李佳輝,魏淑娥,劉程龍,張寬地,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

水土流失嚴(yán)重制約著黃土高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,一直是人們重點(diǎn)關(guān)注和亟待解決的問題。溫帶大陸性氣候是黃土高原的主要?dú)夂蝾愋?降水量年內(nèi)分布不均勻,主要集中在夏季且多暴雨,再加上其本身的自然環(huán)境相對脆弱和人類活動(dòng)對植被的破壞,使得黃土高原土壤侵蝕尤為嚴(yán)重,黃河近90%的泥沙來源于此[1-4]。為控制水土流失,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,我國實(shí)施了“退耕還林(草)”工程。區(qū)域生態(tài)得到了明顯改善,植被規(guī)模得到顯著恢復(fù),植被覆蓋已被證實(shí)是減少水蝕導(dǎo)致土壤侵蝕的有效措施[5-7]。

自1999年以來,隨著退耕還林政策的實(shí)施,黃土高原植被恢復(fù)導(dǎo)致植被覆蓋度已接近水資源承載力的閾值。如果只注重覆蓋度的影響,將會引發(fā)新的生態(tài)環(huán)境問題[8-11],因此,關(guān)注植被空間格局對坡面流侵蝕以及水沙調(diào)控的影響就顯得尤為重要[12]。同時(shí),選擇合理的植被空間格局是減輕土壤退化,解決黃土高原地區(qū)水土流失的根本措施,對生態(tài)環(huán)境的改善和恢復(fù)有著重要作用。以往關(guān)于植被格局的研究多集中在不同植被格局類型和植被斑塊在坡面上的分布位置等方面。例如:吉靜怡等[13]通過模擬降雨試驗(yàn)研究了5種分布格局發(fā)現(xiàn),在隨機(jī)、帶狀格局下,生物結(jié)皮坡面初始產(chǎn)流時(shí)間均顯著高于裸土坡面,分別是裸土坡面的2.46倍和1.78倍。亦有研究表明,植被在坡中、下部時(shí),對于徑流流速的削減作用更佳[14-15]。楊坪坪等[16]通過不同的植被空間配置證明坡面徑流流態(tài)為過渡流或紊流。戴矜君等[17]通過野外放水沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),緊密排列植被格局的增阻作用要優(yōu)于隨機(jī)排列。張冠華等[18]通過開展不同植被格局下的坡面流沖刷試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與長條狀格局相比,帶狀格局、棋盤狀格局和小斑塊格局的增阻作用明顯較強(qiáng),也有學(xué)者得出了類似的結(jié)論[19-20]。此外,有學(xué)者發(fā)現(xiàn)植被格局對坡面地表水沙特性具有重要影響[21-22]。王棟棟等[20,23]通過研究發(fā)現(xiàn),水文路徑連通性差的格局在阻控泥沙方面能力較強(qiáng),而具有良好水文路徑連通性的格局效果相對較差。王玉霞等[24]通過野外人工模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)茵陳蒿群落小斑塊格局對坡面產(chǎn)流的阻控效應(yīng)較大,而大斑塊格局對坡面產(chǎn)沙的阻控效應(yīng)更為顯著。也有大量的研究表明,選擇適當(dāng)?shù)牟輲恢每梢杂行Ы档推旅鎻搅髑治g[25-28]?？梢?目前關(guān)于植被格局對坡面水動(dòng)力學(xué)及產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的研究相對較多,而從侵蝕動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)針對不同植被格局條件下坡面土壤侵蝕的研究相對較少。另外,植被通常是由地上部分和地下部分組成,地上部分一般由植被冠層、莖稈、地表枯落物構(gòu)成,而地下部分主要是根系。植被的冠層、莖稈、根系以及枯落物層等不同結(jié)構(gòu)組分可以減少土壤侵蝕[29],且有研究表明,地上部分和地下部分在調(diào)控坡面徑流侵蝕方面的作用差別較大[30-33]。因此將植被的地上部分和地下部分進(jìn)行分離量化研究來揭示植被覆蓋下調(diào)控坡面土壤侵蝕機(jī)理是更為合理的。

基于此,為研究黃土高原地區(qū)不同草被格局不同組分對坡面土壤侵蝕特征的影響,本研究利用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn),選取陜西楊凌土,在不同降雨強(qiáng)度條件下,對不同草被格局的植草坡面和留根坡面的土壤侵蝕過程進(jìn)行觀測,分析草被格局不同組分的減流減沙效益;闡明不同草被格局不同組分對削減徑流泥沙的相對貢獻(xiàn)率,揭示草被格局不同組分對坡面侵蝕產(chǎn)沙機(jī)理的影響,為黃土高原坡面侵蝕及生態(tài)環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

本試驗(yàn)于2022年4月至6月在水利部西北水利科學(xué)研究所人工模擬降雨大廳進(jìn)行,采用西安淼森電子科技有限公司研發(fā)的MSR-T-W1100(1500)型人工模擬降雨系統(tǒng)。該模擬降雨面積約為120 m2(12 m×10 m),可以產(chǎn)生20 mm/h～240 mm/h范圍內(nèi)的雨強(qiáng),雨滴直徑為0.3 mm～6.0 mm,降落高度為6.0 m,降雨均勻度在無風(fēng)環(huán)境中大于85%。經(jīng)多次率定,所噴雨滴粒徑、降雨動(dòng)能與天然降雨十分接近[34-36]。試驗(yàn)徑流小區(qū)為小型移動(dòng)式鋼質(zhì)土槽,土槽規(guī)格為2.0 m(長)×1.0 m(寬)×0.4 m(高)。土槽尾部設(shè)置V形收集口,用來收集形成的徑流和泥沙樣品。試驗(yàn)土壤取自陜西楊凌(108°4′28″E,34°16′56″N),土壤質(zhì)地為粉質(zhì)壤土。試驗(yàn)所用土壤的物理性質(zhì)見表1[37]。試驗(yàn)選用草種為麥冬草(OphiopogogonJaponicus),因其根系發(fā)達(dá),耐寒耐旱,故常用于防治土壤侵蝕[38]。

表1 試驗(yàn)中使用表土(0～50 cm)的物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在不同類型的降雨事件下,不同草被格局的水土流失效應(yīng)差別較大,即使是同樣特征的降雨事件由于草被格局的不同有可能產(chǎn)生不同的徑流侵蝕效果[6]。因此,本試驗(yàn)設(shè)置順坡帶狀格局(DBP)、沿等高線帶狀格局(CBP)、菱形帶狀格局(RBP)、棋盤斑狀格局(CSP)、隨機(jī)斑狀格局(RSP)以及裸坡(BSP)6種草被格局作為格局因素的不同水平。搭配60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h三個(gè)降雨強(qiáng)度,坡度為15°,草被覆蓋度為50%。為了定量研究草被格局不同部分對坡面流水沙特性影響的貢獻(xiàn)度,在完成了完整植株的降雨試驗(yàn)后,去除掉草被地表上部的冠層部分,去除時(shí)貼近地表且不擾動(dòng)表層土壤,得到不同草被格局留根坡面。為保證試驗(yàn)精度,每個(gè)處理均進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)取平均值分析。模擬降雨條件下不同草被格局試驗(yàn)徑流小區(qū)坡面設(shè)置見圖1。

(順坡帶狀格局: Down-slope band pattern, DBP; 沿等高線帶狀格局: Cross-slope band pattern, CBP; 菱形帶狀格局: Rhombus band pattern, RBP; 棋盤斑狀格局: Chessboard spot-shaped pattern, CSP; 隨機(jī)斑狀格局: Random spot-shaped pattern, RSP; 裸坡: Bare slope pattern, BSP)圖1 不同草被格局徑流小區(qū)坡面布置圖

所有試驗(yàn)用土自取土后在試驗(yàn)場地自然風(fēng)干,輕微破碎處理后通過5 mm孔徑篩網(wǎng)除去雜草、小石塊等雜質(zhì),每24 h測量一次土壤含水量。裝土之前,在土槽底部均勻鋪10 cm厚的天然細(xì)沙并覆蓋透水紗布,保持土層的透水狀況接近自然狀態(tài)。為保證裝填土的均勻性和緊實(shí)性,避免遇水后嚴(yán)重塌落,按土壤分6層(每層5 cm)裝填。邊裝填邊壓實(shí),保證試驗(yàn)土壤容重達(dá)到設(shè)計(jì)要求(1.25 g/cm3)。填土?xí)r盡量保持土體表面平整,裝填完一層便將土壤刮毛,使其具有一定的糙度,防止土體滑移。在試驗(yàn)前將事先在野外種下長勢均勻的麥冬草按照設(shè)計(jì)的草被空間配置方案移栽在試驗(yàn)土槽中,并核對不同試驗(yàn)小區(qū)的實(shí)際草被覆蓋度是否為50%。上述準(zhǔn)備工作完成后適當(dāng)灑水養(yǎng)護(hù)半個(gè)月,方可開展試驗(yàn)。

每場降雨的時(shí)長為產(chǎn)流開始后持續(xù)30 min,降雨前對雨強(qiáng)進(jìn)行校準(zhǔn)使率定雨強(qiáng)最大限度接近設(shè)計(jì)雨強(qiáng),誤差在允許范圍內(nèi)(±5 mm/h)。降雨過程中,待徑流小區(qū)出水口連續(xù)均勻出現(xiàn)渾水樣(即開始產(chǎn)流)后,記錄下產(chǎn)流開始的時(shí)間。利用高錳酸鉀溶液(KMnO4)在上坡段(0.4 m～1.0 m)和下坡段(1.0 m～1.6 m)的固定斷面上測定徑流表面流速,前10 min內(nèi),每1 min觀測2次,以后每2 min測量2次,取平均值;根據(jù)水流流態(tài)確定流速修正系數(shù),進(jìn)而求得平均流速。在徑流小區(qū)出水口收集徑流泥沙全樣,泥沙全樣在降雨前10 min每分鐘收集一次,降雨后20 min每兩分鐘收集一次,每次收集時(shí)間均為30 s。渾水溫度用溫度計(jì)觀測2次。然后,測量徑流樣品質(zhì)量,后將樣品靜置。待泥沙沉淀之后,倒掉上層清液,將余下高濃度泥沙樣品轉(zhuǎn)移至小盒內(nèi)置于烘箱中105℃烘干24 h后稱重[18],以測得產(chǎn)流量和侵蝕產(chǎn)沙量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

文中各產(chǎn)流產(chǎn)沙特征參數(shù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、顯著性分析以及繪圖分別采用Microsoft Excel 2021、SPSS 25以及Origin 2021。相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下:

水流剪切力τ:

τ=γRJ

(1)

水流功率ω:

ω=γqJ=γhvJ=τv

(2)

單位水流功率Pu:

Pu=vJ

(3)

減流效益Rrb:

(4)

減沙效益Srb:

(5)

式中:τ為水流剪切力,N/m2;γ為水的重度,為9.8 kN/m3;R為水力半徑,由于本試驗(yàn)水流較薄,用水深h替代,m;J為徑流坡降,其值取坡度的正弦值,即J=sinθ,在本試驗(yàn)中,θ=15°;ω為水流功率,N/m/s;q為單寬流量,m2/s;v為平均流速,m/s;Pu為單位水流功率,m/s;Rrb為減流效益;Rb為裸坡的徑流率,L/m2/min;Rg為覆草坡面的徑流率,L/m2/min;Srb為減沙效益;Sb為裸坡的侵蝕率,g/m2/min;Sg為覆草坡面的侵蝕率,g/m2/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

2.1.1 產(chǎn)流過程

圖2為不同降雨條件下不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)徑流率隨降雨歷時(shí)的變化曲線圖?？梢园l(fā)現(xiàn),在各工況下坡面徑流率隨降雨歷時(shí)的變化趨勢基本一致,即坡面徑流率隨降雨歷時(shí)的延長整體表現(xiàn)為先增加后逐步趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。穩(wěn)定徑流率受降雨強(qiáng)度、草被格局等多種因素的影響。坡面徑流率隨降雨強(qiáng)度增大而明顯增大,降雨強(qiáng)度越大,穩(wěn)定后的徑流率也越大。比如:在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強(qiáng)度下,隨機(jī)斑狀格局植草坡面的徑流率分別穩(wěn)定在0.702 L/m2/min、1.134 L/m2/min、1.832 L/m2/min左右。

圖2 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)徑流率隨降雨歷時(shí)的變化

相比于裸坡,在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強(qiáng)度下,沿等高線帶狀格局(CBP)和菱形帶狀格局(RBP)植草坡面穩(wěn)定徑流率分別降低了0.644 L/m2/min、0.610 L/m2/min、0.606 L/m2/min和0.421 L/m2/min、0.377 L/m2/min、0.361 L/m2/min。由此可以看出穩(wěn)定徑流率減小的幅度隨降雨強(qiáng)度的增大而減小。這主要是因?yàn)?一方面隨著雨強(qiáng)的增大,坡面發(fā)生超滲產(chǎn)流可能性增大;另一方面,草被對降雨的截留作用減弱,從而導(dǎo)致覆草坡面與裸坡徑流率的差距減小。降雨強(qiáng)度相同時(shí),不同草被格局的穩(wěn)定徑流率也表現(xiàn)出一定的差異性。以降雨強(qiáng)度為60 mm/h為例,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面穩(wěn)定徑流率依次為1.051 L/m2/min、0.967 L/m2/min、0.809 L/m2/min、0.702 L/m2/min、0.586 L/m2/min和1.230 L/m2/min,與裸坡相比依次降低了14.6%、21.4%、34.2%、42.9%和52.4%。同時(shí),與其他形式的覆草坡面相比,沿等高線帶狀格局和隨機(jī)斑狀格局的坡面徑流率增幅在降雨前期相對較小,且雨強(qiáng)越小,增幅越小。這是由于這兩種草被覆蓋形式更好地切斷了坡面水流的流動(dòng)路徑,水流受阻的可能性增加,致使坡面水文連通性下降,從而徑流率增幅減小,增速變慢。而在大雨強(qiáng)下,草被的阻礙作用在雨量及雨滴動(dòng)能增大的情況下被明顯削弱,因此徑流率的增速較快,增幅較大。除此之外,不同草被格局會影響坡面徑流率趨于穩(wěn)態(tài)階段的時(shí)間。例如:在雨強(qiáng)為60 mm/h的情況下(圖 2(c)),順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局和菱形帶狀格局的徑流率接近穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為10 min,而隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局約為16 min。結(jié)合其他降雨強(qiáng)度下徑流率隨降雨歷時(shí)的變化規(guī)律來看,徑流率趨于穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間基本上隨不同格局水文連通性的減弱而增大。此外,降雨強(qiáng)度的增加能顯著縮短多個(gè)草被格局徑流率趨于穩(wěn)態(tài)階段的時(shí)間,且不同格局的植草坡面徑流率趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間要大于留根坡面徑流率趨于穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。

在降雨強(qiáng)度相同時(shí),同一草被格局坡面徑流率大小表現(xiàn)為裸坡>留根坡面(OR)>植草坡面(CR)。在本試驗(yàn)中,植草坡面徑流率的大小受冠層和根系共同影響。草本冠層可以同時(shí)攔截降雨和增加地表的粗糙度,從而提高土壤的入滲率;根系則會深入土層,增大降雨的下滲。留根坡面由于失去了草冠的保護(hù),因而其徑流率大于植草坡面。裸坡由于沒有覆被,土壤入滲率相對最小,所以徑流率最大[39]。

2.1.2 產(chǎn)沙過程

圖3為不同降雨強(qiáng)度條件下不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率隨降雨歷時(shí)的變化曲線圖。不難看出,在各工況下坡面侵蝕率隨降雨歷時(shí)的變化趨勢基本一致,即降雨開始后一小段時(shí)間內(nèi)坡面開始產(chǎn)流產(chǎn)沙,侵蝕率在短時(shí)間內(nèi)迅速提高,達(dá)到峰值后逐漸降低最終趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài),穩(wěn)定侵蝕率受草被格局、降雨強(qiáng)度以及草本不同部位等多種因素的影響。坡面侵蝕率隨降雨強(qiáng)度增大而明顯增大,降雨強(qiáng)度越大,侵蝕率的峰值亦越大,達(dá)到峰值所需時(shí)間則越短,穩(wěn)定后的侵蝕率也相對越大。比如:在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強(qiáng)度下,沿等高線帶狀格局(CBP)植草坡面的侵蝕率的峰值依次為27.58 g/m2/min、46.62 g/m2/min、62.06 g/m2/min,分別穩(wěn)定在4.72 g/m2/min、12.56 g/m2/min、17.18 g/m2/min左右。

圖3 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率隨降雨歷時(shí)的變化

相比于裸坡,在60 mm/h、90 mm/h、120 mm/h降雨強(qiáng)度下,沿等高線帶狀格局(CBP)和隨機(jī)斑狀格局(RSP)植草坡面穩(wěn)定侵蝕率分別降低21.56 g/m2/min、25.84 g/m2/min、31.66 g/m2/min和19.12 g/m2/min、21.44 g/m2/min、27.88 g/m2/min。由此可以看出,降雨強(qiáng)度對坡面土壤侵蝕侵的影響較大。降雨強(qiáng)度相同時(shí),不同草被格局的穩(wěn)定侵蝕率也表現(xiàn)出一定的差異性。以降雨強(qiáng)度為60 mm/h為例,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面穩(wěn)定侵蝕率依次為16.54 g/m2/min、12.86 g/m2/min、9.62 g/m2/min、8.58 g/m2/min和4.72 g/m2/min,與裸坡相比依次降低了36.3%、50.5%、62.9%、67.0%和81.8%。

坡面侵蝕率隨草被格局的差異可以從水文連通性的角度來解釋。草被格局的水文連通性越差,水沙流動(dòng)過程中遇到的阻礙越多,水沙通過坡面所遇到的阻抗力就越大,從而導(dǎo)致侵蝕率下降[40]。此外,在相同的的降雨條件下,同一格局不同覆被坡面侵蝕率大小表現(xiàn)為裸坡>留根坡面>植草坡面。草本冠層和根系均對植草坡面的侵蝕率產(chǎn)生影響,且二者的作用方式不同。草本冠層一方面通過削減雨滴動(dòng)能來減小降雨對坡面表層土的擊濺作用[41];另一方面,通過增大地表粗糙度,來減小徑流挾沙能力。而草本根系則是通過與土壤表層土的接觸和纏繞,增大了根系與土壤顆粒間的粘結(jié)作用,從而達(dá)到良好的固土效果[42]。當(dāng)然,只有在冠層和根系的共同作用下能夠更好的減緩徑流和增大土壤的抗蝕能力。因此,不同草被格局植草坡面侵蝕率最小,留根坡面侵蝕率次之,裸坡坡面侵蝕率最大,這與柳曉娜得到的結(jié)果類似[39]。

2.2 減流減沙效益

不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的減流減沙效率見圖4。與裸坡相比,其他草被格局的植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的徑流率依次降低了6.85%～65.34%和2.19%～23.15%(見圖 4(a)～圖4(c))。隨降雨強(qiáng)度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減流效益均降低。以沿等高線帶狀格局(CBP)為例,當(dāng)降雨強(qiáng)度依次為60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h時(shí),其植草坡面減流效益依次為65.34%、41.01%和26.43%,留根坡面減流效益依次為23.15%、17.26%和13.90%。此外,在降雨強(qiáng)度相同的情況下,草被格局的水文連通性的越差,植草坡面和留根坡面減流效益均增加。在60 mm/h降雨強(qiáng)度條件下,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面減流效益依次為14.44%、23.26%、38.89%、55.13%和65.34%,留根坡面減流效益依次為5.51%、9.55%、12.99%、18.93%和23.15%(圖 4(a))。由此可見不同草被格局不同處理坡面的減流效益差異較大,其中60 mm/h降雨強(qiáng)度下沿等高線帶狀格局(CBP)植草坡面的減流效益最好,而120 mm/h降雨強(qiáng)度下順坡帶狀格局(DBP)留根坡面的減流效益最差。

圖4 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的減流減沙效益

相比于裸坡,不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)的土壤侵蝕率依次降低了22.88%～70.46%和10.49%～50.61%。整體而言,隨降雨強(qiáng)度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減沙效益均降低(見圖 4(d)～圖4(f))。以隨機(jī)斑狀格局為例,當(dāng)降雨強(qiáng)度依次為60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h時(shí),其植草坡面減沙效益依次為60.73%、47.86%和45.34%,留根坡面減沙效益依次為40.09%、35.65%和34.99%。此外,在降雨強(qiáng)度相同的情況下,隨草被格局水文連通性的減弱,不同草被格局植草坡面和留根坡面減沙效益均增加。比如:在120 mm/h的降雨強(qiáng)度條件下,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局植草坡面減沙效益依次為22.88%、33.70%、38.11%、45.34%和52.57%,留根坡面減沙效益依次為15.55%、23.96%、28.27%、34.99%和43.13%(圖 4(f))。由此可見,與不同草被格局的減流效益類似,不同草被格局不同處理坡面的減流效益差異較大?？傮w來看,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減沙效益要優(yōu)于減流效益。

2.3 草本不同部位對減流減沙的貢獻(xiàn)率

不同草被格局下草本不同部位減流減沙貢獻(xiàn)率見圖5。在不同降雨強(qiáng)度條件下,不同草被格局的草本冠層對減流效益的相對貢獻(xiàn)率為47.40%～68.98%,草本根系對減流效益的相對貢獻(xiàn)率為31.02%～52.60%。整體而言,冠層與根系對減流效益貢獻(xiàn)率的比值大于1,說明草本冠層對徑流削減的作用要大于根系(見圖 5(a)～圖5(c))。草本冠層對徑流的削減作用主要體現(xiàn)攔截降雨削減雨滴動(dòng)能、分散徑流和增加地表粗糙度三個(gè)方面,而草本根系對徑流的延緩削減作用主要體現(xiàn)在根系與土壤的固結(jié)作用削減了徑流能量和增加地表粗糙度兩個(gè)方面[39]。本試驗(yàn)所使用的麥冬草冠層比較發(fā)達(dá),對降雨的截留能力強(qiáng),從而延長了入滲時(shí)間,這說明麥冬草冠層的存在有利于促進(jìn)土壤入滲,保持土壤水分。降雨強(qiáng)度相同時(shí),草本冠層對徑流削減的相對貢獻(xiàn)率隨草被格局的不同而表現(xiàn)出一定的差異性。例如:120 mm/h雨強(qiáng)下,沿等高線帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局草本冠層對徑流削減的相對貢獻(xiàn)率依次為68.04%、54.95%、52.88%、49.83%和47.40%(圖5(c))。此外,隨雨強(qiáng)的增大,同一格局下的草本冠層對徑流削減的相對貢獻(xiàn)率隨降雨強(qiáng)度的增大而減小。例如:菱形帶狀格局草本冠層對徑流削減的相對貢獻(xiàn)率在60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h三種雨強(qiáng)下依次為66.60%、60.52%和52.88%。

圖5 不同草被格局下草本不同部位減流減沙貢獻(xiàn)率

在本研究中,不同草被格局對坡面土壤侵蝕的調(diào)控主要是由草本冠層和草本根系共同作用的。在不同工況下,草本冠層對減沙效益的相對貢獻(xiàn)率為17.97%～63.17%,草本根系對減沙效益的相對貢獻(xiàn)率為36.83%～82.03%。同時(shí),根系與冠層貢獻(xiàn)率的比值大于1,這說明草本根系對土壤侵蝕的削減能力更大(見圖 5(d)～圖5(f))。究其原因,主要是麥冬草的根系較發(fā)達(dá),能夠通過廣泛的物理纏繞固結(jié)土壤顆粒從而增強(qiáng)坡面土壤的抗沖刷侵蝕能力[42]。這說明即使麥冬草的冠層被減去或破壞,麥冬草的根系也可以有效的減少土壤侵蝕。

降雨強(qiáng)度相同時(shí),草本冠層對減沙效益的貢獻(xiàn)率隨草被格局的不同而呈現(xiàn)出一定的差異性[43-46]。例如:在90 mm/h降雨強(qiáng)度下,順坡帶狀格局、棋盤斑狀格局、菱形帶狀格局、隨機(jī)斑狀格局和沿等高線帶狀格局草本冠層對減沙效益的貢獻(xiàn)率依次為41.19%、38.26%、31.11%、25.52%和22.88%(圖 5(e))。此外,隨雨強(qiáng)的增大,同一格局下的草本冠層減沙貢獻(xiàn)率隨降雨強(qiáng)度的增大而減小。菱形帶狀格局草本冠層對減沙效益的貢獻(xiàn)率在60 mm/h、90 mm/h和120 mm/h三種雨強(qiáng)下依次為42.46%、31.11%和25.83%。

2.4 土壤侵蝕機(jī)理

2.4.1 侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)理

為了進(jìn)一步說明不同草被格局不同組分對坡面侵蝕的影響,分析了水流剪切力(τ)與坡面土壤侵蝕率(Sr)的關(guān)系。坡面土壤顆粒的啟動(dòng)與否主要取決于坡面流沖刷能夠分散的土壤顆粒大小和重量,只有當(dāng)坡面徑流作用在土壤顆粒的剪切力大于土壤顆粒的黏結(jié)度時(shí),土壤顆粒之間的黏結(jié)力才會被破壞,土壤顆粒在坡面水流的沖刷下才會發(fā)生滑動(dòng),從而產(chǎn)生土壤侵蝕[47]。為了便于描述,引出坡面水流臨界剪切力(τ0),即當(dāng)水流剪切力大于臨界剪切力時(shí)坡面開始發(fā)生侵蝕;當(dāng)水流剪切力小于臨界剪切力時(shí)坡面不發(fā)生侵蝕[48]。不同草被格局植草坡面(CR)水流剪切力與土壤侵蝕率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 不同草被格局植草坡面(CR)水流剪切力(τ)和侵蝕率(Sr)之間的關(guān)系

觀察圖6可以發(fā)現(xiàn),同一草被格局水流剪切力與坡面侵蝕率的關(guān)系基本相似,即坡面侵蝕率隨水流剪切力的增大而增大。對不同草被格局的水流剪切力與坡面侵蝕率做相關(guān)分析,得到水流剪切力與侵蝕率的相關(guān)方程,并求出不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)條件下的臨界剪切力,將結(jié)果列于表2。

表2 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率(Sr)和水流剪切力(τ)相關(guān)方程

從表2可以看出,整體而言不同草被格局植草坡面和留根坡面土壤侵蝕率與水流剪切力可近似呈y=ax+b線性關(guān)系。在本試驗(yàn)中,裸坡的臨界水流剪切力為0.548 N/m2,不同草被格局植草坡面的臨界剪切力介于0.496 N/m2～0.678 N/m2之間,留根坡面的臨界剪切力介于0.307 N/m2～0.563 N/m2之間,植草坡面和留根坡面的臨界剪切力相比裸坡增大了-0.052 N/m2～0.130 N/m2和-0.256 N/m2～0.015 N/m2,增長率為-9.49%～23.7%和-46.7%～2.74%。肖培青對草地、灌木地以及裸坡進(jìn)行試驗(yàn)研究得出紫花苜蓿、紫穗槐調(diào)控坡面和裸坡發(fā)生坡面侵蝕的臨界剪切力為2.86 N/m2、1.65 N/m2和0.86 N/m2[49],可見覆被坡面能夠在一定程度上增大坡面徑流臨界剪切力。由于只有當(dāng)水流剪切力大于臨界水流剪切力時(shí),才會發(fā)生坡面侵蝕,因而,臨界水流剪切力體現(xiàn)了不同草被格局植草坡面和留根坡面條件下土壤抵抗徑流分散和搬運(yùn)土壤顆粒能力的強(qiáng)弱。

總體而言,對于沿等高線帶狀格局(CBP)來說,不論是植草坡面還是留根坡面,其臨界水流剪切力均大于其他草被格局形式,表明這種格局形式具有較強(qiáng)的抵抗徑流侵蝕的能力。臨界剪切力增大說明土壤抗蝕性增強(qiáng),抵御徑流侵蝕的能力增強(qiáng),從而說明在其他條件一定的前提下,選擇合適的草被分布格局能夠更加有效地阻止坡面產(chǎn)沙,削減了土壤侵蝕,從而達(dá)到良好的水土保持效益。

從能量的角度分析,坡面徑流對土壤的侵蝕過程是一個(gè)克服阻力做功消耗能量的過程。為了研究侵蝕輸沙理論,Yang(楊志達(dá))提出了單位水流功率的概念,將其定義為流速與坡降的乘積,但該公式最初應(yīng)用于明渠水流[50]。Moor和Burch在1986年通過對坡面細(xì)溝侵蝕率進(jìn)行計(jì)算得出的結(jié)論為當(dāng)土壤顆粒為分散狀態(tài)和臨界單位水流功率取0.002 m/s時(shí),楊志達(dá)公式能夠較準(zhǔn)確的預(yù)測坡面和細(xì)溝流輸沙率[51]。根據(jù)楊志達(dá)單位水流功率計(jì)算公式,分析不同降雨強(qiáng)度條件下不同草被格局植草坡面侵蝕率和單位水流功率之間的關(guān)系(見圖7),對于不同的草被格局來說,單位水流功率與土壤侵蝕率的關(guān)系都有相似的規(guī)律,即侵蝕率隨單位水流功率的增大而增大。

圖7 不同草被格局植草坡面(CR)單位水流功率(Pu)和侵蝕率(Sr)之間的關(guān)系

在既定的試驗(yàn)條件下,降雨強(qiáng)度增大引起坡面徑流量的增大,侵蝕產(chǎn)沙率也會隨之增大,所以單位水流功率的增大必然引起土壤侵蝕率的增大[49,52]。對不同試驗(yàn)條件下坡面單位水流功率(Pu)和土壤侵蝕率(Sr)進(jìn)行相關(guān)分析,得到單位水流功率與土壤侵蝕率的相關(guān)方程,并求出不同草被格局植草坡面和留根坡面的臨界單位水流功率(Pu0),得到的結(jié)果列于表3。從表3可以看出,整體而言,不同草被格局植草坡面和留根坡面在不同降雨強(qiáng)度條件下坡面侵蝕率與單位水流功率可近似呈y=ax+b線性關(guān)系。在本試驗(yàn)中,裸坡的臨界單位水流功率為0.0026 m/s,不同草被格局植草坡面的臨界單位水流功率為0.0077 m/s～0.0105 m/s,留根坡面的臨界單位水流功率為0.0018 m/s～0.0059 m/s,不同草被格局植草坡面和留根坡面的臨界單位水流功率相比裸坡分別增大了0.0051 m/s～0.0079 m/s和-0.0008 m/s～0.0033 m/s,增大了1.96～3.04倍和-0.31～1.27倍?？傮w來看,除了個(gè)別草被格局留根坡面外,在草被覆蓋條件下,只有當(dāng)坡面水流具有更大的能量時(shí),才會引起坡面土壤侵蝕[52]。

表3 不同草被格局植草坡面(CR)和留根坡面(OR)侵蝕率(Sr)和單位水流功率(Pu)相關(guān)方程

2.4.2 侵蝕率和水動(dòng)力學(xué)參數(shù)相關(guān)性分析

由上述分析可知,坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性會直接影響土壤侵蝕程度。因此在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中,可通過對徑流水動(dòng)力學(xué)特性的預(yù)測來評估坡面土壤侵蝕量。為研究坡面徑流各水動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)與坡面土壤侵蝕率的相關(guān)關(guān)系,本試驗(yàn)進(jìn)行了皮爾遜相關(guān)分析,結(jié)果顯示在本試驗(yàn)條件下坡面土壤侵蝕率(Sr)和各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)間有良好的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)程度順序?yàn)?Pu>ω>Re>Gd>Ri>Fr>f>τ(見圖 8)。因此,在本研究中用單位水流功率來描述土壤侵蝕率的關(guān)系是最為合適的。相關(guān)分析是為了比較不同參數(shù)對土壤侵蝕率的影響程度,每個(gè)參數(shù)都對土壤侵蝕過程與機(jī)理研究有重要貢獻(xiàn),是研究坡面土壤侵蝕水動(dòng)力學(xué)因子的必要參數(shù)。

圖8 侵蝕率與影響因素間的相關(guān)性

3 結(jié) 論

(1) 坡面徑流率隨降雨歷時(shí)的延長整體表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定。侵蝕率在產(chǎn)流后的較短時(shí)間內(nèi)迅速增加,達(dá)到峰值后逐漸降低最終趨于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。穩(wěn)定徑流率和穩(wěn)定侵蝕率受降雨強(qiáng)度、草被格局以及草種垂直結(jié)構(gòu)等因素的影響。

(2) 與裸坡相比,不同草被格局的植草坡面和留根坡面的減流效益為6.85%～65.34%和2.19%～23.15%,減沙效益22.88%～70.46%和10.49%～50.61%。隨降雨強(qiáng)度增大,不同草被格局植草坡面和留根坡面的減流效益和減沙效益均降低,沿等高線帶狀格局減沙效益最佳。

(3) 在不同降雨強(qiáng)度條件下,草本冠層對減流效益的相對貢獻(xiàn)率為47.40%～68.98%,草本根系對減流效益的相對貢獻(xiàn)率為31.02%～52.60%。草本冠層與草本根系貢獻(xiàn)率比值大于1,即草本冠層對徑流率的削減占主導(dǎo)作用;草本冠層對減沙效益的相對貢獻(xiàn)率為17.97%～63.17%,草本根系對減沙效益的相對貢獻(xiàn)率為36.83%～82.03%。草本根系與草本冠層的比值大于1,即草本根系對土壤侵蝕率的削減起到主導(dǎo)作用。

(4) 土壤侵蝕率與水流剪切力和單位水流功率均呈良好的線性關(guān)系,草被覆蓋能夠有效增大坡面臨界水流剪切力和臨界單位水流功率,根據(jù)皮爾遜相關(guān)分析,坡面侵蝕率和各水動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及試驗(yàn)變量之間均有良好的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)程度的順序?yàn)?Pu>ω>Re>Gd>Ri>Fr>f>τ。