摘 要 為了研究灌木在改善土壤流失方面的作用，設(shè)置灌木樣地及裸坡樣地，并模擬40 mm·h-1、80 mm·h-1和120 mm·h-1 3種降雨強度，確定相應(yīng)地表徑流速率，計算土壤流失率。結(jié)果表明，裸坡樣地的水流功率約為灌木樣地的3倍，且在降雨強度較弱時，灌木覆蓋對減少地表徑流和土壤流失的效果顯著，因此可在黃土邊坡地區(qū)種植灌木防治水土流失。

關(guān)鍵詞 土壤流失；灌木；降雨強度；黃土邊坡

中圖分類號：S157 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.09.009

植被可以增加土壤的有機質(zhì)含量，改善土壤的物理性質(zhì)和土壤抗蝕性，將地表徑流和土壤侵蝕降低到安全水平[1]。研究表明，我國黃土高原延河流域裸地的地表徑流量和土壤流失量分別是灌木覆蓋地的80倍和150倍[2]。土壤侵蝕是一個復(fù)雜的過程，主要受雨滴沖擊和地表徑流過程的影響。地表覆蓋物不僅能攔截降水，減少徑流量，還可以保護土壤表面免受雨滴沖擊的破壞作用和徑流的沖刷作用[3]。目前，大量研究已證明草地覆蓋對減少地表徑流和土壤流失的影響，但對灌木覆蓋地土壤侵蝕過程的研究很少，關(guān)于灌木覆蓋地塊侵蝕過程與關(guān)鍵水力參數(shù)之間的關(guān)系，仍需要更多的探索。

為研究灌木對坡地表徑流和土壤侵蝕的改善作用，筆者通過模擬降雨條件，分析土壤侵蝕的水力機制，為我國黃土坡地水土流失的防治工作提供參考。

1" 材料與方法

1.1" 試驗設(shè)計

我國西北地區(qū)黃土坡地植被覆蓋率低，水土流失問題較為嚴重。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，西北黃土坡地坡度在10°～25°的土地面積占溝壑區(qū)土地總面積的22%～45%。為了解黃土坡地土壤流失機制，以及植被覆蓋對水土流失的防治效果，設(shè)計2個試驗箱，制備裸坡樣地和灌木樣地。試驗箱的尺寸為6 m×3 m×0.6 m，調(diào)整坡度為15°。將每個試驗箱分成3個尺寸為6 m×1 m的地塊，使用聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）塑料擋板作為邊界。

試驗土壤粒徑的分布如表1所示。先在每個地塊的底部鋪一層厚度為10 cm的沙土，以方便排水，然后以10 cm厚度為一層進行分層填土，頂部10 cm厚的表面層模擬耕地土壤。

1.2" 模擬降雨設(shè)計

研究中使用的降雨模擬器由供水速率恒定的水泵和降雨發(fā)生器組成。降雨發(fā)生器距離地面4 m，由一個水箱（有效降雨面積為1.2 m×1.2 m）、一個降液器（8號鋼制注射器針頭）和一個針板振動發(fā)生器組成。模擬雨滴均勻度系數(shù)大于85%。降雨強度可調(diào)節(jié)范圍為10～180 mm·h-1。

設(shè)置3種降雨強度，分別為40 mm·h-1、80 mm·h-1和120 mm·h-1。其中，40 mm·h-1用于研究低降雨強度下地表徑流對土壤流失的影響；80 mm·h-1用于研究頻繁發(fā)生的高強度局部風暴對土壤流失的影響；120 mm·h-1用于研究高徑流量下灌木覆蓋對土壤侵蝕性的影響。

1.3" 灌木覆蓋度

灌木品種為胡枝子，其在一種水土保持項目中應(yīng)用效果良好的灌木。在春季種植灌木，株行間距為30 cm×20 cm。經(jīng)過3個月的生長，灌木高度可達1.2 m，對樣地的覆蓋率約為68%。

1.4" 試驗實施

試驗前，用直徑1 cm的螺旋鉆測定土壤含水量。為了使每組地塊的土壤含水量均勻，試驗前24 h在所有地塊上進行15 min強度為20 mm·h-1的降雨。降雨在所有地塊上產(chǎn)生了約15%的初始含水量，從而縮小了不同降雨強度下地塊之間初始含水量的差異。

依次對3個灌木樣地進行40 mm·h-1、80 mm·h-1和120 mm·h-1的模擬降雨，降雨持續(xù)60 min，其中一個樣地在進行模擬降雨時，其他兩個樣地覆蓋塑料膜，模擬過程中觀察樣地狀態(tài)。一旦徑流開始，在整個降雨期間使用10 L的水桶連續(xù)收集樣本，每次采樣時間為2 min；同時利用染料示蹤劑，每隔2 min記錄地塊上、中、下坡面的地表流速。在相同的時間間隔內(nèi)，用鋼尺測定流動寬度和深度。在模擬降雨結(jié)束后，用量筒測量采集到的樣本以得到地表徑流量，并以此計算地表徑流速率。當樣品的沉淀物沉淀下來后與水分離，在105 ℃的烘箱中干燥到質(zhì)量恒定，以此計算土壤流失率。裸坡樣地用同樣的方法進行試驗。最后計算兩種樣地的單位水流功率，用于在土壤保護實踐中預(yù)測土壤侵蝕性。試驗中用到的計算公式如下。

[Qr=Qt×b×h] （1）

式中：Qr為地表徑流速率，mm·min-1；Q為徑流量，m3；t為徑流的流動時間，min；b為流動寬度，mm；h為流動深度，mm。

[PSLR=mt×S]" "（2）

式中：PSLR為土壤流失率，g·min-1·m-2；m為沉積物干燥質(zhì)量，g；S為降雨面積，m2。

[P=vk]" " （3）

[v=lt1] （4）

式中：P為單位水流功率，m·s-1；v為流速，m·s-1；k為能量斜率，m·m-1，表示兩點沿山坡的垂直落差，k取值為tan15°；l為染料示蹤劑流動距離，m；t1為染料示蹤劑流動時間，s。

2" 結(jié)果與分析

2.1" 徑流過程

不同降雨強度下裸坡樣地和灌木樣地的平均地表徑流速率如表2所示。由表2可知，降雨強度越大，地表徑流速率越大。正如預(yù)期的那樣，地表徑流速率隨著降雨強度的增加而變大，而且可以看出灌木樣地的地表徑流速率明顯小于裸坡樣地。

不同降雨強度下裸坡樣地和灌木樣地的地表徑流速率隨時間的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，當降雨強度為40 mm·h-1時，裸坡樣地的地表徑流速率緩慢變大，在降雨持續(xù)時間為28 min時達到最大值（0.62 mm·min-1）；而灌木樣地的地表徑流速率在60 min內(nèi)仍保持相對穩(wěn)定，且小于裸坡樣地。這可能是因為在40 mm·h-1的降雨強度下，土壤表面形態(tài)變化不大。在降雨強度為80 mm·h-1和120 mm·h-1時，裸坡樣地的地表徑流過程表現(xiàn)出明顯的波動特征。這是由于降雨開始后20 min內(nèi)形成和發(fā)展出了細溝；隨著降雨的持續(xù)進行，地表水流逐漸轉(zhuǎn)化為集中水流，侵蝕力增大，足以沖刷土塊；細溝侵蝕逐漸發(fā)展并演變?yōu)橹饕治g模式，徑流速率迅速變大，直至達到相對穩(wěn)定階段[4-5]。這些特征表明地表條件和降雨強度對地表徑流有明顯的影響。在降雨強度為80 mm·h-1和120 mm·h-1時，灌木樣地的地表徑流量亦不穩(wěn)定，但波動幅度較小。這可能是因為當降雨強度為120 mm·h-1時，灌木樣地的植物莖葉對雨滴的截留作用和對水力粗糙度的增加作用減弱，因此灌木樣地的地表徑流量減少并不顯著。

2.2" 土壤流失過程

不同降雨強度下裸坡樣地和灌木樣地的平均土壤流失率如表3所示。由表3可知，降雨強度越大，平均土壤流失率越大。裸坡樣地平均土壤流失率在43.67～115.53 g·min-1·m-2，灌木樣地平均土壤流失率在5.82～85.86 g·min-1·m-2。與裸坡樣地相比，灌木樣地平均土壤流失率減少25.7%～86.7%。

不同降雨強度下裸坡樣地和灌木樣地土壤流失率隨時間變化的規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，裸坡樣地和灌木樣地的土壤流失率都隨著降雨強度的增加而變大。當降雨強度為40 mm·h-1時，裸坡樣地和灌木樣地都沒有出現(xiàn)細溝侵蝕的跡象，坡面侵蝕是主要的侵蝕方式，灌木樣地土壤流失率相對較小且相對穩(wěn)定。當降雨強度為80 mm·h-1時，裸坡樣地土壤表面在降雨24 min后出現(xiàn)了新月形的沖刷坑和細溝形成的跡象。受細溝侵蝕的影響，裸坡樣地土壤流失量急劇增加，并保持波動趨勢；而在降雨強度為80 mm·h-1時，灌木樣地土壤流失率隨時間變化不大。隨著時間的推移，灌木樣地的土壤流失率明顯小于裸坡樣地。當降雨強度為120 mm·h-1時，降雨開始時裸坡樣地的土壤流失率較大。降雨約20 min后開始形成細溝，此時觀察到裸坡樣地土壤流失率減小，灌木樣地變大。在灌木樣地中，降雨約10 min后形成侵蝕坑，土壤流失率急劇波動并持續(xù)變大。

2.3" 水動力參數(shù)

裸坡樣地和灌木樣地平均流速和單位水流功率如表4所示。由表4可知，裸坡樣地的平均流速在0.176～0.403 m·s-1，灌木樣地為0.055～0.153 m·s-1。計算得裸坡樣地的單位水流功率為0.047～0.108 m·s-1，灌木樣地的為0.015～0.041 m·s-1，裸坡樣地的水流功率在各降雨強度下均大于灌木樣地。這表明相對于裸坡樣地，灌木樣地對土壤保護的有效程度較高。

3" 結(jié)論與討論

通過室內(nèi)模擬降雨試驗比較了裸坡樣地和灌木樣地的地表徑流率和土壤流失率，分析了裸坡樣地和灌木樣地的單位水流功率，得到以下結(jié)論。

1）地表徑流率隨降雨強度的增加而增加，灌木樣地的地表徑流率普遍小于裸坡樣地，灌木覆蓋對減少地表徑流的效果顯著。降雨強度增加到120 mm·h-1時，灌木樣地植物莖葉對雨滴的截留作用和對水力粗糙度的增加作用減弱，灌木樣地的地表徑流量減少不顯著。

2）與地表徑流率的變化規(guī)律相似，降雨強度越大，土壤流失率越大。灌木樣地的土壤流失率普遍小于裸坡樣地。細溝和侵蝕坑會導(dǎo)致土壤流失率大幅增加。

3）與裸坡樣地相比，灌木樣地的水流功率在各降雨強度下均小于裸坡樣地。相較于裸坡樣地，灌木樣地對土壤保護的有效程度較高。

綜上所述，為了防治黃土地區(qū)的水土流失，應(yīng)提高植被覆蓋度，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

參考文獻：

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（責任編輯：敬廷桃" 劉寧寧）