn)行了分析，探究了不同下墊面植被覆蓋的水土保持效益以及水力特性，為解決黃土高原地區(qū)水土流失問題提供了理論依據(jù)和試驗(yàn)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)時(shí)間為2019年8月9日至2019年9月17日，地點(diǎn)為甘肅省慶陽市黃河水利委員會西峰水土保持試驗(yàn)站。選擇黑麥草作為試驗(yàn)用草，因其具有低耗水特性［13-14］。降雨采用的是側(cè)噴式降雨器，并將降雨器的高度設(shè)置為4 m，整體降雨的均勻度在85%以上，通過對壓力表以及噴頭大小的調(diào)節(jié)來控制降雨器的降雨強(qiáng)度。為了保證能夠均勻噴灑到植被上，降雨器的高度設(shè)置為4 m。野外調(diào)查表明黃土塬溝壑區(qū)塬面坡度在1°～5°，且多集中在3°，為更好模擬黃土塬溝壑區(qū)溯源侵蝕過程，因此試驗(yàn)場地借助石棉瓦分割為12 個(gè)具有不同坡度特征的徑流小區(qū)，坡度分別為1°、3°和5°，每個(gè)小區(qū)規(guī)格均為1.5 m×10.0 m。試驗(yàn)小區(qū)的土壤理化性質(zhì)及顆粒組成由樣地內(nèi)隨機(jī)選取土樣，風(fēng)干后剔除植物根系殘?bào)w，碾壓后過2 mm 土篩，使用激光粒度分析儀（Mastersizer 2000，UK）測試，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)的降雨器以及試驗(yàn)場地，如圖1所示。

表1 試驗(yàn)小區(qū)土壤理化性質(zhì)及顆粒組成Tab.1 Physical and chemical properties and particle composition of soil in the test plot

圖1 試驗(yàn)場地Fig.1 Test sites

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始前2 個(gè)月，在試驗(yàn)小區(qū)通過條播方式種植了覆蓋度40%試驗(yàn)用黑麥草，考慮到雨天排水，采用橫坡種植的方式。本次降雨試驗(yàn)開始前，黑麥草的生長高度為20 cm，且整體生長態(tài)勢良好。結(jié)合試驗(yàn)用裝置、土壤入滲變化以及坡面產(chǎn)流情況，本試驗(yàn)綜合考慮降雨強(qiáng)度（以下簡稱雨強(qiáng)）、坡度大小以及植被結(jié)構(gòu)這3 個(gè)方面，其中雨強(qiáng)設(shè)置為30 mm·h-1、60 mm·h-1和90 mm·h-1，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境，坡度的大小設(shè)置為1°、3°和5°，植被結(jié)構(gòu)選擇全植被、根系和裸坡3 種類型。每次試驗(yàn)均在無風(fēng)前提下進(jìn)行，每次試驗(yàn)前均需重新調(diào)整雨強(qiáng)和降雨均勻度，降雨均勻度需大于85%。多次重復(fù)試驗(yàn)，以試驗(yàn)均值作為計(jì)算的依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)誤差在3%～5%之間。試驗(yàn)中的3種試驗(yàn)用坡面，如圖2 所示，其中根系植被結(jié)構(gòu)是貼著地表剪去植被冠層之后得到的，根系植被高度為3～4 cm。

圖2 3種植被結(jié)構(gòu)Fig.2 Three types of vegetation structure

1.3 試驗(yàn)方案實(shí)施

沿著試驗(yàn)選擇坡面，從上到下依次設(shè)置3 個(gè)測量斷面。根據(jù)已有的研究成果，由于土壤前期的含水率情況在坡面地表徑流的生成，以及泥沙等的輸送轉(zhuǎn)移方面均有較大的作用［15］。因此，降雨試驗(yàn)前，先通過土壤水分測量儀測定試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)不同斷面的土壤含水量，通過均勻噴灑使得土壤飽和，當(dāng)土壤含水量的測量深度為60 mm 時(shí)，停止噴灑。以降雨后坡面開始產(chǎn)流為準(zhǔn)，記錄產(chǎn)流歷時(shí)。每次降雨歷時(shí)1 h，起始階段10 min內(nèi)，每間隔2 min即取一次徑流泥沙混合物，之后每間隔5 min 取一次。對于含沙量，用烘干法進(jìn)行測量，對于水流流速，以染色劑追蹤法完成測定，應(yīng)保持測定頻率同坡面徑流收集頻率一致。兩場降雨至少間隔24 h，完成上述全植被整株牧草試驗(yàn)之后，貼著地表將試驗(yàn)用黑麥草的冠層部分削減掉，僅保留根系結(jié)構(gòu)的植被結(jié)構(gòu)坡面，為了抑制根系生長對試驗(yàn)產(chǎn)生不利影響，對黑麥層進(jìn)行割除。重復(fù)上述步驟完成根系植被結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及參數(shù)計(jì)算

通過對比不同雨強(qiáng)及坡度下全植被、根系和裸坡坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，植被根系和全植被坡面的減流減沙過程，對不同草被結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)流減流和產(chǎn)沙減沙特征及水力特征進(jìn)行分析。涉及到的相關(guān)參數(shù)計(jì)算具體如下。

（1）減流減沙相關(guān)參數(shù)

本次試驗(yàn)主要分析黑麥草根系與冠層在調(diào)控坡面侵蝕中的作用，期間黑麥草生長旺盛，不形成枯枝落葉，故將坡面侵蝕中黑麥草的調(diào)控作用視為冠層與根系的作用之和。減流減沙效益的計(jì)算公式如下：

式中：BRa、BRs和BRc分別為全植被、根系和冠層的減流效益；Ra、Rs和Rf分別為全植被、根系和裸地坡面的產(chǎn)流率；BSa、BSs和BSc分別為全植被、根系和冠層的減沙效益；Sa、Ss和Sf分別為全植被、根系和裸地坡面的產(chǎn)沙率。

減流貢獻(xiàn)率和減沙貢獻(xiàn)率計(jì)算公式為：

式中：RS、Rc分別為植被根系、植被冠層的減流貢獻(xiàn)率；SS、Sc分別為植被根系、植被冠層的減沙貢獻(xiàn)率。

（2）水力參數(shù)

水深是一個(gè)重要的水力參數(shù)變量［16］，假設(shè)水流在坡面上均勻分布，水深（D）的表達(dá)式為：

式中：D為坡面流水深（m）；Q為徑流量（m3）；V斷為斷面流速（m·s-1）；W為過水?dāng)嗝鎸挾龋╩）；t為取樣間隔時(shí)間（s）。

在坡面侵蝕特征研究中，水力參數(shù)主要有雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)以及阻力相關(guān)系數(shù)。雷諾數(shù)（Re）的表達(dá)式為：

式中：V為坡面流流速（m·s-1）；v為水流運(yùn)動粘滯系數(shù)（m2·s-1）；D為坡面流水深（m）。

弗勞德數(shù)（Fr）的表達(dá)式為：

式中：g為重力加速度（m·s-2）；V為坡面流流速（m·s-1）；D為坡面流水深（m）。

考慮到Dracy-weisbach 阻力系數(shù)使用起來更為容易，且適用性廣［17］，因而本次試驗(yàn)選擇該阻力系數(shù)來研究水力參數(shù)。

阻力系數(shù)（f）表達(dá)式為:

式中：g為重力加速度（m·s-2）；r為水力半徑（m）；J為水流能坡；V為坡面流流速（m·s-1）。

試驗(yàn)中，降雨流經(jīng)試驗(yàn)坡面時(shí)會產(chǎn)生剪切力，是造成土壤顆粒分離、坡面發(fā)生侵蝕的一種重要力量。坡面徑流以及坡面徑流剪切力的計(jì)算比較復(fù)雜，在此將試驗(yàn)坡面簡化，當(dāng)作單一維度的均勻流。

水流剪切力表達(dá)式：

式中：τ為水流剪切力（Pa）；γ為水容量(N·m-3)；r為水力半徑（m）；J為水流能坡；ρ為混水的密度（kg·m-3）；g為重力加速度（m·s-2）；D為坡面流水深（m）；S為坡度（°）。

水流功率（w）的表達(dá)式為（式中參數(shù)含義同上）：

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)坡面產(chǎn)流與減流特征

本次研究產(chǎn)流結(jié)果如圖3 所示，在不同坡度和雨強(qiáng)條件下，裸坡坡面產(chǎn)流率為63.55～338.76 mL·s-1，根系坡面產(chǎn)流率為61.78～319.03 mL·s-1，全植被坡面產(chǎn)流率為45.81～274.85 mL·s-1，產(chǎn)流率順序呈現(xiàn)全植被坡面＜根系坡面＜裸坡坡面的規(guī)律。同時(shí)，與裸坡坡面對比根系坡面減少產(chǎn)流率1.06%～15.00%，冠層坡面減少產(chǎn)流率1.12%～40.22%。由上述結(jié)果可見，黑麥草冠層及根系均具有減流作用。

圖3 3種植被結(jié)構(gòu)不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流率隨坡度的變化Fig.3 Runoff yield rates of three vegetation structures under different rainfall intensities with the change of slope gradients

由不同雨強(qiáng)及坡度下冠層和根系的減流特征（圖4）可以發(fā)現(xiàn)，隨著雨強(qiáng)及坡度的增加，冠層與根系的減流貢獻(xiàn)率增加。試驗(yàn)冠層的減流效益更加顯著，不同雨強(qiáng)下均優(yōu)于根系部分。對比不同坡度同雨強(qiáng)條件下的減流貢獻(xiàn)率，冠層減流貢獻(xiàn)率在坡度為1°與5°時(shí)呈逐漸增大的趨勢，而坡度為3°時(shí)先降低再增加。根系減流貢獻(xiàn)率在雨強(qiáng)為60 mm·h-1、坡度3°時(shí)達(dá)到最大。在不同降雨條件及坡度條件下冠層與根系的減流貢獻(xiàn)率比值均大于1。由上述數(shù)據(jù)可知，相同試驗(yàn)條件下，冠層與根系的平均減流貢獻(xiàn)率分別可達(dá)62%和38%，可見冠層的減流效益更加顯著，不同雨強(qiáng)下均優(yōu)于根系部分。

圖4 不同雨強(qiáng)和坡度的黑麥草冠層及根系減流貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rates of ryegrass canopy and root system to runoff reduction under different rainfall intensities and slope gradients

2.2 試驗(yàn)坡面產(chǎn)沙與減沙特征

本次研究產(chǎn)沙結(jié)果如圖5 所示，在不同坡度和雨強(qiáng)條件下，裸坡坡面產(chǎn)沙率始終最大，產(chǎn)沙率為2.30～12.84 g·s-1，根系坡面產(chǎn)沙率為1.72～10.40 g·s-1，全植被坡面產(chǎn)沙率為0.51～5.15 g·s-1，產(chǎn)沙率順序呈現(xiàn)全植被坡面＜根系坡面＜裸坡坡面的規(guī)律。對比于裸坡坡面，根系坡面減少產(chǎn)沙率15.29%～44.83%，全植被坡面減少產(chǎn)沙率41.30%～86.10%?？梢?，相對于裸坡坡面，全植被坡面和根系坡面均有減沙作用。

圖5 不同植被結(jié)構(gòu)徑流小區(qū)徑流產(chǎn)沙率隨坡度的變化Fig.5 Runoff and sand yield rates of different vegetation structures in runoff plots with the change of slope gradients

圖6為不同雨強(qiáng)及坡度下冠層和根系的減沙特征。由圖4與圖6對比根系和冠層的減流效益與減沙效益是不同的。相同坡度條件下，冠層的減沙貢獻(xiàn)率呈下降趨勢，而根系的減沙貢獻(xiàn)率成上升趨勢；與之相反的，受雨強(qiáng)影響，冠層與根系均呈現(xiàn)出先下降后上升的情況。由對比結(jié)果可知，根系的減沙效益更為顯著，冠層的減沙效益則相對較小。不同雨強(qiáng)下根系的減沙貢獻(xiàn)率可達(dá)到75%左右，而冠層僅達(dá)到40%左右；不同坡度下根系的減沙貢獻(xiàn)率可達(dá)到68%左右，而冠層的減沙貢獻(xiàn)率僅達(dá)到42%左右。由此可得出，與減流試驗(yàn)相反的結(jié)論，根系結(jié)構(gòu)的減沙效益更加顯著，不同雨強(qiáng)下均優(yōu)于冠層部分。

圖6 不同雨強(qiáng)和坡度的黑麥草冠層及根系減沙貢獻(xiàn)率Fig.6 Contribution rates of ryegrass canopy and root system to sand reduction under different rainfall intensities and slope gradients

2.3 坡面水力特征

對于水力特征，本文主要依托水流流速、水流深度、雷諾數(shù)［18］以及弗勞德數(shù)［19］來進(jìn)行分析探討。由不同雨強(qiáng)及坡度下3種植被結(jié)構(gòu)的水流流速變化（圖7）可以發(fā)現(xiàn)，在不同雨強(qiáng)及坡度下，全植被和根系均有較好的減速效果。3種植被結(jié)構(gòu)類型的水流流速整體規(guī)律為：裸坡坡面最大，根系坡面次之，全植被坡面最小。30 mm·h-1雨強(qiáng)下，全植被坡面在坡度1°時(shí)的水流流速為0.05 m·s-1，坡度5°時(shí)的水流流速為0.093 m·s-1，表現(xiàn)出的減速效果明顯。相比裸坡坡面，根系坡面在坡度1°時(shí)的水流流速0.065 m·s-1，以及在坡度為5°時(shí)的水流流速0.102 m·s-1，同樣表現(xiàn)出較好的減速效果。

圖7 不同雨強(qiáng)及坡度下3種植被結(jié)構(gòu)的水流流速變化Fig.7 Changes of flow velocity of three vegetation structures under different rainfall intensities and slope gradients

水深往往隨坡面變形而發(fā)生波動，因?yàn)榻涤晷纬傻钠旅媪鲗俦恿?，坡面形態(tài)（泥沙搬運(yùn)及淤積）以及下墊面的影響（冠層的截留及根系固結(jié)土壤的作用）都將對坡面流水深產(chǎn)生一定影響，且在草被覆蓋下水深不易測量，因此本研究通過測量斷面處的流速和流量而間接計(jì)算坡面流水深。由不同雨強(qiáng)及坡度下水力參數(shù)的分布（表2）可以發(fā)現(xiàn)，裸坡坡面的弗勞德數(shù)顯著高于其他植被結(jié)構(gòu)的參數(shù)，說明裸坡坡面的水流屬于急流，其他則屬于緩流。裸坡坡面的弗勞德數(shù)為6.32，根系坡面為0.98，全植被坡面僅為0.62。全植被坡面的Dracy-weisbach 阻力系數(shù)達(dá)到9.25。由于本試驗(yàn)條件下坡面流水深較小，因此表征水流慣性力與粘滯力比值的參數(shù)雷諾數(shù)也較小。不同下墊面條件下的雷諾數(shù)變化不是很大，且都小于臨界值500，說明不同植被結(jié)構(gòu)覆蓋下的坡面流流態(tài)為層流，因而其能量耗散以及流速等特征均遵循層流的規(guī)律。根據(jù)河流動力學(xué)原理，弗勞德數(shù)越大，說明徑流攜沙能力越強(qiáng)，徑流剪切力越大。在裸坡試驗(yàn)坡面，水流的弗勞德數(shù)遠(yuǎn)大于全植被坡面和僅有根系作用的坡面，且大于臨界值1，屬于急流，而剩余兩種情形，即全植被坡面和僅有根系作用坡面的弗勞德數(shù)小于1，屬于緩流，這是因?yàn)橹脖环稚⒆铚搅鞯哪芰κ沽魉贉p小，徑流流動變緩；而裸地流速卻較大，相應(yīng)地，徑流以較大的慣性作用向坡下流動，因而導(dǎo)致弗勞德數(shù)較大。上述現(xiàn)象表明植被的根系及冠層能夠明顯的降低水流剪切力及徑流的泥沙搬運(yùn)能力，緩解坡面流的流態(tài)。全植被和根系坡面的阻力系數(shù)為裸坡坡面的79.6倍和30.3倍；冠層的增阻作用強(qiáng)于根系部分，不同雨強(qiáng)下，相對于裸坡，冠層可使坡面流阻力增加66.7%～147.5%，而根系僅能增加41.6%～54.3%；隨著雨強(qiáng)的增大根系增阻效益先小幅度減小后又變大，冠層增阻效益則一步步變?nèi)酢?/p>

表2 基于不同雨強(qiáng)和坡度的水力參數(shù)Tab.2 Hydraulic parameters based on different rainfall intensities and slope gradients

2.4 坡面侵蝕特征與水力特征相關(guān)性

由不同雨強(qiáng)下水力參數(shù)的分布（表3）可以發(fā)現(xiàn)，隨著雨強(qiáng)增加，全植被坡面的水流剪切力從0.1011 Pa 增加至2.9835 Pa，水流功率從0.0050 N·m-1·s-1增加至0.3282 N·m-1·s-1；根系坡面隨著雨強(qiáng)的增加，水流剪切力從0.0613 Pa 增加至1.7564 Pa，而水流功率則從0.0058 N·m-1·s-1增加至0.3478 N·m-1·s-1。在坡度為3°和5°的情況下，全植被和根系坡面在水流剪切力和水流功率上的變化規(guī)律與1°時(shí)的變化趨勢一致。

表3 不同雨強(qiáng)的水流剪切力和水流功率Tab.3 Water shear force and water power under different rainfall intensities

由不同坡度下水力參數(shù)的分布（表4）可以發(fā)現(xiàn)，隨著坡度增加，全植被坡面的水流剪切力從0.1011 Pa 增加至0.1624 Pa，水流功率從0.0050 N·m-1·s-1增加至0.1642 N·m-1·s-1；根系坡面隨著雨強(qiáng)的增加，水流剪切力從0.0613 Pa 增加至0.1592 Pa，而水流功率則從0.0058 N·m-1·s-1增加至0.0302 N·m-1·s-1。在雨強(qiáng)為60 mm·h-1和90 mm·h-1的情況下，全植被和根系坡面在水流剪切力和水流功率上變化趨勢一致。

表4 不同坡度的水流剪切力和水流功率Tab.4 Water shear force and water flow power with different slope gradients

對土壤侵蝕特征及水力參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析及配對樣本t檢驗(yàn)，通過灰色關(guān)聯(lián)分析坡面土壤侵蝕特征與水力參數(shù)之間的關(guān)系，其基本原理為根據(jù)比較數(shù)列和參考數(shù)列在幾何形狀上的相似程度，來判斷數(shù)列間的關(guān)系是否緊密［20］。不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流速率與水力參數(shù)間的相關(guān)性存在差異，水流功率、雷諾數(shù)以及水流剪切力同產(chǎn)流速率間的相關(guān)程度較高（表5）。雨強(qiáng)較低時(shí)雷諾數(shù)與水流功率同產(chǎn)沙速率間的相關(guān)性較高，在雨強(qiáng)較大的前提下，水流流速與弗勞德數(shù)同產(chǎn)沙速率的相關(guān)性較高，在60 mm·h-1雨強(qiáng)下水流剪切力與產(chǎn)沙速率之間的相關(guān)性較高。

表5 坡面土壤侵蝕特征與水力參數(shù)之間的相關(guān)性Tab.5 Correlation between slope soil erosion characteristics and hydraulic parameters

對土壤侵蝕特征與水力參數(shù)之間的擬合關(guān)系進(jìn)行分析，能夠反映土壤侵蝕的水動力過程潛在機(jī)制，并能夠判斷評估有效的水力指標(biāo)。由土壤侵蝕特征與水力參數(shù)之間的擬合式（表6）可以發(fā)現(xiàn)，不同植被結(jié)構(gòu)下水流功率、雷諾數(shù)和水流剪切力與產(chǎn)流速率間的線性擬合結(jié)果顯著，顯著性水平小于0.01；水流功率、雷諾數(shù)和水流剪切力間是冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，雷諾數(shù)、水流功率同產(chǎn)沙速率間顯著相關(guān)，顯著性水平小于0.01，水流剪切力的擬合效果則不是很理想。因此，對于評估產(chǎn)流速率和產(chǎn)沙速率來說，雷諾數(shù)和水流功率是適用的2 個(gè)水力指標(biāo)，而水流剪切力則不適用。

表6 坡面土壤侵蝕特征與水力參數(shù)擬合式Tab.6 Fitting formulas of slope soil erosion characteristics and hydraulic parameters

3 討論

產(chǎn)流減流試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裸坡坡面的產(chǎn)流率最大，根系坡面次之，全植被坡面最小，相對于裸坡坡面，全植被坡面和根系坡面均有減流作用，其原因是黑麥草根系坡面和全植被坡面能夠攔蓄雨水，減小坡面流速，使雨水在坡面有更多入滲時(shí)間。對比根系部分，黑麥草葉片較為茂密［21-22］，冠層能夠?qū)τ甑芜M(jìn)行攔截，減小雨滴到達(dá)坡面時(shí)的動能，因雨水的滲透通常由一個(gè)被稱為密封層的低滲透層控制，雨水動能的減少不利于結(jié)皮的形成［23-24］，使其坡面入滲作用更強(qiáng)，而根系由于比較細(xì)使坡地土壤直接裸露在雨滴的擊打作用之下，因此根系弱于冠層的減流貢獻(xiàn)率。試驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)隨著雨強(qiáng)的增大，3 種坡面徑流量呈增加趨勢。但同一雨強(qiáng)下，坡度對3 種坡面徑流的影響有所差異。雨強(qiáng)30 mm·h-1和雨強(qiáng)60 mm·h-1時(shí)，不同坡度徑流量差異顯著，但是雨強(qiáng)90 mm·h-1時(shí)，坡度3°和5°坡面徑流量并無顯著差異。分析其原因，在雨強(qiáng)較小時(shí)，坡度對坡面產(chǎn)流影響較大，隨著雨強(qiáng)的增大，雨強(qiáng)對于坡面產(chǎn)流的影響增強(qiáng)，雨強(qiáng)對坡面產(chǎn)流的影響掩蓋了坡度對坡面產(chǎn)流的影響。郭星星等、孫佳美等和張璐等［25-27］也有過類似發(fā)現(xiàn)。

產(chǎn)沙減沙試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同植被結(jié)構(gòu)的徑流產(chǎn)沙率隨雨強(qiáng)的增加而增加，最大值出現(xiàn)在雨強(qiáng)最大的時(shí)，這與侵蝕動力理論相契合。對比冠層部分，黑麥草的根系細(xì)小，在生長初期不會破壞土壤，并在生長過程中促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成及增強(qiáng)抗沖刷能力。根系對土壤團(tuán)聚體的積極作用包含以下幾點(diǎn)：根系的分泌物附著于較細(xì)的土壤顆粒表面，可使土粒轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的大團(tuán)聚體；為土壤提供了大量可分解的有機(jī)物，從而增加土壤有機(jī)質(zhì)含量；支持根際微生物和土壤動物的生長，這有助于根系發(fā)揮其水土保持功效；釋放多價(jià)陽離子并增加土壤水的離子濃度，特別是在后期隨著植被的進(jìn)一步生長，黑麥草的根系發(fā)育達(dá)到頂峰，根系網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)形成，根系生物量達(dá)到最大，伴隨根系的發(fā)育，根系會分泌一些能夠膠結(jié)土壤顆粒的物質(zhì)，進(jìn)一步促進(jìn)生成比較穩(wěn)定的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加土壤的內(nèi)聚力，因此冠層弱于根系的減沙貢獻(xiàn)率，而Thomaz［28］等的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)，較大的雨強(qiáng)會更快產(chǎn)生地表徑流，對坡面沖刷變強(qiáng)，攜帶走地表更多的泥沙，使沖刷量增加。隨著雨強(qiáng)的增加，雨滴動能和終極速度越大，對表層土壤穩(wěn)定性破壞越大，擊濺侵蝕加劇，鄧龍洲等［29］有過類似發(fā)現(xiàn)。

黑麥草的冠層部分與根系部分減速效果良好，這與植被結(jié)構(gòu)組成直接關(guān)聯(lián)。裸坡坡面的徑流剪切力最大，是因?yàn)閺搅鞯牧鲃铀俣容^大，對應(yīng)的慣性作用也較大，這使得弗勞德數(shù)的數(shù)值處于較高范圍；在全植被和根系坡面上，植被存在分散限制徑流的能力，徑流流速變小，徑流流動變得緩慢，弗勞德數(shù)處于較小范圍。不難發(fā)現(xiàn)，黑麥草植被的根系以及冠層部分在降低水流剪切力以及泥沙輸移上效果明顯。與張光輝等［30］結(jié)論類似，不同雨強(qiáng)下侵蝕特征對于水力參數(shù)所產(chǎn)生的影響不同。雷諾數(shù)與水流功率能夠用于水力特性當(dāng)中。而全植被、根系、裸坡坡面的水流剪切力與產(chǎn)沙速率的決定系數(shù)（R2）分別為0.245、0.988、0.645（表6），其顯著水平小于0.01，是不能夠用于水力特性當(dāng)中的指標(biāo)。呂春娟等［31］基于降雨試驗(yàn)對鐵尾礦坡面水力特性的分析，也發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流功率、產(chǎn)沙速率與雷諾數(shù)以及水流功率具有顯著的線性關(guān)系，而本文針對3 種植被結(jié)構(gòu)坡面展開分析，研究結(jié)論適用范圍更廣。

4 結(jié)論

本文通過設(shè)置不同雨強(qiáng)和下墊面坡度，進(jìn)而以全植被、根系及裸坡結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)植被類型，經(jīng)過對不同條件下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征以及減流減沙特征進(jìn)行分析，并結(jié)合水力特征參數(shù)，探討了不同雨強(qiáng)及坡度全植被、根系以及裸坡條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及水力特性，得出以下結(jié)論：

（1）在不同雨強(qiáng)及植被結(jié)構(gòu)下，產(chǎn)流流量隨坡度的變化整體呈現(xiàn)出：裸坡坡面＞根系坡面＞全植被坡面。而在不同坡度及植被結(jié)構(gòu)下，產(chǎn)流流量隨雨強(qiáng)的變化整體呈現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

（2）在不同雨強(qiáng)及坡度下，冠層表現(xiàn)出比根系更加顯著的減流效益，冠層的平均減流貢獻(xiàn)率為62%，而根系的平均減流貢獻(xiàn)率為38%。

（3）在不同雨強(qiáng)及植被結(jié)構(gòu)下，徑流產(chǎn)沙率隨坡度的變化整體呈現(xiàn)出裸坡坡面＞根系坡面＞全植被坡面。而在不同坡度及植被結(jié)構(gòu)下，徑流產(chǎn)沙率隨雨強(qiáng)的變化整體呈現(xiàn)出裸坡坡面＞根系坡面＞全植被坡面。

（4）在不同雨強(qiáng)及坡度下，根系表現(xiàn)出比冠層結(jié)構(gòu)更加顯著的減沙效益。

（5）在不同雨強(qiáng)及坡度下，水流流速變化整體呈現(xiàn)出：裸坡坡面＞根系坡面＞全植被坡面；植被的根系及冠層部分在降低水流剪切力以及泥沙輸移方面效果顯著；坡度一定時(shí)，全植被和根系坡面的水流剪切力與水流功率隨著雨強(qiáng)的增加均增加；水流功率、雷諾數(shù)和水流剪切力與產(chǎn)流速率的相關(guān)性較高，各種水力參數(shù)與產(chǎn)沙速率的相關(guān)性與降雨強(qiáng)度的大小有關(guān)。