鐵桿蒿與白羊草枯落物覆蓋量對黃土坡面流水動力特性的影響

李兆松，王 兵,2，汪建芳，王忠禹

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鐵桿蒿與白羊草枯落物覆蓋量對黃土坡面流水動力特性的影響

李兆松1，王 兵1,2※，汪建芳1，王忠禹1

（1. 西北農林科技大學水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，楊凌 712100；2. 中國科院水利部水土保持研究所，楊凌 712100）

枯落物種類及覆蓋量差異可能會影響坡面流水動力特性。選取黃土高原丘陵溝壑區典型草地鐵桿蒿（菊科）和白羊草（禾本科）枯落物為研究對象，通過設置7個枯落物覆蓋量（鐵桿蒿為0～1 000 g/m2，白羊草為0～600 g/m2）和2個降雨強度（60和120 mm/h），系統研究枯落物類型及覆蓋量對坡面流水動力學特征參數的影響。結果表明：1）相對裸地對照，枯落物覆蓋處理坡面流平均流速、雷諾數和弗汝德數平均減小了77.3%、18.5%和87.4%，阻力系數增加了315倍；2）枯落物覆蓋量的增加可有效減緩流速、流態和增加阻力系數，并且隨著枯落物覆蓋量的增加，平均流速、雷諾數和弗汝德數均呈冪函數減小趨勢（＜0.01），而阻力系數呈冪函數增加趨勢（＜0.01）。總體而言，鐵桿蒿枯落物對坡面流水動力參數的影響高于白羊草枯落物。3）逐步回歸結果表明各個水動力參數均與流量、枯落物覆蓋量和枯落物特征參數呈顯著冪函數關系（2為0.84～0.92，NSE（Nash-Sutcliffe系數）為0.60～0.91，＜0.01）；除流量和枯落物覆蓋量外，流速和阻力系數還受枯落物直徑影響，流態則主要與枯落物密度和長度密切相關。本研究可為揭示枯落物的水土保持機理，正確評價草地的水土保持效益提供科學參考。

侵蝕；水動力學；流量；枯落物覆蓋量；典型草地；黃土丘陵溝壑區；降雨

0 引 言

坡面流是指降雨強度或流量超過地面入滲能力情況下，水流沿坡面順坡方向上在重力作用下扣除下滲、填洼等水分損失后的淺層明流[1]，是土壤侵蝕的主要動力來源[2]。因此，系統研究坡面流水力學特征及其影響因素對于準確預測土壤侵蝕具有著重要意義。流速、流態和阻力特征是表征坡面流的常用指標，其主要受坡面土壤類型、地表形態、土地利用方式、降雨或流量特征、含沙量和土壤近地表特征等的影響[3-7]。植被覆蓋可顯著影響產流、產沙過程，因而有關植被覆蓋對坡面流水力學參數的影響備受關注。目前，植被特征對坡面流水動力特性影響的研究已經取得了一定的成果，如有無植被[8]、植被覆蓋度[9-12]、植被格局[13-14]、剛性植被和柔性植被[15-16]以及植被淹沒程度[17-18]。枯落物作為植被的重要產物覆蓋于地表，可消減雨滴動能、延緩產流時間、削弱坡面流沖刷和改善土壤理化性質，進而有效保護土壤、減少土壤侵蝕[19-21]。然而，有關枯落物覆蓋減流減沙作用的水動力學機理的研究相對較少[22-23]。黃土高原是中國、乃至全世界水土流失最嚴重的地區之一，強烈的水土流失直接威脅區域經濟與生態環境可持續發展。自1999年退耕還林（草）工程實施以來，植被得以恢復，近地表枯落物大量蓄積[6]。在這過程中，草地面積顯著增加，約占黃土高原總面積的41.7%[24]。基于此，本文選取黃土丘陵溝壑區典型草地菊科植物鐵桿蒿（）枯落物和禾本科植物白羊草（(.)）枯落物作為研究對象，采用人工模擬降雨試驗，系統研究鐵桿蒿和白羊草枯落物覆蓋對坡面流水動力學特征的影響，量化枯落物覆蓋量與坡面流水力學參數之間的定量關系，以期為揭示黃土高原典型草地枯落物水土保持機理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年8月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點室降雨大廳進行。人工模擬降雨采用QYJY-503固定式人工降雨設備，該設備采用組合噴頭降雨，噴頭安置高度均為18 m，雨滴大小控制在0.4～6 mm，可調節雨強范圍為30～300 mm/h，降雨均勻度大于0.8，雨滴終點速度近似天然降雨。

1.2 試驗處理

在安塞紙坊溝流域選取典型鐵桿蒿群落（菊科）和白羊草群落（禾本科）草地，收集其自然凋落未分解的枯落物，并通過體積排水法測定枯落物密度，WinRHIZO Pro 2.0 圖像分析軟件測定枯落物長度、投影面積、直徑和表面積，結果如表1。鐵桿蒿和白羊草枯落物分別設置7個覆蓋量處理（表2），每個處理2個重復。

表1 鐵桿蒿和白羊草枯落物特征

注：鐵桿蒿用Ag表示，白羊草用Bi表示。下同。

Note:was represented by Ag,(.) Keng.was represented by Bithe same as below

表2 鐵桿蒿和白羊草枯落物覆蓋量

1.3 試驗過程

試驗土槽長、寬、深分別為2.0、0.5、0.4 m，坡度為15°。供試土壤采自安塞退耕地表層土（0～40 cm），其理化性質見表3。土槽底部鋪0.10 m細沙，而后進行填土，為保證土壤水分均勻下滲，將細沙層和填土層鋪用紗布隔開。填土前先將土壤過2 mm篩，去除石礫和草根后按照容重1.2 g/cm3分層填裝，每層0.05 m，鋪平、壓實，每次填裝下層土壤之前將表土打毛，消除土壤之間的分層現象。填土結束后，將枯落物按照預設覆蓋量均勻撒鋪在坡面上，并適量灑水（不產生徑流和物理結皮），靜置2周后開始進行降雨試驗。

表3 供試土壤理化性狀

注：機械組成參照美國農業部制定的土壤質地分類標準。

Note: Mechanical composition refers to soil texture classification standards established by the U.S. Department of Agriculture.

降雨前，均對各處理土壤含水量進行標定，以消除土壤含水量差異對試驗的影響。根據黃土高原雨季侵蝕性降雨和極端暴雨情況，60 mm/h降雨強度為該區域較為常見的侵蝕性降雨強度；此外，考慮到極端降雨，又設置了120 mm/h的雨強。另陜北子洲綏德“7·26”特大暴雨中子洲最大一小時降雨量為52.0mm[25]，故降雨歷時分別為60和30 min；降雨過程中測定水溫，每3 min收集徑流泥沙全樣并采用高錳酸鉀法測定坡面流表面流速，再根據實測水溫計算出水流粘滯系數，進一步計算雷諾數和判斷水流流態，乘以校正系數（緩流：0.6；過渡流：0.7；急流：0.8）獲得平均流速[26]，用以計算坡面流水力學參數。結合上述枯落物種類和覆蓋梯度，共計降雨56場。

1.4 水動力學參數計算方法

本研究中坡面流水力學參數主要涉及雷諾數（）、弗汝德數（）和Darcy-Weisbach阻力系數（），其計算公式如下[27-28]

式中為水深，m；為單寬流量，m3/(m·s)；為斷面平均流速，m/s；為運動黏滯系數，cm2/s；為水的溫度，℃；為重力加速度，取9.8 m/s2；為水力半徑，取值近似水深，m；為水力坡度，其值為坡度的正弦值。

2 結果與討論

2.1 枯落物覆蓋對流速的影響

流速是表征坡面流常用的水動力學參數，也是計算其他水動力學參數的基礎。受降雨歷時、枯落物覆蓋量和降雨強度的影響，各處理坡面流流速存在顯著差異（圖1）。對于所有處理，流速隨降雨歷時的延長整體表現為先增加后趨于穩定的變化趨勢，降雨結束前15 min坡面流流速較降雨初始15 min增加了5.4%～86.4%。這主要是降雨初期土壤未達到飽和狀態，入滲速率較大所致。枯落物覆蓋除能消耗徑流能量和分散徑流外，還能增加糙度，從而降低坡面流流速。相對于裸地對照，鐵桿蒿枯落物覆蓋條件下流速平均減少83.8%，而白羊草枯落物覆蓋條件下流速平均減少70.8%。枯落物覆蓋量的增加可顯著減緩坡面流流速，且隨著降雨強度的增大，枯落物覆蓋量對坡面流流速的影響差異更顯著。相對于枯落物覆蓋量最小的T1處理，鐵桿蒿枯落物覆蓋條件下其他處理平均流速在60和120 mm/h雨強下分別平均減少了67.3%和54.9%，白羊草枯落物覆蓋條件則平均減少了21.2%和30.0%。總體而言，2種枯落物覆蓋在2個雨強下平均流速較裸地減小77.3%，但由于枯落物覆蓋量及類型的差異，鐵桿蒿枯落物覆蓋對坡面流速的減緩效果強于白羊草。

圖1 不同覆蓋量坡面流流速隨降雨歷時變化特征

2.2 枯落物覆蓋對流態的影響

2.2.1 枯落物覆蓋對雷諾數的影響

水流流態是表征坡面薄層徑流水動力特征的基本參數之一，而雷諾數是重要的判別方法之一。雷諾數是慣性力和黏性力的比值，是衡量紊動程度的重要指標。根據明渠水流的判別標準，當雷諾數大于500時，徑流流態為紊流；當雷諾數小于500時，徑流流態為層流；在500左右時，徑流流態為過渡流[29]。所有處理坡面流雷諾數隨降雨歷時的延長整體呈先迅速增加后趨于穩定的變化趨勢（圖2），降雨結束前15 min坡面流流速較降雨初始15 min增加了15.5%～162.2%，但均小于500，表明坡面流均為層流。枯落物覆蓋可顯著減小雷諾數，受枯落物覆蓋量及類型差異的影響，其對雷諾數的影響不盡相同。相對于裸地對照，鐵桿蒿枯落物覆蓋條件下雷諾數平均減少了23.3%，白羊草枯落物覆蓋條件下則平均減少了13.7%，2種枯落物覆蓋平均減少了18.5%。枯落物覆蓋量的增加可顯著減小雷諾數，相對于枯落物覆蓋量最小的T1處理，鐵桿蒿覆蓋其他處理雷諾數在60和120 mm/h雨強下分別平均減少了29.1%和17.5%，白羊草則平均減少了7.8%和5.5%。這是因為雷諾數受流量影響顯著[13]，水深未沒過枯落物時，流量越大，雷諾數越大。枯落物覆蓋量的增加，糙度增大，入滲增加，從而減小流量，導致雷諾數減小。雷諾數變化曲線在120 mm/h雨強下整體較60 mm/h雨強高，主要是降雨強度增加導致水深升高，增加了徑流與粗糙單元接觸和碰撞的概率，進而增加了徑流的紊動性[4,30]。

圖2 不同覆蓋量下雷諾數隨降雨歷時變化特征

2.2.2 枯落物覆蓋對弗汝德數的影響

弗汝德數也是表征徑流流態的重要參數，是衡量徑流急緩程度的重要指標，表示徑流慣性力與重力的關系。根據明渠水流的判別標準，當大于等于1時，徑流流態為急流；當小于1時，徑流流態為緩流[29]。在降雨強度相同時，越大，表明徑流流速挾沙能力越強。隨降雨歷時變化趨勢受降雨強度和枯落物覆蓋量的影響顯著（圖3）。60 mm/h雨強時，枯落物覆蓋處理在不同時段整體表現為無顯著差異；而120 mm/h雨強時，當鐵桿蒿和白羊草枯落物覆蓋量較低時隨降雨歷時為緩慢增大，較高時仍表現為無顯著差異。枯落物覆蓋可顯著減小。裸地對照均大于1，徑流流態為急流；鐵桿蒿和白羊草枯落物覆蓋條件下分別較裸地對照平均減少92.1%和82.7%，且均小于1，徑流流態為緩流。枯落物覆蓋量的增加可顯著減小，且降雨強度的增大，對枯落物覆蓋量較小處理坡面流的影響顯著高于覆蓋量較大處理。相對枯落物覆蓋量最小的T1處理，鐵桿蒿枯落物覆蓋條件下其他處理坡面流在60和120 mm/h雨強下分別平均減少了77.2%和64.8%，白羊草枯落物覆蓋條件下則減少了25.2%和37.9%。總體而言，2種枯落物覆蓋在2種雨強下弗汝德數的平均值較裸地減小了87.4%，鐵桿蒿枯落物覆蓋減緩坡面急流效果較白羊草枯落物覆蓋強。

2.3 枯落物覆蓋對阻力系數的影響

阻力系數反映了坡面流在流動過程中所受的阻力大小，阻力系數越大，說明水流克服坡面阻力所消耗的能量就越大，則用于坡面侵蝕和泥沙輸移的能量就越小。隨著降雨歷時的延長，鐵桿蒿枯落處理阻力系數在60和120 mm/h雨強下分別整體表現為趨于穩定和先增加后減小的變化趨勢，白羊草枯落物處理在2個雨強下則均表現為先增加后緩慢減小的變化趨勢（圖4）。由于枯落物覆蓋不同于植被覆蓋，在足夠大的坡面徑流沖刷作用下枯落物會逐步移動形成短距離的堆集，同時，留出部分面積裸露，使平均水深逐漸變小，導致阻力系數減小[30]；白羊草枯落物相對鐵桿蒿枯落物量少且重量密度低，坡面移動堆積所需要的徑流動力相對較小，使得其對坡面流的阻力小于鐵桿蒿。枯落物覆蓋可顯著增加阻力系數，并且受枯落物覆蓋量及類型差異的影響。鐵桿蒿和白羊草枯落物覆蓋條件下各處理阻力系數平均是裸地對照的591.8和38.8倍，平均約為315倍。枯落物覆蓋量的增加可顯著增加阻力系數，且隨降雨強度的增大，枯落物覆蓋量對坡面流阻力系數的影響差異更為顯著。相對于枯落物覆蓋量最小的T1處理，鐵桿蒿覆蓋條件下其他處理坡面流阻力系數在60和120 mm/h雨強下平均增加了18.4和13.3倍，白羊草覆蓋條件下則增加了0.9倍和2.1倍。這主要是枯落物覆蓋量的增加，一定程度上會增加覆蓋率，加大了水流發生碰撞和摩擦的機會，消耗了更多水流能量。相關研究表明阻力系數隨覆蓋率的增加呈冪函數增加[31]。

圖3 不同覆蓋量下弗汝德數隨降雨歷時變化特征

圖4 不同覆蓋量下阻力系數隨降雨歷時變化特征

2.4 枯落物覆蓋與水動力參數的量化關系

枯落物覆蓋可顯著影響坡面流流速、雷諾數、弗汝德數和阻力系數。進一步分析表明，鐵桿蒿和白羊草兩種枯落物覆蓋處理下，坡面流平均流速、雷諾數、弗汝德數和阻力系數均與枯落物覆蓋量存在顯著冪函數關系（0.55≤2≤0.97；＜0.01；圖5和表4）；且隨著枯落物覆蓋量的增加，平均流速、雷諾數和弗汝德數均減小，阻力系數增大。這是由于枯落物覆蓋量的增加能夠增大坡面糙度，耗散徑流能量，從而減小坡面流流速、雷諾數、弗汝德數和增大阻力系數[30-32]。由于枯落物種類的不同，白羊草和鐵桿蒿枯落物對坡面流水動力參數的影響也存在差異。

圖5 坡面流水動力參數與枯落物覆蓋量的關系

表4 坡面流水動力參數與枯落物覆蓋量的函數關系（P<0.01）

總體而言，隨著枯落物覆蓋量的增加，白羊草枯落物覆蓋條件下平均流速、雷諾數和弗汝德數均高于鐵桿蒿枯落物，而阻力系數則低于鐵桿蒿枯落物。這是由于相對于菊科的鐵桿蒿枯落物，禾本科的白羊草枯落物大都以寬葉為主，質量密度相對較小，且枯落物由于較大的表面積，其凋落于地面后枯葉間空隙相對較大，從而導致其對徑流的阻力相對較小，進而流速、雷諾數和佛汝德數相對較大。

綜上所述，坡面流流速、雷諾數、佛汝德數和阻力系數與枯落物種類、覆蓋量及降雨強度存在顯著關系。基于此，增加枯落物特征參數（表1）來表征枯落物種類差異對坡面流水動力參數的影響。逐步回歸結果表明，各坡面流水動力參數均可表示為枯落物特征參數、枯落物覆蓋量和徑流量的冪函數關系，公式（6）～（9）。

=10-7.801.28-0.18-0.542=0.92，<0.01 NSE=0.83（6）

10-8.322.110.171.062=0.92，<0.01，NSE=0.91（7）

10-5.310.98-0.410.602=0.84，<0.01，NSE=0.60（8）

=109.58-1.980.70-1.9420.86，<0.01，NSE=0.81（9）

式中樣本量=24，和分別為坡面流平均流速（m/s）、雷諾數、弗汝德數和阻力系數，、、、和分別為產流量、枯落物覆蓋量（g/m2）、枯落物直徑（mm）、枯落物密度（g/cm3）和枯落物長度（cm/g）。除流量和枯落物覆蓋量可顯著影響坡面流水動力參數外，枯落物特征參數中枯落物直徑是影響流速和阻力系數的主要參數，而枯落物密度和長度分別是影響雷諾數和弗汝德數的主要參數。

3 結 論

本文以黃土高原丘陵溝壑區典型草地鐵桿蒿（菊科）和白羊草（禾本科）枯落物為研究對象，通過設置7個枯落物覆蓋量和2個降雨強度（60和120 mm/h），系統研究枯落物種類及覆蓋量對坡面流水動力學特征參數的影響。結果表明：

1）枯落物覆蓋能夠顯著影響坡面流水動力參數，其中鐵桿蒿枯落物覆蓋能夠平均減小流速、雷諾數和弗汝德數的83.8%、23.3%和92.1%，增加阻力系數591.8倍；白羊草枯落物則平均減小流速、雷諾數和弗汝德數的70.8%、13.7%和82.7%，增加阻力系數38.8倍。

2）隨著枯落物覆蓋量的增加，2種枯落物覆蓋條件下平均流速、雷諾數和弗汝德數均呈冪函數減小趨勢（<0.01），而阻力系數呈冪函數增加趨勢（<0.01）；隨著降雨強度的增大，枯落物覆蓋量對各水動力參數的影響差異更為顯著；總體而言，鐵桿蒿枯落物覆蓋對坡面流水動力參數的影響高于白羊草枯落物。

3）坡面流水動力參數均可表示為枯落物特征參數、枯落物覆蓋量和徑流量的冪函數關系（2為0.84～0.92，NSE為0.60～0.91，<0.01），除流量和枯落物覆蓋量外，枯落物特征參數中枯落物直徑是影響流速和阻力系數的主要參數，而枯落物密度和長度分別是影響雷諾數和弗汝德數的主要參數。枯落物不僅分布于地表，而且大量廣泛分布于表層土壤中，其對土壤侵蝕影響的研究相對較少。因此，量化枯落物混入量與水動力學參數的相互關系，明確枯落物混入量對產流、產沙過程的影響，將是我們下一步的研究內容。

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Effects ofandlitter mass coverage on hydrodynamic characteristics of loess overland flow

Li Zhaosong1, Wang Bing1,2※, Wang Jianfang1, Wang Zhongyu1

(1.,,,712100,; 2.,712100)

Litter coverage maybe significantly affect hydrodynamic characteristics of overland flow. An artificially simulated rainfall experiment was carried out to investigate the effects of litter coverage of different species and mass of different levels on the overland flow hydraulic parameters with a bare slope as the control. There seven litter mass coverages and two rainfall intensities in the experiment. Typical grassland litter ofwith the composite family and(.)with the grass family were selected in the Loess hilly-gully region, the north of Shaanxi province, China.Seven litter mass coverages were set toand(.), respectively, varying from 100 to 1 000 g/m2and 50 to 600 g/m2for each of those vegetation types and subjected to simulated two rainfall intensities: 60 and 120 mm/h. A normal rainfall intensity 60 mm/h and a rainstorm rainfall intensity 120 mm/h as the simulated rainfall intensities. According the extreme rainstorm event “7·26” in Zizhou and Suide, the north of Shaanxi province which the maximum hourly rainfall was 52 mm, so 60 mm was set to simulate rainfall. During the rainfall experiment, flow velocity and runoff were measured every three minutes, the water temperature was measured every fifteen minutes, and thenumber,number and the resistance coefficient were calculated based on flow velocity, flow discharge or water temperature. The results showed that compared with bare slope control, the flow velocity,number andnumber of litter coverage treatments were reduced by 77.3%, 18.5%, and 87.4%, respectively. However, the resistance coefficient was 314 times greater than the reference treatment. The average flow velocity,number andnumber decreased with the litter mass coverage increased as a power function (<0.01), however, the resistance coefficient increased with a power function (<0.01). As a whole, with the litter mass increased, the flow velocity,number andnumber of(.)were larger than that the(<0.01), but the resistance coefficient was opposite. The stepwise regression results showed that there was a significant (<0.01) power function relationship between flow discharge, litter mass coverage, characteristic parameters of litter and the hydraulic parameters of the slope (<0.01). The2and(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient) ranged from 0.84 to 0.92 and 0.60 to 0.91, respectively. In addition to the flow discharge and litter mass coverage, the litter density was the key parameter to affect the flow velocity. Furthermore, the projected area of litter and the flow pattern had a close relationship, and the litter surface area was the main parameter for characterizing the resistance coefficient. This study can reveal the soil and water conservation mechanism of grassland litter and correctly evaluate the soil and water conservation benefits of grassland.

erosion; hydrodynamics; flow rate; litter mass coverage; typical grassland; the Loess Hilly-Gully Region; simulated rainfall

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.020

S157

A

1002-6819(2018)-17-0151-07

2018-03-21

2018-05-27

國家自然科學基金重點項目“退耕驅動近地表特性變化對侵蝕過程的影響及其動力機制（41530858）”，國家自然科學基金面上項目“基于RUSLE模型的黃土高原草地植被覆蓋因子研究（41771555）”，陜西省創新人才推進計劃—青年科技新星項目“黃土高原典型草地植物根系對土壤分離過程的影響（2017KJXX-88）”，國家重點研發計劃“黃土丘陵溝壑區植被功能提升與山地果園管理關鍵技術及示范（2016YFC0501703）”

李兆松，博士生，主要從事土壤侵蝕研究。Email：lzs151139@163.com

王 兵，博士，副研究員，主要從事植被恢復與土壤侵蝕研究。Email：bwang@ms.iswc.ac.cn

李兆松，王 兵，汪建芳，王忠禹. 鐵桿蒿與白羊草枯落物覆蓋量對黃土坡面流水動力特性的影響[J]. 農業工程學報，2018，34(17)：151－157. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.020 http://www.tcsae.org

Li Zhaosong, Wang Bing, Wang Jianfang, Wang Zhongyu. Effects ofandlitter mass coverage on hydrodynamic characteristics of loess overland flow[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 151－157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.020 http://www.tcsae.org