不同植被格局對梁峁坡-溝坡的侵蝕動力作用機制

于國強,賈蓮蓮,朱冰冰,張 霞

〔1.中國地質調查局干旱—半干旱區地下水與生態重點實驗室,陜西 西安 710054;2.黃河水利委員會黃河上中游管理局，陜西 西安 710021;3.陜西師范大學 地理科學與旅游學院,陜西 西安 710061;4.省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室(西安理工大學),陜西 西安 710048〕

土壤侵蝕是黃土高原嚴重、復雜的生態問題[1-3]。我國黃土區地形破碎，土壤抗侵蝕能力弱，土壤侵蝕嚴重且植被有限，是泥沙進入黃河的主要源區[3]。植被在黃土高原生態環境建設中有著不可替代的作用，合理的植被結構能夠有效減少、防止水土流失，改良土壤性質[4-6]；不合理的植被布局加劇水土流失[7]。因此，如何優化植被格局是實現是治理黃土區水土流失的關鍵。黃土高原區植被與侵蝕的關系研究歷史悠久，學者們[8]對植被蓋度與土壤侵蝕的關系、植被對水力學參數和土壤性質的影響、植被的減水減沙效應等方面開展了大量研究。在植被調控坡面侵蝕研究方面，研究者們[9]認為除植被類型、數量決定侵蝕產沙外，格局、分布也同侵蝕產沙關系密切。不少研究[10-11]發現，在相同降雨或梁峁坡來水條件下，植被分布在溝坡的侵蝕產沙小于中坡和梁峁坡。從本質上說，草地植被是通過改變水力學參數進而影響土壤侵蝕過程的[8]。

近年來，國內外學者較為系統地研究了植被覆蓋條件下的坡面流水動力學特性，然而，由于土壤侵蝕的復雜性和技術手段的限制以及缺乏合適的植被格局表征參數，導致現有研究多停留在定性分析階段，只給出了不同植被分布與侵蝕產沙變化的邏輯關系，對植被分布對減流減沙的影響過程缺乏深入的闡述。梁峁坡—溝坡組成的復合坡形是自然界也是黃土高原區常見的主要坡形之一，對其侵蝕產沙規律及其調控機理的研究是認識流域產沙機制的基礎。因此，本研究采用室內模擬降雨試驗和三維激光掃描技術，通過分析黃土丘陵溝壑區梁峁坡—溝坡不同坡位植被坡面侵蝕動力過程變化，闡述植被及其格局變化對復合坡面侵蝕過程的調控作用，以期為進一步揭示草地坡面侵蝕規律和植被減蝕效應研究提供依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究對象為陜北黃土高原丘陵溝壑區，以黃土作為試驗用土壤，土壤樣品為采自西安市郊區的黃土，屬于丘陵臺塬地貌，植被覆蓋較好。本文根據概化的黃土丘陵溝壑區梁峁坡—溝坡地貌，建立了物理試驗模型(如圖1所示)。試驗于2017年4—7月在西安理工大學雨洪侵蝕試驗大廳進行。

圖1 黃土丘陵溝壑區梁峁坡-溝坡概化模型

試驗模型采用鋼板制成，梁峁坡長8 m，坡度12°，溝坡長5 m、坡度25°，水平投影面積為11.55 m2[4]。試驗用土為取自西安郊區丘陵臺塬地貌的黃土，經篩分處理后0.002～0.05 mm和0.05～0.1 mm的顆粒分別占91.39%和6.21%，為粉質土。選擇草根系達20 cm，長勢較好的野生馬尼拉草(Zoysiamatrella)為試驗用草。

試驗開始兩周前，將草帶鋪設于鋼槽內自然生長，長勢同自然生長狀態下一致；草帶鋪設尺寸為2 m×1 m。鋪設土壤前，在鋼槽底部鋪設20 cm厚天然砂層，確保水分在土壤中均勻滲透。土壤初始含水量對黃土的抗侵蝕性影響很大，為確保每次試驗初始值保持一致，每次模擬降雨試驗都采用噴水裝置對下墊面噴水，且噴水量和噴水時間相同，最終使模型的初始含水量控制在21%左右。夯實土壤控制容重為1.3 g/cm3，每次試驗初始條件保持一致。

土壤鋪設厚度為20 cm，并為草帶布設預留10 cm空間，使草帶與裸坡緊密連接以防止滑動。模擬降雨采用向上式降雨裝置，采用濾紙法[7]測量雨滴直徑與自然降雨雨滴尺寸接近。試驗中梁峁坡、溝坡分別布設4個噴頭，每個噴頭降雨覆蓋3～4 m2。試驗采用水壓和噴頭尺寸精確控制雨強、雨量和降雨均勻程度[12]。

1.2 試驗方法

針對較為干旱環境和條件下的黃土高原地區植物實際生長情況[13]，選擇25%較低覆蓋度作為試驗設計。研究共涉及5種植被格局(圖1)：裸坡格局(格局A)、梁峁坡下部(格局B)、梁峁坡中下部(格局C)、梁峁坡中上部(格局D)、梁峁坡上部(格局E)。為確保各個格局下的相似性，每種格局下的初始條件(土壤條件、降雨雨強、歷時)均保持一致，具體參數均保持一致。試驗中選用黃土區的暴雨雨強(90 mm/h)[14]，間隔24 h，每個格局開展2場試驗。為減少試驗誤差，每場試驗重復兩次，重復結果表明，產沙和徑流均值未發生顯著差異，次降雨產沙量誤差可以控制在10%以內。

每個格局降雨完成后，重新鋪設新的草帶根據預試驗結果，產流達到穩定狀態的時間為30 min，確定徑流歷時為30 min。試驗過程中，徑流、泥沙樣品每1 min收集1次，測量徑流量；泥沙經過24 h靜置后分離，在105 ℃下烘干8 h后稱重。將梁峁坡—溝坡均分為13個1 m×1 m的坡段，每個斷面徑流表面流速采用染料示蹤法確定。

雷諾數Re是水流慣性力與黏滯力的比值。本試驗層流和紊流的臨界值取500，在500左右則為過渡流，Re大于500時為紊流，小于500則為層流[15]，計算公式為：

(1)

式中：R代表過水斷面水力半徑(m)；U代表平均流速(m/s)；v代表徑流運動黏滯系數，v=0.017 75/(1+0.033 7T+0.000 221T2)；T代表水溫(℃)。

由于本試驗坡面為薄層水流，可用坡面平均水深h代替水力半徑R，用反算法計算：

(2)

式中：t代表時間(min)；q代表單寬流量〔m3/(m·min)〕；Q代表t時間內總徑流量(m3)；b代表過水斷面寬度(m)；U代表平均流速(m/s)。

徑流流速是坡面水流最重要、可以通過試驗手段直接獲取[16]的水動力學參數之一。坡面徑流平均流速(V)計算式為：

V=αU

(3)

式中：U為徑流表面平均流速(m/s)；α為修正系數，由徑流流態確定，紊流、過渡流和層流時分別為0.80，0.70，0.67。

本試驗選用Trimble FX scanner三維掃描儀，對下墊面微地貌進行掃描，水平方向和垂直方向測量精度均為1 mm，建立梁峁坡—溝坡表面DEM模型[17]。每種格局下獲取3個1 m×13 m的DEM數據。去除植被的噪點數據后對獲取的DEM點云數據進行10 mm×10 mm的插值處理，產沙總體積計算公式為：

VE=∑HiS

(4)

式中：VE為總侵蝕量；Hi為兩次降雨DEM數據點高程之差；S為面積(10 mm×10 mm)。

為了增加三維激光掃描方法和空間插值分析方法的可靠性，本研究將將插值計算得到的侵蝕產沙物質總體積與系統出口測量的產沙量進行了對比分析，其擬合函數為：V1=31.19M+9.21〔V1為體積(L)，M為產沙量(kg)〕，判定系數R2=98.16%，其誤差在6%～14%之間，說明試驗微地貌測量結果是可以接受的，表明本次研究中地表微地貌掃描結果以及微地貌分析技術的合理性和準確性。

2 結果與分析

2.1 梁峁坡-溝坡植被格局的產沙與徑流流速關系

流速是坡面徑流最重要的水動力因素，影響泥沙輸移和土壤侵蝕過程[18-19]。對降雨后各格局的坡段侵蝕量和徑流流速進行匯總分析(見圖2—3)。溝坡段的侵蝕量明顯高于梁峁坡，不同格局的減沙效益以如下順序遞減：格局C>B>A>D>E，一些格局條件下(格局D和E)的產沙率和徑流流速甚至超過了裸坡(格局A)。所有的產沙過程均皆存在波動，兩次降雨條件下，梁峁坡—溝坡產沙沿程變化均表現出相似的波動趨勢和程度。但格局A，B和C的輸沙過程整體波動程度小于格局D，E。這是因為，格局B，C中植被位于梁峁坡下部，有效抑制了流速的快速增長，使得格局B，C在兩次降雨中的流速均較小(見圖2)，徑流動能一直處于較低水平，侵蝕能力減弱，梁峁坡各坡段的產沙水平一直低于裸坡。在溝坡范圍內，格局C的徑流流速始終處于較低水平，而且隨著坡長的增加，這種現象更加明顯。這表明此時草帶對徑流流速的調控范圍可涉及整個坡面(見圖2)。而格局B時未能很好的減緩流速增長，只能調控梁峁坡范圍內的輸沙過程；此外，由于草帶的過濾，進入溝坡范圍內的含沙量降低，徑流輸沙能力變強，溝坡范圍內侵蝕量高于裸坡(見圖2)。因此，格局B的草帶布設對流速的減緩效果稍弱于格局C。在溝坡范圍內，格局C的徑流流速始終處于較低水平，而且隨著坡長的增加，這種現象更加明顯。這表明此時草帶對徑流流速的調控范圍可涉及整個坡面(圖3)。而格局B時未能很好的減緩流速增長，只能調控梁峁坡范圍內的輸沙過程；此外，由于草帶的過濾，進入溝坡范圍內的含沙量降低，徑流輸沙能力變強，溝坡范圍內侵蝕量高于裸坡(見圖2)。因此，格局B的草帶布設對流速的減緩效果稍弱于格局C。

圖2 不同植被格局條件下梁峁坡-溝坡產沙沿程變化

格局D，E條件下，產沙波動和侵蝕程度遠高于格局B，C，甚至超過了裸坡的情況。這是由于：①草帶位于梁峁坡上部，草帶以下較大面積的裸坡成為了泥沙侵蝕空間和徑流加速的空間，為徑流侵蝕和加速提供了較大的空間；在此范圍內，流速快速增長(見圖3)，動能一直處于較高狀態，徑流侵蝕能力加劇，導致產沙率快速增長；②含沙徑流經過草帶的過濾后，含沙量降低，一方面增加了水流攜運泥沙的能力，徑流剝蝕率相對增大[18-20]，另一方面，由于“清水”流速分布均勻且比“渾水”流速大，最終導致侵蝕程度加劇。在這種交互作用下，格局D，E的產沙率和徑流流速始終最高，這與Jin[21]等提出的在雨強65 mm/h低植被蓋度條件下會產生較裸坡更高的土壤侵蝕的結論一致。總體而言，不同格局下的坡面各個坡段的流速影響著對應坡段的侵蝕產沙水平。徑流含沙量和流速即徑流攜運泥沙能力和徑流剪切力共同影響著坡面侵蝕動力過程和侵蝕輸沙過程[22-23]，同時加劇或削弱徑流侵蝕，徑流流速在坡面侵蝕動力過程中為主要影響因素。植被通過對徑流流速和含沙量的調節，實現了對坡面侵蝕動力過程的調控。

圖3 不同植被格局下梁峁坡-溝坡徑流流速變化

2.2 植被格局對坡溝產沙關系變化的作用

由圖4可以看出，除格局D外，各格局溝坡段侵蝕量均大于梁峁坡，說明溝坡是整個坡面主要產沙來源，徑流對溝坡的侵蝕作用要強于梁峁坡。以梁峁坡與溝坡的產沙比例的變化反映植被格局對侵蝕的調控范圍和強度的變化(見圖4)，相對于裸坡，格局D，E侵蝕泥沙量分別增加116.44和136.14 L。表明格局D，E條件下，植被調控侵蝕的作用均已減弱甚至失效，或者在一定程度上加劇了徑流侵蝕。如圖4所示，格局B和C的坡面侵蝕量均低于裸坡，格局B下的梁峁坡產沙減少了28.17 L，溝坡產沙增加了7.83 L；格局C下的梁峁坡與溝坡的產沙分別減少了19.70和35.30 L。這是由于草帶布設緩解了徑流的侵蝕作用。格局C緩解徑流侵蝕的程度強于B，兩者侵蝕量相差34.66 L。格局B下，較裸坡相比，梁峁坡產沙大量減少，減蝕量達28.17 L，此時梁峁坡侵蝕量僅占整個坡面的18%，達到谷值；但溝坡侵蝕量較裸坡增加7.79 L，侵蝕量占整個坡面的82%，侵蝕加劇程度主要集中在溝坡范圍。說明此時草帶僅對梁峁坡范圍的侵蝕有效控制，并未在溝坡范圍內發揮功效，或者作用稍弱。格局C的梁峁坡與溝坡的侵蝕量急劇減少，梁峁坡侵蝕量占40%，溝坡占60%，且坡面范圍內的各坡段的侵蝕量均較低，說明此時草帶可以很好的調控整個坡面范圍內的侵蝕和輸沙過程。

圖4 不同植被格局下梁峁坡與溝坡侵蝕量

3 討 論

由于坡面侵蝕產沙過程的觀測相對容易，土壤侵蝕的學者更多的關注的是坡面[25-26]。諸如WEPP模型和RUSLE/USLE模型，均是在坡面尺度的基礎上向流域尺度推廣的[27]。而植被由于其在坡面上的格局不同，對徑流和泥沙的作用方式不同，坡面范圍內的侵蝕產沙差異十分顯著[28]。本研究將整個坡面分為13個坡段，每個坡段長1 m，梁峁坡包括8個坡段(坡段1—8)，溝坡包括5個坡段(坡段9—13)，以表征每個坡段的侵蝕量。裸坡時，整個坡面的侵蝕量為0.124 m3，均值9.52×10-3m3/m2。坡段5的侵蝕量達到1.05×10-2m3，占坡面侵蝕量的8.48%，是梁峁坡主要侵蝕部位。溝坡范圍內的中部至下部(坡段11—13)是整個梁峁坡—溝坡范圍內侵蝕最為嚴重的區域，3 m長的坡段侵蝕量達到0.069 m3，產沙率為29.80 kg/m2，占整個坡面侵蝕量的55.56%。格局B條件下，坡面侵蝕總量為0.103 m3，略小于裸坡，植被發揮出一定的減蝕作用，但效果較差。格局B下的梁峁坡侵蝕量僅為0.019 m3，占其總侵蝕量的18.11%，侵蝕強度最低；但溝坡侵蝕量較裸坡有所增加，溝坡成為此時的侵蝕來源，侵蝕產沙多集中于此，侵蝕量為0.085 m3，產沙率為22.01 kg/m2，占整個坡面侵蝕量的81.89%，說明此時草帶減緩侵蝕的范圍有限，僅可調控梁峁坡區域。格局C條件下，草帶種植于梁峁坡60%位置，坡面總侵蝕量僅為0.069 m3，遠低于裸坡，說明該格局具有更好的控制侵蝕的作用，其植被控制區域覆蓋全坡面；梁峁坡的侵蝕量僅為0.027 m3，占總侵蝕量的39.57%；溝坡侵蝕量僅為0.042 m3，占整個坡面的60.43%，侵蝕強度最低。此時只有溝坡中上部(坡段10)和中部(坡段11)侵蝕量較大，是坡面產沙的主要來源部位，其2 m的坡段的侵蝕量為0.022 m3，產沙率僅為14.16 kg/m2，占整個坡面產沙的31.71%。

通過以上分析可知，草帶種植于坡面，溝坡始終是坡面產沙的主要部位。植被種植位置梁峁坡上部會在一定程度上加劇侵蝕，使得侵蝕量達到峰值。不同格局下的加劇或減弱侵蝕的程度雖然一致，但其控制部位并不相同。格局D，E下的植被會加劇侵蝕，侵蝕量相近且達到峰值，侵蝕加劇程度相近；但此時植被所能作用的范圍不盡相同，導致侵蝕的加劇程度、侵蝕的主要位置和泥沙主要來源有所區別。草帶種植于梁峁坡中上部時，主要加劇梁峁坡范圍內的侵蝕強度，而草帶布設于梁峁坡上部則反而會加劇整個溝坡范圍內的侵蝕強度。格局B，C下，盡管不同程度上減緩了徑流侵蝕，侵蝕量為最低；但植被調控侵蝕范圍不同，侵蝕減緩部位截然不同。草帶種植于梁峁坡底部，植被對侵蝕的調控范圍有限，僅可以有效降低梁峁坡范圍內的侵蝕強度，調控范圍并未覆蓋整個溝坡或者對溝坡的調控效果較弱，導致溝坡范圍內的侵蝕量較裸坡有所增長。草帶位于梁峁坡中下部，其植被的調控范圍可以覆蓋整個坡面，能夠有效抑制和減緩溝坡內的徑流流速，有效減緩整個坡面范圍內的侵蝕強度，使坡面整體的侵蝕產沙處于試驗范圍內的最低水平。

諸多文獻[29-30]表明，植被格局與植被的減沙減蝕作用息息相關，不同植被配置方式植被截流能力相差很大，坡面下部種植植被在減蝕方面明顯好于坡面上部種植植被，這與本研究的結果一致。植被對坡溝侵蝕產沙調控效應的不同反映了不同植被格局的減水減沙效益。植被的水土保持效益隨著覆蓋度的增加而增大，相同覆蓋度條件下，條帶狀、棋盤狀格局都有不同程度的減緩徑流流速的作用[31]。但本研究結果顯示，坡面布設植被后，梁峁坡—坡溝反而侵蝕加重(格局D，E)，這說明植被的減沙效益與植被的布設位置有密切關系。以往結果表明，當植被位于下坡位時，其減沙效益遠遠高于上坡位和中坡位[11]。但隨著坡面徑流進入溝坡和溝道后，由于峁坡坡面徑流含沙量減小，清水下溝反而使得進入溝坡的徑流剝蝕力增大，溝坡部分侵蝕增強，即坡面徑流通過溝坡時會引起侵蝕產沙量增加[25]。因此，研究不同梁峁坡植被格局對溝坡侵蝕的影響和調控將有助于深入理解黃土高原植被恢復背景下坡溝侵蝕產沙關系變化。

4 結 論

目前大多數關于坡面水力要素特征研究中，主要關注的是整個坡面水動力學特征的平均狀況，忽略了水動力參數在侵蝕演化過程中的分布特征和以及同侵蝕產沙的響應關系。關于坡面流侵蝕力所引起的土壤分散—剝離—輸移—沉積過程，植被格局對侵蝕輸沙過程的調控作用的研究也存在一定的局限性。鑒于以上研究的薄弱之處，本研究開展了植被格局調控侵蝕動力的研究，得出以下結論：

(1) 徑流流速和徑流含沙量同向或反向影響著坡面的動力侵蝕過程和土壤侵蝕輸沙過程，加劇和削弱侵蝕的作用同時存在。徑流流速在坡面徑流侵蝕過程中為主要影響因素。植被依靠對徑流流速和徑流含沙量的影響來調控坡面動力侵蝕過程和侵蝕輸沙過程。

(2) 裸坡條件下梁峁坡與溝坡的產沙比例為3∶5，溝坡是坡面泥沙來源的主要部位，徑流對溝坡的侵蝕強度要大于梁峁坡。不同植被格局下，梁峁坡與溝坡的產沙比例出現不同程度的改變，基本以溝坡產沙為主。不同植被格局下的梁峁坡與溝坡的產沙比例反映出植被對侵蝕調控強度與作用范圍的變化。

(3) 草帶種植于梁峁坡底部，植被對侵蝕的調控范圍有限，僅在梁峁坡范圍內有效，并未覆蓋溝坡或者對溝坡的調控效果較弱，僅可以有效降低梁峁坡范圍內的侵蝕強度，導致溝坡段侵蝕有所增強。草帶種植于梁峁坡中下部，可以有效減緩整個坡面的侵蝕強度，有效抑制和減緩溝坡內的徑流流速，使坡面整體的產沙處于最低水平。

致謝：本文得到了自然資源部地下水與生態—陜西榆林野外科學觀測基地的支持，在此表示感謝。