昝玉亭, 奚同行, 吳治玲, 張華明, 龔長春, 熊 峰, 李 英

(1.江西省水利科學院, 江西 南昌 330029; 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029)

高速公路、風電場等生產(chǎn)建設(shè)項目建設(shè)備受重視。2020年全國高速公路里程達到1.61×105km，江西省高速公路里程達到6 234.11 km。國家在生產(chǎn)建設(shè)項目方面的投資還在逐年增長，這意味著挖填擾動還會增加，還將形成大量的人工邊坡[1]，造成邊坡水土流失，衍生諸多生態(tài)環(huán)境問題的同時，還可能誘發(fā)滑坡、泥石流等災(zāi)害，嚴重威脅公共安全[2-3]。

植物措施作為水土保持三大措施之一，對防止生產(chǎn)建設(shè)項目水土流失有積極意義。國內(nèi)外學者以工程堆積體[4]、坡耕地[5]、邊坡[6]為研究對象，對降雨條件下[7]、放水試驗下[8]，植物[9]或植物籬[10]的水土保持效益進行了大量研究，表明植物措施能夠改良土壤性質(zhì)，對坡面的減流減沙效益為13.17%～98.51%，具有良好的減流減沙效益[11-12]。但針對生產(chǎn)建設(shè)項目人工邊坡采用何種植被搭配，比例及如何配置才既能在更好地發(fā)揮水土保持效益的同時又能降低水土保持措施投資等一系列問題有待進一步探索。因此，本研究選取了6種植物建立4種植物配置模式(混草、花草、灌草、喬草)徑流小區(qū)，記錄2019年1—12月的自然降雨，研究4種植物模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙特點，探討4種植物模式的減流減沙效益，以期為生產(chǎn)建設(shè)項目人工邊坡水土流失的防治和植被恢復(fù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

徑流小區(qū)布設(shè)在江西省德安縣的江西水土保持生態(tài)科技園內(nèi)(115°42′—115°43′E，29°16′—29°17′N)，地貌類型以低丘為主，屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，海拔在30～90 m之間，多年平均降雨量為1 350.9 mm，最大年降雨量為1 807.7 mm，最小年降雨量為865.6 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 558 mm，多年平均氣溫16.7 ℃。

1.2 試驗設(shè)計

觀測期為2019年1—12月，選擇狗牙根、高羊茅、黑麥草、波斯菊、馬棘及刺槐等6種植物分別配置混草模式、花草模式、灌草模式及喬草模式等4種植物模式，每種模式設(shè)3個重復(fù)。在研究區(qū)內(nèi)的邊坡布設(shè)12個徑流小區(qū)，記錄觀測期內(nèi)的降雨及各徑流小區(qū)的產(chǎn)流產(chǎn)沙情況。各植物配置模式徑流小區(qū)為1∶1.5，東西向的邊坡，2018年3至4月，草籽按照比例混合后人工撒播在邊坡上。4種植被模式徑流小區(qū)的基本情況詳見表1和圖1。

表1 4種植物配置模式徑流小區(qū)的基本情況

注：1為混草混合模式； 2為花草模式； 3為灌草模式； 4為喬草模式。

1.3 研究內(nèi)容及方法

(1) 降雨觀測。記錄觀測期內(nèi)的降雨開始及結(jié)束時間、降雨場次、次降雨量、次降雨歷時，降雨等級劃分參照中國氣象局頒布的《降雨等級劃分標準(內(nèi)陸劃分)》。

(2) 產(chǎn)流產(chǎn)沙。每個徑流小區(qū)下設(shè)3個徑流桶，各徑流桶采用七孔分流法收集次降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙。

減流減沙率采用下列公式計算[13]：

減流率：RW=(W0-W1)/W0×100%

(1)

減沙率：RS=(S0-S1)/S0×100%

(2)

式中：RW為減流率(%);RS為減沙率(%)；W0，S0分別為花草小區(qū)的徑流量、泥沙量(mm，t/km2)；W1，S1為目標坡面沖刷的徑流量、泥沙量(mm，t/km2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理，用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

觀測期內(nèi)剔除沒有產(chǎn)流的降雨(即有效降雨)后，共有30場，總降雨量為1 052.73 mm，總降雨歷時為845.1 h，平均雨強為1.25 mm/h。

觀測期內(nèi)30場降雨差異較大。①從降雨量分析，4月25日的降雨量最小，只有8.8 mm，只占總降雨量的0.84%。7月12日的降雨量最大，達到109.1 mm，占總降雨量10.36%，是最小降雨量的12.4倍； ②從降雨歷時分析，7月20日的降雨歷時最小，只有0.75 h，只占總降雨歷時的0.09%。2月4日的降雨歷時最大，達到125.17 h，占總降雨歷時的14.81%，是最小降雨歷時的166.89倍； ③從平均雨強分析，1月7日的降雨強度最小，僅為0.37 mm/h。8月13日的降雨強度最大，達到33.76 mm/h，是最小雨強的90.43倍。

觀測期內(nèi)各月份的降雨情況詳見表2。8，11，12月，各只有1次降雨，僅占總降雨次數(shù)的3.33%。4月降雨次數(shù)最多，達7次，占總降雨場次的23.33%。11月降雨量最小，為14.50 mm，只占總降雨量的1.37%。7月降雨量最大，達到215.30 mm，占總降雨量的20.41%，是11月的14.85倍。8月降雨歷時最短，只有1.25 h，占總降雨歷時的0.15%。2月降雨歷時最長，達到284.85 h，占降雨歷時的33.63%，是8月的227.88倍。各月份的平均雨強在0.44～33.76 mm/h之間，降雨差異比較大。1—7月的降雨場次為20次，降雨量為982.03 mm，降雨歷時為797.18 h，分別占觀測期降雨的90%，93.1%，94.12%，說明觀測期內(nèi)的降雨主要集中在1—7月。

觀測期內(nèi)各等級降雨統(tǒng)計分析結(jié)果詳見表3。觀測期內(nèi)小雨次數(shù)最少，只有1次，中雨、大雨次數(shù)最多，都有9次。小雨的降雨量最小，只有37.33 mm，僅占總降雨量的3.55%，中雨的降雨量最大，達到293.60 mm，占總降雨量的27.89%，是小雨的7.87倍。特大暴雨的降雨歷時最短，只有4.67 h，占總降雨歷時的0.55%，中雨的降雨歷時最長，長達466.34 h，占總降雨歷時的55.18%，是特大暴雨的99.86倍，各等級平均雨強為0.37～16.45 mm/h，說明觀測期內(nèi)各等級的降雨差異較大。中雨、大雨和暴雨3種等級的降雨場次為23次，降雨量為803.80 mm，降雨歷時為718.18 h，分別占觀測期各總量的76.67%，76.35%，84.98%，說明觀測期內(nèi)以中雨、大雨和暴雨為主。

表2 4種植物配置模式的人工邊坡觀測期內(nèi)各月份降雨情況

表3 4種植物配置模式的人工邊坡觀測期內(nèi)各等級降雨情況

2.2 不同植物配置模式產(chǎn)流特征

觀測期內(nèi)30場降雨的產(chǎn)流差異較大。從每種模式來看，混草模式最小徑流量在5月12日，徑流量為0.02±0.01 mm，最大徑流量在3月1日，為4.50±0.52 mm，是最小徑流量的225倍，花草模式最小徑流量在5月12日，徑流量為0.06±0.01 mm，最大徑流量在2月14日，為24.98±13.7 mm，是最小徑流量的416倍，灌草模式最小徑流量在11月27日，徑流量為0.06±0.01 mm，最大徑流量在3月20日，為3.35±1.55 mm，是最小徑流量的55倍，喬草模式最小徑流量在5月12日，為0.02±0.01 mm，最大徑流量在7月4日，為3.96±2.81 mm，是最小徑流量的198倍?？梢钥闯?，受降雨及植被恢復(fù)情況影響，各模式次降雨的最大徑流量基本不在同場降雨發(fā)生。以降雨量較大(127.9 mm)、降雨歷時較長(105.17 h)的2月14日降雨為例，4種模式的徑流量依次為4.5±0.52，24.98±13.7，2.43±0.56，1.6±0.82 mm，可以看出同場降雨，各植物模式的產(chǎn)流量差異較大，這主要和各植物模式的恢復(fù)情況、植被覆蓋度有關(guān)。每種重復(fù)之間差異也較大，各植物模式重復(fù)之間變化幅度分別達到0.52，13.7，0.56，0.82 mm，這是由于每種重復(fù)之間覆蓋度的差異引起的。

觀測期內(nèi)不同月份各植物配置模式累積產(chǎn)流情況詳見表4?？梢钥闯?種模式12月累積產(chǎn)流量均最小，混草模式和喬草模式在3月、花草模式在2月、灌草模式在4月的累積產(chǎn)流量最大?？梢钥闯龈髋渲媚Ｊ疆a(chǎn)流的月季變化較大，這與降雨的月份分布有關(guān)。2—4月及7月各模式的累積產(chǎn)流量分別為27.22，61.22，25.81，20.20 mm，分別占各自總量的83.78%，90.23%，78.47%，80.77%，說明各植物模式產(chǎn)流的主要在2—4月及7月。這是因為2—4月的降雨量較大，雨強較強，再加上植被覆蓋度較低，降雨直接沖擊小區(qū)坡面，再加上坡面枯落物較少，產(chǎn)流量自然較大，5—6月降雨量及雨強也比較大，但進入生長季后，植被覆蓋度較好，大部分降雨被截留，混草植被覆蓋程度較好，增加了地表糙率，延緩了地表徑流的發(fā)生，產(chǎn)流量少于2—4月，12月降雨量比11月略大，但降雨歷時較長，平均雨強小于11月，產(chǎn)流也就小于11月。從各月累積產(chǎn)流量來看：花草模式>灌草模式>混草模式>喬草模式，各月份產(chǎn)流基本符合這個順序，除部分月份由于植被覆蓋度差異引起的產(chǎn)流略有不同。

表4 不同月份4種配置模式累積產(chǎn)流情況

觀測期內(nèi)不同等級降雨各植物配置模式的累積產(chǎn)流情況詳見表5。小雨時，各植物模式的產(chǎn)流均最小，混草模式、灌草模式和喬草模式的大雨累積產(chǎn)流量最大，花草模式的中雨累積產(chǎn)流量最大。由表5可以看出，不同降雨等級各植物配置模式產(chǎn)流量差異較大。受中雨、大雨和暴雨的分布特征影響，4種植被恢復(fù)模式的累積產(chǎn)流量分別為26.47，59.04，26.31，20.03 mm，分別占各自總量的81.47%，87.02%，80.02%，80.09%，說明產(chǎn)流主要集中在這3種等級。從表5還可以看出，4種植物模式的產(chǎn)流量基本順序為：花草模式>灌草模式>混草模式>喬草模式。每種植物模式的重復(fù)間差異也比較大，最大的花草模式達到13.36 mm，這也是由于植被覆蓋度不同引起的差異，而各模式采用人工撒播工藝，受降雨影響，在植被恢復(fù)初期，各植被小區(qū)不同程度地被沖刷至中下坡，尤以花草、灌草模式最為明顯，這就導致了相同條件下兩種模式重復(fù)間的植被覆蓋度差異較大，進而影響了產(chǎn)流的差異。

2.3 不同植物配置模式產(chǎn)沙特征

觀測期內(nèi)30場降雨的產(chǎn)沙差異較大?；觳菽Ｊ阶钚‘a(chǎn)沙量在5月12日，為0.04±0.03 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月30日，為321.46±130.36 t/km2；花草模式最小產(chǎn)沙量在4月25日，為0.01±0.01 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月30日，為382.60±257.90 t/km2；灌草模式最小產(chǎn)在沙量6月12日，為0.52±0.06 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月20日，為317.36±158.31 t/km2；喬草模式最小產(chǎn)沙量在12月18日，為0.14±0.06 t/km2，最大產(chǎn)沙量在3月20日，為87.62±16.99 t/km2。可以看出，4種模式的產(chǎn)沙量3月20日次降雨都達到了最大值，雖然此次降雨量只有55.4 mm，降雨歷時為16.67 h，平均雨強比較大，達到3.32 mm/h，再加上各植物模式剛進入生長季，是植被覆蓋度最低的月份之一，導致了4種植物模式產(chǎn)沙量均達到最大。而降雨量(63.7 mm)、降雨歷時(26.33 h)、平均雨強(2.42 mm/h)接近的6月20日次降雨的產(chǎn)沙量分別為3.64±1.24，4.23±1.34，4.13±3.6，1.16±1.6 t/km2，正是由于處于生長季，植被覆蓋度較好，4種模式的產(chǎn)沙量均遠低于3月20日產(chǎn)沙(見表6)。

觀測期內(nèi)不同月份各植物配置模式累積產(chǎn)沙情況詳見表6。可以看出各配置模式產(chǎn)沙的月季變化較大，12月的累積產(chǎn)沙量最小，僅占各自總量的0.04%，0.10%，0.14%，0.03%，3月的產(chǎn)沙量最大，分別占各自總量的63.35%，57.80%，51.32%，39.15%。2—4月及7月4種模式的累積產(chǎn)沙量分別為638.21，881.61，718.61，409.57 t/km2，分別占各自總量的94.56%，95.89%，95.12%，94.26%，說明各植物模式產(chǎn)沙的主要集中在2—4月及7月。這和降雨、徑流的月份分布有關(guān)。

觀測期內(nèi)不同降雨等級累積產(chǎn)沙量情況詳見表7。小雨時，各植物模式的產(chǎn)沙均為最小，暴雨時，4種模式的累積產(chǎn)沙量均達到最大?？梢钥闯觯煌燃壗涤?，各植物配置模式產(chǎn)沙量差異較大。從每種等級的累積產(chǎn)沙量來看，大小順序基本為：花草模式>灌草模式>混草模式>喬草模式。受中雨、大雨和暴雨的分布特征影響，4種植被恢復(fù)模式的累積產(chǎn)沙量分別為598.69，890.88，658.27，346.2 t/km2，分別占各自總量的88.7%，90.16%，87.14%，87.47%，說明各模式的產(chǎn)沙主要集中在這3種等級，這和降雨特征、產(chǎn)流主要集中在這3種等級降雨有關(guān)。

2.4 不同植物配置模式的減流減沙效益分析

以累積產(chǎn)流最多的花草模式為參照，選擇減流率為指標，對比分析觀測期內(nèi)各模式的減流效益，結(jié)果詳見表8。從次降雨產(chǎn)流量分析，灌草模式的產(chǎn)流量最小(3.35 mm)，減流率最大，為86.59%，其次為喬草模式，混草模式減流率最小；從月累積產(chǎn)流量分析，混草模式的產(chǎn)流量最小(23.83 mm)，減流率最大，為26.31%，喬草模式的最小，為20.22%；從不同降雨等級累積產(chǎn)流分析，喬草模式的累積產(chǎn)流量最小，7.29 mm，減流率最大為78.28%，混草模式減流率最小，為66.22%；從全年累積產(chǎn)流量分析，喬草模式的產(chǎn)流量最小，為25.01 mm，減流率最大，為63.14%，混草模式的減流率最小，為52.11%?？偟膩砜?，喬草模式的產(chǎn)流量較小，減流率較大。

表8 4種不同植物配置模式的減流效益

以產(chǎn)沙最多的花草模式為參照，選擇減沙率為指標，對比分析觀測期內(nèi)各模式的減沙效益，結(jié)果如表9所示。從次降雨產(chǎn)沙量分析，喬模式的產(chǎn)沙量最小(87.62 t/km2)，減沙率最大，為77.10%，其次為灌草模式，混草模式減沙率最??；從月季累積產(chǎn)沙量分析，喬草模式的產(chǎn)沙量最小(170.13 t/km2)，減沙率最大，為67.99%，混草模式的減沙率最小，為19.54%；從不同降雨等級累積產(chǎn)沙分析，喬草模式的累積產(chǎn)沙量最小(166.06 t/km2)，減沙率最大為59.50%，灌草模式減沙率最小，為13.41%；從全年累積產(chǎn)流量分析，喬草模式的產(chǎn)沙量最小(434.51 t/km2)，減沙率最大，為52.74%，灌草模式的減沙率最小，為17.84%?？偟膩砜?，喬草模式、混草模式的產(chǎn)沙量較小，減沙率較大。

表9 4種不同植物配置模式的減沙效益

3 討 論

觀測期內(nèi)的產(chǎn)流產(chǎn)沙集中在2—4月及7月4個月，有中雨、大雨和暴雨3種等級。這是因為這4個月份3種等級降雨量大、歷時長，降雨強度也較大。降雨量、降雨歷時、降雨強度等降雨因子是坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因子。一般情況下，降雨初期，降雨量小，雨強，對土壤表層結(jié)構(gòu)破壞不大，降雨下滲或者被土壤吸收，地表不會或很少產(chǎn)生徑流，也就不會出現(xiàn)流失現(xiàn)象。隨著降雨時間的累積，降雨量增加，降雨強度增強，表層結(jié)構(gòu)破壞，透水能力下降，含水量也達到了飽和狀態(tài)，大部分降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流，也增加了徑流的挾沙能力，相同等級的降雨，由于下墊面的不同產(chǎn)流、產(chǎn)沙量存在較大差異[14-15]。

植物措施是生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持常用的三大措施之一，具有較好的水土保持功能。植被冠層和枯枝落葉層可以攔截降雨，大大降低降雨對地表的直接沖擊，增加地表糙度，從而抑制降低產(chǎn)流產(chǎn)沙的速度，植被根系和枯枝落葉層能夠提高土壤入滲能力，改良土壤養(yǎng)分[16-17]。不同的植物模式、恢復(fù)階段、覆蓋度會導致植被水土保持效益的差異。一般情況下植被恢復(fù)的初級階段，植被覆蓋度較低，水土保持效益相對較低。植被恢復(fù)經(jīng)過一定階段恢復(fù)，植被覆蓋度較高，植被類型豐富，水土保持效益自然較好[18-20]。而本研究4種植物配置模式恢復(fù)時間較短，植被覆蓋度較低，刺槐、馬棘等喬灌還在生長初期，植被對降雨的攔截、地表徑流的延阻等作用還不明顯，導致灌草的產(chǎn)流產(chǎn)沙量某些降雨條件下大于混草模式的出現(xiàn)。由于施工工藝、種子成活等引起植被覆蓋度的不同，是引起4種植物配置模式、各模式植被間減流減沙效益差異的主要原因。

不同降雨條件下各植被配比模式的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，長時間梯度下不同植被配比模式的恢復(fù)效益等問題均有待于進一步研究探討。

4 結(jié) 論

(1) 2019年1—12月有效降雨30場，總降雨量為1 052.73 mm，總降雨歷時為845.1 h，7月的降雨量(215.30 mm)最大，2月降雨歷時(284.85 h)最長，降雨主要集中在1—7月；中雨降雨量最大、歷時長，降雨以中雨、大雨、暴雨為主。

(2) 4種植物配置模式次降雨產(chǎn)流差異較大，月累積產(chǎn)流分布不均。2月花草模式產(chǎn)流最大，3月混草模式、灌草模式產(chǎn)流最大，4月灌草模式產(chǎn)流最大。產(chǎn)流主要集中在2—4月及7月。大雨時，混草模式、灌草模式和喬草模式的累積產(chǎn)流量最大，而花草模式則在中雨時的累積產(chǎn)流量最大，產(chǎn)流主要集中在中雨、大雨和暴雨。

(3) 4種植物配置模式次降雨產(chǎn)沙差異較大，月季產(chǎn)沙分布不均，12月產(chǎn)沙最小，3月產(chǎn)沙最大。產(chǎn)沙主要集中在2—4月及7月，暴雨累積產(chǎn)沙量最大。各模式產(chǎn)沙主要集中雨、大雨和暴雨。

(4) 不同降雨條件下的減流減沙效果各異。次降雨條件下，灌草模式減流率最大。喬草模式的減沙率最大，月累積條件下，混草模式的減流率最大。喬草模式的減沙率最大，不同雨型累積條件下，喬草模式的減流減沙率均為最大，分別為78.28%，59.50%。全年累積喬草模式的減流減沙率分別為63.14%，52.74%，均為最大。本研究觀測期內(nèi)，植被恢復(fù)初期，受植被覆蓋度差異影響，喬草模式、混草模式的減流減沙率較大，具有較好的固土保持效益。